книги из ГПНТБ / Аксенов А.Ф. Применение авиационных технических жидкостей

женных на претерпевшем фазовые и структурные превращения металле поверхности трения. Химические реакции, протекающие в воне трения и инициируемые трением, называются трибохимиче- -скими.

Поверхностный слой металла после механической обработки де­ тали резанием обладает свойствами, отличными от свойств основно­ го объема металла. Это происходит потому, что механическая обра­ ботка приводит к разрушению кристаллов поверхностного слоя, появлению дислокаций, плоскостей скольжения и других микр'одефектов кристаллической решетки. Неравновесное состояние метал­ ла поверхностного слоя приводит к интенсивному взаимодействию ■его с внешней средой, прежде всего с кислородом. Слой окисла тол­ щиной в 14А образуется на железе за 0,5 сак, на свинце за 0,42 сек, на меди за 1,11 сек. Окисный слой, возникающий под влиянием ат­ мосферного кислорода, имеет на железе толщину до 50,А на стали до 20А, на алюминии до 150А [21].

Неравновесное состояние металла поддерживается в результа­ те упругих и пластических деформаций поверхностного слоя сила­ ми трения. С активированным деформацией металлом взаимодей­ ствуют химически-активные вещества, находящиеся в жидкости.

Кроме указанных процессов, на поверхности металла интенсивно протекают адсорбционные процессы. Наружный слой металла имеет значительное по величине силовое поле межмолекулярных сил [36]. Это поле образуется в результате того, что атомы кристаллической решетки, находящиеся в поверхностном слое (в отличие от атомов в сплошной массе), имеют некомпенсированные связи. В результа­ те у поверхности твердого тела возникает внешнее силовое поле, которое интенсивно взаимодействует с контактирующими с поверх­ ностью молекулами. Другими словами, в поверхностном слое у атомов твердого тела остаются свободные связи, наличие которых вблизи поверхности обусловливает атомное (молекулярное) притя­ жение. Благодаря этому любая внешняя поверхность твердого тела всегда покрыта тончайшей пленкой из веществ, содержащихся в окружающей среде. Явление образования на поверхности твердого тела тончайшей пленки газов или жидкостей называется адсорб­ цией.

Наибольшей способностью к адсорбции обладают вещества по­ верхностно-активные, к которым относятся органические кислоты, спирты, соединения, называемые полярными. Полярные молекулы, обладающие постоянным диполем, попадая в силовое поле, опреде­ ленным образом ориентируются, притягиваясь к твердой поверх­ ности противоположно заряженными концами своих диполей.

На металлической поверхности могут адсорбироваться также и неполярные молекулы. Если неполярная молекула жидкости при беспорядочном тепловом движении приблизится к поверхности, то под действием сильного одностороннего локального поля в моле­ куле нарушается распределение ее зарядов, все противоположно заряженные части будут притягиваться к телу, одноименные — от­ талкиваться. Молекула притягивается к источнику поля, при этом

20

диполь ее увеличивается. Величина такого индуцированного диполя будет тем больше, чем сильнее и легче деформируется даннаямоле­

кула.

Ориентация молекул происходит тем быстрее, чем значительнее их диполь. Постепенно происходит насыщение поверхностей метал­ ла молекулами жидкости. Вслед за образованием моиослоя может происходить дальнейшая ориентация молекул, так как концы моле­ кул монослоя, обращенные к жидкости, также создают силовое по­ ле, хотя и более слабое по сравнению с полем твердого тела. Однако благодаря его правильности, сила этого поля достаточна, чтобы ориентировать второй слой молекул и т. д. Так происходит построе­ ние граничного слоя, состоящего из многих рядов [7].

При определенной толщине граничного слоя дальнейший его. рост, вероятно, должен прекратиться, так как действие силового поля твердой поверхности ослабевает за счет экранирующего влия­ ния близлежащих к твердой поверхности слоев полярных молекул.

Адсорбция не ограничивается внешней поверхностью твердого тела, а вследствие поверхностной подвижности молекул при нали­ чии пористости или дефектов строения твердых тел распространя­ ется и на внутреннюю его поверхность. Этот процесс называется ассорбцией (сорбцией).

Адсорбционные слои на поверхности металла удерживаются очень прочно и их трудно удалить. Следует отметить, что адсорбци­ онное взаимодействие может быть усилено чисто химической связью полярных групп с атомами металла.

Количественно адсорбция определяется как увеличение концен­ трации адсорбируемого вещества на поверхности по сравнению с его равновесной концентрацией в растворе или газовой среде. Ве­ личина адсорбции при некотором значении температуры достигает максимума, при дальнейшем повышении температуры уменьшается.

Адсорбированные частицы совершают тепловые колебательные движения в плоскости соприкосновения, в результате которых неко­ торые из них могут оторваться и вновь перейти в соприкасающуюся с металлом жидкость. Вместе с тем о поверхность непрерывно уда­ ряются новые молекулы и часть их на ней задерживается. Наличие обоих процессов, действующих одновременно, приводит к установ­ лению адсорбционного равновесия. На адсорбционное равновесие, помимо температуры, влияют свойства металла и структура его .

поверхности, природа активных молекул и концентрация их в жид­ кости.

Адсорбция бывает физическая и химическая (хемосорбция). Хемосорбция — насыщение свободных связей поверхностных ато­ мов металла без нарушения их связей с кристаллической решеткой. Подвижность молекул в результате этого сильно ограничивается

[25, 49, 50].

Химическая адсорбция в отличие от физической носит избира­ тельный характер — она протекает с большей интенсивностью в местах нарушения регулярности кристаллической решетки включен­ ными или незаполненными узлами. Как правило, физическая и хи-

21

мическая адсорбция протекают одновременно, но одна из них всег­ да преобладает. При определенных условиях трения физическая ад­ сорбция может переходить в хемосорбцию.

Такимобразом, в результате адсорбции поверхностно-активных и поляризованных неполярных молекул на металлической поверх­ ности образуется граничный слой, т. е. слой с правильно ориентиро­ ванными молекулами. Граничные слои находятся в особом агрегат­ ном состоянии, имея кВазикристаллическую структуру. При некото­ рой температуре пленка квазикрнсталлнческой структуры как бы расплавляется, адсорбировавшиеся молекулы дезориентируются и теряют способность к адсорбции.

На структуру граничных слоев оказывает влияние микрогеоме­ трия поверхности, ее кристаллическая структура, различные меха­ нические включения, содержащиеся в жидкости и присутствующие на поверхности металла вещества (пленки, окислы и т. д.). Свобод­ ная (внешняя) поверхность граничного слоя точно копирует рельеф (профиль) твердой поверхности, и толщина слоя для любого ее элемента остается постоянной.

Критическая толщина граничного слоя, в пределах которой слои при данных условиях сохраняют свойства твердого тела, для высо­ комолекулярных насыщенных жирных кислот на поверхности сталь­ ных деталей может быть равной 0,05—0,10 мм. Она зависит от свойств смазочной жидкости п поверхности [42].

Очень важным свойством граничных пленок является их способ­ ность выдерживать нормальную нагрузку, не разрушаясь. Величина статического давления, урановешивающего внешнюю нагрузку, мо­ жет достигать высоких значений: 100—10 000 кГ/см-. Это давление препятствует контакту деталей механизмов при работе и длитель­ ной остановке, уменьшает силы трения и величину износа.

Характерным свойством граничных слоев является их способ­ ность к тангенциальным скольжениям, благодаря чему значительна снижается сила трения. Граничный слой не только уменьшает мо­ лекулярные силы (адгезионную составляющую силу трения), но и значительно уменьшает механическую составляющую, так как кон­ тактирование поверхностей происходит через граничные слои.

Адсорбированный слой, понижая поверхностное натяжение ме­ талла, облегчает пластическое течение в зернах, расположенных в поверхностном слое. Это действие адсорбированных пленок извест­ но как эффект адсорбционной пластификации (эффект П. А. Ребиидера).

Эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел за­ ключается в том, что поверхностно-активные вещества, взаимодей­ ствуя с твердым телом, могут снизить прочность его во много раз и изменить характер деформирования тонкого поверхностного слоя.. Внешний адсорбционный эффект, пластифицирующий поверхност­ ный слой, обусловлен облегчением выхода дислокаций на поверх­ ность деформируемых тел.

Адсорбируемые поверхностно-активные молекулы, стремясь по­ крыть всю поверхность твердого тела в зоне соприкосновения с ак-

22

тивной средой, проникают и в ультрамикроскопические трещины. Адсорбированный слой своим давлением стремится расклинить эти трещины. Это явление известно под названием адсорбционно-рас- клннивающего эффекта [1].

При упругой, а тем более пластической деформации металла, ■происходящей при трении, в отдельных местах возникают микро­ трещины. Адсорбируясь по их стенкам, активные молекулы произ­ водят расклинивающее, действие, ускоряя разрушение поверхност­

ного слоя металла.

Граничное трение возникает в том случае, когда поверхности трущихся деталей разделены слоем смазки малой толщины — по­ рядка 0,1 мк и менее вплоть до одной молекулы. Смазка в гранич­ ном слое анизотропна — в тангенциальном направлении молекуляр­ ные слои легко изгибаются и при толщине слоя свыше некоторой критической скользят друг по другу, а при действии нормальных нагрузок пленка обладает высоким сопротивлением сжатию.

