3.3. Сухое и граничное трение

Внешнее трение твердых тел – сложное явление, зависящее от многих процессов, протекающих на границе раздела в зонах фактического контакта и в тонких поверхностных слоях этих тел при относительном тангенциальном перемещении их. Под силой Трения Т понимают силу сопротивления относительному перемещению твердых тел, направленную противоположно этому перемещению. Силы внешнего трения неконсервативные, т.е. работа сил трения зависит от расстояния, на которое перемещаются тела. Величина силы внешнего трения зависит в общем случае от перемещения твердых тел в тангенциальном направлении, поэтому в зависимости от этого перемещения различают силу внешнего трения покоя, неполную силу внешнего трения покоя и силу внешнего трения движения.

Неполная сила внешнего трения покоя – сила сопротивления движению при малых частично обратимых тангенциальных перемещениях, называемых предварительными смещениями. Неполная сила внешнего трения покоя реализуется в узлах трения, где под действием приложенных к контактирующим телам усилий не происходит их непрерывное скольжение. Сила внешнего трения покоя – значение неполной силы внешнего трения покоя соответствующее максимальной величине предварительного смещения.

Сила внешнего трения скольжения – сопротивление тангенциальному перемещению контактирующих тел, не зависящее от величины перемещения. [8]

Внешнее трение сопровождается интенсивным деформированием поверхностного слоя менее жесткого тела более жесткими внедрившимися микронеровностями. Причем не всякий процесс деформирования поверхностного слоя можно назвать внешним трение а только такой, при котором относительное перемещение твердых тел в тангенциальном направлении не сопровождается нарушением сплошности материала, а деформацией его ниже тонкого поверхностного слоя можно пренебречь.

По кинематическому признаку относительного перемещения различают трение скольжения м трение качения. Очень часто один вид трения сопровождается другим.

Так как внешнее трение обусловлено процессами, протекающими в тончайших при поверхностных слоях и на границе раздела твердых тел в зонах фактического контакта, то сила трения зависит от физико-механических свойств этих приповерхностных слоев. Эти слои отличаются по своим свойствам от слоев, расположенных в глубине [13]. Причиной является то, что силы связи атомов /ионов, молекул/ в поверхностном слое не симметричны и атомы /ионы, молекулы/ не могут занимать положение, соответствующие минимальному значению энергии в объеме материала. Искажение строения приповерхностных слоев появляется также при механической обработке поверхности и в процессе трения под влиянием деформирования этих слоев и изменения температуры. Поэтому внутренняя энергия приповерхностных слоев будет выше, чем у, слоев в объеме металла /материала/.

Атомы /молекулы/ окружающей среды адсорбируются на поверхности твердого тела и в следствии хемосорбции образуют пленки химических соединений с твердым телом. В простейшем случае это: плёнки окислов. Таким образом, в общем случае приповерхностные слои имеют искаженное строение, содержат плёнки окислов и один; по крайней мере на воздухе, монослой адсорбированных паров влаги или газов. Очень часто для уменьшения силового взаимодействия трущихся тел применяют смазку. Таким образом, взаимодействие при внешнем трении происходит не между твердыми телами, а между пленками, покрывающими твердые тела. В зависимости от состояния поверхностей твердых тел принято различать трение без смазки, граничное трение и жидкостное трение.

Трение без смазки – трение двух твердых тел при отсутствии на поверхностях трения, введенного смазочного материала всех видов. Иногда такой вид взаимодействия трущихся тел называют сухим трением.

Граничное трение – трение двух твердых тел при наличии на поверхностях трения слоя жидкости, обладающего свойствами, отличающимися от объемных [8]. Исследованиями Б.В.Дерягина с сотрудниками показано, что обычно при толщине слоя жидкости 0,1 мкм ее свойства отличаются от объемных, поэтому к таким слоям обычные уравнения гидродинамики не применимы.

Под коэффициентом трения скольжения понимают отношение силы трения скольжения к нормальной составляющей внешних сил, действующих на поверхностях трения.

