Трібокорозія нержавних сталей (Огляд)
Проаналізовано трібокорозійну поведінку нержавних сталей у корозивних середовищах. Сформульовано актуальні завдання перспективних досліджень у цьому напрямку. Проанализировано трибокоррозионное поведение некоторых исследуемых материалов в рабочих средах. Сформулированы актуальные задачи перспективны...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2010
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31746 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) / В.І. Похмурський, В.М. Довгуник // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2010. — Т. 46, № 1. — С. 76-85. — Бібліогр.: 24 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31746 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Похмурський, В.І. Довгуник, В.М. 2012-03-17T16:17:04Z 2012-03-17T16:17:04Z 2010 Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) / В.І. Похмурський, В.М. Довгуник // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2010. — Т. 46, № 1. — С. 76-85. — Бібліогр.: 24 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31746 539.621 Проаналізовано трібокорозійну поведінку нержавних сталей у корозивних середовищах. Сформульовано актуальні завдання перспективних досліджень у цьому напрямку. Проанализировано трибокоррозионное поведение некоторых исследуемых материалов в рабочих средах. Сформулированы актуальные задачи перспективных исследований в этом направлении. The tribologycal behavior of some investigated materials is analyzed in service environments. The actual tasks of prospect researches in this direction are formulated. uk Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України Фізико-хімічна механіка матеріалів Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) Tribocorrosion of stainless steels (Review) Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) |
| spellingShingle |
Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) Похмурський, В.І. Довгуник, В.М. |
| title_short |
Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) |
| title_full |
Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) |
| title_fullStr |
Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) |
| title_full_unstemmed |
Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) |
| title_sort |
трібокорозія нержавних сталей (огляд) |
| author |
Похмурський, В.І. Довгуник, В.М. |
| author_facet |
Похмурський, В.І. Довгуник, В.М. |
| publishDate |
2010 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Tribocorrosion of stainless steels (Review) |
| description |
Проаналізовано трібокорозійну поведінку нержавних сталей у корозивних середовищах. Сформульовано актуальні завдання перспективних досліджень у цьому напрямку.
Проанализировано трибокоррозионное поведение некоторых исследуемых материалов в рабочих средах. Сформулированы актуальные задачи перспективных исследований в этом направлении.
The tribologycal behavior of some investigated materials is analyzed in service environments. The actual tasks of prospect researches in this direction are formulated.
|
| issn |
0430-6252 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31746 |
| citation_txt |
Трібокорозія нержавних сталей (Огляд) / В.І. Похмурський, В.М. Довгуник // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2010. — Т. 46, № 1. — С. 76-85. — Бібліогр.: 24 назв. — укp. |
| work_keys_str_mv |
AT pohmursʹkiiví tríbokorozíâneržavnihstaleioglâd AT dovgunikvm tríbokorozíâneržavnihstaleioglâd AT pohmursʹkiiví tribocorrosionofstainlesssteelsreview AT dovgunikvm tribocorrosionofstainlesssteelsreview |
| first_indexed |
2025-11-24T16:12:58Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:12:58Z |
| _version_ |
1850484465725341696 |
| fulltext |
76
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2010. – ¹ 1. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 539.621
ТРІБОКОРОЗІЯ НЕРЖАВНИХ СТАЛЕЙ (ОГЛЯД)
В. І. ПОХМУРСЬКИЙ, В. М. ДОВГУНИК
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Проаналізовано трібокорозійну поведінку нержавних сталей у корозивних середовищах.
Сформульовано актуальні завдання перспективних досліджень у цьому напрямку.
Ключові слова: трібокорозія, електродний потенціал, коефіцієнт тертя, зношу-
вання, коливний характер тертя, адсорбція, мікроелектрод
Трібокорозія – це незворотна трансформація приповерхневих шарів ме-
талів внаслідок їх фізико-хімічної та механічної взаємодій під час фрикційно-
го контакту в корозивних середовищах [1–3]. Вона охоплює синергічні ефек-
ти між механічними, хімічними та електрохімічними процесами, через які
втрати маси металу не є простою сумою механічного зношування та корозії,
визначених окремо, а дещо вищі.
На цю тематику опубліковано багато статей, в тому числі й оглядових,
але процеси, які відбуваються під час фрикційної взаємодії контактуючих ма-
теріалів в агресивних середовищах, вивчені ще недостатньо. Досліджено, в
основному, трібокорозійну поведінку нержавних сталей, титанових сплавів та
захисних покривів на них за різних схем випробувань та в середовищах різної
агресивності [4]. Менше – мідні та алюмінієві сплави, незважаючи на те, що
останні завдяки високій питомій міцності у промисловості використовуються
все частіше. Побудовано певні моделі трібокорозійної поведінки як металів,
так і захисних покривів на них у парі із керамічними, і металевими контртіла-
ми [1–3]. Це зумовлено складністю розуміння синергізму процесів трібокоро-
зії, коли у парах тертя поєднано різноманітні матеріали, оскільки фрикційна
взаємодія змінює чутливість матеріалів до корозії в агресивному середовищі,
а корозивний чинник – умови тертя.
