Способ оценки энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов при трении

 

Изобретение относится к физико-химической механике трения и может быть использовано для оценки и прогнозирования триботехнических свойств смазочных материалов на стадии лабораторных испытаний. Способ позволяет оценить способность смазочного материала сохранять свои эксплуатационные характеристики на заданном уровне. Оценка прочности смазочных материалов производится по величине энергии химических связей главных валентностей в ее молекуле, которая приравнивается к энергии активации деструкции смазочных материалов и определяется как разность энергии активации разрушения чистой и модифицированной при трении поверхности металлического образца. Для определения энергии активации разрушения поверхности используется метод микроцарапин, осуществляемый на микротвердомере Виккерса ПМТ-3. Результаты применения данного способа позволяют оценивать величину энергии термомеханической деструкции смазочного материала при трении в области рабочих режимов и характеризовать несущую способность смазочного слоя. 1 табл.

Изобретение относится к физико-химической механике трения и может быть использовано для оценки и прогнозирования триботехнических свойств смазочных материалов.

Для оценки энергии активации процессов разрушения смазочных материалов при взаимодействии с контактирующими поверхностями деталей узлов трения используют температурно-кинетические методы испытания.

Известен способ "горячей проволоки" (Матвеевский Р.М. и др. Смазочные материалы, справочник. М., 1989, с. 35-36), применяющийся для оценки энергии активации процесса химической модификации поверхности металлического образца при термическом разрушении смазочных материалов, состоящий в том, что в среду смазочного материала помещают тонкую проволоку, через которую периодически (импульсно) пропускают электрический ток. При этом проволока нагревается (до 600^oC) и на ее поверхности образуется непроводящий слой продуктов коррозии. Толщину модифицированного слоя Δh определяют по изменению электрического сопротивления проволоки по формуе (1) где r₀ - радиус проволоки; ΔR - изменение сопротивления проволоки; R₀ - начальное сопротивление проволоки.

Энергию активации процесса статической коррозии определяют как произведение тангенса угла наклона прямой, аппроксимирующей зависимость Δh/Δt от 1/T, на газовую постоянную R и приравнивают ее к энергии активации E_s процесса разрушения смазочного материала.

Указанный способ является аналогом заявляемого изобретения.

Недостатком приведенного способа оценки энергии активации процесса химической модификации поверхности образца при термическом разрушении смазочного материала является низкая точность получаемой оценки энергии активации процесса статической коррозии, так как не учитывается изменение под влиянием действующей температуры состоянии проволоки.

Известен также способ (ГОСТ 23.221-84) оценки условной энергии активации химической модификации при термическом разрушении смазочных материалов, при котором производят их испытания на четырехшариковых машинах трения (например, МАСТ-1) с непрерывным повышением температуры испытательной чашки до наступления температуры термического разрушения масла, по которой затем оценивают энергию активации испытуемого смазочного материала. Энергию активации химической модификации рассчитывают по формуле где C₁, C₂ - концентрации исследуемой присадки в вазелиновом масле; T_хм1, T_хм2 - температуры химической модификации при концентрациях C₁ и C₂; R - универсальная газовая постоянная.

Указанный способ принимается за прототип заявляемого изобретения.

Недостатком данного способа является нехарактерный для узлов трения машин режим испытания смазочных материалов: "точечный" контакт трех закрепленных шаров с вращающимся четвертым, форсированная силовая и температурная нагрузка, что затрудняет химическую модификацию поверхности за счет взаимодействия компонент смазки с материалом поверхностей трения, снижает достоверность получаемой оценки значений энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов и не позволяет выявить нелинейные отклонения активационных параметров в температурно-кинетических зависимостях.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе оценки энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов при трении производится оценка энергии активации разрушения поверхности металлического образца методом микроцарапин до и после химической модификации, происходящей в результате приработки поверхности образца в среде испытываемого смазочного материала; разность полученных значений приравнивается к искомой величине энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов. Полученная оценка может применяться в трибологии для определения прочности материала смазочного слоя. Это обусловлено тем, что в процессе трения, под действием высоких температур и давлений в зоне фактического пятна касания происходит деструкция молекул смазочного материала с образованием активных центров (свободных радикалов) и их химическое взаимодействие с металлом. Одновременно изменяется химический состав и свойства смазочного материала за счет взаимодействия с кислородом, другими компонентами среды и материалом поверхности твердых тел. Так как не существует способов прямого определения энергии разрушения молекул жидкого смазочного материала, энергию химической связи главных валентностей в молекулах смазочного материала оценивают по разности энергий активации разрушения "чистых" и химически модифицированных поверхностей металлов, взаимодействующих с испытываемой смазкой. При термомеханической деструкции молекул исследуемого смазочного материала, нанесенного на поверхность металлического образца, и химическом взаимодействии свободных радикалов и атомов металла со смазкой образуются новые связи между разнородными атомами, что приводит к повышению энергии решетки металла. При этом из-за малости температуры термодеструкции смазочных материалов по отношению к температуре фазовых превращений в металле, в процессе модификации сохраняется исходная кристаллическая структура в поверхностном слое образца, но меняется его химический состав.

