Развитие химических методов

Категория:
Химическая обработка


Развитие химических методов

При обработке металлов — механической, химической или электрохимической — приходится сталкиваться прежде всего с пленками, присутствующими на поверхности металла. В зависимости от их физико-химических свойств пленки должны препятствовать либо способствовать процессу обработки металлов. В доказательство этого в 1932 г. были осуществлены первые опыты полирования металлов в различных газовых средах (водородной, сероводородной, кислородной и др.).

Первые результаты были не столь эффективными, как в опытах со стеклом, — химическое действие было незначительным. Изменение веса в зависимости от окружающей газовой атмосферы составляло всего лишь десятые доли процента. Незначительные изменения объяснялись тем, что полирование проводилось в водной суспензии, где процессы окисления металла с вытеснением водорода, несомненно, имели место.

Вслед за тем были предприняты серии опытов, где создавались условия полной невозможности окисления металла или, наоборот, условия весьма быстрого окисления. Это осуществлялось присоединением полируемого образца попеременно к катоду или аноду. Соответственно было установлено замедление или ускорение процесса полирования в 10 раз и более.

И. В. Гребенщиков в своей классической работе «Роль химии в процессах полирования», опубликованной еще в 1934 г., но ни в коей мере не утратившей своего большого значения и в настоящее время, выступил с критикой основных теорий — теории пластической деформации, теории поверхностного оплавления и ряда других. Одновременно на основании экспериментально установленных данных им была предложена новая теория процесса полирования, в которой главная роль отводится химическим явлениям. С этой точки зрения полирование следует рассматривать как процесс образования и удаления окисных либо других химических соединений, создаваемых на поверхности металла под влиянием окружающей среды или специальных паст химического действия.

Новая теория наиболее полно объясняет сущность процесса полирования и вместе с тем вполне согласуется с современными представлениями о получении гладкой недеформированной поверхности, обладающей лучшим сопротивлением износу, повышенной коррозийной стойкостью, прочностью и другими свойствами, характерными для полированных поверхностей.

Многочисленные работы, проведенные в последующие годы, подтвердили несомненность основных положений так называемой химической теории. Выдержав испытание временем, она оказалась весьма плодотворной. В настоящее время эта теория находит все большее развитие как у нас, так и за рубежом и является основой при изучении различных процессов обработки металлов, их износа и трения.

Следует заметить, что независимо от указанной теории известны случаи, когда практики приходили к необходимости применения химии в обработке металлов.

В истории техники встречается немало химических веществ, которыми успешно пользуются, когда требуется достигнуть гладкой зеркальной поверхности. Нашатырный спирт, лимонная кислота, стеарин, каустическая сода, зеленое мыло, говяжье сало и другие химические материалы находили и находят применение при чистовой отделке различных предметов из меди, алюминия и других металлов. Были и другие наблюдения. Гальва-ностеги, например, замечали, что серебряные аноды в гальванической ванне иногда приобретали в процессе растворения гладкую поверхность.

Еще в 1910 г. русским инженером Е. И. Шпитальским были проведены опыты и получен патент на электролитическое полирование металлов. В 1931 г. В. Н. Гусев предложил подвергать обрабатываемые поверхности электрохимическому анодному растворению и этим облегчить сверление заготовок повышенной твердости.

И сейчас появляются сообщения на эту тему. Так, недавно австралийские ученые установили, что уксусная кислота, присутствующая в древесине, ускоряет затупление пил у лесорубов. Достаточно подключить пилу к отрицательному полюсу источника постоянного тока напряжением 10 в, как разъедающее действие уксусной кислоты прекратится. В противном случае пила сама заряжается от трения о древесину; подключение пилы к положительному полюсу ускоряет разрушение инструмента.

Из Польши сообщают, что при резании металлов применяют инструмент из териленовой нити, насыщенной специальным растворителем. Нить движется по поверхности, совершая возвратно-поступательные движения. В конце каждого хода продукты -химической реакции удаляются, а териленовая нить снова насыщается растворителем и совершает обратный ход.

