7.5. Граничная смазка

В соответствии с международным стандартом ИСО 4378/3 под граничной смазкой понимается такой вид смазки, которому не могут быть приписаны объемные вязкостные свойства смазочного материала и который определяется свойствами граничных слоев, возникающих при взаимодействии материала поверхности трения и смазочного материала в результате физической адсорбции или химической реакции.

Объемные свойства жидкого смазочного материала не проявляются при толщине пленки менее 0,02…0,1 мкм. Наиболее прочные адсорбционные слои на металлах образуют поверхностно-активные вещества (ПАВ), такие как жирные кислоты, их спирты и эфиры, животные и растительные жиры.

Так, например, при толщине монослоя олеиновой кислоты, равным 19,02 , слой смазочного материала может включать 10…50 таких монослоев. Адсорбционные пленки образуются на металлических поверхностях под действием ориентационных сил притяжения Ван дер Ваальса. Молекулы, ориентированные в силовом поле твердой поверхности, занимают стоячее положение (рис. 7.6).

Рис.7.6. Схема формирования адсорбционного слоя

Затем под действием дисперсионных сил образуются следующие слои. Молекулы между собой по всей длине находятся под действием поперечных (дисперсионных) сил. Таким образом, мультимолекулярный слой приобретает квазикристаллическую структуру комплекса жидких криталлов, обладающего свойствами квазитвердого тела с высоким модулем упругости рис.7.7.

Рис.7.7. Схема структуры граничного смазочного слоя

на поверхности металла:

А - поликристаллическая поверхность металла;

Б - поликристаллическая зона граничного слоя;

В - монокристаллическая зона граничного слоя

Так, модуль упругости молекул жирных кислот достигает Е=3,5…5 ·10⁵ МПа, а мультимолекулярные слои выдерживают нагрузку до 100 МПа.

С другой стороны, монослои связаны между собой слабыми дисперсионными силами Ван дер Ваальса, что является причиной легкого скольжения между контактирующими адсорбционными пленками при граничном трении (рис.7.8).

Рис.7.8. Схема скольжения граничных слоев,

построенных из цепных макромолекул

В результате химических реакций жирных кислот с металлической поверхностью образуются мыла, снижающие трение. Наиболее активны медь, кадмий, цинк, магний, в меньшей степени железо, алюминий.

Прилегающий к твердому телу монослой образует химические связи с поверхностью металла с образованием химически модифицированных слоев при наличии таких химически активных элементов, как S, Cl, P. В этом случае образуются модифицированные слои, состоящие из соединений железа с S, Cl, P. Модифицированные слои не только обеспечивают снижение трения, но и являются более активными адсорбентами.

Модифицированные слои повышают износостойкость, так как в процессе трения разрушается не сам металл, а менее прочный модифицированный слой, существенную долю в котором составляет активный элемент присадки. В результате этого вместо интенсивного изнашивания металла происходит потеря массы присадки, воспроизводимой из смазочного материала.

Эффективность присадок, содержащих Cl, начинает проявляться при температуре 100…150°С. Сульфидные пленки эффективны при более высоких температурах, но коэффициент трения несколько выше. Самый высокий коэффициент трения имеют фосфидные пленки, но они обладают высокой износостойкостью. Поверхностно-активные вещества в результате миграции по поверхности могут проникать в микротрещины, вызывая адсорбционное пластифицирование (эффект Ребиндера) и, как следствие, разрушение тонкого поверхностного слоя. Если такой процесс локализуется на микронеровностях, то происходит их сглаживание, идет процесс приработки и улучшения смазывания поверхностей.

Рис. 7.9. Схема адсорбционно-расклинивающего действия

полярных молекул смазочного материала:

F – давление адсорбированого слоя; Q – расклинивающие силы

При высоких нагрузках процесс разрушения поверхностей проникает на большую глубину и граничные слои ведут себя не как смазочные, а скорее как режущие.

При граничной смазке проявляется еще один эффект – “эффект Дерягина”, когда ориентированные граничные слои способны оказывать расклинивающее действие, выражающееся в сопротивлении слоя смазочного материала утоньшению под действием нагрузки (рис.7.9).

Значительное влияние на прочность граничного слоя оказывает температура. Повышение температуры приводит к резкому возрастанию силы трения и повреждению поверхностей, свидетельствующее о разрушении граничного смазочного слоя, т.е. о дезориентации и десорбции молекул ПАВ.

Повышение температуры в присутствии химически активных добавок в смазочном материале интенсифицирует процесс образования химически модифицированных слоев, обеспечивающих снижение трения и износ. Дальнейший рост температуры ведет к разрушению модифицированных слоев, следствием чего является адгезионное изнашивание.

Разрушение граничного слоя может вызываться и пластической деформацией поверхностей в сопряженном контакте.