Лекция №5 План лекции: Механизм избирательного переноса при трении и его закономерности



Скачать 305,05 Kb.
страница1/2
Дата28.07.2017
Размер305,05 Kb.
  1   2


ЛЕКЦИЯ № 5
План лекции:

  1. Механизм избирательного переноса при трении и его закономерности.

  2. Применение избирательного переноса в узлах трения машин.



ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС (ИП), ЕГО ЗАКОНОМЕРНОСТИ, ПРИМЕНЕНИЕ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ
МЕХАНИЗМ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА ПРИ ТРЕНИИ И ЕГО ЗАКОНОМЕРНОСТИ
1. Обнаружение избирательного переноса при трении (эффект безызносности)

Избирательный перенос — вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта тонкой не окисляющейся металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и не способной на­капливать при деформации дислокации.

Избирательный перенос при трении (эффект безызносности) — яв­ление, по своему характеру противоположное изнашиванию: если при изнашивании во время трения все процессы в зоне контакта сводятся к разрушению поверхности, то процессы при избирательном переносе но­сят созидательный характер: они необратимы и относятся к самооргани­зующимся процессам неживой природы.

Следует заметить, что на практике, в силу специфических усло­вий работы ряда узлов трения, эффект безызносности проявляется не полностью. Поэтому не во всех случаях достигается полная безызносность.

Под эффектом безызносности подразумевается принцип, на основе которого уменьшаются силы трения и интенсивность изнаши­вания деталей. Между тем, в реальных условиях, можно достичь тако­го результата, когда поверхности трения не только не изнашиваются, но и могут восстанавливаться. Создаются условия, как уже упомина­лось, восстановления изношенных машин без их разборки. Это требует проведения специальных технологий.

Тре­ние может сопровождаться эволюционными процессами, в результате ко­торых разрушение поверхностей становится второстепенным. Главным выступает созидательный характер трения, который обусловлен обменом узла трения с внешней средой энергией и веществом, а также коллектив­ным поведением ионов меди, из которых формируется тонкая медная плен­ка, защищающая поверхности трения от изнашивания.



Металлическую медную пленку, образующуюся в процессе трения, называют "сервовитной " (от лат. servo-witte — спасать жизнь). Она представляет собой вещество (в данном случае металл), образованное потоком энергии и существующее в процессе трения, Трение не может уничтожить пленку, оно ее создает. Образование защитной пленки отно­сится к новому классу самоорганизующихся явлений неживой природы. Их изучение только началось.

При деформировании сервовитная пленка не разрушается и не подвергается усталостному разрушению. Она воспринимает все нагрузки, покрывая шероховатость поверхностей стальных деталей, которые прак­тически не участвуют в процессе трения. Структура пленки отличается от структуры обычной меди; она квазижидкая — имеет много вакансий и мало дислокаций, образовалась в процессе трения (в стесненных услови­ях).


2. Механизм образования сервовитной пленки
В зависимости от вида смазочного материала, условий работы узла трения и конструкционных материалов, из которых изготовлены трущие­ся детали, механизм формирования сервовитной пленки может быть раз­личным.

1. Формирование сервовитной пленки в паре бронза - сталь при сма­зывании глицерином. Глицерин является модельной жидкостью, которая легче других реализует режим избирательного переноса (ИП) при трении пары бронза—сталь. В первый период работы пары происходит раство­рение поверхности трения бронзы. Глицерин действует как слабая кисло­та. Атомы легирующих элементов бронзы (олово, цинк, железо, алюми­ний и др.) уходят в смазочный материал, в результате поверхность брон­зы обогащается атомами меди. После ухода атомов легирующих элемен­тов с поверхности бронзы деформация ее при трении вызывает диффу­зионный поток новых атомов легирующих элементов к поверхности, ко­торые затем уходят в смазочный материал. Таким образом, слой бронзы, который деформируется при трении, освобождается от легирующих эле­ментов и становится в основном из меди. В нем образуется большое ко­личество вакансий, часть из них нигелирует, образуя поры, которые за­полняются молекулами глицерина.

Глицерин, как известно, является восстановителем окиси и закиси меди, поэтому поверхность трения медной пленки свободна от окисных пленок, она очень активна и способна к схватыванию со стальной повер­хностью, так как имеет свободные связи. В результате стальная повер­хность постепенно покрывается тонким слоем меди. Поскольку слой меди, образующийся на бронзовой поверхности, утончается вследствие его пе­реноса на стальную поверхность, то происходит дальнейшее растворе­ние бронзовой поверхности. Этот процесс происходит до тех пор, пока на обеих поверхностях, стальной и бронзовой, не образуется слой меди толщиной 1...2 мкм.