В отличие от традиционных механических способов резки, в металле не создается остаточных напряжений и деформированного слоя. Однако отрывочные замечания, которые можно встретить в практике, носят случайный характер догадок. Основательные экспериментальные исследования роли химии в процессах обработки металлов начаты в 30-х годах. С этой целью в 1934 г. на Кировском заводе в Ленинграде была создана первая в нашей стране и за рубежом специальная лаборатория по изучению и развитию применения химии в обработке металлов. Благодаря трудам этой лаборатории был широко внедрен метод химико-механической доводки и полирования пастами Государственного оптического института (пасты ГОИ).

Химически активные вещества, входящие в состав паст (сера, стеарин, олеиновая кислота, силикагель), а также полученная особым путем окись хрома способствуют образованию химических соединений на поверхности металла в виде тонких пленок и облегчают их удаление. Толщина пленки определяет предельную точность доводки. Величина выступов и впадин не превышает сотых долей микрона. Исключительно большая точность и чистота поверхности едва ли могли быть получены каким-либо другим, не химическим способом, где бы сам процесс не регулировал толщину снимаемых слоев. 11 — 12-е классы чистоты поверхности достигаются, как правило, уже на первой операции — после обработки грубой 40-микронной пастой.

Это исключительное свойство паст ГОИ придавать высокую степень гладкости за одну операцию отличает их от всех других полирующих составов. Оно позволяет преодолевать в значительной степени неизбежное в механической обработке противоречие между производительностью процесса и шероховатостью поверхности. В процессе химико-механической доводки применяют притиры-полировальники из материалов, устойчивых к воздействию паст, поэтому износ детали превалирует над износом притира, что позволяет сохранить точность притира в течение более продолжительного времени.

Пасты химического действия в сочетании с малоиз-нашиваемыми химически устойчивыми полировальниками оказались применимыми при механизации и автоматизации процессов доводки и полирования. Теоретически обоснованные и получившие широкое практическое распространение пасты ГОИ явились первым шагом на пути применения нового, химико-механического метода обработки металлов.

Этот способ нашел свое дальнейшее развитие в процессах шлифования с применением электролитов.

Работами Самарцева и др. установлено, что при шлифовании химические реакции играют еще большую роль, чем при доводке и полировании. Они могут не только сопутствовать процессу, но и в ряде случаев оказаться решающими. Одним из таких примеров является шлифование твердых сплавов в растворах электролитов, где процесс может быть ускорен в десятки раз.

Исследование шлифования в растворах электролитов выяснило, что этот процесс коренным образом отличается от механического шлифования. При шлифовании в присутствии электролитов не наблюдается соответствия между твердостью абразива и производительностью процесса, — шлифованная поверхность не имеет штрихов и рисок.

При химико-механическом методе в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью не, возникает высоких давлений и температур, которые могли бы привести к появлению напряженности и структурным изменениям в поверхностных слоях деталей.

В этих процессах химически активная среда, в которой происходит шлифование, образует при взаимодействии с металлом твердые продукты реакции, покрывающие обрабатываемую поверхность тонким слоем и защищающие ее от дальнейшего химического разрушения. Защитный слой затем снимается инструментом и вновь возобновляется на обнаженной металлической поверхности под воздействием электролита.

Одна из характерных особенностей химико-механического метода состоит в том, что химический состав шлифуемого сплава непосредственно влияет на производительность процесса. Поэтому химически устойчивые металлы и сплавы (например, никель, нержавеющие и жаропрочные сплавы) оказалось необходимым обрабатывать химико-механически с наложением электрического тока, т. е. электро-химико-механическим методом.

