УДК 621.89
СМАЗОЧНОЕ ДЕЙСТВИЕ ВНЕШНИХ СРЕД В ТЯЖЕЛЫХ
РЕЖИМАХ ГРАНИЧНОГО ТРЕНИЯ
Новгородский Государственный университет имени Ярослава Мудрого
Рассмотрены физические аспекты граничного трения и износа в жидких активных смазочных средах. Показана доминирующая роль масштабного фактора, энергетических и синергетических эффектов и взаимодействий.
В качестве модели граничного трения в тяжелых и экстремальных режимах рассмотрена трибологическая ситуация на фрикционом контакте между инструментом и деформируемым изделием в таких трибологических процессах как ковка, горячая штамповка, прокатка и др. Действительно, граничное трение в этих технологиях реализуется в условиях интенсивных пластических деформаций, высоких контактных температур и напряжений, ударных силовых воздействиях. К смазочным материалам (СМ), применяемым в этих процессах, предъявляются особые требования, основанные на физических представлениях о механизме граничного трения и износа в условиях горячей пластической деформации.
Можно считать общепризнанным [1] ,что решающим фактором при трибологическом анализе фрикционного контакта является масштабный фактор, в соответствии с которым в неоднородной зоне трения можно выделить три масштабных уровня: макроуровень (размерность объекта 10-3 м), мезоуровень (размерность объекта 10-6 м) и наноуровень (размерность объекта 10-9м). Граница между уровнями размыта, но, тем не менее, каждому уровню зоны трения соответствуют специфические закономерности, реакции и явления. Разумеется, присутствует синергизм процессов, протекающих на разных уровнях.
Из положения о многоуровневости зоны трения следует вывод о том, что важнейшим качеством активного компонента СМ является его дисперсность. Наши исследования показали, что дисперсность компонентов касается всех видов смазочных композиций, начиная от водных растворов электролитов и заканчивая твердосмазочными веществами.
Недооценка роли дисперсности исходных компонентов СМ приводит к хаосу в интерпретации результатов трибологических испытаний идентичных смазочных материалов.
Движущим началом всех видов трибоявлений в зоне тяжелонагружаемого граничного контакта является энергия. Однако характер и направленность энерго-энтропийных процессов на каждом уровне существенно различны. Нет оснований утверждать, как это делается во многих исследованиях, что при трении обязательно происходит диссипация энергии, и энтропия фрикционной системы всегда возрастает. Такое утверждение справедливо для макроуровня, частично – для мезоуровня. Но на наноуровне вполне реальны процессы самоорганизации наноструктурных образований и снижения энтропии системы. Основываясь на общих незыблемых принципах термодинамики неравновесных систем, анализ термодинамической ситуации на конкретном фрикционном контакте нужно проводить на каждом масштабном уровне.
Важнейшим энергетическим параметром трибоявлений в смазочной среде является энергия активации тех или иных реакций [2,3]. Можно утверждать, что практически все процессы в зоне трения и износа энергоактивационны. Активационными факторами являются волны упругих и пластических напряжений, температурные градиенты, эмиссия электронов со свежевскрытых поверхностей, каталитическое действие твердых поверхностей и продуктов деструкции смазочных материалов (в частности, свободных радикалов). Кинетика активируемых в зоне трения реакций должна изучаться отдельно на каждом масштабном уровне. Известно, что адсорбция молекул из газовой фазы происходит практически мгновенно [4], все реакции на наноуровне протекают со сверхвысокими скоростями, в то время как на макроуровне скорости химических процессов вполне конкретны.
Можно предсказать наличие взаимовлияния (синергетического и антагонистического) процессов и реакций, протекающих на разных масштабных уровнях. Иначе говоря, весьма вероятен энергоинформационный обмен между масштабными уровнями зоны трения. Отталкиваясь от работ Пригожина и др. [5], показавшего возможность адаптации физико-химических процессов к окружающей среде, можно предположить, что в граничных смазочных слоях могут протекать процессы самоорганизации под влиянием энтропийной информации. В этом случае можно говорить об «интеллектуальных» смазочных материалах.
В таблице 1 приведена сводка причин трибологических реакций при трении в активных смазочных средах и вероятный масштабный уровень их проявления. Нужно отметить, что выделение масштабного уровня проявления той или иной реакции носит дискуссионный характер.
Таблица 1
Причины триботехнических реакций
№ п/п | Причина реакций | Масштабный уровень проявления |
1 | Упругие напряжения | Макро |
2 | Пластические напряжения | Макро, мезо |
3 | Колебательные состояния в равновесии (горячие точки) | Макро, мезо |
4 | Колебательные состояния в неравновесной системе | Мезо |
5 | Трибоэлектронная эмиссия | Нано, мезо |
6 | Трибоэлектрическое возбужденипе | Мезо |
7 | Трибокатализ | Нано |
8 | Миграция дефектов решетки, структурные эффекты | Мезо, нано |
9 | Нарушение поверхности | Макро, мезо |
10 | Образование свежей поверхности | Мезо, нано |
11 | Трибоплазма | нано |
Большой интерес представляет процесс образования трибоплазмы. В момент удара частицы о поверхность твердого тела (при трении – соударение микрошероховатостей поверхности) в области контакта в зоне сублимикроскопической деформации происходит квазиадиабатическое аккумулирование энергии, и появляются «сгустки энергии» (рис.1). На очень короткое время образуются высшие возбужденные состояния, значительно ослабляется решетка, возникают разрушения структуры, связанные с выбросом из нее атомов и электронов, также с возбуждением фотонов.
