Трение возникает, когда два тела, перемещающиеся относительно друг друга, соприкасаются своими внешними поверхностями (внешнее трение) или когда элементы структуры тела (атомы, молекулы) перемещаются относительно друг друга (внутреннее трение). Внутреннее трение может иметь место в газах, жидкостях (оно называется вязкостью) и в твердых телах. Трение - это комплекс явлений в зоне контакта поверхностей двух перемещающихся относительно друг друга тел, в результате чего в этой зоне возникают контактные силы. При соприкосновении двух тел поверхностные микронеровности упруго или пластически деформируются и в конце концов срезаются и разрушаются. При трении кроме физических (механических) имеют место тепловые, химические, электрические, магнитные и другие явления.
Для снижения трения в мире ежегодно расходуется более 100 млн т смазочных материалов, в том числе около 40 млн т смазочных масел. Последствия внешнего трения в динамических узлах оборудования обычно негативны. Относительная величина износа, например отношение потери массы машины или изделия к первоначальной массе, весьма мало, но износ приводит к выходу из строя всей машины или изделия в целом. Потери средств в машиностроении развитых стран вследствие износа и трения достигают 4-5 % национального дохода. Около 80-90 % отказов машин происходит из-за износа их узлов и деталей. В результате этого на базе ранее несколько разобщенных направлений в исследовании трения, износа и смазки в середине 1960-х годов сформировались новая наука - трибология (термин «tribology» предложен в 1966 г., Англия) и ее практическое применение - триботехника. Трибология и триботехника были призваны принципиально по-новому подойти к разработке новых перспективных конструкционных и смазочных материалов, к усовершенствованию узлов трения и обеспечению их надежной и более долговечной эксплуатации.
Внешнее трение - явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения их поверхностей. Изнашивание - процесс отделения материала с поверхности твердого тела при трении. Износ - результат изнашивания, измеряемый в единицах длины, массы и др. Трение со смазочным материалом - это трение двух тел при наличии на поверхности трения введенного смазочного материала. Смазка - действие смазочного материала по уменьшению трения и износа. Смазывание - подведение смазочного материала к поверхности трения. Смазочный материал - материал (газовый, жидкий, твердый), вводимый на поверхности трения.
Внешние условия работы узлов трения чрезвычайно разнообразны по рабочим давлению (до 10 МПа и выше) и температуре (до 550 °С и выше), относительной скорости перемещений в зоне контакта. Во время контакта микронеровностей трущихся поверхностей возникают большие контактные давления - до 1000-4 000 МПа и более (из-за небольшой контактной площади микронеровностей), сопровождающиеся выделением тепла и нагревающие отдельные пятна микронеровностей до температуры 1 200 °С и выше. Целью смазывания узла трения является обеспечение между трущимися поверхностями жидкостного трения, при котором слой жидкости разделяет непосредственный контакт твердых тел в зоне трения, т. е. исключает сухое трение.
Однако в реальных условиях в любом узле трения не удается создать идеальный вид жидкостного трения, чаще происходит смешанное трение. Поэтому физико-химические, тепловые, гидродинамические, реологические и механические явления, происходящие в зоне контакта узла трения, чрезвычайно разнообразны, сложны и взаимозависимы. Они изменяют структуру и свойства трущихся поверхностных слоев (ПС) и смазочного материала и образуют подповерхностные зоны (ПЗ) у каждого из контактирующих тел. Свойства ПС и ПЗ отличаются от первоначальных свойств конструкционных материалов трущихся тел и смазочного материала. При трении поверхностных слоев происходит их абразивное истирание, срезание и разрушение с образованием твердых частиц продуктов износа. Эти частицы, находясь в зазоре между трущимися телами, могут измельчаться и выноситься из зоны трения или могут укрупняться в конгломераты, смешиваться с продуктами коррозии, с твердыми частицами нагарообразования, с внешними частицами механических примесей (твердые частицы пыли, песка) и, в свою очередь, усугублять износ трущихся тел, имея обычно твердость большую, чем первоначальная твердость трущихся тел. Толщина ПС и ПЗ и размеры частиц продуктов износа зависят от многих факторов трибологической системы (узел трения) и обычно равны 0,1-30 мкм (1 мкм = 1 микрометр = 10“6м).
Возрастающие требования к надежности, долговечности и безопасности высоконагруженной и высокоскоростной техники предопределяют многофункциональное значение триботехники. Последние достижения трибологии плантации и др. В последние годы удалось изготовить МЭМС из таких материалов, как металлические сплавы и полимеры.
