5.6. Химическое модифицирование поверхности
Из учения о строении и свойствах твердого тела следует, что свободная поверхностная энергия во многом определяет механические характеристики (например, такие, как прочность, твердость, уровень трения и т.п.). Причем между ними существует прямо-пропорциональная зависимость. В силу этого на механические характеристики твердых тел могут оказывать заметное влияние как физические, так и химически адсорбированные вещества.
Тщательно проведенные исследования показали, что энергия взаимодействия между металлическими телами во фрикционном контакте определяется степенью их окисления (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Модели взаимодействия металлических тел во фрикционном контакте
Так, если при контакте в вакууме чисто металлических поверхностей а, например, железа, энергия взаимодействия равняется 410-6 Дж/мм2, то в случае контакта чистого металла с окисленной поверхностью б того же материала она равняется уже 210-6 Дж/мм2, а в случае двух окисленных металлов в – только 0,210-6 Дж/мм2.
Кроме того, у ряда металлов (свинец, медь и др.) коэффициенты трения окислов бывают значительно ниже самих чистых металлов. Для таких тел окисные пленки играют еще и роль защитных средств от холодного сваривания и когезионного вырывания металла при трении. В подобных случаях окисление металлов является фактором, обеспечивающим скольжение и уменьшающим трение и износ твердых тел. Здесь важную роль на работу пары трения оказывает состояние окружающей атмосферы и прежде всего содержание в ней кислорода и паров воды.
Аналогичное защитное покрытие твердых тел может происходить и в случае химического взаимодействия поверхности твердого тела с молекулами, находящимися в маслах и способными легко выделять атомы хлора, серы, мышьяка, фосфора и др. В процессе трения, в результате выделяющегося в контакте тепла, на наиболее нагруженных участках контакта могут образовываться легко деформируемые хлориды, сульфиды, арсениды, фосфориды и другие соединения, существенно снижающие как схватывание и износ, так и трение между телами. Образованию подобных защитных поверхностных покрытий могут способствовать электрохимические и механические процессы, происходящие на границе раздела твердое тело - внешняя среда.
5.7. Эффект п.А.Ребиндера
Помимо действия химических процессов, оказывающих влияние на свойства поверхности и фрикционное взаимодействие между твердыми телами, существует открытое и исследованное П.А.Ребиндером аналогичное смазочное средство, обусловленное чисто молекулярным взаимодействием смазки с твердыми поверхностями, получившее название "эффекта Ребиндера".
Реальные твердые тела имеют как поверхностные, так и внутренние дефекты структуры. Как правило, подобные дефекты обладают избыточной свободной энергией. За счет физической адсорбции молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит снижение уровня свободной поверхностной энергии твердого тела в местах их посадки. Это уменьшает работу выхода дислокаций на поверхность. Поверхностно-активные вещества проникают в трещины и в межкристаллитное пространство, оказывая механическое воздействие на их стенки и, раздвигая их, приводят к хрупкому растрескиванию материала и уменьшению прочности контактирующих тел. И если подобные процессы развиваются только на выступах контактирующих тел, уменьшая сопротивление сдвигу неровностей этого материала, то в целом этот процесс приводит к выглаживанию поверхности, уменьшению удельного давления в контактной зоне и в целом - уменьшению трения и износа трущихся тел. Но если нормальные нагрузки при трении значительно увеличиваются, высокие удельные давления распространяются на всю контурную площадь, разупрочнение материала осуществляется на большом участке поверхности и приводит уже к очень быстрому ее разрушению.
Эффект Ребиндера широко используется как при разработке смазочных материалов (для этого в смазочный материал вводят специальные ПАВ), так и для облегчения деформирования и обработки материала при изготовлении деталей машин (для этого используются специальные смазки и эмульсии в виде смазочно-охлаждающих жидкостей - СОЖ).
Проявление эффекта Ребиндера происходит на самых разнообразных материалах. Это и металлы, горные породы, стекла, элементы машин и оборудования. Среда, вызывающая понижение прочности, может быть газообразной и жидкой. Часто в качестве ПАВ могут выступать расплавленные металлы. Например, медь, выделившаяся при расплавлении подшипника скольжения, становится ПАВ для стали. Проникая в трещины и межкристаллическое пространство вагонных осей, этот процесс становится причиной хрупкого разрушения осей и причиной аварий на транспорте.
Не отдавая должного внимания природе процесса, мы часто стали сталкиваться с примерами, когда аммиак вызывает растрескивание латунных деталей, газообразные продукты сгорания резко ускоряют процесс разрушения турбинных лопаток, расплавленный хлористый магний действует разрушающе на высокопрочные нержавеющие стали и ряд других. Знания природы этих явлений открывает возможности направленно решать вопросы повышения износостойкости и разрушения ответственных деталей и узлов машин и оборудования, а при надлежащем использовании эффекта Ребиндера - повышать производительность обрабатывающего оборудования и эффективность использования пар трения, т.е. экономить энергию.