При наложении тока анодное растворение сопровождается механическим удалением продуктов реакции. С этой целью обрабатываемую заготовку присоединяют к положительному полюсу источника постоянного тока. Между заготовкой и вспомогательным электродом, отделенным от нее слоем электролита толщиной всего в десятые доли миллиметра, создается электрическое поле, направленное таким образом, чтобы атомы металла заготовки переходили в раствор в виде ионов. По мере растворения материала заготовки вспомогательный электрод автоматически продвигается так, чтобы толщина слоя электролита в межэлектродном зазоре оставалась постоянной.

При высоких плотностях тока (сотни ампер на квадратный сантиметр) и недорогостоящих электролитах (слабоконцентрированные растворы солей) производительность процесса обработки достигает огромных величин (тысячи кубических миллиметров в минуту).

Для удаления продуктов электролиза электролит пропускают через пространство между электродами под давлением. Направляя и регулируя электрохимические реакции таким путем, можно воспроизводить контур вспомогательного электрода, получая полые поверхности с высокой степенью чистоты (11-го класса). Продукты электролиза могут удаляться протоком электролита и абразивным кругом или брусками, совершающими возвратно-пбступательное движение. В качестве абразива применяют алмазные и корундовые круги или бруски на металлической или графитовой электропроводной связке.

Из-за неустановившейся терминологии электро-химико-механическая обработка получила разные названия— электрохимическая, электролитическая, анодно-механическая. Однако, независимо от названия, развитие техники изготовления деталей из труднообрабатываемых сплавов, все больше применяемых в современном мире, пошло по пути электро-химико-механическому.

Большое развитие получили эти работы не только у нас, но и за рубежом. Во многих странах ведут исследования, создают и совершенствуют процессы и оборудование в данной области.

На основе работ советских исследователей созданы специальные станки в Чехословакии и Польше. Исследуют процессы химико-механической и электро-химико-механической обработки в Чехословакии. В ГДР созданы станки для электро-химико-механического шлифования. По данным фирм, машинное время обработки по сравнению с традиционным механическим шлифованием в отдельных случаях сокращается в 20 раз.

В США выпущено больше десяти моделей различных станков под названием «для электролитического шлифования». Там же продолжают работы по созданию специального оборудования для электро-химико-механической обработки турбинных лопаток, формообразования полостей штампов, нарезания пазов и сверления заготовок из высоколегированных сплавов. Лаборатории крупных фирм («Дженерал Электрик», «Энокат», «Риан Аэронавтик» и др.) заняты разработкой оборудования с применением электропроводных алмазных кругов с целью ускорения процессов обработки и экономии алмазов. Заслуживает внимания применение станков с источниками постоянного тока силой до 100 000 а, что позволяет достигнуть производительности 5000 мм3/мин.

Электрохимическую обработку широко исследуют и в Японии, в частности на технологическом факультете университета Мэйдзи и в исследовательской лаборатории электрокорпорации Митцубиси.

Развитие химико-механического метода привело к новым разновидностям сглаживающей химико-механической обработки деталей в барабанах, электрохимическому хонингованию и суперфинишу.

За последние десятилетия в значительной степени трудами советских ученых П. А. Ребиндера, П. Е. Дьяченко, И. Е. Крагельского, Б. И. Костецкого и многих других работников науки и производства химическое направление получило дальнейшее развитие.

Об этом свидетельствует все более широкое применение химических смазочно-охлаждающих жидкостей при резании, шлифовании и обработке давлением, химически активных смазок для уменьшения износа и предотвращения схватывания трущихся поверхностей, особенно работающих при повышенных температурах.

Резание. Экспериментально установлено, что в процессе резания при снятии стружки в результате высоких давлений и температур вскрываются химически чистые поверхности металлов. Наличие неокисленных, химически чистых поверхностей создает условия для сваривания материалов заготовки и инструмента. Влажный воздух или смазочно-охлаждающая жидкость, действуя на свежие поверхности металлов, предотвращает их сваривание. Эффективная смазочно-охлаждающая жидкость образует твердую поверхностную пленку с малым сопротивлением срезу, которая предотвращает контакт между обрабатываемым металлом и инструментом.

