Введение

Одним из эффективных путей обеспечения безопасности, надежности и долговечности нагруженных подвижных сопряжений машин и механизмов, а также минимизации энергосиловых потерь таких трибосистем при эксплуатации является применение смазочного материала в качестве конструкционного компонента сопряжения.

Согласно представлениям физико-химической механики контактного взаимодействия [1] механизм смазочного действия среды при граничном трении включает два ведущих процесса: экранирование контактирующих поверхностей и прямое физико-химическое воздействие активных компонентов на свойства приповерхностных микрообъемов, нагруженных тел. В зависимости от материалов и внешних условий трения может преобладать одна из этих форм или проявляться их совместное действие.

Трение при граничной смазке представляет собой многостадийный механо-физико-химический процесс, включающий этапы адсорбции, модифицирования и разрушения, его конечным продуктом является формирование частиц износа. При изнашивании такая совокупность процессов является самоподдерживающейся (при формировании частиц износа обнажаются новые металлические участки на поверхности трения и возобновляется создание модифицированного слоя с характерными ему экранирующими свойствами).

Наибольший триботехнический эффект достигается в результате формирования износостойкого модифицированного слоя при наличии в смазочных материалах поверхностно-активных веществ (ПАВ), компоненты которых в процессе контактной деформации вызывают его адсорбционное пластифицирование тончайшего поверхностного слоя
(эффект Ребиндера) [2].

В физико-химической механике твердых тел рассматривают две основные формы эффекта Ребиндера: охрупчивающее действие активной среды, в результате которого снижается прочность твердого тела; пластифицирующее действие среды, которое проявляется в виде снижения макроскопического предела текучести и уменьшения коэффициента упрочнения материала (при возрастающем силовом нагружении образца), или в увеличении скорости деформации при испытаниях на ползучесть. В практике формирования износостойкого структурного состояния трибоматериала и, следовательно, повышения триботехнической эффективности смазочных сред наиболее важна вторая форма эффекта – пластифицирование.

Вместе с тем, известно, что поверхностно-активная среда может оказывать на реологическое поведение материала не только пластифицирующее, но и упрочняющее воздействие. Выражается это в повышении предела текучести и/или коэффициента упрочнения и в уменьшении скорости ползучести материала под постоянной нагрузкой. В реальных трибосопряжениях в составе смазочных материалов присутствуют ПАВ, которые в зависимости от типа и величины механических напряжений, а также скорости деформации могут оказывать как поверхностно-пластифицирующее, так и поверхностно-упрочняющее воздействие.

Опыт исследований разных смазочных материалов указывает на то, что оценка их смазочной способности, кроме общепринятых в триботехнике критериев, целесообразно  проводить также с использованием критериального подхода, основанного на совокупности данных, соответствующих разным масштабно-аналитическим характеристикам трибосистемы: макроскопического интегрального критерия (характеризующего уровень поверхностного разрушения,) и микроскопических критериев (характеризующих структурное состояние зоны контактной деформации материала) [3, 4].

 Далее будут описаны результаты экспериментальных исследований влияния состава смазочной среды на структурное состояние и фазовый состав поверхностного деформированного при трении слоя (модифицированного слоя) и его роли в формировании уровня поверхностного разрушения.

Материалы и методы исследования

Исследовали пары трения «медный сплав – сталь». Контртелом служили плоские образцы закаленной конструкционной стали Ст45. В качестве смазочного материала применяли вазелиновое масло, глицерин, минеральные масла, гидравлические жидкости, дисперсионные синтетические среды, используемые при создании пластичных смазочных материалов, пластичные смазочные материалы, в состав которых входили ПАВ.

Триботехнические испытания проводили на машине реверсивного трения МТ-8 в диапазоне давлений 5…140 МПа и средней скорости скольжения 0,10 м/с. Условия испытаний соответствовали режимам работы тяжело нагруженных трибосопряжений: рабочие поверхности подвергались знакопеременным сдвиговым деформациям, способствовавшим созданию повышенной концентрации дефектов кристаллического строения материала в зоне контактной деформации. При этом происходила интенсификация механохимических процессов и проявление эффекта пластифицирования на поверхностях реверсивного
трения [5].