Режим трения в подшипнике скольжения

Рассмотрим условия перехода из одного вида трения в другой в присутствии жидкого смазочного материала. Если количество масла ограничено, но достаточно для образования адсорбированного монослоя и граничной пленки, то при трении первичный слой на вершинах неровностей поверхностей быстро износится, и трение при граничной смазке перейдет частично в трение без смазочного материала. Правда, благодаря подвижности полярно-активных молекул, адсорбированный монослой быстро восстанавливается, но на восстановление граничной фазы за счет передвижения масла из впадин неровностей потребуется относительно значительное время. После восстановления граничной пленки условия трения улучшаются. Это может привести к колебаниям коэффициента трения.

В итоге весь смазочный материал через какой-то период срабатывается. Если же, помимо расхода на образование граничной пленки, имеется избыток масла, который достаточно заполняет впадины неровностей, то он служит для восстановления изнашиваемой граничной пленки. В этом случае трение при граничной смазке устойчиво. С увеличением подачи масла до необходимой для создания гидродинамического эффекта на выступах неровностей поверхностей или на макрогеометрических неровностях сопрягаемых тел трение при граничной смазке переходит в трение при полужидкостной смазке. Последний вид трения вне зависимости от скорости скольжения поверхностей и вязкости смазочного материала присущ всякой паре трения при наличии достаточного количества смазочного материала.

Для конкретности рассмотрим подшипник скольжения. Пусть нагрузка, геометрические размеры, диаметральный зазор подшипника, вязкость смазочного материала сохраняются постоянными. Будем изменять скорость вращения цапфы. При малой скорости скольжения поверхностей гидродинамический эффект их полного отделения не наблюдается, так как масло выдавливается из зазора. Трение только полужидкостное. С увеличением скорости скольжения гидродинамические силы возрастают, и взаимодействие поверхностей снижается, наконец, при некоторой скорости произойдет полное разделение поверхностей и наступит режим трения при жидкостной смазке. Дальнейшее увеличение скорости скольжения приведет к повышению внутреннего трения в слое смазочного материала, и коэффициент трения возрастает. Минимум коэффициента трения соответствует началу трения при жидкостной смазке.

Аналогичное явление будет при изменении вязкости смазочного материала: при малой вязко сти масла жидкостной смазки не будет; но после достижения упомянутого минимума коэффициента трения увеличение вязкости масла повышает сопротивление трению. Противоположно действует удельная нагрузка: при большом давлении на опору условия для жидкостной смазки неблагоприятны, снижение нагрузки до некоторой величины приводит к "всплыванию" цапфы: дальнейшее уменьшение нагрузки сопровождается увеличением толщины несущего слоя смазочного материала и сопротивлению трения. Таким образом, режим трения в подшипнике определяется вязкостью η, скоростью скольжения и давлением p, точнее, фактором .

Наглядное представление об условиях перехода одного режима, трения в другой дает диаграмма Герси, в которой коэффициент: трения ξ связан с параметром /рис.26/. Этот параметр называют характеристикой режима подшипника. На данной диаграмме линия аа, проходящая через точку минимума коэффициента трения, разделяет области трения при жидкостной и других видах смазки. Последняя является областью неустойчивого коэффициента трения. Допустим, что подшипник работает в режиме граничной смазки и по какой-либо причине повысилось давление. Тогда значение уменьшится, и начальная точка на диаграмме переместится влево вверх. Сила Р трения возрастает, температура поверхностей и смазочного материала повысится, вязкость смазочного материала понизится, и сила трения еще более возрастет. При граничной смазке с повышением нагрузки возрастает температура, и граничная плёнка местами разрушается – трение будет происходить без смазочного материала. Линия bb отделяет область трения при граничной смазке от области трения не смазываемых поверхностей. Аналогично можно установить неустойчивость коэффициента трения при снижении скорости в зоне трения при граничной смазке и трения не смазываемых поверхностей и при падении вязкости смазочного материала в случае повышения температуры.

Если же режим трения соответствует точке, расположенной справа от линии аа, то в узком интервале изменения сила трения стабильна. Например, кратковременное нарастание скорости скольжения поверхностей вызовет более сильное тепловыделение; в подшипнике, вязкость смазочного материала уменьшится, коэффициент трения понизится, и характеристика режима восстановится. Своеобразное саморегулирование режима трения при жидкостной смазке обязано изменению вязкости масла с изменением температуры.

