Виды трения. Физико-химические особенности трения

Трение обрабатываемого металла и инструмента происходит с участием третьих веществ. К ним относятся окислы обрабатываемого металла и инструмента, продукты истирания взаимодействующих поверхностей и смазка. Виды трения определяются количеством и свойствами этих веществ. В первую очередь трение зависит от толщины слоя смазки. Различают следующие виды трения:

1. Чистое: на поверхности трения нет ни окислов, ни смазки. Чистое трение может наблюдаться только в условиях физического опыта или при обработке в вакууме.

2. Сухое: на поверхности трения имеются пленки окислов и загрязнений, но нет искусственной смазки. В широкой практике сухим трением называют трение несмазанных тел. Например, горячую прокатку осуществляют без применения смазок, поэтому трение в этом случае приближенно можно считать сухим.

3. Полусухое: между трущимися поверхностями имеются лишь отдельные участки, заполненные какой-либо вязкой средой.

4. Граничное: пленка жидкой смазки, разделяющая поверхности трущихся тел, имеет толщину 1-2 молекулы. Из-за маленькой ее толщины в смазке не проявляются объемные свойства, и имеет место механическое зацепление шероховатостей поверхностей контакта. Наиболее часто встречающийся в практике вид трения.

5. Полужидкостное: при наличии достаточного слоя смазки имеются непосредственные контакты поверхностей трущихся тел.

6. Жидкостное: поверхности трущихся тел полностью изолированы друг от друга слоем смазки.

Механизм сухого трения

Поверхность всякого тела имеет неровности – выступы и впадины при любом качестве отделки. Часть выступов поверхности одного тела попадает во впадины поверхности другого тела, в результате чего происходит как бы зацепление поверхностей. Фактическая контактная поверхность в этом случае меньше кажущейся, расчетной поверхности. В процессе пластической деформации фактическая контактная поверхность увеличивается. Для того чтобы сдвинуть одно тело относительно другого, нужно приложить силу, равную силе трения. Эта сила должна либо приподнять верхнее тело над нижним, либо упруго и пластически деформировать выступы. Как правило, происходит смятие и срез выступов на более мягком материале (деформируемое тело) и в меньшей степени на инструменте. Поэтому процесс трения при ОМД можно рассматривать как процесс пластической деформации тонких приконтактных слоев, протекающий в результате пластической деформации всего объема.

Механизм граничного трения

Граничное трение имеет место при использовании смазок. Смазки, содержащие поверхностно-активные вещества, адсорбируются на трущихся поверхностях и образуют прочные пленки. Граничные молекулы таких смазок прикрепляются к поверхности деформируемого металла и инструмента, образуя определенное число прочных плотно упакованных слоев толщиной в несколько ангстрем. Свойства таких пленок существенно отличаются от объемных свойств смазок. В частности, пленки способны выдерживать высокую нагрузку и оказывать малое сопротивление сдвигу трущихся поверхностей (т.е. они прочные и скользкие). Однако, толщина пленки мала для того, чтобы избежать зацепления неровностей металла и инструмента.

В результате граничного трения и применения смазок с поверхностно-активными веществами происходит такое физико-химическое явление, как адсорбционное понижение пластичности и снижение сопротивления деформации, называемое эффектом Ребиндера. Он ввел представление о клиновидных трещинах при пластической деформации твердых тел, способных к «самозалечиванию» при снятии напряжений ввиду воздействия противоположных стенок. Проникновение смазки в трещину тормозит самозалечивание трещины, облегчает ее развитие и приводит к охрупчиванию (снижению пластичности). Таково действие расплавов жидких металлов на твердые при отсутствии в них химического взаимодействия. Использование таких смазок облегчает пластическую деформацию за счет уменьшения поверхностного барьера для разрядки дислокаций.

Механизм жидкостного трения

Природа жидкостного рения иная, чем сухого и граничного. Жидкостное трение – внутреннее трение в объеме смазки. Оно нашло применение при волочении проволоки. Смазка, экранирующая толстым слоем трущиеся поверхности и реализующая режим жидкостного трения, не обязательно должна быть жидкой, а может быть консистентной или даже твердой, сопротивление деформации которой на несколько порядков ниже сопротивления деформации обрабатываемого металла. Такую смазку называют вязкопластическим веществом. В частности, при волочении используют обычное мыло. Поэтому термин «жидкостное трение» - условен.

