Трение при граничной смазке

При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины (от толщины одной молекулы до 0,1 мкм). Наличие граничного слоя или граничной пленки снижает силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в 2—10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.

Все масла способны адсорбироваться на металлической по­верхности. Прочность пленки зависит от наличия в ней актив­ных молекул, качества и количества последних. Хотя минераль­ные смазочные масла являются механической смесью неактив­ных углеводородов, они, за исключением неработавших сверхчистых масел, всегда имеют включения органических кислот, смол и других поверхностно-активных веществ. Жирные кислоты входят в состав масел растительно-животного проис­хождения, а также в состав пластичных смазочных материалов.

Рис. 3.1. Схемы скольжения тел при граничной смазке:

a—смазывание идеальных поверхностей; б — контактирование реальных поверхностей; A — участки, воспринимающие нагрузку; Б — участки непосредственного контактирова­ния или контактирования при твердых пленках

В связи с этим почти все смазочные масла образуют на метал­лических поверхностях граничную фазу квазикристаллической структуры толщиной до 0,1 мкм, обладающую более или менее лрочной связью с поверхностью и продольной когезией. При на­личии относительно толстой масляной прослойки между по­верхностями трения переход от ориентированной структуры масла к неориентированной совершается скачком [3, 12].

Молекулы смазочного материала ориентируются перпенди­кулярно к твердой поверхности, что позволяет представить для наглядности граничную пленку в виде ворса (рис. 3.1). При взаимном перемещении поверхностей трения «ворсинки» как бы згибаются в противоположные стороны. На самом же деле про­исходит сдвиг с перекосом квазикристаллической структуры: ленки. Сопротивление ее скольжению в таком состоянии не­сколько повышено.

Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при толщине слоя больше некоторой критической величины скользят друг по другу; по нормали к твердой поверхности ленка обладает высоким сопротивлением сжатию; ее несущая способность исчисляется десятками тысяч килограммов на 1см². Деформация сжатия пленки в довольно высоком интер­вале не выходит за пределы упругости [3].

Механизм трения при граничной смазке представляется в следующем виде. Под нагрузкой происходят упругая и пластическая деформации на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать площадки наиболее близкого прилегания по­верхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного слоя. На площадках контакта сюжет произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу гранич­но слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и в местах с высокими местными температурами может произой­ти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обна­жившихся поверхностей и даже схватывание металлов на микро­участках Б (см. рис. 3.1). Это вызывает дополнительное сопро­тивление движению.

Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство «самозалечиваться» при местных ее повреждениях. Это свойство играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания.

Невозобновляемая граничная пленка по мере возрастания пути трения изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты изнашивания и уносится с поверхности трения; про­исходит сублимация пленки и удаление масла в атмосферу. Окисление пленки способствует дезориентации структуры и раз­рушению ее.

Вязкость масла не влияет на процесс граничной смазки. Мас­ла с одинаковой вязкостью, но разных марок имеют различное смазывающее действие.

Добавление в граничные слои смазочного материала и вод­ных растворов поверхностно-активных веществ повышает тол­щину граничного слоя и способствует уменьшению износа (до 2 раз).

Эффективность смазочного действия помимо фактора ад­сорбции зависит от химического взаимодействия металла и смазочного материала. Жирные кислоты, вступая в реакцию с металлом поверхности, образуют мыла, т. е. металлические соли жирных кислот, способные вследствие свойственной им высокой когезии выдерживать без разрушения значительные деформации. Химическим явлениям принадлежит важная роль в организации смазывающего действия. Это подтверждается тем, что инертные металлы и стекло плохо смазываются. Имеются косвенные осно­вания считать, что между металлом и углеводородными маслами протекают реакции, способствующие более прочной связи пленки с основанием. Так, силиконовая жидкость, имеющая высокую вязкость, но не являющаяся активной к металлу и не образую­щая поэтому защитной пленки на металлической поверхности, не могла быть использована в качестве смазочного материала в подшипниках скольжения.

В связи с невысокой термической стойкостью граничной плен­ки, образуемой на металлических поверхностях обычными мине­ральными смазочными маслами, иногда прибегают к искусствен­ному повышению ее химической активности. Этого достигают путем введения в масла специальных добавок (присадок), содер­жащих органические соединения серы, фосфора, хлора или эти элементы в разных сочетаниях. Вводят также мышьяк и сурьму.

Хотя эти присадки и прочно адсорбируются на поверхностях трения, однако им отводится в процессе трения другая роль. В условиях высоких температур на микроконтактах активная часть присадок разлагается и, взаимодействуя с металлическими поверхностями, образует пленки сульфида железа, фосфита или фосфата железа, хлористого железа и окисленных хлоридов и т. п. Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют даль­нейшему локальному повышению температуры. Пленка оказыва­ет слабое сопротивление срезу, срабатывается и восстанавлива­ется вновь.

Пленка, образуемая на поверхности стали хлорированными углеводородами, работоспособна до температуры 400°С. Выше этой температуры происходит плавление и (или) разложение. У сульфидов температура плавления выше, и смазывающая спо­собность сохраняется до температуры 800°С. Ниже критической температуры пленка ведет себя как твердый смазочный мате­риал.

Очевидно, действие присадок неэффективно, если металл не вступает в реакцию с активной частью присадки. Например, платина и серебро не вступают в реакцию с серой.

Некоторые твердые тела могут производить смазочное дей­ствие, организуя и поддерживая режим трения при граничной смазке.