Фактор является характеристикой режимов трения при полужидкостной и жидкостной смазке. При других видах трения вязкостные свойства смазочного материала можно не принимать во внимание. Что касается изменения коэффициента трения при малых, близких к нулю, значениях характеристики режима, то в зависимости от материалов деталей и среды кривая от точки, соответствующей коэффициенту трения покоя /скорость скольжения  = 0/, может монотонно убывать либо возрастать и, пройдя через максимум, снижаться вплоть до критического режима /минимального коэффициента трения/.

Диаграмма Герои пригодна также для анализа явлений трения: в подпятниках и парах трения с возвратно-поступательным движением. В этих парах, как следует из диаграммы, на протяжении одного хода возможны различные режимы трения.

В заключение коснемся вопроса о смазывании водой. Молекулы воды гидроксильной группы ОН способны прикрепиться к чистой поверхности металлов, пластмасс и резины. На неметаллах образуется прочный ориентированный монослой. В условиях отсутствия гидродинамического эффекта смазки в парах металл – пластмасса и металл-резина осуществляется смазка водой, В парах металл – металл такое трение быстро переходит в трение смазочного материала.

b

b

a

a

ξ

Рис. 26 Диаграмма режимов трения в подшипнике:

1 – трение несмазанных поверхностей; 2 – трение при граничной и полужидкостной смазке; 3 – трение при жидкостной смазке

Трение качения

Сила трения качения по крайней мере в 10 раз меньше силы трения скольжения. Наличие силы трения качения объясняли раньше скольжением сопряженных поверхностей. Позднее было установлено, что оно влияет на силу трения качения. Сопротивление качению объясняется деформационными потерями в нижележащем твердом теле. При отсутствии пластической деформации трение обусловлено гистерезисными потерями в твердом теле.

Взаимное проскальзывание поверхностей можно представить при рассмотрении качения шарика /рис. 27/. Окружность АВ шарика перемещается посередине канавки, а окружность СД касается ее края. Как видно из рисунка, окружность АВ проходит за один оборот шарика большее расстояние, чем окружность СД. Эта разница и обусловливает скольжение поверхностей трения.

Гистерезисные потери при трении качения поясним с помощью рис.28.

Рис. 27. Шарик, катящийся по канавке.

Рис. 28. Шарик, катящийся вправо по плоскому упругому основанию.

Еще О. Рейнольдс заметил, что когда цилиндр из твердого материала катится по плоской поверхности резины, то при каждом обороте он проходит путь меньший, чем длина окружности: цилиндра. Он предложил, что резина растягивается в точке С по-другому, чем в точках В и Д в результате имеет место, как уже упоминалось, проскальзывание с соответствующим рассеиванием энергии. Из рис 28 видно, что спереди под шариком в точке Е образуется углубление, а сзади в точке А деформационный материал полностью /при резине/, а при металлах частично восстанавливается под действием сил упругости, либо упругого гистерезиса; кроме того, вследствие необратимой пластической деформации силы реакции позади шарика меньше, чем силы давления впереди него. В результате шарик совершает работу деформации.

На поверхностях тел качения, как и при их скольжении, возникают силы сцепления. Адгезионное сцепление незначительно влияет на силы трения качения /наличие граничной смазки почти не сказывается на силе трения качения/, но играет большую роль в изнашивании тел качения.

С помощью метода радиоактивных изотопов доказано, что при качении шарика из сапфира по поверхности меди происходит некоторый перенос металла с дорожки качения на шарик. Если поверхности смазаны олеиновой кислотой, то сопротивление качению шарика не изменяется, однако количество перенесенной меди снижается более чем в 4 раза.

При трении качения в случае твердых тел деформации поверхностей невелики, и окисные пленки, имеющиеся на поверхностях трения, не подвергаются значительным разрушениям. Поэтому скольжение поверхностей происходит не по металлу, а по окислам, которые могут изнашиваться. Это и объясняет влияние скольжения на износ тел качения.

Для приработанного состояния поверхностей по экспериментальным данным сила трения качения

,

где K – константа, зависящая от материала; N – нагрузка на шарик;D – диаметр шарика; п = 1,7 ... 1,85; m = 1,5…….1,6.

