Распределение кислорода в поверхностном слое стального контртела из стали 45 в условиях трения без смазочного материала при воздействии электрического тока высокой плотности

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.

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

2. Sosnovskiy L.A. Tribo-Fatigue: Wear-Fatigue Damage and Its Prediction. — Verlag, Berlin, Hei-delberg: Springer. — 2005

3. Алеутдинова 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/10.22226/2410-3535-2014-3-149-152

4. 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.712.137

5. 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.

6. 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: 10.1007/978-3-642-16635-8

7. Yin 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.2018.12.049

8. 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—434. https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.04.028

9. Kato 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.2008.01.001

10. Mansori 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)00070-8

11. Zhao 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.2019.203156

12. Ferreira 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.2023.110022

13. Zhang 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.2021.117682

14. Mei 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