Избирательный перенос металла в узлах трения

Избирательный перенос  металла в узлах трения

Рабочие поверхности при  трении, как правило, теряют свою форму  и размеры, а продукты износа уносятся смазкой. Однако можно обеспечить, чтобы  оторвавшиеся при изнашивании частицы  схватывались с той же поверхностью или переносились на сопряженную. Тогда унос металлов со смазкой и износ резко уменьшаются (на 1-2 порядка) или практически исключаются.

Благодаря избирательному переносу (открытие № 41 от 12.11.56 г.) в режиме граничной смазки можно резко снизить трение и почти полностью исключить износ трущихся поверхностей.

Процессы, происходящие в  зоне контакта твердых тел при  трении, образуют несколько стройных систем снижения износа и трения, которые  обеспечивают:

1. образование тонкой пластичной металлической пленки на трущихся поверхностях, защищающей основной металл от износа;
2. удержание продуктов износа в зоне трения;
3. снижение давления в зоне контакта;
4. образование защитной полимерной пленки из продуктов деструкции смазочного материала.

Избирательный перенос рассматривается как трение с новым смазочным материалом и наличием в зоне контакта неокисляющейся тонкой пластичной металлической пленки, обладающей особой структурой и способной к самовосстановлению при разрушении.

В практике эксплуатации машин  и оборудования с избирательным  переносом объясняется долголетняя  работа без ремонта трущихся кинематических пар мотор-компрессоров домашних бытовых холодильников. Трущиеся стальные поверхности поршня и блока цилиндра в процессе работы самопроизвольно покрываются тонкой медной пленкой толщиной около 1 мкм, образующейся в результате осаждения ионов меди из смазочного материала. Эти ионы являются продуктом взаимодействия смазочного материала (50% масла и 50% фреона) с медными трубками охладителя.

Тяжелонагруженные трущиеся поверхности бронзовых подшипников самолетов, смазываемых металлоплакирующими смазочными материалами, в процессе работы покрываются тонкой пленкой свинца или меди. На самолете ТУ-104 бронзовые буксы, испытывая громадные давления, проработали около двух десятков лет практически без износа.

Наиболее подходящим металлом для использования в безызносных парах считается медь, так как она при надлежащей смазке достаточно стойка против окисления и не наклепывается, легко восстанавливается из окислов и прочно адсорбирует смазку. Распространенная фрикционная пара –сталь-бронза. Смазочная среда должна быть восстановительной по отношению к окислам меди и окислительной к другим компонентам бронзы. Оптимальной смазкой является глицерин, который, действуя как слабая кислота, растворяет цинк, свинец, железо. При этом поверхность обогащается медью и медь переносится на сопряженную поверхность. Таким образом, перенос является избирательным. Затем процесс растворения прекращается и происходит установившийся безокислительный процесс трения меди по меди с весьма малым коэффициентом трения (0,01-0,005). Прослойка меди сохраняется в состоянии, способном к схватыванию с частицами износа. Если медь не схватывается с сопряженной поверхностью, например, при покрытии ее электролитическим хромом, то частицы износа схватываются с поверхностью бронзовой детали, причем сохраняется тот же эффект.

Финишная  антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО). Перенос металла при трении используется в технологических процессах фрикционного латунирования, бронзирования и меднения, используемых для предотвращения схватывания. Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальный, приработочный износ, но и установившийся износ, то есть качество обработки детали может оказать влияние на интенсивность изнашивания при длительной эксплуатации машин. Как правило, зеркало цилиндров двигателей внутреннего сгорания автомобилей окончательно обрабатывается хонингованием. Его проводят в несколько этапов для обеспечения требуемой шероховатости и направленности штрихов неровностей, которые создают наилучшее условие удержания смазочного материала на зеркале цилиндра.

Хонингование относят  к абразивной обработке поверхности, при которой последняя в большей или меньшей степени насыщается абразивами. Как бы не промывали цилиндр двигателя и не продували его сжатым воздухом, поверхность цилиндра содержит абразивные частицы. Оставшиеся абразивные частицы в процессе работы смываются маслом и вызывают повышенный износ деталей. Было исследовано влияние различной степени промывки цилиндров дизелей на их износостойкость. Установлено, что износ цилиндров и поршневых колес автомобильных двигателей в первый период его работы (10-12 ч) сокращает приблизительно на 20% весь ресурс двигателя.

