Износостойкость (или интенсивность изнашивания) является интегральным показателем механической прочности поверхностного слоя материала. Высокая износостойкость достигается за счёт реализации высокой устойчивости структуры поверхностного слоя к воздействию трением. Устойчивость поверхностного слоя увеличивается при их обработке упрочняющими технологиями, например путём введения легирующих элементов, проведения химико-термической обработки и т.п. Но высокая износостойкость достигается также за счёт высокой пластичности поверхностного слоя [2]. Очевидно, что упрочнение поверхностного слоя приведёт к снижению его пластичности и высокая износостойкость должна быть достигнута некоторым оптимальным соотношением между твёрдостью и пластичностью поверхностного слоя. Это оптимальное соотношение должно быть найдено экспериментально, т.к. научные основы для такого поиска отсутствуют. Обычно материалы, применяемые для трения при высоких давлениях, содержат твёрдые структурные составляющие (карбиды, оксиды и т.п. [9]) с целью обеспечения упругой деформации микрообъёмов, прилегающих к пятнам контакта. Но трение при высоких давлениях может привести к увеличению температуры в зоне трения и соответствующему уменьшению предела текучести материала. Тогда становится возможной пластическая деформация микрообъёмов поверхностного слоя. В этом случае может произойти его быстрое разрушение вследствие исчерпания запаса пластичности, что проявится в виде высокого износа [1, 3, 6, 10].
Пластическая деформация поверхностного слоя в зоне трибоконтакта может произойти при дополнительном приложении других видов воздействий, например электрического или теплового воздействий и т.п. Разрушение материала под совместным воздействием трения и тока высокой контактной плотности может происходить с более высокой скоростью, чем под воздействием трения с высоким давлением. Износостойкость материалов при трении с высоким давлением изучена достаточно подробно [2, 6, 9]. Существующие данные о трении материалов с высокой плотностью тока в контакте [4, 5, 7, 8] не позволяют составить удовлетворительное представление о возможности увеличения прочности поверхностного слоя и об увеличении износостойкости. Поэтому представляется целесообразным продолжить изучение поведения материалов при скольжении с высокой контактной плотностью тока, которая является основным разрушающим фактором зоны трения. Одной из основных задач исследования в этом направлении является определение пределов работоспособности в зависимости от плотности тока, а также проведение поиска возможности её увеличения. Работоспособность должна быть оценена по критерию износостойкости, которая зависит от многих входных параметров трибосистемы (давление, скорость скольжения, состав и структура контактирующих материалов и т.п.).
Применяемые материалы для скользящего электроконтакта имеют удовлетворительную износостойкость без смазки при плотности тока менее 50 А/см2. Обычно токосъёмные материалы содержат медь или железо в качестве основы. Контртелом служит медь, но в редких исключительных случаях применяется сталь. Известно, что закаленная сталь является удобным контртелом для осуществления сухого скользящего электроконтакта при высокой контактной плотности тока [5]. Представляет научный интерес определить износостойкость скользящего электроконтакта и его контактное падение напряжения при высокой плотности тока, где контртелом служит незакаленная сталь. Таким образом можно получить некоторое представление о влиянии структурного и напряженного состояния контртела на работоспособность трибосистемы с токосъёмом. Модельными материалами могут служить медь и сталь 3.
Целью настоящей работы является получение начальных представлений об изменении износостойкости меди и стали 3 при сухом скольжении по стали в зависимости от её структурно-напряжённого состояния в условиях протекания электрического тока с контактной плотностью более 100 А/см2.
Материалы и методы исследования
Модельными материалами служили сталь 3 твёрдостью НВ = 2,7 ГПа и медь твёрдостью НВ = 0,9 ГПа. Износостойкость и вольтамперная характеристика (ВАХ) зоны трения определены 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» (рис. 1).
