Механизм образования сервовитной пленки

Таким образом, высокие триботех- нические свойствамедно-фторопластовых композитов связаны с реализацией ИП при трении без смазочного материала вследствие образования координационных соединений с двухвалентной медью. Наличие смазочного материала в таких композициях улучшает триботехнические характеристики во всем диапазоне нагруже- ния, особенно при легировании смазочных материалов комплексообра- зующими присадками.

 

 

 

2 Металлополимерные системы. Основные понятия.

 

Практически в любой технике можно встретить  элементы, образующие пару трения металл-полимер: подшипники скольжения с полимерными  втулками, уплотнительные манжеты и  полимерные сальниковые уплотнения плунжеров, поршней, фрикционные передачи, тормозные устройства, искусственные  суставы.

Рассмотрим, с точки зрения трибологии, металлополимерную систему как пару трения металл - полимер. Пара трения - система из двух элементов, соприкасающиеся поверхности которых перемещаются друг относительно друга.

Пара  трения металл-полимер представляет собой своего рода металлополимерную систему, отличную по свойствам и происходящим в ней процессам от пар металл - металл, полимер - полимер.

Металлополимерная система — это совокупность по меньшей мере двух предназначенных для совместной работы тел, соединенных атомно-молекулярными силами или механически, одно из которых состоит из макромолекул (полимер), а другое — из атомов с обобществленными электронами (металл).

Металлополимерный материал — это полуфабрикат, состоящий из полимеров и металлов, соединенных между собой неподвижно атомно-молекулярными силами или механически, и предназначенный для изготовления деталей, узлов и конструкций ('например, металлический листе полимерным покрытием).

Металлололимермая деталь — это элементарная (неделимая) часть конструкции или узла, изготовленная из полимеров и металлов или металлополимерного материала (например, металло-полимерное зубчатое колесо).

Металлополимерный узел — это элемент конструкции, состоящий из металлических и полимерных или металлополимерных деталей, который может быть также использован в различных конструкциях. (например, металлаполимерный узел трения, скольжения, металлаполимерные уплотнитель- ные узлы).

Полимеры  обладают по сравнению с металлами  более низким коэффициентом трения, меньше изнашиваются, малочувствительны  к ударам и колебаниям. И в то же время обладают низкой, по сравнению  с металлами, теплопроводностью  и теплостойкостью.

Полимер в паре трения металл - полимер используют непосредственно как тело трения, либо в виде покрытия - плёнки на поверхности  другого материала, в основном металла. Чистые полимеры не используются в  парах трения, для улучшения свойств  в них вводят наполнители, пластификаторы, модификаторы и т.д., используют композиционные полимерные материалы.

Трение  полимерных композиционных материалов сопровождается химическими реакциями  окисления, процессами трибодеструкции и структурирования (изменения структуры материала при трении), разрыва химических связей, синтеза новых фаз и другими процессами. Всё это приводит к образованию вторичных структур, облегчающих или затрудняющих процесс трения сопряженных поверхностей в узлах трения. Поверхностные слои как металлического контртела (элемент пары трения, работающий совместно с материалом трения, так и полимерного композиционного материала при трении находятся также в сложном напряженно-деформированном состоянии под действием сдвиговых напряжений и деформаций. Механохимическая деструкция макромолекул в поверхностных слоях приводит к разрыву химических связей, образованию свободных радикалов, а также может инициировать адсорбционное пластифицирование поверхностных слоев полимерной и сопряженной металлической детали (согласно эффекту Ребиндера под влиянием активной среды (в том числе смазочных материалов) при трении происходит пластифицирование поверхностного слоя металла).

При различных  режимах трения возможен фрикционный  перенос материалов, который заключается  в переносе полимерного материала  на металлическое контртело. В результате взаимодействия частиц полимера с активными участками поверхности контртела формируется так называемое «третье тело» - плёнка фрикционного переноса. Механизм образования плёнки переноса зависит от механизма разрушения полимерного материала, степени деструкции макромолекул, активности образующихся радикалов и их   взаимодействия   с   металлом,   подвижности   молекулярных   цепей.

Структура и свойства плёнки переноса имеют  определяющее значение в механизме  трения и изнашивания металлополимерных пар трения.

Исследования  и опыт эксплуатации металлополимерных трибосопряжений показали, что удовлетворительная работа этих сопряжений возможна только при условии образования на металлическом контртеле устойчивой полимерной плёнки фрикционного переноса. Установлено, что образование плёнки фрикционного переноса происходят благодаря адгезионным связям, возникающим при контакте полимера с металлом. Процесс образования адгезионной связи можно разделить на две стадии.

На  первой стадии происходит перемещение  молекул полимера к поверхности  металла и их определённое ориентирование в межфазном слое, в результате которого обеспечивается тесный контакт  между молекулами и функциональными  группами полимера и металла.

 Вторая  стадия процесса состоит в  непосредственном взаимодействии  полимера и металла. 

Изучению  механизма образования плёнок фрикционного переноса посвящено много работ, но они, как правило, носят частный  характер, так как в них исследуются  отдельные виды полимерных и композиционных материалов.

 

 

3.Физико-химические свойства поверхностей  деталей

 

Поверхностная энергия

 

Поверхностный слой металла обладает большой активностью. Это обусловлено  тем, что внутри твердого тела каждый атом кристалла окружен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям, а у атомов, расположенных на поверхности, с внешней стороны нет "соседей" в виде таких же атомов. Поэтому в поверхностном слое у атомов твердого тела остаются, как говорят, свободные связи, наличие которых создает вблизи поверхности атомное (молекулярное) притяжение. Чтобы при таком несимметричном силовом поле атом кристалла находился в равновесии, необходимо иное, чем внутри кристалла, расположение атомов самого верхнего слоя.

У кристалла, помещенного в жидкость или окруженного каким-либо твердым, телом, поверхностные атомы должны в некоторой степени перестроиться, так как атомы или молекулы внешней среды будут взаимодействовать с поверхностным слоем кристалла и уменьшать энергию связи поверхностных атомов. Если кристалл находится в воздухе или другом газе, то силами притяжения молекул газа к твердому телу пренебрегают. Это справедливо как для кристаллических, так и для аморфных тел .

Поверхностные атомы вследствие свободных  связей обладают большей энергией, нежели атомы внутри твердого тела. Избыток энергии, отнесенный к единице поверхности, называют удельной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией. Полная энергия кристалла состоит из внутренней и поверхностной энергии. Последняя пропорциональна поверхности раздела фаз, поэтому особенно возрастает при диспергировании твердых тел. Она во многом определяет свойства высокодисперсных систем—коллоидов.

При соприкосновении двух тел поверхностная энергия исчезает и может выделиться в виде теплоты или затратиться на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому. Если поверхностную энергию данного кристалла обозначить £/_п;а работу разрушения на создание новой поверхности 2S—U_s,, то U_s = 2SU_n, следовательно, U_n = UJ2S.

Изобразим контакт S между фазами 1 и 2 (рис. 2.1). При энергии U_x и U₂ энергия всей системы

U--U_x + U₂ + US.

Рис. 2.1. Сгущение энергии в поверхностном слое [7]

 

Тогда  U = [U-(U_l+U₂)]IS=UIS,

где U_s — сгущение энергии в поверхностном слое есть результат преимущественного действия более активной фазы [7].

Заметим, что разные грани кристаллов имеют  разные t

 

1.1 Адсорбция ихемосорбция

 

В результате взаимодействия ненасыщенных силовых полей твердого тела с силовыми полями молекул газа, движущихся к твердой поверхности, или взаимодействия жидкости, соприкасающейся с твердым телом, поверхность последнего покрывается пленкой веществ, содержащихся в окружающей среде: газов, паров воды, обычно находящихся в воздухе, и паров других жидкостей, а также веществ, растворенных в жидкостях и соприкасающихся с поверхностью твердого тела. Явление образования на поверхности последнего тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией.

Наибольшей способностью к адсорбции  обладают поверхностно-ак- тивные вещества, т. е. вещества, молекулы которых ориентируются при адсорбции перпендикулярно к поверхности (например, органические кислоты, их металлические мыла, спирты и смолы). Вода проявляет большую адсорбционную активность к резине и антифрикционным пластикам. Характерной особенностью поверхностно-активных веществ является несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в их молекулах даже в изолированном состоянии; иначе говоря, в их молекулах существует как бы два противоположных пространственно разделенных заряда. Такие молекулы, именуемые полярными, притягиваются и удерживаются поверхностью тела. Так, если поместить металлическое тело вблизи летучего вещества, например валерьяновой кислоты, то молекулы кислоты, испаряясь и диффундируя через воздух, покроют поверхность тела слоем толщиной в одну молекулу. Если металл привести в контакт с раствором жирной кислоты в поверхностно-активной жидкости (жирные кислоты с большим числом атомов углерода при нормальной температуре находятся в твердом состоянии), то молекулы кислоты вытеснят с поверхности раздела жидкости и твердой стенки молекулы растворителя и прикрепятся к металлу строго определенным образом [1].

