Характеристики контакта стали Ст3 при сухом скольжении по стали 45 под переменным электрическим током высокой плотности при разных коэффициентах трансформации питающего трансформатора

Введение

Одной из основных задач трибологии является обеспечение удовлетворительной износостойкости пары трения в тяжелых условиях эксплуатации, достичь которой можно за счет обоснованного применения конструкции узла трения, задания необходимой окружающей среды или за счет выбора соответствующих материалов пары трения. Сухое скольжение под электрическим током высокой плотности является одним из экстремальных видов внешнего воздействия на материалы зоны контакта. Эксплуатация известных токосъемных материалов осуществляется обычно под токами плотностью 15 – 40 А/см² при сухом скольжении по медному контртелу. В общем случае известные токосъемные материалы не применяются для сухого скольжения при токах плотностью более 60 А/см² [1], так как такое скольжение приводит к быстрому разрушению контактных слоев пары трения.

Скольжение материала под током высокой плотности (более 100 А/см²) представляет научный и практический интерес. Трибосистема с токосъемом должна иметь контактные слои, состояние которых обеспечивает высокую износостойкость и высокую электропроводность контакта. Известно [2], что высокая электропроводность скользящего контакта металл/сталь обычно соответствует высокой износостойкости под током высокой плотности. Поэтому увеличение электропроводности скользящего электрического контакта может привести одновременно к увеличению его износостойкости. Изменение параметров конструкции токосъемного узла может привести к улучшению характеристик контакта.

Скользящий электроконтакт может быть реализован путем включения узла трения в цепь силовой вторичной обмотки трансформатора. Одно из основных уравнений идеального трансформатора может быть записано как

i_{1 – хх}n₁ = i₁n₁ + i₂n₂

или

\[{i_2} = \frac{{({i_{1 - xx}} - {i_1}){n_1}}}{{{n_2}}} = ({i_{1 - xx}} - {i_1})k,\]

где n₁ и n₂ – количество витков в первичной и вторичной обмотках соответственно; i_{1 – хх} – ток в первичной обмотке при холостом ходе трансформатора (i₂ = 0); i₁ и i₂ – токи в первичной и вторичной катушках при нагруженной вторичной обмотке (i₂ > 0); k = n₁/n₂ – коэффициент трансформации.

Отсюда видно, что значение i₂ = (i_{1 – хх} – i₁)k (то есть формально i₂) может быть увеличено при увеличении k в некоторых условиях. Ток i₂ является током контакта (i₂ = i_с) и его увеличение при низком падении контактного напряжения будет соответствовать увеличению электропроводности контакта. Поэтому предположение об увеличении контактного тока i₂ = i_с при увеличении k = n₁/n₂ должно быть проверено экспериментально. Некоторые металлы (вольфрам, молибден и др.) не способны к скольжению по стали с высокой электрической проводимостью контакта, поэтому они не могут служить модельными материалами для этих экспериментов. Сталь Ст3 является наиболее удобным модельным материалом.

Целью настоящей работы является нахождение закономерностей изменения электропроводности сухого скользящего электроконтакта сталь/сталь и его износостойкости при разных коэффициентах трансформации питающего трансформатора.

Материалы и методики эксперимента

Низкоуглеродистая сталь Ст3 (0,2 % С) служила материалом для изготовления наклепанных образцов диаметром 3,5 мм и высотой 8 мм. Поверхности скольжения изучены с помощью оптического микроскопа (ОМ Axiovert 200 M). Твердость образцов (Н_μ = 2,1 ГПа) была определена на микротвердомере Мicro-Vickers TVM-5215-А под нагрузкой 1 Н. Рентгеновский фазовый анализ контактных слоев образцов проведен на дифрактометре ДРОН-7 в излучении CоK_α. Объемное содержание фаз в контактном слое определено в соответствии с известным методом [3; 4], где интенсивность рентгеновской волны I_{HKL – j}, рассеянной от отражающей плоскости (HKL) некоторой кристаллической j-ой фазы, записана в виде

где I₀ – интенсивность рентгеновской волны, падающей на многофазную поверхность; k₀ – коэффициент, учитывающий геометрические параметры рентгеновского аппарата; K_{HKL – j} – сложный коэффициент пропорциональности для j-ой фазы; c_v – j – объемная концентрация данной j-ой фазы в многофазной среде.

