Structure of contact layer of steel (0.2% C) and electrical conductivity of contact in sliding against steel under alter.pdf Введение Известно [1, 2], что износостойкость, коэффициент трения, температура контакта и другие выходные характеристики трибосистемы зависят от структурных состояний контактных слоев. Высокая износостойкость обычно достигается за счет стабилизации структур контактных поверхностей. Для этого необходимо обеспечить соответствующий набор входных параметров трибосистемы, в первую очередь, исходные структуры материалов пары трения, геометрические параметры контакта и т.п. Трибосистема с токосъемом должна иметь контактные слои, состояния которых обеспечивают как высокую износостойкость, так и высокую электропроводность контакта. Достижение таких значений характеристик контакта представляет особый интерес при высокой плотности тока. Промышленные скользящие электроконтакты работают с плотностью тока менее 60 А/см2 [3]. Сухое скольжение некоторых металлов по закаленной стали может осуществляться при плотности тока более 100 А/см2 с вполне удовлетворительными электропроводностью и износостойкостью контакта [4, 5]. Было показано [4, 5], что присутствие FeO на поверхности трения и ее пластическая деформация по механизму вязкой жидкости являются обязательными условиями достижения максимальных значений износостойкости и электропроводности контакта. В скользящем электроконтакте сталь/сталь часто образуется γ-Fe, которое может ускорить разрушение контактного слоя [4, 5]. Скольжение под переменным током может зависеть и от параметров конструкции трансформатора, через который преобразуется напряжение. Коэффициент трансформации является одним из таких параметров. Его влияние на характеристики контакта не изучено. Скольжение с токосъемом обычно задается путем приложения электрического напряжения к материалам пары трения. Часто такие материалы находятся в стандартных сопряжениях типа «pin-on-ring» [4] или «pin-on-disk» (рис. 1). Видно (рис. 1), что контактное падение напряжения U (и, соответственно, плотность тока j в контакте) можно повысить за счет увеличения напряжения V2 вторичной обмотки трансформатора. Рост V2 произойдет при увеличении количества рабочих витков n2 вторичной обмотки или при повышении напряжения V1 первичной обмотки трансформатора, или при одновременном увеличении V1 и n2. Плавно изменять V1 можно с помощью автотрансформатора АТ. Рис. 1. Принципиальная схема трибосопряжения типа «pin-on-disk» со скользящим токосъемом (а): АТ - автотрансформатор; влияние коэффициента трансформации k и плотности тока на электропроводность неподвижного контакта (v = 0 м/с) в сопряжении типа «pin-on-disk» (б) В идеальном трансформаторе мощность V12/r1 в первичной обмотке равна мощности V22/r2 во вторичной обмотке, т.е. V12/r1 = V22/r2, где r1 и r2 - полные электрические сопротивления цепей первичной и вторичной обмоток соответственно. Отсюда r2 = r1 (V2/V1)2 = r1•k -2, где k - коэффициент трансформации (k = V1/V2). С другой стороны, электрические напряжения в цепи вторичной обмотки под нагрузкой могут быть представлены в виде равенства i2 •r2с = V2 - L2 •(di2/dt) с учетом самоиндукции [6], где i2 - ток вторичной обмотки, r2с - активное (омическое) сопротивление цепи вторичной обмотки, L2 - индуктивность вторичной обмотки, di2/dt - скорость изменения тока. Было показано [6], что i2 = V2 /(r2с2+(L2ω)2)0.5, где r2с - активное (омическое) сопротивление цепи вторичной обмотки и реактивное сопротивление L2ω (ω - круговая частота тока и напряжения в цепи). Тогда r2 = (r2с2+(L2ω)2)0.5 = r1•k -2 и активное электрическое сопротивление вторичной обмотки r2с = (r12•k -4 - (L2ω)2)0.5. (1) Основной вклад в сопротивление r2с делает скользящий электрический контакт, где выделяется вся теплота в цепи вторичной обмотки. Удельная поверхностная электропроводность такого контакта может быть представлена как σA = j/U, где j - плотность тока в контакте (j = i2/Aa), U - падение напряжения в контакте, i2 - ток, проходящий через номинальную площадь Аа скользящего контакта. Учитывая, что U = i2•r2c, можно записать σA = 1/Aa•r2с или σA = Aa -1 (r12•k -4 - (L2ω)2) -0.5. (2) Ток и электрическое сопротивление r1 первичной обмотки трансформатора при некотором заданном V1 в режиме холостого хода, как правило, не отличаются от этих же характеристик трансформатора, если включена нагрузка в цепь вторичной обмотки при этом же V1, т.