Рис. 3. Модель трибо-плазмы, проявляющаяся при столкновении микрочастицы с твердой поверхностью:
1 – экзоэмиссия электронов; 2 – неискаженная структура; 3 – плазма;
4 – разупрочненная структура
Трибоплазма возникает на столь короткое время, что распределение Максвелла-Больцмана по энергиям не успевает установиться. Поэтому не имеет смысла говорить о равновесных температурах, и химический процесс, протекающий в возбужденной фазе, нельзя описать законами равновесной термодинамики.
Превращения в трибоплазме имеют стохастический характер. В процессе релаксации трибоплазмы возникает множество физических процессов, которые инициируют различные химические реакции. Можно ожидать, что следствием некоторых таких реакций явится образование наноматериалов и наноструктур на поверхностях трения. Как известно, сегодня основным способом получения наноуглеродных материалов (фулереновой сажи) является плазменный. Если предположение подтверждается, то перед трибологией граничного трения откроются совершенно новые горизонты.
Развивая выдвинутую концепцию, рассмотрено влияние как индивидуальных физико-химических свойств смазочных материалов, определяемых стандартными общеизвестными методами, так и их контактных свойств, проявляющихся при взаимодействии с трущимися поверхностями (табл.2) на разных масштабных уровнях.
Таблица 2
Роль индивидуальных и контактных свойств смазочных материалов на разных масштабных уровнях зоны трения
Масштабный уровень зоны трения | Индивидуальные физико-химические свойства смазочных материалов | Контактные свойства смазочных материалов |
Макро | Плотность, вязкость, поверхностное натяжение, PH (для водных растворов), электропроводность, диэлектрическая проницаемость, теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность | Краевой угол смачивания растекаемость, коэффициент теплоотдачи, охлаждающая (теплоизолирующая) способность, толщина исходной смазочной пленки |
Мезо | Испаряемость, растворимость газов, микрореологические свойства (пьезокоэффициент вязкости), химический потенциал | Микрокапиллярные свойства, свойства граничных смазочных слоев (толщина, прочность сцепления с подложкой, прогностные характеристики), адсорбционная и хемосорбционная активность, энергия активации образования химически модифицированных слоев |
Нано | Дисперсность исходных нанокомпонентов | Наноструктура субтонких слоев на границах раздела фаз, энергия активации химических модифицированных слоев. |
Из таблицы следует, что стандартные физико-химические свойства в полном объеме проявляют себя на макроуровне. На мезоуровне существенную роль играют единичные свойства смазочных материалов, а на наноуровне их влияние сводится к минимуму. На наноуровне на трибопроцессы влияет в основном дисперсность исходных компонентов смазочного материала. Они должны быть тоже нанодисперсны. На наноуровне сокращается роль и контактных свойств смазочных материалов. Здесь вступает в силу иные, чем на макроуровне, закономерности. Поэтому обречены на провал многочисленные попытки прогнозировать эффективность смазочных материалов при тяжелых режимах граничного трения по их физико-техническим свойствам. Без учета мезо - и наноэффектов и явлений предсказать влияние смазочного вещества на основные триботехнические показатели (коэффициент трения, интенсивность износа, противозадирная способность и др.) невозможно.
Выше изложенные физические аспекты влияния СМ на трибологическую ситуацию позволяют качественно объяснять многие экспериментально наблюдавшиеся эффекты, в частности, эффекты синергизма химически-активных присадок к смазочным маслам. [4]. Синергизм проявляется в результате взаимовлияния процессов энергоинформационного обмена на разных масштабных уровнях зоны трения. Тщательный анализ физико-химических трибоактивируемых реакций на каждом уровне позволит разработать новые инновационные смазочные композиции для процессов горячей пластической деформации металлов.
Литература
1. , Петроковец и износ, смазка. – М: Физматгиз, 2004. – 368с.
2. рибохимия. – М.: Мир, 1987. – 582 с.
3. , Кузьмин -энергетические модели надежности материалов и деталей машин. – СПб.: Издательство АТРФ, 2006. – 608с.
4. Бердичевский -охлаждающие технологические средства для обработки материалов. Справочник. – М.: Машиностроение, 1976. – 224с.
5. , ермодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации. – М.: Мир, 1973. – 468с.
173003, Великий Новгород, , т. 8 (816-2) 62-66-14
e-mail: *****@***ru
