Features of deterioration and surface layers structure of molybdene and metal materials in mutual dry sliding under elec.pdf Введение Известно [1], что высокая электропроводность и высокая износостойкость скользящего электроконтакта имеют наибольшую ценность для эксплуатации. Эти выходные параметры трибосистемы с токосъёмом зависят от многих входных параметров: давления, скорости скольжения, геометрии сопряжения, состава окружающей среды, первичной структуры материалов и т.п. В общем случае высокая износостойкость (т.е. высокая прочность рабочего слоя) задаётся высокой устойчивостью структуры поверхностных слоёв к внешнему воздействию трением и электрическим током. Ранее было отмечено закономерное увеличение износостойкости разных металлических композитов и металлов с увеличением электропроводности контакта при сухом скольжении по стальному контртелу c плотностью тока более 200 А/см2 [2]. Как правило, электросопротивление контакта двух металлов можно рассчитать по формуле Хольма r = 0.25 (ρ1+ρ2)/a•n, где ρ1 и ρ2 - удельные электросопротивления контактирующих материалов, a - средний радиус пятен контакта, n - количество пятен контакта [3]. Отсюда следует, что высокая электропроводность контакта достигается при низких ρ1 и ρ2. Однако учёт только ρ1 и ρ2 материалов может дать неточный результат для значения электропроводности скользящего контакта, так как электропроводность зависит часто от других входных параметров, например от контактного давления или от присутствия смазки. Кроме того, релаксация напряжений в контактном слое часто происходит за счёт пластической деформации, образуются слои переноса на поверхности трения или «третье тело» в контактном пространстве и т.п. [4]. При скольжении с повышенной плотностью тока механические напряжения могут релаксировать также за счёт структурных превращений, когда образуется трибослой [2]. Эти факторы могут значительно влиять на электропроводность контакта. Промышленные токосъёмные материалы имеют, как правило, структуру металлографитовых композитов. Скольжение происходит обычно без смазки по медному контртелу [1, 5, 6] при плотности тока менее 60 А/см2 и контактном давлении около 0.02-0.05 МПа. В этих условиях удельная электропроводность контакта достигает значений 10-75 См/см2 (См - Сименс). Представляет интерес достижение более высокой электропроводности контакта при высокой износостойкости и при высокой плотности тока. Наиболее просто это достигается за счёт увеличения давления. Но поверхность скольжения медного контртела, как правило, быстро разрушается в условиях сухого скользящего контакта с металлами при любом давлении [7-9]. Некоторые композиты и металлы способны формировать контакт с электропроводностью около 300 См/см2 при плотности тока до 300 А/см2 и при сухом скольжении по стали [2, 10]. В общем случае следует искать пары трения, способные осуществить контакт с удовлетворительными предельными выходными параметрами трибосистемы. Возможными ориентирами могут служить характеристики скользящего электроконтакта композита, содержащего пучок бронзовых волокон диаметром 120 мкм в матрице из политетрафторэтилена. Здесь скольжение осуществляется по меди в среде влажного CO2 с электропроводностью контакта около 1000 См/см2 и интенсивностью изнашивания менее 1 мкм/км [11]. Однако скольжение в среде сухого воздуха является более тяжёлым режимом и знание предельных характеристик контакта в этих условиях может иметь более высокую актуальность. Материалы с устойчивой структурой поверхностных слоёв в тяжёлых режимах скольжения под электрическим током не найдены и необходимо продолжить поиск таких материалов. Изучение характера разрушения поверхности трения и особенностей структуры поверхностных слоёв являются необходимым этапом этого поиска. Вольфрам и молибден имеют вполне низкие удельные электросопротивления (менее 0.1 мкОм•м) и в некоторых условиях трения проявляют удовлетворительную износостойкость. Полиморфные превращения отсутствуют в этих металлах при температурах до 1500 оС. Поэтому можно