Что такое трение и почему оно важно
Трение — это сложное физическое явление, возникающее при контакте и относительном движении двух тел. Оно проявляется в двух основных формах: внешнее трение (между поверхностями) и внутреннее трение или вязкость (внутри газов, жидкостей и твёрдых тел). В зоне контакта происходят не только механические процессы, такие как деформация и срезание микронеровностей, но и тепловые, химические и электрические явления. Последствия трения часто носят негативный характер, приводя к износу деталей. Износ, измеряемый потерей массы или изменением геометрии, может казаться незначительным, но именно он является причиной до 90% отказов машин и оборудования, нанося экономике развитых стран ущерб в размере 4-5% национального дохода.
Рождение трибологии
Для борьбы с износом человечество ежегодно расходует колоссальные объёмы смазочных материалов — более 100 миллионов тонн. Необходимость системного подхода к проблемам трения, износа и смазки привела к формированию в середине 1960-х годов новой научной дисциплины — трибологии (от греческого «tribo» — тереть). Её практическое применение известно как триботехника. Эта наука объединила разрозненные знания для разработки новых материалов, усовершенствования узлов трения и обеспечения их надёжной, долговечной работы.
Основные понятия и условия работы
Ключевыми понятиями в этой области являются: внешнее трение (сопротивление движению), изнашивание (процесс отделения материала), износ (результат этого процесса) и смазка (действие материала, уменьшающего трение и износ). Узлы трения работают в экстремальных условиях: под высоким давлением (до 10 МПа и более), при температурах до 550°C и выше. В точках контакта микронеровностей давление может кратковременно достигать 4000 МПа, а температура — 1200°C.
Идеальная цель смазывания — создать режим жидкостного трения, когда слой смазки полностью разделяет поверхности. Однако на практике чаще встречается смешанное трение. В зоне контакта формируются изменённые поверхностные слои (ПС) и подповерхностные зоны (ПЗ), свойства которых отличаются от исходных материалов. Здесь происходит образование твёрдых частиц износа, которые могут усугублять разрушение, действуя как абразив.
Феномен безызносности и избирательный перенос
Интересно, что трение не всегда ведёт к разрушению. Яркий пример — суставы живых организмов, которые работают десятилетиями без износа благодаря особой структуре (хрящ с полимерной плёнкой). Этот «эффект безызносности» воспроизведён и в технике, например, в компрессорах холодильников. В них на стальных поверхностях самопроизвольно образуется тонкая медная плёнка (толщиной 1-2 мкм) — сервовитная плёнка. Она формируется за счёт ионов меди из системы и защищает детали. Это явление, когда трение не разрушает, а создаёт защитный слой, называется избирательным переносом (ИП).
ИП можно индуцировать, используя специальные смазочные материалы с добавками мягких металлов (медь, серебро) или нанося покрытия. Этот метод применяется в авиации, автомобилестроении, станкостроении и других областях для самых разных пар трения.
Современные подходы к снижению трения и износа
Для повышения долговечности узлов трения инженеры используют комплексный подход:
- Покрытия: Нанесение сверхтонких плёнок из полимеров, керамики, фуллеренов или материалов для создания сервовитных плёнок.
- Присадки к маслам: Специальные добавки, которые выполняют функции антиокислителей, противоизносных, противозадирных, моющих и других агентов. Пакет присадок может включать до 10 компонентов и составлять большую часть стоимости высококачественного масла.
Производство и классификация масел
Нефтяные (минеральные) масла — это сложные смеси углеводородов, получаемые вакуумной перегонкой мазута с последующей многоступенчатой очисткой. Качество базового масла сильно зависит от исходной нефти. Путём компаундирования (смешивания) дистиллятных и остаточных фракций и добавления присадок получают товарные масла.
Их номенклатура обширна: моторные, трансмиссионные, индустриальные, гидравлические, турбинные и многие другие.
Для работы в экстремальных условиях (температуры выше 200°C) созданы синтетические масла на основе эфиров, кремнийорганических жидкостей и других соединений. Они обладают высокой стабильностью, но часто несовместимы с минеральными маслами.
Контроль качества и испытания
Трибологические свойства масел (износостойкость, противозадирные характеристики) проверяют на специальных машинах трения, например, на четырёхшариковой. Современные стандарты также требуют проведения тестов на испаряемость и определение цвета масла, что позволяет быстро оценить его стабильность и наличие тяжёлых, нежелательных фракций.
Таким образом, трибология и триботехника, объединяя знания из механики, химии, материаловедения и реологии, играют ключевую роль в создании надёжной, экономичной и долговечной техники будущего.