Технические науки / 8. Обработка материалов в машиностроении

к.т.н. Бись С.С., магістр Корейба Є.І., Слюсарчук О.В.

Хмельницький національний університет, Україна

Прогнозування зносостійкості матеріалу зі зміцненою поверхнею, з врахуванням ефекту наводнювання

Підвищення зносостійкості матеріалу тільки лише термічною обробкою обмежено по своїх можливостях, тому, на нашу думку, буде доцільним провести дослідження закономірностей зміни на повітрі й у водні конструктивних і трибологічних характеристик пружинної сталі, зміцненої сучасними технологічними методами.

Одним із способів одержання матеріалів з різними властивостями об’єму і поверхні, що забезпечують підвищення їхньої зносостійкості і захист від впливу навколишнього середовища, є використання технологічних методів створення зносостійких поверхневих покриттів.

При виборі виду зміцнення необхідно враховувати умови експлуатації деталі, а, особливо, можливість насичення воднем. Як відомо, багато покриттів, що мають гарні показники зносостійкості на повітрі, при роботі в умовах наводнення різко зменшують ступінь захисту основи матеріалу від зношування.

При оцінці трибологічних характеристик матеріалів зі зносостійкими покриттями необхідно провести цілий ряд трудомістких випробовувань на тертя і знос, що дозволило б визначити найбільш ефективний метод технологічного зміцнення поверхні з урахуванням умов експлуатації пар тертя. Тому було вирішено провести дослідження показників мікропластичності і поверхневої міцності пружинної сталі зі зносостійким покриттям і порівняти отримані результати з її трибологічними характеристиками, з метою визначення можливості використання показників мікропластичності (s₃ і А₂) для можливого прогнозування зносостійкості матеріалу на етапі розробки і конструювання деталей пари тертя.

Визначення закономірностей зміни характеристик мікропластичності сталі зі зносостійкими покриттями на повітрі й у водні, дозволить пояснити отримані результати зносостійкості з погляду мікродеформацій, що протікають в об'ємі матеріалу й у поверхневих шарах при навантаженні тертям.

В роботі зупинимося докладно лише на оцінці їхніх показників мікропластичності і трибологічних характеристик при випробовуваннях на повітрі й у водні. Для дослідження впливу технологічних методів на трибологічні характеристики сталі, з різним вихідним структурним станом, зразки піддавалися наступним видам обробки:

- покриття, що наносяться на робочу поверхню при температурах до 100°С (так називані низькотемпературні покриття), у результаті після зміцнення вихідний структурний стан основи не змінювався. Досліджувалося покриття типу ЯНГ (хімічне хромування) пар тертя.

Відповідно до поставленої задачі, для досліджень використовували пружинну сталь 50ХФА. Для надання пружинним сталям пружних властивостей останні обробляються за спеціальною технологією: загартування від 860°С та відпуск 400-450°С, після якої сталь має високе значення межі пружності.

Для дослідження впливу структурного стану матеріалів на його трибологічні характеристики, обрана сталь 50ХФА досліджувалася в термічно обробленому стані: загартування від 870°С плюс відпуск при температурах 200, 300, 400 і 500°С, швидкість нагрівання під загартування - 100°С за годину, швидкість охолодження - 70°С/с, охолоджувальне середовище - масло; відпуск проводили протягом 2-х годин, у результаті чого одержували зразки з різним структурним станом.

Трибологічні дослідження металів в умовах сухого тертя ковзання проводилися на універсальній машині тертя моделі УМТ-2168. Дослідження проводилися за схемою тертя диск-палець на стандартних зразках (D = 5мм, L = 20мм).

Для реєстрації температури в зоні тертя використовували штучну термопару хроміль-алюміль. Температура вимірялася на відстані 0,5 мм від поверхні тертя.

До і після випробовувань зразки зважували на аналітичних вагах марки ВЛР-200 ДСТ 24104-88 з точністю до 0,00005г. Перед зважуванням вони промивалися в спирті і просушувалися. По отриманим даним розраховувалася лінійна інтенсивність зношування зразків:

I_h = Dh/L, (1)

де Dh - значення лінійного зносу матеріалу; L - шлях тертя.