Роль среды выявляли с использованием критериальных подходов [3, 6], основанных на экспериментально полученной совокупности макроскопических интегральных критериев (феноменологических показателей потерь на трение и изнашивание) и микроструктурных критериев (физического уширения рентгеновских линий на дифрактограммах материала зоны контактной деформации, периода кристаллической решетки, элементного состава поверхностного слоя, определяемых методами металлофизических исследований). Физическое уширение β_(hkl)  рентгеновских линий отражает влияние размера областей когерентного рассеяния (блоков) в кристалле и микродеформаций кристаллической решетки (микронапряжений II рода), соответственно величина β_(hkl) определяет плотность дислокаций деформированного металла, ρ = Аβ_(hkl)², где  
ρ – иплотность дислокаций, [ρ ] = см^-2; А – размерная постоянная, [A] = (см∙рад)^-2. Величина периода кристаллической решетки а, оцениваемая по смещению дифракционных пиков на рентгенограмме определяет сумму главных напряжений и, кроме того, зависит от элементного состава сплава, σ = (Е/ ν )сtgϑ₀Δϑ,
а = а_А + αС, где Е – модуль упругости; ν  – коэффициент Пуассона; Δϑ – изменение угла Вульфа-Брэггов; а_А – период решетки растворителя, α – константа; С, атом.% – атомная концентрация растворенного элемента. Изменения величины а относительно первоначального значения в ненапряженном материале позволяют анализировать диффузионное перераспределение легирующих элементов в зоне механического или любого другого воздействия на сплав.  Рентгеносъемки проводили методом неразрушающего послойного анализа зоны контактной деформации в диапазоне
0,5…10 мкм в Co-Kα излучении.

Результаты исследований и их обсуждение

Описываемый критериальный подход компенсирует недостатки принятых методов оценки смазочных сред. Он  базируется на анализе динамических изменений свойств трибоматериалов в процессе трения. В рамках этого подхода анализируются временная эволюция механических свойств металлических материалов, их связи между собой и с микроструктурными параметрами материалов при стандартных схемах испытаний. Параллельные исследования макро- и микромеханических свойств различных трибоматериалов позволили установить функциональные зависимости:
S = f(γ, δ); δ = f(β); H = f(δ); H_μ = f(β),
где S – истинные напряжения течения;
γ – коэффициент пластичности; δ – остаточная
деформация; H_μ – микротвёрдость; β – физическое уширение рентгеновских линий на дифрактограммах металла. Разработанные методики расчёта характеристик микромеханических свойств по рентгеновским данным [7] с некоторыми допущениями можно использовать для оценки пластических деформаций, развивающихся при контакте трущихся тел, а также для анализа действующих напряжений течения, характеристик твёрдости и пластичности в зависимости от типа металла и свойств среды.

Качественно иллюстрирует закон распределения пластической деформации медного образца по глубине контактной зоны для установившегося режима трения рис. 1. Показаны особенности фрикционного упрочнения в условиях сухого и граничного трения, а также в режиме избирательного переноса.

Приведенные экспериментальные данные позволяют сформулировать два основных вывода. Во-первых, формирование вторичной структуры на поверхностях трения сопровождается синергетическими физико-химическими процессами, связанными с упрочнением и разупрочнением материала приконтактной зоны. При постоянных условиях внешнего нагружения и состава исходного материала определяющая роль в выборе направления этих процессов принадлежит природе и свойствам смазочных сред. Во-вторых, наблюдаются две зоны поверхностной пластической деформации: I – зона аномального фрикционного упрочнения, II – зона ограниченного деформационного упрочнения. Аномалии деформации тонких поверхностных слоев выражаются в зависимости плотности дислокаций и степени упрочнения от наличия ПАВ в смазочной среде. Кроме того, эксперименты показывают, что величины напряжения течения материала оказываются выше при пониженных значениях внешнего давления на контакте. Проведенная на основе функциональной зависимости
β = f(δ,S) оценка значений действующих истинных напряжений течения S в тонких приповерхностных слоях показала, что они достигают весьма высоких значений (~ 800 МПа) в случае применения неактивной смазочной среды даже при небольшом внешнем давлении  ~ 1,5 МПа [8].