Сила трения в подшипниках качения при высоких скоростях зависит от вязкости смазочного материала и не может достигать больших величин. На силу трения в подшипниках качения оказывают влияние вязкость смазочного материала, трение в сепараторе подшипника, размер шариков, шероховатость поверхности и др.

Момент трения в подшипниках качения

или ,

где и  – коэффициент трения при радиальной и осевой нагрузках, отнесенные к диаметру вала d; Q и Т – радиальная и осевая нагрузки.

Сила трения в подшипниках качения увеличивается в случае технологических и монтажных погрешностей, повышенных скоростей и при трении в уплотнениях. Значения коэффициентов трения в различных видах подшипников качения находятся в диапазоне 0,002…0,008.

Трение при граничной смазке

При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины /от толщины одной молекулы до 0,1 мкм/. Наличие граничного слоя или граничной пленки снижает силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в 2...10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.

Все масла способны адсорбироваться на металлической поверхности. Прочность пленки зависит от наличия в ней активных молекул, качества и количества последних. Хотя минеральные смазочные масла являются механической смесью неактивных углеводородов, они, за исключением не работавших сверхчистых масел, всегда имеют включения органических кислот, смол и других поверхностно-активных веществ. Жирные кислоты входят в состав масел растительно-животного происхождения, а также в состав пластичных смазочных материалов. Поэтому почти все смазочные масла образуют на металлических поверхностях граничную фазу квазикристаллической структуры толщиной до 0,1 мкм, обладающую более или менее прочной связью с поверхностью и продольной когезией. При наличии относительно толстой масляной прослойки к между поверхностями трения переход от ориентированной структуру масла к неориентированной совершается скачком.

а)

б)

Рис 29. Схема скольжения тел при граничной смазке:

а) смазка идеальных поверхностей;

б) контактирование реальных поверхностей;

А – участки, воспринимающие нагрузку;

Б – участки непосредственного контактирования или контактирования при твердых пленках.

Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности /стоймя/, что позволяет представить для наглядности граничную пленку в виде ворса /рис. 29./. При взаимном перемещении поверхностей трения "ворсинки" как бы изгибаются в противоположные стороны. На самом же деле происходит сдвиг с перекосом квазикристаллической структуры пленки. Сопротивление ее скольжению в таком состоянии несколько повышено. На восстановление ориентации молекул в прежнее положение перпендикулярно поверхности тел требуется некоторый промежуток времени, иногда относительно большой.

Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при толщине слоя больше некоторой критической величины скользят друг по другу; по нормали к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлением сжатию; ее несущая способность исчисляется десятками тысяч килограммов на 1 см². Деформация сжатия пленки в довольно высоком интервале не выходит за пределы упругости.

Механизм трения при граничной смазке представляется в следующем виде. Под нагрузкой протекает упругая пластическая деформация на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного слоя. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления "пропахиванию" поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и в пунктах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание металлов на микро участках Б /см. рис. 29/. Это вызывает дополнительное сопротивление движению.

Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство "самозалечиваться" при местных ее повреждениях. Эта способность играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания.

Невозобновляемая граничная пленка по мере возрастания пути трения изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты износа и уносится с поверхности трения; происходит сублимация пленки как твердого тела и удаление масла в атмосферу. Окисление пленки способствует дезориентации структуры и разрушению ее.

Вязкость масла не влияет на процесс граничной смазки. Масла с одинаковой вязкостью, но разных марок, имеют различное смазывающее действие. Для оценки поведения масел при граничной смазке еще в 1903 г. было введено понятие масляничности и предложены различные формулировки этого понятия Маслянистость – это комплекс свойств обеспечивающих эффективную граничную смазку. Маслянистость оценивают в основном по коэффициенту трения: чем он меньше, тем выше маслянистость. Делаются попытки количественно оценить ее. Маслянистость характеризует действие смазочного материала применительно к данному сочетанию трущихся материалов.

