Характеристики нормального и патологического трибологических процессов (по Б.И. Костецкому)

При постоянных условиях нагружения процесс изнашивания проходит три стадии:

1) приработка,  в течение которой параметры шероховатости и волнистости изнашиваемых тел изменяются до установления оптимального, воспроизводимого в дальнейшем уровня, а коэффициент трения и интенсивность изнашивания также меняются (снижаются) до установленных значений, не изменяющихся в дальнейшем;

2) установившееся изнашивание, при котором воспроизводятся значения указанных факторов;

3) катастрофическое изнашивание, когда значение некоторого предельного износа превышено и начинается интенсивное изнашивание, приводящее к выходу из строя узла трения (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость износа (И) трущихся тел от продолжительности (τ) процесса изнашивания: I – стадия приработки; II – стадия установившегося изнашивания; III – стадия катастрофического изнашивания

  Фрикционный разогрев трущихся тел. Значительная часть сил трения выделяется в виде тепла. На микроплощадках фактического контакта при этом генерируются кратковременные «температурные вспышки», достигающие 1000°С. За счет теплопроводности выделившееся тепло частично отводится вглубь тела, а частично затрачивается на нагрев окружающей среды, (например, слоя масла).   

В твердых телах создается определенный температурный градиент, так что объемная температура тела отличается от температуры на отдельных участках физического контакта. Фрикционный подъем температуры, в свою очередь, оказывает на фрикционное поведение твердых тел, вызывая разупрочнение их поверхностных слоев, повышение их склонности к схватыванию при совместном пластическом деформировании и образование фрикционных связей между трущимися поверхностями, стимулируя разрушение смазочных слоев, разделяющих трущиеся тела, и переход к патологическим видам изнашивания. В двигателе внутреннего сгорания при перегреве может возникнуть задир зеркала цилиндра, выплавление подшипника скольжения, схватывание с последующей поломкой и т.д. Объемную температуру трущихся деталей оценивают экспериментально, установившуюся величину нагрева ΔТ (в °С) для стационарного источника фрикционного нагрева и равномерного распределения теплового потока рассчитывают, используя уравнение типа:

                                 fNVR

                   ΔТ = ----------------,

                                     λА

где: f –коэффициент трения;

     N – нормальная нагрузка на узел трения;

     V – скорость относительного перемещения трущихся тел;

     R – радиус единичного пятна контакта;

      λ – приведенная теплопроводность трущихся тел;

      А – фактическая площадь контакта.

 Активация поверхностей при трении. Основным активирующим фактором при трении выступают упругопластические деформации поверхностных слоев контактирующих тел в трибологическом процессе. Работа сил трения в основном затрачивается на генерирование теплоты, являющейся мощным активирующим фактором, и на структурные превращения в поверхностных слоях металла, приводящим к измельчению их структуры вплоть до аморфизации, увеличению в поверхностных слоях различных дефектов в результате искажения и частичного разрушения кристаллических решеток, к образованию в поверхностных слоях микротрещин и обнажению участков ювенильной поверхности металла, приводящих, в свою очередь, к эмиссии электронов (электронов низкой энергии) и электронов высоких энергий, оказывающих большое влияние на процессы происходящие в зоне трения. Наклеп отдельных участков трущихся поверхностей обуславливает их гетерогенность, а отсюда и протекание электрохимических процессов. Резко интенсифици-руются диффузионные процессы. Оксиды металлов и, особенно свежеобнажающийся в процессе изнашивания металл, оказывает каталитическое воздействие на химические превращения в зоне трения (так называемый трибокатализ). Вследствие этого каталитические реакции и адсорбционно – десорбционные процессы при трении значительно отличаются от аналогичных статических термически активируемых процессов. В зоне трения протекают такие химические реакции, которые в статических условиях характеризуются более высокими энергиями активации и требуют значительно более высоких температур. Во многих случаях в статических условиях такие реакции маловероятны и даже термодинамически невозможны (так называемые трибохимические реакции). Такие реакции играют особую роль при трении в режиме граничной смазки.