Смазочный материала представляет собой смесь базовой дисперсионной среды, дисперсной фазы, пакета присадок функционального назначения. Особая роль принадлежит активным компонентам смазочного материала, которые либо вводятся в состав среды, либо образуются в процессе превращений при трении. Влияние дисперсионной среды и смеси с дисперсной фазой на структурное состояние и свойства приповерхностного эксплуатационного слоя рассмотрим на примере трения пары бронза БрА5 - сталь 45 в среде синтетического масла М9С. В качестве дисперсной фазы (загустителя) использовали 12-оксистеарат лития – литиевое мыло 12-оксистеариновой кислоты (LiC₁₈H₃₅O₃ =12-LioSt), которое вводилось в дисперсионную среду в количестве 12 %. На рис. 2 показаны объемно-временные изменения основных микро- и макроскопических характеристик поверхностного слоя бронзы БрА5 в среде масла М9С и в его смеси с загустителем 12-LioSt.

Графики, приведенные на рис. 2, а, отражают распределение значений физического уширения рентгеновских линий по толщине слоя деформации бронзы. Поскольку
ρ ~ β²_(hkl), они позволяют качественно определить изменение плотности дислокаций ρ в соответствующем слое. Анализ зависимостей
ρ = f(h) указывают на три основных процесса, одновременно происходящих при деформации трибоматериала в исследуемых смазочных
средах.

Во-первых, плотность дислокаций в слоях, прилегающих к свободной поверхности образцов, возрастает примерно в 1,6 раза при трении в масле М9С (кривая 1) по сравнению с исходным состоянием (до трения, шлифованная поверхность, кривая 3), т. е. при трибодеформации образцов в инактивной смазочной среде наблюдается упрочняющий эффект.

Во-вторых, присутствие дисперсной фазы 12-LioSt в смазочной системе обеспечивает систематическое понижение плотности деформационных приповерхностных дислокаций (примерно в 1,7 раза по сравнению с чистой дисперсионной средой и в
1,1 раза по сравнению с исходным состоянием). Таким образом, в результате воздействия загустителя смягчаются энергосиловые граничные условия в трибоконтакте, и в приповерхностном слое трибоматериала реализуется пластифицирующий эффект.

В-третьих, систематическое снижение величин

Δβ 311(h)=β311М9С+LioSt(h)-β311М9С(h)  и

Δβ 311h/β311М9С(h)≈0,1 ,

полученных путем сопоставления значений β₍₃₁₁₎(h) при h = idem для испытаний, выполненных при различных граничных условиях в контакте, указывает на локализацию эффекта влияния среды в слоях трибоматериала достаточно малой толщины, не превышающих 10…15 мкм.

Как показывает рис. 2, б, в процессе временнóй трибодеформации антифрикционного материала в масле М9С величина периода решетки сравнительно слабо осциллирует по всей глубине поверхностного деформированного слоя (кривая 1) и, в среднем, составляет <а_α> = 0,3632 нм, что достаточно близко к исходному стандартному значению периода решетки бронзы БрА5
а_α = 0,3628 (1) нм [9]. Введение в смазочную систему загустителя 12-LioSt приводит к тому, что в процессе фрикционного воздействия в зоне деформации формируется нормальный к рабочей поверхности образца достаточно интенсивный макроскопический диффузионный поток атомов алюминия, направленный с одной стороны к выходу из образца, а с другой – в его внутриобъемную зону. При этом в слоях глубиной h ≤ 4 мкм происходит заметное уменьшение периода
а вплоть до значений а_α ≈ 0,3620 (2) нм
(кривая 2).

Таким образом, в приповерхностном слое трибообразца вблизи межфазной границы «металл / смазка» создается положительный концентрационный градиент алюминия и, соответственно, положительный градиент механических свойств материала в целом, являющиеся предпосылками для формирования режима повышенной износостойкости такого материала.

