Влияние окисных, адсорбционных и других поверхностных пленок на трение твердых тел

При трении твердых тел наблюдается большая зависимость тре­ния от малейших изменений в их поверхностных слоях. Причиной этого

является наличие свободных ненасыщенных связей поверхностных атомов твердых тел, способных взаимодействовать с любыми атомами и молекулами, находящимися вблизи поверхностей трения. Следстви­ем такого взаимодействия поверхностей трения с прилегающими к ним атомами других веществ является тот факт, что трение ювенильных поверхностей при обычных атмосферных условиях не осуществляется.

Экспериментами в тщательно контролируемых условиях было показано, что коэффициент трения на свежесколотых поверхностях каменной соли находится в прямой связи с продолжительностью пре­бывания образцов на воздухе. Было также установлено, что коэффи­циент трения в данном случае может быть уменьшен, если проводить эксперименты в предварительно очищенном от посторонних загряз­нений воздухе (рис. 5.16).

Исследования Боудена, изучавшего влияние паров воды на ве­личину трения свежеочищенных поверхностей железа, показали, что молекулы воды, попадая на поверхность металла, способны взаимо­действовать с поверхностью трения, проявляя при этом как прочие химические связи, так и связи, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса. Появление следов воды на поверхности очищенного ме­талла приводит к уменьшению коэффициента трения.

каменной соли в зависимости от продолжительности его пребывания

на воздухе: 1-е среде очищенного воздуха; 2-е среде обычного воздуха

Вода, вступившая с поверхностью металла в химическую связь, давала необратимое снижение коэффициента трения до определен­ного уровня. Физически адсорбированная вода на таких поверхно­стях трения также приводила к снижению величины коэффициента трения, однако после ее удаления коэффициент трения тотчас же

поднимался до уровня, характерного для железа с хемосорбирован-ной водой (рис. 5.17).

Было также установлено, что кислород, попавший на свежеочи-щенную поверхность металла, мгновенно образовывает на ней окис-ные пленки, приводящие к уменьшению величины коэффициента тре­ния между металлическими телами (рис. 5.18). Наибольшее снижение величины коэффициента трения наблюдается при незначительных толщинах окисных пленок (рис. 5.19). Однако, по мере роста толщины окисной пленки, когда она уже начинает проявлять свои специфиче­ские структурные особенности, вновь наблюдается некоторое возрас­тание коэффициента трения (табл. 5.1).

Кемпбелом было показано (рис. 5.20), что на снижение трения между металлическими телами оказывает влияние состав оксидной пленки (сульфидная пленка или оксидная), а также и то, что металли­ческие мыла, образованные на таких поверхностях в присутствии смазки, дают большее снижение коэффициента трения, чем смазка на неокисленных поверхностях трения (табл. 5.2).

Ж А

tмин

Рис. 5.17. Влияние паров воды

на трение чистых поверхностей

железа: 1 - выдержка в водяных

парах в течение 10 с; 2 - выдержка

10 мин; 3 - вымораживание водяных

паров; 4 - повторное

вымораживание

Q

Рис. 5.18. Влияние количества

кислорода на коэффициент трения

предварительно очищенных

поверхностей железа (опыты

в условиях вакуума) при давлении

кислорода: 1 - 10...4 мм рт. ст.;

2- 10 мм рт. ст.; 3 - несколько

мм рт. ст.; 4 - несколько мм рт. ст.

через 15 ч

Рис. 5.19. Зависимость коэффициента трения от толщины окисной пленки

на поверхности металла

Таблица 5.1 Зависимость трения от свойств оксидов металла

Рис. 5.20. Влияние оксидных пленок на коэффициент трения:

1 - латунь-латунь, сульфидная пленка; 2 - сталь-сталь, оксидная пленка;

3 - сталь-сталь, оксидная пленка со смазкой; 4 - сталь, сульфидная пленка

со смазкой; А - те же материалы без оксидных пленок

Оксидные пленки обычно очень прочно удерживаются на по­верхности металла и в атмосферных условиях обладают способно-

стью быстро восстанавливаться. Удалять оксидные пленки с метал­лических поверхностей удается путем испарения или же посредст­вом механического их истирания в условиях вакуума. После удале­ния оксидных пленок с поверхностей трения величина коэффициента трения на них вновь повышается до того уровня, который предшест­вовал появлению оксидных пленок на этих поверхностях (рис. 5.21).

