О разрушении поверхностных слоев вольфрама и сталь-содержащих материалов при скольжении с токосъемом по молибдену

Рассмотрена возможность улучшения характеристик сухого скользящего электроконтакта с плотностью тока более 100 А/см² путем применения молибденового контртела. Показано, что вольфрам или металлические материалы, содержащие подшипниковую сталь (1,5 % Cr), при скольжении по молибдену со скоростью 5 м/с под воздействием электрического тока формировали контакт с низкой электропроводностью и высокой интенсивностью изнашивания. Это наблюдение служило основой настоящей работы. Применяя оптическую и электронную микроскопию поверхностей скольжения, было установлено, что сильная адгезия в интерфейсе была главной причиной быстрого разрушения поверхностных слоев и высокой интенсивности изнашивания. Было принято во внимание известное утверждение о том, что адгезия обусловлена низким содержанием оксидов между поверхностями контакта. Визуальное изучение поверхности скольжения молибдена позволило установить образование тонкого слоя переноса и отсутствие следов образования оксидов. То же самое наблюдалось на поверхности скольжения вольфрама. Это явление обусловлено высокой температурой образования оксидов вольфрама и молибдена. На поверхности скольжения материалов, содержащих сталь, наблюдался слой оксидов железа. Кроме того, были обнаружены следы тонкого трибослоя. Увеличение концентрации стали в первичной структуре композитов приводило к некоторому увеличению количества оксидов железа на поверхности скольжения, но не приводило к существенному увеличению электропроводности и износостойкости контакта. Неудовлетворительные характеристики контакта позволили сделать вывод о невозможности значительного улучшения параметров скольжения с токосъемом по молибдену и нецелесообразности его применения в качестве контртела для этих условий.

1. Braunovich M., Konchits V.V., Myshkin V.V. Electrical Contacts. Fundamentals, Applications and Technology. New York: CRC Press, 2007. 639 p.

2. Holm R. Electrical Contacts. New York: Springer, 1979. 484 p.

3. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / Под общ. ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2008. 576 с.

4. Argibay N., Sawyer W.G. Low wear metal sliding electrical contacts at high current density // Wear. 2012. Vol. 274-275. P. 229–237. http://doi.org/10.1016/j.wear.2011.09.003

5. 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. No. 11-12. P. 2998–3006. http://doi.org/10.1016/j.wear.2011.06.009

6. Aleutdinova M.I., Fadin V.V., Rubtsov V.Ye., Aleutdinov K.A. Wear resistance of friction pair of metal composite/copper under electric current // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 156. Article 012027. http://doi.org/10.1088/1757-899X/156/1/012027

7. Алеутдинова М.И., Фадин В.В. О влиянии наклепа на износ стали ст3 в скользящем сухом контакте при высокой плотности тока // Известия вузов. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 6. С. 434–438. http://doi.org/10.15825/0368-0797-2015-6-434-438

8. Алеутдинова М.И., Фадин В.В., Дураков В.Г. Износостойкость спеченных металлических композитов при трении по молибдену в условиях скользящего токосъема // Вопросы материаловедения. 2010. № 2 (62). С. 96–103.

9. Cetinel H., Ozturk H., Celik E., Karlık B. Artificial neural networkbased prediction technique for wear loss quantities in Mo coatings // Wear. 2006. Vol. 261. No. 10. P. 1064–1068. http://doi.org/10.1016/j.wear.2006.01.040

10. Deng X., Zhang G., Wang T., Ren Sh., Cao Q., Bai Zh., Liu Z. Microstructure and wear resistance of Mo coating deposited by plasma transferred arc process // Materials Characterization. 2017. Vol. 131. P. 517–525. http://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.07.044

11. Алеутдинова М.И., Фадин В.В., Рубцов В.Е. О некоторых параметрах сухого скользящего контакта сталь/сталь при высокой плотности тока // Известия вузов. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 1. С. 43–47. http://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-1-43-47

12. Aniołek K., Kupka M., Barylski A. Sliding wear resistance of oxide layers formed on a titanium surface during thermal oxidation // Wear. 2016. Vol. 356-357. P. 23–29. http://doi.org/10.1016/j.wear.2016.03.007

13. Hager Jr C.H., Evans R.D. Friction and wear properties of black oxide surfaces in rolling/sliding contacts // Wear. 2015. Vol. 338-339.P. 221–231. http://doi.org/10.1016/j.wear.2015.06.013

14. Wesmann J.A.R., Espallargas N. Elucidating the complex role of surface oxides formed during sliding of self-mated warm sprayed WC–CoCr in different environments // Tribology International. 2016. Vol. 94. P. 360–372. http://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.09.043

15. Banerji A., Lukitsch M.J., McClory B., White D.R., Alpas A.T. Effect of iron oxides on sliding friction of thermally sprayed 1010 steel coated cylinder bores // Wear. 2017. Vol. 376-377. Part A. P. 858–868. http://doi.org/10.1016/j.wear.2017.02.032

16. Rainforth W.M., Stevens R., Nutting J. Deformation structures induced by sliding contact // Philosophical Magazine A. 1992. Vol. 66. No. 4. P. 621–641. http://doi.org/10.1080/01418619208201580

17. So H., Yu D.S., Chuang C.Y. Formation and wear mechanism of tribo-oxides and the regime of oxidational wear of steel // Wear. 2002. Vol. 253. No. 9-10. P. 1004–1015. http://doi.org/10.1016/S0043-1648(02)00230-2

18. Wang S.Q., Wei M.X., Zhao Y.T. Effects of the tribo-oxide and matrix on dry sliding wear characteristics and mechanisms of a cast steel // Wear. 2010. Vol. 269. No. 5-6. P. 424–434. http://doi.org/10.1016/j.wear.2010.04.028

19. Su Y.-S., Li Sh.-X., Gao Q.-Y., Jiang H., Lu S.-Y., Yu F., Shu X.-D. Evolution of nano-laminated structure formed by the thermallyassisted plastic deformation in dry sliding wear // Tribology International. 2019. Vol. 140. Article 105846. http://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105846

20. Aleutdinova M.I., Fadin V.V. The role of FeO in creating of multilevel structure of the surface layer of metallic materials in the dry slip zone under electric current of high density // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2167. Article 020012. https://doi.org/10.1063/1.5131879

21. Wang X., Shen Xi., Zhao T., Sun F., Shen B. Tribological properties of SiC-based MCD films synthesized using different carbon sources when sliding against Si3N4 // Applied Surface Science. 2016. Vol. 369. P. 448–459. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.249

22. Wang Y.A., Li J.X., Yan Y., Qiao L.J. Effect of surface film on sliding friction and wear of copper-impregnated metallized carbon against a Cu–Cr–Zr alloy // Applied Surface Science. 2012. Vol. 258. No. 7. P. 2362–2367. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.10.030

23. 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. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.04.165

24. Bouchoucha A., Chekroud S., Paulmier D. Influence of the electrical sliding speed on friction and wear processes in an electrical contact copper–stainless steel // Applied Surface Science. 2004. Vol. 223. No. 4. P. 330–342. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2003.09.018

25. Romanov D., Moskovskii S., Konovalov S., Sosnin K., Gromov V., Ivanov Yu. Improvement of copper alloy properties in electro-explosive spraying of ZnO–Ag coatings resistant to electrical erosion // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. No. 6. P. 5515–5523. http://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.09.019