Коефіцієнт тертя розраховували за формулою:

f = F_тр/Р, (2)

де F_тр - сила тертя; Р - сила притиску зразка до контртіла.

Опір мікропластичним деформаціям є однією з важливих характеристик пружинних матеріалів. Від ступеня розвитку мікропластичних деформацій у матеріалі залежать не тільки їхня втомна міцність, розмірна стабільність, різні релаксійні явища, але і їхня зносостійкість.

Дослідження мікропластичних деформацій проводили за методикою запропонованої Ільїнським І.І., Шевелею В.В. і Кругликом А.П.. Розміри зразків вибирали згідно рекомендацій, з таким розрахунком, щоб забезпечити високий рівень розрішення по залишковій деформації і міцність вільного кінця зразка стосовно дотичних напружень.

Для дослідів використовували плоскі консольно закріплені зразки, виконані у вигляді балки рівного опору товщиною 2 мм. За показниками тензометра і мікроскопа фіксували згинаюче зусилля Р и залишковий прогин у_ост. Перерахування показань тензометра в напруження s у зразку виконували за формулою:

s = 6РL/bh², (3)

де L - довжина зразка; b - ширина кінця зразка; h - товщина зразка.

Відносне значення залишкової деформації дорівнює:

e_ост = hy_ост/(L²+y²_ост). (4)

Відомо, що структурний стан матеріалу визначає його трибологічні властивості. Зносостійкість матеріалу значною мірою визначається показниками його мікропластичності (s₃, А₂). У даній роботі буде досліджена зміна показників мікропластичності матеріалу з різними технологічними способами зміцнення, а також визначено вплив водню на властивості зміцнених матеріалів.

Показники мікропластичності матеріалу є структурно чутливими і їх варто розглядати з погляду теорії руху дислокацій. Зміна стану поверхневих шарів матеріалу неминуче спричинить за собою зміну характеристик мікропластичності, незважаючи на те, що товщина зразків (2 мм) значно перевищує товщину зміцненого шару (2...180 мкм). Однак, мабуть, зіставляти отримані значення мікропластичності матеріалів з покриттям і без нього буде об'єктивним лише за умови однакового структурного стану основи матеріалу (нагадаємо, що показники мікропластичності дуже структурно чутливі). Така умова буде дотримуватися тільки при нанесенні на поверхню зразків низькотемпературних покриттів ЯНГ (хімічне хромування). При використанні інших покриттів, нанесення яких супроводжується нагрівом зразків до температур більше 500°С, призводить до відпуску основи матеріалу і зміні його структурного стану.

Для оцінки зміни мікропластичності сталі 50ХФА зі зносостійкими покриттями, на повітрі і після наводнення, використовувалася методика, в основу якої покладене визначення значення критичного напруження s₃ і показники деформаційного зміцнення А₂ для досліджуваних покриттів. Необхідно відзначити, що криві опору мікропластичності сталі 50ХФА зі зносостійким покриттям мали трьохстадійний характер залежності s - Öe_ост.

На рис.1 представлені криві зміни на повітрі значень s₃ і А₂ сталі 50ХФА, з нанесеним на її поверхню покриттям ЯНГ. При нанесенні на поверхню сталі 50ХФА, незалежно від її структурного стану, покриття ЯНГ, характеристики мікропластичності матеріалу збільшуються, якісний характер залежності мікропластичності від структурного стану основи матеріалу зберігається, і для структури мартенситу відпуску (300°С) вони приймають максимальні значення (див. рис.1).

Рис.1 Зміна мікропластичності (s₃ і А₂) сталі 50ХФА від структурного стану, з покриттям ЯНГ і без нього (випробовування на повітрі)

Загальне збільшення мікропластичності сталі 50ХФА, при нанесенні покриття ЯНГ (товщиною порядку 6...8 мкм), на нашу думку, можна пояснити закріпленням дислокацій на поверхні матеріалу, що сприяє зміцненню його поверхні.