Нижче проаналізовано деякі результати досліджень у цьому напрямку,
щоб глибше пізнати механізм трібокорозії та виробити подальшу стратегію
випробувань. Аналізували результати досліджень лише нержавних сталей та
деяких сплавів, що здатні пасивуватися під час трібокорозійних експериментів.
Показано [1], що особливістю процесів тертя та зношування металів у
електропровідних середовищах є те, що їх визначає електродний потенціал пар
тертя – фундаментальна характеристика електрохімічних систем. Найвідчутні-
ше впливають на зміну електродного потенціалу під час фрикційної взаємодії у
корозивному середовищі трібодеформація [1, 5, 6], геометрія фрикційного
контакту [1], агресивність середовища [5, 7–17], коливний характер тертя [18 –
21], адсорбція компонентів робочого середовища [22, 23].
Для on line моніторингу трібокорозії [4, 5, 7, 17] придатні ті ж методики та
обладнання, що і для корозії: вимірювання електродного потенціалу, електрохі-
мічного імпедансу та “електрохімічного шуму”, потенціостатичний та потенціо-
динамічний методи [9]. Однак для інтерпретації експериментальних даних пот-
Контактна особа: В. М. ДОВГУНИК, e-mail: dovhunyk@ipm.lviv.ua
77
рібний детальніший їх аналіз із урахуванням впливу тертя. Розглянемо вплив
вказаних параметрів на трібокорозійну поведінку контактуючих матеріалів.
Електродний потенціал. Вимі-
рюючи in situ зміну електродного по-
тенціалу, отримують інформацію про
електрохімічну поведінку матеріалів
у корозивному середовищі [1, 4]. За
поведінкою металів, які пасивуються
під час фрикційної взаємодії, виявили
[7], що зміна їх електродного потен-
ціалу під час тертя залежить від умов
випробувань. Якщо перед початком
експерименту пару тертя витримува-
ти певний час у досліджуваному се-
редовищі для досягнення пасивного
стану поверхні, то її електродний по-
тенціал значно зміщується в бік до-
датніших значень (рис. 1, ділянки 1 та
2). Початок руху та введення інденто-
ра в контакт зі зразком через граничну
плівку корозивного середовища, але
без прикладення робочого наванта-
ження, незначно зміщують електрод-
ний потенціал в бік від’ємніших зна-
чень, а після прикладення робочого
навантаження – суттєво. Такі зміни пов’язані з утворенням ювенільних по-
верхонь під час механічного руйнування поверхневих оксидних плівок або зі
структурними перетвореннями під час тертя в корозивному середовищі (рис. 1,
ділянка 3). Амплітуда цих змін зростає зі збільшенням прикладеного нор-
мального навантаження або швидкості ковзання. Це пояснюють [19] так:
– пасивні плівки на поверхні доріжки тертя частково або повністю руй-
нуються під час фрикційної взаємодії, що ініціює утворення гальванічних пар
між ними та ювенільним матеріалом.
– частота зміни електродного потенціалу контактуючого фрагмента до-
ріжки тертя при зміні швидкості ковзання корелює з часовим інтервалом,
впродовж якого матеріал у зоні контакту може репасивувати. За вищої швид-
кості ковзання кількість активного матеріалу на доріжці тертя зростає, оскіль-
ки її зміна визначає рівень репасивації поверхонь тертя і є одним із критич-
них параметрів під час трібокорозійних досліджень.
Після розвантаження пар тертя електродний потенціал зміщується в бік
позитивніших значень і за деякий час набуває приблизно таких значень, як
до початку випробувань (рис. 1, ділянка 4). Електродний потенціал пасивних
металів, заміряний під час тертя, коли навантажені та ненавантажені ділянки
металу контактують, є компромісним Еmіх між потенціалами Е та Е* наванта-
женої і ненавантаженої ділянок [8]. Аналіз електрохімічної поведінки металів
під час тертя дав змогу [8] розробити певні підходи до дослідження синергіз-
му в трібокорозії. Встановлено, що загальна зміна маси зразків після трібоко-
розійного експерименту Wtot = Wmech + Wcor + Wsyng є сумою її втрати за відсут-
ності корозії Wmech, за відсутності зношування (тільки під час корозії ) Wcor, а
також такої, що залежить від компромісного потенціалу Еmіх – тобто Wsyng . Як-
Рис. 1. Зміна електродного потенціалу
диска з нержавної сталі AISI 316 у 0,5M
розчині H2SO4 у парі з корундовою куль-
кою: 1, 2 – до навантаження; 3 – під час
навантаження; 4 – при розвантаженні [7].
І – занурення та початок обертання;
ІІ – прикладено робоче навантаження;
ІІІ – розвантаження.
Fig. 1. Variation of the open circuit potential of
a AISI 316 stainless steel disk immersed in
0.5M H2SO4 in a couple with a corundum ball:
1, 2 – before loading, 3 – under loading;
4 – after loading [7]. І – immersion and beginnig
of rotation; ІІ – applied load; ІІІ – unloading.
