Закономерности распределения легирующих и примесных элементов в зоне металлополимерного трибосопряжения и их влияние на разрушение колесных сталей

Длительное время в трибологии господствовало представление, согласно которому основной причиной разрушения металла в узлах трения является водород, выделяющийся при деструкции полимеров. При этом практически не учитывалась роль примесных и легирующих элементов, присутствующих в поликристаллической структуре металла, в процессах деградации и разрушения поверхностных слоев. Современные исследования показывают, что именно перераспределение этих элементов в зоне фрикционного контакта может играть определяющую роль в потере работоспособности трибосистем.

Основными причинами вывода из эксплуатации колес подвижного состава железнодорожного транспорта являются общий износ, дефекты контактно-усталостного происхождения и отколы металла. На поверхности катания колес наиболее часто наблюдаются выкрашивания по светлым пятнам и ползунам, образующие выщербины различной конфигурации. Рельсы также подвержены контактно-усталостным повреждениям, причем на поверхности катания фиксируются дефекты, связанные с накоплением неметаллических включений. Данные явления обусловлены тем, что реальные свойства применяемых колесных сталей не в полной мере соответствуют экстремальным нагрузкам, возникающим в процессе эксплуатации подвижного состава.

Отдельные зерна сплавов, представляющие собой микрокристаллиты, как правило, обладают износостойкостью на порядок выше, чем сами поликристаллические материалы. Снижение прочностных свойств поликристаллов объясняется существованием межкристаллитных границ, прочность которых значительно уступает прочности самих зерен. Сила связи на межкристаллитных границах определяется их структурным несовершенством и элементным составом тонких приграничных слоев. Концентрация примесных и легирующих атомов на границах может варьироваться от долей монослоя до нескольких монослоев, что существенно влияет на механические свойства материала.

Элементный состав слоев межкристаллитных границ и концентрация атомов не остаются постоянными при воздействии температурных и силовых нагрузок, характерных для эксплуатации колес. Ключевую роль в этом процессе играет сегрегация — явление, в результате которого атомы, растворенные в объеме кристаллического зерна, со временем мигрируют и накапливаются по границам зерен, на свободной поверхности или других поверхностях раздела. Величину связи между кристаллитами можно направленно изменять, формируя на границах зерен монослои из различных элементов, однако для этого необходимо понимание того, какие элементы и в какой степени упрочняют или разупрочняют границы зерен в конкретном материале.

Исследование элементного состава границ зерен методом оже-электронной спектроскопии. Прямым методом наблюдения сегрегаций, а именно методом оже-электронной спектроскопии, был исследован элементный состав на границах зерен стали колеса подвижного состава, выведенного из эксплуатации вследствие многочисленных типичных дефектов рабочей поверхности [65, 66]. Образцы для анализа вырезались из различных дефектных зон рабочей поверхности колеса, включая участки выкрашивания и отколов. Результаты исследования показали, что содержание примесных и легирующих элементов на границах зерен в поверхностных слоях толщиной в несколько моноатомных слоев существенно различается для разных участков колеса.

Установлено, что концентрация элементов на границах зерен может значительно превышать их содержание в объеме матрицы железа, причем эта зависимость носит немонотонный характер как функция расстояния от рабочей поверхности колеса. Особый интерес представляет обнаружение на поверхностях дефектных участков, на границах зерен и на сколах атомов элементов, не принадлежащих материалу колеса. В частности, атомы стронция (Sr) и цинка (Zn) относятся к материалу наполнителей тормозной полимерной композитной колодки, основу которой составляет углеводородное связующее, тогда как атомы калия (К) и кальция (Са) поступают из окружающей среды.

Таблица 1.3.5. Концентрация элементов в объеме и на границах зерен металла колеса, %

Как видно из данных таблицы, на границах зерен, расположенных на сколах, наблюдается значительное превышение содержания (сегрегации) как легирующих, так и примесных элементов. Для меди (Cu) это превышение составляет 24-50 раз, для хрома (Cr) — до 20 раз. Особенно показательно поведение примесных элементов: фосфор (P) накапливается на границах в концентрациях, в 10-20 раз превышающих объемные, а сера (S) демонстрирует 12-55-кратное превышение. На поверхностях разрушения, таких как выщербины, эти показатели еще выше: для серы зафиксировано превышение до 120 раз по сравнению с объемным содержанием, что позволяет предположить непосредственное участие сегрегирующих элементов в механизмах усталостного изнашивания поверхностных слоев колеса.

Механизмы влияния примесных элементов на прочность межкристаллитных границ. Из фундаментальных положений физического материаловедения хорошо известно, что избыточное содержание фосфора (P) и серы (S) на границах зерен металлов приводит к охрупчиванию границ, снижению силы связи между зернами и, в критических случаях, к катастрофическому разрушению. Механизм этого явления связан с тем, что реальные расстояния между примесными атомами и атомами железа на границах оказываются меньше соответствующих равновесных межатомных расстояний. Вследствие этого примесные атомы P и S оказывают расклинивающее действие на межкристаллитные границы, создавая в этой области локальные напряжения сжатия.

Особого внимания заслуживает тот факт, что в процессе эксплуатации трибосистемы "колесо - металлополимерная тормозная колодка" происходит не только перераспределение собственных примесей стали, но и диффузия элементов из полимерного композита в поверхностные слои металла. Обнаружение на границах зерен атомов стронция (Sr) и цинка (Zn), принадлежащих наполнителям тормозной колодки, а также калия (К) и кальция (Са) из окружающей среды свидетельствует о том, что данная трибосистема не является замкнутой. Кремний (Si), также обнаруженный на границах, может иметь как металлургическое происхождение, так и поступать из внешней среды.

