mirtrМир транспортаWorld of Transport and Transportation1992-3252Russian University of Transport (RUT)mirtr-2Research ArticleВОПРОСЫ ТЕОРИИTHEORYМЕЖАТОМНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ПОВЕРХНОСТЯХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНОГО ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯINTERATOMIC INTERACTIONS ON THE SURFACES OF METAL-POLYMER TRIBOCOUPLINGКолесниковИ. В.KolesnikovI. V.

кандидат технических наук, доцент, заведующий научной лабораторией «Нанотехнологии и новые материалы» научно-испытательного центра «Нанотехнологии и трибосистемы»

Ph. D. (Eng.), associate professor, head of research laboratory «Nanotechnology and New Materials» of scientific and testing center «Nanotechnology and tribosystems»

kvi@rgups.ruРостовский государственный университет путей сообщения, Ростов-на-ДонуРоссияRostov State Transport University, Rostov-on-DonRussian Federation201528022015131 (56)1627Copyright © Колесников И.В., 20152015Колесников И.В.Kolesnikov I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2

На основе изучения тепловых и электрических полей в металлополимерной трибосистеме установлены критерии износа: для антифрикционных материалов – образование пленки переноса, а для фрикционных – снижение степени наводораживания металлического контртела. Отмечено, что максимум концентрации водорода совпадает с максимумом температуры. Представлены результаты исследования сегрегационных явлений легирующих и примесных элементов в трибосистеме колесо-тормозная колодка. Методом оже-электронной спектроскопии проведен анализ элементного состава на границах зерен стали железнодорожного колеса. Согласно полученным данным, верхние слои металла дефектов колеса кроме железа содержат серу, фосфор и цинк. В рабочем слое бандажа серы и фосфора значительно меньше на уровне их объемного содержания.

Tribology, which originated as the science of processes in macroscopic objects, thanks to advances in quantum chemistry and the development of experimental physics of X-ray photoelectron and Auger electron spectroscopy (XPS and AES), should now extend studies to micro- and nanolevels. It is necessary to examine in more detail interatomic interactions on the friction surfaces of both antifriction and friction couplings.

The objective of the article is to present the results of studies of segregation phenomena of alloying and impurity elements in the tribosystem «wheel-brake shoes», based on finite-element method, X-ray photoelectron and Auger spectroscopy, modelling, mathematical computations and simulation.

Considering regularities of the impact of temperature and thermal gradient on tribomechanical, triboelectric and tribochemical processes within the contact area of «polymer – metal», generalized recommendations on the selection of filling and strengthening elements became available.

For anti-friction composite polymeric materials the main criterion of minimizing the coefficient of friction and high wear resistance is the ability to spontaneously form on the friction surface a bilayer film that combines lubricating properties and high adhesion due to bipolar tribocharging of its composites.

For friction materials the main criterion to avoid increased wear and transfer of metal on the conjugate plastic surface is the reduction of the degree of hydrogenation of the metal counterface by establishing the optimum temperature gradient and positive tribocharging.

The solution of related non-stationary thermoelastic problem of brake disc-pad showed that the maximum temperature within all the thickness of the disk is located not on the surface but at depth. It was established experimentally that the maximum concentration of hydrogen in the disc coincides with the maximum temperature.

The binding energy of atoms of different elements to the surface of the grain is a periodic function of the atomic numbers of the elements. This may serve as a theoretical basis for predicting the strength properties of steel with a different composition of alloying and impurity elements.

The obtained results indicate the promising application of XPS, AES and quantum chemistry in solving tribological tasks.

