автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Электрохимические свойства и строение фрикционного контакта при трении в режиме безызносности

БЕСЕДИНА Елена Владимировна

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ ФРИКЦИОННОГО КОНТАКТА ПРИ ТРЕНИИ В РЕЖИМЕ БЕЗЫЗНОСНОСТИ

Специальность 05.02.04.- Трение и износ в машинах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2004 г.

Работа выполнена на кафедре «Химия» в Донском государственном техническом университете.

Научные руководители: Лауреат премии Президента РФ

доктор технических наук, профессор Кужаров Александр Сергеевич

кандидат химических наук, доцент Бурлакова Виктория Эдуардовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кохановский Вадим Алексеевич кандидат технических наук, доцент Озябкин Андрей Львович

Ведущее предприятие: ФГУП ОКТБ «Орион» при

Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ)

Зашита состоится 2 июля 2004 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058 02 в Донском государственном техническом университете по адресу: 344010. г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.ауд 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим высылать в диссертационный совет но указанному адресу

Автореферат разослан июня 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н.. проф.

Чукарнн А.Н.

Общая характеристика работы.

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 обу-словленно 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 in situ 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 трнбоснстсмы предопределяет как саму возможность самоорганизации при трении, так и се триботехннческие свойства, а в трибосистеме «латунь - глицерин -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 ыо онре-

деления 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 технологии» (код 01.01.03.) за 1999-2000г.г.

Цель работы. Целью работы является исследование электрохимических свойств поверхности фрикционного контакта и механизма образования сервовитной и серфинг пленок при трении медных сплавов по стали в водно-спиртовых средах, изучение кинетики трибоэлектрохи-мических превращений материалов в зоне трения и выявление механизма фрикционного взаимодействия для обеспечения возможности контроля и управления триботехническими свойствами узлов трения в процессе 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-, двух- и трехатомных спиртов в стационарных условиях и при трении;

• изучение особенностей коррозионного поведения металлов и сплавов, при трении в водно-спиртовых средах и учет этих особенностей в механизме самоорганизации;

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

Научная попита и значимость. В работе впервые проведено исследование и сопоставление триботехнических и электрохимических характеристик поверхности трения трибосистем «медный сплав- водный раствор спирта -сталь» в систематическом ряду одно-, двух- и трехатомных спиртов. Выявлено влияние атомности и длины углеводородной цени спиртов на кинетику анодных процессов в стационарных условиях и при трении. Изучена кинетика электрохимических процессов на поверхности трения в процессе фрикционного взаимодействия

медных сплавов и стали в водно-спиртовых средах. На основании экспериментальных данных обсуждены возможные механизмы самоорганизации в режиме безызносности с учетом 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 трибоэлектрохимиче-ского 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. Результаты диссертационной работы внедрены в • гальваническом цехе ОАО НПП КП «Квант» для контроля качества металлических покрытии с ожидаемым экономическим эффектом 58 тыс. руб.

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 о современно?.! материаловедении, - Воронеж, -1999; Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте»,- Самара, — 1999; Второй и Трегьей Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов». Новочеркасск, -1999, 2000, а также на ежегодных конференциях профессорско- преподавательского состава ДГТУ 1998-2000.

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

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, общих ВЫВОДОВ по работе, списка использованной литературы и приложений. В работе страниц, ¿f таблиц, рисунков и список литературы из наименований.

Содержание работы Вр введенни содержится обоснование актуальности и цели работы, приведены основные научные положения, составляющие предмет работы.

В первой главе выполнен литературный обзор работ, посвященных исследованиям электрических явлений при трении и анодному растворению металлов и сплавов.

Рассмотрены электрические и электрохимические явления при трении и дана краткая характеристика причин возникновения электрического, тока в зоне фрикционного контакта. Обсуждены составляющие электродного потенциала на поверхности трения. В частности, продемонстрировано, что величина электродного потенциала поверхности трения связана с коэффициентом трения

^ ~ WCOS0 + (4лqlff /£)(е-ь - е-'1*+<1и>»)(Л - • (1)

где /1- коэффициент трения, w-толщина граничного слоя, в- угол

между направлением движения и силой трения, -диэлектрическая

проницаемость, at- поверхностное натяжение, А0 - фактическая пло-

||Ц1Д|> контакта, А- номиналы»»« 11 кттгякта, а^я - заряддиффу-

ке<ра

зионного слоя, а поскольку электрохимический

Ал

потенциал поверхности трения, то электрохимические свойства поверхности контакта предопределяют параметры фрикционного взаимодействия, играя важнейшую роль в формировании граничных слоев на трущихся поверхностях, особенно при трении металлов в растворах электролитов.

Применительно к трению в условиях безызносности рассмотрен механизм селективного растворении Cu-Zn-сплавов. Установлено, что процесс растворения сплавов, состоящих из двух компонентов Д-В (В- более благородный металл) может протекать по трем возможным механизмам (2): а) псевдоселективное растворение; б) избирательное растворение компонента А; в) избирательное растворение компонента В, реализация которых зависит от времени коррозионного воздействия и состава коррозионной среды.

Отмечено, что важное место в исследованиях трибологических систем должно быть отведено электрохимическим методам, которые могут быть использованы, как для изучения механизма фрикционного взаимодействия, так и для непрерывного контроля и управления три-ботехническими процессами в ходе эксплуатации узлов трения машин и механизмов.

Во второй главе представлена экспериментальная часть работы, где приведены характеристики применяемых в работе материалов, оборудования и методики экспериментальных исследований.

В качестве материалов трущихся тел в работе использовались образцы, изготовленные из стали 45, латуни Л60 и меди Ml. Смазочными жидкостями служили 80% водные растворы спиртов: метанола, этанола, пропанола-1, пропанола-2, этиленгликоля, пропандиола-1,2, пропандиола-1,3 и глицерина.

Характер анодного растворения металлов и сплавов определялся с использованием потенциодинамического метода. Кинетика электрохимических процессов исследовалась методом хронопотенциометрии.

Методика измерения коррозионного потенциала поверхности трения в процессе фрикционного взаимодействия, а также особенности применения потёнциодинамического метода, заключалась в том, что на все поверхности, контактирующие со смазочной средой наносилось диэлектрическое покрытие, не отслаивающееся в процессе трения и обеспечивающее электрическую изоляцию поверхности металлических образцов, за исключением зоны трения, что позволяет измерять только потенциал поверхности контакта Для проведения потенцио-динамнческих исследования о электрохимическую ячейку был введен платиновый электрод, что позволило, накладывая линейную развертку потенциала, получить поляризационные потенцнодинамическне кривые непосредственно в ходе фрикционного взаимодействия.

Трибологические и электрохимические исследования приводились с использованием трибоэлектрохимического комплекса (рис.1).

Экспериментальные данные регистрировались при помощи аппаратно-программной подсистемы многопараметрического оперативного контроля на базе ПК, контроллера ввода-вывода Ь-205 с процессором ЦОС ADSP-2105 и обрабатывались с использованием пакетоз EXCEL-2000 и MATLAB-5.3.

Изучение топографии и химического состава поверхностей трения проводились с использованием современных физических методов:

электронной микроскопии, рентгеновского, микроанализа и БТШ-спектроскопии. Для анализа изменении в составе смазочной среды в процессе трения использовались методы ИК-спектроскопии и хрома-томасс-спектрометрии.

Рис.1. Схема. трибометрического комплекса. 1 -электрохимическая ячейка, 2-контактный винт, 3-образцы, 4-державка, 5-контртело (рабочий электрод), 6-насышенный раствор хлорида калия, ' 7-смазочная жидкость, 8-электрохимический ключ, 9- электрод сравнения.

В третьей глппе приведены результаты исследовании и их обсуждение.

3.1. Стационарная коррозия металлов и силавоп, обеспечн-вающих эффект безызносности при трепни в водно-спиртовых

средах

3.1.1. Стационарная коррозия в одноатомных спиртах. Анализ поляризационных потенциодинамических кривых металлов и сплавов в ряду метанол - этанол - пропанол, свидетельствует о схожести физико-химических процессов, протекающих на поверхности раздела фаз. В частности, для стали -отсутствие области пассивации на анодном участке поляризационной кривой свидетельствует о. протекании процесса активного растворения стали в исследуемых спиртах. Сравнение коррозионных потенциалов (Екор) и логарифмов плотности тока (-1^ при Е=сош1), характеризующих скорость химической реакции на поверхности металла при коррозии стали в разных одноатомных спиртах показывает, табл.1, что с увеличением длины углеводородного радикала в ряду метанол — этанол - пропанол скорость анодного растворения стали возрастает.

