Влияние электрического потенциала на механохимические процессы при граничном трении скольжения

Атомные и молекулярные взаимодействия в трибосистемах с граничным трением скольжения обычно выражаются механическими, физическими и химическими процессами [1]. Течение их чрезвычайно чувствительно к изменению давления, скорости, температуры и других факторов. Молекулярный механизм граничного трения изложен в работах В. Гарди [2], а химический – Боуденом [3; 4]. Помимо перечисленных процессов, малоизученными остаются химические, механохимические, электрические и электромагнитные явления, возникающие и протекающие на поверхностях при граничном трении скольжения.

Целью настоящей работы является определение влияния электрического потенциала на механохимические процессы и параметры износа при испытании смазочных материалов.

Методика исследования. Испытания проводились на трехшариковой машине трения [5] со схемой трения «шар–цилиндр». Отличительной особенностью конструкции машины является то, что каждый из трех шаров контактировал с поверхностью цилиндра по индивидуальной дорожке трения, причем они электроизолированы друг относительно друга. Через один из шаров пропускался постоянный ток (100 мкА) от стабилизированного источника постоянного напряжения (3 В).

Вкачествеобразцоввыбранышар (подшипник№ 1210) диаметром 9,5 мм и верхняя обойма концевого роликового подшипника № 30208 диаметром 80 мм. Образцы использовались многократно путем переточки обоймы абразивными лентами разной зернистости, ашар проворачивается в держателе. Оба образца изготовлены из ста-лиШХ15.

Режимы трения: нагрузка – 13 Н, скорость скольжения - 0,68 м/с, температура масла - 80 ° С, время испыта-ния–2часа.

Результаты исследований и их обсуждение. Величина тока, протекающего через фрикционный контакт после преобразования, регистрировалась на компьютере в виде диаграммы. Противоизносные свойства моторных масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах и коэффициенту электропроводности фрикционного контакта [6], определяемому отношением тока, протекающего через фрикционный контакт к заданному току (100 мкА) при статическом положении образцов.

Влияние полярности тока и его величины на износ материалов пар трения и коэффициент электропроводности (рис. 1) исследовался на минеральном моторном масле ЛУКОЙЛ стандарт 10W-40 SF/CC. Полярность тока изменялась после 5 минут испытания. Согласно представленным данным (рис. 1, а ), диаграмма характеризует изменение тока, протекающего через фрикционный контакт при положительном потенциале на шаре и заданной величине тока 100 мкА. На данной зависимости наблюдаются три характерных участка. На первом, на котором ток максимален и равен заданному, происходит металлический контакт поверхностей трения образцов в результате пластической деформации.

Второй участок диаграммы характеризуется уменьшением тока до определенной величины. В этот период пластическая деформация переходит в упругую и на поверхности шара образуются защитные пленки, уменьшающие величину тока. Данные пленки обладают высоким оптическим сопротивлением, так как ток уменьшается до значений равных ® 10 мкА.

Третий участок диаграммы характеризуется стабилизацией тока на определенном значении. В этот период реализуются, в основном, упругие деформации на фрикционном контакте и происходят процессы формирования и разрушения защитных граничных слоев, площадь которых на поверхности трения изменяется, вызывая колебания тока.

Диаграмма записи тока, протекающего через фрикционный контакт при периодическом изменении полярности тока, представлена на рис. 1, б . Изменение полярности тока проводилось через 5 минут. Согласно представленным данным, при изменении полярности тока происходитего изменение. Так, при положительном потенциале на шаре ток уменьшается до значений равных 10 мкА, а при отрицательном потенциале он равен приблизительно 50 мкА. В этой связи можно утверждать, что при положительном потенциале на шаре защитные пленки образуются, а так как площадь пятна износа на шаре значительно меньше площади контакта на обойме, то защитные пленки образуются быстрее и практически полностью покрывают поверхность трения, увеличивая оптическое сопротивление контакта и уменьшая ток.

При отрицательном потенциале на шаре защитные пленки образуются на обойме за счет положительного

7 2 13

122$ 1230   123$ 1240   124$ 1250   12$$   1300   130$ 1310   131$   1320 1323   1330   133$ 1340   134$   13 $0 13$$   1400

0053 1000   1005 1010 1013 1020 102$ 1030 103$ 1040 1043 1030 1033 ПОО ПОЗ 11 10   11 13 1120 1123 ИЗО 113$

г

Рис. 1. Диаграммы тока, протекающего через фрикционный контакт при испытании минерального моторного масла ЛУКОЙЛ стандарт 10w-40 SF/CC: а – заданный ток равен 100 мкА;

б и г – циклическое изменение полярности тока на шаре; в – заданный ток равен 200 мкА

потенциала, атак как площадь контактируемой поверхности значительно больше, то на контакте происходят упругопластические деформации, увеличивающие ток. Это подтверждается показателями износа. Так, при положительном потенциале на шаре износ составил 0,267 мм, апри отрицательном – 0,393 мм. Увеличение износа связано с увеличением продолжительности упругопластических деформаций на контакте в результате циклического изменения полярности тока.

