Пленки на металлических поверхностях

Практически все металлы подвергаются окислению. Металлические поверхности в процессе обработки очень быстро покрываются первичной окисной пленкой. (Несмотря на малую тол­щину, пленка всего в несколько элементарных ячеек кристалли­ческой решетки данной фазы окисла при нормальной температуре приостанавливает дальнейшее окисление.) Разрушение поверхно­стей трения в среде воздуха тоже сопровождается их окислением.

Продуктами окисления могут быть твердые растворы кисло­рода в металле и их химические соединения. Так, железо при нормальной температуре растворяет около 0,05% кислорода, а при 1000°С 0,12%. Если окисление продолжается выше предела насыщения, то из раствора выпадают окислы. Железо с кисло­родом образует три окисла, (представляющие собой фазы в системе) O₂ – Fe с различным типом кристаллической решетки.

Окислы, образующиеся при соединении железа (Fe)cкислородом (О2)	Формула	Свойства
Вюстит	Fе О	Растворим в железе и устойчив при t> 570oC. Еслиt < 570oC, то распадается на магнетит и чистое железо 4FeO=Fe3O4+Fe
Магнетит	Fе3О4	Устойчивые окислы во всем диапазоне температур до точек плавления
Гематит	Fе2О3

Пленка на железе состоит из слоев, расположенных от поверхности внутрь в последовательно­сти, соответствующей убыванию кислорода в окисле. При тем­пературе ниже 570°С пленка может состоять из одного слоя Fe₃O₄, из наружного слоя Fe₂O₃ и следующего за ним слоя Fе₃O₄, или из слоев Fe₂O₃, Fe₃O₄ и FeO, причем распад FeO идет вслед за его образованием.

Скорость образования оксидной пленки на поверхности ме­талла исчисляется долями секунды. Так, для возникновения слоя толщиной 1,4 нм достаточно 0,05 с. С увеличением толщины рост пленки замедляется.

Оксидная пленка находится в напряженном состоянии, испы­тывая растяжение или сжатие в зависимости от соотношения объемов основного металла и образовавшегося на его базе окис­ла. С увеличением толщины пленки возрастают силы упругости в самой пленке и на границе между пленкой и основным метал­лом. При некоторой толщине пленки происходит потеря ее ус­тойчивости, наступают мгновенные смещения, и пленка приобре­тает пористое (рыхлое) строение.

Внешний слой поверхности состоит из загрязнений, попавших на поверхность при обработке, и адсорбированных газов и паров. Толщина этого слоя 0,1 – 2,5 нм. Расположенный под ним слой, возникающий под влиянием атмосферного кислорода, имеет на железе толщину до 5 нм, на стали примерно до 2 нм, на алюми­нии до 15 нм. Толщина граничного смазочного слоя около 20 нм.

[В заключении отметим, что образование оксидной пленки на поверхности детали предотвращает дальнейшее окисление основного металла (положительное свойство), но приводит к появлению напряжений в поверхностном слое, который приобретает пористое строение (отрицательное свойство).]