После того как медная пленка покроет бронзовую и стальную поверхности, молекулы глицерина уже не могут взаимодействовать с бронзой и "вытягивать" атомы легирующих элементов, процесс растворения бронзы прекращается и наступает установившийся режим избирательного пе­реноса.

2. Сервовитная пленка может образовываться в узле трения сталь— сталь при работе с металлоплакирующими смазочными материалами, содержащими мелкие частицы бронзы, меди, свинца, серебра и др. При использовании ЦИАТИМ-201 с добавками порошка меди, бронзы или латуни, а также свинца в паре сталь—сталь поверхности деталей покры­ваются тонкой пленкой, состоящей из металла применяемых порошков. В процессе работы порошки частично растворяются в смазочном материа­ле и в результате восстановления окисных пленок на их поверхности про­чно схватываются со сталью, образуя сервовитную пленку. Такие пленки пластичных металлов пористы и содержат в порах смазочный материал. Коэффициент трения при высоких нагрузках снижается, а стальные по­верхности не изнашиваются. При трении сдвиг поверхностей трения происходит внутри образующихся пленок по диффузионно-вакансионному механизму. При хорошо восстанавливающих свойствах смазочно­го материала можно для реализации ИП вводить закись или окись меди. Сервовитная пленка образуется в результате восстановления окислов меди в процессе трения.

3. В промышленности разработан ряд порошковых твердоспеченных материалов, работаю­щих в режиме ИП. Шихта для твердоспеченного материала готовится из тонко дисперсных смесей порошков ВКЗ, ВК6, ВК8 или из указанных сме­сей с добавлением литого карбида вольфрама (WC+W2C) релита зернис­тостью 0,1.. .0,25 мм в отношении 1:3.

В качестве связующего материала применяют сплавы, содержащие медь (главным образом медно-никелевые), которые обладают жидкотекучестью и обеспечивают высокую прочность порошкового материала. По­рошковые материалы могут работать в режиме ИП при смазывании не­фтью, нефтепродуктами и сточными водами. Сервовитная пленка обра­зуется на поверхности твердых составляющих сплава в результате меха­нического выдавливания мягкой составляющей и ее последующего рас­творения. Сплавы способны работать в одноименной паре (композици­онный материал по композиционному материалу). Такое сочетание мате­риалов работоспособно только благодаря образованию сервовитной плен­ки, которая обеспечивает смазывание твердых составляющих порошко­вой композиции. Эти составляющие без пленки меди не могут нести на­грузку, происходят задиры поверхностей.
3. Физические основы эффекта безызносности (ИП)
Анализ физических процессов при ИП проводился в сравнении с про­цессами, происходящими при граничном трении — наиболее изученном и широко распространенном в узлах трения машин и механизмов. Ранее отмечалось, что при граничном трении основными факторами, опреде­ляющими износ поверхностей трения, являются:

— пластические деформации, приводящие к наклепу поверхностей и разрушению микронеровностей;

— окислительные процессы: образующиеся при трении окисные пленки, хотя и препятствуют схватыванию и глубинному вырыванию, хрупки и быстро разрушаются;

— внедрение отдельных участков поверхности одной детали в со­пряженную поверхность другой, что при скольжении вызывает образо­вание неровностей поверхностей и при многократном воздействии их разрушение;

— адгезионное схватывание, приводящее к переносу материала од­ной детали на другую и усиление изнашивания;

— наводороживание поверхностей трения деталей, что ускоряет изнашивание в зависимости от условий работы трущихся деталей более чем на порядок.

В связи с отмеченными факторами защита от износа должна быть многофакторной, вероятно, в некотором соответствии с перечисленны­ми выше явлениями. Заметим, что применение для защиты от изнашива­ния только смазки хотя и предохраняет от схватывания (не весьма надеж­но), но не спасает от взаимного внедрения неровностей, пластического деформирования, окисления и разрушения окисных пленок и других не­обратимых процессов.

При избирательном переносе защитные системы построены по прин­ципу избыточности, так как сервовитная пленка поглощает деформацию, а внедрение неровностей практически отсутствует. Впадины между вы­ступами шероховатостей поверхности заполнены веществом, обладаю­щим свойствами смазки и способностью нести нагрузку, — сервовитной пленкой. Кроме того, это вещество не уносится из зоны трения, а лишь поступает туда и удерживается там, т.е. обладает свойствами сохраннос­ти. Именно такой многофакторной защитой отличается от граничного трения явление избирательного переноса (ИП).