Изучение анодного поведения латуни и меди, по данным поляризационных кривых свидетельствует, что медь из сплава ионизируется при более отрицательных потенциалах, чем чистая медь, однако, анодный процесс в обоих случаях контролируется одной и той же ста-

дней. Конечным результатом коррозионного разрушения латуни является растворение цинковой составляющей. Поэтому при потенциале коррозии латуни происходит восстановление продуктов окисления меди до меди в собственной фазе на поверхности стального образца.

Таблица 1

Скорость анодной реакции и коррозионный потенциал в различных

смазочных средах

Смазочная жидкость Скорость ан реакции, приЕ=< ЭДНОЙ А/см2, ) Коррозионный потенциал, Еир, В

сталь медь латунь сталь медь латунь

Метанол СН5ОН 4,4 •4,5 2Л -0,36 -0,25 -0,30

Этанол С2Н5ОН 2,8 3 2,4 -0,58 -0,32 -035

Пропанол С3Н7ОН 1,6 4 43 -0,59 -0,35 -036

Поскольку влияние среды на коррозионное поседение металлов зависит от соотношения сольватационных и адсорбционных свойств, а сольватационные свойства исследуемых спиртов можно охарактеризовать функцией диэлектрической проницаемости /(с) = (е — 1)/(2е + 1), то, как следует из экспериментальных данных, с увеличением длины углеводородного радикала сользатацион-ные свойства спиртов снижаются.

Сопоставление электрохимических характеристик процесса анодного растворения металла с дипольным моментом среды - параметром, определяющим одновременно ее сольватационные и адсорбционные свойства, и наряду с полярностью, отражающей участие молекул в процессе адсорбции и их взаимодействие с поверхностью металла приводит к такой же зависимости, как и от параметра /Xе) , что свидетельствует о практически не изменяющихся адсорбционных свойствах спиртов с увеличением длины углеводородного радикала. Последнее может быть связано с отсутствием специфического взаимодействия одноатомных спиртов с поверхностью металла.

Таким образом, полученные результаты показывают, что в условиях граничного трети в одноатомных спиртах структура граничного слоя на поверхности трения должна быть образована по однотипному механизму и может не определяться специфической адсорбцией спирта.

3.1.2. Коррозия в двухатомных спиртах. Результаты потенциодина-мических исследовании меди и латуни свидетельствуют, что скорость диодного растворения меди, в исследуемых растворах увеличивается в ряду пропанднол-1,3, пропандиол-1,2, этиленгликоль, табл.2, в то время, как латуни, напротив, уменьшается в том же ряду спиртов.

Таблица 2

Скорость анодной реакции и коррозионный потенциал в различных __смазочных средах

Смазочная экидг кость Скорость анодной реакции, А/см2, при Е=0 Коррозионный потенциал, Ек(0, В

сталь медь латунь сталь медь латунь

Этиленгликоль 4,8 5,0 5,0 -0,39 -0,15 -0,18

Пропандиол-1,2 5,3 3,6 6Д -035 -0,12 0,08

Пропандиол-1,3 5,5 3,2 ' 6.4 -0,34 0,10 0,10

В водных растворах пропандиола-1,2 и этиленгликоля, начиная со стационарного электродного потенциала, происходит псевдоселективное растворение латуни(рис.2).

Рис.2 Потенциоди-намическне поляризационные кривые латуни в эти-ленгликоле (1), пропандиоле-1,2(2) и пропандиоле-1,3(3)

Анализ потенциодинамических кривых стали, показывает, что в исследуемых двухатомных спиртах, вид анодных потенциодинамиче-ских кривых не меняется, однако скорость анодной реакции при потенциалах активного растворения возрастает на порядок по сравнению с мелью.

3.1.3. Коррозия в глицерине. Влияние соотношения компонентов глнцерин-вода на электрохимические свойства металлов трибо-соприжения. Сопоставление величии стационарных электродных по-генииалов и скоростей анодного растворения стали и латуни в растворах глицерина при разных соотношениях вода: спирт свидетельствует

10

об изменении скорости коррозии с ростом концентрации глицерина, что обусловлено влиянием состава смеси на кинетику анодного процесса и связано с конкурентной адсорбцией компонентов растпора на поверхности металлов. По мере увеличения содержания глицерина происходит адсорбционное вытеснение воды глицерином с поверхности, что приводит к замедлению ионизации металла. При этом введение небольших количеств воды (до 20%, масс.) п глицерин почти иг сказывается иа величине стационарного потенциала, но в тоже время уменьшает скорость анодного процесса. Увеличение содержания воды (более 20%, масс.) приводит к резкому возрастанию скорости анодной реакции, так что раствор с соотношением компонентов 30% глицерина - 20% воды обладает наименее выраженными коррозионными свойствами, что и использовалось в дальнейших электрохимических и триботехнических исследованиях.