Полученная в [2] оценка происходящих под влиянием адсорбции ПАВ изменений предела текучести приповерхностного слоя, а также вариаций знака и величины остаточных напряжений, возникающих на разных глубинах этого слоя, дает основания полагать, что именно процессы диффузии атомов алюминия одновременно как в смазку, так и в глубину трибоматериала обеспечивают снижение уровня упрочняющего эффекта в приповерхностном слое бронзовых образцов при их испытаниях в масле, содержащей загуститель.

Однако наблюдающееся при этом увеличение концентрации атомов алюминия в более глубоко залегающих подповерхностных слоях трибоматериала (наличие максимума концентрации алюминия на глубине h ≈ 5 мкм (рис. 2, б) кривая 2, приводит к появлению в зоне деформации сплава горизонтально-протяженных пластинчатых концентрационных неоднородностей. В соответствии с лепестковой моделью механизма износа [10] это может являться причиной снижения износостойкости бронзы.

Следует заметить, что локальные диффузионные процессы в приповерхностном слое трибоматериала приводят к образованию / росту в системе новых метастабильных фаз. Такие структурные фазовые переходы инициируются флуктуационным («спинодальным») изменением концентрации атомов легирующих элементов в соседних микрообъемах деформированной зоны и последующей структурной перестройкой этих микрообъемов с образованием кристаллической решетки новой фазы, что характерно для сплавов на основе Cu-Sn. Эти процессы изменения фазового состава трибоматериала могут происходить в неблагоприятном для его механической стабильности направлении и зачастую являются причиной его повышенного
износа [4].

 Таким образом, в зоне деформации бронзового образца при его трении в смазочной среде, содержащей загуститель, реализуются три ведущих структурных процесса: повышение плотности дислокаций за счет влияния дисперсионной среды – масла М9С (упрочняющий эффект), понижение плотности дислокаций под влиянием дисперсной фазы - литиевого мыла 12-LioSt (пластифицирующий эффект) и реализация макроскопического диффузионного потока атомов алюминия в смазку и во внутриобъемную зону образца, создающий положительный градиент механических характеристик трибоматериала по глубине модифицированного слоя.

Последнее обстоятельство указывает на тенденцию формирования в материале признаков износостойкого структурного состояния. Конкуренция процессов, приводящих к упрочняющему эффекту, и процессов, вызывающих пластифицирующий эффект, определяет уровень поверхностного разрушения трибоматериала (рис. 2, в). Временные зависимости износа бронзовых образцов I_h = f(τ) выявляют важную особенность процесса изнашивания, интенсивность которого также зависит от вида смазочной среды.

Как известно, характерным показателем установившегося режима трения является реализация кинетических циклов - периодически чередующихся этапов накопления повреждений в зоне локализации деформации металла и моментов ее разрушения, сопровождающихся динамическим равновесием между разрушением поверхностных структур и их восстановлением. Период этих циклов и их амплитуда являются кинетическими характеристиками процессов накопления повреждаемости и разрушения тонкого поверхностного слоя трибоматериала [11]. В макроскопическом масштабе они определяют среднее значение интенсивности изнашивания материалов
трибосопряжения на фиксированном отрезке пути трения.

Приведенные на рис. 2, в графики свидетельствуют о влиянии состава смазочной среды на периоды и амплитуды кинетических циклов. Так, при трении образцов в масле период накопления повреждаемости и амплитуда изменения износа достаточно велики; при трении в смеси масла с загустителем эти характеристики оказываются существенно меньше.

Фиксированные во времени значения интенсивности изнашивания бронзы в двух средах на разных временных интервалах могут значительно отличаться, в особенности при малых и больших временах работы трибосопряжения.

Тем не менее, в среднем они близки, хотя на всем временном интервале испытаний наблюдается тенденция более высокого износа образцов при их боиспытаниях в масле с загустителем. Интенсивности изнашивания составляют I_h ≈ 4,5.10^-8 для смазки М9С+12-LioSt в режиме, близком к установившемуся
(при τ = 70 ч), и I_h ≈ 3,5.10^-8 для М9С в режиме, все еще далеком от стационарного при том же времени испытаний.

