Рис. 64. Схема работы сустава живого существа: 1 — синовиальная жидкость; 2 — костная ткань; 3 — оболочка сустава; 4 — хрящ с полимерной пленкой
Явление ИП объясняет причину, по которой компрессоры холодильных установок десятилетиями работают в тяжелейших условиях пуска-останова без отказов и, следовательно, без ремонта, да и практически без какого-либо технического обслуживания: в них образуется определенная самоорганизующаяся система, которая регулирует процессы изнашивания и регенерации трущихся поверхностей.
Чтобы теоретически объяснить процесс восстановления трущихся соединений при их непрерывной и длительной эксплуатации, наиболее важен механизм образования сервовитной пленки. Выявлено, что он может идти двумя путями. Первый характеризуется предварительным схватыванием и «намазыванием» медного сплава на поверхность стали с последующим обогащением сопряженных поверхностей трения медью вследствие избирательного растворения медного сплава и «намазанного» слоя с образованием квазижидкой пленки меди на обеих поверхностях трения. Второй путь связан с коррозией медного сплава и последующим атомарным переносом меди. В период намазывания коэффициент трения повышается, а затем (по мере выделения меди) постепенно стабилизируется и начинает уменьшаться, следовательно, схватывания не происходит.
Для образования сервовитных пленок в соединениях, не содержащих медных или других пластичных сплавов (цинка, олова, серебра, золота, палладия и др.), необходимые компоненты должны быть введены в смазочный материал или другие рабочие жидкости, например топливо, промывочные и охлаждающие жидкости.
Одним из главных факторов, указывающих на наличие одновременного протекания при трении трибокоординации и трибовосстановительного распада, который приводит к самоорганизации фрикционной системы (пары трения), является автоколебание концентрации медьсодержащих продуктов в смазочном материале, то есть наличие определенной эволюции процессов в зоне контакта трущихся поверхностей.
В природе существуют фундаментальные явления, процессы, механизмы (на нано-, микро— и макроуровнях), связанные с физикой, химией, энергетикой поверхностей материалов, веществ и частиц. Возник даже раздел нанотрибология, изучающий физико-химические процессы в пределах наноразмеров.
В результате исследований ученых трение теперь представляется не только как разрушительное явление природы — оно в определенных условиях может быть реализовано как самоорганизующийся созидательный процесс, позволяющий разработать новые, ранее неизвестные методы восстановления деталей и технического сервиса машин. К ним, в частности, относятся: технология финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО), методы ускоренной приработки (обкатки) деталей машин и оборудования, безразборное восстановление агрегатов и узлов техники при непрерывной работе и др.
На износостойкость трущихся поверхностей большое влияние оказывает их окончательная (финишная) механическая (абразивная) обработка, при которой уменьшается шероховатость (путем тонкого шлифования, плосковершинного хонингования, суперфиниширования, полирования и т. д.).
Конструкционные материалы, поверхности которых обладали бы одновременно высокими прочностными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, можно получить путем нанесения специальных наноструктурированных покрытий.
Для их нанесения или осаждения существуют различные технологии. В зависимости от комбинации «покрытие-подложка» и условий применения покрытия способы нанесения реализуются с помощью самых разнообразных установок.
В промышленности широко применяется метод фрикционного (с помощью трения) нанесения медьсодержащих покрытий — финишная антифрикционная безабразивная обработка. Покрытия толщиной от 50 до 500 нм из пластичных металлов наносятся в присутствии специальной технологической среды на трущиеся поверхности деталей: коренные и шатунные шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, реборды и поверхности качения вагонных колесных пар, различного вида штоки, пальцы, резьбовые соединения и т. д.
ФАБО используется в целях снижения интенсивности изнашивания, повышения задиростойкости трущихся поверхностей и интенсификации процессов образования защитных пленок в период приработки после изготовления или ремонта изделия. Впервые данный метод нанесения покрытий (фрикционное латунирование) был предложен Д. Н. Гаркуновым и В. Н. Лозовским.
Основные способы ФАБО условно делятся на две группы.
1. Фрикционно-механическое нанесение металлических покрытий инструментом из медьсодержащего сплава (фрикционное латунирование, бронзирование или меднение). Фрикционно-химическое нанесение покрытий в металлоплакирующих средах с различными поверхностноактивными веществами и солями металлов, способными к восстановлению на обрабатываемых поверхностях при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток, тампонов и т. д. из неметаллического инструмента. Фрикционное нанесение покрытий из пластичных сплавов в металлоплакирующих средах.
2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием различными методами.
К разновидностям ФАБО относятся:
• химико-механическое нанесение покрытий (Россия);
• нанесение покрытий трением с применением щеток (ФРГ);
• натирание поверхности латунью (Россия);
• электростатическое нанесение покрытий трением (Швейцария);
• механическое нанесение латунных покрытий трением (механическое латунирование) в среде глицерина (ФРГ, Россия);
• химико-механическое латунирование с применением медьсодержащего вспомогательного материала (ФРГ) и ряд других.
При двух последних методах упрочнение поверхностных слоев объединено с нанесением покрытий трением.
Использование ФАБО имеет следующие достоинства:
• небольшие затраты расходных материалов и электроэнергии;
• стабильно высокое качество покрытия, в том числе и при некоторых отклонениях условий нанесения от оптимальных;
• автоматизация процесса;
• экологическая безопасность;
• высокая экономическая эффективность и др.
Принцип латунирования состоит в том, что натирающий латунный элемент (стержень или трубка), вращаясь относительно своей продольной оси, при достаточно малом усилии нажатия и в присутствии вспомогательного рабочего материала (например, глицерина) натирает слой латуни на подлежащую покрытию стальную или чугунную поверхность. Одновременно происходит поверхностное упрочнение основного материала на глубину 70–80 мкм вследствие высокого давления в месте линейного контакта (рис. 65).
Рис. 65. Схема обработки поверхности детали вращений: 1 — деталь колесная пара; 2 — натирающий инструмент (латунь); 3 — приспособление; 4 — покрытие; Р — нагрузка прижатия; n — подача приспособления
ФАБО осуществляется в присутствии специальных технологических сред. Практически во всех средах используется глицерин, который в результате трибодеструкции (распада под действием энергии трения) на поверхностях контактирующих тел окисляется, превращаясь в глицериновый альдегид, акролеин, формальдегид, глицериновую кислоту и другие продукты с меньшей, чем у глицерина, молекулярной массой.
При фрикционно-химическом нанесении покрытий в металлоплакирующих средах используются различные соли пластичных металлов, например дихлорид меди. В процессе обработки происходит гидролиз солей с образованием кислот.
Образующаяся соляная кислота способствует удалению оксидных пленок, и в результате взаимодействия с оксидами железа на обрабатываемой поверхности формируются защитные слои из хлоридов железа. Происходит восстановление продуктов коррозии и растворение активных металлов и их соединений. Взаимодействие продуктов превращения глицерина и других органических веществ, содержащихся в технологических средах, приводит также к образованию высокомолекулярных соединений и полимеров трения.
При ФАБО на обрабатываемой поверхности формируются равномерные антифрикционные покрытия из пластичных металлов и полимерных цепей. Согласно металлографическим и спектральным исследованиям, структура поверхностного слоя стальной поверхности после ФАБО состоит из четырех основных характерных зон: композиционного (медь, цинк, олово) антифрикционного покрытия, переходной диффузионной зоны, деформированной (наклепанная) зоны и основного конструкционного материала.
В процессе эксплуатации под действием поверхностно-активных веществ, содержащихся в моторном масле, происходит избирательное растворение нанесенного материала с образованием тонких медных покрытий, по своим физико-механическим и триботехническим свойствам близких к сервовитной пленке, характерной для «эффекта безызносности». Сервовитная пленка содержит нанокластеры и нанофазы пластичных цветных металлов.
Для фрикционно-механического нанесения медьсодержащих покрытий на поверхности трения гильз цилиндров и других деталей втулочного типа разработаны специальные приспособления (рис. 66), полуавтоматы, автоматы и станки.
Рис. 66. Нанесение покрытия методом фрикционного латунирования на токарном станке
Рассмотрим режим фрикционной обработки детали прутковым инструментом: окружная скорость поверхности детали — 0,15-0,3 м/с; давление прижатия прутка — 10–50 МПа; продольная подача прутка — 0,1–0,2 мм/об; число рабочих ходов — 1–2.
Нанесение антифрикционных противоизносных покрытий позволяет существенно (более чем в 3 раза) снизить интенсивность изнашивания конструкционных материалов соединения «шейка коленчатого вала — вкладыш» в период приработки.
При приработке поверхностей с нанесенными антифрикционными покрытиями в первый момент идет интенсивная приработка с формированием оптимальной структуры поверхностных слоев.
Температура в зоне трения при наличии антифрикционного покрытия снижается почти в пять раз. Это связано с лучшей теплопроводностью нанесенных покрытий и отсутствием очагов схватывания, так называемых мгновенных температурных вспышек на микроконтактах.