АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТРИБОХИМИЧЕСКОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

 

Маленко П.И. (ТулГУ, г. Тула, РФ)

 

In clause is shown, that the character of interaction rubbing of surfaces is predetermined by a condition of active layers of coverings, that is connected to a superposition various tribotechnical of processes.

 

Характер взаимодействия трущихся поверхностей предопределяется состоянием активных слоев покрытий. Это связано с суперпозицией разнообразных триботехнических процессов, таких как диффузионные, адсорбционные, адгезионные, тепловые, субструктурные и другие.

Высокие микроконтактные давления в сочетании с температурными градиентами предопределяют следующие реализуемые для всего комплекса вариантов состояния триботехнических систем процессы разрыхления материалов активного слоя: механическое, тепловое, химическое и адгезионное [1].

Механические процессы разупрочнения при взаимодействии зависят в первую очередь от упругопластической деформации материала микроконтактов, активируемой дополнительно тепловыми напряжениями. Этот вид разупрочнения обусловливает формирование дефектов субструктуры различного уровня и повышение остаточных напряжений.

С наибольшей вероятностью при трении возможно образование малоэнергоемких точечных дефектов и в первую очередь вакансий. Центрами образования вакансий могут быть активированные атомы на поверхности материала и на границах фрагментов и зерен. Концентрация вакансий в повреждающемся подслое может быть на 2-3 порядка выше, чем при обычных равновесных условиях. Диапазон концентраций вакансий зависит от ряда факторов, характеризующих свойства тела и трибосреды: наличия трибоплен-ки (уменьшает концентрацию вследствие торможения эффектов “разряжения” дислокаций на поверхности), активации хемосорбционных эффектов (повышает концентрацию), направления взаимодействия линейных дефектов и т.д. Неравномерное распределение вакансий по глубине слоя ослабляет адгезионные связи при сохранении уровня когезионных. Это оказывает позитивное влияние на трение. С другой стороны, коагуляция дефектов в процессе их диффузии способствует образованию полостей и пор, снижающих поверхностную прочность материала. Влияние вакансий на работоспособность трущихся поверхностей связывается дополнительно и с тем, что они могут быть центрами адсорбции и окисления [2].

Температурно-силовое воздействие обусловливает значительное, до 10¹¹-10¹² см^-2, повышение плотности дислокаций в активном слое. Для принятых в качестве основополагающих предположений о сдвиговом механизме пластической деформации в повышении прочности играют роль эффекты закрепления дислокаций, а также сопротивление элементов структуры их движению. В первом случае при создании структурно работоспособного материала необходимо предпочитать виды технологической обработки, фрагментирующие зерна и блоки и создающие высокие концентрации закрепляющих точечных дефектов. Во втором - необходимо стремиться к формированию в поверхностном слое дисперсных элементов макроструктуры (пор, включений), которые своими дальнодействующими полями напряжений будут тормозить перемещающиеся дислокации. Взаимодействие линейных несовершенств обусловливает рост сопротивления сдвигу, что упрочняет, но с другой стороны и охрупчивает материал. Последнее позволяет заключить, что применение (в качестве триботехнического) материала, характеризующегося интенсивным закреплением дислокаций точечными дефектами или их самозакреплением и склонного по этой причине к охрупчиванию, является нецелесообразным. При механическом разупрочнении дислокации играют решающую роль в формировании трения и образовании частиц износа. Согласно данным работы [3] наиболее мощные дислокационные скопления локализуются на некотором расстоянии от поверхности, при этом закритические плотности дислокаций приводят к формированию микропустот, коалесценция которых путем роста или сдвига формирует подповерхностные параллельные трещины.

Как правило, механическое разупрочнение структуры поверхностного слоя протекает одновременно с процессами разрушения, в большей или меньшей степени активируя их. В этих случаях данный подготовительный эффект присущ самому процессу повреждаемости и рассматривается как сопутствующее ему явление. Механическое разрыхление реализуется также в процессе трения при формировании так называемого третьего тела в форме трибопленки на контактах.

Тепловые процессы разупрочнения протекают под действием генерируемой при трении на микроконтактах теплоты или, реже, теплоты от внешнего источника. Этот вид разупрочнения связан с изменением физического состояния фаз гетерогенных материалов или их структуры и определяет вид механизма поверхностного разрушения [4].

Наиболее существенными физическими явлениями в динамической структуре материала являются при этом частичная аморфизация (разупорядочение кристаллического строения) активного слоя и полиморфные превращения. Возможные при тепловом разупрочнении полиморфные превращения тоже в значительной степени влияют на характер взаимодействия трущихся поверхностей. Наименьший коэффициент трения соответствует базовым материалам, имеющим некубические элементарные решетки с меньшим числом предпочтительных плоскостей сдвига. Склонность решетки материалов к полиморфизму способствует формированию так называемых приспособляемых вторичных структур трения, что повышает износостойкость.