е. r1 ≈ const. Тогда формальное рассмотрение формулы (2) позволяет предположить, что электропроводность σA скользящего контакта увеличивается при увеличении k и L2. Представляет научный интерес проверить это предположение с целью достижения максимальной электропроводности σA при разных плотностях тока вплоть до начала катастрофического изнашивания. Увеличить k удобно за счет уменьшения количества витков вторичной обмотки, если учесть, что k = V1/V2 = n1/n2 (n1 и n2 есть количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно). Электропроводность контакта, его износостойкость и плотность тока, соответствующие началу катастрофического изнашивания, могут служить главными критериями работоспособности материала. Научный интерес могут представлять некоторые параметры структуры контактного слоя, в частности фазовый состав и морфологические детали поверхности скольжения. Нелегированная низкоуглеродистая сталь может служить модельным контактным материалом, скользящий электрический контакт которого имеет вполне удовлетворительные характеристики [4, 5]. Цель настоящей работы - нахождение взаимосвязи коэффициента трансформации питающего трансформатора и выходных параметров электрического скользящего контакта сталь/сталь при сухом скольжении под воздействием тока плотностью более 100 А/см2. Материалы и методики эксперимента Низкоуглеродистая наклепанная сталь Ст. 3 (Ст. 3 является аналогом AISI steel 1020) твердостью 240 Нμ служила модельным образцом для нагружения трением и электрическим током. Визуальные изображения поверхности скольжения были получены на конфокальном микроскопе «Olympus OLS 4100». Рентгенограммы поверхностей скольжения изучались с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-3 (производство Россия). Нагружение модельного материала трением проведено без смазки под воздействием переменного тока (50 Гц), при давлении р = 0.13 МПа, скорости скольжения v = 5 м/с по схеме «палец-диск» (точнее «pin-on-disk»), как представлено на рис. 1. Закаленная сталь 45 (аналог AISI steel 1045) твердостью 560 Нμ служила контртелом. Плотность тока ступенчато повышали в процессе испытаний, дистанция скольжения на каждой ступени составляла 9 км. Линейная интенсивность изнашивания определена как Ih = h/D, где h - изменение высоты образца на дистанции скольжения D. Контактная плотность тока определена как j = i/Аа, где i - ток, протекающий через номинальную площадь контакта Аа. Удельная поверхностная электропроводность контакта представлена как σA = j/U, где U - контактное падение напряжения. Результаты эксперимента и их обсуждение Электропроводность σA неподвижного (v = 0 м/с) контакта сталь/сталь увеличивается при увеличении плотности тока (см. рис. 1, б). Видно также, что изменение k не влияет на характер зависимости σA(j) при отсутствии скольжения. Электропроводность σA скользящего (v = 5 м/с) контакта возрастает до некоторого значения j = jc при любом k (рис. 2, а). При этой же плотности тока jc интенсивность изнашивания резко увеличивается вследствие начала катастрофического изнашивания (рис. 2, б). Видно, что катастрофическое изнашивание начинается при относительно высоких значениях электропроводности σA = σAс ≈ 180 См/см2 и плотности тока j = jс ≈ 440 А/см2 в случае задания относительно высокого коэффициента трансформации k1 = 62. В этом же случае интенсивность изнашивания Ih имеет относительно низкие значения при j < 440 А/см2. Скольжение с k2 = 13 осуществляется с низкими значениями σA, jс и высокой Ih, что указывает на низкую прочность поверхностного слоя. Здесь можно видеть, что низкая σA соответствует низкой jс и высокой Ih. Это есть проявление общей закономерности, которая наблюдалась при скольжении других металлических материалов [4, 5]. Рис. 2. Удельная поверхностная электропроводность контакта (а) и интенсивность изнашивания стали Ст. 3 в зависимости от плотности тока в контакте при коэффициентах трансформации k1 и k2 (б); рентгенограммы поверхностей скольжения образцов, образованных при k1 и k2 (в) Наблюдаемая закономерность увеличения значений зависимости σA(j) и одновременного снижения значений Ih(j) при увеличении коэффициента трансформации k должна быть связана с характером контактного взаимодействия в целом, в частности с удовлетворительной релаксацией напряжений в поверхностных слоях или с более слабой мощностью внешнего воздействия на пятна контакта. Напряжения релаксируют обычно за счет какого-либо механизма пластической деформации. В настоящих условиях скольжения релаксация проявляется, в частности, в виде структурных превращений с образованием γ-Fe (рис. 2, в) и путем образования композиционного трибослоя [4, 5]. Видно также, что количество γ-Fe увеличивается при снижении k. Морфологические особенности поверхности скольжения являются важными параметрами структуры поверхностного слоя, так как позволяют наблюдать механизмы его пластической