Файл: Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.10.2024
Просмотров: 114
Скачиваний: 0
критической приводит к резкому ухудшению эксплуатационных свойств деталей машин и особенно их усталостной прочности и износостойкости.
Поэтому |
необходим активный контроль, который позволил бы в |
динами |
|
ке деформирования установить наивыгоднейший режим |
обработки |
и м о |
|
мент ее |
прекращения по времени или числу проходов |
упрочняющего |
инструмента. Очевидно, критерием перенаклепа должно быть изменение
интенсивности установившегося эмиссионного потока и характера |
его |
|||
"всплесков" на осциллограмме. Действительно, по некоторым нашим |
||||
наблюдениям перенаклеп и резкая потеря прочности поверхностных |
сло |
|||
ев сталей приводят к своеобразному изменению формы кривой интен |
||||
сивности экзоэлектронной эмиссии. |
Для нахождения |
количествен |
||
ных закономерностей необходимы дальнейшие исследования, |
которые п о з |
|||
волят связать режимы упрочняющей технологии и экзоэлектронную |
э м и с |
|||
сию с комплексом физико-механических свойств поверхностных и |
г л у |
|||
бинных слоев и их эксплуатационной надежностью. Эти |
исследования |
|||
можно проводить в динамических условиях упрочнения при отсутствии |
||||
жидкой среды или поэтапно, • особенно |
на больших деталях, с |
местным |
обезжириванием участков их упрочняемой поверхности, если применя ется смазка.
473 8
-U5 -
Глава ѴЛ.
ЭКЗОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ II ОКИСЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
Вопросы окисления поверхностей трения находятся в центре внима ния многих исследователей [ 1 , 3 , 217 , 292]. Наиболее существенные результаты в этом направлении достигнуты в основном в последние годы.
Работами Б.И. Костецкого |
[1,4] показана |
роль кислорода в фор |
||
мировании свойств поверхностных слоев при |
их |
деформации |
трением |
|
и построена физическая модель |
окислительного |
изнашивания. |
Одновре |
менное протекание микропластической деформации и диффузии кисло рода в пластически деформируемые объемы металла приводит к образо ванию особого вида вторичных структур с локализацией разрушения в
тончайших поверхностных слоях. Физико-химическое взаимодействие метал ла с кислородом воздуха или с агрессивными компонентами смазки резко активизируется под воздействием силовых факторов трения. При
этом смазочная среда |
не только задерживает поступление кислорода |
в зону трения, но и |
изменяет состав и свойства поверхностных пле |
нок [ 4 ] . |
|
Однако в жидкой смазке содержится достаточное количество кисло рода, способного быстро окислять высокоактивные ювенильные поверх ности трения [293, 294]. В этом случае кислород в зону трения м о жет поступать из растворенного в масле воздуха и из продуктов окис ления самого масла. Как показано Г.В. Виноградовым и Ю.Я. Подоль
ским [293], достаточно |
следов |
кислорода в газовой фазе |
и масле, что |
бы резко изменились в |
лучшую |
сторону условия трения. |
Даже в глубо |
ком вакууме углеводородные смазки сохраняют работоспособность,так как содержат продукты окисления, поставляющие к поверхности трения кислород в химически связанном состоянии, который участвует затем в химических реакциях с активированной трением металлической по верхностью.
Скорость роста окисных пленок на металле очень высока [ 203 , 294, 295 ] . Достаточно долей секунды для образования пленки толщиной по рядка 10 Я. В динамических условиях трения процесс окисления уско ряется изт-за контактных температур и значительной степени деформации, которая характеризуется повышенной концентрацией дислокаций и ва кансий особенно в поверхностных слоях. При этом граница раздела металл - окисная пленка является барьером для прохождения и р а з -
114
рядки дислокаций. Эффективность этого барьера во многом зависит от параметров решеток основного металла и окисла [296] .
П.В, Назаренко и Ю.И. Короленко [ 297] установили, что окисные пленки толщиной до ЮоХ, выращенные на монокристаллах цинка, не оказывают заметного тормозящего действия на выход дислокаций. Од нако с дальнейшим увеличением толщины пленки возрастает ее способ ность блокировать выход дислокаций и затрудняется образование полос
скольжения. Очевидно, толщины пленок, не препятствующие |
прохожде |
|
нию дислокаций,будут отличаться для разных металлов. |
|
|
Окисная пленка, |
обладая значительной твердостью, прочностью |
|
и теплостойкостью |
[298], во многих случаях предохраняет |
основной |
материал от разрушения [296]. Эта особенность определяется сочета нием физико-механических свойств как самой окисной пленки, так и металла, на котором она сформирована. Влияние состава пленок на износостойкость различно, что особенно хорошо подтверждается на примере железа [ 1 , 2, 294j.,TaK, окислы железа F e 3 0 4 и FeO имеют лучшую адгезию к подслою, меньшую хрупкость, твердость и обеспечивают большую износостойкость, чем окись железа F e 2 0 3 , которая образует весьма крупнозернистую и хрупкую пленку , плохо приспособленную к кристаллическому рельефу поверхности трения и фактически являющуюся абразивом [294]. Окисные пленки препятству ют непосредственному контактированию металлических ювенильных
поверхностей трения, тем самым предохраняя |
их от схватывания. |
|||
Таким образом, окисление играет важдую роль в процессах внеш |
||||
него трения и изнашивания. В связи с этим |
особый интерес |
вызывает |
||
экзоэлектронная эмиссия, на которую влияют |
как деформация, сопро |
|||
вождающая |
трение, так и особенности процесса окисления, особенно |
|||
его тепловой эффект и толщина нарастающей |
окисной пленки. Поэтому |
|||
в настоящей главе исследуется взаимосвязь |
экзоэлектронной |
эмиссии |
||
и процесса |
окисления, а также |
влияние на эти процессы состояния |
||
поверхности |
трения и некоторых |
режимных факторов. |
|
1.Методы измерения толщины окисных пленок
Вданном разделе дается представление о всех основных методах измерения толщины окисных пленок на металлах. Желание авторов
не слишком увеличивать объем этой в общем-то вспомогательной час • ти привело к сжатому, почти конспективному описанию. И только те методы, которые, на наш взгляд, лучше всего подходят для исследова ния поверхностей трения и позволяют вести непрерывный контроль в динамике процесса, описаны более подробно.
Весовой метод основан на том, что протекание химической реакции на поверхности приводит к увеличению массы образца либо к уменьше нию массы неокисленного металла. Используют три варианта измерений.
1. Металлический образец взвешивают до и после окисления. По р а з ности весов, плотности окисла и площади поверхности образца оп ределяется толщина окисной пленки.
115
2. Образец на неокисляющейся подвеске прикреплен к весам, и и з менение его веса регистрируется непрерывно. Вместо коромысловых весов можно использовать проградуированные спирали из кварца, пирекса [299] или же горизонтально натянутую кварцевую нить [300], по деформации которых определяется привес образца.
3. Образец взвешивают, окисляют, удаляют с поверхности окисный слой и повторным взвешиванием определяют потерю в весе металла. Определив состав окалины химическим путем, можно рассчитать т о л щину окисла.
Первый и третий |
методы требуют тщательной подготовки образцов, |
|
но не обеспечивают должной чувствительности. Поэтому они не при |
||
годны для |
измерения |
тонких окисных пленок, а используются при и с |
следовании |
толстых слоев окалины, образующихся при высокотемператур |
ном окислении. Второй метод - взвешивание с непрерывным отсчетом изменения веса образца - дает лучшие результаты при использовании вакуумных микровесов. За отклонением коромысла весов или дефор мацией кварцевой пружины можно наблюдать в микроскоп, либо преоб
разовать эти величины в оптические |
или электрические |
сигналы с |
п о - |
||
кющью системы осветителей, легких |
зеркал и фотоэлементов. |
Подроб |
|||
нее с различными |
конструктивными |
решениями можно |
ознакомиться по |
||
монографиям [ 203, |
301] . |
|
|
|
|
Фотограйический метод заключается в определении |
количества |
м о |
|||
лекул перекиси водорода, образующихся при окислении |
металлов в а т |
||||
мосферных условиях , по плотности почернения фотоэмульсии. |
Фотогра |
||||
фическое действие |
свежезачнщенных |
металлических поверхностей |
и з |
вестно под названием эффекта Рассела. Молекулы перекиси водорода являются продуктом катодного процесса восстановления кислорода на окисляющейся поверхности в присутствии адсорбционной пленки влаги. Разработана методика определения количества образовавшихся, выде лившихся и восстановившихся молекул перекиси водорода. Зависимость между количеством выделившейся перекиси водорода и количеством о б
разовавшихся молекул окисла |
установлена экспериментально для А1> |
Zn , Cd, Mg, Bi и их сплавов |
[170, 171, 302]. Повышение чувствитель |
ности фотоэмульсии позволит расширить круг металлов и их сплавоіз, коррозию которых можно изучать этим методом.