Действительно, сервовитная пленка исключает взаимодействие шероховатостей поверхностей, а электрический заряд частиц износа возвра­щает частицы в зону контактного взаимодействия поверхностей.

Нужны также меры против окисления металлов, т.к. окисные плен­ки, разрушаясь при трении, составляют часть расхода металлов на износ. В режиме трения при ИП это достигается восстановительным характе­ром химических процессов при трении.


Осуществление контакта поверхностей трения через пластически деформируемый мягкий и тонкий слой металла
При обычном трении, как без смазочного материала, так и при граничной смазке, детали контактируют на очень малой площади, составля­ющей 0,01 ...0,0001 номинальной площади сопряженных поверхностей. В результате участки фактического контакта испытывают весьма высокие напряжения, что приводит к их взаимному внедрению, пластической деформации и, следовательно, к интенсивному изнашиванию. Из приве­денных на рис. 1 схем контакта стальной и бронзовой деталей видно, что если при граничном трении контакт сопряженных поверхностей про­исходит только в отдельных точках, то при ИП он осуществляется через пластически деформируемый мягкий и тонкий слой металла. В результа­те площадь фактического контакта возрастает в десятки раз, а материал деталей испытывает лишь упругие деформации.

Толщина сервовитной пленки достигает 1...2 мкм, что соответствует размерам неровностей (или перекрывает их) большинства деталей обще­го машиностроения. При граничной смазке взаимодействие неровностей поверхностей вызывает усталостное изнашивание. При ИП трение не­прерывное (континуальное), площадки контакта плоские. Имеющиеся ме­тоды определения площади контакта, формулы сближения поверхностей, кривые опорной поверхности, а также методы и приборы для исследова­ния свойств контакта не годятся для условий ИП.




а б

Рис. 1. Схема контакта деталей при граничной схеме (а) и ИП (б):

1 — сталь; 2пленка меди; 3 — бронза;


Помимо увеличения площади фактического контакта тонкие пленки мягкого металла сами по себе уменьшают трение между твердыми сопри­касающимися поверхностями. Имеется оптимальная толщина пленки, обеспечивающая минимум коэффициента трения. Нагрузка воспринимается через пленку, которая не выдавливает­ся и предохраняет поверхности трущихся тел от непосредственного кон­такта. Срез происходит в мягком металле (в случае схватывания пленки и материала ползуна).
Предотвращение процесса окисления металла на поверхностях

трения
При трении с граничной смазкой и трении без смазочного материа­ла поверхности деталей всегда покрыты окисными пленками (рис. 2), которые, как известно, предотвращают непосредственный контакт ме­таллических поверхностей и их схватывание при разрушении масля­ных пленок. Масляные пленки чаще всего разрушаются при темпера­турных вспышках в зоне непосредственного контакта шероховатостей.

Рис. 2. Образования на поверхности контакта деталей при граничной смазке (а) и ИП (б):

1— сталь; 2 — бронза; 3окисные пленки; 4сервовитные пленки


Однако окисные пленки хрупки, не способны многократно деформироваться, поэтому в процессе трения разрушаются в первую очередь, в результате чего их защитное действие ослабевает. С повышением темпе­ратуры в зоне трения окисные пленки утолщаются, но при этом увеличи­вается объем их разрушения.

В режиме ИП трение происходит без окисления поверхностей и по­этому не сопровождается образованием окисных пленок. Защиту повер­хностей от окисления выполняют плотные слои положительно заряжен­ных адсорбированных поверхностно-активных веществ, которые образу­ются в процессе трения и предотвращают поступление кислорода к сервовитной пленке. Отсутствие окисных пленок уменьшает работу выхода электрона и способствует протеканию хемосорбционных процессов, в результате создается дополнительная защита от изнашивания.



При обычном трении окисные пленки препятствуют выходу дисло­каций на поверхность, это усиливает наклёп поверхностного слоя и его разрушение. Сервовитная пленка не наклепывается и может многократ­но деформироваться без разрушения, так как при отсутствии окисных пле­нок дислокации в ней легко выходят на поверхность и разряжаются. По­скольку пленка еще и пориста, то дислокации могут разряжаться в поры самой пленки.
Реализация эффекта Ребиндера
Почти все смазочные материалы содержат поверхностно-активные вещества (ПАВ), что предопределяет возможность пластификации поверхностных слоев материалов трущихся деталей и снижения сил трения в результате действия эффекта Ребиндера. При обычном трении окисные пленки препятствуют проникновению среды (а в месте с ней и ПАВ) к металлу, чем снижается эффект Ребиндера; в результате пластические де­формации участков контакта охватывают более глубокие слои (рис. 3, а).

а б



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница