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

Остановимся еще на одном важном вопросе - явлении переноса

экспериментального характера. Эти трудности значительно возрастают, когда приходится определять весьма малые количества перенесенного материала как в виде тончайших сплошных пленок, так и в виде дискретных следов, а применение радиоактивных изотопов нежелательно.

Установленные особенности возникновения экзоэлектронной эмиссии при трении [109, ПО] позволяют применить этот метод для изучения переноса материалов на рабочие поверхности. Речь прежде всего идет о том, что для возбуждения экзоэлектронной эмиссии с поверхности трения дополнительно необходимы кванты подсветки, энергия которых существенно отличается для различных металлов и может быть выде ­ лена из спектра с помощью набора светофильтров. Так, например, конструкционные стали эмиттируют экзоэлетроны при освещении ртут ­ ной лампой через фильтр УФС1, алюминий требует видимого света (фильтр БС12), а медь - УФС2,

Если на стальное кольцо 2 (рис. 28) с медного контротела 1 пере ­ носятся при трении без смазки атомы меди, то, применяя фильтр УФС2, можно зафиксировать экзоэмиссию только с атомов меди, но не с д е ­ формированной трением поверхности стали, требующей более коротковол­ новой ультрафиолетовой подсветки. Возникновение экзоэлектронной эмиссии с атомов меди и алюминия, перенесенных с контртела на стальную поверхность вращающегося кольца, показано на рис. 51. У в е ­ личение эмиссионного потока в данных условиях отвечает накоплению меди или алюминия на поверхности трения стального кольца, что м о ­ жет быть использовано при соответствующей тарировке для определе­ ния степени ее покрытия в процессе переноса при трении без смазки.

Подобная методика позволяет проводить исследования и с твердыми смазка"ми, если их составляющие [285] способны излучать экзоэлект - роны, а также определять эффективность применения пакетных подшип­ ников скольжения [286 ] . Описанный нами метод может быть применен и для изучения избирательного переноса меди в глицериновой среде [284 , 287], однако не в динамике трения, а после его прекращения и обезжиривания рабочих поверхностей. Глицериновое масло,так же как и любая другая жидкая фаза, покрывающая поверхность трения, экра ­ нирует экзоэлектронную эмиссию.

В связи с рассматриваемым явлением переноса металлов при трении интересно остановиться и на субатомном механизме изнашивания, про­ исходящем в микроповерхностном слое деталей машин [288], Авторы

111

Рис. 51. Перенос апюмішня (1) и меди (2) на поверхность об­ разцов из стали 45 при трении

веса стабильных конфигураций у атомов обоих сопряженных металлов, обладающих различными энергетическими характеристиками, т.е. ког ­ да одно тело является акцептором, а другое донором. Если же оба

из-за минимального нарушения электронного строения внешних элект­ ронных оболочек атомов металла, а во втором - вследствие создания слоя взаимно отталкивающихся электронов между двумя трущимися деталями. В результате применения материалов с повышенной донорной способностью (но при близких значениях этой характеристики) возни­ кает "электронная смазка" , которая уменьшает износ при трении сколь­ жения без жидкой смазки. При наличии жидкой смазки наименьший по ­

фигурациями и характеризуются незначительной передачей нелокализованных электронов от одного элемента к другому.

бодная энергия, что в конечном итоге определяет характер протекания

са материала при трении, представляют большой интерес. При дальней­ шем развитии этих работ возможно использование и экзоэлектронной эмиссии, которая поможет глубже разобраться в природе наблюдаемых явлений.

Выше было показано, что экзоэлектронная эмиссия чувствительна к изменению состояния поверхностных слоев, формируемых под воздей­ ствием силовых факторов трения. Эта особенность экзоэмиссии может быть, с нашей точки зрения, использована для определения степени улучшения свойств рабочих поверхностей при упрочнении трением или

112

критической приводит к резкому ухудшению эксплуатационных свойств деталей машин и особенно их усталостной прочности и износостойкости.

инструмента. Очевидно, критерием перенаклепа должно быть изменение

обезжириванием участков их упрочняемой поверхности, если применя­ ется смазка.

473 8

-U5 -

Глава ѴЛ.

ЭКЗОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ II ОКИСЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ

Вопросы окисления поверхностей трения находятся в центре внима­ ния многих исследователей [ 1 , 3 , 217 , 292]. Наиболее существенные результаты в этом направлении достигнуты в основном в последние годы.

