книги из ГПНТБ / Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении

Рассмотрим влияние смазки и поверхностно-активных присадок к ней на интенсивность экзоэлектронной эмиссии с образцов после одно­ стороннего трения. Из табл. 5 (левый столбец) видно, что для алюми­ ния применение олеиновой кислоты в качестве поверхностно-активной добавки к инактивному вазелиновому маслу значительно увеличивает эмиссию электронов. Опыты, проведенные в обратной последовательности для исключения влияния временного фактора трения, также подтвер­ ждают этот вывод. Аналогичная закономерность наблюдается и при использовании в виде присадки к маслу октилового спирта.

Экзоэмиссия с деформированной трением поверхности возрастает и для стальных образцов после их трения скольжения в поверхностноактивной среде (табл. 6) . Очевидно, поверхностно-активные вещества как с чисто физической природой адсорбционного пластифицирования, так и с проявлением активированной хемосорбции, изменяя состояние

поверхностного слоя, влияют на интенсивность экзоэлектронной эмиссии.

бавка олеиновой кислоты к вазелиновому маслу изменяет контактную разность потенциалов, снижая работу выхода электронов, причем для образцов реверсивного трения эти изменения существеннее, чем для образцов одностороннего трения.

Так как адсорбционное пластифицирование тонких поверхностных слоев металла приводит к облегченному выходу дислокаций в соседние плоскости и на поверхность, а также к значительному увеличению плот­ ности дислокаций [249], что имеет место и при трении скольжения

туры. Действительно, субмикрорельеф поверхности трения, который об­ разуется на основе дислокационных реакций и складывается из сово ­ купности ступенек выхода дислокаций и вакансий на поверхность метал ­ ла и слабо зависит от микрошероховатости, является основным постав ­ щиком эмиссионных центров.

Этот вывод может быть подтвержден не только установленным уве ­ личением плотности дислокаций при трении в поверхностно-активной среде, но и проведенными [116, 117] исследованиями по зависимости экзоэмиссии от чистоты поверхности. Так, при механической (точение, шлифование, полирование) обработке стали без поверхностно-активной

ем в неполярном инактивном вазелиновом масле при улучшении чис ­ тоты поверхности порядка двух классов. Больший процент изменения эмиссии при трении в поверхностно-активной среде при меньшем пере­ паде в классах чистоты свидетельствует о превалирующей роли микро­

100

зуемых при комнатной температуре, а следовательно, имеющих равно­ весную и почти постоянную концентрацию дефектов для различных ви­ дов механической обработки и шероховатости, показало незначитель­ ное снижение экзоэмиссии при большом перепаде в чистоте поверх­ ности с V 12 до V 3.

Представим приближенно шероховатую поверхность в виде набора не ­ ровностей, имеющих в нормальном сечении форму равностороннего треугольника с углом 2 а при вершине. В этом случае экзоэмиссия должна зависить от суммарной площади боковых граней всех пирамиднеровностей, находящихся перед измерительным окном счетчика. Так как окно счетчика было круглым, то развертка гофрированной поверх­

Формула показывает, что площадь боковых граней микронеровнос­ тей определяется углом a. Если считать, что для реальной шерохо­ ватости при трении со смазкой в пределах нескольких классов угол при вершине микронеровностей не изменяется или изменяется слабо (что бывает на практике), то геометрическая макроплощадь эмиттирующей поверхности будет постоянная и независимая от средней высо ­ ты неровностей R Z , т.е. от класса чистоты. Этот вывод подтвержда­ ется и работами [ 170 , 278], где экспериментально показано, что и з ­ менение шероховатости Н с к от 2,5 до 0,1 мк и различие в способах механической обработки на величину площади неровностей не влияют. Методом осаждения ионов более благородного металла на исследуемой поверхности было также установлено, что степень ее шероховатости не влияет на величину истинной поверхности металлов.