Твердая пленка может быть образована в результате химического взаимодействия специально подобранных компонентов (химических присадок) с металлом на участке контакта с резцом. Условия для такого взаимодействия в зоне контакта исключительно благоприятны. Свежеобразовавшаяся поверхность стружки не только химически чиста, но и сильно напряжена в результате пластического течения, происходящего при отделении стружки, и скольжения ее по передней поверхности резца. Кроме того, скольжение стружки по резцу создает вспышки высоких местных температур в точках контакта.

Таким образом, процесс резания облегчает прохождение химических реакций между металлом и жидкостью, а потому должен обеспечивать активность химических реакций.

Это подтверждается уменьшением силы трения при резании с химически активными жидкостями, а также химическим анализом продуктов реакции.

При исследовании стружки алюминия, обрабатываемого с применением четыреххлористого углерода в качестве смазывающе-охлаждающей жидкости, химическим анализом обнаружено заметное количество ионов алюминия и хлора в воде. На процесс резания оказывают значительное влияние газы и пары (например, сероводород) .

Кроме отведения тепла, образующегося при резании, действие охлаждающе-смазывающих жидкостей заключается в создании вокруг режущей кромки газовой атмосферы, которая способна действовать аналогично смазывающей жидкости, улучшая условия резания, и может обеспечивать получение поверхности хорошего качества.

В место контакта резца с металлом попадает не сама смазка, а газы или пары, способные к быстрому взаимодействию со свежеобнаженной поверхностью металла с образованием смазочной пленки. Большие давления в месте контакта, несомненно, приводят к испарению смазки и образованию разрежения в зоне резания.

В данном случае создаются благоприятные условия для быстрого проникновения активных газообразных компонентов смазки в зону резания и немедленной химической реакции с совершенно чистыми и сильно деформированными поверхностями металлов.

С введением различных газов в зону соприкосновения обрабатываемой детали с задней поверхностью твердосплавного резца стойкость резца либо увеличивается либо уменьшается. При резании со скоростью 120 м/мин азот повышает стойкость резца в 3 раза.

Подача кислорода, наоборот, снижает стойкость. В то же время кислород, образуя на поверхностях стружки и резца окисные пленки, предотвращает схватывание металлов.

При резании в вакууме, когда какая-либо химическая реакция невозможна, происходит схватывание поверхностей.

Все другие исследования также показывают, что для успешного резания важно не только механическое разрушение поверхностного слоя, но и химическое действие окружающей среды. Это подтверждается практикой многих заводов. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей с химически активными присадками’ улучшает чистоту поверхностей и повышает стойкость инструмента.

Так, применение четыреххлористого углерода, отличающегося высокой адсорбционной и химической активностью, повышает стойкость протяжек в 2 раза и чистоту поверхности на один класс при обработке жаропрочных сталей.

Добавление от 4 до до 25% четыреххлористого углерода к сульфофрезолу предотвращает схватывание и налипание стружки при развертывании отверстий из сталей ЗОХГСНА и 4Х14Н14В2М и дюралюминия Д16Т. На 60—80% повышается стойкость метчиков и разверток при обработке жаропрочных сталей с применением осерненного дестиллатного экстракта (55%) в смеси с дизельным топливом (45%) и 10%-ной эмульсией из осерненного эмульсола. При сверлении сталей аустенит-ного класса и сплавов на никелевой основе удовлетворительные результаты получены от применения смеси из 20% веретенного масла с 78% гипоидного масла и 2% серы, а также смеси из 30% касторового масла и 70% олеиновой кислоты. Улучшаются условия шлифования и чистота поверхности при шлифовании нике-лекобальтовых сплавов типа АНКО с применением эмульсии, состоящей из трех частей керосина и одной части активированной 4%-ной серы.