Отличительной особенностью жидкостного трения является давление в слое смазки. Оно должно быть таким, чтобы могло привести обрабатываемый металл в пластическое состояние. В этом случае смазка не будет выдавливаться из зазора между трущимися поверхностями, и деформация будет осуществляться через слой смазки.

.

Смазка при ОМД

Для того чтобы смазка в достаточной степени изолировала деформируемое тело от инструмента, не разрывалась и не выдавливалась, она должна иметь достаточную активность и вязкость.

Активность смазки – способность образовывать на поверхности трения прочный защитный слой из ее полярных молекул. Активность смазки зависит от наличия в ней поверхностно-активных веществ, к которым относят жирные кислоты и их соли, являющиеся мылами. Для создания активности достаточно небольшой добавки жирных кислот к смазке.

Вязкостьсмазки обеспечивает ее сопротивление выдавливанию из места контакта.

Смазка, обладающая высокой активностью и вязкостью, при высоком качестве отделки поверхности трущихся тел и высокой скорости скольжения может создать условия жидкостного и полужидкостного трения.

При холодной обработке давлением с большими степенями деформации и высокими скоростями (прокатка тонких полос и лент, волочение), когда выход тепла значителен, смазка, помимо основного требования – снижения коэффициента трения, должна еще и охлаждать инструмент и обрабатываемый металл. В связи с этим она должна обладать высокой теплоемкостью.

При горячей обработке давлением (особенно при высоких температурах) с большими удельными давлениями и большой длительностью контакта между металлом и инструментом смазка должна обладать малой теплопроводностью. Это позволит предохранить инструмент от чрезмерного перегрева.

В последнее время используют гидростатические и гидродинамические смазки. Сущность гидростатическойсмазки заключается в том, что смазка в зону деформации подается под большим давлением, что способствует лучшему ее проникновению между металлом и инструментом. Такой вид смазки требует установки сложного оборудования. Более перспективной является гидродинамическая смазка.

Сущность гидродинамической смазки заключается в том, что перед входом металла в зону деформации создается повышенное давление смазки вследствие гидродинамического эффекта. Этот эффект возникает в результате того, что смазка, налипая на движущуюся проволоку, трубу или полосу, увлекается ими в узкие и достаточно длинные насадки с сужающимся поперечным сечением. При большой скорости движения через насадку в смазке создается давление, соизмеримое с сопротивлением деформации обрабатываемого металла.

Помимо указанных свойств, смазка должна удовлетворять ряду технологических требований: легко наноситься, быть химически пассивной, т.е. не разъедать металл и инструмент, иметь минимальное количество остатков, чтобы не загрязнять поверхность, быть безвредной для рабочих и т.д.

В зависимости от назначения применяют следующие виды смазки:

1. Жидкие и консистентные смазки – эмульсии, растительные и минеральные масла и их смеси. Эмульсии, представляющие собой смесь воды и взвешенных в ней мельчайших капелек масла, обладает хорошей охлаждающей способностью. Их применяют главным образом при холодной обработке давлением с большими скоростями. При больших давлениях применяют масла и их смеси, обладающие большей вязкостью. Для повышения вязкости к маслам иногда добавляют загустители (парафин или стеарин). Для повышения активности к маслам добавляют активные наполнители (серный цвет, хлористые соединения и др.)

2. Порошкообразные смазки – мыло в виде порошка или стружки или графит. Последний часто добавляют к маслам или используют с другими добавками.

3. Стекло в виде порошка или ваты применяют при горячем прессовании сталей и тугоплавких металлов. При соприкосновении с нагретым металлом стекло размягчается, плотно прилипает к поверхности металла и, выполняя роль смазки, предохраняет инструмент от перегрева.

4. При волочении проволоки и труб из высокопрочных сталей и сплавов применяют покрытие заготовки мягкими пластичными металлами (медь, свинец), на которые могут наноситься другие виды смазки.