78
що Еmіх < Е*, ненавантажений матеріал є катодно поляризований і може розчи-
нятися з меншою швидкістю, а навантажений буде анодно поляризований і
розчинятиметься швидше, і, навпаки, якщо Еmіх > Е*. Ваговий знос Wsyng не
можна поєднати тільки зі зносом доріжки тертя.
Під час тертя матеріалів, які не
пасивуються у провідних середови-
щах (наприклад, Fe–Ni сплав у середо-
вищі H2SO4), коли пасивна плівка від-
сутня навіть під значним навантажен-
ням, потенціал змінюється всього на
кілька мілівольт (рис. 2) [7] і не відо-
бражає тих змін, що відбуваються у
зоні контакту, оскільки ефективність
утвореної гальванічної пари між ма-
теріалом свіжоутвореної доріжки тер-
тя та незношеної поверхні є незначна.
За різних навантажень порівняно
вплив швидкості ковзання під час ви-
пробувань в 0,5M розчині H2SO4 на
зміну електродного потенціалу мате-
ріалів, які пасивуються (нержавна
сталь AISI 316 (рис. 3a) і не пасиву-
ються (Fe–Ni сплав) (рис. 3b)) [17].
Виявлено, що зі зростанням швидкос-
ті за однакових умов навантаження
він зміщується у бік від’ємніших зна-
чень для матеріалів, які пасивуються,
і практично не змінюється для тих, що не пасивуються.
Рис. 3. Зміна електродного потенціалу нержавної сталі AISI 316 (a) та Fe–Ni сплаву (b)
в 0,5M розчині H2SO4 зі зміною параметрів тертя у парі з корундовою кулькою.
Швидкість ковзання – 0,031 m/s; – 0,093 m/s [17].
Fig. 3. Variation of the electrode potential of AISI 316 stainless steel (a) and Fe–Ni of alloy (b)
in 0.5M H2SO4 solution with variation of friction parameters in couple with a corundum ball.
Speed of sliding of – 0.031 m/s; – 0.093 m/s [17].
У трібокорозійних експериментах, виконаних за схемами кулька–площи-
на чи кулька–диск найбільше зацікавлює зміна значень електродного потен-
ціалу доріжки тертя відносно незношеної поверхні. Його значення тут різні,
оскільки в зоні контакту поверхневі плівки руйнуються та виникають меха-
нічні напруження. Якщо зношування доріжки тертя збільшується, то елект-
родний потенціал зразка змінюється залежно від контролюючих електрохі-
Рис. 2. Зміна електродного потенціалу
диска з Fe–Ni сплаву в 0,5M розчині H2SO4
у парі з корундовою кулькою до наванта-
ження, під час контактного навантаження
10 N та при розвантаженні. Швидкість
ковзання 0,063 ms–1 [7]. І – занурення та
початок обертання; ІІ – прикладено робоче
навантаження; ІІІ – розвантажено.
Fig. 2. Variation of the open circuit potential
of a Fe–Ni disk immersed in 0.5M H2SO4
before loading, under it at 10 N, and after
unloading. Sliding speed was 0.063 ms–1 [7].
І – immersion and beginnig of rotation;
ІІ – applied load ІІІ – unloading.
79
мічних процесів – анодних чи катодних. Однак детально інтерпретувати по-
ведінку матеріалів під час трібокорозійних досліджень, застосовуючи вказані
методики, також складно [6, 12].
Виявлено [17], що для опису локального стану поверхні металу в зоні
контакту та отримання точніших експериментальних даних про її стан необ-
хідні інші методичні підходи. Це можливо за використання мікроелектродної
техніки. Таку методику широко використовують для вивчення локальної ко-
розії [6] та дуже мало інформації про її застосування для дослідження трібо-
корозійних процесів [12]. Цей методичний аспект важливий, оскільки, на зна-
чення електродного потенціалу суттєво впливає взаємне розташування елект-
рода порівняння та зони тертя, а також провідність середовища. На жаль, у
літературі цьому питанню висвітлено недостатньо.
Трібодеформація. Встановлено взаємний вплив трібодеформації на змі-
ну електродного потенціалу матеріалу та прикладеного електродного потен-
ціалу на трібодеформацію [5, 6]. За допомогою потенціостатичного методу
вивчено вплив деформаційної поведінки нержавної сталі 316L на зміну її елект-
родного потенціалу в розчині H2SO4 у парі з керамічною кулькою за схемою
тертя кулька–площина [6], а також прикладеного потенціалу на зношування
та деформацію [5]. Порівняно дві електрохімічні ситуації: за катодної поля-
ризації, коли на металевій поверхні не було ніяких оксидних плівок, та за
анодної – коли на доріжці тертя вони утворились. Умови зношування вибра-
ли так, щоб пасивні плівки на зношеній поверхні мали час відновитися між
двома послідовними актами тертя. Трансмісійною електронною мікроскопією
(TEM) виявили, що зношені поверхні деформуються переважно на глибину
2…3 µm. Деформаційна поведінка металів залежить від електрохімічних умов
у зоні контакту: за анодної поляризації метал деформується більше, ніж за ка-
тодної. Макроскопічне поле напружень, що діє на поверхню тертя, залежить
від комбінації нормального навантаження, сили тертя та геометрії контакту.
