Трение (стр. 1 из 6)
1 Введение
Тенденции развития современного общества, рыночная конкуренция ставят перед производителем очень сложную задачу: снижения стоимости эксплуатации изделий с учетом обеспечения максимальной безопасности. Основным направлением по улучшению качества изделий с учетом того, что от 80 до 90 % отказов машин, рабочего инструмента и механизмов происходит из-за износа узлов и деталей, становится создание безизносного узла трения. Данная задача решается двумя путями: внедрением более совершенных конструкционных решений и созданием новых смазочных материалов.
На сегодняшний день с учетом развития химии и химической технологии второй путь кажется наиболее перспективным, и необходимо отметить, что многообразие смазочных средств увеличилось по сравнению с 60 годами XX века на несколько порядков.
Одним из важнейших типов смазок являются твердые смазочные материалы: графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, шунгит, диселенид молибдена. Так, графит и дисульфид молибдена используются либо в качестве твердого смазочного материала в чистом виде, либо в виде пластичных смазок, где система загущается мылами, или парафином, или церезином. Однако, несмотря на перспективность использования в качестве антифрикционной добавки к моторным маслам, а также маслам других назначений, они встречаются крайне редко и исключительно в составах зарубежных производителей.
Целью нашей работы являлось изучение физико-химических и трибологических свойств масел с антифрикционными добавками: графита и дисульфида молибдена, с последующим выводом о возможности их применении в различных узлах трения.
2 Обзор литературы
2.1 Трение, изнашивание и износ
В современной механике под трением понимают широкий круг явлений, вызываемых взаимодействием соприкасающихся поверхностей твердых тел при относительном перемещении, а также внутренним движением в твердых, жидких и газообразных средах при их деформации. Однако основные причины, вызывающие трение, в большинстве случаев связаны с поверхностью металла [1]. Поверхность любого твердого тела не бывает идеально ровной, даже самые гладкие металлические поверхности деталей, изготавливаемые с применением особо тонкого шлифования, либо полирования имеют неровности высотой от 0,05 до 0,1 мкм, а наиболее грубые, изготавливаемые фрезерованием от 100 до 200 мкм. Шероховатость и волнистость поверхностей, обусловленные погрешностью при изготовлении деталей, искажением их формы от нагрузки или нагрева, приводят к тому, что две поверхности контактируют на отдельных малых площадях. При относительном перемещении двух соприкасающихся поверхностей в плоскости дискретного касания возникает сопротивление, называемое внешним трением.
Различают следующие виды трения:
– По наличию относительного движения – трение покоя и трение движения;
– По характеру относительного движения – трение скольжения и трение качения;
– По наличию смазочного материала – трение жидкостное, при котором трущиеся поверхности полностью разделены слоем смазки; трение сухое, возникающее в отсутствие смазки между поверхностями; трение граничное, при котором трущиеся поверхности разделены тончайшим слоем смазки толщиной от 0,1 до 1 мкм и находятся под действием молекулярных сил этих поверхностей; трение смешанное, сочетающее условия сухого, граничного и жидкостного трения[2].
Изнашивание процесс отделения материала с поверхности твердого тела при трении и (или) накопления остаточной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Установлено несколько видов изнашивания: механическое, коррозионно-механическое, абразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при заедании, окислительное и электроэрозионное изнашивание.
Износ – это результат изнашивания, определяемый в установленных единицах[3]. В общий износ механизмов свой вносят вклад все виды трения и изнашивания [4].
1.2 Механизм антифрикционного действия смазочных материалов
Антифрикционное действие – это действие материалов, направленное на уменьшение трения и износа.
Механизм действия смазочного материала заключается в разделении сопряженных поверхностей деталей, перемещающихся относительно друг друга, слоем смазки, толщина которой достаточна для уменьшения контакта микровыступов поверхностей. В зависимости от типа разделения поверхностей трения выделяют следующие виды смазывания:
– Гидродинамическая смазка – жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей происходит в результате давления возникающего в слое жидкости при относительном движении этих поверхностей;
– Гидростатическая смазка – жидкостная смазка, при котором полное разделение поверхностей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется жидкостью, поступающей в зазор между этими поверхностями под внешним давлением;
– Газодинамическая смазка – газовая смазка, при которой полное разделение поверхностей трения, находящихся в относительном движении, определяются упругими свойствами материалов поверхностей трения и смазочного материала, а также реологическими свойствами последнего в зоне соприкосновения поверхностей;
– Граничная смазка – смазка, при которой трение определяется свойствами тонкого слоя компонентов жидкостного материала, обусловленными взаимодействиями материала поверхностей трения, смазочного материала и среды;
– Полужидкостная смазка – смазка, при которой жидкий смазочный материал, передающий нагрузку, частично разделяет поверхности трения деталей, находящихся в относительном движении.