В настоящее время все больше предприятий применяют смазывающе-охлаждающие жидкости, в составе которых содержатся присадки серы или хлора. Эти присадки, взаимодействуя с поверхностью обрабатываемого металла, образуют на ней защитные пленки сульфидов или хлоридов металла. Пленки препятствуют возникновению контакта между инструментом и обрабатываемым металлом, облегчают сход стружки и уменьшают трение.

Особые трудности возникают при обработке титана. Это объясняется не только его склонностью к наклепу, но и способностью вступать в активное химическое взаимодействие с водородом, углеродом и кремнием при повышенных температурах (400—600°С).

Скорость, соответствующая образованию наростов (критическая скорость), ниже для марок твердого сплава с большим содержанием титана, чем для марок, в которых титана нет или если он содержится в малых количествах. Пленки ТЮ2, существующие при комнатной температуре или при низких температурах резания, не так эффективно предохраняют от налипания, как при повышении температуры резания титаносодержащими инструментами. Оксидная пленка ТЮ2 при повышенной температуре препятствует свариванию, а значит и образованию нароста. Насколько ярко будет выражено это явление, зависит от содержания титана или его карбида в твердом сплаве. Этим можно объяснить причину налипания стружки при резании чугуна с шаровидным графитом твердосплавными резцами, не содержащими титана или содержащими его в том или ином количестве.

Аналогичное явление было обнаружено и при шлифовании титановых сплавов. Известно, насколько затруднено шлифование их. Шлифовать титановые сплавы всухую (в атмосфере воздуха) опасно, так как образующиеся в процессе шлифования взрывоопасная мелкая титановая стружка и пыль могут воспламениться.

При применении воды условия шлифования ухудшаются из-за прекращения доступа воздуха к месту контакта; вода, расщепляясь, образует с металлом промежуточный продукт — гидрат титана, способствующий налипанию и привариванию частиц титана к зернам шлифовального круга. При применении керосина налипание стружки на зернах резко уменьшается благодаря высокой смачивающей и проникающей способности керосина. Между абразивными зернами и металлом образуются тонкие пленки, препятствующие прочному налипанию частиц металла. Однако абразивный круг быстро изнашивается.

Введение в керосин активных добавок не увеличивает стойкость круга. Следует отметить, что шлифовать титановые сплавы с применением керосина или масла в качестве охлаждения можно только при скоростях круга не больше 15 м/сек, так как при больших скоростях жидкость воспламеняется.

Исследуя причины плохой шлифуемости жаропрочных сплавов, было высказано предположение о возможном химическом взаимодействии материала шлифовального круга со шлифуемым жаропрочным сплавом. В состав сплава входит титан, который при высоких температурах, как было указано, весьма активен и в зоне контакта с абразивным кругом вступает с ним в химические соединения, образуя TiC, TiSi, TiSi2 и TiSi3.

Низкая теплопроводность сплавов приводит к еще большему увеличению температуры в зоне контакта и усилению химической активности контактирующих материалов (абразив—металл).

Опытами установлено, что при шлифовании теплостойкого сплава, содержащего титан, характер износа круга иной, чем при шлифовании обычных сталей. Частички сплава быстро налипают на вершины абразивных зерен, а поры остаются засоренными. Поверхность абразивных зерен на участках соприкосновения с налипшим металлом имеет такой же вид, как и после химического травления, но отличается от структуры поверхности, где не было налипания.

Для повышения эффективности шлифования сплавов, содержащих титан, целесообразно применять сма-зочно-охлаждающую жидкость, способную исключить химическую активность. Наиболее приемлемой для указанной цели жидкостью является водный раствор нитрата натрия с добавлением 0,5% смачивателя НБ (бутилнафталинсульфоната, по ГОСТ 6867-54), удельная производительность при этом повышается в 8 раз.

