fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2025-46-4-391-399fwj-76Research ArticleСтатьиВлияние окислительно-восстановительных реакций при лазерном легировании стали оксидом висмута на триботехнические характеристики в условиях граничного тренияThe Effect of Redox Reactions During Laser Alloying of Steel with Bismuth Oxide on Tribological Characteristics Under Boundary Friction ConditionsШиробоковаА. С.ShirobokovaA. S.

ул. Университетская, 1, г. Ижевск 426034 

Universitetskaya St., 1, Izhevsk 426034 

ХаранжевскийЕ. В.KharanzhevskiyE. V.

ул. Университетская, 1, г. Ижевск 426034 

Universitetskaya St., 1, Izhevsk 426034 

ИпатовА. Г.IpatovA. G.

ул. Студенческая, 9, г. Ижевск 426069 

Studencheskaya St., 9, Izhevsk 426069 

Ipatow.al@yandex.ruМакаровА. В.MakarovA. V.

ул. Софьи Ковалевской, 18, г. Екатеринбург 620108 

St. S. Kovalevskaya, 18, Ekaterinburg 620108 

Удмуртский государственный университетРоссияUdmurt State UniversityRussian FederationУдмуртский государственный аграрный университетРоссияUdmurt State Agricultural UniversityRussian FederationИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН)РоссияM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202529092026464391399Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/76

В работе изучали триботехнические характеристики поверхности углеродистой стали, легированной оксидом висмута с добавлением окислителя или восстановителя, нитрата лития или высокодисперсного порошка графита соответственно. Трибологические испытания выполняли в сопряжении с алюминиевым сплавом АЖ1 в условиях граничной смазки.Установлено, что углерод взаимодействует с оксидом висмута в процессе легирования при высокотемпературной лазерной обработке и приводит к появлению металлического висмута, что негативно влияет на работоспособность сопряжения при высокой контактной нагрузке. При этом, чем выше содержание углерода в составе порошковой смеси, тем большее количество восстановленного при лазерной обработке оксида висмута в поверхности стали, и тем ниже нагрузочная способность сопряжения при работе с постоянной скоростью 9,0 м/с. Напротив, распад нитрата лития с выделением кислорода при высокоинтенсивной лазерной обработке приводит к увеличению доли окисленного висмута в легированной поверхности. При добавлении окислителя триботехнические характеристики сопряжения при трении в условиях граничной смазки значительно улучшаются. Предложен возможный механизм возникновения сверхнизких коэффициента трения и износа при трении скольжения в условиях граничной смазки для пары трения легированная оксидом висмута сталь–алюминиевый сплав.

This work investigates the tribological characteristics of the surface of carbon steel alloyed with bismuth oxide with the addition of an oxidizer or a reducing agent, specifically lithium nitrate or highly dispersed graphite powder, respectively. Tribological tests were performed in contact with an aluminum alloy AZh1 under boundary lubrication conditions.It was established that carbon interacts with bismuth oxide during the alloying process under high-temperature laser treatment, leading to the formation of metallic bismuth, which negatively affects the performance of the tribological pair under high contact load. Furthermore, a higher carbon content in the powder mixture results in a greater amount of reduced bismuth oxide in the steel surface and a lower load-carrying capacity of the pair at a constant speed of 9.0 m/s. Conversely, the decomposition of lithium nitrate with the release of oxygen during high-intensity laser processing leads to an increased proportion of oxidized bismuth in the alloyed surface. The addition of the oxidizer significantly improves the tribological characteristics of the pair under boundary lubrication friction conditions. A possible mechanism for the occurrence of ultralow friction and wear coefficients during sliding friction under boundary lubrication for the “bismuth-oxidealloyed steel vs. aluminum alloy” friction pair is proposed.

