Задачи по химмотологии и физикохимии Горюче-смазочных материалов (стр. 2 )

поверхностей при трении

Износ – процесс разрушения поверхностных слоёв трущихся тел, приводящий к уменьшению размера тел в направлении перпендикулярном к поверхности трения. Интенсивность износа зависит от свойств материала пары трения, технологической подготовки трущихся поверхностей и их качества, а также от условий эксплуатации: нагрузка, температура, скорость скольжения или качения, смазка и др. Механизм разрушения поверхностей трения бывает различным.

По характеру промежуточной среды между трущимися телами различают износ при трении без смазки, износ при граничном трении, когда на поверхности тел имеются адсорбционные смазочные слои и износ при наличии абразива.

По характеру деформирования поверхностного слоя трущихся тел различают износ при упругом контакте, пластическом контакте и при микрорезании.

Для характеристики вида износа целесообразно применять три определения, например: усталостный износ при граничном трении и упругом контакте. При постоянных условиях трения имеются три основных стадии процесса изнашивания: приработка, период установившегося режима, катастрофический износ.

Следует подчеркнуть, что при любом виде изнашивания в зоне трения происходит химическое взаимодействие металла со средой.

Довольно распространённым для железнодорожного транспорта является изнашивание пары медь–графит. Скользящие электрические контакты используются в тяговых двигателях электровозов, тепловозов и мотор-вагонных секций. В указанных системах происходит сухое трение в специфических условиях протекания электрического тока через зону контакта. Существенную роль в сухом трении играют окислительные процессы.

Известно, что медь образует два оксида. Причём сопоставление энергии Гиббса при образовании CuO и Cu2O (ДG0CuO = -127,0 кДж/моль; ДG0 =  = -150,7 кДж/моль) показывает, что Cu2O более устойчив и образование оксида меди (I) в трибохимических реакциях является термодинамически наиболее вероятным. Следовательно плёнка, возникающая на медной поверхности, состоит в основном из Cu2O.

Толщина оксидного слоя на меди обычно не превышает 0,1 мкм. Электрическое сопротивление оксидов CuO и Cu2O равно соответственно 0,01–0,1 и  1–70 Ом∙м. Такие плёнки осуществляют полную изоляцию при малых напряжениях порядка 0,01 В. В то же время Cu2O обладает полупроводниковыми свойствами, и ширина запрещённой зоны составляет 3,1 эВ. Следовательно, даже при малых напряжениях в 1–3 В происходит электрический пробой плёнки.

Из нашего повседневного опыта известно, что электрические контакты в процессе работы разогреваются, т. к. велико переходное сопротивление контакта при образовании оксидной плёнки, поэтому электрические контакты приходится периодически зачищать для удаления оксидной плёнки.

Разогрев металла в контактах с большой силой тока так значителен, что нередко осуществляется перекристаллизация меди и даже ее плавление на некоторых участках. Этот процесс приводит к изнашиванию с отделением частиц меди из расплавленных микроучастков, что вызывает разрыв контактов и искрение.

Такие явления могут рассматриваться как электроэрозионное изнашивание металла. Процесс электроэрозионного изнашивания происходит в три стадии: нагрев точек контакта, образование плазмы в зоне контакта и выброс расплавленного металла. Таким образом, электроэрозионное изнашивание при трении сопровождается комплексом физико-химических превращений.

Задание

Закрытый узел трения находится при атмосферном давлении и повышенной температуре в среде газов, выделяющихся в окислительно-восстановительном процессе, которому подвергается пара медь–графит в электрических контактах, переключателях тяговых двигателей электровозов, тепловозов, мотор-вагонных секциях. Окислительно-восстановительный процесс можно представить следующим уравнением:

        (5)

1 Определите потерю массы меди (в %) по мере изнашивания, если известны следующие данные (табл. 2). Укажите этапы электроэрозионного изнашивания. Какой вид изнашивания преобладает в паре медь–графит? Каковы негативные последствия электроэрозионного изнашивания и меры его предотвращения?

Таблица 2

№	Кр	Температура t, єC	Объём VCO, мл	Первоначальная масса Cu, г
1	35	177	8	50
2	20	277	12	45
3	30	170	7	40
4	28	140	5	53
5	29	150	6	47

2 Решение задачи спланируйте по следующим этапам:

3 Составьте выражение константы равновесия для давлений Kp гетеро-генной реакции (5) и найдите равновесное парциальное давление СО.

4 Найдите массу СО (г), используя уравнение Менделеева-Клайперона:

pV = nRT или pV = ,         (6)

где n – число молей газа;

m и M – масса (г) и молярная масса (г/моль) оксида углерода СО;

V – объём газа, л;

P – давление газа, атм;

T – температура, К;

К – молярная газовая постоянная, равная 0,08206 (л·атм)/(К·моль), если давление выражено в атмосферах.