Сравнение коррозионной активности трехатомногс спирта с соответствующими характеристиками одно- и двухатомных спиртов о условиях стационарной коррозии позволяет утверждать, что глицерин занимает промежуточное положение между одно- и двухатомными спиртами, являясь более коррозионностойким по сравнению с одноатомными спиртами и более коррозисаноактивным по сравнению с двухатомными.

3.2. Хронопотснциометрия металлов и сплавов в водко-спиртовых средах

3.2.1. Хронопотеицисметрия в статических условиях. Сразнение хронопотенциометрических кривых с стационарных условиях для латуни (рис.За) и меди показал, что в процессе коррозии во всех исследуемых средах электродный потенциал смещается в область более положительных значений.

Такое поведение электродного потенциала свидетельствует о пассивации поверхности латуни и меди в ходе коррозионного процесса.

Коррозия стали (рнс.36) в водных растворах спиртов, напротив, характеризуется разблагораживанием поверхности сплава, о чем свидетельствует смещение электродного потенциала в область более отрицательных значений.

3.2.2. Хронопотенциометрии металлов и сплавов при трении. Анализ результатов хронопотеициометрических исследований поверхности фрикционного взаимодействия при трении медного сплава по стали в растворах одно- (метанола, этанола, пропанола-1, пропанола-2),

двух- (этиленглнхоля, пропандиола-1,2, пропандиола-1,3) и трехатомных спиртов (глицерина) показал, что в одноатомных спиртах (рис.4) для всех пар трения электродный потенциал поверхности трения смешается в область отрицательных значений, что свидетельствует об активации поверхности в ходе фрикционного взаимодействия.

Рис.3. Изменение электродного потенциала во времени латуни-а, ста-ли-б в 80% водных растворах:

1-этанола,

2-пропанола-1,

3-пропанола-2,

4-этилеиги-коля,

5-пропанди-ола-1,2,

6-глицерина,

В то время как для пар трения, работающих в двухатомных и трехатомных спиртах (рис.5) электродный потенциал смещается в область положительных значений, т.е. поверхность трения пассивируется. Такое поведение потенциала в процессе трения может быть связано с разными механизмами формирования граничных слоев на поверхности трения.

В случае одноатомных спиртов единственной возможностью их фиксации на поверхности контакта является адсорбция. В многоатомных спиртах появляется возможность для трибокоординации (хемо-сорбция) за счет образования прочных донорно-акцепторных связей с фиксацией на поверхности металлхелатов. Фрикционный перенос меди на сталь при реализации избирательного переноса также приводит к увеличению потенциала и проявляется как тенденция к его непре-

»рев«, С х104

♦ м м ♦,« м « м м и *л а

рывному росту за счет избирательного растворения медного сплава.

Обращает на себя внимание тот факт, что относительное и абсолютное понижение электродного потенциала является максимальным в случае использования в качестве смазочной среды водного растпора глицерина (рис.5).

Рис.4. Зависимость электродного потенциала поверхпости трения от времени (пара трения латунь -сталь).

Рис.5. Зависимость электродного потенциала поверхности трения от времени (паратрения лагунь сталь).

3.3. Взаимосвязь электрохимических и триботехнических характеристик поверхности трибоконтакта. Изучение эволюции электродного потенциала и коэффициента трения в трибосистемах «медный сплав -двухатомный спирт-сталь» и «медный сплав-глицерин-сталь» свидетельствует о реализации в них избирательного переноса, сопровождающегося уменьшением коэффициента трения до значений ~10-3 и увеличением электродного потенциала.

Рост электродного потенциала в начальной стадии эффекта безыз-носности (рис.6) после страгивания может быть связан с пассивацией

13

поверхности в процессе трения за счет интенсивного образования защитных пленок на поверхности контакта.