Трение не всегда является разрушительным процессом. Например, в биологических системах живой природы встречаются закрытые узлы трения - суставы живых организмов, способные к самовосстановлению, поэтому они могут работать десятки лет без износа. На твердой кости располагается мягкий хрящ, на поверхности которого имеется тонкая подвижная полимерная пленка. Сопряженная поверхность имеет такую же структуру, в суставе в паре трения работают два одинаковых материала, причем мягкий по мягкому. Подобные пары трения (у мыши, слона, рыбы, птицы, человека и т.п.) являются универсальными узлами, обладающими «бе-зызносностью», - это эффект безызносности живых организмов. В неживой природе также встречаются узлы трения на основе эффекта безызносности. Например, он реализован в узлах трения компрессора домашнего холодильника, который работает в тяжелейших условиях (постоянные пуски и остановки) практически без износа. Детали трения выполнены из стали, смазочным материалом служит смесь 50 % масла и 50 % хладоагента (фреона). В процессе работы на поверхности трения - шейках коленчатого вала (шатунной и коренных), сопряженных подшипниках, поршне и цилиндре - самопроизвольно образуется тонкая медная пленка толщиной 1-2 мкм. Она формируется из ионов меди, образующихся в смазочном материале в результате незначительного коррозионного процесса медных трубок испарителя и конденсатора холодильной системы. К месту контакта деталей трения ионы меди переносятся смесью хладоагента и масла. Коррозионная активность смазочно-фреоновой смеси по отношению к медным трубкам повышается в результате образования в зоне трения слабых кислот из-за окисления масла только при начальной работе компрессора. После образования в зоне контакта необходимой пленки меди условия трения деталей изменяются (сила трения уменьшается, давление снижается, падает температура) и процессы дальнейшего роста толщины пленки (окисление масла и растворение меди трубок в масле) прекращаются. При установившемся режиме трения медная пленка не разрушается, медь может переходить с одной поверхности на другую. Продукты износа медного слоя удерживаются в зазоре трения электрическими силами. Металлическую защитную пленку, образующуюся в результате и в процессе трения, называют в трибологии сервовитной (от лат. servowitte - спасать жизнь). Трение не может уничтожить эту пленку, так как оно ее создает. Образование сервовитной пленки относится к классу самоорганизующихся явлений неживой природы, которое называют также избирательным переносом (ИП) при трении.
Сервовитная пленка может образовываться также в узле трения сталь-сталь и при работе с металлоплакирующими смазочными материалами, содержащими порошкообразные тонкого помола частицы бронзы, меди, свинца, серебра и др. Могут использоваться порошки плакирующих твердосплавных материалов, которые наносятся на трущиеся поверхности, на которых потом создается сервовитная пленка мягкого металла (медь и др.).
ИП применяется при трении стали по стали, стали по чугуну, по металлокерамике, по металлополимеру, по бронзе и по другим материалам при смазке нефтяными и синтетическими маслами, смазочно-охлаждающими жидкостями, пластичными смазочными материалами, жидкостями для гидравлических систем, нефтью и нефтепродуктами, смесью масла с фреоном, кислыми и щелочными средами, применяемыми в химической промышленности, для разнообразных узлов трения в самолетах, автомобилях, дизельных двигателях тепловозов и автомобилей, в насосах и компрессорах, в металлообрабатывающих станках и др.
Изучение и создание практически неизнашиваемых узлов трения с использованием ИП представляет сложные проблемы, так как в зависимости от материалов пар трения, от природы и свойств смазочного материала, от условий трения (давление, температура, скорость взаимных перемещений трущихся деталей, характер и величина контактных нагрузок, природа и свойства рабочей среды и др.) физико-химический механизм формирования сервовитной пленки на поверхностях трения может быть различным.
С другой стороны, для уменьшения трения в различных узлах успешно применяются полимерные и металлополимерные покрытия. В последнее время особенно распространеным полимерные и металлополимерные покрытия в виде наносимых сверхтонких пленок и покрытий толщиной от нескольких сотен ангстрем (100 А = 10 нм) до нескольких микрометров (1 мкм = 1000 нм). Применяют целое семейство дорогих и разнообразных присадок (добавок): антиокислительных, антикоррозионных, противозадирных и противоизнос-ных. Это и есть обычная, традиционная практика разработки и производства присадок к маслам. Другой путь - нанесение малоизносных слоев специально подобранного материала на трущиеся поверхности (износостойкие материалы, керамика, твердые сплавы, полимеры, фуллерены, материалы для создания сервовитных пленок и др.).
Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов С20-С60 молекулярной массой 300-750, выкипающих в интервале 300-650 °С. Общая выработка масел из нефти невелика (1,5-2,0 % от общей переработки нефти), но технология их получения более сложна и энергоемка, чем технология производства топлив. Мощности производства масел в мире составляют около 42 млн т/год, из них в США - 11, в странах Западной Европы - 7 и в России и СНГ - 6 млн т/год. Вакуумной ректификацией мазутной фракции получают обычно две дистиллятные (боковые погоны - фракции вакуумной ректификационной колонны) фракции: маловязкую (350-420 °С) и вязкую (420-500 °С), а также остаток - гудрон (выше 500 °С). Из этих трех фракций вырабатывают в конечном итоге базовые дистиллятные масла (маловязкие и вязкие) и базовое остаточное масло (высоковязкое), из которых компаундированием и добавлением присадок получают разнообразные масла различного назначения. Из вакуумной колонны иногда отбирают три-четыре боковые масляные фракции.
