Глава 4
СМАЗАННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ
Электрические свойства граничных смазочных слоев
По своей природе вещества, применяемые в качестве смазок и масел или их компонентов (минеральные или синтетические масла, жирные кислоты, спирты, эфиры и т. д.), являются диэлектриками. В зависимости от химического строения их удельное объемное сопротивление р находится в пределах 105—1013 Ом-м, а электрическая прочность Епр составляет 106—107 В/м. Примеси в виде твердых или жидких частиц (например, воды), обычно присутствующие в таких веществах, несколько снижают величины р и Епр [283].
Согласно теоретическим представлениям [45], при уменьшении толщины слоя жидкого диэлектрика его удельное сопротивление и электрическая прочность должны возрастать, поскольку количество примесей, способных образовывать проводящие мостики, уменьшается. Многочисленные испытания электроизоляционных нефтяных масел, а также жидких сред, применяемых при электроискровой обработке материалов [133, 283], показали, что такая закономерность действительно наблюдается при толщинах слоя 10-5—10-3 м. Однако в области меньших толщин (10-5—10-7 м), характерных для граничных слоев, в силу имеющихся экспериментальных трудностей электрические характеристики жидких диэлектриков еще недостаточно хорошо изучены. Так, по данным [92], электрические свойства смазок мало изменяются при переходе к микронным зазорам. В то же время широко распространенной является точка зрения, согласно которой граничные слои смазочных масел обладают относительно высокой электропроводностью [90, 276, 277]. Имеются сведения о полупроводниковых свойствах и низкой электрической прочности смазочных слоев, возможности их «переключений» из высокоомного состояния в низкоомное и обратно под действием внешнего электрического поля {314]. Известны работы, в которых указанные аномалии проводимости не были обнаружены [92].
Следует отметить, что экспериментальные методики, используемые в приведенных работах, нельзя считать безупречными. В работе [92] исследования проводились с нестабильными во времени масляными пленками, создаваемыми между двумя поверхностями ртути или металлической поверхностью и ртутью (масло постепенно вытеснялось из микропромежутка). к тому же оценка толщины пленок производилась косвенным путем. В работах [90, 276, 277, 314] для формирования граничных слоев использовались плоские электроды, зазор между которыми регулировался устройствами, обладающими достаточно большой погрешностью измерений — не менее 0,5 мкм. Поэтому нет гарантии, что при зазоре в доли микрона между плоскими электродами отсутствовали местные контакты из-за нарушения плоскопараллельности и сравнимости масштаба волнистости и шероховатости с измеряемыми промежутками. Кроме того, во многих случаях [276, 277, 314] о состоянии граничной пленки судили по вольтамперным характеристикам, снятым при переменном напряжении звуковых и ультразвуковых частот. При этом не учитывалось то, что емкостное сопротивление может быть сравнимо или превосходить по величине измеряемое активное сопротивление. Действительно, плоские электроды, разделенные тонким слоем h жидкого диэлектрика, представляют собой плоский конденсатор с емкостью
(ε0 — диэлектрическая постоянная; ε — диэлектрическая проницаемость; S — площадь обкладки конденсатора). При использовании переменного напряжения с частотой ω в цепи, кроме активного сопротивления масляного слоя
, появляется параллельно ему включенное емкостное сопротивление 
. При параметрах цепи, характерных для экспериментов, описанных в работах [276, 277, 314], а также для р и ε, существенно не отличающихся от их соответствующих значений в объеме (S=10-4 м2, h=10-6 м, ω=103 Гц, р=108 Ом-м (олеиновая кислота), ε=10, ε0=8,8-10-12 Ф/м), находим
При увеличении ω значение хс быстро убывает. Следовательно, при микронных зазорах между плоскими электродами и частотах анализирующего поля в звуковом диапазоне проводимость может быть обусловлена в основном емкостным током,
а не омической проводимостью исследуемой жидкости. Именно с наличием емкостного сопротивления могут быть связаны также нелинейность и гистерезисные петли ВАХ, использованные для доказательства существования полупроводниковых свойств граничных смазочных слоев.