железная дорогасистема колесо-тормозная колодкатрибологическое сопряжениеметаллополимерымежатомное взаимодействиепленкадиффузияконтактная термоупругая задачатемпературасегрегацияэлектризацияrailwaysystem wheel-brake shoetribological couplingmetal-polymersinteratomic interactionfilmdiffusioncontact thermoelastic problemtemperaturesegregationelectrificationReferencesЕвдокимов Ю. А., Колесников В. И., Козаков А. Т., Кравченко В. Н., Никольский А. В. Исследование фрикционного переноса политетрафторэтилена методом рентгеноэлектронной спектроскопии // Вестник машиностроения. – 1985. – № 2. – С. 33–36. Evdokimov, Yu.A., Kolesnikov, V.I., Kozakov, A.T., Kravchenko, V.N., Nikol’skiy, A. V. Investigation of friction transfer of polytetrafluoroethylene by X-ray photoelectron spectroscopy method [Issledovanie friktsionnogo perenosa politetraftoretilena metodom rentgenoelektronnoy spektroskopii]. Vestnik mashinostroeniya, 1985, Iss. 2, pp. 33–36.Евдокимов Ю. А., Колесников В. И., Козаков А. Т., Кравченко В. Н., Никольский А. В. Исследование фрикционного переноса политетрафторэтилена методом рентгеноэлектронной спектроскопии // Вестник машиностроения. – 1985. – № 2. – С. 33–36. Evdokimov, Yu.A., Kolesnikov, V.I., Kozakov, A.T., Kravchenko, V.N., Nikol’skiy, A. V. Investigation of friction transfer of polytetrafluoroethylene by X-ray photoelectron spectroscopy method [Issledovanie friktsionnogo perenosa politetraftoretilena metodom rentgenoelektronnoy spektroskopii]. Vestnik mashinostroeniya, 1985, Iss. 2, pp. 33–36.Кравченко В. Н., Козаков А. Т., Колесников В. И., Мигаль Ю. Ф., Никольский А. В. Исследование образования пленки фрикционного переноса антифрикционного самосмазывающегося композита на основе волокон политетрафторэтилена // Динамика и прочность под-вижного состава: Межвуз. темат. Сборник, – 1986. – № 185. – С. 75–80. Kravchenko, V.N., Kozakov, A.T., Kolesnikov, V.I., Migal’, Yu.F., Nikol’skiy, A. V. The study of formation of friction transfer film of antifriction self-lubricating composite on the basis of polytetrafluoroethylene fibers [Issledovanie obrazovaniya plenki friktsionnogo perenosa antifriktsionnogo samosmazyvayuschegosya kompozita na osnove volokon politetraftoretilena]. In: Dynamics and Strength of Rolling Stock. Interuniversity subject collection of works [Dinamika i prochnost’ podvizhnogo sostava: Mezhvuz. temat. sbornik]. 1986, Iss.185, pp. 75–80.Кравченко В. Н., Козаков А. Т., Колесников В. И., Мигаль Ю. Ф., Никольский А. В. Исследование образования пленки фрикционного переноса антифрикционного самосмазывающегося композита на основе волокон политетрафторэтилена // Динамика и прочность под-вижного состава: Межвуз. темат. Сборник, – 1986. – № 185. – С. 75–80. Kravchenko, V.N., Kozakov, A.T., Kolesnikov, V.I., Migal’, Yu.F., Nikol’skiy, A. V. The study of formation of friction transfer film of antifriction self-lubricating composite on the basis of polytetrafluoroethylene fibers [Issledovanie obrazovaniya plenki friktsionnogo perenosa antifriktsionnogo samosmazyvayuschegosya kompozita na osnove volokon politetraftoretilena]. In: Dynamics and Strength of Rolling Stock. Interuniversity subject collection of works [Dinamika i prochnost’ podvizhnogo sostava: Mezhvuz. temat. sbornik]. 1986, Iss.185, pp. 75–80.