Таким образом, при постоянной макроплощади эмиттирующей поверх­ ности возникает различная интенсивность эмиссии. Это может быть объяснимо доминирующей ролью в эмиссионном процессе не столько мик­ рошероховатости, сколько плотностью дислокаций и вакансий, т . е. суб­ микрорельефом. Вывод о доминирующей роли дефектов структуры в формировании экзоэмиссии по сравнению с шероховатостью поверх­ ности может быть подкреплен и другими нашими экспериментами. Так, на металлических образцах после реверсивного трения без смазки на ­ блюдается [107] повышенная интенсивность экзоэлектронной эмиссии при более грубой чистоте поверхности по сравнению с односторонним скольжением. Если бы влияние чистоты поверхности было основным, то установленная при механической обработке закономерность в сни­

101

103

Но это кажущееся противоречие подтверждает роль дефектов струк­ туры как главных донорных центров эмиссии электронов, которых прн реверсивном трении образуется больше, чем при одностороннем сколь­ жении. Данные по плотности дислокаций и экзоэлектронной эмиссии, полученные в сравнимых условиях одностороннего и реверсивного тре ­ ния без смазки, были приведелы выше.

Повышенная плотность дислокаций в приповерхностных слоях при р е ­ версивном трении и облегченный их выход на поверхность металла бла­ годаря воздействию поверхностно-активной смазки, как это было ранее экспериментально показано [234], предполагают увеличенную интенсив­ ность экзоэмиссии. Проведенные измерения экзоэмиссии на образцах после реверсивного трения со смазкой подтверждают это предположение. Так, из табл. 5 видно увеличение интенсивности экзоэлектронной эмиссии рабочих поверхностей после реверсивного трения в поверхностно-активной среде. Сравнение опытных данных табл. 5 в правых и левых столбцах показывает, что отношение интенсивностей экзоэмиссии при реверсивном трении к эмиссии при одностороннем скольжении Э р / Э 0 уменьшается с применением поверхностно-активных добавок к смазке.

Как показали наши исследования, это является следствием комп­ лексных изменений в свойствах поверхностных и глубинных слоев и объясняется интенсификацией под воздействием реверса [236] эффекта Ребиндера [ 248 ].

Приведем некоторые экспериментальные данные, имеющие отно­ шение к экзоэлектронной эмиссии.

На рис. 46 представлены эпюры внутренних напряжений для одно­ стороннего (кривая 1) и реверсивного (кривая 2) трения колец из стали 45 в среде инактивного неполярного вазелинового масла. Кри­ вые показывают различный характер распределения внутренних на ­

них напряжений. Видно, что кривая 4 лежит ниже кривой 3 односто­ роннего трения, т . е . реверсивное трение в поверхностно-активной с р е ­ де вызывает большие напряжения сжатия, чем одностороннее скольже­ ние. При этом происходит и инверсия кривых микротвердости (рис. 47). Было замечено, что в приработочный период сначала наблюдается бо ­ лее значительное разупрочнение поверхностных и глубинных слоев для

104

zu w

ГлуЬина слон, пк

Рис. 46. Влияние поверхностно-активной смазки на внутренние на ­ пряжения при трении стали 45; скорость 1,5 м/сек; нагрузка 60 кГ

1,2 - вазелиновое масло; 3,4 - вазелиновое масло +2% олеиновой кислоты (2,4 - реверсивное трение; 1,3 - одностороннее трение)

Рис. 47. Влияние смазки на глубину упрочнения стали 45 (Условия трения и обозначения кривых см . на рис. 4В)

шой интерес, так как открывает практическую возможность снятия вред - ного эффекта реверса и позволяет увеличить при помощи поверхност­ но-активных присадок износостойкость подшипниковых узлов, находя­ щихся в условиях реверсивного трения скольжения.

ности дислокаций и износу. Действительно, отношения плотностей дисло­ каций N p / N o внутренних напряжений Op /ст0 (рис . 46), износов Qp./Q и интенсивностей экзоэмиссии Эр/ Э0 (о) приближаются к единице при применении поверхностно-активных присадок к смазке, что объясняется интенсификацией реверсом адсорбционного пластифицирования.

