Механизм образования сервовитной пленки

1.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...2мкм (рис. 1.).

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.

 

 

Рис. 1.. Пленка меди на стальной поверхности (косой срез)

Как установил С. Г. Красиков [29], процесс  образования сервовитной пленки на стальной поверхности происходит дискретно. Частицы меди с бронзовой поверхности переносятся на вершины неровностей стальной поверхности, т.е. на те участки стали, которые непосредственно контактируют с бронзой. Затем постепенно происходит " сползание" накопившейся меди во впадины неровностей.

Глицерин при трении разрушает  окисную пленку и на стальной поверхности, являясь восстановителем, как и для меди, обеспечивает высокую прочность сцепления медной пленки со стальной поверхностью. В результате последняя покрывается медной пленкой, и пара трения сталь—бронза становится парой медь—медь.

В процессе приработки в случае ограниченного  объема смазочного материала в нем  могут образоваться мицеллы —  частицы меди, окруженные плотным кольцом молекул смазочного материала. Мицеллы имеют заряд, что удерживает их в зазоре. Иногда, по каким-либо причинам, мицеллы выходят из зазора; тогда под действием электрического поля они попадают в узкие щели, например, между испытуемым образцом и подложкой или под головку болта, крепящего образец, и там образуют тонкую пленку меди.

Образование пленки меди на бронзовой поверхности происходит в результате электрохимического процесса—  процесса растворения металла.

Согласно закону электрохимической  кинетики скорость анодного растворения должна возрастать при увеличении потенциала, однако при ИП этого не происходит. Вследствие образования сервовитной пленки между анодными и катодными участками поверхности бронзы процесс растворения может полностью прекратиться, наступит установившийся режим трения. Если по каким либо причинам медная пленка разрушится, то вновь произойдет растворение бронзы^и поверхность будет обогащаться медью, пока снова не наступит пассивное состояние.

В процессе образования сервовитной пленки в глицерине происходят изменения. Ю.С. Симаков и А.А. Поляков [57, 71] установили следующие химические превращения глицерина:

а) механохимические превращения с  уменьшением молекулярной массы:

 

н—с—с—с I I I он он он

н н н I I I

н—с—с—с I I и он он о

 

 

б) взаимодействие продуктов превращения; происходит восстановление продуктов коррозии и растворение активных металлов и их соединений:

 

о о нно нно

// // I I // II//

H-C + CuO -» Н - С + Си; С = С - С + СиО Н — С — С — С + Си,

\ \ I \ III

н он н н он он он

нно нно о нн

I I // II// ^11

Fe + 2H-C — С — С -> Н — С — С — С С — С — С — H + 2H;

I I \ I I \ /II

ОН  ОН OH OH OH O-Fe-O ОН ОН

 

в) может происходить образование  высокомолекулярных соединений, а также  полимеров трения:

ННН ИНН ННН НИН

H-i-i-6-н + н-c-c-i-H н—с~с—с-о—с—с~с~н + н.р

it» ill tit i t I

OH OH OH OH OH OH OH OH H H OH OH

H H

- A-i

t I

H C-O

I

H

H H

-c-c

/ I

H C-O

I

H

-6

 

 

 

Образующиеся полимеры трения создают дополнительный слой (помимо меди), разделяющий основной металл пары трения от непосредственного контактировани

ннн НИН

2 Н-6-6-6-0-С-6-С-Н + Zn ->

I I г I t <

он  ОН Н н он он

ннн ннн ннн ннн

—> H-Ј-i-i-o-c-i-Ј-o~zn-o-c-i-c-o-c-c-c-H + 2н III III III lit

он  он н н он н н он н н он он

 

г) образование поверхностно-активных веществ (обладая высокой активностью, они адсорбируются на поверхности  деталей трения и могут вступать в химическое взаимодействие с поверхностями  деталей, образуя хемосорбционные слои; участвуют также в мицеллообразовании)

 

Рис. 1.6. Мицеллообразование и взаимодействие поверхностно-активных веществ с бронзовой поверхностью:

а — мицелла; б — начальный период растворения

 

 

Помимо отмеченного происходят и каталитические превращения. Поверхность меди при отсутствии окисной пленки может вызвать дегидрогенизацию спирта. В результате выделяется свободный водород, который активно участвует в процессе трения, — восстанавливает окисные пленки на медном сплаве и стали, поддерживая процесс безокислительного трения. При температуре более 65°С увеличивается выделение водорода, и режим ИП переходит в водородное изнашивание. Поверхность стального образца интенсивно насыщается водородом, растрескивается и в виде порошка переносится на поверхность бронзы. Необходимо сделать следующее замечание. Температура 65°С — критическая температура реализации ИП в паре бронза—сталь только при смазке глицерином. При других смазках критическая температура будет равна температурной стойкости этой смазки.

Выше рассмотрен механизм образования  сервовитной пленки в паре бронза—сталь в среде глицерина. Глицерин имеет простую химическую формулу и легко реализует режим ИП. В реальных конструкциях глицерин как смазочный материал не применяют. Ранее в самолетных гидросистемах в качестве гидрожидкостей применяли спиртоглицериновую смесь, где осуществлялись все вышеописанные процессы. В последствии спиртоглицериновую смесь заменили на более сложную в химическом отношении гидрожидкость АМГ-10. В этой жидкости режим ИП в паре бронза—сталь осуществляется при более высоком давлении. Жидкость АМГ менее активна в химическом отношении, чем спиртоглицериновая смесь.

При высоких давлениях режим  ИП в паре бронза—сталь может наблюдаться при смазывании узлов трения ЦИАТИМ-201 и обычными минеральными маслами, особенно в узлах трения с возвратно-вращательным движением. Как установлено О.Н. Курловым [38], кинематика узла трения существенно влияет на процесс образования сервовитной пленки. В обратной паре трения режим ИП проявляется в большей степени, чем в прямой.

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 [1,52]. 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 М.В. Голубом [14], а также Е.Н. Грискиным [16] разработан ряд порошковых твердоспеченных материалов, работающих в режиме ИП. Шихта для твердоспеченного материала готовится из тонкодисперсных 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 жидкотеку- честью 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.

4. Сервовитная пленка может образоваться при трении о сталь ПТФЭ, наполненного закисью меди при смазывании глицерином. Пленка образуется в результате восстановления закиси меди до чистой меди. При трении стальная поверхность покрывается сервовитной пленкой.

Были исследованы антифрикционные  композиции на основе эпок- сифурановых олигомеров и медьсодержащих наполнителей в среде глицерина и углеводородных масел (МС-20), а также принципиально новые композиции, у которых образование легкоподвижных медных пленок в зоне трения возможно вследствие термического распада наполнителей, например,фермиата или силицилата меди [73]. Повышение нагрузочной способности пары трения в присутствии органических солей меди объясняется тем, что медь, выделяющаяся в коллоидном состоянии в результате разложения указанных солей, под действием сил трения и высоких локальных температур находится в неокисленном виде; она способна взаимодействовать с металлической поверхностью контртела и образовывать на ней тончайшую политурообразную пластичную медную пленку.

5. Неожиданным было обнаружение сервовитной пленки меди на упорных подшипниках скольжения, применяемых в турбинах и турбокомпрессорах. Подшипник состоит из упорного стального гребня, неподвижно закрепленного на вращающемся валу, и корпуса, внутри которого размещены по окружности плавающие подушки (сегменты). До последнего времени сегменты изготовляли из бронзы БрОФ 8,0—0,30, на которые наплавляли баббитовый слой толщиной несколько миллиметров. Такая конструкция известна под названием подшипников Митчеля и применяется издавна в упорных подшипниках скольжения.

Б.П. Кузовкин совместно с сотрудниками Института проблем материаловедения АН Украины предложили наносить на поверхность бронзового сегмента бронзофторопласт из частиц сферической формы и пропитки слоя суспензией фторопласта 4Д с последующей калибровкой фторопластового слоя. При работе подшипника на слое фторопласта и сопряженной стальной поверхности образовывалась сервовитная пленка.

В результате длительных промышленных испытаний была установлена значительно большая износостойкость и надежность работы новых подшипников.

6. В последние годы В.О. Гречко  под руководством А.С. Кужарова выявлен оригинальный механизм образования сервовитной пленки в паре трения сталь—волокна ПТФЭ, наполненного тонкой медной проволокой [15]. В зарубежной практике широко применяют подшипники скольжения из ПТФЭ, наполненного бронзой. При работе таких подшипников в паре со стальным валом в ряде случаев образуется сервовитная пленка меди. Однако механизм работы таких подшипников выяснен еще недостаточно. Высокие антифрикционные свойства подшипников объясняли большой смазочной способностью ПТФЭ, обусловленной низким межмолекулярным взаимодействием в полимере и, как следствие, облегченным проскальзыванием образующихся при трении тонких (менее 1 нм) пластинообразных кристаллических полос. Роль порошка бронзы сводилась к фактору, повышающему теплопроводность покрытия. Подчеркивали также особые свойства ПТФЭ, в частности,его высокую инертность.

Для понимания механизма трения ПТФЭ следует учитывать возможность химического взаимодействия продуктов его трибохимических превращений с металлами и их роль в процессе трения. Оказалось, что при тяжелых режимах трения и высоких температурах ПТФЭ, несмотря на свою " классическую" инертность, бурно реагируют с некоторыми металлами.

Применяя ряд физических методов  анализа, А.С. Кужаров и В.О. Гречко пришли к выводу, что при трении ПТФЭ, наполненного медной проволокой, в паре со стальным валом без смазочного материала реализуется ИП. Поверхность стали и ПТФЭ обогащается медью, на которой формируется, кроме того, металлополимерный слой в виде координационного соединения. Структура фрикционного контакта, обеспечивающего режим ИП при трении медно-фторопластового композита, представлена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Структура граничного слоя, образующего при трении медно-фто- ропластового композита по стали:

1 — слой комплексов; 2 — сервовитная пленка меди; 3 — сталь

Приведенная структура граничного слоя состоит из связанного с поверхностью кристаллической решетки стали, слоя сервовитной пленки меди и металлополимерного слоя (1... 16 нм), ориентированного в направлении трения. Закрепление металлополимерного слоя на поверхности сервовитной пленки осуществляется в результате комплексообразования [31].