CC BY
68
УДК 678.01:531.43
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАНИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ СЛОЕВ ПРИ УЧАСТИИ АКТИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ СМАЗОЧНЫХ СРЕД
О.Н. Билякович, доцент, к.т.н., Е.В. Богайская, аспирантка, Национальный авиационный университет, г. Киев
Аннотация. Представлен обзор трудов отечественных и зарубежных ученых, современных и «классических» трибологов, посвященный анализу процессов модифицирования поверхностных слоев, формирования защитных структур на контактных парах в условиях граничного режима смазки.
Ключевые слова: трибосопряжение, трение, хемосорбция, масло, граничный, поверхность.
СУЧАСН1 УЯВЛЕННЯ ПРОЦЕС1В ФОРМУВАННЯ ГРАНИЧНИХ ЗМАЩУВАЛЬНИХ ШАР1В ЗА УЧАСТЮ АКТИВНИХ КОМПОНЕНТ1В
МАСТИЛЬНИХ СЕРЕДОВИЩ
О.Н. Бшякович, доцент, к.т.н., К.В. Богайська, асшрантка, Нацюнальний ав1ац1йний ушверситет, м. Кшв
Анотаця. Представлено огляд робт втчизняних i заруб1жних вчених, сучасних i «класичних» триболог1в, присвячений аналiзу процеав модифiкацií поверхневих шарiв, формування захисних структур на контактних парах в умовах граничного режиму мащення.
Ключов1 слова: трибосполучення, тертя, хемосорбщя, масло, граничний, поверхня.
MODERN POINTS OF VIEW ON PROCESSES OF FORMING OF BORDER LUBRICATING LAYERS WITH APPLICATION OF ACTIVE COMPONENTS OF
LUBRICATING ENVIRONMENTS
О. Bilyakovich, Associate Professor, Candidate of Technical Science, Е. Bogayskaya, graduate, National Aviation University, Kyiv
Abstract. This article provides an overview of the work of domestic and foreign scholars, modern and «classic» scientists of tribology, the analysis of processes modifying the surface layers, the formation ofprotective structures at the contact pairs in the boundary lubrication regime
Key words: tribojuncture, friction, chemisorption, oil, boundary, surface.
Введение
Решение задачи обоснованного подбора материалов трибосопряжений и рабочих сред неразрывно связано с исследованиями процессов их взаимодействия в условиях нормального трения. Поэтому проблему смазывания узлов трения нельзя отделять от изучения взаимодействия смазочного мате-
риала с металлической поверхностью контактных пар и влияния на это взаимодействие структурных факторов металла и активных компонентов смазочного материала.
Как известно, трение в условиях граничного режима смазки - собирательное понятие, которое охватывает процессы трения поверхностей, покрытых пленками разных видов:
оксидными, адсорбционными, пленками мыл и продуктов реакции содержащихся в масле активных компонентов с металлом поверхности.
Самоорганизация трибосистемы в режиме граничного трения проявляется путем образования защитных структур, которые экранируют металлические поверхности пар трения от непосредственного контакта, схватывания и интенсивного разрушения.
Именно такие защитные структуры и представляют собой тонкие граничные пленки, формирование которых определяет совместное действие деформации, нагрева, диффузии и химических реакций [1].
Все эти пленки различаются не только по своей природе, но и по характеру зависимости сил трения от скорости, нагрузки, температуры и других факторов. Исследование физико-химических явлений, имеющих место при формировании граничных пленок на твердых поверхностях, имеет фундаментальное значение для изучения процессов трения, изнашивания, решения многих триботехни-ческих задач, а в конечном итоге, для повышения надежности, долговечности машин и механизмов, возможности продления ресурса элементов трибосистем.
Цель и постановка задачи
Продление ресурса агрегатов машин во многом определяется условиями формирования и свойствами граничных смазочных слоев на трущихся поверхностях. Изучению вышеуказанных вопросов посвящены труды многих отечественных и зарубежных ученых, современных и «классических» трибологов, обзор работ которых представлен в данной статье в их эволюционном развитии. Также приведены доводы для подтверждения необходимости проведения дальнейших исследований в данном направлении.