В 1969 г. Е.В. Дерягин, М.М. Снитковский и А.Б. Ляшенко выдвинули гипотезу о том, что молекулы смазочного материала а граничном слое сгруппированы в домены, Домен олеиновой кислоты в граничном слое содержит около 1400 молекул. Домены формируются электромагнитными силами и как бы копируют кристаллическое строение подложки. Установлено, что граничные слои обладают свойствами полупроводникового элемента.

Добавление в граничные слои смазочного материала и водных растворов поверхностно-активных веществ повышает толщину граничного слоя и способствует уменьшению износа /до двух раз/.

При трении с граничной смазкой износ деталей машин велик. В силу волнистости и шероховатости поверхностей их контактирование происходит на очень малых участках трения; контактные давления имеют высокие значения, и тонкая граничная пленка масла не предохраняет поверхности от пластической деформации, что неизбежно ведет к износу деталей. Это является непреодолимым недостатком граничной смазки.

Эффективность смазочного действия ломимо фактора адсорбции зависит от химического взаимодействия металла и смазочного материала. Жирные кислоты, вступая в реакцию с поверхностью металла, образуют мыла, т.е. металлические соли жирных кислот, способные вследствие свойственной им высокой когезии выдерживать без разрушения значительные деформации. Химическим явлениям принадлежит важная роль в организации смазывающего действия. Это подтверждает то обстоятельство, что инертные металлы и стекло плохо смазываются. Имеются косвенные основания считать, что между металлом и углевородорными маслами протекают реакции, способствующие более прочной связи пленки с основанием. Так, силиконовая жидкость, имеющая высокую вязкость, но не являющаяся активной к металлу и не образующая поэтому защитной пленки на металлической поверхности, не могла быть использована в качестве смазочного материала в подшипниках скольжения.

Опыты со сталью 45 при скорости скольжения 4,5м/с в среде воздуха и аргона при трении без смазочного материала (р = 1МПа) и трении при граничной смазке (р = 3 МПа) показали, что после истирания первичной плёнки интенсивность изнашивания в аргоне превышала более чем в 30 раз интенсивность изнашивания в воздухе, а при граничной смазке в 950 раз [14]. Эти и аналогичные им опыты убедительно свидетельствуют о значительном влиянии кислорода на процесс трения при граничной смазке. По этому вопросу имеется две концепции.

Как предполагает Б.Лунн [7] реакция между металлом и смазочным маслом с учетом роли окружающей среды протекает следующим образом: металл играет роль катализатора или кислородоносителя, вызывая окисление масла с образованием в дальнейшем прочно сцепляющихся с металлом соединений. Эти химические реакции протекают в местах с наибольшими давлением и температурой, т.е. в точках металлического контакта и, особенно на низкоплавкой структурной составляющей, проявляющей более высокую химическую активность. По Г.В. Виноградову смазочное масло играет роль основного кислородоносителя, причем граничный слой образуется и восстанавливается по мере его изнашивания не на самой поверхности, а на субмикроскопической окисной пленке.

В связи с невысокой термической стойкостью граничной пленки, образуемой на металлических поверхностях обычными минеральными смазочными маслами, иногда прибегают к искусственному повышению ее химической активности. Этого достигают путем введения в масла специальных добавок /присадок/, содержащих органические соединения серы, фосфора, хлора или сочетание этих элементов. Вводят также мышьяк и сурьму. Хотя эти присадки и прочно адсорбируются на поверхностях трения, однако им отводится в процессе трения другая роль. В условиях высоких температур, развивающихся на микроконтактах, активное соединение присадок разлагается и, взаимодействуя с металлическими поверхностями, образует пленки сульфида железа, фосфита или фосфата железа, хлористого железа и окисленных хлоридов и т.п. Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Пленка оказывает слабое сопротивление срезу, срабатывается и восстанавливается вновь.

Пленка, образуемая на поверхности стали хлорированными углеводородами, работоспособна до температуры 300...400°С. Выше этой температуры происходит плавление и /или/ разложение. У сулъфидов температура плавления выше, и смазывающая способность сохраняется до температуры 800°С. Ниже критической температуры пленки ведут себя как твердые смазочные материалы.

Очевидно, действие присадок неэффективно, если металл не вступает в реакцию с активной частью присадки. Например, платина и серебро не вступают в реакцию с серой.