графитнитрат литиякороткоимпульсная лазерная обработкасверхнизкий коэффициент тренияgraphitelithium nitrateshort-pulse laser treatmentultra-low friction coefficientReferencesГаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): учебник. 4-e изд. — M.: Из-во МСХА. — 2001Garkunov D.N. Tribotekhnika (iznos i bezyznosnost'): Uchebnik. 4-e izd. — M.: Iz-vo MSHA. — 2001 (in Russian)Ahmatov A.S. Molecular Physics of Boundary Friction. — Publ. Israel Program for Scientific Translations: University of California. — 1966Ahmatov A.S. Molecular Physics of Boundary Friction. — Publ. Israel Program for Scientific Translations: University of California. — 1966Kharanzhevskiy E.V. et al. Towards Eliminating Friction and Wear in Plain Bearings Operating without Lubrication // Scientific Reports. — 2023 (13), no. 1, 17362. https://doi.org/10.1038/s41598-023-44702-6Kharanzhevskiy E.V. et al. Towards Eliminating Friction and Wear in Plain Bearings Operating without Lubrication // Scientific Reports. — 2023 (13), no. 1, 17362. https://doi.org/10.1038/s41598-023-44702-6Sun H., Gewen Y., Shanhong W., and Peiying S. Effect of Adding Soft Bi2O3 on Structural Modification and Tribological Regulation of Ni-5 wt% Al Composite Coating in Wide Temperatures Range // Surface and Coatings Technology. — 2021 (405), 126517. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126517Sun H., Gewen Y., Shanhong W., and Peiying S. Effect of Adding Soft Bi2O3 on Structural Modification and Tribological Regulation of Ni-5 wt% Al Composite Coating in Wide Temperatures Range // Surface and Coatings Technology. — 2021 (405), 126517. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126517Kato H. and Komai K. Tribofilm Formation and Mild Wear by Tribo-Sintering of NanometerSized Oxide Particles on Rubbing Steel Surfaces // Wear. — 2007 (262), nos. 1–2, 36—41. https://doi.org/10.1016/j.wear.2006.03.046Kato H. and Komai K. Tribofilm Formation and Mild Wear by Tribo-Sintering of NanometerSized Oxide Particles on Rubbing Steel Surfaces // Wear. — 2007 (262), nos. 1–2, 36—41. https://doi.org/10.1016/j.wear.2006.03.046Wang X., Feng X., Lu C., Yi G., Jia J., and Li H. Mechanical and Tribological Properties of Plasma Sprayed NiAl Composite Coatings with Addition of Nanostructured TiO2/Bi2O3 // Surface and Coatings Technology. — 2018 (349), 157—165. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.05.055/Wang X., Feng X., Lu C., Yi G., Jia J., and Li H. Mechanical and Tribological Properties of Plasma Sprayed NiAl Composite Coatings with Addition of Nanostructured TiO2/Bi2O3 // Surface and Coatings Technology. — 2018 (349), 157—165. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.05.055/Rodil S.E., Depablos-Rivera O., and SánchezLópez J.C. Tribological Response of δ-Bi2O3 Coatings Deposited by RF Magnetron Sputtering // Lubricants. — 2023 (11), no. 5, 207. https://doi.org/10.3390/lubricants11050207Rodil S.E., Depablos-Rivera O., and SánchezLópez J.C. Tribological Response of δ-Bi2O3 Coatings Deposited by RF Magnetron Sputtering // Lubricants. — 2023 (11), no. 5, 207. https://doi.org/10.3390/lubricants11050207.Ипатов А.Г., Малинин А.В., Шмыков С.Н. Повышение эффективности турбокомпрессоров ДВС модификацией подшипниковых сопряжений // Ремонт. Восстановление. Модернизация. — 2024, № 5, 8—12. DOI: 10.31044/1684-2561-2024-0-5-8-12Ipatov A.G., Malinin A.V., Shmykov S.N. Increasing the efficiency of ICE turbochargers by modifying bearing matings // Repair. Restoration. Modernization. — 2024, no. 5, 8—12. DOI: 10.31044/1684-2561-2024-0-5-8-12 (in Russian)Ипатов А.Г., Шмыков С.Н. Синтез антифрикционных покрытий методом ФАБО // Технический сервис машин. — 2021, № 1(142), 140—147. DOI: 10.22314/2618-8287-2021-59-1-140-147Ipatov A.G., Shmykov S.N. Synthesis of antifriction coatings by the FABO method // Technical service of machines. — 2021, No. 1(142), 140—147. DOI: 10.22314/2618-8287-2021-59-1-140-147 (in Russian)/Макаров А.В., Харанжевский Е.В., Ипатов А.Г., Сирош В.А., Соболева Н.Н., Волкова Е.