fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2024-45-6-558-568fwj-85Research ArticleСтатьиЭффект безызносности при поверхностном легировании стали висмутомEffect of Wearlessness in Surface Alloying of Steel with BismuthМакаровА. В.MakarovA. V.

г. Екатеринбург 620108

г. Екатеринбург 620049

Ельцина», г. Екатеринбург 620002

Ekaterinburg 620108

Ekaterinburg 620049

Yekaterinburg 620002

av-mak@yandex.ruХаранжевскийЕ. В.KharanzhevskiyE. V.

г. Ижевск 426039

Izhevsk 426039

ИпатовА. Г.IpatovA. G.

г. Ижевск 426069

Izhevsk 426069

СирошВ. А.SiroshV. A.

г. Екатеринбург 620108

Ekaterinburg 620108

СоболеваН. Н.SobolevaN. N.

г. Екатеринбург 620049

Ekaterinburg 620049

ВолковаЕ. Г.VolkovaE. G.

г. Екатеринбург 620108

Ekaterinburg 620108

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук; Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук; ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»РоссияM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences; E.S. Gorkunov Institute of Engineering Science of Ural Branch of Russian Academy of Sciences; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationФГБОУ ВО «Удмуртский государственный университет»РоссияUdmurt State UniversityRussian FederationФГБОУ ВО «Удмуртский государственный аграрный университет»РоссияUdmurt State Agrarian UniversityRussian FederationИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наукРоссияM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наукРоссияE.S. Gorkunov Institute of Engineering Science of Ural Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук,РоссияM.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of SciencesRussian Federation202428092026456558568Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/85

Работа посвящена анализу эффекта безызносности для углеродистых сталей, подвергнутых поверхностному легированию металлическим висмутом с применением технологии короткоимпульсного лазерного переплава. Трибологические исследования выполнены в сопряжении с промышленными металлическими сплавами — серый чугун СЧ-18, бронза БрАЖНМц 10-4-2, алюминиевый сплав АЖ1. В условиях граничной смазки легированная висмутом стальная поверхность в паре с анализируемыми сплавами характеризуется стабильно низкой величиной коэффициента трения в диапазоне от 0,04 до 0,08. Установлено, что высокая усталостная прочность поверхности алюминиевого сплава и отсутствие адгезии с легированной висмутом стальной поверхностью обеспечивают условия, реализующие эффект безызносности (нулевой износ) при скоростях трения до 9 м/с и нормальной нагрузке до 250 Н. Металлографический анализ и 3D профилометрия поверхностей трения выявили, что процесс самоорганизации зоны контакта носит атермический характер (без фрикционного нагрева) и определяется пластическим течением контактирующих поверхностей без их взаимного разрушения.

This work is devoted to the analysis of the wear-free effect for carbon steels subjected to surface alloying with metallic bismuth using the technology of short-pulse laser melting. Tribological studies were performed in conjunction with industrial metal alloys — gray cast iron, nickel-aluminum bronze, aluminum alloy. Under boundary lubrication conditions, the bismuth-alloyed steel surface tested in contact with the analyzed alloys showed ultralow value of the friction coefficient in the range from 0.04 to 0.08. It was established that the high fatigue strength of the aluminum alloy and the absence of adhesion with the bismuth-alloyed steel sur-face provide conditions that implement the wear-free effect (zero wear) at friction speeds of up to 9 m/s and normal loads of up to 250 N. Metallographic analysis and 3D profilometry of friction surfaces revealed that the process of self-organization of the contact zone is athermal in nature (without frictional heating) and is determined by the plastic flow of the contacting surfaces without their mutual destruction.

