Адгезионно когезионные

Трибофизика - это направление современной физики, изучающее процессы и явления, происходящие в реальных системах тел (трибосистемах), где тела контактируют друг с другом в условиях взаимного перемещения [6]. Трибофизика включает такие разделы, как термодинамика, статистическая физика, электродинамика, кинетика и др., и ее задачи выходят за пределы механики и материаловедения. Современный этап развития трибофизики характеризуется комплексным подходом к изучению и познанию явлений и процессов, протекающих на поверхностях и в поверхностных слоях взаимодействующих тел, применением высокоэффективных физических, химических и математических методов исследований и вычислительной техники. Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований позволил достигнуть существенного прогресса в понимании природы трения и изнашивания различных материалов при разнообразных внешних условиях и различных состояниях взаимодействующих поверхностей. Этому способствовали результаты исследования адгезионного взаимодействия металлов и полимеров при трении, структурно-фазовых превращений и реологии поверхностных слоев при различных температурах и уровнях внешнего энергетического воздействия, анализ и обобщение результатов на основе термодинамического подхода, позволившие сделать вывод о стремлении всей поверхностной материальной системы найти и перейти в наиболее выгодное структурно-энергетическое состояние при минимальном производстве избыточной энтропии и интенсивности изнашивания [6—8].

Наиболее сложным является механизм адгезионного взаимодействия полимерных тел с металлическими. Так, Д. Бакли [17] при исследовании контактного взаимодействия атомарно-чистых поверхностей вольфрама и фторопласта-4 с помощью автоионного микроскопа установил наличие интенсивного адгезионного взаимодействия, при котором молекулы фторопласта-4 на поверхности твердого тела представляют собой кластеры из трех атомов. Считается, что при адгезии фторопласта-4 в контакт с поверхностью металла входят атомы, расположенные на торце молекулы, т.е. происходит образование связи между поверхностью вольфрама и группой CF2, поэтому перенос идет кластерами из трех атомов. Вспомним, что макромолекулы фторопласта-4 представляют собой винтообразные цепи, состоящие из 26 групп CF2, которые могут кристаллизоваться с образованием гексагональной решетки.

Ряд интересных особенностей фрикционного взаимодействия определяется характером поведения тонких поверхностных слоев полимерных материалов. Вид и кинетика образования пленок фрикционного переноса у полимеров определяют величину коэффициента трения и интенсивности изнашивания, в особенности в контакте с металлами, ко-гезионная прочность которых значительно выше, чем у полимеров. При исследовании трения и изнашивания полимерных материалов установлена связь фрикционных характеристик с такими фундаментальными характеристиками материала, как энергия химической связи, спектры поглощения электромагнитного излучения и т.д. Чрезвычайно интересно открытие Е.А. Духовским, А.А. Силиным и др. у полимерных материалов явления аномально низкого трения, возникающего при облучении поверхностей трения частицами высокой энергии. Это открытие в явном виде обнаружило связь характеристик фрикционного взаимодействия с энергетическим состоянием поверхностного слоя твердого тела. Названная связь наблюдается и при обработке поверхностных слоев потоками частиц высоких энергий (ионное, электронное и лазерное облучение). Установлено снижение коэффициента трения в метал-лополимерной паре трения в 2-2,5 раза при ионной имплантации ионов молибдена, меди, дисульфида с энергией 40-100 кэВ в стальные, алюминиевые и титановые контртела, связанное с изменением структурно-энергетического состояния [33, 34]. В металлогюлимерной паре трения сталь-фторопласт-4 действует смешанный механизм адгезии, в котором присутствуют названные выше процессы. Подтверждение этому можно найти в ряде работ А.В. Белого, К).А. Евдокимова, В.Г. Савкина, В.А. Смургова и др.. посвященных исследованию различных механизмов адгезионного взаимодействия металлической и полимерной фаз.

Появление загрязнений, влаги и пленки окислов на металлических поверхностях влияет на коэффициент трения двояко. Силы молекулярного притяжения и адгезионного взаимодействия могут снижаться в сотни раз по сравнению с контактированием чистых ювенильных поверхностей металлов. Прочность окислов обычно меньше прочности основного металла, поэтому сопротивление "пропахиванию" и срезанию частиц при перемещении наряду с силами молекулярного взаимодействия значительно понижается, коэффициент трения уменьшается. В то же время толстые окисные пленки обладают меньшей твердостью, и при их появлении увеличивается площадь фактического контакта. При этом если увеличение площади контакта будет происходить быстрее, чем уменьшение механической составляющей силы трения, то произойдет увеличение силы трения.

Рассмотренные результаты исследований и предложенный механизм трения и изнашивания наполненного ПТФЭ согласуются с выводами других исследователей о механизме фрикционного взаимодействия полимеров с металлами. Основными и общими процессами этого механизма являются: образование связей полимер—металл за счет адгезионного взаимодействия; когезионное разрушение этих связей с переносом полимерных частиц на металлическую поверхность и образование на ней полимерной пленки фрикционного переноса; структурно-фазовые превращения с образованием новых структур и ориентация полимерных цепей в поверхностном слое и пленке фрикционного переноса. Характер структурно-фазовых превращений определяется видом полимерной матрицы, видом и количеством наполнителей, при этом линейные термопласты при определенных условиях могут образовывать жидкокристаллические структуры, как это было показано на примере ПТФЭ.

Основанием для использования непрерывной модели могут служить рассмотренные выше физико-химические процессы при трении. Принимая во внимание, что долговечность трибосистемы определяется характеристиками трения и изнашивания при установившемся режиме трения (режиме работы узла трения), ниже обосновывается и рассматривается модель, дающая описание процесса в установившемся режиме трения, т.е. в стационарном термодинамическом состоянии. При установившемся режиме трения, как было показано выше, поверхность металлической детали покрыта полимерной пленкой фрикционного переноса, которая прочно удерживается силами адгезионного взаимодействия. Образование физических и химических связей между полимером и металлом способствует реализации термодинамических процессов переноса энергии и вещества между этими двумя фазами одной термодинамичес-

Приведенные на рис. 7.19 результаты исследований подтверждают эффективность комбинированной модификации, и, как следует из представленных зависимостей, наибольший эффект повышения стойкости твердосплавного инструмента достигается в области высоких скоростей резания, т.е. в условиях активизации адгезионных и диффузионных процессов при изнашивании инструментального сплава. Комбинированная модификация твердосплавного инструментального материала, как показали исследования процесса резания, приводит к уменьшению зоны вторичных деформаций, что является следствием снижения степени адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом. В результате этого снижается уровень значений составляющей силы резания Лп„ отражающей характер трения в процессе трибо-механического взаимодействия. Изнашивание модифицированного инструментального материала характеризуется повышенной сопротивляе-

плазменной модифицирующей обработки используются источники магнетронного и вакуумно-дугового типа, а для ионно-лучевой обработки - источник ионов на основе дугового разряда. Предложенная технология позволяет обеспечить высокую адгезию покрытий с основой за счет активации адгезионного взаимодействия на границах раздела между слоями и улучшить антифрикционные свойства материалов.

Следует различать контактную усталость поверхностных слоев, которая возникает при чистом качении и проявляется в развитии местных очагов разрушения (питтинг), и усталостный износ, когда при трении скольжения отделение микрообъемов поверхностей связано с усталостной природой разрушения. При разрушении поверхностей таких сопряжений, как кулачок—ролик, зубчатые передачи, опоры качения и др., могут иметь место оба вида; разрушения. При большем проскальзывании основную роль играет изнашивание, которое протекает•; интенсивнее, чем образование осповидных (питтинговых) разрушений поверхности, Адгезионное изнашивание связано с возникновением в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного молекулярного (адгезионного) взаимодействия, силы которого превосходят прочность связей i материала поверхностных слоев с основным материалом, Образование адгезионных связей происходит в процессе

260. Борисова А. Л., Борисов Ю. С., Браун С. М. и др. Исследование адгезионного взаимодействия плазменных покрытий из эвтектических сплавов на жаростойких сталях.— В кн.: Высокотемпературная защита материалов. Л.: Наука, 1981, с. 115—120.

Стерман <и Брэдли [11] впервые исследовали физико-химиче-»ские характеристики пленки аппрета, адсорбируемой на поверхности стекловолокна. С помощью электронного микроокопа на репликах, изготовленных по методу Брэдли [2], они изучали степень :адгезионного взаимодействия и состояние пленок различных сила-новых аппретов, нанесенных на волокна Е-стекла. (При этом установлено, что полученный на поверхности волокна слой аппрета ^«толстый» (по сравнению с размерами молекул), неоднородный и -склонен « образованию агломератов в пространстве между волокнами. После экстрагирования аппретированных волокон в агапара-те Сокслета в течение 4 ч около 80% нанесенного аппрета удаляется, а оставшаяся часть присутствует в виде «островков».

Адгезионно-когезионные свойства (ФСе)........ 105

Адгезионно-когезионные ФСе (W0 баллов)

Адгезионно-когезионные свойства, физико-химиче ские и реологические характеристики «сухого остатка», стойкость пле нок к облучению, дождю, истиранию, абразив ному износу

Адгезионно-когезионные свойства пленок (ФСв), пластичные и реологические свойства «сухого остатка» (ДФС1б), атмосферостойкость (ДФСп), абразивостой-кость (ДФСи)

Таким образом, от загустителей (пластификаторов, наполнителей) зависят в основном адгезионно-когезионные взаимодействия в пленке.

В общем случае адгезионно-когезионные силы (работа W), определяющие такие понятия, как липкость пленки, ее механическую удаляемость (отрываемость), реологические свойства (твердость, пластичность), стойкость к атмосферным осадкам и абразивному износу может быть выражена через соответствующие составляющие:

Однако сами по себе адгезионно-когезионные свойства неинги-бированных пленок, особенно изоляционные характеристики, не определяют уровня их защитных свойств.

Адгезионно-когезионные силы ПИНС в растворителе оценивали по силе отрыва от продукта шлифованного стального диска на приборе типа рычажных весов.

Метод 28 — показатели 35, 36. Величины ф1 и фг характеризуют суммарные адсорбционно-хемосорбционные и адгезионно-когезионные свойства пленок, стойкость к моющим агрессивным растворам [20, 34—48]. Их измеряют на установке «ТОНЭР», разработанной для оценки ПИНС. При этом метод имитирует как условия воздействия агрессивного электролита во время эксплуатации автомобилей, так и воздействие моющих растворов во время мойки автомобилей. В методе использована лабораторная установка с рабочей ячейкой (рис. 19). Рабочий электрод в виде цилиндра, изготовленный из Ст. 3, соединен с ротором и опущен в стакан, играющий роль вспомогательного электрода, из нержавеющей стали Х18Н9Т. Электролитическим ключом ячейка соединена с электродом сравнения и подключена к потенциостату П-5827. Для работы выбран агрессивный моющий раствор, содержащий сульфат натрия и сульфонол. (ГОСТ 12389—69); рН раствора доводят до 3 концентрированным бромидом водорода. Наличие сульфонола придает раствору моющие свойства, а ионов 804^-, Вг-, Н+ — агрессивные. Испытание проводят в три стадии: первые две стадии оценивают показатели 35 и 36, а третья — абразивостойкость пленок и описана ниже (см. свойства ФСе).

Адгезионно-когезионные свойства (ФСв)

Адгезионно-когезионные свойства пленок ПИНС непосредственно связаны с их адсорбционно-хемосорбционными и защитными свойствами и определяются 8 методами и 9 показателями (см. табл. 9).