Качественный фазовый состав и интегральные интенсивности K_{HKL – j} пиков следует найти из рентгенограмм (рис. 1, б), необходимые справочные данные – в работе [4]. Принимая во внимание, что Σc_v – j = 1, можно найти объемные концентрации фаз.

Нагружение материалов сухим трением под переменным током (50 Гц) проведено при давлении р = 0,13 МПа в контакте при скорости скольжения v = 5 м/с по схеме вал – колодка (точнее pin-on-ring) (рис. 1, а). Хромель-копелевые термопары T₁, T₂, T₃ фиксировали на держателе образца с помощью винтов. Линейная интенсивность изнашивания определена как I_h = h/D (где h – изменение высоты образца на дистанции скольжения D). Плотность тока в контакте определена как j = i₂/A_a (где i₂ – ток в контакте; A_a – номинальная площадь контакта). Удельная поверхностная электропроводность контакта определена как σ_A = j/U (где U – контактное падение напряжения). Коэффициент трения определен с помощью тензодатчика ZET7111. Перед испытанием образцы были притерты к контртелу (сталь 45 (Н_μ = 5,8 ГПа)). Каждый тест был выполнен по три раза.

Результаты эксперимента

Очевидно, что исходная структура поверхностных слоев образцов стали Ст3 до трения содержит преимущественно фазу α-Fe. Пики α-Fe, пики FeO высокой интенсивности и пики γ-Fe слабой интенсивности наблюдаются на рентгенограммах контактных слоев стальных образцов после трения (рис. 1, б). Фазы FeO и γ-Fe появились на поверхности образцов под воздействием трения и тока. В равенство (1) были поставлены значения интенсивности самых сильных пиков I₂₀₀ (FeO), I₁₁₁ (γ-Fe), I₁₁₀ (α-Fe) и рассчитаны объемные концентрации c_v – j этих фаз в контактных слоях образцов после трения при любом k (см. таблицу). Видно, что FeO является основной фазой в контактных слоях. Концентрация γ-Fe имеет низкие значения для любого значения k и не может представлять интереса для обсуждения. Параметры решеток фаз α-Fe, γ-Fe и FeO, как правило, близки к параметрам решеток этих же фаз из базы данных ASTM.

Очевидно, что FeO и γ-Fe фазы появились под воздействием тока, температуры и пластической деформации контактных слоев образцов. Деформация и разрушение контактных слоев происходят в условиях фрикционной усталости. Плотность тока является главным фактором, задающим усталостное разрушение (износ) зоны электроконтакта. Увеличение плотности тока j в контакте вызывает увеличение интенсивности изнашивания I_h при любом значении k (рис. 2, а, б). Токовая зависимость электрической проводимости σ_A контакта имеет положительные наклоны в интервале j < 300 А/см² при k = 67 и в интервале j < 100 А/см² при k = 18. При j > 100 А/см² и j > 300 А/см² (рис. 2, а, б) происходит резкое увеличение I_h, что указывает на начало катастрофического изнашивания. Одновременно наклоны кривых σ_A(j) становятся отрицательными. Видно также, что σ_A(j) для контакта при k = 67 заметно выше, чем при k = 18. Но I_h заметно ниже для контакта при k = 67, чем при k = 18.

Коэффициент трения слабо зависит от величины k, при скольжении без тока f  ≈ 0,7 и при увеличении j снижается до f  ≈ 0,4. Температуры (Т₁, Т₂, Т₃) боковой поверхности держателя образца являются показателями теплового состояния образца и держателя образца. Зависимости T(j) имеют нелинейность (например, рис. 2, в). Изменение k не влияет заметно на характер кривых T(j) и на численные значения температур, которые могут быть выше 100 °С. Это может указывать на одинаковость тепловых состояний контактных слоев образцов при скольжении при разных значениях k в режиме нормального изнашивания, то есть до начала катастрофического изнашивания.

