Особенности разрушения контактной поверхности стали Ст3 и её износ при сухом скольжении по стали под переменным током

Исследовано сухое скольжение модельных образцов стали Ст3 по стали 45 под воздействием переменного тока плотностью до 120 А/см2 по схеме сопряжения «pin-on-ring». Изучены возможности увеличения износостойкости путём изменения одного из геометрических параметров (высоты) образца (pin) и исследована температура держателя образца в разных точках. Было показано, что эта температура может превышать 150 °С в зоне крепления образца. Увеличение температуры держателя образца и интенсивность изнашивания имели нелинейный характер в соответствии с кривой, близкой к экспоненте при увеличении плотности тока. Скольжение при плотности тока более 100 А/см2 происходило в условиях катастрофического изнашивания. Наблюдалось образование слоя переноса толщиной около 20 мкм на поверхности контакта образцов. С помощью рентгеновского фазового анализа было установлено, что слой переноса содержит более 70 % FeO. Анализ поверхностей изнашивания позволил выявить механизм разрушения контактных слоёв, который выражался в разделение номинальной площади контакта на два сектора. Граница между секторами была вполне чёткая и перпендикулярная к направлению скольжения. Сектор, направленный навстречу набегающей контактной поверхности контртела, имел следы адгезии, пропахивания и т.п., которые обычно появляются при скольжении без тока. Другой сектор имел признаки деформации, аналогичные деформации вязкой жидкости, а следы адгезии не наблюдались. Коэффициент трения уменьшался при увеличении плотности тока и не изменял своего поведения при переходе в режим катастрофического изнашивания. Представленные закономерности наблюдались на качественном уровне независимо от высоты образцов. Количественно различались только температуры нагрева держателя образца. Результаты работы будут полезны при создании реального узла трения, работающего в условиях скользящего токосъёма с высокой плотностью тока.

1. Kragelsky I.V., Dobychin M.N., and Kombalov V.S. Friction and Wear Calculation Methods. — New York: Pergamon Press. — 1982

2. Bowden F.P. and Tabor D. Friction: An Introduction to Tribology. — Anchor, New York: Anchor Press. — 1973

3. Sosnovskiy L.A. Tribo-Fatigue: Wear-Fatigue Damage and Its Prediction. — Verlag, Berlin, Heidelberg: Springer. — 2005

4. Wang X., Song K., Duan J., Feng Ji., Huang T., and Xing Ji. Current-Carrying Tribological Behavior and Wear Mechanism of CuW Composites with Different W Content // Tribol. Int. — 2024 (200), 110125. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110125

5. Aleutdinova M.I. and Fadin V.V. Influence of the FeO Presence in the Contact Space on the Character of Dry Sliding of Metals under Electric Current // AIP Conf. Proc. — 2023 (2899), 020006. https://doi.org/10.1063/5.0162747

6. Wang 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. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear. 2010.04.028

7. Aleutdinova M.I. and Fadin V.V. Variations in the Contact Layer Structure of Low-Carbon Steel in Sliding Against a Steel Counterbody with Different Nominal Contact Areas under a High-Density Electric Current // Russ. Phys. J. — 2023 (66), no. 6, 605—611. DOI 10.1007/s11182-023-02982-53

8. Waseda Y., Matsubara E., and Shinoda K. X-Ray Diffraction Crystallography. Introduction, Examples and Solved Problems. — London, New York: Springer Heidelberg Dordrecht, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. — 2011. DOI 10.1007/978-3-642-16635-8

9. Wang S.Q., Wang L., Zhao Y.T., Sun Y., and Yang Z.R. Mild-to-Severe Wear Transition and Transition Region of Oxidative Wear in Steels // Wear. — 2013 (306), 311—320. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2012.08.017

10. Cao L., Hou C., Tang F., Liang S., Luan J., Jiao Z. et al. Thermal Stability and High-Temperature Mechanical Performance of Nanostructured W-Cu-Cr-ZrC Composite // Compos. B. — 2021 (208), 108600. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108600

11. Fadin V.V., Aleutdinova M.I., and Kolubaev A.V. Effect of High-Density Electric Current on Wear and Average Temperature of Steel/Steel Triboelectric Contact // J. Friction and Wear. — 2018 (39), no. 4, 294— 298. http://dx.doi.org/10.3103/S1068366618040050 12. Gao G.Q., Wu G.N., and Zhang W.H. Experimental Research on the Friction and Wear Properties of a Contact Strip of a Pantograph–Catenary System at the Sliding Speed of 350 km/h with Electric Current // Wear. — 2015 (332-333), 949—955. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2014.11.004

12. Madah F., Dehghanian Ch., and Amadeh Ah.Ali. Investigations on the Wear Mechanisms of Electroless Ni–B Coating During Dry Sliding and Endurance Life of the Worn Surfaces // Surface & Coatings Technology. — 2015 (282), 6—15. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.09.003

13. Лариков Л.И., Фельченко B.М., Мазаренко В.Ф., Гуревич C.М., Xapченко Г.К. Аномальное ускорение диффузии при импульсном разрушении металлов // Технич. Физика. — 1975 (221), no. 5, 1073—1075

14. Braunovich M., Konchits V.V., Myshkin N.K. Electrical Contacts. Fundamentals, Applications and Technology. — New York: CRC Press. — 2007