Механизм смазочного действия масел

Все минеральные масла состоят из цепных молекул, содержащих несколько типов углеводородных пар. Их характеризует: палочкообразная конфигурация молекул масла; склонность цепных молекул к параллельной ориентации осей; гидродинамические условия их ориентации в потоке при переходе от граничной смазки к гидродинамическому режиму.

Тонкие слои масел вследствие их свойства несжимаемости уравновешивают внешнее давление. Чем больше давление, тем меньше толщина слоя масла, способного уравновесить дополнительное внешнее давление.

Следовательно, толщина слоя масла характеризует потенциальные возможности смазочного материала в уравновешивании внешнего давления. Расклинивающее действие жидкости препятствует уменьшению ее слоя при увеличении давления. Установлено, что существует равновесное расклинивающее давление масел, которое зависит от их физико-механических свойств и характера контактирующих поверхностей.

Вблизи твердой поверхности детали существует электромагнит­ное силовое поле, оказывающее воздействие на молекулы смазочного материала. Силовое поле вызывает направленную адгезию граничных пленок смазочного материала, изменяет ориентацию молекул масла (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Строение граничного слоя смазочного материала

Влияние силового поля ослабевает по мере удаления от поверхности детали. При этом изменяется строение смазочной пленки, и восстанавливаются объемные свойства масла.

В тонких смазочных слоях на расстоянии 0,1—0,2 мкм от твердой поверхности вязкость масел обычно повышается вследствие изменения ориентации осей молекул. Способность смазочного материала к изменению ориентации молекул характеризует эффективность его смазочного действия.

Силовое поле у поверхности детали возникает из-за того, что поверхностные слои твердого материала обладают повышенной полярной активностью, вызванной неуравновешенностью атомарных сил, действующих в них. В результате полярной активности мате­риала на поверхности трения образуются тонкие пленки адсорбированных молекул масла. Для увеличения сил сцепления адсорбированных слоев масла с поверхностью трения в его состав вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ): органические кислоты и их мыла, спирты, смолы. Для ПАВ характерно несовпадение цент­ров положительных и отрицательных зарядов в их молекулах. Благодаря этому свойству молекулы, называемые полярными, притягиваются к твердой поверхности и удерживаются на ней длительное время.

Молекулы масел обычно имеют удлиненную форму, причем их дли­на в 5—10 раз превышает диаметр поперечного сечения. Конец молекулы, вступающей во взаимодействие с металлом, называют полярно-активным. У органических кислот и их мыл полярно—активной частью является карбоксильная группа СООН, у спиртов — гидроксил ОН.

Различают два вида адсорбции молекул масла к поверхности тела: химическую (хемосорбция) и физическую. Химическая адсорбция сопровождается образованием химических соединений пленок окислов при взаимодействии полярно-активных концов молекул масла с молекулами материала поверхности. При физической адсорбции взаимодействие ограничивается формированием молекулярных связей. В большинстве случаев эти два вида адсорбции наблюдаются одновременно с преобладанием какого-либо из них. Хемосорбция в отличие от физической адсорбции имеет избирательный характер и больше проявляется на участках с нарушением регулярности кристаллической решетки металла включениями и дислокациями. Под действием сил молекулярного притяжения молекулы масла приобретают определенную ориентацию, поэтому улучшается смазочная способность масла.

Молекулы масла, адсорбированные на поверхности трения, обладают способностью перемещаться. При большом числе молекул в зоне из верхних слабо ориентированных и закрепленных слоев молекулы перемещаются в те зоны, где их меньше, приобретая лучшую ориентацию. Подвижность молекул зависит от вида адсорбции. При хемосорбции подвижность молекул значительно ограничивается.

С повышением температуры масла межмолекулярные расстояния и молекулярные связи ослабевают, происходит дезориентация адсорбированного слоя молекул, активизируется подвижность молекул и ухудшаются смазочные свойства масла.

Нарушение адсорбции происходит при температуре 40—150 °С для различных масел.

При образовании на поверхности трения ультрамикроскопических трещин поверхностно-активные молекулы масла проникают внутрь этих трещин. Ширина трещин соизмерима с размерами молекул, поэтому силы молекулярного взаимодействия оказывают на материал твердой поверхности расклинивающее воздействие (рис. 6.6). Давление молекул масла на стенки трещин может достигать 100 МПа. В этих условиях смазочный материал оказывает отрицательное воздействие на процесс изнашивания. Это явление получило название адсорбционно-расклинивающего эффекта П. А. Ребиндера.

Рис. 6.6. Схема адсорбционного расклинивающего действия полярных молекул смазочного материала: F — сила ад­сорбционного притяжения молекул; Q — расклинивающие составляющие сил молекулярного взаимодействия

П. А. Ребиндером было установлено, что активные смазки повышают пластическое течение тонкого поверхностного слоя металла при трении деталей в условиях значительных давлений. В результате взаимодействия, например, жидкой смазочной среды, содержащей полярные компоненты, с материалом поверхностного слоя детали в условиях пластического деформирования может происходить раз­рыхление металла на поверхности. Причиной разрыхления металла является адсорбция активных молекул смазочного материала на обнажающихся при деформировании ювенильных участках поверхности. При трении такое адсорбционное разрыхление (пластификация) поверхности вызывает снижение предела текучести материала детали в слоях толщиной до 0,1 мкм. Это облегчает приработку и снижает интенсивность изнашивания поверхностей.

В начале 60-х гг. исследование механизма взаимодействия смазочных материалов с металлами деталей в процессе трения привело к открытию так называемого эффекта трибополимеризации. Этот эффект заключается в том, что в процессе трения металлических поверхностей в присутствии углеводородной смазочной среды наблюдается образова­ние аморфных высокомолекулярных продуктов, которые были названы полимерами трения.

Полимерные пленки, образующиеся на поверхностях трения, обеспечивают противозадирные и противоизносные свойства мате­риалов.

Продукты трибополимеризации — полимеры трения — обеспечивают поверхностным слоям материалов деталей положительный градиент механических свойств, что, в свою очередь, вызывает резкое снижение интенсивности изнашивания деталей сопряжения. В качестве смазочных материалов, создающих условия возникновения эффекта трибополимеризации, применяют масла и отдельные их фракции, индивидуальные углеводороды (цетан) и другие органические соединения. Для активизации процесса адсорбционной пластификации к маслам добавляют специальные полярно-активные присадки.

Механизм смазочного действия пластичных смазочных материалов имеет аналогичный характер, поскольку при рабочей температуре смазочные материалы переходят в вязкотекучее состояние. Масла, используемые в качестве основы пластичных смазочных материалов, по своим физико-химическим показателям не отличаются от обычных масел, применяемых для смазывания элементов машин. Поэтому описанный механизм действия масел может быть полностью перенесен на пластичные смазочные материалы.