Из предыдущего вытекает, что граничная пленка должна об­ладать высоким сопротивлением продавливанию и низким со­противлением срезу. Исходя из таких требований, к твердым смазочным материалам можно отнести некоторые тела слоисто-решетчатой, пластинчатой структуры, мягкие металлы и тонкие пленки полимеров.

Из тел слоисто-решетчатой структуры свойствами, необходи­мыми для смазывания металлических поверхностей, обладают графит, молибденит (дисульфид молибдена МoS₂), сульфид се­ребра, пористый свинец и дисульфид вольфрама. Остановимся:га механизме смазочного действия графита и молибденита, ко­торый в общем аналогичен и для других тел подобной структуры.

В кристаллической решетке графита атомы углерода распо­ложены в параллельных слоях, отстоящих один от другого (ближайшего) на расстоянии 0,34 мм, а в каждом слое они разме­щаются в вершинах правильных шестиугольников с длиной стороны 0,14 мм (рис. 3.2). Так как силы взаимного притяжения между атомами тем меньше, чем больше расстояние между ни­ми, то связи между атомами в слоях значительно прочнее, чем между слоями.

Приведенное описание не является полным. Некоторые факты не позволяют объяснить смазочное действие графита только слоистой структурой. Так, сила трения при смазывании графитом в сухом воздухе выше, чем во влажном; сила трения в атмосфере азота существенно больше, чем на воздухе, причем в сухом азоте вы­ше, чем во влажном, графит не об­ладает хорошей смазочной способ­ностью в восстановительной среде смеси газов. Таким образом, наличие пленки влаги или окисных пленок является необходимым условием для проявления графитом его смазочного действия.

Рис. 3.2. Кристаллическая структура графи­та; слои плотно упакованных атомов угле­рода разделены большими расстояниями

Кристаллическая решетка дисульфида молибдена (рис. 3.3) подобна решетке графита: между атомами молибдена и серы имеются тесные связи, в то время как расстояние между слоя­ми атомов серы относительно больше. Благодаря этому дисуль­фид молибдена можно использовать как смазочный материал при низких температурах (до —50°С), а также в вакууме. При температуре 538°С молибденит превращается в триокись, яв­ляющуюся абразивом.

Кроме тел слоисто-решетчатой структуры, все остальные твердые смазочные материалы образуют граничный слой с необ­ходимыми качествами по сопротивлению сжатию и сдвигу (сре­зу), но не имеющий строго ориентированной структуры. Фор­мально можно было бы возразить против определения трения с твердым смазочным материалом как трения при граничной смазке. Твердыми смазочными материалами могут быть мягкие металлы, имеющие низкое сопротивление срезу в диапазоне ра­бочих температур. Для смазывания используют твердые пленки свинца, олова и индия.

Рис. 3.3. Структура ди­сульфида молибдена МoS₂; единичные плас­тинки состоят из чистого молибдена или из чистой серы, расстояние между ними 0,366 им и связь относительно слабая: 1 — атомы молибдена; 2 — атомы серы

Из мягких металлов в качестве твердых смазочных материа­лов можно использовать только те, в которых наклеп не проис­ходит в пределах рабочих температур и не образуются хрупкие твердые растворы с металлами сопряженных тел. Во избежание наклепа металла его рабочая температура должна быть выше температуры рекристаллизации. У олова, свинца и индия темпе­ратура рекристаллизации ниже комнатной. Вместе с тем олово, которое хорошо работает как твердый смазочный материал (на­пример, между чугунными поверхностями), непригодно для на­несения на свинцовистую бронзу, так как оно диффундирует с поверхности в медную основу бронзы, образуя твердые, выкра­шивающиеся из рабочей поверхности кристаллы. Индий хотя при нагреве и диффундирует в бронзу, соединяясь со свинцом, не образует хрупких соединений.

Смазывание узлов трения металлом может быть осуществле­но при использовании избирательного переноса. В этом случае сила трения может быть уменьшена в несколько раз, а износ полностью устранен. Здесь действуют иные силы и принципы: электрические силы, удерживающие пленку в зазоре, отсутствие микронеровностей поверхности, которые утапливают­ся в пленке, и др. Смазочный материал как бы транспортирует металл в зону трения, участвует в физико-химических процессах на поверхности контакта при образовании металлической пленки. Углеводородная составляющая смазочного материала охлажда­ет узлы трения и защищает их от коррозии. Трение при избира­тельном переносе (эффект безызносности) по многим принципи­альным признакам отличается от трения при граничной смазке, что позволяет характеризовать его как новый вид трения.

Некоторые материалы вследствие обычного металлургическо­го процесса или искусственного пропитывания содержат вещест­ва, способные служить твердым смазочным материалом; напри­мер, на приработанной поверхности конструкционного чугуна графит размазывается, образуя граничный слой. Такой же слой создается на поверхностях деталей из пористых антифрикцион­ных материалов, пропитанных минеральными маслами, графи­том и дисульфидом молибдена. В более широком понятии гра­ничным смазочным материалом служит также политетрафтор­этилен, когда им пропитывают пористые подшипниковые материалы. Твердая медная основа свинцовистой бронзы содер­жит свинец, который при скольжении размазывается по поверх­ности, покрывая ее тонкой пленкой. Эта пленка по мере изна­шивания сплава возобновляется. Дорожки качения и тела каче­ния подшипника, работающего при температурах выше 300°С, покрывают иногда серебром для предохранения от окисления и для использования в качестве смазочного материала