Рассмотрим упрощенную модель контакта (рис. 4.5). Пусть единичное пятно контакта образовано смятием или внедрением конического выступа с очень малым углом наклона образующей. При этом каждое пятно контакта с радиусом α будет окружено зазором, заполненным смазкой, радиусом r. Тогда из [298] проводимость металлического контакта можно записать так: α=2ασм. Выражение выведено Хольмом в предположении о том, что линии тока проходят только через пятно. Теперь предположим, что пятно контакта является непроводящим и линии тока идут через зазор.
Рис. 4.5. Модель контакта единичной неровности
При малых углах φ криволинейные линии тока можно заменить отрезками прямых, и элементарные трубки тока будут представлять собой полые тонкие цилиндры. Проводимость элементарной трубки поля будет равна
Учитывая, что σм имеет порядок 103—104 Ом-1-м-1, а сопротивления пятен контакта и смазки включены параллельно, смазка может дать заметный вклад в проводимость контакта в том случае, если ее объемная проводимость составит 10-1— 10-3 Ом-1-м-1, что возможно лишь для растворов сильных электролитов. Хотя использованная модель является весьма грубым приближением для задачи о проводимости контакта шероховатых тел, ее уточнение не может изменить сути полученного вывода, поскольку даже если предположить, что весь зазор, заполненный смазкой, имеет минимальную толщину δ, то соотношение
Однако, рассматривая влияние смазки на проводимость реального шероховатого контакта, следует учесть еще два возможных фактора этого влияния. Первый из них связан с возможностью влияния среды на туннельную проводимость тонкого зазора в случаях полярных сред с высоким показателем диэлектрической проницаемости. Второй фактор связан с возможностью косвенного влияния смазки на проводимость контакта по механизму адсорбционного снижения прочности металла или взаимодействия с плохо проводящей пленкой в случае ее присутствия. Оба этих механизма могут привести к возрастанию проводимости контакта.
Для оценки действия фактора туннельной проводимости измерялось сопротивление контакта серебряных и медных образцов в присутствии различных сред: воздух, инактивное вазелиновое масло, касторовое масло, этиленгликоль, глицерин (относительные диэлектрические постоянные Сред 8 от 2 до 60 ε0). При этом задавались условием действия туннельного механизма проводимости на доле площади реального контакта, сравнимой с долей металлического контакта. Расчет возможного вклада среды в проводимость шероховатого контакта был выполнен с применением теории случайного поля исходя из условий ограниченности действия механизма туннельной проводимости толщиной зазора, равной 30 А [293]. При этом предполагалось, что зона туннельной проводимости охватывает каждое пятно металлического контакта на его реальной площади. Вводилось эквивалентное удельное сопротивление туннельно-проводящего зазора по данным работы [298].
Экспериментальные и расчетные данные представлены на рис. 4.6 для использованных ранее (см. параграф 3.2) серебряных образцов, не имеющих практически непроводящих пленок на поверхности. Расчетная кривая для сухого контакта с дополнительной туннельной зоной практически сливается с кривой, построенной без учета туннельного эффекта. Это свидетельствует о том, что данный эффект пренебрежимо мал в случае существования металлических пятен. Учет диэлектрической постоянной среды даже при весьма высоких значениях (ε≈50—60) оказывает незначительное влияние на зависимость R(N). Экспериментальные данные для серебряных образцов со смазкой и без нее также различаются слабо даже в наиболее полярных средах, например в глицерине.
В случае металлов с пленкой окисла на поверхности экспериментально наблюдаемые зависимости сопротивления от нагрузки были качественно различными для контакта в разных средах. Данные для образцов меди, шероховатость и твердость которых указана в табл. 3.2, представлены на рис. 4.6.
