Механизм образования сервовитной пленки

Лекция

Избирательный перенос при трении

Сущность избирательного переноса

В середине 50-х годов при исследовании технического состояния узлов трения самолета ИЛ на разных этапах его эксплуатации было обнаружено явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди на поверхностях деталей тяжело нагруженных узлов при работе пары трения сталь – бронза при смазывании спиртоглицериновой смесью. Пленка меди толщиной 1…2 мкм в процессе трения покрывала как бронзу, так и сталь. Она резко снижала износ пары трения и уменьшала силу трения примерно в 10 раз.

Такое же явление было обнаружено в парах трения сталь – сталь в узлах трения домашнего холодильника при смазывании маслофреоновой смесью.

Исследования показали, что медная пленка в паре бронза – сталь образуется в результате анодного растворения бронзы (легирующие элементы цинк, олово, алюминий, железо уходят в смазочный материал и поверхность обогащается медью). После того, как поверхность бронзы и стали покроется медью, растворение прекращается, устанавливается режим избирательного переноса (ИП). В узлах трения компрессора холодильника медная пленка в паре сталь – сталь возникла в результате растворения медных трубок охладителя компрессора. Ионы меди, поступая в масляно-фреоновую смесь, двигались в зону контакта, где формировалась защитная медная пленка. В таком состоянии компрессор может работать без ремонта десятки лет.

Металлическую защитную пленку, образующуюся в процессе трения, называют «сервовитной» (от латинского – 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.

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. Здесь мягкий материал работает по мягкому. Нагрузки распределяются равномерно по поверхности трения, поэтому на единицу площади приходится незначительная нагрузка. Это способствует продлению жизни узла трения.

Механизм образования сервовитной пленки

В зависимости от вида смазочного материала и условий трения механизм формирования сервовитной пленки на поверхностях трения 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. При трении он действует как слабая кислота. Атомы легирующих элементов бронзы (Sn, Zn, Fe, Al 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 приток 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 медным. В нем образуется большое количество вакансий, часть из них аннигилирует, образуя поры, которые заполняются молекулами глицерина.

Глицерин является восстановителем оксида и монооксида меди, поэтому поверхность трения медной пленки свободна от оксидных 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. Этот процесс продолжается 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. Если по каким-либо причинам медная пленка разрушится, то вновь произойдет растворение бронзы, и поверхность будет обогащаться медью, пока снова не наступит пассивное состояние.

2. Сервовитная пленка может образоваться в узле трения сталь – сталь при работе с металлоплакирующими смазочными материалами, содержащими мелкие частицы бронзы, меди, свинца, серебра и др. При использовании смазки ЦИАТИМ-201 с добавками порошка этих металлов в паре трения 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 оксидных пленок 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 оксид и монооксид меди. Сервовитная пленка образуется в результате восстановления оксидов меди в процессе трения.

3. В промышленности разработан ряд порошковых твердоспеченных материалов, работающих в режиме избирательного переноса. Шихта для твердоспеченного материала готовится из тонкодисперсных порошков ВК3, ВК6, ВК8 с добавлением литого карбида вольфрама (релита) зернистостью 0, 1…0, 25 мм. В качестве связующего материала применяют сплавы, содержащие медь (Cu-Ni сплавы), 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) 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 образовываться при трении политетрафторэтилена (ПТФЭ), наполненного монооксидом меди, о сталь при смазывании глицерином. Сервовитная пленка образуется в результате восстановления монооксида меди до чистой меди. Стальная поверхность покрывается слоем меди. Возможно применение наполнителей, содержащих органические соли меди, или легко распадающиеся при нагреве фермиат или силицилат меди. Повышение нагрузочной способности пары трения объясняется тем, что медь, выделяющаяся в коллоидном состоянии в результате разложения указанных соединений под действием сил трения и высоких локальных температур, находится в неокисленном состоянии. Она способна взаимодействовать с металлической поверхностью контртела и образовывать на ней тончайшую политурообразную пластичную медную пленку.

5. Сервовитная пленка может образовываться и без смазочного материала, если в контакте находятся сталь – фторопласт с пропиткой тонкой медной или бронзовой проволокой. В этом случае при тяжелых режимах трения и высоких температурах ПТФЭ, несмотря на свою «классическую» инертность, бурно реагирует с некоторыми металлами. Поверхность стали и ПТФЭ обогащается медью, на которой, кроме того, формируется металлополимерный слой в виде координационного соединения. Структура фрикционного контакта, обеспечивающая режим ИП при трении медно-фторопластового композита представлена на рис. 5.12.

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 которого на поверхности сервовитной пленки осуществляется в результате комплексообразования.

1 – слой комплексов 2 – сервовитная пленка меди 3 – сталь

Рис. 5.12 – Структура граничного слоя, образующегося при трении медно-фторопластового

композита по стали

Таким образом, высокие триботехнические свойства медно-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 всех диапазонах нагружения, особенно при легировании смазочных материалов комплексообразующими присадками.