Влияние различных элементов на прочность межкристаллитных связей неодинаково. Атомы меди (Cu), хрома (Cr) и цинка (Zn) в зависимости от типа матрицы могут проявлять как упрочняющее, так и охрупчивающее действие. В матрице железа эти элементы, особенно цинк, преимущественно ослабляют связи между зернами, способствуя охрупчиванию. Аналогичным негативным действием обладают атомы стронция (Sr), бария (Ba) и калия (К). Таким образом, диффузия этих элементов из полимерной колодки и окружающей среды в приповерхностные слои колесной стали создает дополнительные факторы риска преждевременного разрушения.

Закономерности сегрегационных процессов в условиях фрикционного нагружения. Сегрегация примесей на границах зерен в условиях эксплуатации железнодорожных колес представляет собой сложный многофакторный процесс, интенсифицируемый циклическими температурными и механическими нагрузками. Температурный градиент, возникающий в зоне фрикционного контакта при торможении, создает термодинамическую движущую силу для миграции растворенных атомов к границам раздела. Дополнительным фактором являются упругие и пластические деформации поверхностных слоев, которые ускоряют диффузионные процессы и способствуют перераспределению элементов.

Особенностью сегрегации в условиях металлополимерного трибосопряжения является возможность поступления в сталь элементов, исходно отсутствовавших в ее составе. Это подтверждается обнаружением Sr, Zn, K, Ca на границах зерен и поверхностях разрушения. Процесс массопереноса может осуществляться как через непосредственный контакт поверхностей трения, так и через промежуточную среду — продукты износа, содержащие как металлические, так и полимерные компоненты. Высокие локальные температуры во фрикционном контакте, достигающие значений, достаточных для термомеханодеструкции полимера, способствуют активации диффузионных процессов.

Важно отметить немонотонный характер распределения сегрегированных элементов по глубине поверхностного слоя. Максимальная концентрация примесей наблюдается не на самой поверхности, а на некотором удалении от нее, что коррелирует с распределением температурного поля, имеющим внутренний максимум. Это указывает на взаимосвязь термических и диффузионных процессов в трибосистеме и подтверждает необходимость комплексного подхода к анализу механизмов изнашивания.

Практические аспекты повышения износостойкости колесных сталей. Одним из традиционных путей ослабления негативного влияния примесей является очистка металла в процессе производства колесной стали. Однако этот подход имеет ограничения, связанные с существующими технологическими возможностями современного металлургического производства. Полное удаление серы, фосфора и других вредных примесей до уровней, исключающих их сегрегацию, экономически нецелесообразно и технически трудно реализуемо в массовом производстве.

Более перспективным направлением повышения износостойкости рабочей поверхности железнодорожных колес представляется разработка микрохимических методов упрочнения связей на межзеренных границах на атомарном уровне. Данный подход базируется на глубоком изучении закономерностей сегрегации различных элементов в металлических системах, соответствующих по составу и структуре колесным сталям, при различных силовых и температурных полях. Целенаправленное формирование на границах зерен монослоев элементов, повышающих когезионную прочность, может стать эффективным способом управления эксплуатационными характеристиками.

Необходимо также учитывать, что трибосистема "колесо - тормозная колодка" функционирует в условиях открытого массообмена с окружающей средой. Это требует при разработке новых композиционных материалов для тормозных колодок учитывать их потенциальное влияние на диффузионные процессы в поверхностных слоях колесной стали. Оптимизация состава полимерных композитов с точки зрения минимизации негативного воздействия на межкристаллитную прочность стали может стать важным резервом повышения ресурса пары трения.

Заключение. Проведенные исследования демонстрируют, что закономерности распределения легирующих и примесных элементов при металлополимерном трибосопряжении играют ключевую роль в процессах деградации и разрушения колесных сталей. Сегрегация как собственных примесей стали, так и элементов, диффундирующих из полимерного композита и окружающей среды, приводит к охрупчиванию межкристаллитных границ и снижению сопротивления усталостному разрушению. Особую опасность представляет многократное превышение содержания серы и фосфора на границах зерен в зонах дефектов, что непосредственно коррелирует с образованием выщербин и отколов на поверхности катания.

Тот факт, что трибосистема не является замкнутой и в ней происходит активный массоперенос элементов между полимерной колодкой, металлическим колесом и внешней средой, требует пересмотра традиционных подходов к моделированию процессов изнашивания. Дальнейшее развитие методов повышения износостойкости должно базироваться на комплексном учете как металлургических факторов (чистота стали, ее микроструктура), так и трибохимических процессов, протекающих в зоне фрикционного контакта. Перспективным направлением является разработка методов управления сегрегационными процессами на атомарном уровне с целью упрочнения межкристаллитных границ и повышения ресурса трибосистем в целом.

Список литературы: 1. Кузмич В. Д. Локомотивы. Основные этапы их развития. М.: МИИТ, 1985. 84 с.
2. Раков В. А. Локомотивы отечественных железных дорог. М.: Транспорт, 1999. 331 с.
3. Каблуков В. А., Савчук О. М. Подвижной состав промышленного транспорта. Киев: Высшая школа, 1990. 296 с.
4. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985. 287 с.
5. Голубенко А. Л. Сцепление колеса с рельсом. Киев: В1ПОЛ, 1993. 296 с.

6. Крагельский И. В., Михин Н. М. Узлы трения машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1984. 420 с.
7. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд и др.; под ред. И. П. Исаева. М.: Транспорт, 1995. С. 19-21.
8. Тепловозы / Под ред. Н. И. Панова. М.: Машиностроение, 1976. 240 с.
9. Лисицын А. Л., Мугинштейн Л. А., Лаптев В. А., Некрасов О.А. Оптимизация коэффициента сцепления электровозов // Железнодорожный транспорт. 1999. № 7. С. 47-50.

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.