Диаграмма записи тока при увеличении заданного тока от 100 до 200 мкА представлена на рис. 1, в . Из представленной диаграммы видно, что она по аналогии с диаграммой (см. рис. 1, а ) имееттри характерных участка с пластической, упругопластической и упругой деформациями. Отличительной особенностью диаграмм, полученной при заданном токе 200 мкА на участке упругой деформации является то, что среднеарифметическое значение тока составляет 20 мкА, а при заданном токе 100 мкА (см. рис. 1, а )– 15 мкА.

При циклическом изменении потенциала на шаре (см. рис. 1, г ) наблюдается аналогичная картина, что и при токе 100 мкА (см. рис. 1, б ). Различия заключаются в величине тока при отрицательном потенциале на шаре, который составляет для шести циклов 100 мкА, а при дальнейшем испытании он уменьшается до 70 мкА и ниже. Это объясняется тем, что с увеличением заданного тока до 200 мкА на обойме с положительным потенциалом увеличивается скорость образования защитных пленок. Показатель износа при положительном потенциале на шаре составил 0,273 мм, а при циклическом изменении потенциа-ла– 0,287 мм. Поэтому с увеличением заданного тока от внешнего источника различия в износе шаров без циклического изменения потенциала и с его изменением уменьшается по сравнению с данными, полученными при заданном токе 100 мкА за счет увеличения скорости образования защитных пленок, представляющих собой химическое соединение металла с компонентами присадок.

Проведенными исследованиями показана возможность повышения противоизносных свойств смазочных материалов за счет создания дополнительного электрического потенциала на поверхностях трения.

Влияние электрического потенциала на параметры износа исследовалось на моторных, трансмиссионных и гидравлических маслах различных базовых основ, результаты которых сведены в таблицу. Результаты получены при положительном потенциале на шаре и без пропуска- ния тока через фрикционный контакт. Заданная величина тока составила 100 мкА.

В таблице параметр износа с током получен при положительном потенциале на шаре.

Из представленных в таблице данных видно, что значения параметра износа при пропускании тока через фрикционный контакт для моторных и гидравлических масел различаются незначительно, однако для трансмиссионных масел ток оказывает существенное влияние на противоизносные свойства, они улучшаются более чем в2раза.

Влияние положительного и отрицательного потенциала на шаре отстепени окисления смазочного масла исследовалось на авиационном моторном синтетическом масле ВНИИНП – 50–1–4Ф. Степень окисления масла оценивалась путем прямого фотометрирования по коэффициенту поглощения светового потока.

Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока при положительном ( а )и отрицательном ( б ) потенциалах на шаре представлены на рис. 2. Причем ток величиной 100 мкА пропускался через одну пару трения, а через две другие – не пропускался.

Согласно представленных данных, при положительном потенциале на шаре (кривая 1) износ меньше, чем при отсутствии тока в парах трения. Причем при положительном потенциале противоизносные свойства масла снижаются с увеличением коэффициента поглощения светового потока до значения К _П= 0,3 ед., а в пределах значений К _П от0,3 до 0,6 ед. противоизносные свойства повышаются. При значениях К _П >0,6ед. наступает стабилизация износа на уровне значений неокисленного (товарного) масла.

При отсутствии потенциала на шарах (кривая 1') про-тивоизносные свойства также понижаются до значения при значениях К _П от0,3 до 0,5 ед., ав диапазоне К _П от0,5 до 0,82 ед. наблюдается медленное повышение противо-износных свойств.

Отличительной особенностью зависимости (кривая 1') является то, что при значениях К _П >0,5 ед. противоизнос-ные свойства масла выше, чем у товарного (неокислен-ного) масла (точка на ординате). При положительном потенциале на шаре (кривая 1) установлено, что проти-воизносные свойства масла ниже, чем у товарного при всех значениях коэффициента К _П.

Общей закономерностью изменения противоизнос-ных свойств окисленного масла независимо от потенци-

Результаты испытания смазочных масел на противоизносные свойства

Марка масла	Параметр износа, мм
	с током	без тока
Минеральные моторные масла М10-Г2К	0,3	0,28
Utech navigator 15W-40 SG/CD	0,28	0,3
Частично синтетические масла ТНК 10W-40 SL/CF	0,38	0,34
ЛУКОЙЛ-Супер 10W-40 SG/CD	0,26	0,26
Синтетические моторные масла Castrol GTX Magnatec 5W-40 SL/CF	0,32	0,33
ЛУКОЙЛ-Синтетик 5W-40 SL/CF	0,3	0,27
Гидравлическое синтетическое масло HLP-10	0,38	0,37
Трансмиссионные масла ТНК транс 85W-90 GL-5	0,24	0,62
Agip RotvaFe 75W-80 GL-4	0,3	0,61

ала на шарах является снижение противоизносных свойств до значения коэффициента поглощения светового потока равного 0,3 ед. Однако противоизносные свойства масла выше при наличии положительного потенциала на шарах. Это может объясняться влиянием электрического тока на сорбционные процессы, ускоряющие образования на поверхностях трения защитных граничных пленок, предотвращающих металлический контакт.