Під час випроб контактне навантаження не змінювали, а геометрія контакту у
процесі випроб змінювалась від “кулька–площина” на початку експерименту
до “кулька–ввігнута поверхня” наприкінці. Встановлено, що коефіцієнт тертя
змінювався від 0,37 за катодної поляризації до 0,28 за анодної. Тому за катод-
ної поляризації слід було очікувати і більше зношування. Показано, що сту-
пінь зношування не обов’язково залежить від прикладеної сили тертя, а відо-
бражає дисипацію енергії під час фрикційної взаємодії, а прикладений потен-
ціал змінює структуру поверхневого шару доріжки тертя. Цей факт поясню-
ють взаємодією дислокацій з пасивними плівками, хоча це досить сумнівно,
оскільки первинним є механічне руйнування. Прикладений потенціал суттєво
впливає на розмір приконтактної пластично деформованої ділянки, структура
якої має дрібніші зерна за анодної поляризації, ніж за катодної. Напруження
призводять до трансформування залишкового аустеніту в мартенсит дефор-
мації тільки під час тертя за анодної поляризації. Будову утвореної мікрост-
руктури пояснюють дислокаційною поведінкою: під час прикладення наван-
таження ковзаючою кулькою густина дислокацій зростає. Дислокації форму-
ють осередки, які еволюціонують до критичної їх густини та формування зе-
рен згідно з іншою дислокаційною структурою. У підсумку залишковий аус-
теніт перетворюється в мартенсит деформації. Більшу густину дислокацій ви-
явили за анодної поляризації, ніж за катодної, за тих самих умов навантаження.
Вплив деформації та прикладених потенціалів на зношування вивчали не
тільки тому, що знос пришвидшує корозію, але і через різницю в механічній
80
деградації металу. Деформованіша мікроструктура в околі зони контакту за
анодної поляризації деградує більше, а прикладений потенціал впливає на рі-
вень трібокорозії, пришвидшує корозійні процеси і змінює зносотривкість [5].
ТЕМ виявлено, що пластична деформація сталі 316L та її механічне зно-
шування залежать від електрохімічних умов, які переважають у зоні контак-
тування. Цей факт пояснюють присутністю чи утворенням пасивних плівок
на поверхнях тертя, які можуть призводити до виникнення внутрішніх напру-
жень і/або перешкоджати генеруванню чи анігіляції дислокацій. Подібні над-
то деформовані приповерхневі шари також виявлено після випробувань мід-
них сплавів, вуглецевих сталей, інших типів нержавних сталей, а також тита-
нових сплавів [5, 6]. Цей факт не знайшов належного пояснення.
За анодної поляризації поверхня тертя нержавної сталі руйнується зде-
більш через механічне видалення зношених частинок із контактної зони та
розчинення металу. Зношування більше. За катодної поляризації розчинення
металу незначне. Руйнування зумовлене переважно механічним видаленням
частинок із зони контакту [6].
Катодна поляризація може призводити до наводнювання, а отже, до зміц-
нення металу та зменшення його пластичності внаслідок водневого окрихчен-
ня. Зокрема, мартенсит деформації формується під час адсорбції водню аус-
тенітом тільки за анодної поляризації [6]. Пасивні плівки нанометричних роз-
мірів, що присутні на поверхні тертя, можуть критично впливати на пластич-
ну деформацію та зносотривкість. Без оксидних плівок (за катодної поляриза-
ції) доріжка тертя швидко збільшує твердість одразу ж після перших циклів
тертя і залежить від стабільної дислокаційної структури у приконтактній зоні.
За анодної поляризації у приконтактній зоні тертя виникає більша деформа-
ція, що сприяє розрядці виникаючих дислокацій. Напруження зростають зі
збільшенням кількості циклів ковзання. На нашу думку, автори [6] не аргу-
ментують, за яких умов пасивні плівки генерують дислокації, а за яких сприя-
ють їх анігіляції, і не пояснюють механізм цих процесів.