Изношенные поверхности образцов имеют приблизительно одинаковый вид при любом значении k, а именно, контактная поверхность разделена на два сектора, имеющие разные морфологические детали (рис. 3, а). Сектор 1 (светлая часть рис. 3, а) образуется на фронтальной части номинальной площади контакта образцов, то есть сектор 1 обращен навстречу набегающей поверхности трения контртела (рис. 1, а). Пластическая деформация и износ в секторе 1 протекают благодаря адгезии и пропахиванию неровностями контртела (рис. 3, б), что описано для обычного трения без тока, например, в работах [5; 6]. Контактные слои в секторе 2 деформируются преимущественно по механизму вязкой жидкости, что детально видно на рис. 3, в. Это должно способствовать достаточно быстрой релаксации напряжений. Существует некоторая переходная зона между этими секторами длиной более 10 мкм (для этих пар трения), где оба рассмотренные механизмы деформации осуществляются одновременно. Следует отметить, что появление расплава в контактной зоне не сопровождается ее свечением. Это значит, что температура зоны контакта меньше 600 °С и природа расплава должна быть установлена.

Обсуждение результатов

Выше было отмечено, что морфологические особенности изношенных поверхностей являются одинаковыми и механизмы разрушения контактных поверхностей заметно не различаются. Фазовые составы контактных слоев также являются приблизительно одинаковыми (см. таблицу). Значения тепловой мощности (fpv + jU) внешнего воздействия, соответствующие началу катастрофического изнашивания, приблизительно одинаковы, что можно рассчитать из рис. 2, а, б. Очевидно, что слабое различие этих выходных параметров трибосистемы с токосъемом не может служить удовлетворительной основой для понимания разницы в скорости разрушения контактного слоя при разных значениях коэффициента трансформации k. Следует отметить, что скольжение без тока в присутствии оксидов [7 – 10] и в отсутствии оксидов [11 – 13] в зоне контакта не приводит к появлению расплава на контактных поверхностях. Появления расплава не наблюдалось также при скольжении под током низкой плотности [14 – 16] или под током высокой плотности [17]. Поверхности контакта сталь/сталь в настоящей работе не содержали признаков расплава при j > 700 А/см² в неподвижном контакте (v = 0 м/с). Эти сведения и представленные наблюдения (рис. 2 и таблица) позволяют предполагать, что расплав появляется при некоторой скорости скольжения (v > 0 м/с), при некоторой плотности тока (j > 0 А/см²) и при некоторой концентрации FeO (с_FeO > 0).

