Почему моторное масло губит гипоидную передачу, а GL-5 с серой ее спасает? Нагружай контакт, разгоняй скольжение и смотри, как во вспышке температуры один защитный слой сменяет другой, пока не начнется задир.
Под тяжелой нагрузкой, при пуске и на малой скорости масло выдавливается из зазора, и выступы двух деталей касаются друг друга. Это граничное трение. Если бы между ними была голая сталь, выступы сварились бы и вырвались кусками: это задир. Спасает то, что металл никогда не бывает голым. На нем всегда есть тонкий оксид, а молекулы из масла садятся на этот оксид и образуют слой, который легко срезается.
Слои бывают разной прочности. Слабее всего держатся молекулы, которые просто притянулись к металлу: это адсорбция. Прочнее молекулы, которые вступили с оксидом в химическую связь: хемосорбция. Самые стойкие слои рождаются в реакции присадки с горячим металлом: сера дает сульфид железа, ZDDP дает стекло из фосфатов. В точке контакта на доли миллисекунды вспыхивает температура в сотни градусов, и именно эта вспышка решает, какой слой выживет. Отдельно стоят твердые смазки: MoS₂, графит и PTFE. Это готовые слоистые или скользкие вещества, им масло не нужно.
ⓘ Две стальные детали 60 HRC в граничном режиме: масляный клин уже прорван, λ меньше 1. Пятно контакта шириной 0,4 мм, вспышка посчитана по оценке Блока. Окна температур слоев и коэффициенты трения взяты типичными из учебников трибологии.
Первая формула отвечает, насколько горячо в пятне контакта. Вторая объясняет, почему присадка реагирует только там, а не во всем масле. Третья показывает, зачем вообще нужен слой: трение задает его прочность на срез, а нагрузку держит твердая сталь под ним. Подсвечена карточка, которая сейчас решает исход опыта.
Насколько горячо в пятне контакта?
Тепло трения f·p·v выделяется на площади пятна, а прогреть металл успевает только на глубину, куда тепло доходит за время t, пока выступ проходит пятно. Чем быстрее скольжение, тем больше тепла и тем меньше металла его поглощает.
Почему присадка реагирует только в пятне?
Уравнение Аррениуса. Скорость реакции растет с температурой не прямо, а экспоненциально. Во вспышке реакция серы или ZDDP с железом идет в тысячи раз быстрее, чем в остальном масле, поэтому присадка тратится только там, где металлу грозит задир.
Зачем тонкий мягкий слой на твердом металле?
Модель Боудена и Тейбора. Площадь настоящего касания задает твердость металла: A = F / H. Сила трения это срез того, что лежит в пятнах касания: Fтр = A · τ. Слой должен быть мягким на срез, а металл под ним твердым.
Графит и дисульфид молибдена похожи: оба состоят из плоских слоев, внутри которых атомы связаны прочно, а между слоями только слабо. Слои скользят друг по другу, как листы в пачке бумаги. Но у графита есть ловушка. На краях его слоев атомы углерода остаются с оборванными связями, и края двух соседних слоев цепляются друг за друга. Во влажном воздухе молекулы воды и кислорода садятся на эти края и закрывают оборванные связи, а еще прослаивают пачку. Тогда графит скользит с f около 0,1. В сухом газе, в вакууме или на большой высоте влаги мало, края цепляются, и графит не смазывает, а стирается в пыль.
У MoS₂ каждый слой это сэндвич: атомы молибдена между двумя слоями серы. Снаружи у слоев только сера, а между слоями серы связи очень слабые, им вода не нужна. Наоборот, влага и кислород понемногу окисляют края слоев, и трение растет. Поэтому MoS₂ работает в вакууме и в механизмах спутников, а графит в обычном воздухе, в щетках электродвигателей и в высокотемпературных пастах до 450 °C. Выше 350 °C на воздухе MoS₂ окисляется до MoO₃ и перестает смазывать.
Выбери «Графит в сухом газе», затем переключи среду на влажный воздух: трение упадет в 4 раза. С MoS₂ все наоборот.
Зубья гипоидной пары скользят с большой скоростью под давлением около 2 ГПа. Вспышка уходит за 300 °C, и моторное масло там не спасает. Нужно масло GL-5 с активной серой и фосфором.
Кулачки распредвала и толкатели работают в граничном режиме. ZDDP наращивает на них фосфатную пленку. Поэтому в масла для старых двигателей с плоскими толкателями ZDDP добавляют больше.
Модификаторы трения (жирные кислоты, эфиры и органические соединения молибдена) снижают трение в поршневой группе и клапанах. Маловязкое масло с ними экономит несколько процентов топлива.
Активная сера разъедает медь, бронзу и латунь. Поэтому в гидравлику с бронзовыми насосами и в коробки с синхронизаторами не льют масло GL-5. Масла проверяют на коррозию медной пластинки.
Паста с MoS₂ на шлицах, резьбе и посадках защищает от задира при первой прокрутке, когда масла в узле еще нет. Пластичные смазки с MoS₂ и графитом ставят на тяжелые пальцы и втулки.
MoS₂ смазывает механизмы спутников, графит работает в щетках электродвигателей и печных конвейерах, PTFE на сковородках, в направляющих и в бесмасляных втулках, медицинских катетерах и тросах.
Эта тема объясняет химию за терминами из инженерных тем. Числа там и здесь совпадают: граничный режим при λ меньше 1, трение около 0,1, давление в зубьях 1–2 ГПа.
Режим всегда граничный: считается, что масляный клин уже прорван, и вся нагрузка идет через выступы. Температура вспышки посчитана по оценке Блока для быстро бегущего источника тепла: тепло делится поровну между деталями, пятно контакта шириной 0,4 мм не зависит от нагрузки, обе детали из стали 60 HRC. Каждому слою дано окно температур: углеводороды базового масла до 60 °C, адсорбция полярных молекул до 100 °C, мыло железа до 150 °C, оксид при масле до 150 °C, пленка ZDDP от 80 до 300 °C, фосфаты от 80 до 250 °C, сульфид железа от 160 °C, MoS₂ на воздухе до 350 °C, графит до 450 °C, PTFE до 260 °C. Внутри окна слой считается целым, а работает слой с самым низким трением. На деле окна размыты, пленки растут и стираются минутами, а противозадирные присадки сами понемногу изнашивают металл и тратятся. Коэффициенты трения и износа взяты типичными по порядку величины, а не для конкретного масла. Энергии активации реакций 70–90 кДж/моль взяты как оценка.
Термины в словаре:ZDDP, дитиофосфат цинкаМодификатор тренияПротивозадирная присадкаГраничная смазкаХемосорбцияТрибопленкаMoS₂, дисульфид молибденаГрафитЗадирТемпература вспышки в контактеСмазывающая способность