Чтение онлайн

Гаркуновым и Крагельским было обнаружено неизвестное ранее явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди в парах трения бронза-сталь деталей самолетов в условиях смазывания их спиртоглицериновой средой и консистентной смазкой ЦИАТИМ-201. Особенностью эффекта было то, что пленка покрывала не только бронзовую деталь, но и сопряженную с ней стальную поверхность. При этом образовавшаяся тончайшая медная пленка снижала износ и уменьшала силу трения в десять раз и более. Явление было названо избирательным переносом металла при трении (ИП), или «эффектом безызносности».

Как уже отмечалось, учеными было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой сервовитной пленки толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

В дальнейшем при анализе условий работы и трущихся поверхностей деталей поршневого компрессора бытового холодильника было обнаружено аналогичное явление в паре трения сталь-сталь. В данном случае это являлось следствием растворения масло-фреоновой смесью медных трубок охладителя, находящихся на значительном удалении от зоны трения.

Сущность ИП, согласно обнаруженному явлению, заключается в том, «.что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного ее переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения.». Это явление первоначально было названо «атомарным переносом». Позднее, в 1968 году, ИП был определен как «.вид фрикционного взаимодействия, характеризуемый молекулярной составляющей силы трения. ИП возникает в результате протекания на поверхности контактирующих тел химических и физических процессов, приводящих к образованию самоорганизующихся систем автокомпенсации износа и снижения коэффициента трения. Для этого явления наиболее характерно образование защитной (сервовитной) пленки, в которой реализуется особый механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам». Название «сервовитная» происходит от латинского servo vitte – спасать жизнь, что подразумевает предотвращение трущихся поверхностей от изнашивания.

Обнаружив необычное явление, но, не имея в то время необходимого инструментального оборудования, ученые не смогли в полной мере объяснить физическую сущность процесса и разработать теоретические аспекты прогнозирования условий, при которых возникает и протекает «эффект безызносности».

Проведенные в последнее время исследования указывают на то, что реальная толщина такой пленки не превышает 1000 А (100 нм), то есть данное явление с полной уверенностью можно отнести к проявлению нелинейных эффектов в наномире. Это незначительное уточнение позволяет объяснить многие процессы избирательного переноса при трении с позиций современной нанонауки и практически реализовать «эффект безызносности» трущихся поверхностей (не только медьсодержащих) с использованием последних достижений нанотехнологии.

Обращаясь за примерами к живой природе, можно обнаружить, что подобные соединения, обладающие высокой самоорганизацией процессов (а вследствие этого практически полной безызносностью), уже давно существуют. Суставы живых организмов десятки лет действуют на принципах, к которым современная наука только приближается, создавая так называемые интеллектуальные самонастраивающиеся подвижные соединения.

Строение сустава живого существа и пары трения бронза-сталь в условиях ИП достаточно близки (рис. 64). В суставе также работают два мягких хряща, покрывающих костную ткань и разделенных полимерной, можно сказать «сервовитной», пленкой. В качестве смазывающей среды выступает синовиальная жидкость.

Рис. 64. Схема работы сустава живого существа: 1 – синовиальная жидкость; 2 – костная ткань; 3 – оболочка сустава; 4 – хрящ с полимерной пленкой

Явление ИП объясняет причину, по которой компрессоры холодильных установок десятилетиями работают в тяжелейших условиях пуска-останова без отказов и, следовательно, без ремонта, да и практически без какого-либо технического обслуживания: в них образуется определенная самоорганизующаяся система, которая регулирует процессы изнашивания и регенерации трущихся поверхностей.

Чтобы теоретически объяснить процесс восстановления трущихся соединений при их непрерывной и длительной эксплуатации, наиболее важен механизм образования сервовитной пленки. Выявлено, что он может идти двумя путями. Первый характеризуется предварительным схватыванием и «намазыванием» медного сплава на поверхность стали с последующим обогащением сопряженных поверхностей трения медью вследствие избирательного растворения медного сплава и «намазанного» слоя с образованием квазижидкой пленки меди на обеих поверхностях трения. Второй путь связан с коррозией медного сплава и последующим атомарным переносом меди. В период намазывания коэффициент трения повышается, а затем (по мере выделения меди) постепенно стабилизируется и начинает уменьшаться, следовательно, схватывания не происходит.