Установленная взаимосвязь [236] позволила разработать [118] экспрессный метод ' определения с помощью экзоэлектронной эмиссии степени воздействия поверхностно-активной смазки на отрицательный эффект реверса. По величине отношения интенсивности экзоэлектронной

105

эмиссии при реверсе к ее интенсивности при одностороннем трении

В свете поднимаемых в настоящей главе вопросов представляет ин­ терес и явление электризации масел при их трении о металлическую поверхность [279, 280] .

Остановимся на некоторых результатах Г.И. Шора и В.Л. Лапина

применена компенсационная схема, в которой усилитель постоянного тока являлся нуль-индикатором. Было установлено, что при вращении

металлических электродов в углеводородных жидкостях возникают доволь­ но высокие значения э . д . с , зависящие от окружной скорости и пре ­

светки в процессе трения на воздухе экзоэлектронная эмиссия, как по ­ казали наши исследования [109], безынерционно прекращается, хотя д е ­ формационные и химические факторы динамики трения продолжают р а з ­ виваться. Очевидно, при трении масел о металлическую поверхность генерируются электроны, но не экзоэлектроны с физической точки з р е ­ ния. Этот вывод может быть подкреплен исследованиями Сэйити Кито-

ма которой представлена на рис. 48. Из емкости 1 диэлектрическая жидкость (керосин) подается в зону трения 2 цилиндрических образцов, омывает их и, приобретая электрический заряд, по металлической труб­ ке 3 попадает в бачок 5 для замера заряда потенциометром 4. Электрон­ ный ток, возникающий при трении, определялся разностью между суммар ­ ным током и током холостого хода. С увеличением нагрузки и скорости

106

Врепя, сек

Рис. 48. Схема измерения электронной эмиссии при трении со смазкой [281]

1 - емкость для жидкости; 2 - узел трения; 3 - трубка; 4 - по ­ тенциометр; 5 - бачок

Рис. 49. Изменение количества электричества при холостом ходе (1) и при трении (2) [281]

электронный ток изменяется по закону степенной функции. Исследования

Нам представляется, что вопрос о физической сущности наблюдае­ мых эффектов электризации жидкостей под воздействием трения [280, 281 ] и их принадлежности к экзоэлектронной эмиссии еще оконча­ тельно не решен и требует дальнейшего экспериментального и т е о ­ ретического изучения.

107

Проведенное исследование позволяет заключить, что после трения со смазкой с последующим обезжириванием образцов с их рабочих по ­

верхностей при соответствующей возбуждающей подсветке возникает э к - зоэлектронная эмиссия, интенсивность которой при всех прочих равных условиях определяется режимами трения скольжения, типом смазки и наличием поверхностно-активных присадок. На основе дислокационных реакций в зависимости от условий трения образуется специфичный с у б ­ микрорельеф, состоящий из совокупности ступенек выхода дислокаций и вакансий на поверхность с локально увеличенной свободной поверх­

ностной энергией. Этот субмикрорельеф формирует физическую ювенильную поверхность и предопределяет интегральный поток экзоэмиссии, подавляя роль макрорельефа от механической обработки. Реверсивность трения и при наличии смазки повышает интенсивность экзоэлектронной эмиссии. Применение поверхностно-активных присадок увеличивает ин ­

ронная эмиссия может быть применена как экспрессный метод для подбора поверхностно-активных присадок к смазкам с целью повышения износостойкости деталей машин реверсивного трения.

Изнашивание и экзоэлектронная эмиссия. Теоретические и практи­ ческие вопросы, связанные с изнашиванием деталей машин, широко о с ­ вещены в литературе, поэтому мы не будем здесь останавливаться на известных закономерностях и сошлемся лишь на наиболее фундамен­ тальные монографии [ 1 - 5 ] , в которых читатель сможет почерпнуть необходимые для него сведения. Однако в научной литературе отсут­ ствуют данные о взаимосвязи экзоэлектронной эмиссии с изнашива­ нием и не определены ее общие закономерности. Это усложняет постав ­

ная эмиссия не только возникает в динамике трения, но и способна затем длительное время существовать после его прекращения. Но так как комплексное сочетание свойств поверхностных слоев во многом определяется ранее действовавшими факторами динамики трения, то в интенсивности эмиссионного потока после трения должна быть скрыта доля информации не только о дефектности структуры, энергетическом состоянии, окислении и т.д., но и об имевшем место изнашивании. К о ­ нечно, эта информация может быть весьма завуалирована последую­ щим окислением, средой и многими другими условиями, формирующи­ ми экзоэлектронную эмиссию, поэтому на первых этапах исследований представляло интерес выяснить хотя бы качественную картину в з а и ­ мосвязи экзоэмиссии с износом.

