В большинстве случаев электрический ток оказывает неблагоприятное влияние на фрикционные характеристики металлических контактов в отсутствие смазки. Установлено [2, 69, 74, 118], что даже слабые токи (0,1—100 мА), пропускаемые через контакт, при длительном воздействии способствуют заеданию металлических тел и повышению износа. Одновременно наблюдается интенсификация окисления одной из контактных поверхностей (анодно-поляризованной), что приводит к изменению межмолекулярного взаимодействия, состава продуктов износа и другим явлениям [69, 74]. Помимо высокого износа и коэффициента трения, сухие металлические контакты характеризуются нестабильностью контактного сопротивления Флуктуации Rк могут быть обусловлены явлением скачкообразного трения [51], образованием продуктов износа, разделяющих поверхности, поверхностным упрочнением, изменением ФПК, образованием инородных хемосорбционных слоев на контактирующих поверхностях [316]. Последний фактор является наиболее характерным и нежелательным для слаботочных электрических контактов [340, 373].
При высоких токовых нагрузках изменяются физико-механические свойства контактирующих поверхностей, проявляются процессы ползучести и схватывания, интенсифицируется износ [84, 268, 335]. Коэффициент трения с увеличением плотности тока чаще всего возрастает, однако для некоторых сочетаний контактных материалов может оставаться неизменным и даже снижаться [335].
Считается [84, 335], что изменение фрикционных характеристик контактов в отсутствие смазки под действием сильных токов обусловлено увеличением температуры на контактных пятнах до значений, соответствующих температуре размягчения, а в некоторых случаях — плавления металла. Это способствует возрастанию ФПК и схватыванию с одной стороны и снижению прочности на срез, с другой. Поэтому интенсивность изнашивания при увеличении токовой нагрузки возрастает, а поведение коэффициента трения определяется тем, какой из двух названных факторов преобладает. В работах [145, 301, 302], проведенных с целью создания унифицированных методик лабораторных испытаний материалов токосъемных устройств и изучения процессов, происходящих в сильноточных СК, также основной причиной влияния электрического тока на трение принимается его тепловое воздействие. В частности, по данным [145], наблюдается одинаковый характер зависимости коэффициента трения от поверхностной температуры при работе СК как в обесточенном состоянии, так и при токовой нагрузке.
Значимость фактора теплового действия электрического тока для сильноточных металлических СК не вызывает сомнений. В то же время характер выделения тепла на пятнах контакта и распределения температуры в контактной зоне имеет ряд специфических особенностей, определяемых прежде всего механизмом токопрохождения в скользящем контакте и сочетанием свойств контактирующих элементов. Поэтому вопрос о тепловом воздействии электрического тока на металлические контактные пятна требует отдельного рассмотрения.
Особенности теплового воздействия электрического тока на металлические пятна контакта.
При протекании через контактное пятно электрический ток генерирует тепло на контактном сопротивлении в общем случае, состоящем из двух частей (в первом приближении независимых друг от друга): сопротивления стягивания Rc и дополнительного сопротивления, вызванного электропроводными пленками различной природы на проводящей поверхности. Затем происходит диссипация выделенного тепла в объем контактных элементов. Установившаяся температура контактного пятна отражает равновесие этих двух процессов.
Для простейшего случая чисто металлического контакта между проводниками из одного и того же материала в предположении круглого пятна контакта радиуса а, отсутствия термоэлектрического эффекта, а также при условии, что тепло незначительно меняет удельное сопротивление, а контактные пятна удалены настолько, что линии тока не влияют друг на друга, Хольм [298] теоретически показал, что
(α — температурный коэффициент сопротивления; ∆Т — превышение температуры контактной поверхности пятна над температурой всего тела контакта). Уравнение (3.26) справедливо для продолжительных процессов. Если импульс тока настолько короток, что термическое равновесие установиться не может, то
(3.27)
Плотность тока не является постоянной по поверхности контактного пятна и увеличивается по направлению к его краям.
Максимальный прирост температуры вследствие тепла наблюдается на поверхности раздела. Вычисление ∆T осуществляется в соответствии с уравнением Кольрауша
Распределение температуры в симметричной области стягивания подчиняется закону [298]
(3.31)
где ∆T — текущее значение температуры перегрева; l — расстояние изотерм от центра контактного пятна.