Для образования сервовитных пленок в соединениях, не содержащих медных или других пластичных сплавов (цинка, олова, серебра, золота, палладия и др.), необходимые компоненты должны быть введены в смазочный материал или другие рабочие жидкости, например топливо, промывочные и охлаждающие жидкости.

Одним из главных факторов, указывающих на наличие одновременного протекания при трении трибокоординации и трибовосстановительного распада, который приводит к самоорганизации фрикционной системы (пары трения), является автоколебание концентрации медьсодержащих продуктов в смазочном материале, то есть наличие определенной эволюции процессов в зоне контакта трущихся поверхностей.

В природе существуют фундаментальные явления, процессы, механизмы (на нано-, микро– и макроуровнях), связанные с физикой, химией, энергетикой поверхностей материалов, веществ и частиц. Возник даже раздел нанотрибология, изучающий физико-химические процессы в пределах наноразмеров.

В результате исследований ученых трение теперь представляется не только как разрушительное явление природы – оно в определенных условиях может быть реализовано как самоорганизующийся созидательный процесс, позволяющий разработать новые, ранее неизвестные методы восстановления деталей и технического сервиса машин. К ним, в частности, относятся: технология финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО), методы ускоренной приработки (обкатки) деталей машин и оборудования, безразборное восстановление агрегатов и узлов техники при непрерывной работе и др.

На износостойкость трущихся поверхностей большое влияние оказывает их окончательная (финишная) механическая (абразивная) обработка, при которой уменьшается шероховатость (путем тонкого шлифования, плосковершинного хонингования, суперфиниширования, полирования и т. д.).

Конструкционные материалы, поверхности которых обладали бы одновременно высокими прочностными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, можно получить путем нанесения специальных наноструктурированных покрытий.

Для их нанесения или осаждения существуют различные технологии. В зависимости от комбинации «покрытие-подложка» и условий применения покрытия способы нанесения реализуются с помощью самых разнообразных установок.

В промышленности широко применяется метод фрикционного (с помощью трения) нанесения медьсодержащих покрытий – финишная антифрикционная безабразивная обработка. Покрытия толщиной от 50 до 500 нм из пластичных металлов наносятся в присутствии специальной технологической среды на трущиеся поверхности деталей: коренные и шатунные шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, реборды и поверхности качения вагонных колесных пар, различного вида штоки, пальцы, резьбовые соединения и т. д.

ФАБО используется в целях снижения интенсивности изнашивания, повышения задиростойкости трущихся поверхностей и интенсификации процессов образования защитных пленок в период приработки после изготовления или ремонта изделия. Впервые данный метод нанесения покрытий (фрикционное латунирование) был предложен Д. Н. Гаркуновым и В. Н. Лозовским.

Основные способы ФАБО условно делятся на две группы.

1. Фрикционно-механическое нанесение металлических покрытий инструментом из медьсодержащего сплава (фрикционное латунирование, бронзирование или меднение). Фрикционно-химическое нанесение покрытий в металлоплакирующих средах с различными поверхностноактивными веществами и солями металлов, способными к восстановлению на обрабатываемых поверхностях при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток, тампонов и т. д. из неметаллического инструмента. Фрикционное нанесение покрытий из пластичных сплавов в металлоплакирующих средах.

2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием различными методами.

К разновидностям ФАБО относятся:

• химико-механическое нанесение покрытий (Россия);

• нанесение покрытий трением с применением щеток (ФРГ);

• натирание поверхности латунью (Россия);

• электростатическое нанесение покрытий трением (Швейцария);

• механическое нанесение латунных покрытий трением (механическое латунирование) в среде глицерина (ФРГ, Россия);

• химико-механическое латунирование с применением медьсодержащего вспомогательного материала (ФРГ) и ряд других.