Состояние вопроса
При рассмотрении вопросов, связанных с формированием модифицированных слоев металла, образованием граничных смазочных слоев (ГСС) на контактных поверхностях, необходимо учитывать влияние пластической деформации, сопровождающей процесс трения в условиях граничного режима смазки.
Как известно, наибольшее распространение и экспериментальное подтверждение получила дислокационная теория пластичности, разработанная Г. Тейлором, Е. Орованом, М. По-ляни [2, 3], И. Одингом [4]. Н.А. Буше для объяснения процессов деформирования металлов при трении использовал представления о дислокационном строении твердых тел [5], фундаментальные исследования дислокационных механизмов пластической деформации при трении впервые выполнены Б.И. Костецким [6]. Последним отмечено, что увеличение плотности несовершенств в процессе пластической деформации металла является основным фактором, определяющим взаимодействие твердой фазы, граничного слоя и смазочной среды.
Процессы образования квазикристаллического смазочного слоя при трении, его механические характеристики, процессы физической адсорбции, диффузии и формирования модифицированных поверхностных слоев определяются полем металлической фазы, активированной в процессе деформирования, что находит подтверждение в работах А.С. Ахматова и других исследователей [711 и др.].
В свою очередь смазочные материалы обладают способностью оказывать влияние на процессы пластической деформации и разрушения поверхности металла. Именно под действием смазок процесс пластического деформирования тонких поверхностных слоев (ПС) пар трения обуславливает диффузионную активность металла и, таким образом, оказывает существенное влияние на его модифицирование, физико-химические процессы, протекающие в ГСС, определяют характер формирования дислокационной структуры в поверхностном слое металлов [12, 13].
Влияние смазочной среды с поверхностно-активными веществами (ПАВ) на процессы деформации поверхностных слоев контактных пар связано с проявлением т. н. эффекта П.А. Ребиндера, который, как известно, может быть реализован в двух вариантах [14].
Конечным результатом проявления данного эффекта может оказаться существенное упрочнение ПС вследствие значительно большей, чем в отсутствии ПАВ, предшествующей пластической деформации.
Фактически адсорбция - это и есть взаимодействие поля твердого тела с полями атомов (молекул) жидкости или газа, в результате чего на ПС трибосопряжений образовываются ГСС. Данный процесс идет до насыщения адсорбционного слоя, равновесное состояние которого определяется условиями равенства скоростей адсорбции и десорбции [15].
Общеизвестно, что адсорбция может быть двух видов - физическая, которая определяется силами Ван-дер-Ваальса, и химическая -в случае химической реакции между активной частью молекул адсорбента и молекул твердого тела (хемосорбция).
По свидетельству авторов многих работ, в процессе образования ГСС сначала физически адсорбируются на поверхности трения, затем вступают в химическую реакцию с образованием хемосорбционных пленок, которые характеризуются высокой энергией связи [16, 17 и др.].
Известно, что наибольшей способностью к адсорбции обладают ПАВ, т. е. вещества, молекулы которых ориентируются при адсорбции перпендикулярно к поверхности. В то же время даже масла, состоящие из углеводородов полнонасыщенных рядов СпН2п или СпН2п+2, имеющие неполярные молекулы, адсорбируются под влиянием поляризации углеводородных молекул электрическим полем металлической поверхности [7, 11, 14, 18 и др.].
В подтверждение вышесказанного можно привести работу [19], автор которой указывает на способность практически всех технических масел адсорбироваться на металлических поверхностях с образованием на ПС пар трения предельной квазикристаллической фазы с прочными связями с поверхностью и между молекулами в самом смазочном слое -на площадях фактического контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочного слоя.
Безусловно, важна оптимальная концентрация ПАВ в базовых маслах, кроме того, в образовании прочного граничного слоя в присутствии ПАВ существенную роль играет и само масло. В частности, по утверждению авторов работы [20], максимальный эффект получен при равенстве длины цепи базового масла и ПАВ. Очевидно, при такой комбина-
ции возникают наиболее благоприятные межмолекулярные силы, повышающие адгезию граничного слоя к металлической поверхности.
В работе [21] описаны результаты исследований, которые подтверждают наличие эффекта антагонизма за счет конкурентного взаимодействия двух или более поверхностно-активных присадок, одновременно находящихся в масле, с поверхностями трения.