Согласно (3.31), перегрев в 100 раз меньший, чем на контактной поверхности (т. е. практическое его отсутствие), наблюдается на расстояниях всего 0,5 радиуса пятна контакта. Незначительность прогреваемой массы металла в области стягивания обусловливает очень быстрое нарастание температуры перегрева после включения тока. По данным [363, 364], температура локального перегрева устанавливается через 10-4—(5-10-3) с. Согласно [334], для золотых поверхностей металл около поверхности раздела достигает его равновесной избыточной температуры за микросекунды или менее. Тем не менее в скользящем контакте даже при относительно небольших скоростях скольжения время жизни контактных пятен сравнимо с этими величинами, вследствие чего термическое равновесие установиться не успевает. В результате перегрев контактного пятна будет несколько меньшим, чем определенный по формуле (3.30).
Используя формулу (3.30), можно получить значение напряжений на чисто металлических контактных пятнах, вызывающих достижение критических температурных точек для металла — температур размягчения, плавления, кипения. Так, для меди температура размягчения (∆Т=190°С) достигается при Uк=0,12 В, плавления (∆Т=1065°С) — при 0,43 В, а кипения (∆Т=2600 °С) — при 0,8 В [2981.
Джоулево тепло вследствие наличия Rп практически полностью выделяется внутри плоскости контактного пятна, причем источник тепла распределен по пятну равномерно. Поэтому для расчета максимального прироста температуры нельзя пользоваться формулами (3.28) — (3.30). В ряде случаев для этих целей можно применять модифицированную формулу Блока. Блоком [330] показано, что прирост поверхностной температуры для случая движущегося с малой скоростью единичного кругового контакта за счет фрикционного нагревания можно определить по формуле
где Un — падение напряжения на пленке.
Экспериментальное изучение влияния электрического тока на элементарные акты фрикционного взаимодействия.
При рассмотрении особенностей фрикционного поведения сильноточных металлических контактов, помимо теплового и электроэрозионного действия тока, другие возможные факторы его влияния на процессы трения, как правило, не рассматриваются. Вместе с тем в работе [121] теоретически показана возможность влияния свободных электронов, дрейфующих по решетке металла, на дислокации, перемещающиеся в направлении дрейфа. Отсюда вытекает возможность влияния потока движущихся электронов на процесс пластической деформации металлов, представляющий собой то или иное перемещение дислокаций различного вида. Экспериментальным подтверждением данного эффекта явилось установление скачкообразной деформации металлов при растяжении в случае пропускания импульсов электрического тока большой силы [249, 288].
Результаты работ [121, 249, 288] дают основание предполагать, что электрический ток может оказывать непосредственное влияние на фрикционное взаимодействие металлов, в частности на процесс пластического деформирования их поверхностных слоев. Ранее подобная гипотеза высказывалась в работе [116] при рассмотрении электрических явлений при трении и резании металлов. Однако имевшиеся теоретические и экспериментальные данные не позволяли судить об области токовых нагрузок, в которой предполагаемый эффект может реально проявляться, а также о существенности влияния данного эффекта на фрикционные характеристики металлических контактов. Учитывая данное обстоятельство, в работе [108] проведено экспериментальное изучение влияния электрического тока на пластическое деформирование металлов при трении. Данный вопрос представлял существенный интерес не только для рассматриваемого случая, но также в связи с тем, что металлические пятна контакта могут возникать при работе самосмазывающихся металлосодержащих материалов, а также в смазанных металлических контактах.
Чтобы иметь возможность количественно оценить пластическую деформацию и температурный режим в зоне трения, а также исключить электроэрозионные процессы, для исследования применен метод микротрибометрии. Использовался микротрибометр МТЭ-1, изготовленный на базе микротвердомера ПМТ-3. Схема измерительного узла микротрибометра приведена на рис. 3.8. Игольчатая ось 1 рычага 2 фиксируется в регулируемых опорах 3. На одном конце рычага 2 расположен держатель 4 с образцом 5, другой конец рычага упирается в тензобалку 6. Держатель 7 с электропроводным индентором 8 закреплен в штоке механизма нагружения прибора ПМТ-3 (вместо алмазной пирамиды). Стойка с опорами 3 и тензобалка 6 установлены на плате, жестко связанной с предметным столиком микротвердомера. Перемещение образца обеспечивается вращением микровинта предметного столика от приводного электродвигателя. Сила трения между индентором и образцом регистрируется быстродействующим самопишущим потенциометром Н3020-3 с помощью тензоусилители 8АНЧ-7М и усилителя Ф359. Для пропускания тока через фрикционный контакт индентор и образец включены в электрическую цепь. Величина тока в цепи I и контактное падение напряжения Uк регистрируются потенциометром Н3020-3 одновременно с силой трения F.