В связи с этим авторами работ [165, 395] для изучения электрических свойств смазочных веществ в тонких слоях использовалась методика, позволяющая исключить отмеченные выше недостатки. Смазочные слои толщиной 3—300 мкм исследовались мостовым способом в зазоре между плоским полированным образцом и полированной сферой диаметром 3 мм. Известно [274], что емкость системы сфера — плоскость равна
Преобразуя и заменяя сумму интегралом, имеющим табличное значение, получаем
Максимальная напряженность поля находится из выражения
где
. Величина зазора между шаром и плоскостью изменялась и регистрировалась с помощью механизма микрометренного движения, используемого в биологических микроскопах.
Оценка электропроводности и электрической прочности смазок в слоях толщиной менее 3 мкм проводилась с помощью прецизионного устройства ЭГС [31], содержащего плоский образец-электрод 2 и электрод-иглу 3 в форме половины двухполостного гиперболоида вращения (рис. 4.1). Исследуемая среда 1 помещается между электродами 2, 3. Электрод 2 закреплен на столике серийного профилографа-профилометра «ВЭИ-Калибр», а игла 3 — на коромысле 4 головки профилометра вместо стандартной алмазной иглы.
Коромысло связано с дифференциальным индуктивным датчиком и электронным блоком профилометра. Механизм относительного перемещения электродов включает узел 5 микрометренного движения (ручной настройки) и узел точной регулировки, выполненный в виде нагреваемого проволочным резистором стержня 6 и балочки 7, жестко связанной со стержнем. Электроды 2, 3 включены в цепь измерительных приборов.
Рис. 4.1. Схема устройства для исследования электрических характеристик тонких смазочных слоев: 1 — среда; 2 — плоский образец; 3 — игла; 4 — коромысло; 5 — узел микрометренного движения (грубая регулировка зазора); 6, 7 — узел тонкой регулировки; 8 — электронный блок профилометра; 9 — осциллограф
При неподвижном положении иглы 3 на образце 2 показывающий прибор электронного блока профилометра находится в нулевом положении. Балочка 7 с помощью узла 5 подводится под коромысло 4 и производится тонкая регулировка зазора при нагревании стержня 6 током, пропускаемым через резистор. Величина зазора отсчитывается электронным блоком 8 профилометра и может быть записана его самопишущим устройством. После установки требуемого зазора проводятся необходимые измерения электрических характеристик. В частности, могут быть измерены электропроводность зазора, электрическая прочность, сняты вольт-амперные характеристики и т. д. Выполнение электрода иглы в форме гиперболоида вращения и установка зазора d, близкого к длине его действительной полуоси λ, позволяют получать при электрических измерениях распределение потенциала и напряженности поля, удобное для вычислений их в любой точке поля, так как эквипотенциальные поверхности поля совпадают с поверхностями гиперболоидов вращения, соосных электроду-игле 3.
При приложении напряжения v между гиперболоидом и плоскостью максимальная напряженность поля, достигаемая на конце гиперболоида, определяется из решения уравнения Лапласа для потенциала (λ=d)
где b — длина мнимой полуоси гиперболоида.
Данная комбинация электродов позволяет исключить влияние несоосности на результаты измерений, поскольку изменение угла наклона иглы в пределах нескольких градусов не оказывает существенного влияния на величину зазора и электрическое поле между электродами. Емкостное сопротивление системы пренебрежимо мало, поэтому для измерения электрических характеристик возможно применение переменных или импульсных напряжений. Сопротивление смазочного слоя определялось (по току в цепи) путем измерения падения напряжения на эталонном сопротивлении. При исследовании характера проводимости контакта в динамических условиях (например, при разрыве контакта) выход электронного блока профилографа подключался к одному из входов катодного осциллографа (или двухкоординатного потенциометра). На второй вход осциллографа подавалось напряжение с эталонного сопротивления.
При измерении удельного сопротивления смазочных слоев использовался источник, э. д. с. которого не превышала 40 мВ (во избежание электрического пробоя промежутка), а падение напряжения на эталонном сопротивлении измерялось потенциометром компенсационного типа Р348. Изменение проводимости при разрыве контакта изучали с помощью катодного осциллографа С1-71 и двухкоординатного потенциометра ПДС-021. Иглы изготавливались из золота и нержавеющей стали, а шарики — из нержавеющей стали. Максимальная высота микронеровностей на поверхности электродов и образцов не превышала 0,01 мкм.
