Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Известно, что поверхностный слой материала претерпевает структурные изменения в процессе трения скольжения и, как правило, упрочняется. В общем случае высокая износостойкость достигается, если материал обладает и твёрдостью, и пластичностью [3]. Поэтому должно существовать некоторое оптимальное соотношение между твёрдостью и пластичностью, позволяющее материалу быть износостойким. Большинство триботехнических металлических материалов имеют медь или железо в качестве основы [5]. Эти материалы, как правило, упрочнены различными методами. Было предположено, что материалы с упрочненной (сложной) структурой не способны быть износостойкими в условиях экстремального трения, т.к. они не имеют достаточного запаса пластичности. Это предположение было проверено в условиях скользящего электроконтакта сталей и композитов на их основе. Экстремальные условия были созданы благодаря протеканию электрического тока контактной плотностью более 100 А/см2 без смазки. Было показано, что легированные и многофазные структуры в этих сталях (сталь Р6М5, сталь 110Г13, сталь ШХ15) не способны обеспечить высокую износостойкость по сравнению с простыми металлами (сталь 3, медь) [8]. Представляет научный интерес проверить это предположение на материалах с медной основой. Начальный этап такого исследования целесообразно провести на свинцовистых бронзах, структура которых имеет свинец в свободном состоянии. Такую структуру можно считать пористой, где поры заполнены свинцом. Бронзы применяются, как правило, в узлах трения со смазкой. Но состав смазки может заметно влиять на прочность и разрушение материала поверхностного слоя. Поэтому сначала следует провести изнашивание без смазки. Показателем прочности поверхностного слоя в этих условиях трения выступает интенсивность изнашивания.

Целью настоящей работы является изучение влияния содержания свинца в бронзе на ее изнашивание в условиях скольжения с токосъемом без смазки.

Материалы и методы исследования

Модельными материалами служили литые бронзы марки БрС10, БрС20, БрС30 и БрС12О2Н2Ц2. Изнашивание бронз проведено в условиях скользящего электроконтакта с переменным током без смазки при давлении 0,13 МПа, скорости скольжения 5 м/с на машине трения СМТ-1. Нагружение осуществлено по схеме «вал-колодка» (рисунок, а). Контртелом служила сталь 45 в закаленном (50 HRC) состоянии. Путь трения при каждом режиме составлял 9 км. Плотность тока определена как j = i/А_а, где i – ток, протекающий через номинальную площадь контакта А_а. Линейная интенсивность изнашивания определена как I_h = h/L, где h – изменение высоты образца на пути трения L. Для сравнения получены аналогичные характеристики для меди М1 (99,95 % Cu) твёрдостью НВ = 400 МПа.

Результаты исследования и их обсуждение

Контактная плотность тока j в скользящем электроконтакте является главным фактором, определяющим разрушение поверхностного слоя и его изнашивание. Бронзы при трении даже в отсутствие контактного тока проявляют высокую интенсивность изнашивания (рисунок, б). При этом на поверхности трения контртела наблюдаются частицы бронзы. Протекание тока приводит к увеличению интенсивности изнашивания и количества бронзовых частиц на поверхности контртела. Эти частицы легко отделяются от контртела. Видно, что увеличение содержания свинца приводит к некоторому уменьшению I_h, уменьшению твёрдости НВ и увеличению удельной поверхностной электропроводности rs–1 = j/U, где U – контактное падение напряжения (таблица). Легированная бронза БрС12О2Н2Ц2 имеет более высокие твердость (таблица) и электропроводность контакта r_s^–1, а также проявляет несколько более низкую интенсивность изнашивания (рисунок, б), чем бронзы, рассмотренные выше. Кроме того, эта бронза оставляет малое количество частиц износа на контртеле. Следует отметить, что I_h бронзы БрС12О2Н2Ц2 несколько выше при скольжении без тока, чем при скольжении с током (рисунок, б), т.е. кривая I_h(j) имеет минимум. Скольжение без тока не сопровождается появлением частиц износа на контртеле. Можно утверждать, что свинцовистые бронзы имеют очень низкую износостойкость. Это не позволяет определить плотность тока, соответствующую началу критического изнашивания. Видно также (таблица), что отсутствует явная зависимость I_h от твердости бронзы. Визуально цвет поверхности трения всех бронз не отличается от цвета основного материала, что позволяет предположить отсутствие вторичных структур.

