Электрохимические свойства и строение фрикционного контакта при трении в режиме безызносности

Актуальность темы

Самоорганизация, при трении связывается обычно с адаптивным поведением элементов трибосистемы, что проявляется в уменьшении силы трения и износа контактирующих тел. В ряде случаев, например, при реализации эффекта безызносности, самоорганизация обеспечивает уникальные триботехнические характеристики пары трения: коэффициент трения ~10'3 и интенсивность изнашивания ~10″ 12.

В настоящее время фундаментальные теоретические особенности самоорганизации при трении изучены не достаточно полно, что обусловлено практическим отсутствием методик, позволяющих получать в реальном масштабе времени информацию о физико-химических свойствах поверхности фрикционного контакта в ходе эволюции трибосистемы. Среди небольшого количества методов физико-химического анализа, которые можно использовать для этих целей особое место занимают электрохимические, позволяющие исследовать механизм формирования и структуру граничных слоев на поверхности металлов. Однако, они редко применяются в практике трибологических исследований. Так, практически не исследованы электрохимические свойства фрикционного контакта при трении в режиме безызносности даже в классической трибосистеме «латунь-глицерин-сталь», хотя участие электрохимических механизмов в формировании особой структуры граничного слоя при реализации избирательного переноса не вызывает сомнения. Кроме того, эволюционный переход трибологических систем к сверхантифрикционности и безызносности до сих пор не связан с прямыми экспериментальными наблюдениями изменений физико-химических свойств поверхности контакта.

В связи с этим поиск средств и методов, позволяющих осуществлять контроль и управление трибологическими объектами в процессе их самоорганизации представляется несомненно актуальным.

Кроме того, поскольку химический состав трибосистемы предопределяет как саму возможность самоорганизации при трении, так и ее триботехнические свойства, а в трибосистеме «латуньглицерин — сталь» смазочная среда является электролитом, где электрохимические механизмы взаимодействия трущейся поверхности со смазкой в процессе трения, несомненно, играют одну из ведущих ролей, то актуальность темы работы обусловлена еще и необходимостью определения роли электрохимических процессов в механизме формирования граничных слоев при самоорганизации в режиме безызносности.

Основанием для выполнения работы служили: программы Министерства образования и науки Российской федерации: «Университеты России» за 1994;1998г.г., «Экспортные технологии и международное сотрудничество» на 1998;2000г.г., «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» (код 01.01.03.) за 1999;2000г.г.

Цель работы. Целью работы является исследование электрохимических свойств поверхности фрикционного контакта и механизма образования серфинг пленки при трении медных сплавов по стали в водно-органических средах, изучение кинетики трибоэлектрохимических превращений трущихся материалов и выявление механизма фрикционного взаимодействия для обеспечения возможности контроля и управления триботехническими свойствами узлов трения в процессе перехода к самоорганизации в условиях избирательного переноса.

Для реализации данной цели необходимо решение следующих задач:

• разработка методики измерения коррозионного потенциала поверхности трения в процессе фрикционного взаимодействия;

• экспериментальное обоснование взаимосвязи электрохимических и триботехнических характеристик системы;

• исследование кинетики и механизма анодного растворения металлов в водных растворах одно-, двухи трехатомных спиртов в стационарных условиях и при трении;

• изучение особенностей коррозионного поведения металлов и сплавов, реализующих эффект безызносности в водно-органических средах и учет этих особенностей в механизме самоорганизации;

• выявление трибологических и электрохимических проявлений самоорганизации в ходе фрикционного взаимодействия в режиме избирательного переноса.

Научная новизна и значимость. В работе впервые проведено исследование и сопоставление триботехнических и электрохимических характеристик поверхности трения трибосистем «медный сплав-водный раствор спиртасталь» в систематическом ряду одно-, двухи трехатомных спиртов. Выявлено влияние атомности и длины углеводородной цепи спиртов на кинетику анодных процессов в стационарных условиях и при трении. Изучена кинетика электрохимических процессов на поверхности трения в процессе фрикционного взаимодействия медного сплава и стали в водно-органических средах. На основании экспериментальных данных обсуждены возможные механизмы самоорганизации при переходе трибосистемы в режим безызносности с учетом протекающих в ней трибохимических и электрохимических превращений в зоне фрикционного взаимодействия.

Практическая ценность. В ходе выполнения работы разработаны методики потенциодинамических и хронопотенциометрических исследований в процессе фрикционного взаимодействия, позволяющие осуществлять оперативный контроль электрохимических характеристик трибосистемы. Разработана конструкция трибоэлектрохимического измерительного комплекса. Выполнено аппаратурное оформление его аппаратно-программной подсистемы многопараметрического оперативного контроля состояния трибосопряжения на базе ПК, специализированного контроллера ввода-вывода L-205 с процессором ЦОС ADSP-2105 и потенциостата ПИ-50.1.1.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: International Conference Of Colloid Chemistry and Physical-Chemical Mechanics, — Moscow, 1998; Втором Всероссийском семинаре «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении, — Воронеж, -1999; Международной конференции «Надёжность и качество в промышленности, энергетике и на транспортер-Самара, — 1999; Второй и Третьей Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов». Новочеркасск, -1999, 2000, а также на ежегодных конференциях профессорскопреподавательского состава ДГТУ 1998;2000.

Публикации. По результатам работы опубликовано 12 печатных работ в отечественной и зарубежной печати.

Основные выводы:

1.Разработана конструкция трибоэлектрохимического измерительного комплекса, его аппаратно-програмная часть и методики исследования электрохимических свойств поверхности трения в процессе фрикционного взаимодействия.

2. В систематическом ряду одно-, двухи трехатомных спиртов проведено детальное исследование эволюции электрохимических свойств самоорганизующихся трибосистем «медный сплав — водный раствор спиртасталь». Показано, что самоорганизация в изученных системах связана со скачкообразным изменением электрохимических характеристик фрикционного контакта и проявляется в росте стационарного электродного потенциала.

3. При исследовании эволюции трибоэлектрохимических свойств самоорганизующихся трибосистем, обнаружены критические точки, в которых одновременно триботехнические и электрохимические свойства изменяются скачком.

4.Изучено влияние химической структуры спиртов на возможность реализации избирательного переноса. Установлено, что увеличение в молекуле спирта длины углеводородной цепи, количества ОНгрупп и их местоположением приводит к улучшению триботехнических свойств смазки и способствует реализации эффекта безызносности при трении. б. Трибоэлектрохимические свойства металлов и сплавов в водно-органических средах коррелируют с электрохимическими особенностями их поведения в стационарных условиях, что позволяет применить теорию анодного растворения сплавов к исследованию кинетики и формирования граничных слоев, определяющих трибо-логические характеристики пар трения.

6.Установлено, что корреляция изменений стационарного электродного потенциала поверхности трения с изменениями силы трения указывает на общность, взаимосвязанность и взаимозависимость механизмов, отвечающих за изменения электрохимических и триботехнических (механических) характеристик в процессе функционирования самоорганизующихся трибологических систем.

7. ИК-спектральные и масс-спектральные исследования глицерина, а также поверхностей трения медного сплава и стали при реализации избирательного переноса свидетельствуют о трибоокислении и трибополимеризации смазочной среды, а также фиксации на поверхности трения продуктов трибоокисления и трибополимеризации.

8.Анализ функциональных групп поверхностного слоя меди полученного путем электрохимического осаждения на стали и обнаруженная при этом схожесть функционального состава позволяют полагать активное участие электрохимических механизмов в реализации избирательного переноса.

9. Предложена модель трибоэлектрохимических превращений в зоне фрикционного контакта, обеспечивающих перенос меди и формирование сервовитной пленки в режиме безызносности.