    Смазка. Наиболее распространенным и доступным методом снижения потерь на трение в машинах и механизмах, увеличения их долговечности и надежности является использование смазочных материалов . Смазочные материалы – это продукты органического или неорганического происхождения, которые наносят на поверхность трения (процесс смазки) для уменьшения силы трения и интенсивности изнашивания. Смазка, при которой осуществляется полное разделение трущихся поверхностей сопряженных деталей жидким смазочным материалом, называется жидкостной. При ее реализации полностью исключен непосредственный контакт трущихся тел, а внешнее трение этих тел заменяется много меньшим внутренним трением смазочной среды, разделяющей эти тела.

  Условия реализации жидкостной смазки – существование слоя смазочного материала, толщина которого при прилагаемых нагрузках превышает суммарную высоту микронеровностей сопряженных поверхностей. Этот слой может быть образован путем поступления жидкости в зазор под внешним давлением. В этом случае имеет место гидростатическая смазка, которую осуществляют ,например, в опорах и направляющих металлорежущих станков. Но в большинстве узлов трения жидкостная смазка, обеспечивающая полное разделение работающих поверхностей контактирующих деталей в процессе эксплуатации осуществляется под действием давления, самовозбуждаемого в слое жидкости, ограниченном этими поверхностями, при их относительном перемещении. Для возбуждения этого давления необходимо, чтобы указанный слой жидкости имел клиновидную форму, обеспечиваемую формой зазора между телами. При достаточной скорости относительного перемещения и обеспечении указанной геометрии в слое развивается давление, обеспечивающее несущую способность смазочному слою. Такой режим смазки называется гидродинамическим.

  Разделение контактирующих поверхностей и устранение (или, по крайней мере, локализацию) металлического контакта обеспечивают граничные слои, образующиеся на поверхностях трения в результате взаимодействия активных компонентов смазочного материала с  поверхностными слоями трущихся тел. Такой режим смазки называется граничным. Коэффициенты трения при граничной смазке, как правило, существенно выше, чем при гидродинамической. При граничной смазке имеет место изнашивание трущихся тел. Поэтому в узлах трения механизмов и машин стремятся обеспечить режим жидкостной смазки (чаще всего гидродинамической), когда малы потери на трение, а износ практически отсутствует. Области реализации гидродинамической и граничной смазки в смазываемых узлах трения скольжения определяют диаграммы Герси – Штрибека (рис. 4), представляющей собой зависимость коэффициента трения f от безразмерного критерия нагруженности, называемого обычно числом Зоммерфельда Z:

                        ή · V  

                  Z=---------,

                            Р_пог

где: V – скорость относительного перемещения тел;

          Р_пог - погонная нагрузка (т.е. нагрузка, отнесенная к длине сопряжения);

           ή – динамическая вязкость.

  Рис. 4. Диаграмма Герси – Штрибека (зависимость коэффициента трения f от критерия Z.

 Зоны смазки: I – граничной; II – смешанной; III - гидродинамической 

   Между областями реализации граничной и гидродинамической смазки лежит область реализации смешанной смазки, когда на одних участках контакта реализуется жидкостная смазка, а на других – граничная, причем по мере увеличения величины критерия Z возрастает доля гидродинамической смазки. Этот режим смазки наиболее часто наблюдается в смазанных узлах трения. Тем не менее, подбором вязкости смазочного материала и оптимизацией конструкции узла трения следует стремиться расширить диапазон применения жидкостной смазки. Следует также иметь в виду, что масла, имеющие высокую вязкость, с одной стороны, обеспечивают высокую несущую способность, а, с другой стороны, заметно повышают потери энергии на трение в слое жидкости.

  Смазочное действие компонентов топлив, смазочных материалов и присадок наиболее полно проявляется при трении в режиме граничной смазки. Оно состоит в образовании на поверхности трения тонкого слоя продуктов взаимодействия (физико-химического, коллоидно-химического, химического) активных компонентов смазочного материала с материалом поверхностного слоя трущихся тел. Этот слой предотвращает (или минимизирует) непосредственный металлический контакт сопряженных деталей, приводящих к интенсивному изнашиванию этих деталей и к заеданию узла трения. Иначе говоря, активные компоненты смазочного материала, активированные в процессе трения в результате изменения физической адсорбции, хемосорбции или химической реакции, образуют на поверхностях трения граничный слой, обеспечивающий пассивирование (частичное или полное) активированных в процессе трения поверхностей, экранирует силовое поле твердых тел и, тем самым, обеспечивает снижение коэффициента трения (по сравнению с трением без смазочного материала) и умеренный износ.