Анализ совокупности графиков
β₍₃₁₁₎ = f(h), а = f(h), I_h = f(τ) дает основание полагать, что кроме усталостного процесса в поверхностных слоях реализуется дополнительный механизм разрушения, связанный с влиянием литиевого мыла. Проведенные рентгеносъемки тончайших поверхностных слоев бронзы (h ≈ 0,1…0,2 мкм) выявили присутствие на поверхности трения множество оксидов типа Cu₂O и небольшого количества оксидов нестехиометрического состава. При трении в базовом масле без загустителя количество оксидов предельно мало. Кроме того, было обнаружено, что поверхностная концентрация новообразований оксидной природы осциллирует в зависимости от времени испытаний (т. е. от длины пути трения), а их общая масса и величина износа I_h на фиксированном временном отрезке Δτ находятся в противофазе (в момент времени, соответствующем повышенному износа образца, оксиды отделяются от поверхности трения, и на обнажившейся поверхности они еще отсутствуют). Следовательно, процесс окисления поверхности вносит значимый вклад в поверхностное разрушение трибоматериала. Поэтому для сохранения и усиления антиизносного эффекта, возникающего при добавлении в инактивную смазку ПАВ – литиевого мыла, необходимо дополнительное введение в состав такой дисперсионно-смазочной среды специфических антиоксидантов - веществ, ингибирующих процессы окисления медного сплава.

При производстве промышленных пластичных смазочных материалов часто применяется смесь дисперсионных сред М9С и полиэфира ДЭБЯК (сложный эфир бензилянтарной кислоты и широкой фракции спиртов С₇ – С₁₂) в сочетании с загустителем 12-LioSt. В табл. 1 и на рис. 3 представлена совокупность микро- и макроскопических характеристик бронзы БрА5, полученная по результатам испытаний в смеси М9С + ДЭБЯК в соотношении (1:1) и в смеси М9С + ДЭБЯК (1:1) + 12 % 12-LioSt.

При трении в смазочной смеси
М9С  + ДЭБЯК структурные составляющие α₁ и α₂ поверхностного деформированного слоя, образующиеся в результате концентрационного расслоения бронзы при трибодеформации в активной среде, имеют различные значения структурного параметра β₍₃₁₁₎ ~ ρ^0.5. Так, для обогащенной алюминием α₁-фазы величина β₍₃₁₁₎ и, следовательно, общая плотность дислокаций ρ оказываются меньше, чем их значения для исходного сплава. Для α₂ -фазы, обогащенной медью, значения β₍₃₁₁₎ и ρ существенно выше по сравнению с их значениями не только в исходном состоянии трибоматериала, но и с этими характеристиками для фазы α₁, содержащей более высокую концентрацию алюминия. Присутствие в смазке загустителя 12-LioSt незначительно снижает величины β₍₃₁₁₎ и ρ в этих фазах. Таким образом, можно полагать, что присутствие эфира ДЭБЯК в смеси с синтетическим маслом М9С и загустителем, по существу, не изменяет характер физико-химического влияния масла, рис. 2, а, на процессы трибодеформации, происходящие в приповерхностном слое материала. В упомянутых структурных составляющих наблюдается как пластифицирующий эффект, так и упрочняющий, с превалирующим действием последнего, при этом глубина поверхностно-модифицированного слоя превышает 10 мкм.

При испытаниях трибоматериала в данных смазочных средах в поверхностном слое образцов возникает макроскопический диффузионный поток атомов алюминия, приводящий к концентрационному расслоению исходного сплава (рис. 3). Периоды кристаллической решетки относительно обогащенных алюминием вторичных фаз α₁ и α₃ в обеих смазочных средах достаточно близки, т.е. добавка загустителя в смазку практически не влияет на состав и уровень остаточных напряжений в обогащенной медью фазах.