деформации. Видно (рис. 3), что поверхность скольжения каждого образца морфологически разделена на два сектора. Сектор поверхности (сектор 1 - верхние части больших фото рис. 3, а, б), направленный навстречу движению контртела (набегающий край токосъемного образца), деформирован преимущественно по механизму механического оттеснения (пропахивания) контактного слоя образца более твердыми неровностями контртела. Видно также (верхние малые фото рис. 3), что в этом секторе (сектор 1) верхний контактный слой может сдвигаться по более нижнему слою под воздействием адгезии. В этом секторе реализуются стандартные механизмы разрушения пластичного материала путем адгезионного изнашивания, отслоения из-за усталости, пропахивания и т.п. Эти механизмы рассмотрены ранее в [1, 7, 8] и упомянуты во многих работах, например в [9-11]. Часть поверхности скольжения образца, обращенная к сбегающей поверхности контртела (сектор 2, нижние части больших фото рис. 3), имеет следы деформации, аналогичные деформации вязкой жидкости (нижние малые фото рис. 3). Эта морфологическая особенность в виде проявления плавления или вязкого течения на поверхности скольжения наблюдается при задании любого k. Следы адгезии, отслоение и другие признаки стандартного разрушения поверхности скольжения отсутствуют. Свечение поверхности скольжения и зоны контакта не наблюдается. Это значит, что температура на поверхности трения ниже 600 ºС. Следует отметить, что отдельные малые участки сектора 1 (белого цвета) наблюдаются по всей номинальной площади контакта (в частности, на нижних частях больших фото рис. 3). Преимущественно белый цвет сектора 1 может указывать на отсутствие окислов. Можно утверждать, что отмеченное морфологическое разделение поверхности скольжения на два сектора имеет приблизительно одинаковый вид при разных коэффициентах трансформации. Поэтому этот параметр структуры поверхностного слоя не может быть полезен для понимания различия характера скольжения при разных коэффициентах k (рис. 2). Рис. 3. Вид на поверхность образца, изношенную при k1 = 62 (а) и k2 = 13 (б); стрелка указывает направление движения контртела Известно [12], что пластическая деформация является способом релаксации напряжений и может осуществляться по дислокационному или по диффузионному механизмам, или за счет структурно-фазовых превращений. Пластическая деформация контактного слоя происходит в динамических условиях трения и сопровождается возникновением вакансий, микропор, наночастиц исходных фаз и часто новых фаз. Такая структура затрудняет образование и движение дислокаций. Следует учесть также, что концентрация вакансий в контактном слое может увеличиться в 106 раз. Это должно привести к усилению перескоковой диффузии, в первую очередь, по поверхностям раздела (по границам нанозерен). Кроме того, в контактном слое реализуются ротационные моды деформации и общий коэффициент диффузии может возрасти до значений, характерных для расплавов (около 10-9-10-8 м2/с). Это может быть одной из причин плавления или вязкого течения поверхности скольжения в секторе 2. Поэтому можно допустить, что напряжения релаксируют, в основном, за счет диффузии или зернограничного скольжения. Отсутствие сведений о влиянии k на триботехническое поведение металлов позволяет только предполагать причины и механизм этого явления. Фазовый и элементный составы поверхностного слоя являются факторами, которые заметно влияют на характеристики контакта и наиболее четко реагируют на изменение параметров нагружения, в частности, на изменение k. Присутствие FeO на поверхности скольжения (рис. 2, в) указывает на значительный вклад окисления в износ стали Ст. 3. Тогда Ih увеличивается, в частности, за счет повышения скорости образования FeO и скорости его удаления с частицами износа при увеличении j и U. Видно также (рис. 2, в), что соотношение интегральных интенсивностей пиков А = [(111)FeO+(200)FeO]/(110)Fe увеличивается при уменьшении k (А1 = 0.35 для k1 = 62 и А2 = 0.53 для k2 = 13). Это позволяет допустить, что задание низкого k2 = 13 обеспечивает высокое U, вызывающее высокую скорость образования FeO и высокое содержание FeO на поверхности скольжения. Повышенная хрупкость такой поверхности скольжения не способна к быстрой релаксации напряжений за счет пластической деформации. Это вызывает высокую Ih (рис. 2, б), несмотря на проявление вязкого пластического течения поверхности скольжения. Следует допустить также, что FeO образуется преимущественно при скольжении и распределяется по толщине трибослоя под воздействием ротационной моды пластической деформации. В неподвижном контакте (где v = 0 м/с или образец зафиксирован зажимами) скорость образования FeO близка к нулю, поэтому ВАХ такого контакта не зависит от k (см. рис. 1, б). Следует отметить, что индуктивность пропорциональна квадрату количества витков катушки индуктивности любой конструкции, т.