Г. Эффект безызносности при поверхностном легировании стали висмутом // Трение и износ. — 2024 (45), № 6, 558—568Makarov A.V., Kharanzhevsky E.V., Ipatov A.G., Sirosh V.A., Soboleva N.N., and Volkova E.G. The Effect of Wearlessness during Surface Alloying of Steel with Bismuth // Journal of Friction and Wear. — 2024 (45), no. 6, 558—568Makarov A.V., Sirosh V.A., Soboleva N.N., Volkova E.G., Ipatov A.G., Gil`mutdinov F.Z., and Kharanzhevskiy E.V. Ultralow Wear in Boundary Lubrication: a Tribological Study of BiAlloyed Steel under High Normal Loads and Sliding Speeds // Friction. — 2025 (13), no. 7, 9441049. https://doi.org/10.26599/FRICT.2025.9441049Makarov A.V., Sirosh V.A., Soboleva N.N., Volkova E.G., Ipatov A.G., Gil`mutdinov F.Z., and Kharanzhevskiy E.V. Ultralow Wear in Boundary Lubrication: a Tribological Study of BiAlloyed Steel under High Normal Loads and Sliding Speeds // Friction. — 2025 (13), no. 7, 9441049. https://doi.org/10.26599/FRICT.2025.9441049Razak M., Liza S., and Fukuda K. Investigation of Surface Morphology, Wettability and Tribological Properties of Ni Composite Coating Added with Graphite // Surf. Topogr.: Metrol. Prop. — 2025, no. 13, 015016. DOI: 10.1088/2051-672X/adad8cRazak M., Liza S., and Fukuda K. Investigation of Surface Morphology, Wettability and Tribological Properties of Ni Composite Coating Added with Graphite // Surf. Topogr.: Metrol. Prop. — 2025, no. 13, 015016. DOI: 10.1088/2051-672X/adad8cGuan L., Zhang Y., Cheng K., and Zhang R. Influence of Graphite on Tribological Properties of SiC/Cu/Gr Composites with SiO2–Cu2O Glass Boundary // Ceramics International. — 2024 (50), no. 9, 15481—15489. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.025Guan L., Zhang Y., Cheng K., and Zhang R. Influence of Graphite on Tribological Properties of SiC/Cu/Gr Composites with SiO2–Cu2O Glass Boundary // Ceramics International. — 2024 (50), no. 9, 15481—15489. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.025Kharanzhevskiy E.V., Ipatov A.G., Makarov A.V., Gil’mutdinov F.Z., Soboleva N.N., and Krivilyov M.D. Tribological Performance of Boron-Based Superhard Coatings Sliding Against Different Materials // Wear. — 2021 (477), 203835. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203835/Kharanzhevskiy E.V., Ipatov A.G., Makarov A.V., Gil’mutdinov F.Z., Soboleva N.N., and Krivilyov M.D. Tribological Performance of Boron-Based Superhard Coatings Sliding Against Different Materials // Wear. — 2021 (477), 203835. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203835/Volkov K.G., Ipatov A.G., Kharanzhevskii E.V., Shmykov S.N. Restoration and Hardening of the Working Chamfer of the Valve of an Internal Combustion Engine by Selective Laser Melting (SLM) // Steel in Translation. — 2023 (53), no. 3, 232—237. DOI: 10.3103/s0967091223030191Volkov K.G., Ipatov A.G., Kharanzhevskii E.V., Shmykov S.N. Restoration and Hardening of the Working Chamfer of the Valve of an Internal Combustion Engine by Selective Laser Melting (SLM) // Steel in Translation. — 2023 (53), no. 3, 232—237. DOI: 10.3103/s0967091223030191Юхин Ю.М., Михайлов Ю.И. Химия висмутовых соединений и материалов. — Новосибирск: Изд-во СО РАН. — 2001Yukhin Yu.M., Mikhailov Yu.I. Chemistry of bismuth compounds and materials. — Novosibirsk: SB RAS. — 2001 (in Russian)Ortiz-Quiñonez J.L., Zumeta-Dubé I., Díaz D., Nava-Etzana N., Cruz-Zaragoza E., and Santiago-Jacinto P. Bismuth Oxide Nanoparticles Partially Substituted with EuIII, MnIV, and SiIV: Structural, Spectroscopic, and Optical Findings // Inorg Chem. — 2017, Mar 20; (56), no. 6, 3394—3403. doi: 10.1021/acs.inorgchem.6b02923. Epub. 2017 Mar 2. PMID: 28252972Ortiz-Quiñonez J.L., Zumeta-Dubé I., Díaz D., Nava-Etzana N., Cruz-Zaragoza E., and Santiago-Jacinto P. Bismuth Oxide Nanoparticles Partially Substituted with EuIII, MnIV, and SiIV: Structural, Spectroscopic, and Optical Findings // Inorg Chem. — 2017, Mar 20; (56), no. 6, 3394—3403. doi: 10.1021/acs.inorgchem.6b02923. Epub. 2017 Mar 2. PMID: 28252972

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