Вместе с тем, при трибоиспытаниях трибоматериала в смазке, содержащей загуститель, это расслоение гораздо более неоднородно по толщине поверхностного слоя. Последнее обстоятельство связано с заметной вариабельностью остаточных напряжений сжатия, присутствующих в фазе α₄. Следует также отметить, что загуститель ограничивает массовую интенсивность пространственного расслоения исходного твердого раствора по глубине h: обогащенная медью фаза α₄ рентгеновски визуализируется лишь в поверхностном слое материала толщиной
h ≤ 3,5 мкм, (рис. 3, кривая α₄).

Экспериментально обнаружено, что на поверхности трения в среде
 (М9С + ДЭБЯК +12-LioSt) происходит периодическое появление и исчезновение (разрушение) оксидов со структурой шпинели – алюминатов меди CuAl₂O₄. При трении в смазочной среде с загустителем интенсивность линий, соответствующих этому оксиду на рентгенограммах, значительно выше, чем при трибоиспытаниях без загустителя. Это указывает на их относительно бóльшее массовое (объемное) содержание в первом случае, что может являться причиной более высокого уровня разрушения поверхности при работе трибоузла в такой трехкомпонентной смазке. Этот вывод подтверждается результатами временных зависимостей интенсивности изнашивания I_h, (рис. 4), которые иллюстрируют колебательный характер процесса изнашивания в обеих средах с характерными максимумами и минимумами величины I_h. При этом амплитуда и период колебаний величины I_h при испытаниях в смазке с загустителем оказываются существенно большими.

Особую роль описанный подход играет при оценке влияния присадок. В качестве примера приведем результаты испытаний смазочной композиции (М9С + ДЭБЯК + 12-LioSt), в состав которой дополнительно вводили комплексные металлоорганические соединения на основе никеля и неодима в количестве 0.3% (масс). С помощью рентгеноструктурного анализа показано, что никельсодержащее соединение создает на поверхности трения фазы типа Ni₃Al, а соединение на основе неодима – микрофазовые новообразования, имеющие структуру оксида Nd₂O₃. При этом никельсодержащая присадка не влияет на фазовый состав приповерхностного слоя бронзы, сформированный при трении в вышеуказанной дисперсной системе с ПАВ (сохраняются две структурные составляющие, обеспечивающие положительный градиент механических свойств по нормали к свободной поверхности). Содержащая неодим присадка, напротив, полностью подавляет положительное с точки зрения износостойкости воздействие ПАВ среды: по всей зоне деформации создается отрицательный концентрационный градиент алюминия в меди. Эксперименты показывают, что уровень разрушения поверхности бронзы при трении в смазочных системах, содержащих одну из этих присадок (с никелем, или неодимом) существенно отличается.

Синтетическое масло, полиэфир ДЭБЯК, 12-LioSt, пакет присадок и металлические наполнители (свинец и оксид меди) являются компонентами промышленного пластичного смазочного материал Атланта (ТУ 38-1011048-85), в котором были проведены испытания реальных промышленных пар трения «хромированная сталь 30ХГСН2А (вал) – бронзы БрА5, БрАЖМц10-3-1.5 и БрАЖН 10-4-4 (втулка)» при номинальном давлении 70 МПа и скорости скольжения 0,05 м/с, табл.2. Сопоставление приведенных в табл. 2 экспериментальных данных свидетельствует о том, что наиболее прочная бронза БрАЖН10-4-4 показала при трибоиспытаниях в смазке Атланта наименьшую долговечность. Лучшими показателями обладает наиболее пластичная бронза БрА5. Она является гомогенным твердым раствором в широком концентрационном и температурном интервале, что является важным условием формирования износостойкой структуры [12].

