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

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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;

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