Рис. 4.6. Экспериментальные данные по проводимости контакта серебряных (сплошные линии) и медных (штриховые) образцов: 1, 1' — сухой контакт; 2 — вазелиновое масло; 2', 5 — глицерин; 3 — касторовое масло, 4 — этиленгликоль; 3' — оксидированная медь без смазки; 4' — оксидированная медь, смазанная глицерином
Часть образцов с целью образования на них более толстой пленки окисла по сравнению с обычными условиями подвергалась предварительному термоокислению (473 К, т=18 кс). Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что смазочные среды с различной поверхностной активностью по отношению к металлу по-разному влияют на проводимость статического контакта. При этом глицерин, обладающий поверхностно-активным и восстанавливающим действием по отношению к окислам меди, оказывается наиболее эффективной средой для обеспечения высокой контактной электропроводности медных образцов. Учитывая вышеизложенное, можно объяснить имеющиеся экспериментальные данные по положительному влиянию смазочных сред на характеристики электрических контактов механическими эффектами пластификации и разрушения непроводящих пленок на контакте, а не прямым действием смазки на проводимость контакта за счет дополнительного канала проводимости в ней.
В тех случаях, когда требуется смазка с высокой объемной проводимостью, традиционные методы получения смазок, как композиций базовых масел и растворимых присадок, оказываются малоэффективными. Повышение проводимости смазки может быть получено при введении в нее проводящих микрочастиц. В работе [138] показано, что присутствие мелкодисперсных частиц металла в зазоре между поверхностями трения способствует формированию пластичных слоев, обеспечивающих малый коэффициент трения и износ, а влияние внешнего электрического поля может ускорить или замедлить процесс такого формирования.
Известен ряд смазочных составов, в которые с целью улучшения антифрикционных и физико-механических свойств введены токопроводящие компоненты: графит, сажа, порошки металла [270, 271, 295]. Однако электропроводящие свойства смазочных сред с проводящими микрочастицами, а также их поведение при эксплуатации в условиях действия электрических полей мало изучены. Поэтому представляла интерес оценка влияния вводимых включений на электрофизические свойства смазок.
Испытания в стандартной ячейке для измерения объемного сопротивления при достаточно больших зазорах между электродами (0,5—10 мм) показали, что присутствие электропроводных частиц в смазочной среде снижает ее объемное удельное сопротивление р и электрическую прочность Епр (табл. 4.2). Однако скорости снижения р и Епр с увеличением количества наполнителя относительно невелики. Например, при введении в нефтяную пластичную смазку медного порошка в количестве 50 мас. % удельное сопротивление среды составляет не менее 5-108 Ом-м, а электрическая прочность — не менее 5-105 В/м. Для каждого типа наполнителя в зависимости от его электрофизических свойств и дисперсности существует некоторое предельное значение концентрации, при которой проводимость наполненной среды резко повышается, а электрическая прочность падает (табл. 4.2). Однако при такой концентрации наполнителя среда, как правило, теряет свою смазывающую способность. В связи с этим при реально применимых величинах наполнения смазочные среды в объеме фактически остаются диэлектриками.
Экспериментальное изучение электропроводности наполненных смазочных сред в тонких (микронных) слоях проводилось на установке с плоскими электродами, смонтированной на базе микрометра с ценой деления 0,01 мм. Исследовались модельные смазочные композиции на основе нефтяной пластичной смазки и минерального масла, наполненные графитом и порошком меди.
Таблица 4.2
Электрофизические характеристики модельных смазочных сред с электропроводным наполнителем
Установлено (табл. 4.2), что при введении свыше 10 мас. % наполнителя для каждой среды существует некоторая критическая величина зазора между электродами, начиная с которой проводимость быстро возрастает и среда перестает быть диэлектриком. Эта величина в зависимости от концентрации и вида наполнителя, типа среды может находиться в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен микрометров. Контрольные испытания, проведенные с чистыми смазочными средами, не показали наличия проводимости в микронных зазорах. Напротив, во многих случаях проводимость отсутствовала даже при кажущемся полном сведении электродов.
