Износ спеченных композитов на основе подшипниковой стали при граничном трении с токосъемом по меди

Изучена возможность создания высокопористых композитов состава сталь – графит путем спекания по максимально простой технологии при температуре ниже 1000 °С в электрической печи без вакуума. Основная цель исследования была оценить способность такого  композита проявить высокую износостойкость при скольжении по медному контртелу под воздействием электрического тока контактной  плотностью более 100 А/см². Порошковая сталь была изготовлена путем восстановления из шлифовального шлама производства подшипников. Композиты имели низкие механические свойства и высокое удельное электрическое сопротивление. Высокая сквозная пористость  была показана с помощью оптической металлографии. Триботехническое нагружение композитов было осуществлено по схеме контакта  типа вал – колодка со скоростью скольжения 5 м/с и при контактном давлении 0,09 МПа. Было отмечено, что сухое трение этих композитов  вызвало появление слоя переноса на поверхности скольжения медного контртела. Это привело к уменьшению электропроводности скользящего электрического контакта и увеличению общей шероховатости поверхности скольжения меди. Пропитка индустриальным маслом  пористого каркаса композитов приводила к значительному увеличению удельной поверхностной электрической проводимости контакта  и к снижению линейной интенсивности изнашивания по сравнению с этими же характеристиками сухого контакта. Катастрофическое  изнашивание в этих условиях начиналось при контактной плотности тока 150 – 200 А/см². Показано, что размещение свинцовой пластины  и композита в держатель образца, а также осуществление их совместного скольжения под воздействием электрического тока вызывало  дополнительное увеличение электрической проводимости и снижение интенсивности изнашивания до 3 – 11 мкм/км при контактной  плотности тока около 250 А/см². Катастрофическое изнашивание в присутствии свинцовой пластины и индустриального масла в зоне  контакта начиналось при контактной плотности тока 250 – 300 А/см². Установлено, что любой режим трения не приводил к разрушению  поверхности скольжения меди. Зависимость характеристик контакта от концентрации графита не наблюдалась в явном виде. Сделан вывод  о перспективности применения восстановленной подшипниковой стали для создания токопроводящих материалов, износостойких под  воздействием электрического тока высокой контактной плотности. 

1. Ибатуллин И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев. – Самара: изд. Самар. гос. техн. ун-т, 2008. – 387 с.

2. Rynio C., Hattendorf H., Klöwer J., Eggeler G. The evolution of tribolayers during high temperature sliding wear // Wear. 2014. Vol. 315. P. 1 – 10.

3. Wang X., Wei X., Hong X., Yang J., Wang W. Formation of sliding friction-induced deformation layer with nanocrystalline structure in T10 steel against 20CrMnTi steel // Applied Surface Science. 2013. Vol. 280. P. 381 – 387.

4. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. – Киев: Наукова думка, 1980. – 404 с.

5. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: Учеб. для вузов / В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, Л.К. Дружинин и др. – М.: Металлургия, 1987. – 792 с.

6. Ma X.C., He G.Q., He D.H, Chena C.S., Hua Z.F. Sliding wear behavior of copper-graphite composite material for use in maglev transportation system // Wear.2008. Vol. 265. P. 1087 – 1092.

7. He D.H., Manory R.A novel electrical contact material with improved self-lubrication for railway current collectors // Wear. 2001. Vol. 249. P. 626 ‒ 636.

8. Зозуля В.Д. Эксплуатационные свойства порошковых подшипников. – Киев: Наукова думка, 1989. – 287 с.

9. Zhang W., Zhang D., Le Y., Li L., Ou B. Fabrication of surface self-lubricating composites of aluminum alloy // Applied Surface Science. 2008. Vol. 255. P. 2671 – 2674.

10. Braunovic M., Konchits V.V., Myshkin N.K. Electrical contacts. Fundamentals, Applications and Technology. – Boca Raton: CRC Press, 2006. 672 p.

11. Senouci A., Zaidi H., Frene J., Bouchoucha A., Paulmier D. Damage of surfaces in sliding electrical contact copper/steel // Applied Surface Science 1999. Vol. 144-145. P. 287 – 291.

12. Argibay N., Sawyer W. G. Low wear metal sliding electrical contacts at high current density // Wear. 2012. Vol. 274-275. P. 229 – 237.

13. Kwok C.T., Wong P.K., Man H.C. and Cheng F.T. Sliding wear and corrosion resistance of copper-based overhead catenary for traction systems. IJR // International Journal of Railway(Korea). 2010. Vol. 3. No. 1. P. 19 ‒ 27.

14. Берент В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта. – М.: Интекст, 2005. – 408 с.

15. Алеутдинов К.А., Алеутдинова М.И., Фадин В.В. Влияние структуры контртела на характеристики скользящего электроконтакта металлических композитов. ‒ В кн.: Сб. трудов Международной конференции «Материалы и технологии новых поколений в современном материаловедении». ‒ Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2016. С. 231 ‒ 236.

16. Kovalchenko A.M., Blau P.J., Qu J., Danyluk S. Scuffing tendencies of different metals against copper under non-lubricated conditions // Wear. 2011. Vol. 271. P. 2998 – 3006.

17. Алеутдинова М.И., Фадин В.В., Алеутдинов К.А. Структура и изнашивание порошковой подшипниковой стали при скольжении с токосъемом по меди в присутствии смазки // Перспективные материалы. 2017. № 11. С. 55 ‒ 63.

18. Алеутдинова М.И., Борисов М.Д., Фадин В.В., Кочепасов И.И., Колубаев А.В. Структура и механические свойства порошковых материалов на основе подшипниковой стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2001. № 2. С. 31 ‒ 34.

19. Fadin V.V., Aleutdinova M.I., Potekaev A.I., Kulikova O.A. The sur face layer states in metallic materials subjected to dry sliding and electric current // Russian Physics Journal. 2017. Vol. 60 (5). P. 908 ‒ 914.

20. Чичинадзе А.В., Хованский В.Н., Преженцева Н.П. Некоторые особенности расчетно-экспериментальной оценки триботехнических характеристик сильноточных скользящих электрических контактов // Трение и износ. 1992. № 13 (1). С. 138 ‒ 144.