Макроскопічне поле напружень, яке діє на поверхню тертя, залежить від
комбінації нормального навантаження, сили тертя та геометрії контакту, ос-
кільки тип фрикційної взаємодії (ковзання, кочення, фретинг чи кінетично
змінний характер тертя) визначає час перебування частинок зносу в зоні кон-
такту, а під час тертя в агресивному середовищі – ще й трібокорозійну пове-
дінку пар тертя [1, 5, 7, 8]. Швидкість трібокорозії суттєво залежить від спів-
відношення контактуючих площ або коефіцієнта взаємоперекриття повер-
хонь пар тертя K [1], який змінюється від 0 за схеми тертя кулька–площина до
1 – за торцьового тертя. Від нього залежить співвідношення між анодними та
катодними ділянками контактуючих пар. Зокрема, якщо пару тертя розгляда-
ти як корозійний макроелемент, то один із її компонентів стає анодом з по-
тенціалом Еanod, а інший – катодом з потенціалом Есatod. У зоні контакту вста-
новлюється компромісний потенціал Еmix, який визначає перебіг процесів
активації чи пасивації. Тут можливі такі варіанти: 1 – вільна від тертя поверх-
ня та доріжка тертя перебувають в активному стані; 2 – поверхня, вільна від
тертя – в пасивному стані (катод), а доріжка тертя – в активному (анод); 3 – по-
верхня, вільна від тертя – в активному стані, а доріжка тертя – в пасивному; 4
– дві поверхні тертя перебувають у пасивному стані. Останні два випадки реалі-
зуються, коли тертя ініціює пасивацію поверхонь – реакції трібополімеризації
тощо. Швидкість трібокорозії максимальна, коли утворюється гальванопара (ва-
ріант 2). Ефект від трібокорозії найбільший за активації поверхні тертя кулькою
81
(K → 0). З виходом кульки із контакту доріжка тертя миттєво омивається
електролітом і швидкість корозії зростає. Такий підхід до трібокорозійної по-
ведінки пар тертя, вперше сформульований у праці [1], а пізніше – в [10], отри-
мав назву “концепція активної доріжки тертя”. Коли K → 1, доступ середовища в
зону контакту утруднюється і швидкість корозії мінімізується.
Агресивність середовища. Відомо, що вона залежить від природи та
концентрації розчинених агентів окиснення, рН розчину, температури, наяв-
ності частинок твердої фази у зоні контакту тощо і значно впливає на трібо-
корозійну поведінку пар тертя. Зокрема, досліджуючи сталь 08Х18Н10Т під
час тертя у парі з керамічною кулькою за умов зворотно-поступального руху
в середовищах різної агресивності виявили, що швидкість її зношування знач-
ною мірою залежить від рН розчину [4, 7]. Вона зростала зі збільшенням
агресивності середовища [4]: під час тертя в дистильованій воді становила
0,15 mm/year, в розчині лугу (1н NaOH) збільшилась практично в 10 разів, а в
нейтральному розчині (1н Na2SO4) – до 3,0 mm/year. В 1н H2SO4 швидкість
зношування була максимальна – 7,3 mm/year. Без тертя швидкість корозії ста-
лі у цих розчинах не перевищувала 0,001 mm/year, а швидкість зношування
на повітрі становила 0,1 mm/year. Зауважимо, що коефіцієнт тертя сталі у
парі з керамічною кулькою зі зростанням агресивності середовища зменшу-
вався. На повітрі, за контактного тиску 0,4 МРа, він був найбільшим – 0,7; у
лужному середовищі становив 0,6; а в розчині сульфату натрію – 0,5. У роз-
чині сульфатної кислоти зменшився до 0,35. Зі зростанням контактного на-
вантаження швидкість зношування збільшувалась у всіх середовищах, а кое-
фіцієнт тертя, досягнувши максимуму, зменшився. Встановлено, що під час
тертя у парі з керамічною кулькою біля 87% втрат маси металу обумовлено
розчиненням, інтенсифікованим фрикційною взаємодією.
Заміри мікротвердості поверхні доріжки тертя після випробувань у вка-
заних розчинах показали, що вона не залежить від агресивності середовища, а
глибина деформованого шару є різна і зменшується зі зростанням агресивнос-
ті. Зокрема, якщо глибину деформованого шару в 1н розчині H2SO4 прийняти
за одиницю, то у Na2SO4 вона становитиме 3,6; в розчині NaOH – 4,5, а в дис-
тильованій воді дорівнюватиме п’яти одиницям.
Інші дослідники [9] трібокорозійної поведінки сталі AISI 304 за умов
фретингу під час випробувань в 0,5M розчині NaCl (pH 5,5), 0,02M розчині
Na3PO4 (pH 12,0) і 0,5M розчині H2SO4 (pH 0,5) зафіксували зміну в часі елект-
родних потенціалів та струмів корозії (рис. 4.). Нейтральний розчин NaCl ви-
брано як модельний, лужний Na3PO4 з високим pH – як інгібітор корозії;
H2SO4 – як агресивне кисле середовище. Зміну електродних потенціалів зраз-
ків в досліджуваних розчинах вивчали до, упродовж та після тертя ковзання у
парі з керамічною кулькою. Виявили, що після прикладення навантаження
електродний потенціал зразків зміщується у бік від’ємніших значень. У вста-
новленому режимі тертя він стабілізується, хоча фіксуються деякі його коли-
вання. Наприкінці випробувань, коли керамічну кульку роз’єднали з поверх-
нею зразка, його потенціал швидко повернувся до початкового рівня.
Встановлено, що заміряний струм корозії змінюється у фазі зі зміною
електродного потенціалу. Після притирання пар тертя він стабілізується, хоча
фіксуються незначні його коливання, а наприкінці випробувань повертається
до вихідного значення.
Така зміна потенціалів та струмів корозії свідчить про те, що пасивні
плівки на поверхні сталі AISI 304 під час випробувань у 0,5M розчині NaCl
82
(рис. 4a) руйнуються та видаляються під час припрацювання. Поверхня сталі
залишається частково активною у встановленому режимі тертя і швидко ре-
пасивує після розвантаження [9]. Подібні зміни електродних потенціалів та
струмів корозії, заміряні в 0,02M розчині Na3PO4 (рис. 4b), вказують на те, що
пасивна плівка на доріжці тертя руйнується вже на етапі припрацювання.