Исследованиям подвергались полированные образцы (Rа 0,05—0,06) из меди M1, серебра Ср999,9, олова (МРТУ-6- 09-481-631), свинца (ТУ МХП 113-40). Перед испытаниями образцы обезжиривали бензином и спиртом.
Рис. 3.8. Схема измерительного узла микротрибометра МТЭ-1
Микроиндентирование проводилось стальными инденторами (сталь ШХ-15) с радиусом закругления при вершине 500 мкм при скорости скольжения v=2,25 мкм/с и нагрузках 0,05—0,4 Н, обеспечивающих пластический контакт. Деформационная составляющая коэффициента трения fд определялась по ширине дорожки трения d по известной формуле Спурра
[416] (за величину d принималось среднеарифметическое измерений 10 участков по длине дорожки). Молекулярная составляющая коэффициента трения находилась вычитанием fд из общего коэффициента трения f. Предварительные исследования и расчет показали, что при любых токовых нагрузках для применяемых сочетаний материалов величина сопротивления стягивания мала в сравнении с общей величиной контактного сопротивления Rк, т. е. последнее практически полностью определяется сопротивлением пленки потускнения на инденторе и, возможно, частично сохранившейся пленкой на образцах. Поэтому для оценки прироста температуры в зоне трения за счет прохождения тока использовалась формула (3.35) или более точная формула [408]:
(3.36)
учитывающая также фрикционный нагрев.
При скольжении индентора по мягким металлам (олово, свинец) движение было скачкообразным (рис. 3.9, а). В точках, соответствующих максимумам силы трения Fcт, происходит быстрое проскальзывание поверхностей, и при уменьшении F до минимального значения поверхности вновь слипаются. Участки «прилипания» и «проскальзывания» на дорожке трения легко различаются микроскопически.
Рис. 3.9. Изменение силы трения F и контактного падения напряжения Uк в зависимости от величины тока I при скольжении стального индентора по олову (а) и меди (б): а — N = 0,1 Н; б — N = 0,15 Н
Согласно [51], прерывистое скольжение обусловлено более высокой результирующей прочностью металлических соединений при низких скоростях, чем при высоких, т. е. тем, что статическое трение выше, чем динамическое. Таким образом, точки максимума Fст на рис. 3.9, а характеризуют статическое трение, а точки минимума — динамическое.
Пропускание электрического тока через контакт приводит к возрастанию величины Fст, продолжительности периода «прилипания» поверхностей, площади контактного пятна, соответствующего «прилипанию» (см. рис. 3.9, а, табл. 3.3). Отмеченные изменения начинают заметно проявляться при плотностях тока 104 А/см2 и с дальнейшим увеличением j усиливаются. Важным результатом является то, что при токовых нагрузках, соответствующих началу изменений в фрикционном поведении системы, как объемная температура образцов, так и температура в зоне трения остаются существенно ниже температуры размягчения испытуемых материалов.
Таблица 3.3
Влияние электрического тока на параметры трения системы стальной индентор—олово (N= 0,1 Н)
При возрастании температуры в зоне трения до значений, близких к температуре размягчения материала образца (для олова — 373 К, свинца — 473 К), происходит схватывание и результаты измерений интерпретировать трудно.