ожидать устойчивости структур их поверхностных слоёв в процессе скольжения под электрическим током. На основе формулы Хольма можно предположить, что электропроводность контакта этих металлов в этом интервале температур будет иметь высокие значения. Из этих соображений интересно изучить возможность достижения удовлетворительных характеристик сухого скользящего электроконтакта при высокой плотности тока, применяя эти два металла как модели. Представляет некоторый интерес сравнить характеристики контакта W/Mo с характеристиками контакта порошкового композита, который проявил удовлетворительную работоспособность при скольжении с токосъёмом по стальному контртелу. Цель исследования - получение данных о взаимосвязи электропроводности контакта, характера изнашивания и особенностей структуры поверхностных слоёв при скольжении вольфрама и спечённого композита по молибдену при воздействии электрического тока. Материалы и методика эксперимента Прокатанный молибден марки МЧ (>99 % Мо) служил материалом для изготовления контртела 1. Порошковый молибден марки ПМЧ (>99 % Мо) служил материалом для вакуумной электронно-лучевой наплавки поверхности контртела 2. Вольфрам марки ВА (>99 % W) после протяж¬ки в фильерах и порошковый композит состава Cu - графит - порошковая подшипниковая сталь (спечён в вакууме при Т = 1100 оС в течение 2 ч) были применены в качестве модельных образцов токосъёмных материалов. Порошковая подшипниковая сталь (1.3-1.5 мас. % Cr, 0.4-1.0 мас. % С) была получена переработкой шлифовальных шламов производства подшипников из стали ШХ15. Рентгеновский фазовый анализ поверхностного слоя проводился на дифрактометре ДРОН-3. Сечения и поверхности скольжения образцов изучались с помощью оптического микроскопа Альтами МЕТ 1С и растрового электронного микроскопа РЭМ-200. Нагружение материалов трением проведено без смазки под воздействием переменного тока (50 Гц), при давлении р = 0.02-0.13 МПа, скорости скольжения v = 5-10 м/с на машине трения СМТ-1 по схеме «вал - колодка», как представлено в [10]. Линейная интенсивность изнашивания определена как Ih = h/L, где h есть изменение высоты образца на дистанции скольжения L. Контактная плотность тока определена как j = i/Аа, где i - ток, протекающий через номинальную площадь контакта Аа. Результаты эксперимента и их обсуждение Скольжение вольфрама по контртелу 1 (прокатанный молибден) вызывает пластическую деформацию его поверхностного слоя и его разрушение по механизму малоцикловой усталости (рис. 1, а). В этом случае трещина возникает и распространяется параллельно поверхности скольжения на некоторой глубине, где сосредоточивается максимальная концентрация структурных дефектов. В крупнозернистой структуре молибдена трещина проходит, в основном, по границам зёрен. Из-за быстрого разрушения поверхности скольжения контртела 1 дальнейшие исследования проводились на контртеле 2 (наплавленный молибден). Скольжение вольфрама по контртелу 2 сопровождается появлением слоя переноса на поверхности скольжения молибдена (рис. 1, б). Толщина слоя переноса сильно различается в разных секторах поверхности скольжения и может достигать значений до 50 мкм. Видно также (рис. 1, в), что этот слой переноса имеет признаки локального плавления и/или образования неоднородной наномасштабной структуры. Следы адгезионного разрушения поверхности скольжения отсутствуют. Другие изменения структуры поверхностного слоя наплавленного молибдена не наблюдаются в явном виде на уровне оптической металлографии. Рис. 1. Поперечные сечения поверхностных слоёв прокатанного (а) и наплавленного (б) молибдена; слой переноса на поверхности скольжения наплавленного молибдена (в) Изменения структуры поверхностного слоя наплавленного молибдена наблюдаются при применении рентгеновского фазового анализа. Видно (рис. 2, а), что пики молибдена имеют низкую интенсивность. Более высокие интенсивности пиков присущи фазам, возникшим в процессе трения и расположенным в окрестности пика (110)Мо (2θ = 47о). Эти пики не соответствуют пикам равновесных