Сталь залишається активною під час тертя та репасивується після розванта-
ження. Електрохімічні дані, заміряні в 0,5M H2SO4, значно різняться. На по-
чатку експерименту електродний потенціал істотно змістився у бік від’ємні-
ших значень, що супроводжується зростанням струму корозії. Однак він
зменшувався експоненціально за подальших випробувань (рис. 4c). Піки
струму корозії регулярно фіксували з певною частотою. Коли ж корундову
кульку вивели із контакту зі зразком, значення електродного потенціалу сталі
наприкінці випробувань залишилось далеко від тих значень, що були до почат-
ку випробувань. Спостерігали тільки незначне пониження струму. Це, на дум-
ку авторів [9], пов’язане з тим, що певні ділянки поверхні доріжки тертя зали-
шаються активними і після випробувань.
Рис. 4. Зміна електродних потенціалів (1) та
струмів корозії (2) під час трібокорозійних
досліджень нержавної сталі AISI 304 у парі з
керамічною корундовою кулькою за умов
фретингу в розчинах: 0,5M NaCl (pH 5,5) (а),
0,02M Na3PO4 (pH 12) (b) та 0,5M H2SO4 (c) за
однакових умов випробувань: навантаження
5N, частота 10 Hz, тривалість випробувань
20000 циклів при спаренні з Рt-мікроелектро-
дом [9]; І – навантаження; ІІ – розвантаження.
Fig. 4. Variation of electrode potentials (1) and corrosion currents (2) during tribocorrosion
investigations of AISI 304 stainless steel sliding against a corundum ball in 0.5M NaCl (a),
0.02M Na3PO4 (b), 0.5M H2SO4 (pH 0.5) (c) solutions. Investigation conditions: 5N, 10 Hz,
20 000 cycles) for tests performed with coupling to a Pt-microelectrode [9]; І – loading;
ІІ – unloading.
Топографія та хімічний склад контактуючих поверхонь також впливають
на трібокорозійні процеси [7]. Зокрема, вихідна шорсткість поверхні та її ево-
люція під час випробувань, формування пластично деформованих поверхне-
вих шарів під час механічного руйнування чи динамічного впливу, утворення
захисних плівок, що виникають за фрикційної взаємодії, адсорбція органіч-
них молекул та формування шару з продуктів реакцій.
Коливний характер тертя. За фрикційної взаємодії поверхневий шар
металу перебуває під циклічним впливом прикладених навантажень [18]. В
результаті виникає складний напружений стан, який спричиняє знакозмінне
навантаження, і реалізується стрибкоподібний перебіг локальних елементар-
них актів тертя, періодично повторюваний у часі – коливний процес. Коли-
83
вання впливають на тертя та зношування і між ними існує взаємний зв’язок.
Вивчаючи тертя, слід враховувати вплив коливань різноманітних видів [18–
21]. Це важливо і під час трібокорозійних досліджень.
Механізм трібокорозійної поведінки металевих пар тертя у провідному
середовищі вперше запропонували в праці [1]. Встановили, що під час фрик-
ційної взаємодії металів у корозивно-активних середовищах виникає корозій-
ний макроелемент з певною різницею електродних потенціалів. Дискретність
контакту твердих тіл і коливний характер тертя спричиняють також і відпо-
відні коливання електродного потенціалу, частота і амплітуда яких корелює з
коливаннями коефіцієнта тертя [22]. Фрикційну взаємодію однорідних металів
в електроліті описує рівняння Еfrict = Е′frict + E′′frict , де Еfrict – потенціал, що вста-
новлюється на фрикційному контакті, а Е′frict та E′′frict – постійний та змінний
його складники, що виникають під час тертя. Коли фрикційна пара складаєть-
ся з різнорідних металів, то їй властивий компромісний електродний потен-
ціал. Тому змінний складник електродного потенціалу описали рівнянням
E′′frict = Еdeff + Еads + Еdl + Еsc, де Еdeff – зміщення потенціалу, пов’язане із не-
рівномірністю деформації локалізованих об’ємів поверхні, Еads – те саме,
внаслідок руйнування чи пошкодження адсорбованих або захисних плівок,
Еdl – коливання потенціалу від зміни будови подвійного електричного шару,
Еsc – коливання потенціалу, спричинені локальним утворенням на поверхні
тертя вторинних структур. Коливання Еdl можуть викликати різноманітні
чинники, зокрема, механічна сила, яка періодично змінюється і безпосеред-
ньо впливає на електрод чи рідинний прошарок. Змінний складник електрод-
ного потенціалу містить різні компоненти і може мати широкий амплітудно-
частотний спектр. На ділянках контакту мікронерівностей захисні плівки ло-
кально руйнуються, що призводить до різких коливань електродного потен-
ціалу, яке корелює і з коливаннями коефіцієнта тертя. Амплітуда цих коли-
вань також залежить від вищевказаних параметрів.