Исследование длительной эволюции стационарного потенциала поверхности трения изучаемых трибосистем, в частности, «латунь-глицерин-сталь» (рис.7), обнаружило скачки потенциала, на относительно гладкой его зависимости от времени, коррелирующие с изменением, при переходе в режим избирательного переноса, коэффициента трения, что позволяет утверждать о скачкообразном изменении параметров трибологическей системы, при ее самоорганизации и реализации эффекта безызносности.

Рис.б. Начальная стадия эволюции триботехниче-скнх и элек^-химических свойств системы "латунь-

глицерин-сталь".

Рис.7. Зависимость электродного потенциа-ла-1 и коэффициента трения-2 от времен») в системе «латунь -глицерин-сталь»

Сам переход (рис.7) в исследуемом случае напоминающий фазо-ный переход, аналогичный переходам в условия сверхпроводимости, сверхтекучести или срерхпластнчности, является прямым экспериментальным подтверждением и проявлением самоорганизации при трении.

4. Физико-химические исследования трибохимических превращений в режиме избирательного переноса

4.1. ИК- спектроскопия. Анализ ИК-спектров глицерина (рис.8) и этиленгликоля, после их использования в качестве смазочной среды в течение 12 часов в парах сталь-медь и сталь-латунь при реализации эффекта безызносности показал, что в области 1643-1659 см-1 появляется, отсутствующая в чистых смазочных средах полоса поглошения

валентных колебаний координированной карбонильной'группы у=0, что связано с трибоокислением спиртов и последующей координацией продуктов окисления с ионами металлов в растворе с образованием комплексных соединений. В частности, глицерин в процессе фрикционного взаимодействия окисляясь, образует карбонильные производные: альдегиды, кетоны, кислоты и т.д.

и т.д

В этом случае полоса поглощения карбонильной группы должна находится в области 1700-1730см-1. При образовании хелатных комплексов за счет возникновения донорно-акцепторной связи между атомом кислорода карбонильной группы и атомом металла происходит ослабление связи С=О и Ус-о смещается в низкочастотную область, что и наблюдается в эксперименте. Такой сдвиг обусловлен не только самим фактом образования хелатных комплексов, но и их, по-видимому, повышенной стабильностью в растворе.

Анализ ИК-спектров (КТШ-спектроскопия) поверхности трения (рис.9), показал, что при трении в глицерине в спектре имеются две полосы поглощения и 1731см-1 и 1644 см*. Это свидетельствует о том, что на поверхности трения фиксируются не только коор-

15

динационные соединения за счет трибокоординации, по и часть некоординированных продуктов окисления глицерина, образуя на поверхности органическую защитную пленку, обеспечивающую дополнительное снижение силы трения в условиях безызносности.

Рис.8 ИК-спектр глицерина после использования его в качестве смазочной среды в ларе трения сталь-латунь.

Рис.9. ИК-спектр позерхности трения стали после трения в ВОДНО-лицериновой среде.

FTIR-спекгр поверхности меди, полученной в результате электрохимического осаждения на поверхность стали о среде глицерина, сходги со спектром поверхности стали с сервовитной пленкой после трения в глицерине, т.е. при электрохимическом осаждении меди па поверхности стали в статических условиях протекают те же или аналогичные электрохимические реакции, что и з условиях фрикционного взаимодействия, при формировании сервовитной пленки за счет электрохи-

мических механизмов переноса меди на поверхность трения.

4.2. Хроматомасс-спектрометрия. Анализ хроматограмм и масс-спектров этиленгликоля и глицерина показал, что в ходе фрикционного взаимодействия в исследуемых смазочных средах происходит образование продуктов с молекулярными массами больше, чем у исходных веществ. Это может быть связано не только с трибоокислением, но и с трибополимеризациен на поверхности контахта.

Полученные данные позволяют утверждать, что в состав серфинг-слоя в трибосистеме «медный сплав-глицерин-сталь» при реализации эффекта безызносности несомненно входят, помимо комплексов меди и продуктов трибоокисления глицерина, полимерные или олиго-мерные структуры, обеспечивающие дополнительную защиту и Пассивацию поверхности контакта при самоорганизации в процессе трения.