менное протекание микропластической деформации и диффузии кисло­ рода в пластически деформируемые объемы металла приводит к образо­ ванию особого вида вторичных структур с локализацией разрушения в

тончайших поверхностных слоях. Физико-химическое взаимодействие метал ­ ла с кислородом воздуха или с агрессивными компонентами смазки резко активизируется под воздействием силовых факторов трения. При

Однако в жидкой смазке содержится достаточное количество кисло­ рода, способного быстро окислять высокоактивные ювенильные поверх­ ности трения [293, 294]. В этом случае кислород в зону трения м о ­ жет поступать из растворенного в масле воздуха и из продуктов окис­ ления самого масла. Как показано Г.В. Виноградовым и Ю.Я. Подоль­

ком вакууме углеводородные смазки сохраняют работоспособность,так как содержат продукты окисления, поставляющие к поверхности трения кислород в химически связанном состоянии, который участвует затем в химических реакциях с активированной трением металлической по ­ верхностью.

Скорость роста окисных пленок на металле очень высока [ 203 , 294, 295 ] . Достаточно долей секунды для образования пленки толщиной по ­ рядка 10 Я. В динамических условиях трения процесс окисления уско ­ ряется изт-за контактных температур и значительной степени деформации, которая характеризуется повышенной концентрацией дислокаций и ва ­ кансий особенно в поверхностных слоях. При этом граница раздела металл - окисная пленка является барьером для прохождения и р а з -

114

рядки дислокаций. Эффективность этого барьера во многом зависит от параметров решеток основного металла и окисла [296] .

П.В, Назаренко и Ю.И. Короленко [ 297] установили, что окисные пленки толщиной до ЮоХ, выращенные на монокристаллах цинка, не оказывают заметного тормозящего действия на выход дислокаций. Од ­ нако с дальнейшим увеличением толщины пленки возрастает ее способ­ ность блокировать выход дислокаций и затрудняется образование полос

материал от разрушения [296]. Эта особенность определяется сочета ­ нием физико-механических свойств как самой окисной пленки, так и металла, на котором она сформирована. Влияние состава пленок на износостойкость различно, что особенно хорошо подтверждается на примере железа [ 1 , 2, 294j.,TaK, окислы железа F e 3 0 4 и FeO имеют лучшую адгезию к подслою, меньшую хрупкость, твердость и обеспечивают большую износостойкость, чем окись железа F e 2 0 3 , которая образует весьма крупнозернистую и хрупкую пленку , плохо приспособленную к кристаллическому рельефу поверхности трения и фактически являющуюся абразивом [294]. Окисные пленки препятству­ ют непосредственному контактированию металлических ювенильных

1.Методы измерения толщины окисных пленок

Вданном разделе дается представление о всех основных методах измерения толщины окисных пленок на металлах. Желание авторов

не слишком увеличивать объем этой в общем-то вспомогательной час • ти привело к сжатому, почти конспективному описанию. И только те методы, которые, на наш взгляд, лучше всего подходят для исследова­ ния поверхностей трения и позволяют вести непрерывный контроль в динамике процесса, описаны более подробно.

Весовой метод основан на том, что протекание химической реакции на поверхности приводит к увеличению массы образца либо к уменьше­ нию массы неокисленного металла. Используют три варианта измерений.

1. Металлический образец взвешивают до и после окисления. По р а з ­ ности весов, плотности окисла и площади поверхности образца оп­ ределяется толщина окисной пленки.

115

2. Образец на неокисляющейся подвеске прикреплен к весам, и и з ­ менение его веса регистрируется непрерывно. Вместо коромысловых весов можно использовать проградуированные спирали из кварца, пирекса [299] или же горизонтально натянутую кварцевую нить [300], по деформации которых определяется привес образца.

3. Образец взвешивают, окисляют, удаляют с поверхности окисный слой и повторным взвешиванием определяют потерю в весе металла. Определив состав окалины химическим путем, можно рассчитать т о л ­ щину окисла.

ном окислении. Второй метод - взвешивание с непрерывным отсчетом изменения веса образца - дает лучшие результаты при использовании вакуумных микровесов. За отклонением коромысла весов или дефор­ мацией кварцевой пружины можно наблюдать в микроскоп, либо преоб­

вестно под названием эффекта Рассела. Молекулы перекиси водорода являются продуктом катодного процесса восстановления кислорода на окисляющейся поверхности в присутствии адсорбционной пленки влаги. Разработана методика определения количества образовавшихся, выде­ лившихся и восстановившихся молекул перекиси водорода. Зависимость между количеством выделившейся перекиси водорода и количеством о б ­

ности фотоэмульсии позволит расширить круг металлов и их сплавоіз, коррозию которых можно изучать этим методом.