Адсорбція. Оскільки тертя має коливний характер, а зношуванню влас-
тивий втомний механізм, то фрикційну взаємодію металів у корозивно-актив-
них середовищах розглядають ще й як процес, пов’язаний з адсорбційною
(ефектом Ребіндера) та корозійною втомою [1].
Первинним актом взаємодії металевих поверхонь та середовища під час
тертя є адсорбція, яка через гетерогенність поверхні має локалізований харак-
тер. Перебіг процесів адсорбції обумовлює зміну електродних потенціалів, а
коливні процеси на електроді також суттєво впливають на адсорбцію. Зокрема,
якщо електроліт містить різноманітні компоненти, то локалізована адсорбція
кожного з них відбувається за різних потенціалів і визначає різну частоту ко-
ливань електродного потенціалу.
Адсорбційна втома передує іншим сильнішим впливам, оскільки окремі
мікрооб’єми металу під час тертя періодично стискаються, а інші – розтягу-
ються. Така нерівномірна деформація локальних об’ємів поверхні тертя приз-
водить до коливань і електродного потенціалу. Аналіз цих коливань надає ін-
формацію про елементарні акти активації–пасивації, генеровані на мікрорівні
контактуючих поверхонь упродовж випробувань [1, 4]. Зміна умов адсорбції
корелює зі зміною електродного потенціалу. Це є характерним під час тертя
металів. На неї суттєво впливає амплітуда коливань електродного потенціалу.
Підтверджено [20], що вимірювані під час трібокорозійних експеримен-
тів електрохімічні сигнали складаються з неперіодичних швидких коливань
електродного потенціалу через розриви чи тріскання захисних плівок і вине-
84
сення трібопродуктів із зони контакту та подальшу репасивацію доріжки тер-
тя. Це найінтенсивніший рівень активації–пасивації поверхні із найбільшими
амплітудами коливань елктродного потенціалу. Однак такі перехідні процеси
є ледь розпізнавані під час загальних вимірювань цих параметрів (рис. 5a) і їх
у свій час було названо “шумом”, а виявити їх можна лише за локальних змін
(рис. 5b). Тому такі перехідні процеси, генеровані у контактній зоні, почали
розглядати як наслідок перебігу двох різних явищ, що відбуваються пара-
лельно – зміна заряду подвійного електричного шару на активованій поверхні
– доріжці тертя та формування адсорбованого моношару і наростання оксид-
ного шару [20]. Раніше цю інформацію не аналізували, бо не знали, як її ін-
терпретувати, а дані про зміну електродного потенціалу чи струму корозії в
часі завжди подавали від початку і до кінця відліку експерименту – тобто “за-
гальні зміни” (рис. 5а). Аналізуючи локальні зміни вимірювальних парамет-
рів, виявили кореляцію між електродним потенціалом, струмом корозії коефі-
цієнтом тертя та їх циклічну зміну [11, 24]. Встановили, що зміщення елект-
родного потенціалу в бік від’ємніших значень завжди співвідноситься зі зрос-
танням струму корозії і, навпаки (рис. 5b).
Рис. 5. Загальні (a) та локальні (b) зміни потенціалу (1) та струму корозії (2) під час тертя
ковзання керамічною кулькою по нержавній сталі AISI 304 [11].
Fig. 5. Total (a) and local (b) changes of potential (1) and corrosion current (2) under sliding
friction of a ceramic ball on AISI 304 stainless steel [11].
Електродний потенціал зміщується в бік додатніших значень коли фор-
муються пасивні плівки, і як наслідок, анодний струм зменшується. Та, нав-
паки, змінюється в бік від’ємніших значень, коли пасивні плівки руйнуються.
Коефіцієнт тертя [24] та анодний струм зростають. Тому аналіз флуктуацій
потенціалу та струму дав змогу виявити перебіг процесів руйнування та від-
новлення пасивних плівок на трібоактивованій доріжці тертя упродовж ло-
кальних періодів експерименту [9].
Таким чином, особливістю процесів тертя та зношування у середовищах
різної агресивності є те, що вони залежать від електрохімічних параметрів
пар тертя. Між поверхнею зразка, яка не піддається тертю, та доріжкою тертя
в електроліті утворюється гальванопара. Літературні дані про трібокорозійну
поведінку матеріалів стосуються переважно дослідження змін компромісного
потенціалу. Це не надає достатньої інформації про поведінку матеріалу в зоні
контакту. Тому для опису стану поверхні доріжки тертя та отримання точні-
ших електрохімічних характеристик необхідні інші методики, зокрема, засто-
сування мікрозонда, поєднаного з електродом порівняння.
Під час трібокорозійних досліджень необхідно враховувати також зміну
поверхневої енергії металу за зміни його електродного потенціалу. Це може
впливати на процеси адсорбції поверхнево-активних речовин та мікродефор-
мацію металу в зоні контакту. Отже, необхідні нові методики для прецизійні-
85
ших досліджень саме зони тертя та встановлення кореляції між вимірюваль-
ними параметрами.
РЕЗЮМЕ. Проанализировано трибокоррозионное поведение некоторых исследуе-
мых материалов в рабочих средах. Сформулированы актуальные задачи перспективных
исследований в этом направлении.
SUMMARY. The tribologycal behavior of some investigated materials is analyzed in service
environments. The actual tasks of prospect researches in this direction are formulated.
1. Прейс Г. А., Дзюб А. Г. Электрохимические явления при трении металлов // Трение и
износ. – 1980. – 1, № 2. – C. 217–235.
2. Third body effects and material fluxes in tribocorrosion systems involving a sliding contact
/ D. Landolt, S. Mischler, M. Stemp, and S. Barril // Wear. – 2004. – 256. – P. 517–524.
3. Mischler S. Materials deterioration in trobocorrosion: mechanism and modeling // European
corros. congres EUROCORR’07, Dusseldorf, Germany, Paper No 1455 CD ROM – 9 p.
4. Mischler S. Triboelectrochemical techniques and interpretation methods in tribocorrosion:
A comparative evaluation // Tribology international. – 2008. – 41. – P. 573–583.
5. Favero M., Stadelmann P., and Mischler S. Effect of the applied potential of the near surface
microstructure of a 316 steel submitted to tribocorrosion in sulfuric acid // J. Phys. D: Appl.
Phys. – 2006. – 39. – P. 3175–3183.
6. Effect of surface chemistry on the mechanical response of metals in sliding tribocorrosion systems
/ A. Bidiville, M. Favero, P. Stadelmann, and S. Mischler // Wear. – 2007. – 263. – P. 207–217.
7. Landolt D. Electrochemical and materials aspects of tribocorrosion systems // J. Phys. D:
Appl. Phys. – 2006. – 39. – P. 3121–3127.
8. Celis J.-P., Pontiaux P., and Wenger F. Tribo-corrosion of materials: Interplay between chemical,
electrochemical, and mechanical reactivity of surfaces // Wear. – 2006. – 261. – P. 939–946.
9. Wu P.-Q. and Celis J.-P. Electrochemical noise measurements on stainless steel during
corrosion-wear in sliding contacts // Ibid. – 2004. – 256. – P. 480–490.
10. Garcia I., Drees D., and Celis J.-P. Corrosion–wear of passivation materials in sliding
contacts based on a concept of active wear track area // Ibid. – 2001. – 249. – P. 452–460.
11. Influence of friction on the local mechanical and electrochemical behaviour of duplex stainless
steels / V. Vignal, N. Mary, P. Pontiaux, and F. Wenger // Ibid. – 2006. – 261. – P. 947–953.
12. Landolt D., Stemp M., and Mischler S. Electrochemical methods in tribocorrosion: a critical
appraisal // Electrochim. Acta. – 2001. – 46. – P. 3913–3929.
13. Jemmely P., Mischler S., and Landolt D. Electrochemical modeling of passivation
phenomena in tribocorrosion // Wear. – 2000. – 237. – P. 63–76.
14. Olsson C.-O. and Stemp M. Modelling the transient current from two rubbing electrode
configurations: insulating pin on metal substrate and metal pin on insulating substrate //
Electrochim. Acta. – 2004. – 49. – P. 2145–2154.
15. Jiang J., Stack M. M., and Neville A. Modelling the tribo-corrosion interaction in aqueous
sliding conditions // Tribology international. – 2002. – 35. – P. 669.
16. Li D. Y. Influence of surface morphology on corrosion and electronic behavior // Acta
materiala. – 2006. – 54. – P. 445–452.
17. Electrochemical techniques for studying tribocorrosion processes / P. Pontiaux, F. Wenger,
D. Drees, and J.-P. Celis // Wear. – 2004. – 256. – P. 459–468.
18. Буданов Б. В., Кудинов В. А., Толстой Д. М. Взаимосвязь трения и колебаний // Трение
и износ. – 1980. – 1, № 1. – C. 79–89.
19. Chen G. X. and Zhou Z. R. Experimental observation of the initiation process of friction-
induced vibration under reciprocating sliding conditions // Wear. – 2005. – 259. – P. 277–281.
20. Role of contact frequency on the wear rate of steel in discontinuous sliding contact conditions / C.
Navas, I. Garcıa, X. Ye, J. de Damborenea, and J. P. Celis // Ibid. – 2006. – 260. – P. 1096–1103.
21. An electrochemical noise study of tribocorrosion processes of AISI 304L in Cl– and SO4
2- media / A.
Berradja, D. Deforge, R. P. Noguera еt al. // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2006. – 39. – P. 3184–3192.
22. Прейс Г. А. О природе коррозионно-механического изнашивания металлов // Трение и
износ. – 1987. – 8, № 5. – C. 792–797.
23. Гохштейн А. Я. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. – М.: Машино-
строение, 1976. – 226 c.
24. Triboelectrochemical behavior of arc sprayed coatings on alluminium alloys / V. Pokhmurs-
kii, V. Dovhunyk, M. Student еt al. // Surf. Eng. – 2008. – 1. – P. 9–13.
Одержано 10.07.2009
|