При испытаниях меди и серебра запись силы трения относительно стабильна, явление скачкообразного трения в чистом виде не проявляется (рис. 3.9, б). Это позволяет использовать расчетно-экспериментальный метод [123] для разделения составляющих силы трения. Установлено (табл. 3.4), что при плотностях тока на контактном пятне до 104—105 A/см2 изменения параметров трения малозаметны. Низкое значение Uк и высокая теплопроводность металлов обеспечивают при данных токовых нагрузках незначительный прирост температуры в зоне трения (до 10 К). Однако дальнейшее увеличение токовой нагрузки приводит к возрастанию ширины дорожки трения, общей силы трения и обеих ее составляющих. Характерно, что в моменты увеличения токовой нагрузки первоначально отмечается быстрое уменьшение силы трения и лишь затем его возрастание до величины, превышающей начальное значение. При отключении тока наблюдается обратная картина.
Так же, как в случае мягких металлов, при токовых нагрузках, приводящих к изменению фрикционных параметров, средняя температура в зоне трения относительно невелика. При столь небольшом повышении температуры физико-механические свойства материала в микрообъеме, прилегающем к зоне трения, не могли измениться существенно. Действительно, для меди изменение твердости в зависимости от температуры может быть описано экспоненциальной функцией НВ=Ае-αе, где θ — гомологическая температура; А=109Па; α=3,05 [117]. Используя данное выражение, легко определить, что отношение твердости меди при комнатной температуре (I=0) и температуре, соответствующей, например, току
I=2А (∆Т=44 К, табл. 3.4), не превышает 1,10. В то же время для меди величина площади касания, обратно пропорциональная твердости в случае пропускания электрического тока силой 2А, возрастает более чем в 1,5 раза по сравнению со скольжением в обесточенном состоянии. Таким образом, значительное увеличение ширины дорожки трения, а следовательно, площади касания, силы трения и ее составляющих при пропускании тока через контакт нельзя объяснить только размягчением контактирующих материалов под действием джоулева тепла. Очевидно, что непосредственно прохождение электрического тока через зону трения облегчает пластическое деформирование металла, оказывая на его приповерхностный слой своеобразное пластифицирующее действие.
При наличии электрического поля в проводнике плотность тока и дрейфовая скорость электронов связаны соотношением j=eN0vo (e — заряд электрона; N0 — плотность электронов в проводнике). Из данного соотношения следует, что при плотностях тока на контактном пятне 104—106 А/см2 значения скорости электронов в микрообъеме, прилегающем к пятну, составляют 10-3—10-1 м/с, что сопоставимо со скоростями движения дислокаций [249]. Следовательно, для объяснения пластифицирующего действия тока могут быть привлечены представления работ [116, 121, 249, 288] о влиянии направленного потока электронов на перемещение дислокаций в приповерхностном слое.
Как видно из приведенных данных, эффект пластифицирования электрическим током реально проявляется лишь в некоторой области плотностей тока на контактных пятнах, лежащих в зависимости от электрофизических характеристик контактирующих металлов в пределах 104—106 А/см2.
Таблица 3.4
Влияние электрического тока на параметры трения системы стальной индентор — медь (N— 0,15 Н)
Такие плотности тока могут быть легко достигнуты в реально применяемых сильноточных скользящих контактах. В рассматриваемой области токовых нагрузок тепловое действие электрического тока хотя и не является преобладающим, однако также оказывает определенное влияние на фрикционный процесс. Повышение температуры в зоне трения и прилегающих микрообъемах, с одной стороны, способствует возрастанию площади касания и в конечном счете коэффициента трения. С другой стороны, при увеличении температуры снижается удельная сила трения ф, что приводит к уменьшению f [161]. Действие обоих факторов наглядно проявляется при включении и отключении тока (рис. 3.9, б). В момент включения происходит мгновенное возрастание температуры в зоне трения, ведущей к уменьшению φ и f. Далее за счет пластифицирующего действия тока и нагревания происходит увеличение площади касания, обусловливающее рост коэффициента трения. При отключении тока, напротив, f первоначально возрастает за счет скачкообразного снижения температуры и увеличения φ.
По мере увеличения токовых нагрузок (до 106—107 А/см2) усиливается и становится преобладающим тепловое действие электрического тока, ведущее к размягчению поверхностных слоев и схватыванию. При плотностях тока на контактных пятнах менее 103 А/см2 как пластифицирующее, так и тепловое действие тока малозаметно. В этих условиях более существенным фактором может оказаться влияние внешнего электрического поля в зазоре на кинетику окислительных процессов, что неоднократно отмечалось при исследовании слаботочных скользящих контактов [69, 74].