Контртелом служила сталь 45 в закаленном (50 HRC) и незакаленном (НВ = 2,0 ГПа) состояниях. Путь трения при каждом режиме составлял 9 км. Плотность тока определена как j = i/Аа, где i – ток, протекающий через номинальную площадь контакта Аа. Линейная интенсивность изнашивания определена как Ih = h/L, где h – изменение высоты образца на пути трения L.
Рис. 1. Принципиальная схема трибоиспытаний «вал-колодка» со скользящим токосъемом: 1 – держатель образца; 2 – образец (сталь 3); 3 – контртело (сталь 45)
Результаты эксперимента и их обсуждение
Построение вольтамперной характеристики (ВАХ) скользящего электроконтакта и определение контактного падения напряжения является необходимой процедурой при исследовании взаимодействия поверхностных слоёв контактирующих материалов. Низкое контактное падение напряжения U реализуется при низком электросопротивлении контакта. ВАХ контактов меди (рис. 2, а) и стали 3 (рис. 2, б) увеличиваются монотонно при увеличении j, но при j ≈ 400 А/см2 наблюдается их перегиб. Одновременно наблюдается резкое увеличение интенсивности изнашивания Ih меди (рис. 2, в) и стали 3 (рис. 2, г). Это указывает на начало катастрофического изнашивания при некотором значении j = jс. Характерной особенностью ВАХ контакта с закаленным контртелом является наличие более низкого контактного падения напряжения U и более низкой Ih.
Выше отмечено, что высокая износостойкость достигается при увеличении твёрдости и при увеличении пластичности материала [2]. Это указывает на необходимость поиска некоторого оптимального соотношения между твёрдостью и пластичностью первичной структуры каждого из контактирующих материалов. На основе вышеизложенного видно, что закаленная сталь 45 (контртело) позволяет формировать скользящий электроконтакт с относительно высокой износостойкостью меди и стали 3. Известно также, что закаленные сталь ШХ15 и сталь У12 с твёрдостью более 60 HRC проявляют высокую износостойкость при скольжении с токосъёмом по закаленной стали 45 [5]. Но их износостойкость не превышает износостойкость более мягких меди и стали 3. То есть высокая твёрдость материала в исходном состоянии не всегда обеспечивает высокую стабильность структуры его поверхностного слоя и, соответственно, высокую износостойкость. Эту особенность скользящего электроконтакта можно наблюдать на изменении износостойкости меди, когда невысокая начальная твёрдость меди обеспечивает её поверхностному слою высокую стабильность в процессе трения.
а в
б г
Рис. 2. Токовые зависимости контактного падения напряжения меди (а) и стали 3 (б) и интенсивности изнашивания меди (в) и стали 3 (г) при скольжении по незакаленной стали 45 (кривые 1, 3), по закаленной стали 45 (кривые 2, 4)
В общем случае высокая стабильность структуры поверхностного слоя (и высокая износостойкость) обусловлены удовлетворительной релаксацией напряжений, возникающих в пятнах контакта. Это возможно в случае, когда концентраторы напряжений в материале поверхностного слоя не создают предельное напряжённое состояние на большом расстоянии от себя. Наиболее просто это условие может выполниться в случае, когда релаксация напряжений в поле действия сил концентратора напряжений происходит за счёт пластической деформации. То есть для обеспечения высокой износостойкости материал поверхностного слоя должен обладать низкой сдвиговой устойчивостью или, более конкретно, высокой пластичностью.
Толщина поверхностного слоя является одним из параметров структурного состояния поверхности трения. Эта толщина проявляет глубину, на которую распространяется пластическая деформация. Известно, что материал поверхностного слоя меди упрочнён оксидом FeO и частицами α-Fe. Но медь в поверхностном слое имеет удовлетворительную пластичность, что позволяет удовлетворительно релаксировать напряжения за счёт пластической деформации. В этом случае глубина проникновения пластической деформации будет невысокой, т.к. предел текучести меди относительно невысок даже при деформационном упрочнении поверхностного слоя и напряжения в окрестности пятен контакта релаксируются локальной пластической деформацией. То есть сдвиговая неустойчивость меди на микромасштабном (локальном) уровне позволяет сохранить сдвиговую устойчивость поверхностного слоя на макромасштабном уровне (в объёме всего поверхностного слоя) и в пластическую деформацию вовлекаются небольшие объёмы поверхностного слоя. Это приводит также к небольшому падению напряжения в контакте (рис. 2, а).