окислов молибдена или вольфрама. Их точная идентификация невозможна вследствие малого количества пиков. Рентгенограмма поверхности скольжения вольфрама содержит выраженные пики вольфрама и слабые пики фаз, возникших в процессе трения. Эти фазы не являются равновесными окислами вольфрама или молибдена. Рентгенограмма поверхности скольжения композита содержит пики α- и γ-Fe (рис. 2, а), а также FeO. Слой переноса на поверхности скольжения вольфрама возникает при любых режимах трения (рис. 2, б, в). Следы адгезии (рис. 2, б) вполне чётко видны на слоях переноса, сформированных при невысоких скоростях скольжения в условиях низкого давления и низкой плотности тока. Скольжение вольфрама с плотностью тока более 100 А/см2 сопровождается образованием лунок и раковин на его поверхности скольжения вследствие адгезии (рис. 2, в). Также наблюдаются незначительные следы локального плавления. Цвета на поверхности скольжения вольфрама позволяют предположить присутствие WO2.9 (синий цвет) и WO2 (тёмно-коричневый цвет) в зоне контакта. Признаки окисла WO3 (жёлтый цвет) не наблюдаются. Рис. 2. Рентгенограммы поверхностей скольжения композита Cu - графит - 70 % Ст. (кр. 1), вольфрама (кр. 2) и наплавленного молибдена (кр. 3) (а), изношенная поверхность скольжения вольфрама при j = 0 А/см2 (б, оптическое изображение) и при j = 150 А/см2 (в, РЭМ-изображение) Формирование слоёв переноса и их структура определяют соответствующие электрические характеристики контакта: максимально достижимую плотность тока jmax и максимальное значение удельной поверхностной электропроводности rs-max-1 = jmax /U (U - контактное падение напряжения), которые в контакте W/Mo слабо зависят от скорости скольжения и контактного давления. Значения этих характеристик, приведённые в таблице, нельзя назвать удовлетворительными. Некоторые характеристики контакта вольфрама в сравнении с характеристиками контакта композита (Cu - графит - подшипниковая сталь) при скольжении по молибдену Образцы jmax, А/см2 rs-max-1, Cм/см2 Ih, мкм/км Cu - графит - 70 % Ст. 220 120 33 W 150-170 9-21 40-80 Отмечается высокая интенсивность изнашивания Ih вольфрама. Видно также, что скольжение композита состава Cu - графит - подшипниковая сталь (ρ  0.2 мкОмм) происходит с более низкой Ih при более высоких плотности тока и электропроводности. Однако значение интенсивности изнашивания также нельзя признать удовлетворительным. Слой переноса обычно образуется на поверхностях скольжения и композита, и контртела в паре трения композит/молибден. Следует ожидать, что состав и структура слоя переноса композита отличаются от слоёв переноса других пар трения. Но в настоящем случае сравнение проводится только по электропроводности контакта и износостойкости. Поэтому структуры слоёв переноса и поверхностных слоёв не изучались в настоящей работе после скольжения спечённого композита по молибдену. Приведённые данные позволяют предположить, что высокая электропроводность контакта не может быть достигнута при скольжении металлов по молибдену под воздействием тока. В данном случае замена первичной структуры образца не привела к заметному увеличению rs-max-1. Низкая электропроводность контакта может быть обусловлена факторами, приведёнными ниже. Крупнозернистая структура молибдена (контртело 1) допускает лёгкое появление несплошностей типа усталостных трещин под поверхностью скольжения (см. рис. 1, а). Такой тип релаксации напряжений в зоне трения наблюдался во многих экспериментах, например [4, 12-14]. Однако чаще релаксация напряжений в зоне трения происходит за счёт образования субмикронной или наномасштабной структуры [4, 15, 16]. Не исключено, что такое измельчение зёрен происходит в наплавленном молибдене (контртело 2) с последующим образованием слоя переноса. Такой слой может содержать нанокристаллические и аморфные микрообъёмы. Высокое электросопротивление слоя переноса может быть другой причиной низкой электропроводности контакта. Этот слой имеет признаки вязкого течения (рис. 1, в) и может содержать наномасштабные поры и