Никольский А. В., Козаков А. Т., Кравченко В. Н. Динамика изменения химического состояния поверхностей трения металлополимерного сопряжения в процессе фрикционного взаимодействия // Трение и износ. – 1988. – Т. 9. – № 5. – С. 860–869. Nikol’skiy, A.V., Kozakov, A.T., Kravchenko, V. N. Dynamics of changes in the chemical state of the friction surfaces of metal-polymer interface during frictional interaction [Dinamika izmeneniya himicheskogo sostoyaniya poverhnostey treniya metallopolimernogo sopryazheniya v protsesse friktsionnogo vzaimodeystviya]. Trenie i iznos, 1988, Vol. 9, Iss.5, pp.860–869.Никольский А. В., Козаков А. Т., Кравченко В. Н. Динамика изменения химического состояния поверхностей трения металлополимерного сопряжения в процессе фрикционного взаимодействия // Трение и износ. – 1988. – Т. 9. – № 5. – С. 860–869. Nikol’skiy, A.V., Kozakov, A.T., Kravchenko, V. N. Dynamics of changes in the chemical state of the friction surfaces of metal-polymer interface during frictional interaction [Dinamika izmeneniya himicheskogo sostoyaniya poverhnostey treniya metallopolimernogo sopryazheniya v protsesse friktsionnogo vzaimodeystviya]. Trenie i iznos, 1988, Vol. 9, Iss.5, pp.860–869.Чебаков М. И., Ляпин А. А., Колесников И. В. Расчет температурных полей при взаимодействии тормозной колодки и железнодорожного колеса на основе термо-упругой модели // Вестник РГУПС. – 2013. – № 2. – С. 76–79. Chebakov, M.I., Lyapin, A.A., Kolesnikov, I. V. Calculation of temperature fields in the interaction of the brake shoe and the railway wheel on the basis of thermoelastic model [Raschet temperaturnyh poley pri vzaimodeystvii tormoznoy kolodki i zheleznodorozhnogo kolesa na osnove termouprugoy modeli]. Vestnik RGUPS, 2013, Iss.2, pp. 76–79.Чебаков М. И., Ляпин А. А., Колесников И. В. Расчет температурных полей при взаимодействии тормозной колодки и железнодорожного колеса на основе термо-упругой модели // Вестник РГУПС. – 2013. – № 2. – С. 76–79. Chebakov, M.I., Lyapin, A.A., Kolesnikov, I. V. Calculation of temperature fields in the interaction of the brake shoe and the railway wheel on the basis of thermoelastic model [Raschet temperaturnyh poley pri vzaimodeystvii tormoznoy kolodki i zheleznodorozhnogo kolesa na osnove termouprugoy modeli]. Vestnik RGUPS, 2013, Iss.2, pp. 76–79.Колесников В. И., Мигаль Ю. Ф., Доронькин В. Н., Новиков Е. С., Колесников И. В. Взаимодействие атомов примесных и легирующих элементов с поверхностью зерен в стали // Вестник научного центра РАН. – 2012. – Т. 8. – № 4. – С. 27–33. Kolesnikov, V.I., Migal’, Yu.F., Doron’kin, V.N., Novikov, E.S., Kolesnikov, I. V. The interaction of atoms of impurity and alloying elements with the surface of the grains in the steel [Vzaimodeystvie atomov primesnyh i legiruyuschih elementov s poverhnost’yu zeren v stali]. Vestnik nauchnogo tsentra RAN. 2012, Vol, 8, Iss.4, pp. 27–33.Колесников В. И., Мигаль Ю. Ф., Доронькин В. Н., Новиков Е. С., Колесников И. В. Взаимодействие атомов примесных и легирующих элементов с поверхностью зерен в стали // Вестник научного центра РАН. – 2012. – Т. 8. – № 4. – С. 27–33. Kolesnikov, V.I., Migal’, Yu.F., Doron’kin, V.N., Novikov, E.S., Kolesnikov, I. V. The interaction of atoms of impurity and alloying elements with the surface of the grains in the steel [Vzaimodeystvie atomov primesnyh i legiruyuschih elementov s poverhnost’yu zeren v stali]. Vestnik nauchnogo tsentra RAN. 2012, Vol, 8, Iss.4, pp. 27–33.