5 По уравнению реакции (5) с учётом массы СО рассчитайте массу прореагировавшей меди mCu (г).

6 Определите износ меди как потерю массы (в %) по отношению к первоначальной (по данным табл. 2).

3 Термическая устойчивость

твердых смазочных материалов

Твердые смазочные материалы (ТСМ) – порошкообразные или пленочные покрытия, которые наносятся на поверхность трения для уменьшения трения, износа, предотвращения задира, заедания и схватывания трущихся тел.

Твердые смазки применяют в тех случаях, когда смазочные масла и пластичные смазки не обеспечивают нормальной работы механизмов из-за особо тяжелых условий эксплуатации: при низких температурах застывания масел и смазок (от -70 до 200 єС), при высоких температурах, вызывающих разложение и испарение смазок (от 200 до 1000 єС), при больших нагрузках, способствующих вытеканию смазок из узлов трения (до 4000 МПа), в запыленной атмосфере. К этим случаям относятся также условия недопустимости присутствия жидкой фазы, наличие глубокого вакуума (до 1–10 пПа) и воздействия ионизирующего излучения (высокий уровень радиации до 106 Гр), недоступность поверхностей трения для периодического подвода к ним смазочного материала и др.

Необходимость смазывания узлов трения машин и механизмов, работающих в указанных условиях, обусловила потребность в твердых веществах, обладающих смазывающей способностью.

К настоящему времени изучено и используется большое количество природных и искусственных твердых смазочных веществ, которые разделяются на следующие группы:

– структурные смазки, включающие неорганические вещества со слоистым строением кристаллической решетки либо малым сопротивлением сдвигу. В эту группу входят как простые вещества (некоторые металлы и неметаллы), так и сложные, в том числе и природного происхождения: графит, дисульфиды и диселениды молибдена и вольфрама, нитрид бора, хлориды, фториды и иодиды некоторых металлов (CuCl2, AgI, CaF2), тальк, слюда, бентонитовые глины;

– протекторные механические смазки, образующие на поверхностях трения постепенно изнашивающуюся пленку. Такие смазки образуют мягкие металлы с невысокими температурами плавления: In, Pb, Sn, Ca, Zn, Cd, Ga, Ag, Ba и т. п.;

– полимеры: политетрафторэтилен (–CF2–CF2–)n (ПТФЭ), нейлон (–C–(CH2)4–C–NH–(CH2)6–NH–)n, полиэтилен (–CH2–CH2–)n и др.;

– твердые органические соединения: мыла (R–COO)nMe, используемые самостоятельно или образующиеся на поверхности металла при его взаимодействии с жирными кислотами; воски, некоторые пигменты (фталоцианины)  и т. п.;

– вещества, образующие поверхностные пленки на трущихся поверхностях при их химической обработке: сульфиды, хлориды, фосфаты, оксиды и др.

Высокие антифрикционные свойства дихалькогенидов переходных металлов и нитрида бора в значительной степени обусловлены гексагональной кристаллической структурой слоистого типа с весьма малой поверхностной энергией плоскостей базиса (т. е. ряда параллельных плоскостей).

ПТФЭ термопластичен, химически стоек, не смачивается большинством жидкостей, не горюч. ПТФЭ имеет смешанную кристаллическую и аморфную структуру, причем взаимодействие между молекулами в кристаллах осуществляется слабыми Вандер-Ваальсовыми силами, что обеспечивает его высокую антифрикционность. При трении молекулы ПТФЭ переносятся на поверхности трения и ориентируются вдоль направления скольжения. Далее трение происходит между одноименными материалами.

Твердые смазки наносят на поверхность трения механическим способом (натиранием, галтовкой, виброгалтовкой и др.), физическими способами (плазменным, детонационным, вакуумным, ионно-плазменным). Пленки ТСМ слоистой структуры получают на поверхности некоторых металлов IV–VI групп Периодической системы химическим взаимодействием при температурах 800–900 єС с некоторыми веществами (сероводородом H2S и или сероуглеродом CS2). Известен электрохимический метод осаждения на металлы частиц ТСМ из суспензии под действием постоянного электрического тока. Лучшие результаты дает нанесение на чистые фосфатированные поверхности твердых смазочных покрытий (ТЭСП) из суспензии порошкообразных смазок в растворах связующих (фенолформальдегидные, эпоксидные и др. смолы) с последующим удалением растворителя и отверждением связующего при 20–200 єС. В результате образуются пленки толщиной 5–40 мкм.