Медь М1 проявляет заметно более низкую интенсивность изнашивания (рисунок, б) и заметно более высокую электропроводность контакта r_s^–1 (таблица, значения r_s^–1(j) для контакта меди представлены курсивом) в сравнении со свинцовистыми бронзами. Медь не оставляет частиц износа на поверхности контртела. Начало катастрофического изнашивания проявляется при j ≈ 400 А/см². Трение при любой плотности тока вызывает появление черного цвета на поверхности трения.

Твердость бронз и удельная поверхностная электропроводность их скользящего электроконтакта при контактной плотности тока 100–300 А/см²

В процессе трения происходит структурно-энергетическая приспосабливаемость поверхностного слоя, в результате которой в зоне контакта формируется тонкоплёночный объект – вторичные структуры, в которых локализованы все виды взаимодействий. Вторичные структуры экранируют основной материал от деструкции, имеют недислокационную структуру и неравновесные растворы окислителей в металлах в металлическом состоянии, а также химические соединения с резко выраженной нестехиометрией [2]. Отсутствие образования вторичных структур приводит, как правило, к быстрому разрушению поверхностного слоя, т.е. к высокому износу. Вторичные структуры образуются как результат релаксации напряжений на поверхности трения. Эта релаксация может произойти наиболее просто за счёт пластической деформации в зоне возникновения концентраторов напряжений. Но пластическая деформация не происходит легко в материалах, содержащих легирующие элементы, упрочняющие фазы, поры и т.п., т.е. в материалах с усложненной структурой, имеющих какие-либо структурные элементы, тормозящие движение дислокаций. Поэтому достижение удовлетворительной износостойкости возможно в случае применения материалов, имеющих высокий запас пластичности. Известно, что свинец резко снижает прочность бронзы, а рабочая поверхность свинцовистых бронз не поглощает попадающие на нее твердые частицы [5]. Появление частиц бронзы на контртеле указывает на отсутствие образования вторичных структур, т.е. происходит разрушение поверхностного слоя исходного материала из-за адгезии в контакте. Присутствие бронзы на контртеле резко уменьшает электропроводность контакта по сравнению с электропроводностью контакта с чистой поверхностью контртела. Увеличение содержания свинца приводит к уменьшению адгезии, что должно быть обусловлено появлением свинцовой пленки между бронзой и контртелом. Это проявляется в виде слабого уменьшения интенсивности изнашивания (рисунок, б) и слабого увеличения электропроводности r_s^–1 контакта (таблица). То есть присутствие свинца как твёрдой смазки на поверхности контртела слабо влияет на контактные характеристики, в первую очередь на адгезию и прочность поверхностного слоя. Увеличение прочности поверхностного слоя за счет легирования медной основы и достижения относительно высокой твердости бронзы БрС12О2Н2Ц2 не приводит к заметному увеличению прочности поверхностного слоя в процессе контактного взаимодействия, т.е. к заметному увеличению износостойкости. Уменьшение интенсивности изнашивания бронзы БрС12О2Н2Ц2 при увеличении j и появление минимума на кривой I_h(j) обусловлено легирующими элементами. Близкое поведение кривой I_h(j) наблюдается для скользящего электроконтакта углеграфитов, что представлено как смазывающее действие электрического тока [9]. Можно утверждать, что в условиях сухого скользящего электроконтакта свинцовистые бронзы не способны формировать вторичные структуры, а также упрочненный поверхностный слой с высокой сдвиговой устойчивостью на макромасштабном уровне. Поэтому на них не представляется возможным наблюдать зависимость интенсивности изнашивания от степени сложности структуры.