Анализ поверхности методами оже- и рентгеноэлектронной фотоэлектронной спектроскопии: Пер. с англ. / Под ред. Д. Бриггса, М. П. Сиха. – М.: Мир, 1987. – 600 с. Surface analysis by Auger and X-ray photoelectron spectroscopy techniques [Translated from English. Original title: Practical surface analysis by Auger and X-ray photoelectron spectroscopy. Russian title: Analiz poverhnosti metodami ozhe- i rentgenoelektronnoy fotoelektronnoy spektroskopii]. Ed. by. Briggs, D., Seah, M.P. Moscow, Mir publ., 1987, 600 p.Анализ поверхности методами оже- и рентгеноэлектронной фотоэлектронной спектроскопии: Пер. с англ. / Под ред. Д. Бриггса, М. П. Сиха. – М.: Мир, 1987. – 600 с. Surface analysis by Auger and X-ray photoelectron spectroscopy techniques [Translated from English. Original title: Practical surface analysis by Auger and X-ray photoelectron spectroscopy. Russian title: Analiz poverhnosti metodami ozhe- i rentgenoelektronnoy fotoelektronnoy spektroskopii]. Ed. by. Briggs, D., Seah, M.P. Moscow, Mir publ., 1987, 600 p.Seah M. P. Adsorption-induced interface decohesion // Acta Metallurgica, 1980, V.28, pp.955–962.Seah M. P. Adsorption-induced interface decohesion // Acta Metallurgica, 1980, V.28, pp.955–962.Колесников В. И., Мигаль Ю. Ф., Мижирицкая С. Н., Доронькин В. Н. Квантово-химическое иссле-дование влияния зернограничной сегрегации на износостойкость стали // Трение и износ. – 2008. – Т 29. – № 2. – С. 134–143. Kolesnikov, V.I., Migal’, Yu.F., Mizhiritskaya, S.N., Doron’kin, V. N. Quantum-chemical study of the influence of grain boundary segregation on the wear resistance of steel [Kvantovo-himicheskoe issledovanie vliyaniya zernogranichnoy segregatsii na iznosostoykost» stali]. Trenie i iznos. 2008, V. 29, Iss.2, pp. 134–143.Колесников В. И., Мигаль Ю. Ф., Мижирицкая С. Н., Доронькин В. Н. Квантово-химическое иссле-дование влияния зернограничной сегрегации на износостойкость стали // Трение и износ. – 2008. – Т 29. – № 2. – С. 134–143. Kolesnikov, V.I., Migal’, Yu.F., Mizhiritskaya, S.N., Doron’kin, V. N. Quantum-chemical study of the influence of grain boundary segregation on the wear resistance of steel [Kvantovo-himicheskoe issledovanie vliyaniya zernogranichnoy segregatsii na iznosostoykost» stali]. Trenie i iznos. 2008, V. 29, Iss.2, pp. 134–143.Te Velde, G., Bickelhaupt, F. M., Gisbergen van, S. J. A., Fonseca Guerra, C., Baerends, E. J., Snijders, J. G., Ziegler, T. Chemistry with ADF. Journal of Computational Chemistry, Vol. 22, No. 9, 931–967 (2001).Te Velde, G., Bickelhaupt, F. M., Gisbergen van, S. J. A., Fonseca Guerra, C., Baerends, E. J., Snijders, J. G., Ziegler, T. Chemistry with ADF. Journal of Computational Chemistry, Vol. 22, No. 9, 931–967 (2001).Орлов А. Н., Перевезенцев В. Н., Рыбин В. В. Границы зерен в металлах. – М.: Металлургия, 1980. – 156 с. Orlov, A.N., Perevezentsev, V.N., Rybin, V. V. Grain boundaries in metals [Granitsy zeren v metallah]. Moscow, Metallurgiya publ., 1980, 156 p.Орлов А. Н., Перевезенцев В. Н., Рыбин В. В. Границы зерен в металлах. – М.: Металлургия, 1980. – 156 с. Orlov, A.N., Perevezentsev, V.N., Rybin, V. V. Grain boundaries in metals [Granitsy zeren v metallah]. Moscow, Metallurgiya publ., 1980, 156 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.