Так, было установлено, что образцы из различных материалов после реверсивного трения имеют повышенный износ [ 230] и увеличенную ин ­ тенсивность экзоэлектронной эмиссии [107] по сравнению с идентич-

108

ными условиями одностороннего скольжения. Это наблюдается при

шивания возрастает эмиссионный поток с поверхности трения, что особенно контрастно наблюдается при перемене направления скольже­ ния. Если провести сравнение кривых 1 на рис. 50,6 и рис. 37, б, то оказывается, что при непрерывном одностороннем скольжении и з м е ­ няющаяся в процессе трения нормальная нагрузка в общих чертах оди­ наково воздействует на интенсивность изнашивания и экзоэмиссию.

Несколько иначе обстоит дело с силой трения. Сила трения меняет свой знак при реверсе (рис. 50,а,кривая 2), а экзоэлектронная э м и с ­ сия - процесс однонаправленный. Однако обращает на себя внимание общая закономерность увеличения при реверсе абсолютной величины силы трения, интенсивности изнашивания, экзоэмиссии и коэффициента трения. При непрерывном же одностороннем скольжении сила трения (рис. 50, б,кривая 2) увеличивается с ростом нагрузки, а интенсив­ ность изнашивания (рис. 50,6, кривая 1) и экзоэлектронная эмиссия (рис. 37,6, кривая 1 ) падают. Правда, усредненные значения коэффи­ циента трения для данных условий уменьшаются и становятся равными 0,53; 0,49; 0,36 соответственно для участков I , I I , III - (рис . 37,6; 50,6).

С ростом скорости скольжения, если брать установившиеся значения экзоэмиссии начиная с 3-5 мин трения (рис. 31, 32), интенсивность экзоэлектронной эмиссии уменьшается. Аналогичной в общих чертах закономерности подчиняется, как известно [ 1 , 2 ] , и интенсивность и з ­ нашивания.

Для того чтобы возникла экзоэмиссия при трении, необходимы деформация и образование новых поверхностей в виде дислокационных ступенек, микро- и макротрещин, обнажающих ювенильную поверхность, нарушение целостности окисных пленок и пр. Этот многообразный про­ цесс развития новых поверхностей особенно экстремален в приработоч-

109

Рис. 50. Изменение интенсивно­

Приведенные выше наблюдения относятся к трению скольжения без

дить обезжиривание и измерение интенсивности экзоэмиссии, то можно зафиксировать момент стабилизации свойств рабочих поверхностей. В частности, по такой методике было обнаружено явление интенсифи­ кации реверсом [236] адсорбционного эффекта Ребиндера и вскрыта закономерность ускоренной приработки пар трения под одновременным воздействием поверхностно-активной среды и знакопеременных сдви­ говых деформаций. Интересно, что чем быстрее происходит процесс приработки, облегченный адсорбционным понижением прочности, тем выше интенсивность экзоэлектронной эмиссии и короче отрезок вре ­ мени, необходимый для стабилизации ее предельных значений. Таким образом, и в данном случае повышенной интенсивности изнашивания соответствует увеличенная интенсивность экзоэлектронной эмиссии.

По полученным результатам мы, однако, не склонны делать обоб­ щающих выводов. Процесс внешнего трения скольжения сложен, и многообразны явления, его сопровождающие. Достаточно воздействия казалось бы незначительных факторов, как существенным образом ви ­

зусловно, на экзоэлектронной эмиссии. Поэтому для выяснения взаи ­ мосвязи экзоэмиссии и износостойкости необходимы дальнейшие широкие исследования с использованием не только различных типов машин, м а ­ териалов, сред и режимов трения, но и с привлечением" многих совре ­ менных методов физики твердого тела.

110