легирование висмутомкороткоимпульсная лазерная обработкавыглаживаниетрениеграничное трениебезызносностьсамоорганизацияалюминиевый сплавbismuth alloyingshort-pulse laser processingburnishingfrictionboundary lubricationwear-lessnessselforganizationaluminum alloyReferencesGoryacheva I.G. and Dobychin M.N. Results of the Development of the Molecular Mechanical Theory of Friction // Friction and Wear. — 2008 (29), no. 4, 327—337 (in Russian)Goryacheva I.G. and Dobychin M.N. Results of the Development of the Molecular Mechanical Theory of Friction // Journal of Friction and Wear. — 2008 (29), no. 4, 243—250Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): Учебник. – 4-е изд. — М.: Из-во МСХА. — 2001Garkunov D.N. Tribotekhnika (iznos i bezyz-nosnost'): 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. — 1966Skorynina P.A., Makarov A.V., and Savrai R.A. Substantiating the Process Parameters of Frictional Treatment with a Sliding Indenter for an Austenitic Chromium-Nickel Steel. Tribology Letters. — 2024, (72):9. https://doi.org/10.1007/s11249-023-01816-2Skorynina P.A., Makarov A.V., and Savrai R.A. Substantiating the Process Parameters of Frictional Treatment with a Sliding Indenter for an Austenitic Chromium-Nickel Steel. Tribology Letters. — 2024, (72):9. https://doi.org/10.1007/s11249-023-01816-2Tomlinson G.A. A Molecular Theory of Friction // Phil. Mag. — 1929 (7), no. 7, 905—939Tomlinson G.A. A Molecular Theory of Friction // Phil. Mag. — 1929 (7), no. 7, 905—939Kharanzhevskiy E.V., Ipatov A.G., Makarov A.V., and Gil’mutdinov F.Z. Towards Eliminating Friction and Wear in Plain Bearings Operating without Lubrication // Scientific Reports. — 2023 (13), 17362. https://doi.org/10.1038/s41598-023-44702-6Kharanzhevskiy E.V., Ipatov A.G., Makarov A.V., and Gil’mutdinov F.Z. Towards Eliminating Friction and Wear in Plain Bearings Operating without Lubrication // Scientific Reports. — 2023 (13), 17362. https://doi.org/10.1038/s41598-023-44702-6Kharanzhevskiy 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.2021.203835Kharanzhevskiy 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.2021.203835Pratt G.C. Materials for Plain Bearings // International Metallurgical Reviews. — 1973 (18), 62—88. https://doi.org/10.1179/imtlr.1973.18.2.62Pratt G.C. Materials for Plain Bearings // International Metallurgical Reviews. — 1973 (18), 62—88. https://doi.org/10.1179/imtlr.1973.18.2.62Hutchings I. and Shipway P. Tribology / second ed. — Butterworth-Heinemann. — 2017. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100910-9.00005-2Hutchings I. and Shipway P. Tribology / second ed. — Butterworth-Heinemann. — 2017. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100910-9.00005-2Barlemont S., Colas G., Lenain A., and Cornuault P.H. Effect of the Countermaterial on the Tribo-logical Behavior of Cu45Zr46Al7Nb2 Bulk Metallic Glass // Wear. — 2023 (522), no. 1, 204712. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204712Barlemont S., Colas G., Lenain A., and Cornuault P.H. Effect of the Countermaterial on the Tribo-logical Behavior of Cu45Zr46Al7Nb2 Bulk Metallic Glass // Wear. — 2023 (522), no. 1, 204712. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204712Daure J.L. Kóti D., Carrington M.J., McCartney D.G., Stewart D.A., and Shipway P.H. Galling of Stainless Steels as a Function of Test Conditions in an ASTM G196-Type Test Setup – The Role of Temperature, Rotational Velocity, Interrupted Rotation and Rotational Distance // Wear. — 2023 (524–525), 204804. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204804Daure J.L. Kóti D., Carrington M.J., McCartney D.G., Stewart D.A., and Shipway P.H. Galling of Stainless Steels as a Function of Test Conditions in an ASTM G196-Type Test Setup – The Role of Temperature, Rotational Velocity, Interrupted Rotation and Rotational Distance // Wear. — 2023 (524–525), 204804. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204804Wang H.H., Wang W.J., Han Z.Y., Wang Y., Ding H.H., Lewis R., Lin Q., Liu Q.Y, and Zhou Z.R. Wear and Rolling Contact fatigue Competition Mechanism of Different Types of Rail Steels under Various Slip Ratios // Wear. — 2023 (522), 204721. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204721Wang H.H., Wang W.J., Han Z.Y., Wang Y., Ding H.H., Lewis R., Lin Q., Liu Q.Y, and Zhou Z.R. Wear and Rolling Contact fatigue Competition Mechanism of Different Types of Rail Steels under Various Slip Ratios // Wear. — 2023 (522), 204721. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204721Derjaguin B.V., Muller V.M., and Toporov Yu.P. Effect of Contact Deformations on the Adhesion of Particles // Journal of Colloid and Interface Science. — 1975 (53), no. 2, 314—326Derjaguin B.V., Muller V.M., and Toporov Yu.P. Effect of Contact Deformations on the Adhesion of Particles // Journal of Colloid and Interface Science. — 1975 (53), no. 2, 314—326Maugis D. Adhesion of Spheres: the JKR-DMT Transition Using a Dugdale Model // Journal of Colloid and Interface Science. — 1992 (150), no. 1, 243—269Maugis D. Adhesion of Spheres: the JKR-DMT Transition Using a Dugdale Model // Journal of Colloid and Interface Science. — 1992 (150), no. 1, 243—269Архипов В.Е., Куксенова Л.И., Пугачев М.С., Козлов Д.А., Москвитин Г.В. Влияние модифицированных медью поверхностных слоев на работоспособность пар трения скольжения сталь–сталь // Трение и износ. — 2023 (44), № 4, 322—334. DOI: 10.32864/0202-4977-2023-44-4-322-334Arkhipov V.E., Kuksenova L.I., Pugachev M.S., Kozlov D.A., Moskvitin G.V. Influence of Surface Layers Modified with Copper on the Performance of Steel–Steel Sliding Friction Couples // Friction and Wear. — 2023 (44), no. 4, 214—223. DOI: 10.3103/S1068366623040025Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности/2-е изд., испр. — Долгопрудный: Интеллект. — 2011Roldugin V.I. Fizikohimiya poverhnosti / 2-e izd., ispr. — Dolgoprudnyj: Intellekt. — 2011 (in Russian)Kishimoto A. and Uda T. Thermodynamics on the Bi-Fe-Ti System and the Gibbs Energy of Bi9Ti8 // Metallurgical and Materials Transactions B. — 2018 (49), 2975—2985. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1393-6Kishimoto A. and Uda T. Thermodynamics on the Bi-Fe-Ti System and the Gibbs Energy of Bi9Ti8 // Metallurgical and Materials Transactions B. — 2018 (49), 2975—2985. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1393-6

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