Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Платный доступ или доступ для подписчиков

Достижение сверхнизкого трения и износа с реализацией эффекта безызносности при короткоимпульсном лазерном легировании стальной поверхности висмутом

А. В. Макаров, Е. В. Харанжевский, В. А. Сирош, А. Г. Ипатов, Н. Н. Соболева

Аннотация


Проведен анализ исследований, показывающих возможности легирования висмутом стальной поверхности при короткоимпульсной лазерной обработке и достигаемые при этом уникальные триботехнические характеристики (вплоть до реализации безызносного трения) в лабораторных испытаниях в паре с различными материалами и в условиях стендовых испытаний турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Показано, что достижение сверхнизкого коэффициента трения (до 0,03) и износа при трении без подачи смазки определяется подавлением молекулярной составляющей трения (адгезии) в результате легирования висмутом, образованием трибослоев субкарбоната висмута с легким скольжением, уменьшением механической составляющей трения алмазным выглаживанием, самоорганизацией поверхности трения и высокой циклической прочностью сплава. Предложена новая концепция получения износостойких и антифрикционных триботехнических материалов на основе несмешиваемых систем.


Ключевые слова


короткоимпульсный лазер; легирование висмутом; алмазное выглаживание; трение скольжения; трибологические свойства; безызносность

Полный текст:

PDF

Литература


Силин А. А. Трение и мы. М.: Наука, 1987. 192 с.

Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

Горячева И. Г., Добычин М. Н. Итоги развития молекулярно-механической теории трения // Трение и износ. 2008. Т. 29, № 4. С. 327 – 337.

Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и безызносность): Учебник. 4-е изд. М.: Издательство МСХА, 2001. 616 с.

Куксенова Л. И., Савенко В. И. Структурные изменения и диффузия в зоне контактной деформации медных сплавов при трении // МиТОМ. 2023. № 12. С. 59 – 71.

Куксенова Л. И., Архипов В. Е., Пугачев М. С., Козлов Д. А. Эксплуатационные свойства пар трения металл – металл с поверхностными слоями, модифицированными сплавом на основе меди // МиТОМ. 2024. № 6. С. 54 – 65.

Макаров А. В., Саврай Р. А., Скорынина П. А., Волкова Е. Г. Развитие методов поверхностного деформационного наноструктурирования сталей // МиТОМ. 2020. № 1. С. 62 – 69.

Кузнецов В. П., Макаров А. В., Скоробогатов А. С. и др. Влияние нормальной силы на сглаживание и упрочнение поверхностного слоя стали 03Х16Н15М3Т1 при сухом алмазном выглаживании сферическим индентором // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2022. Т. 24, № 1. С. 6 – 22. DOI: 10.17212/ 1994-6309-2022-24.1-6-22

Skorynina P. A., Makarov A. V., Savrai R. A. Substantiating the process parameters of frictional treatment with a sliding indenter for an austenitic chromium-nickel steel // Tribology Letters. 2024. V. 72. P. 1816 – 1831. DOI: 10.1007/ s11249-023-01816-2

Miguel F. L., Müller R., Rosenkranz A. et al. Analysis and modelling of the dry-sliding friction and wear behaviour of electrodeposited Ni and Ni-matrix-nanocomposite films // Wear. 2016. V. 346 – 347. P. 87 – 98. DOI: 10.1016/j.wear.11.006

Tomlinson G. A. CVI. A molecular theory of friction // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1929. V. 7, Is. 46. P. 905 – 939.

Ahmatov A. S. Molecular physics of boundary friction. Publ. Israel Program for Scientific Translations, 1966. 480 p.

Johnson K. L., Kendall K., Roberts A. D. Surface energy and the contact of elastic solids // Proceedings of the Royal Society of London: A, Mathematical and Physical Sciences. 1971. V. 324(1558). P. 301 – 313.

Ролдугин В. И. Физикохимия поверхности / 2-е изд., испр. Долгопрудный: Изд-во Интеллект, 2011. 568 с.

Kishimoto A., Uda T. Thermodynamics on the Bi – Fe – Ti System and the Gibbs Energy of Bi9Ti8 // Metallurgical and Materials Transactions B. 2018. V. 49. P. 2975 – 2985. DOI: 10.1007/s11663-018-1393-6

Kharanzhevskiy E. V., Ipatov A. G., Krivilyov M. D. et al. Ultralow friction behaviour of B4C – BN – MeO composite ceramic coatings deposited on steel // Surface and Coatings Technology. 2020. V. 390. Art. 125664. DOI: 10.1016/ j.surfcoat.2020.125664

Kharanzhevskiy E. V., Ipatov A. G., Makarov A. V. et al. Tribological performance of boron-based superhard coatings sliding against different materials // Wear. 2021. V. 477. Art. 203835. DOI: 10.1016/j.wear.2021.203835

Kharanzhevskiy E. V., Ipatov A. G., Makarov A. V. et al. Effect of oxygen in surface layers formed during sliding wear of Ni – ZrO2 coatings // Surface and Coatings Technology. 2022. V. 434. Art. 128174. DOI: 10.1016/j.surfcoat. 2022.128174