Исследованиями Гарди было установлено, что на поверхностях трения стали и стекла при тщательной их очистке можно получать вы­сокие и воспроизводимые величины коэффициентов трения. Было по­казано, что на снижение трения между телами существенное влияние могут оказывать и летучие органические вещества, попавшие на по­верхности трения тел. Так, в опытах с каплей уксусной кислоты, по­мещенной вблизи трущихся тел, Гарди наблюдал снижение величины коэффициента трения между телами с 0,92 до 0,47.

Таблица 5.2 Влияние оксидных пленок на величину

коэффициента трения твердых тел

В.П. Лазаревым при исследовании вопроса о влиянии толщины смазочного слоя (стеарата кальция) на величину коэффициента трения между телами было показано, что решающую роль в снижении коэф­фициента трения между телами играет один монослой смазочного ве­щества. Дальнейшее же увеличение толщины смазочной прослойки до 61 монослоя стеарата кальция не оказывало влияния на величину ко­эффициента трения между исследуемыми телами (табл. 5.3).

Рис. 5.21. Изменение коэффициента трения по мере изнашивания пленки

на поверхности металла в зависимости от количества пробегов N

по одному и тому же месту: а -1 - оксидная пленка металла; 2-е 200 раз

более тонкая пленка стеариновой кислоты; б - на поверхности металла

нанесены монослои стеариновой кислоты

Таблица 5.3 Зависимость величины коэффициента трения от силы прилипания и количества слоев стеарата кальция

Таким образом, можно заключить, что коэффициент трения ме­жду твердыми телами зависит от малейших загрязнений поверхно­стей трения и изменения свойств этих загрязнений.

В отличие от жидкостного трения, где смазочный эффект проявля­ется за счет внутреннего трения жидкости, разделяющей трущиеся тела, и от ее вязкости, при граничном трении основное значение приобретает уже не вязкость смазки, а ее химическая активность и способность к проявлению адсорбционного эффекта. В этом случае структура гранич­ных слоев трущихся тел характеризуется как состоянием твердой по­верхности, так и физико-химическими свойствами поверхностного слоя.

Впервые гипотеза об ориентации молекул органических веществ на поверхности раздела фаз была выдвинута Лангмюром и подтверждена

66экспериментами Трийя, показавшими, что полимолекулярный адсорбци­онный слой состоит из ряда слоев, способных скользить один по другому, а в дальнейшем была развита Гарди. В основу этих представлений были положены силы Ван-дер-Ваальса. Рассматривая гомологические ряды парафинов, жирных кислот и спиртов, Гарди обнаружил, что статическое трение с увеличением молекулярного веса уменьшается.

Дальнейшее развитие теории о строении и свойствах граничных слоев жирных кислот смазки получило в работах А.С. Ахматова. Он рассматривал ориентированные на поверхностях твердых тел молеку­лярные слои органических веществ как моно- или поликристаллические тела, упругость которых возрастает с увеличением прилагаемого к ним давления. В этих условиях за счет зародышевой функции первичного слоя при толщинах пленок 0,05... 1 мкм и менее скольжение между мо­лекулярными слоями прекращается. Для объяснения свойств тонких слоев смазки Б.В. Дерягин ввел понятие маслянистости и эффекта расклинивающего действия тонких граничных пленок.

Жидкие пленки органических веществ, расположенные на по­верхности твердого тела, испытывают воздействие его силового поля и адсорбционных слоев. Разработанная Б.В. Дерягиным теория «метода сдувания» как инструмента для исследования механических и термо­динамических свойств граничных слоев жидкости, и тонкие измерения, выполненные им совместно с В.В. Карасевым, позволили обнаружить отличительные граничные свойства жидкости вблизи границы раздела твердой фазы. Было установлено, что исследуемые ими жидкости мо­гут обладать вблизи поверхности твердого тела как повышенной вязко­стью (например, в пленке сибациноамилового эфира), так и понижен­ной (фталиводибутилового эфира).

Г.И. Измайловой и Б.В. Дерягиным (рис. 5.22) было показано, что при адсорбции поверхностно-активных веществ на поверхности твердых тел меняется величина трения в зависимости от ориентации молекул в адсорбционном слое. При горизонтальной (по отношению к подложке) ориентации молекул наблюдается наименьшее трение. С возрастанием количества молекул поверхностно-активных веществ в адсорбционном слое (при изменении ориентации их молекул от горизонтальной к верти­кальной) в случае наибольшей их неупорядоченности наблюдается наибольшее трение. При последующем увеличении количества молекул адсорбционный слой приобретает преимущественно вертикальную ори-

ентацию - трение уменьшается и с последующим увеличением количе­ства молекул оно не меняется.