Предлагаемый способ оценки энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов основан на оценке разницы энергии деформации поверхностей металлических материалов методом микроцарапин до и после химической модификации в испытываемом масле при трении.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом: На поверхностях отобранных образцов в режиме пластической деформации образуют микроцарапины. После оценки объема деформации (количество оттесненного материала) и касательных напряжений по формуле

где A_деф - работа деформации, кДж];
V_деф - количество деформированного материала, [моль] ; рассчитывают энергию, затраченную на эту деформацию.

Работу A_деф, затраченную на пластическую деформацию, для малых скоростей и объемов деформации приравнивают к работе силы трения (Кузнецов В.Д. Физика резания и трения металлов и кристаллов. М., 1977, с. 74-79) и оценивают как
A_деф=F_дефl·10^-3=m·g·f·l·10^-3, (4)
где m - нагрузка на индентор, кг;
g - ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с;
f - коэффициент пластического трения, для металлов f 0,2;
l - путь трения, м.

Тестированные вышеизложенным методом образцы подвергают изнашиванию в среде испытываемого смазочного материала. Материал образцов, вид обработки поверхностей, тип испытательного устройства и режим испытаний выбираются по назначению изучаемого узла трения. Испытания продолжаются до установления стационарного режима износа, при котором достигается полная модификация поверхностей элементами, содержащимися в смазке.

На изношенных поверхностях производится повторная оценка энергии деформации, но уже модифицированного слоя материала.

Разница энергии деформации свежеобработанных и изношенных образцов интерпретируется как энергия активации термомеханической деструкции смазки и рассчитывается по формулам:
Количество активированного за счет деформации вещества:

где V_o - объем борозды, образованной за один проход индентора, мкм³;
V_Σ- объем борозды, образованной при N повторных проходах индентора по первой борозде, мкм³;
V_m - молярный объем металла, мм³/моль;
N - число повторных проходов индектора, N = 3...5;
S₀ - ширина первой борозды, мкм;
S_N - ширина борозды после N проходов индентора;
l - длина царапины, м.

Энергия активации:

Точность получаемой оценки энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов при трении обеспечивается за счет свойства материала аддтивно накапливать внутреннюю энергию решетки при образовании новых связей атомов основного металла и свободных радикалов и при разрушении высвобождать накопленную энергию, повышая стойкость к механическому разрушению, а также за счет подобия структурных превращений при царапании свежеобработанной и модифицированной поверхностей.

Осуществление способа позволяет:
- получить оценку неизвестной ранее триботехнической характеристики смазочного материала - энергии активации термомеханической деструкции смазочного материала при трении, характеризующей его стойкость в поле действующих температурных флюктуаций и механических напряжений;
- ускорить проведение испытаний за счет отсутствия необходимости контролировать температуру химической модификации.

Производилась оценка энергии активации термомеханической деструкции смазки "Shevron-SR". Для этого выполнялась следующая последовательность операций.

Образец из стали 40Х обрабатывали по технологии, принятой для стальных прямолинейных направляющих - цементация (HRC-50) и шлифование R = 0,1 мкм.

Производили оценку энергии активации U₀₁ свежеобработанного поверхностного слоя образца путем нанесения микроцарапин. При этом:
На поверхность образца опускали индентор с навеской 0,05 кг.

Поворотом маховика поперечного смещения столика производили царапание поверхности образца индентором. Длина царапины l ≈ 0,5 мм.

Индентор поднимали и устанавливали образец под микроскоп, с помощью которого замеряли ширину полученной борозды.

Повторяли царапание с числом повторных проходов индентора N = 4.

Для каждого опыта определяли энергию активации материала по формуле (6).

Производили испытания образцов на машине трения в среде смазки "Shevron-SR" при температуре 50^oC, нормальной нагрузке 5 МПа, числе двойных ходов в минуту n = 200, длине хода 20 мм, время испытания 2 ч.

Производили оценку энергии активации U₀₂ испытанных образцов, аналогично указанному выше способу. Каждый замер повторяли пять раз. Среднестатические результаты испытаний (рассеяние около 5%) приведены в таблице.

Таким образом, энергия активации термомеханической деструкции смазки "Shevron-SR" составила E_см = U₀₂ - U₀₁ = 36 кДж/моль.

Формула изобретения

Способ оценки энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов при трении, заключающийся в том, что производят химическую модификацию поверхности металлического образца и оценивают энергию активации смазочного материала, отличающийся тем, что энергию активации термомеханической деструкции смазочного материала при трении оценивают по величине запасенной энергии кристаллической решетки металла, накопленной в процессе химической модификации поверхности образцов, происходящей при их трении в среде испытуемой смазки, как разность энергии активации разрушения чистого и модифицированного слоев поверхности металлического образца.

РИСУНКИ

Рисунок 1