Деформация поверхностного слоя стали 3 вызывает его упрочнение за счёт появления деформационных дефектов, что обусловливает повышение его предела текучести. В этом случае напряжения в окрестности пятен контакта распространяются на большое расстояние. Релаксация этих напряжений за счёт пластической деформации приводит к тому, что толщина поверхностного слоя стали 3 должна быть выше толщины поверхностного слоя меди. То есть объёмы, вовлечённые в пластическую деформацию, имеют большие размеры и масштаб пластической деформации поверхностного слоя будет относительно высоким. В процессе скольжения структурные изменения поверхностного слоя стали 3 приводят к образованию в нём оксида FeO, фаз γ-Fe и α-Fe [4]. Эти фазы не способны эффективно удержаться в поверхностном слое и упрочнить его, что видно по высокой интенсивности изнашивания (рис. 2, г). Эти факторы способствуют формированию контакта с относительно высоким падением напряжения (рис. 2, б).
Удельная мощность (тепловой поток) в зоне трения с токосъёмом может быть записана в виде
где f – коэффициент трения; N – нормальная нагрузка; v – скорость скольжения; i – ток; U – контактное падение напряжения; Aa – номинальная площадь контакта; ра – давление. Уменьшение твёрдости одного из контактирующих тел вызывает обычно увеличение f [2]. Это значит, что контртело с низкой твердостью обусловливает взаимодействие с более высоким коэффициентом трения. Увеличение f приводит к увеличению q, что приводит к увеличению температуры поверхности трения и, соответственно, к увеличению адгезионного взаимодействия. Усиление адгезии должно увеличить масштаб пластически деформируемых микрообъёмов поверхностного слоя, т.е. должна увеличиться толщина поверхностного слоя. Это должно быть причиной увеличения интенсивности изнашивания. Проверка этого утверждения не может быть проведена корректно, т.к. толщина поверхностного слоя неодинакова на разных участках поверхности трения вследствие резкого различия термодинамических условий в пятнах контакта. Но увеличение толщины пластически деформированного (содержащего большое количество структурных дефектов) слоя незакаленной стали 45 должно вызвать увеличение U.
Пластическая деформация поверхностного слоя контактирующих материалов приводит к образованию фрагментированной структуры. Отсутствие компенсации поворотных мод деформации в такой структуре вызывает возникновение частицы износа. Материал поверхностного слоя с низкой сдвиговой устойчивостью способен к компенсации этих мод и создаётся возможность структурно-фазовых переходов под нагрузкой и квазивязкое затекание материала между разориентированными фрагментами, а также развивается хорошо согласованная иерархия градиентных поворотных мод деформации [3]. Это приводит к проявлению удовлетворительной релаксации напряжений в поверхностном слое и возникновению малого количества частиц износа, т.к. структура поверхностного слоя квазистабильна и реализуется высокая износостойкость.
Заключение
Режим нормального изнашивания меди и стали 3 при сухом скольжении по закаленной и незакаленной стали 45 под воздействием электрического тока может быть реализован при плотности тока не более 400 А/см2. Превышение этой плотности тока вызывает катастрофическое изнашивание образца. Интенсивность изнашивания меди не превышает 15 мкм/км в условиях нормального изнашивания. Интенсивность изнашивания стали 3 в этих условиях находится в пределах до 70 мкм/км. То есть прочность поверхностного слоя меди заметно выше прочности поверхностного слоя стали 3 в процессе трения. Относительно высокая износостойкость меди обусловлена более высокой пластичностью, т.е. её способностью к релаксации напряжений за счёт пластической деформации поверхностного слоя.
Работа выполнена 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.