Механизм граничного трения представляется в следующем виде. Соприкасающиеся поверхностные слои металла под нагрузкой уп­ руго и пластически деформируются на площадках контакта, под которыми следует понимать площадки наиболее близкого прилега­ ния поверхностей, покрытых граничной пленкой смазки, вплоть до мономолекулярного слоя. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивление движению при скольжении складывается из сопро­ тивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической де­ формации, может произойти разрушение смазочной пленки с нас­ туплением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватыва­ ния металлов на микроучастках. Это вызывает дополнительные со­ противления движению.

Благодаря подвижности молекул смазки на поверхности про­ цесс адсорбции протекает с большой скоростью, поэтому масляная пленка может «самозалечиваться» при местных повреждениях. Это се свойство играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания.

Граничная пленка по мере увеличения времени трения изнаши­ вается вследствие адсорбции молекул на продуктах износа и про­ цесса окисления.

Эффективность смазочного действия, кроме фактора адсорб­ ции, зависит от химического взаимодействия металла и смазки в целом. Например, жирные кислоты, вступая в реакцию с поверх­ ностью металла, образуют мыла, т. е. металлические соли жирных кислот, способные выдерживать без разрушения значительные де­ формации [15].

Подтверждением того, что химическим явлениям принадле­ жит важная роль в создании смазочной прослойки, служит то об­ стоятельство, что инертные металлы и стекло плохо смазываются.

23

В случаях когда адсорбционные слои не могут обеспечить на­ дежной смазки (при высоких температурах, больших контактных нагрузках и скоростях скольжения), прибегают к искусственному повышению смазывающей способности, добавляя в жидкость при­ садки, содержащие органические соединения серы, фосфора, хлора или их сочетания. Хотя эти присадки и прочно адсорбируются, на поверхностях трения, им отводится в процессе трения иная роль. В условиях высоких температур, развивающихся на микроконтак­ тах, соединение присадки разлагается и, взаимодействуя с метал­ лической поверхностью, образует пленки сульфида железа, фос­ фита или фосфата железа, хлористого железа, окисленных хлори­ дов и других соединений. Образующиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают силу трения и возможность за­ дира и схватывания поверхностей. Очевидно, действие подобных присадок будет неэффективно, если металл трущейся поверхности химически не взаимодействует с ее компонентами.

При трении металлов в углеводородных средах химическое мо­ дифицирование поверхности происходит также за счет взаимодей­ ствия углеводородов с металлом. Изменение поверхностных струк­ тур в углеводородной среде осуществляется в результате сложной цепи трибохимических реакций, в которых участвует, кроме метал­ ла и углеводородов, растворенный кислород и окислы металлов поверхности детали. Образующиеся в результате этих процессов продукты, снижая силы трения, приводят также' к засорению гид­ росистемы [5].

Многочисленные физические и химические процессы, сопровож­ дающие граничное трение, обусловливают чрезвычайную слож­ ность механизма износа металлов.

В условиях граничной смазки износ металла является резуль­ татом усталостных разрушений рабочего слоя поверхности трения. Этот вид износа называется химическим, так как рабочий слой образуется в результате трибохимических реакций. Интенсивность этого вида износа определяется концентрацией химически-актив- ных веществ в жидкости и условиями трения. Кроме того, в местах разрушения рабочего слоя износ может происходить вследствие микросхватывания участков поверхности, а в' отдельных случаях в условиях неудовлетворительной смазывающей способности жидко­ сти схватывание может происходить на значительной площади трения. Износ в условиях схватывания происходит очень интенсив­ но и, как правило, заканчивается аварией агрегата. В условиях трения, качения, кроме химического вида износа, часто возникает• особый, характерный только для этого вида трения, износ осповид­ ный [24]. Внешним признаком осповидного износа является возник­ новение на дорожке трения единичных или групповых раковин. Скорость образования таких раковин определяется в основном свойствами жидкости, а также условиями трения.

Сложность процессов, обусловливающих износ трущихся по­ верхностей, должна учитываться при разработке методов оценки противоизносных свойств жидкостей в лабораторных условиях..

24

систем.

Большинство применяемых в настоящее время установок и ме­ тодов (рис. 12) позволяют разделить смазочные материалы в том случае, если они значительно различаются по смазывающим свойствам. Наиболее широко распространенной машиной трения является четырехшариковая (рис. 12,г). В машинах этого типа ис­ пытательный узел состоит из четырех шариков диаметром 12,7 мм. Один из них вращается, находясь в контакте с тремя другими, за­ крепленными неподвижно. Таким образом, здесь имеются три точ­ ки контакта вместо линии контакта, имеющейся в других машинах, узлы трения которых представлены на рис. 12, а, б, в, е.