Рассчитав количество молекул окисла по плотности почернения фо топластинки, можно оценить толщішу окисной пленки, считая ее р а в номерной по всей поверхности. Сложность заключается в том, что необходимо знать соотношение между истинной и видимой площадями
поверхности |
металла. Величина этого соотношения зависит от спосо |
ба зачистки |
образца. |
Кондѵктометрический метод. Электропроводность окислов намного меньше электропроводности металлов. При окислении толщина непрс— реагировавшего металла убывает, его сопротивление растет. Величи - ну сопротивления можно измерить с большой точностью. Метод удо бен для непрерывного исследования окисления. Образцы лучше всего применять в виде тонких лент или пленок на изолирующей подложке.
К сожалению, при комнатных температурах толщину пленок необходимо ограничивать величиной порядка 10 мкм, иначе относительные и з м е -
116
нения электропроводности |
будут |
меньше точности, обеспечиваемой м е |
|
тодом. |
|
|
|
Фотометрический метод |
Для более тонких пленок металла, |
толщи |
|
ной до 0,1 мкм, применим |
метод, |
основанный на изменении их |
опти |
ческого пропускания при окислении. Непрерывный или модулированный световой пучок проходит через пленку металла и попадает на фото
умножитель. Если отражающая способность |
образца не меняется с т о л |
|
щиной, то интенсивность проходящего |
света |
экспоненциально зависит |
от толщины неокислившегося металла |
[303]. |
|
Интерференционный метод . Пучок |
света, |
падающий на поверхность |
металла, покрытую диэлектрической (окисной) пленкой, отражается от границ пленка - воздух и металл - пленка. Накладываясь друг на друга, две световые волны создают интерференционную картину, кото
рая |
возникает при следующих |
толщинах |
окислов: |
|
|
|||||||
|
L = _ c o s 9 i ; |
4 |
cos*,; |
^ c o s c o , . . . , |
(7.1) |
|
||||||
где |
L - |
толщина |
пленки; |
Л - |
длина |
волны |
света в воздухе; |
n t - |
||||
показатель преломления |
пленки; |
<р і |
- |
угол |
преломления, |
связанный |
||||||
с углом падения |
ф |
соотношением |
sin ф/ sinç, = n, / п . |
Здесь |
n - |
|||||||
показатель |
преломления |
воздуха. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Оценим |
возможности |
метода, |
приняв при упрощении совф! « 1. |
Зная, |
что показатель преломления окисных пленок на алюминии, магнии, цинке
находится в пределах 1,6 -г 2 ,0 |
[304], |
определим минимальную величину |
|||
L |
при освещении |
фиолетовым светом ( |
Л = 4000 X). Получим |
L > 500А. |
|
Но |
окисляющиеся |
при комнатной |
температуре металлы имеют |
предель |
ные окисные пленки толщиной ~ 5оЯ. Следовательно, этот метод боль ше подходит для толстых слоев окалины, образующейся при высоко температурном окислении.
Метод, основанный на поглощении Фотоэлектронов в слое окисла. Интенсивность внешнего фотоэффекта на металлах зависит от толщины
покрывающего их окисного слоя. Установлено |
[304], |
что с ростом |
тол |
|||||||
щины |
окисла |
L |
фототок |
I |
убывает по закону |
|
|
|
||
I = I 0 e " L / L |
0 j |
|
|
|
|
|
(7.2) |
|
|
|
где |
- начальная |
интенсивность фототока; |
L 0 - |
характеристи |
- |
|||||
ческаяIQдлина пробега фотоэлектронов в окисле. Сопоставление |
затухаю |
|||||||||
щего фототока с толщиной нарастающей окисной пленки [175, 305] |
|
|||||||||
позволило оценить |
величины L |
для нескольких окислов: А12 0 3 - 8 А, |
||||||||
|
0 |
0 |
|
|
о |
|
по величине фототока |
|
||
MgO - 8 A, ZnO - 6,4А |
иСсІО - 12 А. Теперь |
|
||||||||
легко |
рассчитать |
толщину |
этих |
окислов для любого |
момента |
времени |
||||
L = L 0 l n ( I 0 / I ) . |
|
|
|
|
|
( ? - 3 ) |
|
Установка для измерения фототока с окисляющихся металлов, опи санная в работе [304], очень проста (рис. 52). Источником света я в ляется ртутная кварцевая лампа ПРК-4 со светофильтром УФС1. Свет
117