Химическое модифицирование поверхности

Из учения о строении и свойствах твердого тела следует, что сво­бодная поверхностная энергия во многом определяет механические ха­рактеристики (например, такие, как прочность, твердость, уровень тре­ния и т.п.). Причем между ними существует прямо-пропорциональная зависимость. В силу этого на механические характеристики твердых тел могут оказывать заметное влияние как физические, так и химически ад­сорбированные вещества.

Тщательно проведенные исследования показали, что энергия взаимодействия между металлическими телами во фрикционном контакте определяется степенью их окисления (рис. 5.8).

а б в

Рис. 5.8. Модели взаимодействия металлических тел во фрикционном контакте

Так, если при контакте в вакууме чисто металлических поверх­ностей а, например, железа, энергия взаимодействия равняется 4-Ю"⁶ Дж/мм², то в случае контакта чистого металла с окисленной поверхностью б того же материала она равняется уже 2-Ю"⁶ Дж/мм², а в случае двух окисленных металлов в - только 0,2-10"⁶ Дж/мм².

Кроме того, у ряда металлов (свинец, медь и др.) коэффициен­ты трения окислов бывают значительно ниже самих чистых метал­лов. Для таких тел окисные пленки играют еще и роль защитных средств от холодного сваривания и когезионного вырывания метал­ла при трении. В подобных случаях окисление металлов является фактором, обеспечивающим скольжение и уменьшающим трение и износ твердых тел. Здесь важную роль на работу пары трения ока­зывает состояние окружающей атмосферы и прежде всего содер­жание в ней кислорода и паров воды.

Аналогичное защитное покрытие твердых тел может происходить и в случае химического взаимодействия поверхности твердого тела с молекулами, находящимися в маслах и способными легко выделять атомы хлора, серы, мышьяка, фосфора и др. В процессе трения, в ре­зультате выделяющегося в контакте тепла, на наиболее нагруженных участках контакта могут образовываться легко деформируемые хлори­ды, сульфиды, арсениды, фосфориды и другие соединения, сущест­венно снижающие как схватывание и износ, так и трение между тела­ми. Образованию подобных защитных поверхностных покрытий могут способствовать электрохимические и механические процессы, проис­ходящие на границе раздела твердое тело - внешняя среда.

Эффект П.А. Ребиндера

Помимо действия химических процессов, оказывающих влияние на свойства поверхности и фрикционное взаимодействие между твер­дыми телами, существует открытое и исследованное П.А. Ребинде-ром аналогичное смазочное средство, обусловленное чисто молеку­лярным взаимодействием смазки с твердыми поверхностями, полу­чившее название «эффекта Ребиндера».

Реальные твердые тела имеют как поверхностные, так и внут­ренние дефекты структуры. Как правило, подобные дефекты обла­дают избыточной свободной энергией. За счет физической адсорб­ции молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит сни­жение уровня свободной поверхностной энергии твердого тела в местах их посадки. Это уменьшает работу выхода дислокаций на по­верхность. Поверхностно-активные вещества проникают в трещины и в межкристаллитное пространство, оказывая механическое воздей­ствие на их стенки и, раздвигая их, приводят к хрупкому растрескива-

нию материала и уменьшению прочности контактирующих тел. И ес­ли подобные процессы развиваются только на выступах контакти­рующих тел, уменьшая сопротивление сдвигу неровностей этого ма­териала, то в целом этот процесс приводит к выглаживанию поверх­ности, уменьшению удельного давления в контактной зоне и в целом - уменьшению трения и износа трущихся тел. Но если нормальные нагрузки при трении значительно увеличиваются, высокие удельные давления распространяются на всю контурную площадь, разупроч­нение материала осуществляется на большом участке поверхности и приводит уже к очень быстрому ее разрушению.

Эффект Ребиндера широко используется как при разработке смазочных материалов (для этого в смазочный материал вводят спе­циальные ПАВ), так и для облегчения деформирования и обработки материала при изготовлении деталей машин (для этого используются специальные смазки и эмульсии в виде смазочно-охлаждающих жид­костей - СОЖ).

Проявление эффекта Ребиндера происходит на самых разнооб­разных материалах. Это и металлы, горные породы, стекла, элементы машин и оборудования. Среда, вызывающая понижение прочности, мо­жет быть газообразной и жидкой. Часто в качестве ПАВ могут выступать расплавленные металлы. Например, медь, выделившаяся при расплав­лении подшипника скольжения, становится ПАВ для стали. Проникая в трещины и межкристаллическое пространство вагонных осей, этот про­цесс становится причиной хрупкого разрушения осей и причиной аварий на транспорте.

Не отдавая должного внимания природе процесса, мы часто ста­ли сталкиваться с примерами, когда аммиак вызывает растрескивание латунных деталей, газообразные продукты сгорания резко ускоряют процесс разрушения турбинных лопаток, расплавленный хлористый магний действует разрушающе на высокопрочные нержавеющие стали и ряд других. Знания природы этих явлений открывает возможности направленно решать вопросы повышения износостойкости и разруше­ния ответственных деталей и узлов машин и оборудования, а при над­лежащем использовании эффекта Ребиндера - повышать производи­тельность обрабатывающего оборудования и эффективность исполь­зования пар трения, т.е. экономить энергию.