Влияние окислительно-восстановительных реакций при лазерном легировании стали оксидом висмута на триботехнические характеристики в условиях граничного трения

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.

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): учебник. 4-e изд. — M.: Из-во МСХА. — 2001

2. Ahmatov A.S. Molecular Physics of Boundary Friction. — Publ. Israel Program for Scientific Translations: University of California. — 1966

3. Kharanzhevskiy 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/s41598-023-44702-6

4. Sun 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.2020.126517

5. Kato 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.2006.03.046

6. 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/

7. 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/lubricants11050207

8. Ипатов А.Г., Малинин А.В., Шмыков С.Н. Повышение эффективности турбокомпрессоров ДВС модификацией подшипниковых сопряжений // Ремонт. Восстановление. Модернизация. — 2024, № 5, 8—12. DOI: 10.31044/1684-2561-2024-0-5-8-12

9. Ипатов А.Г., Шмыков С.Н. Синтез антифрикционных покрытий методом ФАБО // Технический сервис машин. — 2021, № 1(142), 140—147. DOI: 10.22314/2618-8287-2021-59-1-140-147

10. 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—568

11. Makarov 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.2025.9441049

12. Razak 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/adad8c

13. Guan 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.2024.02.025

14. 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/

15. 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/s0967091223030191

16. Юхин Ю.М., Михайлов Ю.И. Химия висмутовых соединений и материалов. — Новосибирск: Изд-во СО РАН. — 2001

17. 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: 28252972