УДК 621.891

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СМАЗАННЫХ МАГНИТНЫМ НАНОДИСПЕРСНЫМ МАСЛОМ

 

ENERGY PROPERTIES OF METALLIC SURFACES LUBRICATED MAGNETIC OIL NANODISPERSNYM

 

Болотов А.Н., Новиков В.В., Новикова О.О. (Тверской государственный технический университет, г. Тверь, РФ)

Bolotov A.N., Novikov V.V., Novikova O.O. (Tver State Technical University)

 

Изучена динамика изменения контактной разности потенциалов между металлическими поверхностями смазанными магнитным маслом и его компонентами. Показано, что смазочные свойства исследуемых жидкостей коррелируют с величиной изменения контактной разности потенциалов после их нанесения.

Dynamics changes of contact potential difference between metal surfaces lubricated magnetic oil and its components. It is shown that the lubricating properties of the studied liquids are correlated with the magnitude of changes to contact potential difference after their application.

 

Ключевые слова: магнитная жидкость, поверхность, эксплуатационные свойства.

Key words: magnetic fluid, surface performance, characteristics.

 

В области машиностроения использование в трибоузлах машин и механизмов модифицированных магнитных жидкостей, содержащих нанодисперсные магнитные частицы – магнитных смазочных масел позволяет повысить их качество, надежность и расширить функциональные возможности [1, 2]. Однако, для прогнозирования эксплуатационных свойств поверхности смазанной магнитным маслом, для углубленного понимания механизма смазочного действия необходимо более детально изучить специфические особенности процессов, протекающих на поверхности после нанесения магнитного масла.   

Одной из физических характеристик наиболее чувствительных к энергетическому состоянию поверхности является работа выхода электронов (РВЭ). Рядом исследователей, например, Демченко В.В., Хомутовым Н.Е. установлено, что между поверхностной энергией и РВЭ существует приблизительно линейная связь. Хорошая чувствительность РВЭ к трибологическим изменениям на поверхности показана в работе [3]. Поэтому, именно эта характеристика была положена в основу оценки энергетических изменений, происходящих на поверхности после нанесения на нее магнитного масла.

 В экспериментах непосредственно измерялась контактная разность потенциалов (КРП) Uс методом вибрирующего конденсатора, которая связана с работой выхода простым соотношением eUс=Ae-As, где Ae – работа выхода электрона из образца, As - работа выхода электрона для эталона (в нашем случае-для никеля). Площадь вибрирующего электрода равнялась 20 мм2, и значит измеренная КРП являлась интегральным значением по этой поверхности. Динамика изменения КРП после воздействия на поверхность измерялась в течение нескольких минут, большее время не характерно для условий трения. Поверхности образцов предварительно полировали и очищали инертным растворителем.

Изучалось взаимодействие трех различных по составу магнитных масел ММ-1,-2 с поверхностью, выполненной из стали 45. Масло ММ-1 состояло только из триэтаноламина (ТЭА) и частиц магнетита (5 об. %), масло ММ-2 содержало кремнийорганическую жидкость ПЭС-5 и магнетит (5 об. %), стабилизированный для коллоидной устойчивости олеиновой кислотой. Для сравнения анализировалось взаимодействие с поверхностью жидкостей, являющихся дисперсионной средой масел.

Жидкость ТЭА, входящая в состав масла ММ-1, является ингибитором коррозии с положительным суммарным электронным эффектом. В результате этого сродство электрона к молекулам ТЭА оказывается большим, чем к поверхностям исследуемых материалов. В этом случае электроны из поверхности переходят на электронные оболочки молекул ТЭА, и электронная плотность на поверхности возрастает, образуя электроотрицательный слой и увеличивая работу выхода электрона (см. рис. а) Формируется прочная хемосорбционная связь ТЭА с поверхностью металла, а величина КРП сдвигается в отрицательную область значений.

С помощью двухкомпонентного магнитного масла ММ-1 представляется возможным выяснить влияние дисперсных частиц магнетита на работу выхода.  Частицы магнетита прилипают к поверхности под действием Ван-дер-Ваальсового или дипольного взаимодействия и частично экранируют ее. Из данных, приведенных на рисунке, следует, что добавление в жидкость ТЭА магнитных частиц не приводит к существенному изменению работы выхода во всем временном диапазоне. Небольшое различие объясняется тем, что работа выхода у магнетита выше, чем у стали и у бронзы, то и интегральная работа выхода у поверхности, покрытой маслом с добавлением дисперсных частиц также будет несколько выше, чем в случае их отсутствия.

а)                                                           б)

Рисунок- Зависимость Uc от времени после нанесения масел

 

Влияние частиц на работу выхода, конечно же, зависит от характера их взаимодействия с молекулами сольватной оболочки. Наиболее часто для сольватации частиц в магнитном масле используют олеиновую или стеариновую кислоту. Сравнение работы выхода поверхности, покрытой чистыми указанными органическими кислотами и содержащими 10% магнетита показало, что магнетит увеличивает работу выхода. Добавление магнетита в инактивное вазелиновое масло и жидкость ПЭС-5 также приводит к росту РВЭ. Значит, магнетит, содержащийся в исследованом масле ММ-2 должен аналогичным образом изменять РВЭ.