При хемосорбции полярные концы молекул, связываясь с поверхностью твердого тела, образуют в ней монослой, сходный с химическим соединением. Хемосорбция (ХС), в отличие от физической адсорбции (ФА), носит избирательный характер, она протекает только при достижении определенной температуры, с большей интенсивностью в местах нарушения регулярности кристаллической решетки и требует значительной энергии активации. При правильном выборе химически активных присадок их взаимодействие с металлом происходит только в тех местах поверхностей трения, где имеет место разрыв смазочного слоя, возникает высокая мгновенная температура и появляется опасность схватывания [22].
Экспериментально доказано, что при контакте с нагретой металлической поверхностью не только химически активные присадки минерального масла, но и его инактивные компоненты могут формировать ХС-слои на поверхности трения [23].
Во многих случаях ФА и ХС протекают одновременно, но одна из них является преобладающей. При работе трибосистемы время образования адсорбционных пленок имеет принципиальное значение, т. к. всегда существуют условия ее разрушения. С ростом скорости трения адсорбция на разрушаемых поверхностях из-за роста температуры и дефицита времени может тормозиться или вообще отсутствовать [11].
В отличие от хемосорбции, при которой только 1-й слой металлической поверхности имеет химические связи с монослоем смазочной среды, возможно образование химически модифицированных слоев в результате более глубоких химических реакций при наличии в жидкой или газовой среде таких активных в химическом отношении элемен-
тов, как сера, сероводород, хлор, хлористый водород, фосфор и др. В этом случае формируются глубокие модифицированные слои из соединений железа с этими элементами [13, 22, 24].
В результате взаимодействия активированных ПС материала с активными элементами среды - пассиваторами, основные из которых перечислены выше, образовываются однофазные или гетерогенные тонкопленочные объекты, получившие название вторичных структур.
Формирование силицидных, сульфидных и фосфидной фаз происходит на базе тех химических ингредиентов, которые находятся в присадках или в использованном смазочном материале [25].
В общем случае механизм действия химически-активных присадок может состоять из трех процессов: адсорбции (или хемосорб-ции), химических превращений (разложения) при повышенных температурах в месте контакта и химического взаимодействия наиболее активных продуктов разложения присадки с металлом [26].
На сегодняшний день совершенно очевидным является влияние кислорода воздуха на процессы формирования защитных поверхностных структур на трибосопряжениях, который, адсорбируясь на поверхностях трения, обеспечивает развитие окислительных процессов со скоростью, превышающей скорость процессов схватывания.
Окисление ПС металлов происходит под воздействием кислорода воздуха и продуктов окисления углеводородов. На окисном слое в результате адсорбционного взаимодействия происходит образование квази-кристалли-ческих граничных слоев из активных молекул смазочной среды; на нем же возможно формирование хемосорбционных слоев в результате химических процессов между компонентами масел и оксидной пленки [22, 25].
По свидетельству авторов ряда работ, кислородные монослои, адсорбированные на металлических поверхностях, при трении сохраняются. Если в какой-то момент происходит их частичное разрушение, то пленка восстанавливается практически мгновенно, поскольку процесс адсорбции характеризует-
ся во времени микросекундами, причем скорость хемосорбционного взаимодействия кислорода с поверхностью металла значительно превышает даже скорость адсорбции ПАВ [6, 27 и др.].
В работах М.В. Райко, Г.В. Виноградова, Ю.Я. Подольского, Р.С. Файна, К.Л. Кройца, В.П. Кадомского и др. установлено, что смазочное действие в широком диапазоне температур (60-200 °С) при тяжелых условиях граничного режима трения обеспечивается образованием на трущихся поверхностях углеводородами масла и некоторыми присадками хемосорбционных пленок, названных авторами самогенерирующимися органическими пленками - СОП (в зарубежной литературе они чаще представлены под названием полимеров трения).
Пленки СОП образованы в результате сложных окислительных и полимеризационых процессов составляющих масел с активным участием кислорода воздуха. Образование СОП минеральными маслами происходит при деструкции молекул индивидуальных углеводородов парафинового, нафтенового и ароматического классов, участии кислорода воздуха и воздействии активированного трением металла [28].