  Продуктами износа могут быть как продукты взаимодействия металла со смазочным материалом, так и частицы самого металла, поскольку имеет место контакт по вершинам отдельных неровностей. На других участках происходит контакт металлических поверхностей через модифицированный слой продуктов химических реакций. Остальная часть контакта покрыта адсорбированным слоем молекул смазочного материала. В самом общем случае коэффициент трения f в режиме граничной смазки может быть оценен из уравнения:

  f = f_m · ά + f_χm ·β + f_I · [1 – (ά + β)],

где: f_m, f_χm, f_{I -} коэффициенты трения соответственно на участках металлического контакта, контакта через слой продуктов химической реакции (модифицированный слой), контакта через адсорбированный слой (как моно, так и полимолекулярный);

ά – доля металлического контакта;

β – доля поверхности контакта, покрытой модифицированным слоем.

Таким образом, для того чтобы обеспечить минимальные потери на трение, необходимо максимально уменьшить величину ά, вплоть до полного устранения металлического контакта. При умеренных режимах трения молекулы смазочного материала могут обеспечить достаточную прочность граничного слоя и достаточно малое значение ά, вплоть до устранения металлического контакта и образования полимолекулярного граничного слоя на всей площади граничного контакта (поскольку химически активные компоненты в чистых маслах отсутствуют, здесь β=0). При ужесточении режима трения возросшие нагрузки приводят к уменьшению толщины граничного слоя, увеличению доли металлического контакта, так что коэффициент трения возрастает. Это увеличивает фрикционный разогрев, и эффективность смазочного слоя снижается. Поэтому при жестких режимах граничной смазки в смазочный материал добавляют присадки, повышающие его смазывающую способность. Такие присадки бывают двух типов – поверхностно активные и химически активные. Поверхностно активные присадки (например, высшие жирные кислоты, мыла этих кислот, амины и т.д.) обеспечивают увеличение прочности граничного слоя, его несущей способности, препятствуя выдавливанию молекул смазочной среды из контакта. Причем длинноцепные молекулы ПАВ, обеспечивают утолщение смазочного слоя, что ведет к более полному разделению трущихся поверхностей, более полному экранированию силовых полей этих поверхностей и, тем самым, к снижению адгезионной составляющей силы трения. Однако ПАВ обеспечивают эффективное смазочное действие лишь в достаточно узком интервале температур и нагрузок.

  В смазочные материалы, работающие в жестких условиях, добавляют химически активные присадки, представляющие собой малорастворимые соединения, включающие такие химические компоненты, как сера, фосфор, хлор и азот или их сочетания. Более подробно химический состав присадок описан ниже в этой главе. Молекулы этих соединений при достижении жестких режимов трения разлагаются, выделяя химически активные агенты. Они вступают в химическое взаимодействие с молекулами поверхностно активного слоя контактирующих тел, образуя на поверхности трения модифицированные слои продуктов взаимодействия металлов с активными компонентами этих смазок. Указанные слои покрывают поверхности фактического контакта трущихся тел слоем, достаточно толстым (обычно, десятки молекулярных слоев), чтобы надежно разделить контактирующие поверхности, так что изнашивание металла заменяется изнашиванием этих модифицированных слоев, постоянно восстанавливаемых по мере изнашивания.

   Образование граничных слоев на поверхностях трения происходит в процессе взаимодействия трущихся тел со смазочной средой, сопровождающейся трибоактивизацией этих поверхностей и механоактивацией компонентов смазочных сред. Основными факторами, активирующими процессы поверхностных взаимодействий при трении, являются механически активируемая электронная эмиссия, каталитическое влияние свежеобнаженной поверхности металла, фрикционный подъём температуры и высокие контактные давления.