Сравнение временных зависимостей изменения работы выхода для поверхностей, смазанных магнитными маслом ММ-2 с такими же зависимостями при смазывании его основой показывает, что они имеют различный характер изменения и тенденцию к сближению. Если работа выхода у поверхностей, смазанных магнитным маслами со временем увеличивается, то при смазывании их основами уменьшается. Этот интересный факт не представляется возможным традиционно объяснить тем, что магнитные масла имеют более сложный состав. В самом деле, добавление в масло ПЭС-5 олеиновой кислоты, содержащейся в магнитных маслах, не меняет ход временной зависимости работы выхода. Если бы влияла дисперсная фаза, то это проявилось бы у масла ММ-1.

Указанное различие, вероятно, может быть результатом образования на твердой поверхности, непосредственно после нанесения на него магнитного масла, двойного электрического слоя (ДЭС). Вполне возможен адсорбционный механизм образования ДЭС из ионов, попавших в масло вместе с магнетитом. Магнетит для масел получали методом химической конденсации по реакции, предложенной Элмором.  В результате синтеза магнетита, как побочные продукты, образуются ионы Cl- и NH+, которые в определенном количестве всегда переносятся в масло. Экспериментально содержание в масле элементов, образующих ионы и ионные комплексы, было подтверждено с помощью масспектрографических исследований. При контакте масла с поверхностью ионы Cl-  как более химически активные адсорбируются на поверхности и создают на ней заряд, который компенсируется зарядами ионов NH+, скапливающимися около поверхности.

Образованный таким образом ДЭС способствует как раз тому, что сразу после нанесения масла на поверхность работа выхода имеет малое значение. Одновременно с образованием ДЭС на поверхности адсорбируются молекулы олеиновой кислоты (ПАВ), но поскольку подвижность ионов выше, чем молекул, то ионный ДЭС образуется быстрее, чем молекулярный адсорбционный слой. В дальнейшем молекулы ПАВ постепенно разрушают ДЭС, и работа выхода увеличивается.

В зоне граничного трения происходят два конкурирующих процесса - разрушения и восстановления адсорбционного смазочного слоя, поэтому очевидно, что наиболее полно его взаимодействие с поверхностью характеризует начальное значение работы выхода, причем в сравнении с работой выхода чистой поверхности. Согласно экспериментам, (см. рис. б), магнитное масло ММ-2 значительно сильнее изменяет работу выхода, чем их основы. Возможно, именно это является причиной более высоких смазочных свойств магнитных масел. Такая же связь наблюдалась и у других исследователей [3], которые видели ее причину в том, что чем сильнее изменяется работа выхода, тем более существенно снижается поверхностная энергия металлов или (и) на ней образуются более прочные адсорбционные пленки.  Все это приводит к тому, что при умеренных контактных давлениях снижение силы трения происходит в результате уменьшения ее адгезионной составляющей.

Можно заметить, что в среднем контактная разность потенциалов между поверхностями, смазанными магнитными маслами выше, чем смазанными дисперсионной средой масел. Если при смазке магнитным мас­лом пары трения возникает большее значение Uс, значит и создается большее электрическое поле между поверхностями. Стальная поверхность при этом заряжается отрицательно, т. к.  РВЭ у нее выше.

Контактное поле, в свою очередь, может влиять на движение ионов. Так, например, под действием поля ионы водорода (протоны), образовавшиеся в результате электрохимических или других реакций, будут увлекаться вглубь стальной поверхности. Вероятно, такое действие контактного поля является одним из факторов, способствую­щих водородному разрушению стальной поверхности. Очевидно также, что контактное электрическое поле влияет на ориентацию дифинильных молекул граничного слоя, способствует их проникновению в трещины.

При контакте двух металлов с различной работой выхода из-за перераспределения электронов проводимости создается двойной электрический слой, такой же как в электролите, который должен обладать выпрямляющим действием. Однако если поверхности металлов чистые, то величина ДЭС невелика (около ангстрема), и он становится прозрачным для электронов благодаря туннельному эффекту, фи граничной смазке поверхностей между ними образуется электропроводящая или нет прослойка из адсорбированных молекул. Толщина ДЭС значительно возрастает (до десятков нанометров), и выпрямляющие свойства контакта становятся ощутимыми.

Таким образом, показана динамика изменения контактной разности потенциалов, возникающая после нанесения на стальную поверхность типовых магнитных масел и их компонентов, а также предложена физико-химическая трактовка полученных результатов. В рамках выполненных исследований, прослеживается корреляция между начальной контактной разностью потенциалов смазанных поверхностей и их трибосвойствами.

Список использованных источников

1. Болотов А.Н. Триботехника магнитопассивных и магнитожидкостных подшипниковых опор скольжения: дисс. …д-ра техн. наук. - Москва: Московский институт машиноведения Российской академии наук, 1993 – 540 с.

2. Болотов А.Н. Исследование триботехнических свойств пьезомагнитожидкостных подшипников / А.Н. Болотов, В.В. Новиков, О.О. Новикова // Трение и смазка в машинах и механизмах. -2010. - № 10. - С. 23-29.

3. Шпеньков Г.П. Физикохимия трения. – Мн.: Университетское, 1991. – 397с.