Металлополимерные узлы трения в подвижном составе: проблемы наводороживания и механизмы повышения износостойкости

Металлополимерные узлы трения находят широкое применение в конструкциях железнодорожного подвижного состава благодаря ряду неоспоримых преимуществ, однако их распространение сдерживается процессами деструкции полимерных материалов, особенно в тяжелонагруженных узлах. Деструкция полимеров, в свою очередь, инициирует и ускоряет разрушение сопряженных металлических поверхностей, что существенно снижает ресурс трибосистемы. Эффективное решение задач по повышению долговечности таких узлов возможно только на основе достижений фундаментальной науки, изучающей глубинные механизмы контактного взаимодействия.

Проблема управления фрикционно-контактным взаимодействием элементов подвижных металлополимерных соединений остается актуальной и требует постоянного развития теоретических и экспериментальных методов исследования. Современная методология базируется на представлениях об электронном строении материи, теории дислокаций, а также на экспериментальных методах физики твердого тела: рентгеноструктурном и рентгеноспектральном анализе, электронной спектроскопии для химического анализа (ЭСХА), ОЖЭ-спектроскопии и других. Применение композиционных материалов породило множество новых задач, обусловленных их специфическими свойствами: полимерные композиты значительно чувствительнее металлов к воздействию факторов трения и внешней среды [47, 48].

Практика использования композиционных тормозных колодок вместо чугунных на железнодорожном транспорте выявила ряд серьезных проблем, включая повышенный износ поверхности катания колес и возникновение дефектов, снижающих эффективность торможения. Одна из главных причин этих ограничений — процесс наводороживания поверхности катания колеса, который приводит к потере прочности металла и переносу материала на сопряженную полимерную поверхность. Изучение физико-химических аспектов наводороживания требует понимания форм состояния водорода в металлах — вопроса, который до сих пор остается дискуссионным.

Согласно распространенным представлениям, водород поглощается сталью в атомарном виде, растворяется в кристаллической решетке, превращаясь в протоны с отдачей электронов в обобществленный электронный газ металла. Таким образом, водород может находиться в различных состояниях в зависимости от условий насыщения: наиболее вероятно существование протонов в решетке и молекулярного водорода во внутренних дефектах структуры. Существует альтернативная точка зрения, исключающая стабильное существование электронейтральных атомов водорода в решетке из-за наличия силовых полей, не являющихся насыщенными или локализованными; в этом случае атом водорода обобществляет свой электрон с электронным газом металла.

В последнее время развивается теория термоактивационного процесса туннелирования протонов по междоузлиям, пока не получившая полного экспериментального подтверждения. В режиме локализации протона в определенном междоузлии диффузия в соседнее осуществляется посредством термической активации, причем локализованный протон автолокализуется благодаря релаксации решетки. Термическая активация необходима для преодоления потенциального барьера между узлами, который складывается из автолокализованных искажений решетки и взаимодействий с атомами матрицы. С повышением температуры становятся существенными и надбарьерные перескоки атомов водорода из одного междоузлия в другое.

Специфика полимерных материалов проявляется также в том, что их работа во фрикционных узлах сопровождается процессами трибоэлектризации, диффузии и деструкции с образованием химически активных продуктов. Эти продукты могут активно взаимодействовать с металлической поверхностью, вызывая избирательный процесс фрикционного переноса при сухом трении металлополимерных пар. Управление этим явлением открывает возможности для направленного регулирования свойств композиционных самосмазывающихся материалов, применение которых дает значительный выигрыш в массе и габаритах конструкций и позволяет снизить эксплуатационные затраты.

Большие перспективы в создании материалов с высокой износостойкостью и низким трением связаны с использованием эффекта пленкообразования — способности полимера формировать на поверхности трения пленку переноса. Ведущие специалисты в области трибологии относят способность антифрикционных материалов образовывать пленку фрикционного переноса (ПФП) со смазочными свойствами к числу основных требований. Это согласуется с фундаментальным условием осуществления внешнего трения — положительным градиентом механических свойств и стремлением трибосистемы к энергетически выгодному состоянию за счет структурных перестроек поверхности.

Установление общих закономерностей влияния температуры и температурного градиента на трибомеханические, трибоэлектрические и трибохимические процессы при трении металлов о полимеры открывает путь к направленному использованию природных свойств полимеров [51]. Такой подход, основанный не на подавлении, а на использовании специфических характеристик полимерных материалов, является одним из перспективных направлений повышения износостойкости металлополимерных трибосистем в узлах трения подвижного состава.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.