Другие исследования показали, что образующиеся в процессе шлифования под влиянием высоких температур окислы характерны не только для титаносодержащих сплавов. Другие марки сталей также легко реагируют с окисью алюминия. Химическая природа износа под воздействием нагрева при шлифовании, по-видимому, является общим свойством абразивов.

При шлифовании происходит кратковременное возрастание температуры с последующим периодическим охлаждением абразивных зерен при выходе их из контакта со шлифуемым металлом. Однако вследствие периодического нагрева и охлаждения абразивный круг интенсивно разрушается. Следовательно, задачей является найти способ образования защитных пленок на абразивных зернах и обрабатываемой поверхности, препятствующих возникновению химических реакций между ними при высокой температуре в зоне контакта.

Применяемые при шлифовании среды должны быть химически стабильны: не слишком щелочными и’ вместе с тем они не должны вызывать коррозии. Растворы нитрита натрия несколько отвечают этим требованиям. В большей степени соответствуют этим требованиям твердые смазки типа двусернистого молибдена (MoS2), в молекулах которого атом молибдена расположен между двумя атомами серы, вследствие чего в молекулярных слоях образуются как бы два слоя серы со слоем атомов молибдена между ними. Соприкасающиеся слои атомов легко скользят друг по другу.

Применение твердых смазок MoS2 позволяет снизить коэффициент трения и контактную температуру. Это происходит благодаря образованию в зоне шлифования защитных пленок в виде химических соединений. Эти пленки препятствуют контакту между абразивными зернами и шлифуемым материалом и предохраняют их от диффузионных процессов и химических соединений металла с абразивом.

Эффективное действие твердых смазок привело к созданию шлифовальных кругов с присадками теллура в качестве наполнителя круга. При нагреве до 700° С (температура в зоне контакта круга с деталью) теллур мгновенно вступает в реакцию со шлифуемым металлом, образуя защитные пленки, предотвращающие схватывание поверхностей.

Обработка давлением. Современная техника обработки металлов давлением по сущности процесса является одним из примеров применения химии.

При обработке металлов давлением наиболее эффективны химические способы предотвращения схватывания и заедания инструмента с обрабатываемым материалом. Как показывают исследования, сочетание химически активных смазок с механическим усилием приносит огромную пользу в таких процессах, как холодная прокатка и волочение.

Известно, что при больших нагрузках и скоростях скольжения смазка может быть выдавлена с поверхности металла. Следовательно, гидродинамические условия смазывания нарушаются, и смазочная пленка перестает надежно разделять трущиеся поверхности. Тогда решающую роль начинает играть молекулярное взаимодействие масляной пленки, но вследствие развивающихся высоких температур оно ослабевает и пленка теряет свои защитные свойства.

Изучению вопросов трения и выбора смазки при обработке давлением посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ и здесь нет необходимости подробно останавливаться на них. Отметим лишь, что в последние годы эти вопросы изучаются с химических позиций и именно этот путь оказывается наиболее перспективным для решения практических задач современной техники.

Еще многое в этом вопросе недостаточно изучено, многие объяснения противоречивы, однако установленным и почти общепризнанным сейчас является то, что коэффициент внешнего трения, имеющий, как известно, решающее значение при обработке давлением, есть функция физико-химического состояния поверхностей л в меньшей степени зависит от механических свойств металла. Значения коэффициентов внешнего трения трущихся металлов различны, в зависимости от наличия окислов либо других химических соединений на поверхности трения.

Исследования по определению коэффициентов внешнего трения при деформации специально окисленных поверхностей металлов, а также в вакууме и при наличии химически деятельных газов показывают, что глубокое окисление поверхности повышает внешнее трение; трение же в вакууме приводит к схватыванию поверхностей, а введение некоторых химически деятельных газов может резко снизить или, наоборот, в отдельных случаях увеличить коэффициент трения.