е. L2 = Сn22, где С есть коэффициент пропорциональности. Кроме того, индуктивность увеличивается при увеличении площади сечения S этих витков и при наличии магнитомягкого сердечника. Из формулы (2) видно, что σA возрастает при увеличении L2 и k. Но L2 необходимо увеличивать, в первую очередь, за счет повышения S, так как увеличение количества витков приведет к росту L2 и одновременно к уменьшению k. Из формулы (2) и рис. 2, а следует, что уменьшение k вызывает увеличение U. Но механизм повышения концентрации FeO и γ-Fe на поверхности контакта при увеличении U не может быть ясно изложен на основании представленных данных. Не исключено, что повышенное U вызывает повышенную напряженность в пятнах контакта и снижение энергии активации диффузии кислорода в поверхности скольжения. Кроме того, контактное напряжение U изменяется импульсами в соответствии с динамическими изменениями структуры поверхности скольжения. Задание повышенного U может сопровождаться высокими импульсами U, которые могут активировать образование каких-либо фаз (в частности, γ-Fe и FeO, рис. 2, в) и неустойчивость трибослоя к сдвигу на макромасштабном уровне. В общем случае, выделение фаз в исходной структуре может реализоваться без трения как под импульсами тока [13-15], так и под постоянным воздействием тока [16]. Трение вызывает импульсы температуры (более 1000 оС [17]) в пятнах контакта. На основе данных работ [4, 5, 18] можно показать, что импульсы плотности тока в пятнах контакта могут достигать значений 106 А/см2. Эти факторы обычно активируют структурные превращения и закалку некоторых микрообъемов в трибослое. Ранее было предположено [4, 5, 18, 19], что образование большого количества фаз (в частности, FeO и γ-Fe) в поверхностных слоях железосодержащих материалов препятствует быстрой релаксации напряжений, что приводит к низкой электропроводности и износостойкости контакта. Там же было отмечено, что низкая износостойкость всегда сопровождается низкой электропроводностью контакта. Данные настоящей работы (в первую очередь, образование повышенного количества FeO и γ-Fe при скольжении с k1 = 13) подтверждают эту закономерность. Поэтому узлы трения, где есть коррозионно-стойкие или высокоэнтропийные материалы и т.п., имеют сильно разрушенные поверхности скольжения [20, 21] вследствие низкой способности релаксировать напряжения за счет локальной пластической деформации в окрестностях пятен контакта. Можно предположить также, что стали с ГЦК-решеткой не способны обеспечить удовлетворительные характеристики скользящего электроконтакта с высокой плотностью тока. Сведения, представленные выше, не содержат ясного понимания механизма влияния параметров источника тока на структуру трибослоя, но указывают на возможность увеличить износостойкость и электропроводность скользящего электрического контакта. Из формулы (1) следует, что электрическое сопротивление r2с контакта снижается при уменьшении электрического сопротивления r1 цепи первичной обмотки (r1 ≈ L1ω, где L1 есть индуктивность первичной обмотки), при увеличении коэффициента трансформации k и индуктивности L2 вторичной обмотки. Оптимальный набор этих величин обеспечит улучшение основных выходных параметров (т.е. σА, Ih, j), соответствующих началу катастрофического изнашивания скользящего контакта под переменным током. Заключение Сухое скольжение стали Ст. 3 по закаленной стали 45 под воздействием переменного электрического тока плотностью выше 100 А/см2 характеризуется следующими наблюдениями: 1. Увеличение коэффициента трансформации в трансформаторе, задающем ток в контакте, приводит к увеличению электропроводности контакта и его износостойкости. Высокие значения этих выходных параметров реализуются при вполне высокой плотности тока. 2. Поверхность скольжения образцов морфологически имеет два сектора после скольжения под током плотностью более 100 А/см2 независимо от коэффициента трансформации. Сектор, направленный навстречу движению контртела, деформирован за счет адгезии, пропахивания и т.п. Сектор, находящийся в районе сбегающего края токосъемного образца, деформирован по механизму вязкой жидкости. 3. Независимость морфологических параметров структуры поверхностей скольжения от коэффициента трансформации указывает на невозможность его эффективного применения для понимания различия характера контакта при разных коэффициентах трансформации.

Скачать электронную версию публикации