В общем случае, полная плотность тока j₀ (в любом проводящем контуре) и, в частности, полная плотность тока в контакте может быть записана как j₀ = j_f + j_D (где j_f  – плотность тока свободных зарядов; j_D – плотность тока смещения (то есть плотность тока связанных зарядов)). Слои переноса содержат диэлектрик (FeO) с ионной поляризацией, здесь связанные заряды – это ионы в кристаллах FeO. Очевидно, что увеличение j_D должно вызвать увеличение энергий ионов кислорода и железа в FeO кристаллах. Следует учесть, что адгезия и шероховатость в любом сухом контакте всегда задают прерывистый характер скольжения в режиме stick–slip. Это приводит к колебанию тока в контакте и к соответствующим импульсам самоиндукции. Обычно ЭДС самоиндукции записывается как ĕ = –Ldi/dt (где L – индуктивность проводящего контура; i – ток в проводящем контуре). Конструкция узла трения (рис. 1, а) содержит индуктивность L во вторичной обмотке трансформатора, питающего скользящий контакт (где L ~ n²; n – количество витков в обмотке). Появление импульса ЭДС (ĕ) в контакте задает напряженность электрического поля Е в контакте, поэтому можно приближенно написать ĕ = –Ldi/dt ≈ |E|h₀ (где h₀ – некоторый параметр, который может характеризовать градиент электрического поля в контакте, м). Сейчас знание параметра h₀ не имеет значения, так как необходимо показать увеличение Е при увеличении L. Усиление импульсов самоиндукции при увеличении L должно вызвать увеличение Е, ∂Е/∂t и, соответственно, j_D. Следует отметить, что коэффициент трансформации питающего трансформатора снижается при увеличении L. Кроме того, напряжение в контакте при импульсах самоиндукции может заметно превышать среднее напряжение между контактными поверхностями. Эти импульсные напряжения задают высокие значения Е, ∂Е/∂t и соответствующие j_D, способные разрушить кристаллическую решетку FeO и перевести ионы FeO в расплав (рис. 3). Наиболее высокие значения j_D должны быть в окрестности пятен контакта, поэтому расплав должен появляться только в пятнах контакта и их окрестностях и только в момент существования импульса самоиндукции. Очевидно, что увеличение значения j_D за счет увеличения Е (в частности, за счет увеличения L) приведет к увеличению энергии импульса самоиндукции, к более высоким нагрузкам в пятнах контакта и к более интенсивному разрушению слоя переноса. Не исключено, что относительно сильные импульсы самоиндукции, соответствующие большой индуктивности L, вызывают образование относительно больших объемов расплава с низкой вязкостью. Последние два фактора (большой объем расплава и его низкая вязкость) способствуют ускорению разрушения слоя переноса. По этой причине расплав не следует рассматривать как хорошую смазку. Это значит, что увеличение L (то есть снижение k) приводит к более высокой I_h (рис. 2, а, б).

Следует ожидать, что толщина слоя расплава меньше толщины слоя переноса. Присутствие расплава преимущественно в секторе 2 позволяет предположить, что концентрация FeO в этом секторе выше, чем в секторе 1. Это указывает на общую неравномерность распределения FeO в слое переноса. Представленные здесь параметры контакта сталь/сталь соответствуют круглой номинальной площади контакта. Значения этих параметров близки к значениям, соответствующим прямоугольным номинальным площадям контакта [18]. Следует отметить, что расплав может появиться при низкой концентрации оксидов в контактном слое, имеющем два сектора (например, контакты W/Mo или W/сталь [19], а также сталь/сталь, где есть только расплав [20]). Одинаковые морфологические виды и фазовые составы слоев переноса, содержащих более 70 об. % FeO, позволяют ожидать проявления этих особенностей во многих контактах металл/сталь при скольжении под током.

Выводы

В настоящей работе осуществлено сухое скольжение стали Ст3 по закаленной стали 45 под воздействием переменного электрического тока плотностью выше 100 А/см² при изменении коэффициента трансформации питающего трансформатора. Снижение коэффициента трансформации обеспечивалось за счет увеличения индуктивности питающей вторичной обмотки трансформатора.

Снижение коэффициента трансформации вызывало снижение электропроводности контакта, увеличение интенсивности изнашивания и снижение плотности тока, соответствующие началу катастрофического изнашивания.

В зоне скользящего контакта под током образуются слои переноса, которые имеют два морфологически разных сектора на изношенных поверхностях при разных коэффициентах трансформации: один сектор – признаки деформации под воздействием адгезии, другой сектор деформирован с образованием расплава.

Установлено, что слои переноса содержат более 70 об. % FeO.

Предложено объяснение образования расплава: привлеченные в рассмотрение большие токи смещения возникают в результате сильных импульсов самоиндукции в контакте, которые воздействуют на ионы FeO и вызывают плавление контакта.

Снижение коэффициента трансформации вызывает высокие импульсы самоиндукции и соответствующие высокие плотности тока смещения. Это задает относительно сильное энергетическое воздействие на контактный слой и его высокий износ.