Механизм трения при граничной смазке.

· Под нагрузкой происходит упругая и пластическая деформации на площадке контакта, под которыми понимают площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала (вплоть до мономолекулярного слоя).

· На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объемами.

· Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, в пунктах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание металлов на участках Б (см. рис.2.1). Что вызовет дополнительное сопротивление движению.

· Благодаря подвижности молекул смазочного материала пленка обладает свойством «самозалечиваться». Таким образом, исключается процесс лавинного схватывания.

· Граничная пленка по мере действия трения изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты износа и уносится из поверхности трения; происходит сублимация пленки как твердого тела и удаление масла в атмосферу.

· Интересно, что вязкость масла не влияет на процесс граничной смазки. Масла с одинаковой вязкостью, но разных марок, имеют различное смазывающее действие. Для оценки поведения масел при граничной смазке было введено понятие маслянистости и предложены различные формулировки этого понятия.

Маслянистость- это комплекс свойств, обеспечивающих эффективную граничную смазку. В основном ее оценивают по коэффициенту трения: чем он меньше, тем выше маслянистость. М. характеризует действие смазочного материала применительно к данному сочетанию трущихся материалов.

1969 г. Б.В. Дерягин, М.М. Снитковский, А.Б. Ляшенко – гипотеза о том, что молекулы смазочного материала в граничном слое сгруппированы в домены. Домен олеиновой кислоты содержит около 1400 молекул.

Домены формируются электромагнитными силами и как бы копируют кристаллическое строение подложки. Установлено, что граничные слои обладают свойствами полупроводника.

Добавление в граничный слой смазочного материала водных растворов поверхностно-активных веществ повышает толщину граничного слоя и способствует уменьшению износа (до двух раз).

Недостатки граничной смазки.Большой износ деталей машин. В силу волнистости и шероховатости поверхностей их контактирование происходит на очень малых участках трения; контактное давление велико, тонкая граничная пленка масла не предохраняет поверхности от пластической деформации, что неизбежно ведет к износу деталей.

Эффективность смазочного действия помимо фактора адсорбции зависит от химического взаимодействия металла и смазочного материала. Жирные кислоты, вступая в реакцию с металлом, образуют мыла(металлические соли жирных кислот), обладающие высокой когезией, способны выдерживать значительные деформации. Есть основания считать, что между металлом и углеводородными маслами протекают реакции, способствующие более прочной связи пленки с основанием.

Противоположный результат: силиконовая жидкость, имеющая высокую вязкость, но индифферентна (не активна) к металлу и не образующая защитной пленки на металлической поверхности, не может быть использована в качестве смазочного материала в подшипниках скольжения.

Гипотеза (Б. Лунн):реакция между металлом и смазочным маслом протекает следующим образом: металл играет роль катализатора или кислородоносителя, вызывая окисление масла с образованием в дальнейшем прочно сцепляющихся с металлом соединений. Эти химические реакции протекают в местах с наибольшим давлением и температурой. Есть и др. гипотезы.

В связи с невысокой термической стойкостью граничной пленки образуемой обычными минеральными маслами прибегают к искусственному повышению их химической активности. Вводятся в масла специальные добавки (присадки), содержащие органические соединения серы, фосфора, хлора или сочетание этих элементов. Вводят также мышьяк и сурьму.

В условиях высоких температур возникающих на микроконтактах, присадки разлагаются и, взаимодействуя с металлическими поверхностями образуют пленки: сульфида железа, фосфита или фосфата железа, хлористого железа, окисленных хлоридов и т.п. Образовавшие пленки предотвращают металлический контакт, понижают трение, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Пленка оказывает слабое сопротивление срезу, срабатывается и восстанавливается вновь.

Пленка, образованная хлорированными углеводородами выдерживает температуру 300…400 , сульфидная пленка - до 800 . Ниже критической температуры пленки ведут себя как твердые смазочные материалы.

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

Из представленного механизма трения следует: что граничная пленка должна обладать высоким сопротивлением продавливанию и низким сопротивлением срезу. Исходя из этого очевидно, что можно в качестве смазочного материала подобрать твердые материалы слоисто-решетчатой, пластичной структуры, мягкие металлы и тонкие пленки пластиков.

Слоисто-решетчатую структуру имеют графит, молибденит (дисульфид молибдена ), сульфид серебра, пористый свинец, дисульфид вольфрама.

Рис. 2.2. Кристаллическая структура графита

В кристаллической решетке графита атомы углерода расположены в параллельных слоях, отстоящих один от другого на расстоянии 0,34 нм, а в каждом слое они размещаются в вершинах правильных шестиугольников с длиной сторон 0,14 нм.

Силы взаимного притяжения между атомами тем больше, чем меньше расстояние между ними. Поэтому при большом сопротивлении графита сжатию сопротивление срезу (параллельно слоям) мало. Образуется граничный слой с характерными качествами для граничных слоев, образованных смазочными маслами.

Твердость графита в направлении, перпендикулярном плоскости спайности, почти такая же, как у алмаза. Частицы графита внедряются в металл, т.е. металлический контакт почти или совсем отсутствует. Слабое сопротивление графита срезу, обуславливает при трении послойное скольжение в нанесенных на поверхность пленках. Коэффициент трения достигает 0,03...0,04.

Существенное влияние на коэффициент трения графитового граничного слоя оказывают внешние факторы:

- влажность воздуха (увеличивается от влажности),

- в среде азота больше, чем на воздухе,

- во влажном азоте меньше, чем в сухом,

- в смеси восстановительных газов не эффективен.

Слоистую структуру имеет дисульфид молибдена. Механизм смазывания аналогичен графиту.

Все остальные твердые смазочные материалы образуют граничный слой с необходимыми качествами по сопротивлению сжатию и сдвигу (срезу), но не имеют четко ориентированной структуры, т.е., строго говоря, их нельзя отнести к условиям трения при граничной смазке. В эту группу попадают мягкие металлы, имеющие низкое сопротивлению срезу в заданном диапазоне рабочих температур. Для смазки используют твердые пленки свинца, олова, индия.

Механизм действия тонких металлических пленок. Пленка обладает достаточной прочностью против выдавливания, предохраняет трущиеся поверхности от непосредственного контактирования и взаимного внедрения.

При перемещении поверхностей происходит срез в мягком металле. Поскольку сопротивление срезу невелико, а площадь фактического контакта мала ввиду большой твердости подкладки, то сопротивление трению также мало.

Если пленку нанести на мягкую подкладку, которая будет сильно деформироваться под нагрузкой, то площадь контакта увеличится и возрастет сила трения. Поэтому нанесение пленок на оловянистый баббит неэффективно и применяют их на свинцовистой бронзе и медных сплавах.

Ограничения при использовании твердых смазочных материалов:

- использовать материалы, которые не наклепываются и не образуют хрупких твердых растворов с металлами сопряженных тел; чтобы металл не наклепывался его рабочая температура должна быть выше температуры рекристаллизации;

- диффундирование, олово хорошо работает с чугуном, но не пригодно на свинцовистой бронзе, т.к. диффундирует в медную основу бронзы и образует твердые кристаллы, которые выкрашиваются;

индий хотя и диффундирует в бронзу, но хрупких соединений не образует.

Нанесенные твердые пленки быстро изнашиваются. Их используют в качестве приработочного покрытия.