При двух последних методах упрочнение поверхностных слоев объединено с нанесением покрытий трением.

Использование ФАБО имеет следующие достоинства:

• небольшие затраты расходных материалов и электроэнергии;

• стабильно высокое качество покрытия, в том числе и при некоторых отклонениях условий нанесения от оптимальных;

• автоматизация процесса;

• экологическая безопасность;

• высокая экономическая эффективность и др.

Принцип латунирования состоит в том, что натирающий латунный элемент (стержень или трубка), вращаясь относительно своей продольной оси, при достаточно малом усилии нажатия и в присутствии вспомогательного рабочего материала (например, глицерина) натирает слой латуни на подлежащую покрытию стальную или чугунную поверхность. Одновременно происходит поверхностное упрочнение основного материала на глубину 70–80 мкм вследствие высокого давления в месте линейного контакта (рис. 65).

Рис. 65. Схема обработки поверхности детали вращений: 1 – деталь колесная пара; 2 – натирающий инструмент (латунь); 3 – приспособление; 4 – покрытие; Р – нагрузка прижатия; n – подача приспособления

ФАБО осуществляется в присутствии специальных технологических сред. Практически во всех средах используется глицерин, который в результате трибодеструкции (распада под действием энергии трения) на поверхностях контактирующих тел окисляется, превращаясь в глицериновый альдегид, акролеин, формальдегид, глицериновую кислоту и другие продукты с меньшей, чем у глицерина, молекулярной массой.

При фрикционно-химическом нанесении покрытий в металлоплакирующих средах используются различные соли пластичных металлов, например дихлорид меди. В процессе обработки происходит гидролиз солей с образованием кислот.

Образующаяся соляная кислота способствует удалению оксидных пленок, и в результате взаимодействия с оксидами железа на обрабатываемой поверхности формируются защитные слои из хлоридов железа. Происходит восстановление продуктов коррозии и растворение активных металлов и их соединений. Взаимодействие продуктов превращения глицерина и других органических веществ, содержащихся в технологических средах, приводит также к образованию высокомолекулярных соединений и полимеров трения.

При ФАБО на обрабатываемой поверхности формируются равномерные антифрикционные покрытия из пластичных металлов и полимерных цепей. Согласно металлографическим и спектральным исследованиям, структура поверхностного слоя стальной поверхности после ФАБО состоит из четырех основных характерных зон: композиционного (медь, цинк, олово) антифрикционного покрытия, переходной диффузионной зоны, деформированной (наклепанная) зоны и основного конструкционного материала.

В процессе эксплуатации под действием поверхностно-активных веществ, содержащихся в моторном масле, происходит избирательное растворение нанесенного материала с образованием тонких медных покрытий, по своим физико-механическим и триботехническим свойствам близких к сервовитной пленке, характерной для «эффекта безызносности». Сервовитная пленка содержит нанокластеры и нанофазы пластичных цветных металлов.

Для фрикционно-механического нанесения медьсодержащих покрытий на поверхности трения гильз цилиндров и других деталей втулочного типа разработаны специальные приспособления (рис. 66), полуавтоматы, автоматы и станки.

Рис. 66. Нанесение покрытия методом фрикционного латунирования на токарном станке

Рассмотрим режим фрикционной обработки детали прутковым инструментом: окружная скорость поверхности детали – 0,15-0,3 м/с; давление прижатия прутка – 10–50 МПа; продольная подача прутка – 0,1–0,2 мм/об; число рабочих ходов – 1–2.

Нанесение антифрикционных противоизносных покрытий позволяет существенно (более чем в 3 раза) снизить интенсивность изнашивания конструкционных материалов соединения «шейка коленчатого вала – вкладыш» в период приработки.

При приработке поверхностей с нанесенными антифрикционными покрытиями в первый момент идет интенсивная приработка с формированием оптимальной структуры поверхностных слоев.

Температура в зоне трения при наличии антифрикционного покрытия снижается почти в пять раз. Это связано с лучшей теплопроводностью нанесенных покрытий и отсутствием очагов схватывания, так называемых мгновенных температурных вспышек на микроконтактах.