Исследовались новые технологические  процессы окончательной обработки  зеркала цилиндра двигателя, при  которых вообще исключалась бы абразивная обработка поверхностей. К такой  обработке относится ФАБО, сущность которой состоит в том, что  трущиеся поверхности деталей покрывают  тонким слоем латуни, бронзы или  меди в результате переноса металла  при трении. Обрабатываемую поверхность  обезжиривают, а перед нанесением покрытия наносят раствор (глицерин или смесь – две части глицерина и одна часть 10%-го раствора соляной кислоты), который в процессе трения разрыхляет окисную пленку на поверхности стали, пластифицирует поверхность медного сплава и создает условия для схватывания со сталью. Материал переносится крупинками, которые прочно схватываются со сталью и имеют между собой определенную связь. Детали, подвергаемые ФАБО, предварительно могут быть шлифованы, развернуты, проточены или хонингованы. Шероховатость поверхности должна быть не ниже 6-го класса шероховатости.

Повышение износостойкости  пар трения

Проблема износостойкости  деталей машин — это проблема их долговечности и надежности. Учет физико-химических процессов, протекающих  в поверхностных слоях трущихся тел, приводит к пересмотру традиционных представлений о методах борьбы с износом.

Ранее для борьбы с изнашиванием стремились повысить твердость трущихся поверхностей. Этот способ частично обеспечивал выполнение поставленной задачи, однако он не смог удовлетворять всем требованиям. Концепция  о защитной роли окисной пленки, возникающей на поверхности трения и выполняющей роль брони, которая  защищает нижележащий металл от изнашивания, также оказалась не универсальной.

Изнашивание представляет собой постепенное разрушение поверхности  твердого тела под влиянием сил трения [16]. В поверхностном слое в результате повторных деформаций происходит процесс  постепенного накопления дефектов, приводящих к усталостному разрушению деформированной  зоны. Стойкость поверхностного слоя твердого тела к повторному деформированию, интенсивность возникающих напряжений и деформаций может изменяться под  влиянием физико-химических и электрохимических  процессов, протекающих в поверхностных  слоях, разделенных смазочным материалом. При этом важнейшую роль играют адсорбционные  и хемосорбционные явления, электрохимическая коррозия, электрокинетические процессы. Разрушение поверхностного слоя и образование частиц износа происходят большей частью в результате многократного воздействия.

Усилия защитить поверхностный слой от изнашивания  разделением трущихся поверхностей слоем смазочного материала, посредством  пленок химических соединений (окислов) и увеличением твердости или  прочности самого материала оказались  недостаточно эффективными.

Д. Н. Гаркунов и И. В. Крагельский предложили принципиально новый путь борьбы с износом, заключающийся в предельном снижении прочности поверхностного слоя и освобождении его от пленок, мешающих свободному формоизменению. Для повышения износостойкости поверхностного слоя ему придают максимальную подвижность, обеспечивающую высокую скорость релаксации возникающих при трении напряжений. При таких условиях в поверхностном слое не должны накапливаться дефекты, приводящие к усталостному разрушению, — должен протекать процесс «самозалечивания». Этот способ получил название эффекта «избирательного переноса». При избирательном переносе в паре трения на участках контакта вследствие повышения температуры и давления, а также деформации поверхностных слоев происходят своеобразные хемосорбционные процессы, в результате которых с поверхности медного сплава удаляются атомы примесей легирующих элементов, поверхность в тонком слое обогащается медью и как бы ожижается. Новый мягкий и тонкий слой на поверхности обеспечивает минимальное трение и почти полностью воспринимает деформацию. Процесс деформации поверхностного слоя происходит в восстановительной среде, окисные пленки на новом, медном слое не образуются, и дислокации в этом слое свободно перемещаются и выходят на поверхность [7, 8, 15, 16, 25].

Метод создания квазиожиженного поверхностного слоя построен на гипотезе Джона Бернала, установившего, что кристаллическая решетка твердого тела теряет свою устойчивость, если из нее с достаточно равномерной плотностью изъять 7—12% атомов. Это изъятие при избирательном переносе может быть осуществлено путем избирательного (коррозионного) растворения из твердого раствора медного сплава менее коррозионностойких (чем медь) элементов  (олова, свинца, цинка, железа, алюминия и др.).

На процесс избирательного растворения накладывается процесс  адсорбированного понижения прочности. Оба эти процесса  приводят к снижению прочности тонкого поверхностного слоя, что уменьшает силу трения. Установлено [7], что при работе пары трения в режиме избирательного переноса поверхностный слой имеет меньшее число дислокаций, чем нижележащие слои. Также необходимо для осуществления избирательного переноса освобождать металлические поверхности от каких-либо окисных пленок, мешающих выходу дислокаций на поверхность.

Эффект избирательного растворения — это электрохимический  процесс растворения анодных компонентов сплава ПАВ смазки в тонком поверхностном слое металла при трении, активированный и ускоренный деформацией этого слоя [7, 32]. Особенность процесса состоит в том, что без трения такое растворение ПАВ происходило бы намного медленнее. Избирательное растворение анодных компонентов сплава в зависимости от содержания ПАВ приводит к большему или меньшему снижению прочности поверхностного слоя или даже к полному его разрушению. Адсорбционное действие ПАВ распространяется лишь на два-три параметра решетки, и при избирательном переносе растворение анодного компонента может произойти в слое глубиной до 1 мкм.