аморфные микрообъёмы. Такие дефекты структуры обычно снижают электропроводность материала вообще и слоя переноса в частности. Важной особенностью любого слоя переноса должно быть присутствие окислов, которые обеспечивают разделение поверхностей контакта и препятствуют адгезии. Молибден и вольфрам имеют вполне высокую коррозионную стойкость и их окислы образуются при температурах выше 400-500 оC. Не исключено, что средняя температура контакта не превышает 400 оC, что не позволяет образоваться окислам. Отсутствие окислов может быть обусловлено невозможностью их фиксации на поверхности скольжения и в слое переноса (рис. 2, а). Существующие плёнки окислов или неравновесные фазы (рис. 2, а) в контакте W/Mo не способны удовлетворительно разделить поверхности скольжения. Поэтому в контакте происходит адгезионное взаимодействие поверхностей. В этом случае скольжение не может быть непрерывным и происходит скачками, причём ток во время скачка существует только в виде разряда и устремляется к нулю [17]. Во время скольжения вольфрама по молибдену под воздействием тока наблюдались частые резкие изменения тока и контактного падения напряжения. Поэтому средняя электропроводность скользящего контакта W/Mo имеет низкие значения и не может быть увеличена из-за адгезии. Это приводит к адгезионному изнашиванию вольфрама, так как его номинальная поверхность скольжения находится под непрерывным внешним воздействием, в отличие от циклического нагружения участков поверхности скольжения молибдена. Скольжение композита Cu - графит - сталь характеризуется более слабыми скачками тока в настоящих условиях. Это обусловлено присутствием углерода в первичной структуре и присутствием FeO в составе слоя переноса (рис. 2, а). Обычно окислы железа присутствуют на поверхности скольжения многих железосодержащих композитов и сталей [16, 17], так как железо окисляется заметно легче по сравнению с молибденом и вольфрамом. Следует учесть, что окислы на поверхности трения любых материалов упрочняют поверхностный слой и износостойкость увеличивается [16-20]. Эти особенности структуры поверхности скольжения композита обусловили его более высокую износостойкость и более высокую электропроводность контакта. В общем случае параметры сухого скольжения с токосъёмом по молибдену не превосходят аналогичные параметры сухого скольжения по стали [2, 9, 10]. Отсюда следует, что применение молибдена в качестве контртела для скользящего электроконтакта приводит к неудовлетворительным характеристикам контакта. Поэтому подробное изучение поверхностных слоёв молибденовых контртел и определение коэффициента трения при заданных входных параметрах настоящей трибосистемы не актуально. Заключение Скольжение вольфрама и спечённого композита по молибденовому контртелу под воздействием электрического тока характеризуется следующими признаками: 1. Напряжения на поверхности скольжения крупнокристаллического Mo релаксируют за счёт распространения подповерхностной межкристаллитной усталостной трещины. 2. Слои переноса и их слабое вязкое пластическое течение наблюдаются на поверхностях скольжения наплавленного молибдена и вольфрама. 3. Структура поверхностных слоёв изменяется за счёт образования неравновесных фаз. 4. Поверхности скольжения вольфрама и молибдена содержат незначительное количество окислов, что способствует адгезионному разрушению поверхностного слоя вольфрама с высокой интенсивностью изнашивания. 5. Скольжение вольфрама по молибдену происходит с низкой электропроводностью контакта. 6. Задание композиционной первичной структуры образца, содержащего железо, графит и медь, позволяет увеличить электропроводность контакта за счёт образования FeO на поверхностях скольжения в процессе трения. 7. Низкая электропроводность контакта и быстрое адгезионное разрушение поверхностных слоёв металлических материалов при скольжении по молибдену не позволяют рекомендовать молибден для применения в качестве контртела трибосистемы с параметрами, заданными в настоящей работе.

Скачать электронную версию публикации