Испытаниям подвергались вещества, отличающиеся объемной электропроводностью, поверхностно-активными свойствами по отношению к металлу электродов, вязкостью, диэлектрической проницаемостью (вазелиновое масло, глицерин, олеиновая кислота, алкилсульфонат, технические масла: МС-20, МГЕ-10, МВП). Образцами служили как благородные (серебро, платина), так и окисляющиеся (медь, алюминий) металлы.
В результате экспериментов установлено, что независимо от природы исследуемой среды в момент разрыва электродов при малых напряжениях проводимость промежутка скачком падает и при дальнейшем увеличении зазора существенно не изменяется (рис. 4.2, а). Моделирование разрыва контактного пятна при напряжениях, реально применяемых в большинстве типов СК (10-1—102 В), показало (рис. 4.2, б), что проводимость не исчезает мгновенно в момент разрыва. В процессе расхождения контактов до некоторой величины зазора dкр лежащей в пределах 0,01—0,1 мкм, осциллографически регистрируются флуктуации контактного падения напряжения Uк. Очевидно, что в процессе расхождения контактирующих элементов имеют место электрические разряды через смазочную среду. Величина зазора dкр зависит от применяемого напряжения, параметров цепи, материала электродов, смазочной среды и других факторов.
Удельное сопротивление большинства сред, рассчитанное по экспериментально определенным величинам общего сопротивления промежутка, существенно не изменяется или несколько возрастает при переходе к тонким зазорам (рис. 4.3). При этом найденные значения р по абсолютной величине хорошо согласуются с данными, полученными при измерении объемной электропроводности сред в стандартной измерительной ячейке.
Рис. 4.2. Принципиальный характер изменения контактного падения напряжения при изменении
Рис. 4.3. Удельное сопротивление слоя глицерина (1) и алкилсульфоната (2) в микронном диапазоне толщин
Величина удельного сопротивления масла в микрозазоре так же, как и в объеме, зависит от наличия примесей и приложенного напряжения (рис. 4.4). Однако характерно, что при постоянном зазоре между электродами увеличение напряжения до высоких значений приводит к относительно небольшому уменьшению р.
Рис. 4.4. Зависимость сопротивления обычного (1) и обезвоженного (2) глицерина в слое толщиной 2,5 мкм от приложенного напряжения
Авторам не удалось отметить «пороговых» значений напряжения, найденных в работе [314], при которых проводимость может скачком обратимо изменяться на несколько порядков (для глицерина при величине зазора 4 мкм «пороговое» напряжение составляло 1,9 В).
Данные исследований электрических свойств тонких слоев смазок свидетельствуют не только об отсутствии эффекта «переключений» в граничных слоях, но и о высокой электрической прочности последних. Изучение пробоя микропромежутков 10-7—10-6 м показало (табл. 4.1), что Епр находится в пределах (0,5—2,2) •108 В/м независимо от природы межэлектродной среды, полярности и материала электродов. Это означает, что начальная стадия разряда в микропромежутках обусловлена процессами, не зависящими от свойств смазочной среды, например автоэлектронной эмиссией с катода, начинающейся при напряженности поля 108—109 В/м [86]. Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что чистые смазочные вещества в граничных слоях не обнаруживают резкого уменьшения величин удельного сопротивления и электрической прочности по крайней мере для толщин выше значений, соответствующих зоне туннельного эффекта.
Таблица 4.1
Данные испытаний по электрическому пробою микропромежутков, заполненных техническими маслами
Этот факт, по-видимому, является достаточно закономерным, если учесть, что изменение (упорядочивание) структуры жидкости в граничных слоях, имеющих место под действием поля твердой фазы, должно сказаться более сильно на диэлектрической проницаемости жидкости, чем на электропроводности, поскольку подвижность носителей заряда в граничном слое в той или иной мере ограничивается действием твердой фазы.
Полученные данные имеют принципиальное значение при решении ряда проблем. Так, отсутствие аномальной проводимости в тонких слоях жидких диэлектриков дает возможность использовать измерение электрического сопротивления масляного слоя в процессе трения для обнаружения существования металлического контакта между сопряженными деталями [102, 104]. При смазывании электрических контактов известными смазками в чистом виде для оценки их вклада в интегральную проводимость контакта можно с достаточной точностью применять объемные электрофизические характеристики по меньшей мере до толщин смазочных слоев, в которых начинает действовать туннельный механизм проводимости.