Некоторые твердые тела могут производить смазочное действие, организуя и поддерживая режим трения при граничной смазке, Из предыдущего вытекает, что граничная пленка должна обладать высоким сопротивлением продавливанию и низким сопротивлением срезу. Исходя из таких требований, к твердым смазочным материалам можно отнести некоторые тела слоисто-решетчатой, пластинчатой структуры, мягкие металлы и тонкие пленки пластиков.

Из тел слоисто-решетчатой структуры свойствами, необходимыми для смазки металлических поверхностей, обладают графит, молибденит /дисульфид молибдена М₀S2/, сульфид серебра, пористый свинец и дисульфид вольфрама. Остановимся на механизме смазочного действия гранита и молибденита, который, в общем, аналогичен и для других тел подобной структуры.

В кристаллической решетке графита атомы углерода расположены в параллельных слоях, отстоящих один от другого /ближайшего/ на расстоянии 0,34 нм, а в каждом слое они размещаются в вершинах правильных шестиугольников с длиной стороны 0,14 нм /рис. 30./ Так как сила взаимного притяжения между атомами тем меньше, чем больше расстояние между ними, то связи между атомами в слоях значительно прочнее, чем между слоями. Поэтому при большом сопротивлении графита сжатию перпендикулярно слоям /плоскостям спайности/ сопротивление срезу параллельно слоям мало. Если учесть, что незакрепленные агрегаты пластинчатых кристаллов располагаются на металлической поверхности плоскостями спайности, то образовавшийся граничный слой из цепочек, нормальных к поверхности, обладает качествами

Сильная связь

Рис. 30. Кристаллическая структура графита.

Слои плотно упакованных атомов углерода разделены большими расстояниями

/прочностью и сопротивлением деформации/, характерными для граничных слоев, образованных смазочными маслами.

Твердость графита в направлении, перпендикулярном плоскости спайности, почти такая же как у алмаза, что дает основание предположить, что соответствующим образом ориентированные частицы графита могут без разрушения внедриться в металлическую поверхность. По-видимому, вследствие этого во всех случаях действия смазки графитом металлический контакт поверхностей трения почти или совсем отсутствует даже при значительной пластической деформации контактирующих поверхностных слоев сдвиги протекают под пленкой смазочного материала или внутри него. Слабое сопротивление графита срезу по плоскостям, параллельным плоскостям спайности, обусловливает при трении послойное скольжение в нанесенных на поверхностях пленках. Коэффициент трения графитированных поверхностей могут достигнуть малых величин /0,03 ... 0,04/.

Приведенное описание не является полным. Некоторые факты не позволяют объяснить смазочное действие графита только слоистой структурой. Так, сила трения при смазке графитом в сухом воздухе выше, чем во влажном; сила трения в атмосфере азота существенно выше, чем во влажном; сила трения в атмосфере азота существенно больше, чем на воздухе, причем в сухом азоте выше, чем во влажном; графит не обладает хорошей смазочной способностью в восстановительной среде смеси газов. Таким образом, наличие пленки влаги или окисных пленок является необходимым условиям для проявления графитом его смазывающего действия. Влага и окисные пленки на металлических поверхностях, образованию которых способствует влага, улучшают адгезию графита к этим поверхностям, без чего прочность граничного слоя недостаточна.

Кристаллическая решетка дисульфида молибдена /рис. 31./ подобна решетке графита: между атомами молибдена и серы имеются тесные связи, в то время как расстояние между слоями атомов серы относительно больше. Благодаря этому дисульфид молибдена можно использовать как смазочный материал как при низких температурах /до – 50°С/, так и в вакууме. При температуре 538°С молибденит превращается в триокись, являющуюся абразивом.

Рис. 31. Структура дисульфида молибдена M0S2. Единичные пластинки состоят из чистого молибдена или из чистой серы, расстояние между ними 0,366 нм и связь относительно слабая 1 – атомы молибдена; 2 – атомы серы.

При наличии на поверхности молибдена влаги сила трения увеличивается. Предполагается, что водяной пар реагирует с атомами серы, что может вызвать коррозию, стальной поверхности.