Медь под воздействием сухого скользящего электроконтакта формирует вторичные структуры, что видно по появлению черного цвета на поверхности образца. Эти вторичные структуры содержат FeO и частицы α-Fe, перенесенные с контртела [7]. То есть поверхностный слой меди в этих условиях шаржирован твердыми фазами и насыщен деформационными дефектами, а также содержит медь. Такая структура позволяет материалу поверхностного слоя меди иметь некоторую твердость и в то же время некоторую пластичность. Кроме того, такая структура позволяет поверхностному слою релаксировать напряжения по механизму вязкой жидкости. Такая фазовая структура поверхностного слоя и следы появления жидкости наблюдаются на поверхности трения металлов и композитов, имеющих простой состав [7]. Но это не является результатом реального плавления, т.к. микрообъёмы в окрестности пятен контакта подвергаются большим пластическим деформациям. Известно, что в момент контактирования в пятне контакта имеет место состояние вещества, отличающееся от того, которое можно наблюдать после прекращения трения. В момент контакта атомы находятся в сильновозбуждённом состоянии, когда материал пятна контакта может течь, как квазижидкость. Кроме того, релаксация напряжений может происходить в условиях ротационных мод деформации [1, 4, 6]. Воздействие этих факторов на материалы с большим запасом пластичности не приводит к деформации на высшем структурном уровне, т.е. отсутствует появление микротрещин, не образуются частицы износа и материал проявляет удовлетворительную износостойкость. В сухом скользящем электроконтакте высокая износостойкость сопровождается, как правило, высокой электропроводностью контакта, что видно по характеристикам контакта меди (рисунок и таблица, курсив), а также по характеристикам контакта других материалов [7, 8].

Выше было показано, что основным фактором, приводящим к высокой износостойкости, является удовлетворительная релаксация напряжений в поверхностном слое. Одним из основных механизмов релаксации напряжений является пластическая деформация. Но из приведенных данных следует, что при разработке сильноточных износостойких скользящих электроконтактов следует основное внимание уделять их исходной пластичности. Твердость материала также заслуживает внимания. Но в данной работе твердость меди сравнима с твердостью бронз БрС-10, БрС-20 и БрС-30 (таблица). Однако контактные характеристики меди резко отличаются от контактных характеристик бронз. Это подтверждает общее положение о том, что исходная твердость не является свойством материала, определяющим износостойкость [2, 5]. Нужно формировать твердость поверхностного слоя, т.е. твердость вторичных структур. Поверхностный слой свинцовистых бронз не способен упрочняться за счет наклепа или за счет удержания оксида FeO и частиц α-Fe (в отличие от меди), а также не способен к удовлетворительной пластической деформации. Это не позволяет бронзам проявить высокую износостойкость.

Заключение

Свинцовистые бронзы проявляют очень высокую интенсивность изнашивания и низкую электропроводность зоны трения в условиях сухого скользящего электроконтакта независимо от исходной твердости. Это связано с тем, что их поверхностный слой не способен трансформироваться во вторичные структуры в зоне контакта, т.е. не обладает удовлетворительной пластичностью, не может упрочняться за счет деформационных дефектов и удержания частиц FeO и α-Fe, перенесенных с контртела. Медь, обладая сравнимой твердостью и удовлетворительной пластичностью, может упрочнять свой поверхностный слой за счет деформационного упрочнения, удержания частиц оксида FeO и α-Fe, что позволяет ей формировать скользящий электроконтакт с удовлетворительными характеристиками.

Работа выполнена по проекту III.23.2.4 программы III.20.2 фундаментальных исследований СО РАН и при финансовой поддержке гранта РФФИ № 13-08-00076.

Рецензенты:

Семухин Б.С., д.т.н., ведущий научный сотрудник лаборатории физики прочности, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск;

Буякова С.П., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных функциональных материалов, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск.