Трение со смазкой (граничное и гидродинамическое трение)

Лекция 2.4.

4.Трение со смазкой

Известны два режима трения со смазкой - это граничное трение и гидродинамическое трение.

При граничном трении  пятна фактического контакта разделены смазочным слоем, состоящим из адсорбированных молекул. Он имеет толщину порядка 1-2 нм. При гидродинамическом трении трущиеся поверхности разделяет слой жидкости толщиной 1-2 мкм. Рассмотрим вначале граничное трение.

4.1Граничное трение

Режим граничного трения имеет место только при наличии на контакте слоя адсорбированных молекул. Для его существования этот слой должен в точках контакта оказывать противодавление, равное нормальному давлению. (Это 1.5- 12 тыс. атм.). Поскольку адсорбированные молекулы могут свободно перемещаться вдоль поверхности, при невыполнении этого условия они будут выдавлены из точек контакта. При отсутствии на контакте смазочного слоя происходит переход в режим сухого трения. При этом коэффициент трения возрастает в разы, а скорость износа на 1-2 порядка.

Имеющиеся экспериментальные зависимости свидетельствуют о том, что режим граничного трения является саморегулирующимся процессом. Изменение давления, температуры, концентрации, скорости скольжения в ограниченной области мало влияет на коэффициент трения и скорость изнашивания, но при выходе из этой области при достижении критических значений этих параметров коэффициент трения и скорость износа резко возрастают.

В настоящее время известен ряд описательных моделей граничного трения. B.Б.Гарди [1] полагал, что адсорбированные молекулы жирных кислот ориентируются перпендикулярно к поверхности, что является причиной снижения коэффициента трения. Ф.Боуден и Д.Тейбор[1]дополнили картину Гарди контактами металл-металл, на которых создаются мостики сварки. (Рис.4.1)

Рис. 4.1 Гипотеза Боудена и Тейбора о граничном трении

В соответствии с представлениями В.Ф.Левченко- Б.В.Дерягина [1] при граничном трении имеется слой из адсорбированных молекул, ориентированных перпендикулярно поверхности трения, который имеет толщину превышающий высоту неровностей (Рис. 4.2).

Рис. 4.2. Гипотеза Дерягина-Левченко о формировании структурно- упорядоченного эпитропного жидкокристаллического слоя граничной смазки

Эти гипотезы не объясняют даже качественно механизм снижения коэффициента трения и не позволяют рассчитать из независимых данных ни критических параметров температуры, давления, концентрации, ни значения коэффициента трения. Кроме того, эти гипотезы противоречат твердо установленным положениям физической химии вообще  и адсорбции в частности.

Следует заметить, что Б.В.Дерягин [1] полагал, что молекулярные силы действуют на очень большие расстояния. В 70 годы он зарегистрировал открытие явления повышения плотности воды в кварцевых капиллярах вследствие действия молекулярных сил стенок капилляров. В дальнейшем выяснилось, что причиной повышения плотности воды явилось растворение поверхностных слоев кварцевых капилляров в воде. Дело в том, что примеси ионов натрия, имеющиеся в кварце, при плавлении концентрируются на поверхности, создавая силикат натрия - растворимое стекло. Открытие было закрыто. На самом деле протяженность молекулярных сил не превышает 0,7 нм.

Что же такое адсорбция?

Адсорбция — это концентрирование вещества (адсорбата, адсорбтива) из газа или раствора на поверхности твердого тела (адсорбента) [2]. Различают химическую и физическую адсорбцию. При химической адсорбциимолекулы адсорбата образуют поверхностное химическое соединение с адсорбентом. При физической адсорбции молекулы адсорбата удерживается молекулярными связями (дисперсионными, ориентационными, индукционными). В отличие от химических связей, молекулярные связи возникают практически мгновенно. Поэтому скорость физической адсорбции лимитируется только транспортом молекул к поверхности и скоростью теплоотвода.

При физической адсорбции на неполярной поверхности, например металлов или графита, адсорбция вызывается только дисперсионными силами. Особенностью адсорбционных взаимодействий состоит в том, что атомы адсорбированной молекулы взаимодействует не с одним центром на поверхности адсорбента, но со всеми соседними атомами адсорбента. Величина энергии дисперсионного взаимодействия каждого из углеродных атомов молекулы, адсорбированной на поверхности, составляет по различным оценкам 2,4-3 кДж/моль. Поэтому молекулы адсорбированных жирных кислот располагаются параллельно, но не перпендикулярно к поверхности трения (как в гипотезах Гарди, Боудена, Дерягина-Левченко).