fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2025-46-4-312-322fwj-62Research ArticleСтатьиРаспределение кислорода в поверхностном слое стального контртела из стали 45 в условиях трения без смазочного материала при воздействии электрического тока высокой плотностиDistribution of Oxygen in Surface Layer of Steel Counterbody from С45 Steel under Friction Conditions without Lubricant under Action of High-Density Electric CurrentАлеутдиноваМ. И.AleutdinovaM. I.

просп. Академический, 2/4, г. Томск 634055 

pr. Akademicheskii, 2/4, Tomsk 634055 

aleut@ispms.ruФадинВ. В.FadinV. V.

просп. Академический, 2/4, г. Томск 634055 

pr. Akademicheskii, 2/4, Tomsk 634055 

Институт физики прочности и материаловедения СО РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of Russian Academy of ScienceRussian Federation202529092026464312322Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/62

Цель работы — изучить распределение кислорода в контактном слое стали 45 (контртело) при трении по схеме «pin-on-ring» по стали Ст3 (образец) в условиях трения без смазочного материала под электрическим током высокой плотности (> 100 А/см2).

Методом электронной микроскопии показано образование слоя переноса на контактной поверхности контртела и образование расплава на контактной поверхности слоя переноса. Расплав имеет слабые признаки адгезионного взаимодействия, что является показателем высокой вязкости расплава. Рентгеновский спектральный микроанализ контактной поверхности слоя переноса показал содержание в нем 30 ат. % кислорода, который служит показателем образования FeO. Концентрация кислорода на поверхности контакта соответствовала концентрации около 60 об. % FeO. Концентрация кислорода в сечении слоя переноса на расстоянии 3 мкм от поверхности контакта составляет около 10 ат. %, что соответствует около 20 об. % FeO. Методом рентгенофазового анализа установлено преобладание FeO и α-Fe в контактной поверхности слоя переноса стали 45, то есть около 90 об. % FeO. Эти данные косвенно доказывают существование градиента концентрации FeO, направленного в глубину слоя переноса, и позволяют утверждать, что расплав состоит из нейтральных атомов или ионов железа и кислорода.

Увеличение плотности тока в контакте приводит к увеличению электрической проводимости контакта и к уменьшению коэффициента трения. Это позволяет предположить увеличение количества расплава в контактном пространстве при увеличении плотности тока. Также увеличение плотности тока приводит к увеличению стадии скольжения («slip») при скольжении в режиме прерывистого скольжения («stick–slip») и к снижению коэффициента трения. Полученные данные могут служить ориентиром при проектировании токосъёмных узлов трения для мощных электрических двигателей и генераторов.

The aim of the work is to study the distribution of oxygen in the contact layer of steel 45 during pin-on-ring dry friction against C235 steel under high-density electric current (> 100 A/cm2).

The formation of a transfer layer on the contact surface of the counterbody and the formation of a melt on the contact surface of the transfer layer were shown by the electron microscopy method. The melt has weak signs of adhesive interaction, which is an indicator of high melt viscosity. X-ray spectral microanalysis of the contact surface of the transfer layer showed an oxygen content of 30 at. %, which serves as an indicator of FeO formation. The oxygen concentration corresponded to a concentration of about 60 vol. % FeO. The oxygen concentration in the cross-section of the transfer layer at a distance of 3 μm from the contact surface was about 10 at. % that corresponds to about 20 vol. % FeO. The X-ray phase analysis method established the predominance of FeO and α-Fe in the contact surface of the transfer layer of C45 steel, i. e. about 90 vol. % FeO. These data indirectly prove the existence of a FeO concentration gradient directed into the depth of the transfer layer and allow us to state that the melt consists of neutral atoms or ions of iron and oxygen.

An increase in the current density in the contact leads to an increase in the electrical conductivity of the contact and to a decrease in the friction coefficient. This allows us to assume an increase in the amount of melt in the contact space with an increase in the current density. An increase in the current density leads also to an increase in the sliding stage (“slip”) during sliding in the stick–slip mode and to a decrease in the friction coefficient. The obtained data can serve as a guideline in the design of current-collecting friction units for powerful electric motors and generators.

скользящий электрический контакткоэффициент тренияэлектрическая проводимость контактаизносслой переносаsliding electric contactfriction coefficientcontact conductivityweartransfer layerReferencesKragelsky I.V., Dobychin M.N., and Komba-lov V.S. Friction and Wear Calculation Methods. — New York: Pergamon Press. — 1982Kragelsky I.V., Dobychin M.N., and Komba-lov V.S. Friction and Wear Calculation Methods. — New York: Pergamon Press. — 1982Sosnovskiy L.A. Tribo-Fatigue: Wear-Fatigue Damage and Its Prediction. — Verlag, Berlin, Hei-delberg: Springer. — 2005Sosnovskiy L.A. Tribo-Fatigue: Wear-Fatigue Damage and Its Prediction. — Verlag, Berlin, Hei-delberg: Springer. — 2005Алеутдинова М.И., Фадин В.В., Колубаев А.В. Об изнашивании металлических материалов, нагруженных трением скольжения и электриче-ским током высокой плотности // Письма о ма-териалах. — 2014 (4), № 3, 149—152. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2014-3-149-152Aleutdinova M.I., Fadin V.V., Kolubaev A.V. On wear of metal materials loaded with sliding friction and high-density electric current // Letters on Mate-rials. — 2014 (4), no. 3, 149—152. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2014-3-149-152 (in Russian)Fadin V.V., Aleutdinova M.I., Rubtsov V.Ye., and Aleutdinova V.A. Structure and Worn Surface Morphology on Copper Containing Composites under Dry Sliding with High Contact Current Densi-ty // Key Eng. Mater. — 2016 (712), 137—142. DOI: 10.4028/wwwscientific.net/KEM.712.137Fadin V.V., Aleutdinova M.I., Rubtsov V.Ye., and Aleutdinova V.A. Structure and Worn Surface Morphology on Copper Containing Composites under Dry Sliding with High Contact Current Densi-ty // Key Eng. Mater. — 2016 (712), 137—142. DOI: 10.4028/wwwscientific.net/KEM.712.137Aleutdinova M.I. and Fadin V.V. Structure of the Contact Layers of Steel and Their Deterioration in Dry Sliding Against Steel under High-Density Elec-tric Currents at Different Turn Ratios of a Supply Transformer // Rus. Phys. J. — 2024 (67), no. 1, 1—8. DOI: 10.1007/s11182-024-03081-9.Aleutdinova M.I. and Fadin V.V. Structure of the Contact Layers of Steel and Their Deterioration in Dry Sliding Against Steel under High-Density Elec-tric Currents at Different Turn Ratios of a Supply Transformer // Rus. Phys. J. — 2024 (67), no. 1, 1—8. DOI 10.1007/s11182-024-03081-9.Waseda Y., Matsubara E., and Shinoda K. X-Ray Diffraction Crystallography. Introduction, Examp-les and Solved Problems. — London, New York: Springer Heidelberg Dordrecht, Springer-Verlag Ber-lin Heidelberg. — 2011. DOI: 10.1007/978-3-642-16635-8Waseda Y., Matsubara E., and Shinoda K. X-Ray Diffraction Crystallography. Introduction, Examp-les and Solved Problems. — London, New York: Springer Heidelberg Dordrecht, Springer-Verlag Ber-lin Heidelberg. — 2011. DOI: 10.1007/978-3-642-16635-8Yin Cun-hong, Liang Yi-long, Liang Yu., Li W., and Yang M. Formation of a Self-Lubricating Lay-er by Oxidation and Solid-State Amorphization of Nano-Lamellar Microstructures during Dry Sliding Wear Tests // Acta Materialia. — 2019 (166), 208—220. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.12.049Yin Cun-hong, Liang Yi-long, Liang Yu., Li W., and Yang M. Formation of a Self-Lubricating Lay-er by Oxidation and Solid-State Amorphization of Nano-Lamellar Microstructures during Dry Sliding Wear Tests // Acta Materialia. — 2019 (166), 208—220. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.12.049Wang S.Q., Wei M.X., and Zhao Y.T. Effects of the Tribo-Oxide and Matrix on Dry Sliding Wear Characteristics and Mechanisms of a Cast Steel // Wear. — 2010 (269), 424—434. https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.04.028Wang S.Q., Wei M.X., and Zhao Y.T. Effects of the Tribo-Oxide and Matrix on Dry Sliding Wear Characteristics and Mechanisms of a Cast Steel // Wear. — 2010 (269), 424—434. https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.04.028Kato H. Effects of Supply of Fine Oxide Particles onto Rubbing Steel Surfaces on Severe-Mild Wear Transition and Oxide Film Formation // Tribol. Int. — 2008 (41), 735. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2008.01.001Kato H. Effects of Supply of Fine Oxide Particles onto Rubbing Steel Surfaces on Severe-Mild Wear Transition and Oxide Film Formation // Tribol. Int. — 2008 (41), 735. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2008.01.001Mansori M.El., Paulmier D., Ginsztler J., and Hor¬vath M. Lubrication Mechanisms of a Sliding Contact by Simultaneous Action of Electric Current and Mag¬netic Field // Wear. — 1999 (225–229), 1011—1016. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(99)00070-8Mansori M.El., Paulmier D., Ginsztler J., and Hor¬vath M. Lubrication Mechanisms of a Sliding Contact by Simultaneous Action of Electric Current and Mag¬netic Field // Wear. — 1999 (225–229), 1011—1016. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(99)00070-8Zhao H., Feng Y., Zhou Z., Qian G., Zhang J., Huang X., and Zhang X. Effect of Electrical Current Density, Apparent Contact Pressure, and Sliding Velocity on the Electrical Sliding Wear Behavior of Cu–Ti3AlC2 Composites // Wear. — 2020 (444–445), 203156. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.203156Zhao H., Feng Y., Zhou Z., Qian G., Zhang J., Huang X., and Zhang X. Effect of Electrical Current Density, Apparent Contact Pressure, and Sliding Velocity on the Electrical Sliding Wear Behavior of Cu–Ti3AlC2 Composites // Wear. — 2020 (444–445), 203156. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.203156Ferreira J., Farias A., Leonardi F., Bordinas-si Ed.C., Bortolussi R., and Delijaicov S. Dataset on Critical Angular Clamping Speeds of Fasteners // Data in Brief. — 2024 (52), 110022. https://doi.org/10.1016/j.dib.2023.110022Ferreira J., Farias A., Leonardi F., Bordinas-si Ed.C., Bortolussi R., and Delijaicov S. Dataset on Critical Angular Clamping Speeds of Fasteners // Data in Brief. — 2024 (52), 110022. https://doi.org/10.1016/j.dib.2023.110022Zhang Ch., Keten S., Derome D., and Carmeliet J. Hydrogen Bonds Dominated Frictional Stick-Slip of Cellulose Nanocrystals // Carbohydrate Poly-mers. — 2021 (258), 117682. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.117682Zhang Ch., Keten S., Derome D., and Carmeliet J. Hydrogen Bonds Dominated Frictional Stick-Slip of Cellulose Nanocrystals // Carbohydrate Poly-mers. — 2021 (258), 117682. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.117682Mei G., Fu W., Chen G., Zhang W. Effect of High-Density Current on the Wear of Carbon Sliders Against Cu–Ag Wires // Wear. — 2020 (452–453), 203275. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203275Mei G., Fu W., Chen G., Zhang W. Effect of High-Density Current on the Wear of Carbon Sliders Against Cu–Ag Wires // Wear. — 2020 (452–453), 203275. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203275

The authors declare that there are no conflicts of interest present.