Жирные одноосновные кислоты (пальметиновая, стеариновая и др.) — соединения с общей формулой RCOOH, где R — радикал вида СН_2п+г Их молекулы, имеющие среднюю длину, в 5... 10 раз превышающую их поперечное сечение, прикрепляются к поверхности металла стоймя своей карбоксильной группой СООН (рис. 2.2). Насыщенный адсорбционный монослой образуется, таким образом, из плотно расположенных молекул, ориентированных параллельно друг другу и перпендикулярно к поверхности тела. Такова же структура монослоя при адсорбции и других полярных молекул. Адсорбированные молекулы взаимодействуют не только с поверхностью, но и между собой [1]. Взаимодействие между молекулами в тангенциальном к поверхности направлении называют продольной когезией. Сопротивление адсорбированной пленки продавливанию определяется силами продольной когезии.

 

Рис. 3.2. Схема расположения насыщенной молекулы жирной кислоты при сцеплении с решеткой металла (размеры в миллиметрах)

Конец молекулы, присоединяющийся к металлу, подобен маленькому магниту; его называют полярным или активным. Остальная часть молекулы составляет так называемый хвост. У всех органических кислот и их мыл активной является карбоксильная группа, у спиртов— гидроксил ОН, у других веществ—группа NH₂COCI и др.

Молекулы веществ, адсорбированных на поверхности твердого тела, обладают способностью перемещаться по поверхности из областей, где имеется их избыток, в места, где их недостаточно для полного покрытия поверхности. Подвижность адсорбированных молекул зависит от вида адсорбции. Адсорбция бывает физическая и химическая. При химической адсорбции (хемосорбции) полярные концы молекул, связываясь с поверхностью тела, образуют в ней монослой, сходный с химическим соединением. Подвижность молекул в результате этого сильно ограничивается.

Хемосорбция, в отличие от физической адсорбции, носит избирательный характер; она протекает с большой интенсивностью в местах нарушения регулярности кристаллической решетки (включениями либо "дырками")- Во многих случаях физическая и химическая адсорбция протекает одновременно, но одна из них является преобладающей. Так, имеются основания считать, что адсорбция жирных кислот на металлических поверхностях при нормальной температуре носит в основном физический характер, а при повышенной температуре — химический.

Силы взаимодействия между молекулами поверхностно-активных веществ и  металлической подкладкой различны по природе и зависят как от природы веществ, так и от металла. Наиболее прочной связью обладают молекулы с активной карбоксильной группой. Существование адсорбированного слоя определяется температурой.

Адсорбированный слой поверхностно-активных веществ является мономолекулярным. Искусственным путем можно образовать многомолекулярную пленку, в которой каждый слой будет состоять из одинаково ориентированных молекул. К металлу прикрепляются активные концы молекул первого ряда, к их хвостам хвосты молекул второго ряда, а к их активным концам концы молекул третьего ряда и т.д. Таким путем получали пленки в 1000 молекулярных слоев.

Большинство жидких сред с цепными  молекулами, т. е. молекулами удлиненной формы, образуют на границе с металлической  поверхностью особую структуру. Минеральные  и растительные масла, а также  соединения, входящие в состав, животных жиров, являются представителями таких сред. Рентгеноструктурные и электроно-графические исследования показали, что даже масла, состоящие из углеводородов полнонасыщенных рядов С_пН_2п или C_nH_2n+r имеющие неполярные молекулы (например, очищенное вазелиновое масло), образуют на металле тонкую пленку из отдельных слоев с ориентацией молекул в них перпендикулярно к поверхности металла.

ных молекул растворителя

Адсорбция в данном случае происходит под влиянием поляризации неактивных углеводородных молекул электрическим  полем металлической поверхности. Однако в слоях встречаются незаполненные места. Прочность и устойчивость такой адсорбированной пленки мала. Достаточно, однако, в состав такого масла добавить незначительное количество (порядка 0,1 %) поверхностно-активного вещества, чтобы образовался адсорбированный монослой поверхностно-активных молекул (рис. 2.3), способный сообщить расположенным выше слоям масла ориентацию. Более того, добавление поверхностно-активного вещества к очищенному керосину — неполярной жидкости, не способной к ориен- тации только под действием металлической подкладки, — создает эффект расслоения и ориентации. В смазочных маслах, имеющих поверх- ностно-активные вещества, тоже образуется на границе с поверхностью адсорбированный слой большей или меньшей прочности.