Кроме тел слоисто-решетчатой структуры, все остальные твердые смазочные материалы образуют граничный слой с необходимыми качествами по сопротивлению сжатию и сдвигу /срезу/, но не имеющий строго ориентированной структуры. Поэтому формально можно было бы возразить против определения трения с твердым /смазочным материалом как трения при граничной смазке. Твердыми смазочными материалами могут быть мягкие металлы, имеющие низкое сопротивление срезу в полезном диапазоне рабочих температур. Для смазки используют твердые пленки свинца, олова и индия.

Механизм действия тонких металлических пленок, нанесенных на твердое основание, по Ф.П. Боудену таков: нагрузка воспринимается через пленку, которая, обладая достаточной прочностью против выдавливания, предохраняет трущиеся поверхности от непосредственного контактирования и взаимного внедрения. При относительном перемещении поверхностей происходит срез в мягком металле. Поскольку сопротивление срезу невелико, а площадь фактического контакта благодаря твердой подкладке мала, то и сопротивление трению также мало. Пленка, нанесенная на мягкую подкладку, значительно деформирующаяся под нагрузкой, вступает в контакт с сопряженной поверхностью на большей площади, что увеличивает силу трения. Поэтому нанесение пленок мягких металлов, к примеру, на оловянный баббит неэффективно; более целесообразно применять их на свинцовистой бронзе и на медных сплавах.

Из мягких металлов в качестве твердых смазочных материалов можно использовать только те, которые не наклепываются в пределах рабочих температур и не образуют хрупких твердых растворов с металлами сопряженных тел. Чтобы металл не наклепывался, его рабочая температура должна быть выше температуры рекристаллизации. У олова, свинца и индия температура рекристаллизации ниже нормальной. Вместе с тем олово, которое хорошо работает как твердый смазочный материал например, между чугунными поверхностями, непригодно для нанесения на свинцовистую бронзу, так как оно диффундирует с поверхности в медную основу бронзы, образуя твердые, выкрашивающиеся из рабочей поверхности кристаллы. Индий, хотя при нагреве и диффундирует в бронзу, соединяясь со свинцом, не образует хрупких соединений.

Нанесенные твердые пленки при многократных взаимных перемещениях поверхностей быстро изнашиваются. Вследствие этого их используют в качестве приработочного покрытия, а при однократном контактировании поверхностей – при глубокой вытяжке металлом.

Смазывание узлов трения металлом может быть осуществлено; при использовании избирательного переноса. В этом случае сила трения может быть уменьшена в 10 раз, а износ полностью устранен. Здесь действует иные силы и принципы: электрические силы, удерживающие пленку в зазоре, отсутствие микронеровностей поверхности, которые утапливаются в пленке и др. Ошибочно полагать, что при смазывании узлов машин металлом углеводородный смазочный материал будет не нужен. Функции его изменяются: он служит в качестве транспорта подачи металла в зону трения участвует в физико-химических процессах на поверхности контакта при образовании металлической пленки. Как и прежде, углеводородная составляющая смазочного материала охлаждает узлы трения и защищает их от коррозии. Эффект ИП по многим принципиальным признакам отличается от трения при граничной смазке, что позволяет характеризовать его как новый вид трения.

Некоторые материалы вследствие обычного металлургического процесса или искусственного пропитывания содержат вещества, способные служить твердым смазочным материалов; например, на приработанной поверхности конструкционного чугуна графит размазывается, образуя граничный слой. Такой же слой создается на поверхностях деталей из пористых антифрикционных материалов, пропитанных минеральными маслами, графитом и дисульфидом молибдена. В более широком понятии граничным смазочным материалом служит также политетрафторэтилен, когда им пропитывают пористые подшипниковые материалы. В свинцовистой бронзе, в твердой медной основе которой вкраплен свинец, последний при скольжении размазывается по поверхности, покрывая ее тонкой пленкой, ига пленка по мере изнашивания сплава возобновляется. Дорожки качения и тела качения подшипника, работающего при температурах выше 300°С, покрывают иногда серебром для предохранения от окисления и для использования в качестве смазывающего материала.

Ошибочно полагать, что сила трения увеличивается за счет износа. Обычно этого не происходит. Если с увеличением износа коэффициент трения повышается, то это результат вторичных явлений, вытекающих из изменения шероховатости поверхности.