4.3. Схема трибоэлектрохимических процессов на поверхности фрикционного контакта. На основании изучения электрохимических и трибологических характеристик поверхности фрикционного взаимодействия предложена схема, учитывающая трибоэлсктрохимиче-ские механизмы формирования граничных смазочных слоев. В рамках рассматриваемой модели (рис.10) переход системы в режим безыз-носности зависит от величины электродного потенциала, приобретаемого поверхностью трения в конкретной смазочной среде. При этом на разных участках поверхности контакта реализуются разные электрохимические эффекты, порождая все разнообразие продуктов образующихся о зоне трения. В частности, на участках А и Б фрикционного контакта протекают независимые электрохимические реакции окисления-восстановления металлов трибосопряжения и окисления-восстановления компонентов смазочной среды (по реакциям 3-12).

В местах непосредственного контакта (участок С) в зависимости от потенциала, приобретаемого поверхностью:

1. при < Е^»" < ? на поверхности стали происходит

образование адсорбционных пленок (по реакциям 3-7), на поверхности медного сплава восстановление компонентов смазочной среды (реакция 8).

2. при ^Е^'шры . на сплаве меди протекаю г процессы окисления меди (13-15), диспропорционирования и образование металлохе-латных соединений (9-12). На поверхности стали происходит восста-

нооление компонентов смазочной среды (3) и образовавшихся метал-лохеланных соединений с образованием сервовитной пленки (16) и серфинг-слоя на металле. На участках А и В На стали:

0г + 2Н20 + 46 = 40Н" Рс+ ОНм = Ре(ОН)м + ё Ре(ОН)ад+1 = Ре(ОНЬ)„ 1;с(0НЬ)„=Ре(0Ь")м + Н+ Ге(01/)м- Ре(ОЬ)ад + ё

1 !а сплаве меди:

02 + 2Н20 + 4ё = 40Н-

Си» V Ь в~ «—(СиЬ у")

(ш.: п<—>

(Си^1"1' "'О+ге

п>,)+(у-У')[/-<—>

Си14 ь VI -* Сии

Приведенные схемы позволяют объяснить весь комплекс экспериментальных данных, полученных в настоящее время при исследовании трибохимических превращений в условиях безызносного трения.

Си -2 ё = Си2+ (13)

Си-1ё = Си+ (14)

гси^си+си1' (15)

+ Ре + ге= СиРе + Иь"* (16)

Основные выводи:

I Разработана конструкция трибозлектрохимическсго измерительного комплекса, его аппаратно-програмная часть и методики исследования электрохимических свойств поверхности трения в процессе фрикционного взаимодействия. 2. В систематическом ряду одно-, двух- и трехатомных спиртов проведено детальное исследование эволюции электрохимических свойств самоорганизующихся трибосистем «медный сплав - водный раствор спирта - сталь». Показано, что самоорганизация о изученных системах связана со скачкообразным изменением элек-

Рис.10. Схема трибозлектрохими-

(10) ческих процессов на поверхности фрикционного контакта.

(11) (12)

трохимических характеристик фрикционного контакта и проявляется в росте стационарного электродного потенциала.

3. При исследовании эволюции трибоэлектрохимических свойств самоорганизующихся трибосистем, обнаружены критические точки, в которых триботехнические и электрохимические свойства одно-пременно меняются скачком.

4. Изучено влияние химической структуры спиртов на возможность реализации избирательного переноса. Установлено, что увеличение в молекуле спирта длины углеводородной цепи и количества ОН-групп приводит к улучшению триботехнических свойств смазки и способствует реализации эффекта безызносности при трении.

5. Трибоэлектрохимические свойства металлов и сплавов в водно-органпческих средах коррелируют с электрохимическими особенностями их поведения в стационарных условиях, что позволяет применить теорию анодного растворения сплавов к исследованию кинетики и механизма формирования граничных слоев, определяющих трибологические 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 три-ботехнических (механических) характеристик в процессе функционирования самоорганизующихся трибологических систем.

7. ИК-спектральные и хроматомасс-спектральные исследования глицерина, а также поверхностей трения медного сплава и стали при реализации избирательного переноса свидетельствуют о трибо-окислении и трибополимеризацин смазочной среды, а также фиксации на поверхности трения продуктов трибоокисления и трибо-полимеризации за счет трибокоординации.

8. Анализ функциональных групп поверхностного слоя меди полученного путем электрохимического осаждения Ьа стали и обнаруженная при этом схожесть функционального состава свидетельствует об участии электрохимических механизмов в реализации избирательного переноса.