По утверждению автора работы [29], с химической точки зрения узел трения, работающий в контакте с воздухом, представляет собой реактор, потребляющий кислород и преобразующий углеводородные компоненты смазочных масел в продукты окисления, разложения и полимеризации.
В результате окисления масла в трибосопря-жениях агрегатов машин образуются продукты, молекулы которых являются полярными, что способствует появлению на металлических поверхностях и на взвешенных в масле твердых частицах граничных масляных пленок. Возможность адсорбции продуктов окисления масла на частицах износа определяется тем, что в момент отрыва от поверхности эти частицы имеют искаженную кристаллическую решетку и термодинамически способны в максимальной степени адсорбировать на себе полярно-активные продукты окисления масла. Высокая же адсорбционная способность дорожной пыли (песка), проникающей в масло и являющейся важным компонентом механических примесей, хорошо известна [30].
Выводы
Состояние граничных смазочных слоев - это комплексная характеристика, определяемая его структурными изменениями. Структурные изменения ГСС определяются рядом измеряемых параметров (прочностных, антифрикционных, противозадирных, термоокислительной стабильностью и т. д.), которые в совокупности обуславливают эксплуатационные свойства смазочных материалов [31].
Предложенный обзор работ, посвященных анализу процессов модифицирования поверхностных слоев, формирования защитных структур на контактных парах в условиях граничного режима смазки, подтверждает необходимость проведения дальнейших исследований в данном направлении.
Очевидно, что продление ресурса агрегатов машин во многом определяется условиями формирования и свойствами граничных смазочных слоев на трущихся поверхностях, однако кинетика образования и деструкции, механизмы структурных изменений ГСС, приводящие к их самоорганизации, требуют дальнейшего изучения.
Литература
1. Приймаков О.Г. Моделювання процешв
створення i руйнування мастильно! пл> вки в залежносп вщ температури / О.Г. Приймаков, О.В. Диха // Проблеми трибологи. - 2007. - №1. - С. 82-88.
2. Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах / Ван
Бюрен. - М. : Изд-во иностр. лит., 1962.
- 312 с.
3. Котрелл А.Х. Дислокации и пластическое
течение в кристаллах / А. Х. Котрелл. -М. : Металлургиздат, 1958. - 123 с.
4. Одинг И.А. Теория ползучести и длитель-
ной прочности металлов / И.А. Одинг. -М. : Металлургиздат, 1959. - 134 с.
5. Буше Н.А. Подшипниковые сплавы для
подвижного состава / Н.А. Буше. - М. : Транспорт, 1967. - 145 с.
6. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в
машинах / Б. И. Костецкий. - К. : Техника, 1970. - 396 с.
7. Ахматов А. С. Молекулярная физика гра-
ничного трения / А.С. Ахматов. - М. : Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1963.
- 472 с.
8. Морисон С. Химическая физика поверхно-
сти твердого тела / С. Морисон. - М. : Мир, 1980. - С. 49-85.
9. Дроздов Ю.Н. Трение и износ в экстре-
мальных условиях : справочник / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, ВН. Пучков. - М. : Машиностроение, 1986. -224 с.
10. Mishina H. The Latest Researches and Cucrent Problems on Friction and Wear / H. Mishina // J. Surface Sci. Soc. Jap. -2003. - № 6. - P. 340-345.
11. Гаркунов Д. Н. Виды трения и износа. Эксплуатационные повреждения деталей и машин / Д.Н. Гаркунов, П.И. Кор-ник. - М.: МСХА, 2003. - 344 с.
12. Костецкий Б. И. Механохимические про-
цессы при граничном трении / Б.И. Костецкий и др. - М. : Наука, 1972. - 170 с.
13. Холодилов О.В. Анализ противозадирных
свойств моторных масел / О.В. Холодилов, С.В. Короткевич, С.О. Бобович, Н.Ф. Соловей // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2006. - №12. -С.6-15.
14. Щукин Е.Д. Образование новых поверх-
ностей при разрушении твердого тела в поверхностно-активной среде / Е.Д. Щукин, П.А. Ребиндер. - М. : АН СССР, 1958.