Сущность технологии получения базовых масел из дистиллятов и остатка - это их многоступенчатая очистка от нежелательных примесей и групп углеводородов. Из остатка (гудрона) сначала с применением процесса деасфальтизации удаляют асфальтены. Потом из дистиллятов и деасфальтизи-рованного остатка с помощью процесса очистки селективными растворителями (селективная очистка) устраняют нежелательные высокомолекулярные ароматические углеводороды для увеличения индекса вязкости и уменьшения коксуемости. После этого проводят процесс депарафиниза-ции для извлечения смесей нормальных алканов С20-С35 (гачи) и изоалканов С35 и выше (петролатумы) для обеспечения низких температур застывания масел. Завершающей стадией служит процесс гидроочистки, при которой базовые масла осветляются (гидрированием оставшихся в них смолистых соединений) и из них частично удаляются нежелательные серо-и азотсодержащие соединения.
В результате этих очисток в базовых маслах остаются в основном нафтеновые, изопарафиновые и низкомолекулярные ароматические углеводороды с длинными боковыми цепями. Поскольку в процессе очистки масляных фракций обычно не происходит химических превращений углеводородов, а только лишь удаление нежелательных соединений, то на качество базовых масел существенное влияние оказывает химический состав тяжелой части нефти. Другими словами, для получения качественных базовых масел необходимо прежде всего использовать соответствующие нефти только отдельных месторождений.
Товарные масла приготавливают смешением (компаундированием) дистил-лятных и остаточных базовых масел по требуемым значениям вязкости, индексу вязкости, температуре вспышки, температуре застывания и др. Удовлетворение же всех эксплуатационных характеристик товарных масел достигается их доводкой за счет добавления многочисленных присадок (в основном модифицирующих), общее количество которых составляет от 2-3 до 15-25 мае. %, т. е. на порядок выше, чем в топливах.
Перечень (пакет) присадок к маслам обычно шире, чем к топливам, и включает следующие присадки: вязкостные (индексные, загущающие), изменяющие вязкость и индекс вязкости масла (полиизобутилен, полиметакрилат и др.); антиокислительные, предотвращающие окисление масла при нормальных условиях и при высокой температуре в ДВС; антифрикционные, снижающие трение в узлах трения; противоизносные, предохраняющие поверхности трения и уменьшающие износ в узлах трения; противозадирные, исключающие сухой контакт в узлах трения; противокоррозионные и ингибиторы коррозии; депрессорные, понижающие температуру застывания масла; моющие и диспергирующие, предупреждающие осаждение продуктов окисления масел в виде нагара; антипенные', адгезионные, предотвращающие вытекание (растекание) масла из узлов смазки.
Применяются также многофункциональные присадки, обладающие двумя или несколькими функциями действия. Наибольшее применение получили многокомпонентные присадки, представляющие комплекс нескольких присадок, каждая из которых улучшает одно или несколько свойств масел.
Номенклатура товарных нефтяных масел весьма многочисленна, их можно классифицировать по назначению следующим образом: масла смазочные (моторные, трансмиссионные, индустриальные, турбинные, компрессорные, цилиндровые, осевые, прокатные, приборные); масла специальные (гидравлические, электроизоляционные, вакуумные, технологические, защитные, медицинские).
Нефтяные масла иногда называются также минеральными только для того, чтобы отличить их от синтетических (или более правильно - частично синтетических масел), которые получают из органических соединений -продукции многоступенчатого нефтехимического синтеза. Использование синтетических масел было вызвано повышающимися требованиями к высококачественным моторным и другим маслам, которые должны обеспечивать высокотемпературную окислительную стабильность при рабочих температурах выше 200 °С. Для синтетических масел (точнее, для синтетической основы масел) используются углеводороды разного происхождения и другие органические соединения. Синтетические масла вырабатывают на основе гидроизомеризации парафина, сложных спиртов, эфиров синтетических жирных кислот, кремнийорганических жидкостей и других веществ. Нефтяные и синтетические масла не всегда совместимы (взаимозаменяемы) друг с другом. Синтетические, равно как и минеральные, масла имеют свой пакет многочисленных присадок. Обычно в состав масел входит не менее 3-5 различных компонентов, иногда их число может достигать 8-10. Стоимость пакета присадок может составлять 60-80 % стоимости высококачественных товарных масел.
Трибологические характеристики масел (индекс задира, критическая нагрузка, показатель износа, нагрузка сваривания и др.) определяются на экспериментальных установках трениях (например, на четырехшариковой машине трения). Некоторые синтетические масла при определенных условиях их эксплуатации ведут себя как ненъотоновские жидкости, поэтому достижения трибологии и триботехники связаны также с научными успехами реологии.
Для нефтяных базовых и товарных масел и смазок в последнее время стал обязательным тест на испаряемость масла (Volatility test) для определения стабильности его качества во время эксплуатации. Испаряемость определяется как потеря массы образца масла, выдерживаемого в стандартных условиях в течение некоторого времени при постоянной температуре. Таким же необходимым является определение цвета масла (Color test), который быстро позволяет оценить наличие нежелательных тяжелых фракций, ухудшающих также и стабильность масла.