Изменение фазового состояния в активных слоях протекает соответственно заданным температурно-силовым условиям и зависит от активности диффузионных процессов. В результате таких эффектов возможно перераспределение элементов в структурных составляющих, растворение мелкодисперсных включений, выравнивание степени гетерогенности по глубине активного слоя и создание на трущейся поверхности так называемых белых слоев, насыщаемых в процессе трения химическими элементами из среды [5].

Температурное разрыхление способствует формированию полей внутренних напряжений термической или структурной природы. Действующие напряжения могут замедлять или активировать поверхностную повреждаемость в зависимости от их знака и градиентов.

Химические процессы разупрочнения характеризуются образованием тонких пассивирующих пленок на поверхности трения в результате химического взаимодействия активного слоя с внешней газовой или жидкой средой. Этот вид разупрочнения характерен для всех режимов трения и наиболее ярко выражен в случае наличия смазочного материала на контактах.

Трибохимическая пленка предохраняет приповерхностные сечения активного слоя от механического разупрочнения, а также экранирует адгезионное взаимодействие трущихся поверхностей. Формирование пленок протекает в две характерные стадии. На начальной стадии в результате взаимодействия адсорбированных атомов кислорода с металлической поверхностью формируется окисел толщиной 3-5 нм; на завершающей стадии трения в результате протекания процессов встречной диффузии атомов, дрейфа вакансий и перемещения электронов и катионов происходит дальнейшее утолщение пленки.

Фрикционные характеристики пленки зависят от их физической природы. Например, пленки на основе окислов Fe₃O₄ и FeO гарантируют заметное повышение износостойкости. Экранирующая роль пленки будет возрастать, если ее твердость сопоставима с твердостью основного материала. С утолщением активного слоя, как правило, уменьшается его прочность и возрастает вероятность хрупкого разрушения. Позитивным в повышении работоспособности является то, что пленки окислов легко покрываются адсорбированными газами. Кинетика подобных процессов предопределяется химическим сродством различных базовых металлов и составляющих компонентов окружающей среды [6].

Результаты исследований трибохимического разрыхления показали, что роль кислорода в процессах формирования экранирующих пленок остается большой не только при трении в воздушной среде, но и при трении со смазочным материалом. Доказано [7], что если смазочную жидкую среду очищать от кислорода, то она полностью теряет свои антифрикционные свойства. При трении в вакууме схватывание поверхностей в результате адгезии происходит даже при очень малых нагрузках и при наличии на контакте смазочного материала.

При трении сложных по составу материалов в присутствии различных антифрикционных добавок, например серы или сульфидов, процессы окисления существенно усложняются. Обнаружено, что при введении на рабочие поверхности серы в начальный период взаимодействия образуются сульфиды, затем сульфаты, а при установившемся процессе трения формируется пленка на основе моногидроокиси. Анализ поверхностей самых различных по свойствам пар трения доказал постоянное присутствие на них кислорода и серы, причем на химический состав заметно влияют контактное давление и скорость трения. Следует иметь в виду, что благоприятное влияние трибохимических процессов на антифрикционные свойства имеет место только до определенного уровня характеристик трения. Установлено, что изнашивание нельзя связывать с одним каким-либо свойством окисной пленки. Необходимо учитывать комплекс таких характеристик, как прочность, хрупкость, твердость, прочность сцепления окисной пленки с поверхностью основного металла. По этой причине окислы не всех металлов улучшают антифрикционные свойства пары трения, а значит, и работоспособность.

Адсорбционные процессы разупрочнения проявляются в результате физического взаимодействия материала с внешней, как правило, жидкой средой. Первым признаком этого вида дестабилизации структуры и свойств является снижение твердости и уменьшение работы диспергирования материала в его поверхностно-активном слое. Деформация в значительной степени активируется в результате адсорбционного понижения прочности за счет эффекта Ребиндера. Адсорбированные из внешней среды атомы диффундируют в материал к формирующимся при механическом разрыхлении микротрещинам. Внутренний адсорбционный эффект приводит к понижению поверхностной энергии, а значит, и работы преобразования трещин, что предопределяет хрупкость и вызывает резкий перепад свойств по глубине покрытия. Внешний адсорбционный эффект пластифицирования обусловлен облегчением выхода дислокаций на поверхность трения в результате снижения поверхностной энергии. В результате реализации данных эффектов поверхностные слои получают меньшую твердость при сохранении исходной высокой пластичности, что предопределяет ускорение процессов структурного поверхностного разрыхления.

 

Литература

1. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. – М.: Машиностроение, 1987. – 304 с.

2. Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких материалов. – Киев: Наукова думка, 1975. – 314 с.

3. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. – М.: Металлургия, 1976. – 175 с.

4. Шоршоров М.Х., Харламов Ю.А. Физико-химические основы детонационно-газового напыления покрытий. – М.: Наука, 1978. – 224 с.

5. Плазмотроны для напыления порошковых материалов. Экспресс-информация. – М.: ЦНИИтракторсельхозмаш, 1978. – №2. – С.46.

6. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. – М.: Машиностроение, 1984. – 280 с.

7. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. – М.: Металлургия, 1977. – 356 с.