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

10. Результаты диссертационной работы внедрены в гальваническом

цехе ОАО IIIIII КП «Квант» для контроля качества металлических покрытий с ожидаемым экономическим эффектом 58 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.Э. Бурлаксва Теоретические аспекты анодного растворения и селективной коррозии гомогенных двухкомпонентных сплавов/

B.Э. Бурлакова, Е.В. Малыгина //Безызносность: Сб. науч.тр.-Ростов Н/Д.-1998.- Вып.5. С.132-140.

2. Трибоэлектрохимия эффекта безызносности. Механизм формиро-

вания граничных слоев на стали в самоорганизующейся системе «медь-глицерин-сталь»/ А.С. Кужаров, В.Э. Бурлакова, Е.В. Малыгина//Трение и износ. -1998.-Т. 19,№6, CJ68-778.

3. Electrochemical effects in the physico-chemical mechanics of the selective transfer/ A.S. Kuzarow, W.E. Burlakowa, E. V. Malygina// International Conference On Colloid Chemistry and Physical-Chemical Mechanics.- Moscow, 1998.- P.319.

4 Formowanie vvarstw ochronnych na stali w samocrganizujаeym siе ukladzie tribologicznym "miedz-glicerina-stal"/ AS. Kuzarow, W.E. Burlakowa, E. V. Malygina, Kuzarow A.A. и др. //Tribologia. Teoria i praktyka. -1998. -NR 4/98 (160).-S.517-536. 5. Нелинейные эффекты электрохимических характеристик контакта в самоорганизующейся трибосистеме латунь-глицериy-сталь/ А С. Кужаров, В.Э. Бурлакова, Е.В. Малыпша// Второй Всероссийский семинар «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении: Тез. дохл, -3-5 фепр.-Вороиеж, 1999.-С.52-54. О Исследование электрохимических характеристик фрикционного контакта в самоорганизующейся системе «латунь-глнцерин-сталь»/ А.А. Кужаров, Е.В. Малыпша, В.Э. Бурлакова// Международная конференция «Надёжность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте»: Тез. докл. - Самара, 1999, - С. 72-73.

7 Электрохимические характеристики фрикционного контакта в начальной стадии избирательного переноса/ А.С. Кужаров, Е.В. Малыпша, В.Э. Бурлакова// Антифрикционные материалы специального назначения: Юбил. сб. науч. тр.- Новочеркасск, 1999.-

C.110-114.

8. Трибоэлектрохимия эффекта безызносности. Потенииодинамиче-ские и хронопотенциометрические исследования металлов и сплавов, реализующих избирательный перепое при трении/ В.Э. Бурлакова, А.С. Кужаров, Е.В. Малыгина //Вторая международу пая научно-техническая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов».- Новочеркасск, 1999.-С.131-134.

9. Использование новых методов при изучении эффекта безызносности при трении/ А.С. Кужаров, В.Э. Бурлакова, Е.Г. Задошенко, Е.В. Малыгина // Вестник ДГТУ. Трение и износ-Ростов н/Д., 2000.- С.36-47.

10. Трибоэлектрохимия эффекта безызносности. Потенциодинамиче-екие и хронопотёнциометрические исследования поверхности контакта в процессе трения/ А.С. Кужаров, В.Э. Бурлакова, Е.В. Малыгина //Третья международная научно-техническая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов».- Новочеркасск, 2000.- С. 131-134.

11. Имитационное моделирование процесса образования медного покрытия на поверхности стального образца в систем трения «латунь-глицерин-сталь»/ В. Э. Бурлакова, А.Д. Лукьянов, Е. В. Малыгина //Седьмая республиканская открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации». Тез. докл. Воронеж, 2002.-С.

12. Беседина Е. В. Моделирование процесса самоорганизации в системе «латунь-смазочная среда-сталь» при переходе в режим избирательного переноса/ Е.В. Беседина, А.В. Криво-хижина // Современные проблемы информатизации в системах моделирования, программирования и телекоммуникациях: Сб. тр. Воронеж, 2ОО4.-Вып. 9.-С.

ЛР N904779 ОТ 18.05.01. О m6op2S.OS.Oii В пгчзть¿6.05-04 Объел Щ усл.п.л., /(3 уч.-иэд.л. Офсет. Бумага т»т №3. Форма г 60хЬ4/1б. Заказ №¿¿"5 Тираж 120 .