На основании рентгеноструктурного анализа приконтактной деформированной зоны алюминиевой бронзы при трении в активной смазке «Атланта» установлены следующие структурно-фазовые превращения, определяющие триботехнические характеристики сопряжения: формирование металлоплакирующей пленки свинца; восстановление меди из оксида Cu₂O и создание в совокупности со свинцом смешанной металлоплакирующей пленки; концентрационное расслоение бронзы и образование кристаллографически изоструктурных (т. е. с одинаковыми решетками Браве) твердых растворов Cu-Al, один из которых является фазой с меньшим периодом и, следовательно, обогащен медью; массоперенос хрома, образование оксидов типа PbCrO₄ и рост их количества с увеличением пути трения (предельная объемная доля оксида, ограничивающая ресурс сопряжения, составляет 10 %) и, как следствие, постепенное формирование отрицательного градиента плотности дислокаций по толщине обогащенной медью фазы. Выявленные концентрационные и деформационные процессы в зоне трения под влиянием смазочной среды, содержащей ПАВ, указывают не только на способы совершенствования смазочного материала, но и позволяют прогнозировать ресурс трибосопряжения в целом.

Важной особенностью трения в смазочной среде, содержащей ПАВ, и существенно повышающей работоспособность трибоматериала, является наличие на контактирующих поверхностях достаточно мягкой структурной составляющей, которая создается за счет диффузионных процессов, идущих в приповерхностном слое медного сплава под влиянием активной смазочной среды, и/или образуется на поверхности трения благодаря адсорбции металлических атомов из смазочного материала.

В табл. 3 приведены сравнительные характеристики испытанных пластичных, полужидких и жидких смазочных материалов Буксол, Пума и М-14В₂ с введенной в их состав активной присадки (ПАВ), содержащей соединения на основе меди
(ТУ 0257-001-17368431-05). Исследования были проведены применительно к узлам трения подвижного состава железнодорожного транспорта: пластичного материала Буксол для подшипниковых узлов, полужидкого материала Пума для пары колесо-рельс и моторного масла М-14В₂ для дизельных двигателей внутреннего сгорания [14].

Показано, что повышение триботехнической эффективности пластичной смазочной композиции Буксол с ПАВ-присадкой, по сравнению с товарной смазкой Буксол, заключается в повышении несущей способности стального подшипникового сопряжения в 4 раза и в снижении интенсивности его изнашивания от 4 до 19 раз. Для полужидкой смазочной композиции на основе смазки Пума за счет введения медьсодержащей присадки предельно допустимое давление в паре колесо-рельс увеличивается в 2 раза, интенсивность изнашивания в пределах допустимых давлений уменьшается до двух раз. Добавление этой присадки к моторному маслу приводит к уменьшению износа трибосопряжения «поршневое кольцо-гильза цилиндра» не менее, чем в 6 раз. При этом снижение коэффициента трения в системе достигает более 20 %.

Таким образом, примеры испытаний реальных узлов трения указывают на то, что при разработке методов снижения трения и износа сопряжений следует учитывать фундаментальные научно-методологические представления о закономерностях структурных превращений в зоне поверхностной пластической деформации и влияния на них смазочной среды. Преимущества такого подхода обеспечивают технологическую оптимизацию структурного состояния трибоматериала в зоне контактного взаимодействия составляющих трибопару элементов: основного тела, контртела и смазочного материала.

Заключение

В основе методологии оценки качества смазочных материалов лежит экспериментально определяемая совокупность макроскопических критериев (феноменологических показателей потерь на трение и износ) и микроструктурных характеристик приповерхностного слоя трибоматериала: физическое уширение рентгеновских линий, отражающее плотность дефектов дислокационной природы, и период кристаллической решетки, указывающий на изменение структурно-фазового состава и уровень напряжений I рода при трении металла в смазочной среде. Реализация износостойкого состояния эксплуатационного слоя в условиях воздействия активной смазочной среды является результатом направленного макроскопического диффузионного потока по глубине зоны контактной деформации, который обеспечивает положительный градиент параметра кристаллической решетки α-твердого раствора, сопровождающийся формированием пластифицированного слоя  на поверхности трения.

Наибольший ресурс работы нагруженного трибосопряжения, работающего в смазочной среде, содержащей ПАВ, достигается в результате роста износостойкости металла при относительном снижении твердости и повышении пластичности его поверхностного слоя. При этом снижение твердости, обусловленное пластифицирующим действием ПАВ, происходит только в приповерхностном деформированном слое; в более глубоких слоях трибоматериала, не пластифицированных действием смазочной среды, механические характеристики сплава остаются на требуемом уровне.

