2.4 Способи реалізації позитивного градієнту за умов граничного мастила

Висловлене вище твердження про те, що фізичне зношення машини неминуче, вірно лише частково, хоча на практиці стосується всієї машини. У чому ж суперечність?

За всю історію машинобудування створені тисячі матеріалів, конструкцій, олив, мастил, які знижують зношення деталей, що труться.

Генеральний напрямок залишався загальним — підвищення їх твердості. Однак, при підвищенні твердості поверхневих шарів значно зменшується площа контакту поверхонь, що труться і, як наслідок, суттєво збільшуються питомі навантаження, а це, в свою чергу, призводить до швидкого зношування. Виходить замкнене коло, і до останнього часу вважалось абсурдним ствердження, що можливо створити вузол тертя, який би майже не зношувався. Проте виявляється, що таке «диво» можна побачити в кожній квартирі — це звичайний фреоновий холодильник. Його компресор працює десятки років у тяжких умовах постійного запуску і зупинки, майже без зношування. Спробуємо розібратися, в чому тут справа.

Деталі компресора, що труться, виготовлені зі сталі. Мастильний матеріал — це суміш оливи і фреону. А якщо подивитись на деталі, то місця контактів поверхонь, що труться, покриті тоненькою плівкою міді. Звідки взялась мідь? Чому вона вкриває тільки деталі, що труться? Чому її товщина — один—два мікрометри? Все це на теперішній час вивчено, щоправда, невеликим колом вчених та інженерів, та описано в спеціальній літературі і нічого немає в підручниках. Виявляється, що плівка формується з іонів міді, які утворюються при невеликій корозії мідних трубок холодильника, а до місця контакту їх приносить суміш з фреону і оливи. Мідь, яка вкриває поверхні, що труться, має дивну властивість.

По-перше, вона напіврідка при звичайних кімнатних температурах, а по-друге, її частинки мають електричний заряд, який і утримає їх в зоні контакту поверхонь, що труться, і, якщо навіть під навантаженням ці частинки відриваються від плівки, то вони повертаються до неї, надаючи їй довговічності. Ця плівка отримала назву «сервовитної», що «рятує життя». Саме примітне в тому, що утворення такої плівки відноситься до самоорганізуючих явищ живої природи, вивчення яких в техніці тільки починається. Тертя не знищує плівку, воно її утворює. Таким чином, тертя із руйнуючого процесу може перетворитися на створювальний.

При деформації сервовитна плівка (на відміну від оксидної плівки) не руйнується і не піддається дії процесів утоми. Плівка приймає на себе навантаження, ховаючи нерівності твердих поверхонь, які практично не беруть участь в процесі тертя. Все це нагадує принцип роботи створеного природою вузла тертя — суглоб живого організму. Тут також взаємодіють хрящеподібні м’які тканини, і навантаження рівномірно розподіляються по всій поверхні, в наслідок чого вони стають незначними, зношування зменшується, і довговічність вузла підвищується.

Явище без зношуваності при терті було відкрито професорами Д.Н. Гаркуновим та І.В. Крагельським, ще на початку 1960-х років та отримало назву «вибіркового переносу». «Вибірковий перенос» є різновидом утворення зміни механічних властивостей матеріалу деталі по нормалі до поверхні тертя назву «позитивного градієнту».

Ефект тертя без зношування найширше реалізований застосуванням спеціальних мастильних матеріалів, що мають назву металоплакуючих, які сприяють утворенню позитивного градієнта. Це використовується вже для автомобілів.

Рис.2.2.Способи реалізації позитивного градієнта

Властивості оливної плівки сучасних олив у процесі тертя в результаті широкого діапазону температур та інших факторів не залишаються сталими. Так, при температурі оливи (в залежності від типу мастильного матеріалу) понад 130º...150ºС виникає дезорієнтація молекулярного шару, внаслідок теплового руху, і захисна роль мастильного матеріалу порушується. Але сучасні вузли тертя будь-яких машин працюють при більш високих температурах і навантаженнях. У зв’язку з цим виникає необхідність забезпечити позитивний градієнт іншими шляхами.

Так, для забезпечення нормальної роботи спряжених пар при температурах вищих за 150°С в оливу додають різні хімічні речовини, які взаємодіючи з оливою, створюють захисну плівку. Дуже ефективним явищем при терті є утворення металічних мил (солей жирних кислот) за рахунок введення спеціальних присадок, що містять сірку, хлор, фосфор тощо, які при високих температурах також приводять доутворення захисних хімічних плівок

Механізм дії цих присадок полягає в утворенні з металами поверхонь, що труться, хімічних сполук сульфідів і хлоридів, які мають більш низькі, порівняно з металами, температури плавлення. При низьких температурах ці присадки не сприяють зменшенню тертя, а при високих, коли наступає дезорієнтація молекул ПАР, ці сполуки плавляться і течуть, забезпечуючи позитивний градієнт. Докладніше див. «Надійність машин» .

Отже слід зауважити, що зносостійкість визначається не механічною міцністю, а рухомістю поверхневих шарів. Тому більш зносостійким буде не гранично жорсткий матеріал, а матеріал, що має на поверхні більш рухомий шар. Однак такий матеріал має малу «несучу спроможність». Звідси виникає принцип «бутерброда» — двошаровості фрикційного матеріалу. Двошаровість може бути створена заздалегідь штучно або створюватись, як розглядалось вище, в процесі тертя.

Чим тонший поверхневий шар, в якому концентруються деформації, викликані взаємним зачепленням нерівностей і молекулярною взаємодією двох твердих тіл, тим краще.

Тому слід прагнути до послабленого шару, завтовшки декілька десятків ангстрем.