Kharanzhevskiy E. V., Ipatov A. G., Makarov A. V., Gil’mutdinov F. Z. Towards eliminating friction and wear in plain bearings operating without lubrication // Scientific Reports. 2023. V. 13. Art. 17362. DOI: 10.1038/s41598-023-44702-6

Макаров А. В., Харанжевский Е. В., Ипатов А. Г. и др. Эффект безызносности при поверхностном легировании стали висмутом // Трение и износ. 2024. Т. 45, Вып. 6. С. 558 – 568. DOI: 10.32864/0202-4977-2024-45-6-558-568

Makarov A. V., Sirosh V. A., Soboleva N. N. et al. Ultralow wear in boundary lubrication: A tribological study of Bi-alloyed steel under high normal loads and sliding speeds // Friction. 2025. V. 13, Is. 7. 9441049. DOI: 10.26599/ FRICT.2025.9441049

Pratt G. C. Materials for plain bearings // International Metallurgical Reviews. 1973. V. 18. P. 62 – 88. DOI: 10.1179/ imtlr.1973.18.2.62

Hutchings I., Shipway P. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials. 2nd edn. Butterworth-Heinemann, 2017. 412 p. DOI: 10.1016/B978-0-08-100910-9.00005-2

Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. 2nd edn. Butterworth-Heinemann, 1997. 1341 p.

Харанжевский Е. В. Разделение в жидкости и образование пересыщенных твердых растворов в сплавах Fe – Cu при быстром лазерном плавлении // ФММ. 2016. Т. 117, Вып. 9. С. 889 – 895. DOI: 10.1134/S0031918X16070097

Galenko P. K., Abramova E. V., Jou D. et al. Solute trapping in rapid solidification of a binary dilute system: A phase-field study // Physical Review E. 2011. V. 84(4). 041143. DOI: 10.1103/PhysRevE.84.041143

Kharanzhevskiy E., Ipatov A., Krivilyov M., Makarov A. Model experiment on reactive phase formation and solidi cation of B4C – BN composites via nanosecond pulse laser processing // The European Physical Journal Special Topics. 2020. V. 229. P. 217 – 224. DOI: 10.1140/epjst/ e2019-900076-1

Ortiz-Quiñonez J.-L., Zumeta-Dubé I., Díaz D. et al. Bismuth Oxide nanoparticles partially substituted with EuIII, MnIV, and SiIV: Structural, spectroscopic, and optical findings. Inorganic Chemistry. 2017. V. 56(6). P. 3394 – 3403. DOI: 10.1021/acs.inorgchem.6b02923

Blanchard P., Colombié C., Pellerin V. et al. Materials effects in fretting wear: Application to iron, titanium, and aluminum alloys // Metallurgical Transactions A. 1991. V. 22. P. 1535 – 1544. DOI: 10.1007/BF02667367

Figueroa C. G., Schouwenaars R., Cortés-Pérez J. et al. Ultrafine gradient microstructure induced by severe plastic deformation under sliding contact conditions in copper // Materials Characterization. 2018. V. 138. P. 263 – 273. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.02.017

Di Cecco L.-A., Mehdi M., Edrisy A. Dry-sliding wear mechanisms of shot-peened additive manufactured alpha titanium eaturing TiB particles // Tribology Letters. 2021. V. 69, No. 90. DOI: 10.1007/s11249-021-01456-4

Alidokht S. A., Yue S., Chromik R. R. Effect of WC morphology on dry sliding wear behavior of cold-sprayed Ni – WC composite coatings // Surface and Coatings Technology. 2019. V. 357. P. 849 – 863. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018. 10.082

Rigney D. A. Transfer, mixing and associated chemical and mechanical processes during the sliding of ductile materials // Wear. 2000. V. 245(1 – 2). P. 1 – 9.

Wang H. H., Wang W. J., Han Z. Y. et al. Wear and rolling contact fatigue competition mechanism of different types of rail steels under various slip ratios // Wear. 2023. V. 522. 204721. DOI: 10.1016/j.wear.2023.204721

Derjaguin B. V., Muller V. M., Toporov Yu. P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles // Journal of Colloid and Interface Science. 1975. V. 53, No. 2. P. 314 – 326.

Maugis D. Adhesion of spheres: the JKR-DMT transition using a dugdale model // Journal of Colloid and Interface Science. 1992. V. 150, No. 1. P. 243 – 269.

Патент РФ № 2826632, МПК С23С 24/08; С23С 4/18; B23К 26/342; С23С 26/02. Способ получения износостойкого антифрикционного покрытия на подложке из стали, никелевого или титанового сплава / Е. В. Харанжевский, А. Г. Ипатов, А. В. Макаров. Опубликовано 16.09.2024 // Бюл. № 26. 2024. 14 c.

Макаров А. В., Иноземцев А. А., Дегтярь В. Г. и др. Обеспечение технологического суверенитета России в металлургии и машиностроении // Вестник РАН. 2024. Т. 94, № 3. С. 232 – 245. DOI: 10.31857/S0869587324030068




DOI: https://doi.org/10.30906/mitom.2025.10.4-15

© Издательский дом «Фолиум», 1998–2026