Рассчитав количество молекул окисла по плотности почернения фо­ топластинки, можно оценить толщішу окисной пленки, считая ее р а в ­ номерной по всей поверхности. Сложность заключается в том, что необходимо знать соотношение между истинной и видимой площадями

Кондѵктометрический метод. Электропроводность окислов намного меньше электропроводности металлов. При окислении толщина непрс— реагировавшего металла убывает, его сопротивление растет. Величи - ну сопротивления можно измерить с большой точностью. Метод удо ­ бен для непрерывного исследования окисления. Образцы лучше всего применять в виде тонких лент или пленок на изолирующей подложке.

К сожалению, при комнатных температурах толщину пленок необходимо ограничивать величиной порядка 10 мкм, иначе относительные и з м е -

116

ческого пропускания при окислении. Непрерывный или модулированный световой пучок проходит через пленку металла и попадает на фото­

металла, покрытую диэлектрической (окисной) пленкой, отражается от границ пленка - воздух и металл - пленка. Накладываясь друг на друга, две световые волны создают интерференционную картину, кото­

что показатель преломления окисных пленок на алюминии, магнии, цинке

ные окисные пленки толщиной ~ 5оЯ. Следовательно, этот метод боль­ ше подходит для толстых слоев окалины, образующейся при высоко­ температурном окислении.

Метод, основанный на поглощении Фотоэлектронов в слое окисла. Интенсивность внешнего фотоэффекта на металлах зависит от толщины

Установка для измерения фототока с окисляющихся металлов, опи­ санная в работе [304], очень проста (рис. 52). Источником света я в ­ ляется ртутная кварцевая лампа ПРК-4 со светофильтром УФС1. Свет

117

=6

г

Рис, 52. Схема измерения фототока при окислении металла

ме из оргстекла. Фототок, протекающий через воздушный промежуток образец - сетка, создает падение напряжения на высокоомном сопро­ тивлении. Регистрирующим прибором служит самопишущий потенциометр ЗППВ - 51 . Промежуток времени между зачисткой образца и началом

фотоэлектрическим методом (30 сек. до начала регистрации). Толщина окисла во втором случае больше, так как зафиксированы важные первые минуты окисления. Измерения окисных пленок по поглощению фото­ электронов просты, надежны, обеспечивают высокую точность. Крайне

при увеличении толщины окисла значительно изменят величину кванто­ вого выхода. Тогда величина фототока будет зависеть от двух факто­

слабые изменения работы выхода на затухание фототока. Так, на алю­

118

Рис. 53. Рост окисной пленки на алюминии, измеренный опти­ ческим поляризационным мето ­ дом ( 1 ) и по поглощению фо­ тоэлектронов (2)

Врепя, час

ше брать монохроматическое освещение. Но опыты [305] показали, что

Недостатком метода поглощения фотоэлектронов является влияние освещения на скорость окисления [303, 305, 307 ]. Для уменьшения этого влияния приходится уменьшать световой поток, что в свою оче­ редь снижает величину фототока и усложняет его измерение. Несом ­ ненное преимущество этого метода - возможность исследования окис­ ления на ранних его стадиях.

Оптический поляризационный метод, разработанный Друде [308] и

ды. Определяя при сопоставимых условиях•оптические свойства чис ­

широкое распространение. Значительный вклад в методику поляримет­ рических исследований окисления металлов и полупроводников внесен Вашичеком [310]. Ряд исследований по изучению окисления оптическим поляризационным методом проведен Т.Н. Крыловой [311] и В.В. Андре­ евой [295, 312 Л

Если луч монохроматического света,, поляризованный в плоскости под некоторым углом к плоскости падения, отражается от металлической поверхности, то две составляющие, на которые он разлагается , претер­ певают различное отставание фаз и уменьшение амплитуд. В результате

чески поляризованным. Отношение коэффициентов отражения этих двух составляющих 2ф и разность фаз между ними А можно выразить

119

через оптические постоянные двух сред у поверхности, от которой про­

от металла света в экспериментальной установке необходимы следующие элементы.

рактеризует относительное изменение амплитуд компонентов света. Ну­ левая установка поляризатора P Q должна быть параллельна плоскости падения.

К о мп е н с а т ор С е н а р м о н а - пластинка толщиной 1/4 Л или 3/4ЛЕсли оси пластинки будут параллельны осям эллипса, то прошедший через нее эллиптически поляризованный свет превратится в линейнополяризованный. Тогда его можно погасить анализатором. При юсти­

зации превращенного линейно-поляризованного света. При установке

Параметры эллиптической поляризации определятся тогда следующим образом:

2у = 2 ( Р 0 - Р) ; А - 270 - 2 ( А 0 - А ) .

120