Рис. 2. Зависимость диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока при испытании синтетического моторного масла ВНИИНП – 50–1–4Ф: а – при положительном потенциале на шаре;

б –при отрицательном потенциале на шаре; 1 'и 2 ' – без пропускания тока через фрикционный контакт

При отрицательном потенциале на шарах (рис. 2, б, кривая 2) установлены два характерных участка при значениях коэффициента поглощения светового потока КП=0,3ед.иКП= 0,6 ед., при которых противоизносные свойства окисленных масел повышаются, однако они хуже, чем у товарного (неокисленного) масла. При отсутствии потенциала на шарах (кривая 2') противоизнос-ные свойства окисленных масел снижаются до значения коэффициента КП = 0,3 ед., затем с увеличением коэффициента КП они улучшаются и при КП =0,4 ед. противоиз-носные свойства превышают значения для товарного масла. В общем случае противоизносные свойства окис-ленныхмаселприкоэффициентеКП=0,35 ед. выше, чем у масел, испытанных при отрицательном потенциале на шарах. Это может объясняться тем, что при отрицатель- ном потенциале на шарах (кривая 2) граничные защитные пленки образуются на поверхности обоймы, площадь контакта которой значительно больше, поэтому продолжительность пластической и упругопластической деформаций значительно больше, что вызывает увеличение износа.

Анализ зависимостей диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока показывает, что независимо от потенциала на шарах и его отсутствии про-тивоизносные свойства окисленного синтетического масла ВНИИНП – 50–1–4Ф понижаются до значения коэффициента К _П= 0,3 ед., т. е. образующиеся при этом продукты окисления не способны создавать на поверхностях трение прочные граничные пленки. При значениях коэф-фициента К _П=0,3 ед. и отсутствии электрического потенциала на шарах противоизносные свойства окисленных масел повышаются. Это, по-видимому, связано с появлением продуктов окисления иного состава.

В результате проведенных исследований показано, что при положительном электрическом потенциале на шарах показатель износа окисленных масел наименьший.

Влияние электрического потенциала на показатель износа предложено оценивать коэффициентом влияния потенциала К _ВП, определяемого выражением

КВП=U/UТ, где U – износ без потенциала на шарах; UТ –износспо-тенциалом на шарах.

Зависимости коэффициента влияния электрического потенциала на коэффициент влияния электрического потенциала от коэффициента поглощении светового потока представлены на рис. 3. Если потенциал не оказывает влияния на параметр износа, то коэффициент К _ВП =1. Если значения коэффициента К _ВП > 1, то это означает, что потенциал понижает параметр износа, а при К _ВП< 1 он его увеличивает. Согласно представленным на рис. 2 данным, положительный потенциал на шарах (кривая 1) увеличи-ваеткоэффициент К _ВП, причем при окислении синтетического масла ВНИИНП – 50–1–4Ф до коэффициента К _П = 0,5 ед. он снижается практически до единицы, азатем увеличивается. Также изменение коэффициента К _ВП может объясняться различием в структуре продуктов окисления.

Рис. 3. Зависимость коэффициента влияния электрического потенциала от коэффициента поглощения светового потока: 1 – положительный потенциал на шарах;

2 – отрицательный потенциал на шарах

Наибольшее влияние положительного потенциала наблюдается у товарного (неокисленного) масла, при этом коэффициент К _ВП = 2,4 ед.

При отрицательном потенциале на шарах (кривая 2) коэффициент К _ВП с увеличением коэффициента поглощения светового потока меньше единицы заключением товарного масла и окисленного до К _П = 0,3 ед., когда К _ВП > 1.

Таким образом, при отрицательном потенциале на шарах показатель износа больше, чем при его отсутствии.

На основании проведенных исследований установлено, что при создании электрического положительного потенциала на малой площади контакта (шара) на поверхности образуются защитные пленки, способные разделять поверхности трения и уменьшать износ как товарного, так и окисленного моторного синтетического масла ВНИИНП – 50–1–4Ф. Это явление объясняется адсорбцией кислых продуктов окисления и образованием на поверхности трения органических соединений. Применение этого явления может значительно повысить надежность трибосистем.