Как видно из данных, приведенных в таблице, при одном и том же наполнителе величина критического зазора у сред на основе масла, как правило, ниже, чем у сред на основе смазок. В свою очередь наполнение одной и той же среды частичками металла дает более высокое значение критического зазора по сравнению с наполнением графитом. В случае использования металлического наполнителя уменьшение зазора до величины относительно немного меньшей, чем dкр, приводит к проводимости, близкой к проводимости замкнутого контакта.
Отмеченные факты, а также то, что пороговые значения для величины зазора отмечаются как при использовании высоких напряжений (свыше 1 В) в измерительной цепи, так и при низких напряжениях порядка 1 мВ, позволяют предполагать, что проводимость в наполненных системах обеспечивается не за счет пробоя, а вследствие контактирования между частицами. В связи с этим смазочные среды с дисперсным электропроводным наполнителем, оставаясь в объеме диэлектриком, в тонких (микронных) зазорах обладают высокой электропроводностью, что должно благоприятно отразиться на характере токопрохождения, а следовательно, и фрикционного взаимодействия в скользящем контакте при использовании таких сред.
Нелинейная зависимость проводимости от толщины слоя наполненных дисперсным электропроводным наполнителем смазочных сред может быть объяснена на основе применения теории протекания [305]. В этой теории одной из классических задач является нахождение характерного размера, так называемого порога протекания, при котором в сплошной непроводящей фазе образуется связная сетка дисперсной-проводящей фазы. Теория протекания объясняет скачкообразное возникновение объемной проводимости двухфазной системы при достижении определенной концентрации проводника хс. При этой концентрации (она равна примерно 15% объема) среда скачком переходит из непроводящего в проводящее состояние, а порог протекания неограниченно растет. Экспериментальные данные (табл. 4.2) подтверждают данное положение. Однако для металлических дисперсий достижение 15%-ной объемной концентрации невозможно без утери смазкой хороших смазывающих свойств. Поэтому целесообразно найти нижнее значение порога протекания, обеспечивающее проводимость в граничном слое при оптимальных для смазки фрикционных характеристиках.
Такая задача может быть рассмотрена на следующей модельной системе. Представим себе куб с ребром Z, равным толщине граничного слоя, и числом узлов решетки, равным числу частиц проводника в данном объеме. При некоторой объемной концентрации для данных размеров возникает проводимость с грани на грань. По результатам работы [305] для малых объемов можно говорить лишь о функции распределения величины Хсl, причем
Показано, что ширина распределения функции
для трехмерных решеток — величина, близкая к 1. Для качественного решения нашей задачи можно воспользоваться данными, приведенными в [305] Для двухмерных решеток. В частности, при nі=8 (восемь узлов решетки на длине ребра куба)
а при nі=32 уже ~0,16 хс. Поскольку подобная закономерность будет наблюдаться и для трехмерного случая, получаем, что порог объемной концентрации (хс=15%) может быть снижен в 2 раза при ограничении двухфазной системы плоскостями, находящимися на расстоянии, равном ~8 узлов, и еще в 2 раза при снижении
Качественная оценка критической концентрации наполнителя на основе применения теории протекания к проводимости наполненной смазочной среды позволяет сформулировать конкретные рекомендации по разработке смазочных сред, обладающих высокой собственной электропроводностью в условиях СК [162, 163].
В целом оценка вклада смазочной среды в общую проводимость контакта шероховатых тел позволяет сделать вывод о том, что этот вклад для гомогенных смазочных сред несуществен. Однако смазки с поверхностно-активными свойствами оказывают косвенное действие на общую проводимость контакта путем разрушения окисных непроводящих пленок на его поверхности. Обеспечение эффективного влияния на проводимость контакта достигается в инактивных смазках с введением в них мелкодисперсных электропроводных наполнителей, в которых при определенной его концентрации возникает скачком мостиковая проводимость по межчастичным контактам.