 Оценку качества смазочного материала и трибосопряжения в целом можно получить, используя критериальные подходы, отражающие разные масштабные уровни работы трибосистемы. Это макроскопический интегральный критерий – интенсивность изнашивания, и микроскопические структурные критерии: плотность дислокаций, уровень микро- и макронапряжений напряжений в поверхностном деформированном слое металла. Анализ совокупности экспериментальных данных, соответствующих разным масштабно-системным уровням работы трибосопряжения, целесообразно проводить с позиций выявления способов реализации положительного градиента механических свойств по глубине модифицированного слоя, определяющего оптимальный режим работы трибопары. Использование ПАВ в составе смазочных сред является эффективным способом формирования устойчивого положительного градиента механических свойств, который реализуется благодаря эффекту адсорбционного пластифицирования (эффекту Ребиндера). Совокупность феноменологических и структурных критериев составляет методологическую основу оценки качества смазочных сред.

1. Shchukin E.D., Amelina E.A., Kachanova L.A., Savenko V.I. Physicochemical mechanics of contact interaction // Friction and wear. 1980. No. 2. P. 247–262.

2. Savenko V.I. The role of the Rehbinder effect in the implementation of the wear-free regime in tribotechnology //Wear-free effect and tribotechnology. 1994. No. 3-4. P. 26–38.

3. Savenko V.I., Shchukin E.D. On the relationship between phenomenological and structural criteria for the operation of friction units // Friction and Wear. 1987. T.8. No. 4. P. 581–589.

4. Kuksenova L.I., Savenko V.I. Physicochemical Tribomechanics of Antifriction Materials Operating in Heavy-Loaded Friction Pairs in Active Lubricating Media // Journal of Friction and Wear. 2023. Vol. 44. No. 6. P. 333–345.

5. Evdokimov V.D. Reversibility of friction and quality of machines. Kyiv: Tekhnika, 1977. 146 p.

6. Rybakova L.M., Kuksenova L.I. Physical criteria of wear resistance of metal materials in surface-active lubricating media / Proc. The Conference on Tribology «Friction, Lubrication and Wear – 50 years on». London: IME. 1987. P. 419–426.

7. Rybakova L.M., Kuksenova L.I. Structure and wear resistance of metal. M.: Mechanical Engineering, 1982. 212 p.

8. Alekseev N.M., Kuksenova L.I., Pravdukhina E.M., Rybakova L.M., Shapiro A.M. Study of frictional hardening of surface layers of copper in the boundary friction mode // Friction and Wear. 1982. No. 1. P. 33–42.

9. Perevalova O. B., Konovalova E. V., Koneva N. A. Effect of aluminum concentration on lattice parameters and root-mean-square atomic displacements in Cu–Al and Ti–6Al–4V alloys // News of the Russian Academy of Sciences. Physical series.2019. T.83. No. 6. P. 764–768.

10. Suh N.P. The delamination theory of wear // Wear, 1973. V.25. N1. P.111–124.

11. Gromakovsky D.G. Destruction of surfaces during friction and development of a kinetic model of wear // Bulletin of mechanical engineering. 2000. No. 1. P. 3–9.

12. Kuksenova L.I., Rybakova L.M., Vyacheslavova L.A., Dyakin S.I., Titov V.V., Filatova T.P. Increasing the performance of heavily loaded shaft-bushing sliding friction pairs using Atlanta lubricant // Bulletin of Mechanical Engineering. 1988. No.7. P.11–16.

13. Smiryagin A.P., Smiryagina N.A., Belova A.V. Industrial non-ferrous metals and alloys: reference book. M.: Metallurgy, 1974. 488 p.

14. Mamykin S.M., Lapteva V.G., Kuksenova L.I. Study of the tribotechnical efficiency of the metal-clad additive «Valena» in lubricants // Problems of mechanical engineering and machine reliability. 2007. No. 2. P. 56–64.