Вне зависимости от типа разделения поверхностей, вида смазочного материала механизм антифрикционного действия, представляется как совокупность действия каждого компонента смазочного материала: масла, разнообразных присадок – веществ, добавляемых в незначительных количествах в масла для улучшения или придания новых свойств.
Смазочное действие минерального масла с точки зрения гидродинамической и контактно-гидродинамической теорий смазки связано с его вязкостью, которая должна быть достаточно высокая, незначительно меняясь при измении нагрузки и температуры. Однако оно не обеспечивает эффективного смазочного действия, и уже при невысоких температурах от 20 до 40 оС наблюдается значительный скачкообразный рост коэффициента трения, что свидетельствует о непосредственном металлическом контакте трущихся поверхностей [3]. Поэтому обычно минеральное масло не подвергают высокой степени очистки. В масле остаются технологические примеси: смолистые вещества и органические кислоты. Эти примеси называются поверхностно–активными присадками, по характеру их взаимодействия с поверхностью. Полярные группы этих веществ интенсивно притягиваются активными центрами на поверхности металла. При этом боковые группы соседних молекул также взаимодействуют друг с другом. На поверхности твердого тела образуется молекулярный "ворс". Мономолекулярный слой смазки служит как бы продолжением твердого тела, обладает прочностью и упругостью.
Рис. 1. Мономолекулярный слой ПАВ на поверхности твердого тела.
В реальных условиях обычно возникают не мономолекулярные, а мультимолекулярные ориентированные слои, в которых внутримолекулярное трение приобретает особый характер, заключающейся в том, что трение происходит между отдельными слоями молекул, а не между отдельными молекулами[1,3,4,9,10,17,18].
Различными поверхностно-активными присадками могут быть различные мыла жирных и нафтеновых кислот, жирные амины, амиды и другие соли органических кислот. Введение таких веществ резко снижает коэффициент трения и сдвигает разрушение граничных слоев в область более высоких температур от 140 до 270 оС.
В современных тяжело-нагруженных узлах трения:механизмы-рессоры, подвески тракторов и гусеничных машин, открытые шестереночные передачи, резьбовые соединения и др.–требуется химическое модифицирование поверхности с помощью химически активных присадок.
Вследствие фрикционного разогрева и влиянии силового поля твердой фазы молекулы вступают в химическое взаимодействие с металлом поверхности трения, образуя модифицированные слои, обладающие пониженным сопротивлением и поэтому заметно снижающие коэффициент трения. Разделяя поверхности трения не только слоем ПАВ, но и образовавшимся поверхностным соединением, эти слои предотвращают металлический контакт, и тем самым устраняют адгезионный износ и заедание.
При не высоких температурах до 200 оC химически активные присадки могут обеспечить снижение трения и износа благодаря адсорбционному эффекту, а при температурах превышающих температуру разложения присадки благодаря образованию химически модифицированных слоев.
Все этими свойствами обладают дисперсные системы нерастворимых в масле твердых смазочных материалов: MoS2, WS2, графита, BN, MoSe2, где концентрация добавки не превышает 10%.
1.3 Графит
Графит одна из самых распространенных сухих смазок. Является одной из аллотропных модификаций углерода, обладающей гексагональной кристаллической решеткой, в которой атомы углерода связанные вдоль линий шестиугольников ковалентными силами, а связь между кристаллическими плоскостями, осуществляется за счет слабых Ван-дер-ваальсовых взаимодействий, энергия которых от 3 до 4 порядков ниже, чем у ковалентных. Поэтому сдвиговая прочность графита в направлении, параллельном заполненным атомами углерода кристаллическим плоскостям, намного меньше, чем в направлениях, соответствующих разрыву ковалентных связей.
Рис. 2. Строение кристаллической решетки графита.