Выделение меди на стальной и бронзовой поверхностях наблюдается при использовании  спирто-глицериновой смеси, ЦИАТИМ-201 и ЦИАТИМ-203, а также смазочных материалов, содержащих ПАВ с восстановительными свойствами. Медь при трении в обычной смазке уже при умеренных нагрузках сравнительно быстро наклёпывается, разрушается и заклинивает пару трения. При трении в восстановительной среде пассивирующая пленка меди может защищать металл от изнашивания.

Отмечается [15], что  в начальный момент трения при  избирательном переносе происходит измельчение поверхностных слоев  пары трения с образованием тонкодисперсных  частиц, представляющих собой как  чистые металлы, так и продукты их коррозии. Взаимодействуя со средой, а  также с активными металлами, окисленные формы меди восстанавливаются  до свободной меди, а активные металлы  образуют с глицерином и продуктами его превращения химические соединения. Далее в установившемся режиме поверхности  трения покрываются тонкой пластичной пленкой меди. После образования  медной пленки площадь трения деталей  увеличивается более чем в 10 раз.

Повышение износостойкости  пары трения в режиме избирательного переноса обусловлено там, что частицы  износа не уходят из зоны трения, а, взаимодействуя со смазкой, образуют суспензию, при  разрушении которой на паре трения образуется слой меди. В установившемся режиме процессы образования суспензии и ее разрушение находятся в динамическом равновесии.

Наличие восстановительных  процессов при трении в среде  глицерина доказано в работе [15], там же показано, что при трении соединения меди и железа восстанавливаются  до свободных меди и железа. В  качестве восстановителей железа и  меди служат как активные металлы, так  и продукты механохимических и термохимических  превращений глицерина (например, альдегиды). В зоне фрикционного контакта химические превращения глицерина приводят к образованию как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных органических соединений типа спиртов, альдегидов, кетонов и карбоновых кислот.

Характерной чертой избирательного переноса являются химические процессы (хемосорбция, активированная трением), вызывающие избирательное  растворение атомов легирующих элементов  сплава и связанное с ним пластифицирование вплоть до квазиожижения слоя на глубину до 1 мкм [15]. Рентгенографические исследования поверхностных слоев меди показали, что структурные изменения в меди происходят в основном в самих тонких поверхностных слоях (толщиной около 1^!—2 мкм). Эти исследования [16] свидетельствуют о том, что при трении меди и латуни о сталь в среде глицерина на поверхности детали образуется тонкий слой металла, период кристаллической решетки которого ниже значения периода исходного металла. Установлено, что в процессе трения в режиме избирательного переноса на поверхности сплава на основе меди формируется тонкая пленка меди, которая содержит минимальное количество структурных несовершенств типа дислокаций и громадное количество дефектов точечного характера — вакансий, т. е. находится в «разрыхленном» состоянии.

В работе [7] рассмотрена  износостойкость различных материалов при различных режимах трения. Медь показала наивысшую износостойкость  при работе в глицерине. Безоловянная бронза БрАЖМц 10-3-1,5 дает наибольший перенос меди на стальную поверхность, однако износостойкость этой бронзы в среде глицерина низкая, особенно при нагрузках 10—12 МПа. При средних нагрузках износостойкость ее повышается, но не достигает уровня износостойкости оловянных бронз. Повышение износа бронзы БрАЖМц 10-3-1,5 в зависимости от нагрузки (рис. 7) объясняется тем, что на этой бронзе выделившаяся катодная медь держится плохо. В процессе трения выделяется водород, который способствует шелушению меди с бронзовой детали. При испытании бронзы БрОФ 6,5-0,15 в среде глицерина установлен явно выраженный период приработки. Износостойкость бронзы БрОФ 6,5-0,15 и сопряженной стальной поверхности очень высокая. Изменять износостойкость той или иной пары можно не только соответствующим выбором марки бронзы или нагрузки, но и выбором смазывающей среды. Так, для бронзы БрАЖМц 10-3-1,5 глицерин является весьма активной средой. В масле АМГ-10 бронза БрАЖМц 10-3-1,5 ведет себя подобно бронзе БрОФ 6,5-0,15 в среде глицерина. Детали из бронзы БрАЖМц 10-3-1,5 работают в масле АМГ-10 или в смазочном материале ЦИАТИМ-201 с незначительным износом. Пути возбуждения избирательного переноса в парах трения машин рассмотрены в работе [31]. Для инициирования избирательного переноса в эксплуатационных условиях серийный смазочный материал ЦИАТИМ-201 активировался 2% (по весу) олеиновой кислоты.