15. Khomenko A. Temperature dependence effect of viscosity on ultrathin lubricant film melting / A. Khomenko, I. Lyashenko // Condensed Matter Physics. - 2006. -Vol. 9, №4. - P. 695-702.
16. Мур Д. Основы и применения трибоники
/ Д. Мур. - М. : Мир, 1978. - 487 с.
17. Максименко О.П. Теорiя i практика зма-
щування металургшних машин : навч.
/ О.П. Максименко, В.В. Перем> тько, В.М. Самохвал. - Дшпродзер-жинськ : Дншродзерж. держ. техн. ун-т., 2007. - 224 с.
18. Полунина И.А. Химическое модифицирование поверхности нанодисперсных металлов / И.А. Полунина, Т.П. Колесникова, К.Е. Полунин. - М. : Институт физической химии РАН, 2001. - 18 с.
19. Дыха А.В. Структурно-термодинамичес-
кие подходы в механизмах граничного смазывания / А.В. Дыха // Проблемы трибологии. - 2006. - №3. - С. 62-65.
20. Askwith T.C. The relation-ship of molecular
chain length of lubricant and theory of scuffing / T.C. Askwith, A. Cameron,
R.F. Crouch // Conf. Inst. Petroleum Gear Lubrication, 1964. - 37.
21. Studt P. Die Adsorption von Schmierolzu-
satzen an Stahloberflachen und ihre tribo-logische Bedeutung // Additives for lubricants and Operational Fluids. Editor Bartz W.J. Ostfildern : Technishe Akademie Esslingen Druck. - 1997. - Vol. 1. - P. 3.6-1 - 3.6. -16.
22. Райко М.В. Смазка зубчатых передач / М.В. Райко. - К. : Техтка, 1970. - 196 с.
23. Короткевич С. В. Анализ фрикционных и
механических свойств граничных смазочных слоев с использованием методов электрофизического зондирования : ав-тореф. дис. на соискание научн. степени канд. техн. наук : 05.02.04 «Трение и износ в машинах» / С.В. Короткевич. -Гомель : Гос. науч. учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого, 2002. - 22 с.
24. Венцель С.С. Основи трибологп та хiмо-
тологп : навч. пошб. / С.С. Венцель, С.М. Лиаков, А.В. Свтушенко. - Харюв : Укр. держ. акад. затзн. трансп., 2007. -241 с.
25. Маленко П.И. Структура и адгезионные
свойства никотрированных теплостойких сталей при эксплуатации в режиме ресурсного смазывания : автореф. дис. на соискание научн. степени канд. техн. наук : 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов / П.И. Маленко. - Тула : ТГУ, 1998. -26 с.
26. Санин П.И. Химические аспекты гранич-
ной смазки / П.И. Санин // Трение и износ. - 1980. - Т. 1, №1. - С. 45-57.
27. Лернер Ю.Н. О прочности адгезионных
непроводящих пленок на поверхности металлов при трении / Ю.Н. Лернер // Вестник машиностроения. - 2005. - №7. - С. 42-45.
28. Маленко В.1. Вплив мастильних матерiа-
лiв на працездатшсть вузлiв тертя авiа-цшно! техшки / В.1. Маленко // Матерiа-ли VII МНТК «АВ1А-2006». - К. : НАУ, 2006. - Т. 2. - С.3.116-3.119.
29. Мельников В.Г. Работоспособность и ки-
нетические закономерности трибохими-ческих превращений пластичных смазок в зоне трения качения / В. Г. Мельников // Трение и износ. - 2005. - Т. 26, № 1. -С.58-73.
30. Венцель Е.С. О влиянии концентрации присадки в смазочном материале на интенсивность изнашивания трибоузла / Е.С. Венцель, А.И. Березняков, А.С. Го-лубов, В.М. Криворотько // Проблемы трибологии. - 2009. - №2. - С. 16-18.
31. Суслов А.Ю. Синтез, физико-химические
и трибологические свойства наночастиц трисульфида молибдена : автореф. дис. на соискание научн. степени канд. техн. наук : 02.00.13 / А.Ю. Суслов. - М. : Ин-т нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН, 2004. - 24 с.
Рецензент: И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.