Согласно общепринятой методике, смазывающую способность жидкостей оценивают при максимальной рабочей температуре для данной жидкости. Метод основан на определении коэффициента трения и величины износа шаров с последующим сравнением полу­ ченных данных с аналогичными данными для жидкости АМГ-10, испытанной при 100° С. Во время эксперимента нагрузка на верх­ ний шар меняется от 10 до 70 кГ через каждые 10 кГ. Время испы­ тания составляет 210 сек (30 сек для каждой нагрузки).

Недостатком этой методики является отсутствие показателя ■смазывающих свойств, в котором учитывались бы антифрикцион­

трения и величины износа также является не вполне удачным, осо­ бенно в условиях меняющейся нагрузки. Момент трения отражает процессы, сопровождающие трение, и по его величине трудно опре­ делить режим трения. Более удачным показателем является наг­ рузка заедания (нагрузка, при которой разрушается смазочный

25

Рис. 13. Машина трения для оценки смазывающих свойствтормозных жидкостей:

слой и происходит схватывание трущихся поверхностен). Не зная этого показателя для данных условий испытания нельзя с полной уверенностью относиться как к достоверному показателю н к вели-, чине износа. Величина износа как показатель может быть исполь­ зована в том случае, если режим трения был стабильным и на по­ верхностях трения отсутствовало схватывание. В этом случае по

26

жидкости значительно различаются друг от друга по противоиз-

носным свойствам.

Результат оценки смазывающих свойств жидкостей для тормоз­ ных устройств по этому методу удовлетворительно согласуется с данными стендовых испытаний.

10

27

представления о работе жидкости в любой гидросистеме. Поэтому после лабораторных испытаний смазывающей способности прово­ дят стендовые испытания. Агрегатом гидравлической системы, наи­ более чувствительным к смазывающим свойствам жидкости, явля­ ется насос. Поэтому испытание жидкости в насосе является одним из распространенных стендовых испытаний. Условия испытания при этом выбираются максимально приближенными к реальным рабочим условиям.

После испытания насоса по заданной программе производится его разборка и микрообмер его деталей. Одна из схем стенда пред­ ставлена на рис. 17. . ‘

Рис. 17. Принципиальная схема стенда для испытания жидкос­ тей в насосе:

1 — резервуар; 2 — насос; 3 — предо­ хранительный клапан; 4 — мано­ метр; 5 — холодильник; 6 — электро­ клапан; 7 — дроссель

28

Окончательным испытанием смазывающих свойств жидкостей для гидравлических систем, при котором выявляются действитель­ ные эксплуатационные свойства, является применение жидкости в реальной гидравлической системе.

2. СТАБИЛЬНОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ

\

В процессе эксплуатации жидкость подвергается воздействию кислорода воздуха в присутствии различных металлов при высо­ ких температуре и давлении, проталкивается через тонкие каналы под высоким давлением. Под действием этих, а также и других факторов свойства жидкости не остаются постоянными. Способ­ ность жидкости сохранять свой состав и свойства в процессе рабо­ ты, в условиях транспортировки, хранения и в гидросистеме назы­ вают стабильностью. Изменение стабильности жидкости может произойти в результате окисления составляющих ее компонентов или в результате воздействия повышенных температур, или под воздействием механических сил и гидролиза, а также в результате одновременного воздействия многих факторов. Для удобства изу­ чения и лабораторной оценки условно назвали изменение физико­ химических свойств жидкости по вызывающему эти изменения фактору.

Таким образом, для жидкостей различают химическую и терми­ ческую стабильность, стойкость к механической деструкции и гид­ ролитическую устойчивость.

Химическая стабильность жидкости обусловлена окислением ее компонентов кислородом воздуха, растворенным в ней или контактируемым со свободной поверхностью. Процесс окисления пред­ ставляет собой химическую реакцию между кислородом и органи­ ческим веществом жидкости. Для объяснения механизма окисле­ ния углеводородов используют перекисную теорию акад. А. Н. Ба­ ха, дополненную цепной теорией акад. Н. Н. Семенова [39].

Согласно перекисной теории, при реакции взаимодействия угле­ водорода с кислородом последний присоединяется к окисляемому веществу в виде целой молекулы, образуя перекись. Для образова­ ния перекиси необходимо, чтобы кислород был активирован. А. Н. Бах считает, что активация кислорода, вероятнее всего, про­ исходит путем разрыва одной связи в его молекуле. При этом воз­ никает группа —О—О—, которая легко присоединяется к окисляе­ мому углеводородному радикалу R,' образуя органическую пере­ кись R—О—R, или гидроперекись R—О—О—Н. Таким образом, для начала развития цепи окисления необходимо наличие свобод­ ного радикала, т. е. активной молекулы. Согласно представлениям Н. Н. Семенова, активная молекула после вступления в химиче­ скую реакцию вызывает возникновение новой активной молекулы.. Этот процесс повторяется много раз, до тех пор, пока очередная активная молекула по какой-либо причине не будет выведена из реакции. В результате такой цепи реакций появление одной актив­

29>