Изучая зависимость усилия при волочении металлов от толщины пленок окислов, исследователи определили, что с момента образования окисных пленок усилие при волочении остается неизменным при толщине пленок примерно 20 А. С увеличением толщин пленок путем нагревания образцов или химическим способом наблюдается рост усилия. При увеличении толщины пленок до 0,2 мк тянущее усилие волочения возрастает в 3 раза, продолжая расти и дальше, и достигает наибольшего значения при толщине пленок 1 мк. Заметное повышение коэффициента трения наблюдается на пленках бромидов меди, получаемых обработкой образцов в броме. В результате обработки поверхностей в спиртовом растворе йода коэффициент трения возрастает больше чем в 2 раза.

Значительно улучшается чистота поверхности и уменьшается усилие волочения при добавлении 1—5% олеиновой кислоты в керосин. По данным П. А. Ребиндера, добавление 0,2% стеариновой кислоты к вазелиновому маслу уменьшает время течения меди, олова и свинца до разрыва в 4—10 раз, а при добавке к вазелиновому маслу 0,001% церотиновой кислоты — в 30— 60 раз.

Таким образом, смазочное действие или качество смазки при обработке давлением в значительной степени зависит от химической природы смазочного слоя. При разумном применении химических смазок успешно решаются основные задачи — снижение до минимума работы внешнего трения при пластическом течении металла, получение однородных физико-механических свойств деформируемого изделия с необходимым качеством поверхности, а также уменьшение износа инструмента, применяемого при обработке давлением.

Износостойкость. Повышение износостойкости и срока службы машин является одной из важнейших задач современной техники.

Исследованию процессов трения и предотвращению износа трущихся поверхностей посвящено много работ. Как показывают исследования, сопротивление металлов износу при трении в значительной степени зависит от окисных и адсорбционных свойств пленок и прочности их сцепления с основным металлом.

Окисные и адсорбционные пленки, образующиеся при взаимодействии трущихся поверхностей, приводят к образованию связей менее прочных, чем металлические.

При сравнительно малых давлениях (10—20 кг/см2) продукты износа состоят преимущественно из окислов железа, т. е. при небольших нагрузках изнашиваются лишь окисные пленки. При чрезмерных нагрузках и больших скоростях протекают одновременно два процесса: окисление металла и пластическое деформирование с отделением продуктов износа.

Пластические деформации и диффузия кислорода (из воздуха) в металл происходят непрерывно, причем эти процессы взаимно усиливают друг друга.

Исследованиями Б. И. Костецкого установлено, что кислород воздуха, являясь основным элементом, который проникает в металл в процессе износа, способствует увеличению пластических деформаций.

Тончайшие поверхностные слои упруго и пластически деформируются на глубину сотых или десятых долей микрона. Одновременно пластически деформированные объемы металла насыщаются кислородом воздуха и смазки и частично углеродом смазки, образуя более твердые и более хрупкие вторичные структуры.

На поверхностях трения как бы непрерывно происходит химико-механический процесс: образование химических соединений и унос их в смеси с твердыми частицами металла и абразива, находящегося в смазке. Для предотвращения заеданий необходимо, чтобы образовавшаяся пленка окислов имела малую прочность.

Различная способность металлов к схватыванию объясняется различными свойствами окисных пленок. С помощью микродифракционных исследований установлено, что при комнатной температуре образуются аморфные пленки, тогда как при высокотемпературном окислении они преимущественно кристаллического строения. Аморфные окисные пленки обладают лучшими про-тивозадирными свойствами, чем кристаллические. Этим объясняется меньшая стойкость металлов к схватыванию при высоких температурах, чем при комнатной.

Металлографическими исследованиями установлено, что при трении задиры возникают в первую очередь по границам зерен. Установлена взаимосвязь износа материала с толщиной окисной пленки, при этом выявлено, что с увеличением времени окисления нагрузка разрушения возрастает.

С увеличением содержания кислорода происходит качественное изменение характера износа — переход от задирания к истиранию трущихся поверхностей. С одной стороны, кислород здесь играет положительную роль, предотвращая задирание стальных поверхностей, а с другой — его роль отрицательна, поскольку износ при истирании возрастает с увеличением концентрации кислорода.