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 311010, г.Ростоа-на-Дону, пл.Гагаринэ,!.

2 4 81

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Электрические и электрохимические явления при трении

1.2. Природа электрических полей в трибологических системах

1.3. Краткая характеристика физико-технических источников электрического поля в трибосистеме

1.4. Связь триботехнических и электрохимических характеристик в трибологических системах

1.5. Экспериментальные исследования электрохимических явлений в трибосистемах

1.6. Закономерности анодного растворения переходных металлов в спиртовых и водно-спиртовых среда

1.7. Кинетика ионизации сплавов в статических условиях

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Этапы экспериментальных исследований

2.2. Оборудование и приборы

2.3. Материалы и образцы

2.4. Методика исследований и обработка 65 экспериментальных данных

2.4.1. Хронопотенциометрические исследования в стационарных условиях

2.4.2. Хронопотенциометрические исследования в условиях фрикционного взаимодействия

2.4.3. Потенциодинамические исследования

2.4.4. Электрохимическое осаждение меди

2.5. Обработка экспериментальных данных

2.6. Физико-химические исследования поверхности и смазочной среды

2.6.1 ИК-спектроскопия водно-спиртовых растворов

2.6.2. ИК- спектроскопия поверхности

2.6.3. Хроматомасс-спетрометрия

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ

ОБСУЖДЕНИЕ

Стационарная коррозия металлов и сплавов, # обеспечивающих эффект безызносности при трении в водно-спиртовых средах ^

3.1.1. Стационарная коррозия в одноатомных 73 спиртах

3.1.2. Коррозия в двухатомных спиртах

3.1.3. Коррозия в глицерине. Влияние соотношения компонентов глицерин-вода на электрохимические свойства металлов трибосопряжения

3.2. Хронопотенциометрия металлов и сплавов в водно-спиртовых средах в статических условиях

3.2.1. Хронопотенциометрия в статических условиях

3.2.2. Хронопотенциометрия металлов и сплавов при трении

3.3. Взаимосвязь электрохимических и физико-% химических характеристик поверхности трибоконтакта

3.4. Физико-химические исследования трибохимических превращений в режиме избирательного переноса

3.4.1. ИК- спектроскопия

3.4.2. Хроматомасс-спектроскопия

3.4.3. Схема трибоэлектрохимических процессов на 132 поверхности фрикционного контакта

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 «латунь -глицерин - 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-, двух- и 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 спирта -сталь» в систематическом ряду одно-, двух- и 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 профессорско- преподавательского 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- , двух- и трехатомных спиртов проведено детальное исследование эволюции электрохимических свойств самоорганизующихся трибосистем «медный сплав - водный раствор спирта -сталь». 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 ОН- групп 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.

1. Джост П., Шофилд Дж. Экономия энергии с помощью трибологии: Технико-экономическое исследование. Трение и износ. 1982. Т.З. №2.

2. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. М.: Изд-во иностр. лит-ры. -1960. - 127 с.

3. W. Leschek Studia nad zagadnieniem niejednorodnosci sktadu chemicznedo materiatow. Wydawnictwo Politechniki Poznariskiej, Poznari 1973.

4. T. Burakowski, T. Wierzchori. Inzynieria powierzchni metali. Wydawnictwo Naukowo-Techiczne, Warszawa, 1995, 554c.

5. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. M., «Высшая школа», 1969, 50с.

6. Э. М. Гутман. Механохимия металлов и защита от коррозии. Москва «Металлургия», 1979. 229с.

7. Кукоз Ф.И. Трибоэлектрохимия новое научно-техническое направление в машиностроении. Безызносность. 1996. С. 35-58.

8. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: ГНТИ машиностроительной литературы. 1962. 383 с.

9. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физмат, гиз. 1963,472с.

10. V. G. Guruswany and J. О'М. Bocris, in: Comprehensive Treatise of electrochemistry. Vol. 4, (J. O'M. Bocris, B.E. Conway, E.Yeager end R.E. White, eds.), Plenum Press. New York, 1983.

11. Розенберг E.M. Об износоустойчивости чугуна при возвратно-поступательном движении, «Вестник металлопромышленности», 1939, №7.

12. Т. Edison. Teleg. J. 5(1877) 189.

13. Дубинин А.Д. Трение и износ деталей машин, М., Машгиз, 1952.14.