По результатам стендовых испытаний двигателей СМД-62 (мощностью 180 КВт) с гильзами цилиндров и шейками коленчатого вала, обработанными методом ФАБО, получены следующие результаты:

• эффективная мощность возрастает на 8-12 кВт за счет снижения механических потерь на трение и улучшения качества приработки деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма;

• давление масла в главной магистрали двигателя при номинальной частоте коленчатого вала повышается на 25–30 %, что указывает на более качественную приработку вкладышей коленчатого вала;

• износ деталей соединения снижается, в среднем, в два раза.

В ходе эксплуатационных испытаний двигателей, детали которых (гильзы цилиндров, коренные и шатунные шейки коленчатых валов) были обработаны с помощью ФАБО, получены следующие результаты:

• снижение средней интенсивности падения давления масла в главной магистрали дизелей на номинальной частоте вращения коленчатого вала в зависимости от наработки на 12,5 %;

• уменьшение содержания продуктов износа (железа) в пробах масла из картеров двигателей на 34,7 %;

• снижение расхода топлива на 5-10 %, что обеспечивает экономию 0,85-2,6 т топлива в год на один двигатель;

• уменьшение расхода моторного масла в 1,7 раза;

• увеличение межремонтного ресурса в 1,23 раза.

В перспективе возможность нанесения нанопокрытий методом ФАБО на стальные и чугунные детали позволит осуществить полную замену деталей из цветных сплавов.

В последние годы успешно развивается технология осаждения композиционных гальванических нанопокрытий (КГП). КГП получают из суспензий, представляющих собой электролит с добавкой ультрадисперсного порошка. При наложении электрического тока на поверхности покрываемого образца осаждается металл (первая фаза, или матрица) и частицы порошка (вторая фаза, или упрочнитель), которые заращиваются матрицей, образуя структуру покрытия. Вместе с металлом из гальванической ванны на детали осаждаются дисперсные частицы, волокна и усы различных карбидов, боридов, оксидов, сульфидов, порошков полимеров и т. д. Включение дисперсных материалов в металлическую матрицу значительно изменяет свойства покрытий. Гальванические покрытия с дисперсной фазой обладают уникальными свойствами и могут быть использованы для решения разнообразных задач.

В таблице 12 представлены обобщенные данные дисперсных материалов, обеспечивающих улучшение характеристик покрытий.

Таблица 12. Ультрадисперсные порошковые материалы для модифицирования свойств покрытия

Применение композиционных материалов позволило произвести на ряде машин и механизмов замену подшипников качения опорами скольжения и добиться значительно более высокого межремонтного ресурса по сравнению с серийными образцами. Более высокое качество восстановленных деталей объясняется большей площадью поверхности трения скольжения, а также меньшей толщиной вкладыша. В данной главе были рассмотрены только некоторые вопросы, в той или иной степени затрагивающие нанотехнологическую сущность трибологии. На самом деле спектр решаемых нанотрибологией проблем современности, несомненно, гораздо шире – это и космическая трибология, и функционирование подвижных соединений биологических существ, и т. д. и т. п. Более подробное рассмотрение всех этих исследований и практических разработок потребовало бы написания отдельной книги.

Наноматериалы находят все большее применение в различных препаратах автохимии: ремонтно-эксплуатационных добавках к топливу и смазочным материалам, шампунях и полиролях. По имеющимся данным, в США затраты на производство присадок, используемых в топливно-смазочных материалах, с 60-х годов XX века возросли с 250 млн до более чем 1 млрд долларов.

Результатом многолетних исследований отечественных ученых и практиков стал тот факт, что трение теперь представляется не только как разрушительное явление природы.

Совместное использование теоретических положений и практических достижений трибологии и нанотехнологии позволяет использовать трение не как разрушительное явление природы, а как самоорганизующийся созидательный процесс, в том числе для безразборного восстановления агрегатов и узлов техники в процессе их непрерывной эксплуатации.