Газовый химический анализ металла тончайших поверхностных слоев подшипников качения свидетельствует об увеличении содержания кислорода в металле работающих подшипников в 100—200 раз по сравнению с металлом неработающих подшипников.

Для удовлетворительной работы современных машин потребовалось создать новые смазки с добавками химических присадок, обладающие высокими противозадирными и противоизносными свойствами.

При трении металлических поверхностей в результате взаимодействия с присадками возникает слой химических соединений, препятствующих схватыванию и уменьшающих износ поверхности. В этой связи полагали, что углеводные смазочные жидкости типа цикло-гексана, цетана, фурфурола, динонилнафталина и других углеводородов с низким молекулярным весом не оказывают химического влияния на трущиеся поверхности.

Исследования, выполненные в последнее время, показывают, что и эти смазки не оказались за бортом химически действующих смазок. При опытах с бензолом и циклогексаном характер продуктов износа зависел от концентрации кислорода в смазочном материале. При очень низкой концентрации кислорода, когда имеет место интенсивный износ, продукты износа представляют собой черный ферромагнитный порошок FeC. При высокой концентрации кислорода, когда также наблюдается интенсивный износ, продукты износа представляют собой в основном Fe203 с примесью Рез04, причем количество Fe304 возрастает с уменьшением концентрации кислорода.

Опыты были проведены с углеводородами в двух фазах: в жидкой и в фазе пара. Результаты опытов (длительностью 1 час при нагрузке 50 кг и температуре 25 °С) обнаружили, что при действии жидкого цикло-гексана на трущихся поверхностях возникают грубые риски, причем концентрация циклогексана не имеет значения.

Бензол снижает износ при максимальных концентрациях кислорода. В фазе пара бензол образует еще большие риски при всех концентрациях кислорода. Цик-логексан в фазе пара только при высокой концентрации кислорода образует риски. При низких концентрациях (в пределах от 5 • 10 6 до 5,2-10“3) кислорода наблюдался незначительный износ.

Таким образом, оба испытанных углеводорода снижают износ. Жирные кислоты, так же как и чистые углеводороды, резко увеличивают коэффициенты трения соответственно температурам плавления жирных кислот.

При опытах в сухом воздухе возрастает коэффициент трения при температуре плавления не стеариновой кислоты, а стеарата меди. Стеарат меди образуется в результате реакции стеарина с окисью меди. Осмотр образцов подтверждает, что вместо белой пленки стеариновой кислоты появляется синевато-зеленая — цвет, характерный для стеарата меди.

При опытах во влажном воздухе коэффициент трения во всех случаях (при всех температурах до 200 °С) сохраняет низкое значение (0,045). При отсутствии кислорода и воды при трении не происходит химических реакций. Это подтверждают опыты по трению в атмосфере инертного гелия и особенно в вакууме.

Опыты показывают, что лишь одна выдержка в вакууме, сколь бы длительной она ни была, не оказывает заметного влияния на коэффициент трения. Прогревание в вакууме, при котором удаляются с поверхностей все адсорбированные пленки, способствует при скольжении свариванию поверхностей, а коэффициент трения повышается до очень высоких значений, никогда не наблюдаемых в обычных условиях (ц = 6 и больше) при наличии разделительных пленок.

Таким образом, оксидные или иные неметаллические пленки, особенно если они достаточно прочны, являются надежной защитой от схватывания, заедания, наволакивания трущихся поверхностей и, следовательно, препятствуют возникновению значительных, а иногда и катастрофических повреждений поверхностей при трении.

Стойкие против схватывания трущиеся пары получают не только в результате выбора соответствующих смазок либо материалов, Обладающих низкой способностью к схватыванию, но и химической, термохимической и электрохимической обработкой поверхностей трения.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум