» » Физико-химические основы процесса сухого трения
11.12.2014

Исследованию процессов сухого трения посвящено очень большое количество работ. Наиболее полно эти положения применительно к условиям сухого трения разработаны И. В. Крагельским. Теоретические основы процесса сухого трения находят свое подтверждение и в применении к металлокерамическим, фрикционным материалам.
Важнейшие явления в процессе сухого трения — схватывание и образование поверхностных пленок.
Под схватыванием подразумевается широко распространенное явление, заключающееся в образовании металлических связей и, следовательно, прочных соединений в результате совместного пластического деформирования в точках контакта, соприкасающихся поверхностей. Схватывание наблюдается во многих случаях; оно играет большую роль и в работе фрикционных, металлокерамических материалов.
Схватывание наблюдается только на металлических поверхностях, и поэтому введение неметаллических компонентов способствует его предотвращению. Это хорошо подтверждается практикой применения фрикционной металлокерамики ФМК-8 и ФМК-11. Металлокерамика ФМК-8, представляющая собой в основе довольно сильно легированное железо и имеющая в своем составе значительно меньше неметаллических компонентов, более склонна к схватыванию, чем металлокерамика ФМК-11, которая имеет большое количество неметаллических компонентов.
Такое схватывание проявляется в резком увеличении момента трения в процессе торможения (фиг. 18). Процесс схватывания обязательно сопровождается износом, причем чем сильнее схватывание, тем сильнее износ.
Физико-химические основы процесса сухого трения

И. В. Крагельским и Е. М. Швецовой показано, что разрушение материала вследствие схватывания может носить двоякий характер: очень незначительный поверхностный износ и глубинная деформация, вырывание частиц. Наличие того или иного вида схватывания зависит от природы контактирующих металлов и от скорости скольжения, И. В. Крагельский и Е. М. Швецова установили наличие критической скорости, превышение которой переводит схватывание из группы поверхностного в группу глубинного.
Как уже отмечено выше, в результате схватывания происходит разрушение материала. Боуден и Тейбор считают, что возможно следующие четыре вида разрушений.
1. Образующееся соединение менее прочно, чем схватывающиеся металлы. В этом случае разрушение происходит по поверхности соединений износ незначителен. Такой случай возможен при образовании окисных пленок и очень характерен для случая торможения при помощи металлокерамических фрикционных материалов.
2. Образующееся соединение прочнее одного из металлов. Разрушение происходит в глубине более мягкого металла, оторванные частицы которого остаются прилипшими к поверхности более твердого металла. Примером может служить применение фрикционной металлокерамики с большой твердостью при использовании в качестве контртела мягкого чугуна или цветного сплава.
3. Образующееся соединение прочнее обоих металлов. Разрушение происходит в основном в глубине мягкого металла, наблюдается сильный износ мягкого металла и малый износ твердого. Пример — трение стали по меди.
4. При трении одинаковых металлов прочность соединения выше исходной прочности металлов, что вызывается процессами деформации и «сварки», разрушение в этом случае носит глубинный характер и износ очень велик.
В настоящее время нет единого мнения в отношении природы сил схватывания, но несомненно, что эти силы являются сложными и в них участвуют и молекулярные явления, и электрические, и чисто механические. Преобладание тех или иных сил зависит от ряда причин, к которым в первую очередь относятся природа материала и условия трения (в частности, скорость и давление).
Важнейшими теориями, объясняющими процесс схватывания, являются рекристаллизационная, диффузионная, энергетическая и теорий, основанная на соотношении механических свойств поверхностных пленок и основного металла.
Рекристаллизационная теория впервые была сформулирована Парксом. Сущность его теории заключается в следующем. Реальные поверхности трущихся металлов различно ориентированы и искажены. Для схватывания необходимо, чтобы существовал механизм, позволяющий преодолеть эти препятствия. Таким механизмом является рекристаллизация, при которой средний предел текучести металла приближается к нулю, поэтому требуется относительно небольшая нагрузка для достижения истинного контакта по всей поверхности. При рекристаллизации происходит коалесценция поверхностных окисных пленок и тем самым устраняется причина для непосредственного контакта металлов.
Эти теоретические высказывания подтверждаются многими опытами, однако многие явления не могут быть объяснены этой теорией. Так, например, известно, что схватывание имеет место в процессе деформации при комнатной температуре, т. е. в таких условиях, когда рекристаллизации не происходит.
Диффузионная теория, предложенная Н. Ф, Лашко и С. В. Лашко-Авакян, объясняет схватывание явлениями диффузии. Металлические связи возникают под действием теплоты и давления. Однако, если бы диффузия действительно играла решающую роль в явлении схватывания, то скорость деформирования должна была бы очень сильно влиять па величину необходимой деформации, чего на самом деле не наблюдается; при ничтожной скорости деформирования соединения получаются при такой же деформации. С позиций диффузионной гипотезы сплавы (в области твердых растворов) должны проявлять большую склонность к схватыванию, чем чистые металлы, фактически же наблюдается противоположная картина.
Теория, основанная на соотношении механических свойств пленок и основного металла, была предложена Тиликотом. Суть ее заключается в следующем. На поверхности каждого металла имеются тонкостенные окисные пленки, которые резко отличаются по твердости от основного металла. Чем выше показатели отношения твердости пленки и твердости металла, тем меньшая нужна деформация для образования соединения, которая и определит схватывание. Теория, предложенная Тиликатом, носит весьма механистический характер: в ней полностью игнорируются такие важные явления, как внешние условия, состояние кристаллической решетки и химический состав материалов.
Энергетическая теория была предложена А. П. Семеновым на основе ряда известных фактов, к числу которых относятся, в частности, следующие:
а) схватывание предварительно наклепанных по всему объему образцов происходит при меньших глубинах вдавливания пуансонов, чем при деформировании отожженных образцов, но при несколько больших деформациях;
б) при повышении температуры для проявления схватывания необходимы деформации меньшей величины;
в) благоприятные влияния на проявление схватывания оказывают также ультразвуковые колебания;
г) дополнительное объемное сжатие (упругое) способствует проявлению схватывания, которое в этом случае наступает при меньших пластических деформациях.
Процесс схватывания обусловливается по энергетической теории в основном энергетическим состоянием кристаллической решетки металлов. Для того чтобы произошло схватывание, необходима определенная разность в энергетических состояниях кристаллических решеток. Этому способствуют все названные выше, а также и ряд других факторов.
Атомы идеального монокристалла при обычных условиях имеют минимально возможную энергию, соответствующую нахождению их в узлах кристаллической решетки.
Энергия атомов чистого поликристаллического металла несколько выше этой минимальной энергии.
Способность к схватыванию реального металла соответствует его определенному состоянию. Для проявления схватывания необходимо, чтобы энергия атомов, находящихся в контакте объемов металлов, поднялась выше определенного уровня. Этот уровень. А. П. Семенов предложил назвать «энергетическим порогом схватывания». Все рассмотренные выше факторы, а также и ряд других способствуют повышению энергии кристаллической решетки металлов и тем самым способствуют схватыванию.
Процессы схватывания согласно этой теории можно рассматривать следующим образом. При сдавливании двух чистых поверхностей металлов сначала образуются отдельные металлические связи в результате совпадения кристаллических связей или флуктуации энергии. При этом освобождается энергия, воспринимаемая объемами металла, прилегающими непосредственно к зонам соединения. Если при этом выделившаяся энергия, недостаточна для того,, чтобы энергия, окружающая соединившиеся участки поверхностных атомов, достигла энергетического порога схватывания, то роста зародышей не происходит и они при дальнейшем деформировании разрушаются. В противном случае, т. е., если выделившаяся энергия является достаточной, то начинается самовозбуждающийся процесс роста площади соединения.
Рассмотренная теория процесса схватывания представляется нам наиболее правильной и хорошо объясняющей физическую сущность процесса схватывания.
Исследуя процесс сухого трения, И. В. Крагельский впервые обратил внимание на особое значение окисных пленок, возникающих на фрикционном материале, и предложил так называемую теорию третьего тела,
В процессе сухого трения на поверхности трепня развивается достаточно высокая температура, в результате воздействия которой происходит поверхностное окисление фрикционного материала и образование довольно прочной пленки. Состав этой пленки зависит от состава основного материала и условий процесса трения. Такую пленку И. В. Крагельский назвал третьим телом, так как она образуется между двумя основными — фрикционным и контртелом.
Роль третьего тела очень велика, так как образуемая пленка предотвращает схватывание между фрикционным материалом и материалом контртела и, следовательно, уменьшает износ мате риала и способствует стабилизации коэффициента трения и момента трения. Третье тело только тогда может сыграть положительную роль, если его твердость ниже твердости основного материала и если оно способно к многократному передеформированию.
Исследования, проведенные под руководством автора на фрикционной металлокерамике ФМК-8, показали, что такая пленка образуется вследствие окисления металлических компонентов. Если процесс, трения осуществляется в вакууме, то пленки не образуется.
Пленка может сыграть свою положительную роль при условии, если она достаточно прочно соединена с основным металлом, а это, в свою очередь, возможно, если окисная пленка имеет высокое сродство к основномy металлу. Это сродство обычно тем больше, чем проще состав металлических компонентов фрикционного материала. Поэтому, например, пленка, образующаяся в процессе трения на фрикционной металлокерамике ФМК-11, состоящая в основном из окисла железа (Fe3O4), имеет большее сродство с основным металлом, чем пленка, образующаяся па металлокерамике ФМК-8 и имеющая более сложный состав (Fe3О4, WО3, CuO).