Г.И. Фукс, исследуя влияние поверхностно-активных присадок на смазочную способность масел, установил, что граничные свойства таких жидкостей проявляются уже при толщинах слоя 0,3...0,4 мкм. При боль­ших толщинах слоя смазка ведет себя как обычная вязкая жидкость.

Боуден и Тейбор показали, что теория Гарди о влиянии на тре­ние чисто физической адсорбции жирных кислот справедлива лишь для трения, осуществляемого при небольших давлениях и скоростях скольжения тел. При более тяжелых режимах трения (и температурах) происходят также и процессы хемосорбции с образованием на по­верхностях трения металлических мыл.

Исследуя фрикционные свойства нефтяных масел, Г.В. Виногра­дов установил, что на смазочное действие масел очень важное влияние оказывают процессы, связанные с образованием в масле продуктов окисления, являющихся главными источниками питания поверхностей трения кислородом, необходимым для образования оксидных пленок. Важное значение на смазочное действие масел оказывают и процессы, связанные с модифицированием поверхностей трения металлов.

Рис. 5.22. Зависимость коэффициента трения от концентрации и характера ориентации поверхностно-активных молекул смазки

на поверхности трения

Поверхности твердых тел, находящиеся в реальных условиях, почти всегда подвержены механическому, химическому и адсорбцион-

ному воздействию. Если предположить, что твердым телам не присуща неоднородность свойств поверхности и на них всегда имеются дефек­ты, то в таком идеализированном случае можно рассмотреть схему ос­новных видов поверхностных слоев на металле, предложенную А.С. Ахматовым (рис. 5.23). На рис. 5.23 представлена первичная объ­емная структура металла 1. Ближе к поверхности находится зона де­формированного металла 2, которая в зависимости от условий работы детали может меняться от единицы микрона до нескольких миллимет­ров (у железнодорожных колес и рельсов). Выше располагается слой окислов металлов 3, толщина которых может меняться от нескольких десятков ангстрем и выше. На них могут располагаться адсорбционные слои газов 4, воды 5 и полярных молекул смазки 6.

Относительно адсорбции молекул газа можно сказать, что для металла вообще характерно растворение газа в кристаллической ре­шетке и адсорбция молекул газа на поверхности дефектов. Адсорбция воды всегда является характерной для тел, находящихся в атмо­сферных условиях. Адсорбция органических же веществ на твердых телах наблюдается только в условиях, когда эти вещества находятся в окружающей среде.

5. 3.

Рис. 5.23. Схема основных видов адсорбционных, окисленных и наведенных трением слоев на поверхности металла

Представленная схема расположения поверхностных слоев на по­верхности металлов, учитывая свойства, присущие реальным телам, весьма приближенная. Кроме того, на распределение адсорбционных слоев на поверхности твердых тел во многом оказывает влияние пре­дыстория событий, сорбционная активность адсорбата и латентный пе­риод, связанный с формированием слоя органических загрязнений.

Вода, попадающая на поверхность твердого тела (металла), спо­собная сложным образом влиять на процессы, происходящие там, и, прежде всего, на характер протекания физической и химической ад­сорбции. Так, если в случае физической адсорбции слой воды, предва­рительно насыщающий адсорбционное поле поверхности тела, затор­маживает адсорбцию поверхностно-активных молекул смазки, вслед­ствие необходимости преждевременной ее десорбции, то в случае хе-мосорбции влияние воды на формирование смазочных слоев проявля­ется иначе. Чаще всего малые количества воды очень сильно влияют на скорость протекания реакции между молекулами жирной кислоты и окисленной поверхностью металла (в том числе и железа). Образую­щийся в результате поверхностный слой металлического мыла во мно­гом способствует улучшению смазочной способности имеющейся там смазки. Это явление зависит от природы оксидной пленки на металле и различия оксидов одного и того же тела. В этих условиях вода благо­приятствует формированию смазочного слоя. В случае же физической адсорбции воды на чистых поверхностях, по мнению Гарди, ее влияние на граничное трение не сказывается.