У таблиці 1 приведена відносна зміна мікропластичності (s₃ і А₂) після наводнення.

Порівнюючи між собою значення s₃ і А₂, отримані на зразках з покриттям ЯНГ на повітрі і після наводнення, можна відзначить, що істотної зміни під впливом водню цих показників не відбувся (зменшилися до 4,5%), характер залежності значень s₃ і А₂ після наводнення від структурного стану матеріалу залишився колишнім. Це свідчить про те, що покриття ЯНГ запобігає насичення воднем поверхні і зменшує ступінь його впливу на властивості матеріалу.

Таблиця 1

Мікропластичність (s₃ і А₂) сталі 50ХФА у різному вихідному структурному стані з нанесеними зносостійкими покриттями

Вид покрит-тя	Середови-ще випробову- вання	Значення показників s3 (МПа) і А2 в залежності від температури відпуску матеріалу
		200°С		300°С		400°С		500°С
		s3	А2	s3	А2	s3	А2	s3	А2
Без	повітря	619	1,9	1515	6,6	1451	2,8	1365	2,1
	водень	576	1,0	1365	5,6	1301	3,2	1237	2,4
ЯНГ	повітря	896	2,2	1643	7,2	1557	3,0	1408	2,4
	водень	892	2,1	1635	7,2	1543	3,0	1400	2,3

Таблиця 1а

Зміна мікропластичності (s₃ і А₂) наводненої сталі 50ХФА, в різному вихідному структурному стані, із нанесеним зносостійким покриттям

Вид покриття	Зміна значень показників s3 і А2 (%) після наводнювання
	200°С		300°С		400°С		500°С
	s3	А2	s3	А2	s3	А2	s3	А2
Без покриття	- 7,0	- 47,0	- 10,0	- 15,0	-10,3	+ 14,3	- 9,4	+ 14,3
ЯНГ	- 0,5	- 4,5	- 0,5	0	- 0,9	0	- 0,6	- 4,2

Проведені дослідження мікропластичності на повітрі і після наводнення сталі 50ХФА, з нанесеними зносостійкими покриттями, дозволили визначити закономірності зміни їхніх показників. На нашу думку, показники мікропластичності можна використовувати як технологічну характеристику для прогнозування трибологічних характеристик матеріалів зі зносостійкими покриттями в різних агресивних середовищах. Тобто, по характеру зміни величин s₃ і А₂, можна якісно судити про ефективність використання покриття в тих чи інших умовах досліджень (експлуатації). Очевидно, більшу зносостійкість будуть мати ті покриття, що у більшій степені підвищують показники мікропластичності матеріалу, а також ступінь зміни мікропластичності матеріалу зі зміцненою поверхнею під впливом середовища дослідження буде відповідати зміні його зносостійкості в цьому середовищі.

Щоб перевірити зроблені нами раніше припущення по використанню показників мікропластичності для експрес оцінки ефективності різних методів підвищення зносостійкості деталей вузлів тертя на етапі їхнього проектування, було вирішено провести дослідження по визначенню трибологічних характеристик сталі 50ХФА, зміцненої технологічними методами з врахуванням ефекту наводнювання. Отримані результати можна також використовувати для практичної рекомендації при виборі технологічних методів зміцнення поверхонь пар тертя зі сталі 50ХФА із різним структурним станом основи матеріалу.

Покриття типу ЯНГ одержували методом хімічного осадження хрому на поверхню металевого зразка. У результаті, на робочій поверхні утворювалися зносостійкі плівки товщиною 6-8 мкм. При цьому мікротвердість збільшувалася в 1,3-1,6 разів, а шорсткість поверхні поліпшувалася на 2 класи. Отримані результати пояснюються властивостями хрому: висока твердість, низький коефіцієнт тертя ковзання, висока зносостійкість, корозійна стійкість і теплопровідність, а також добре зчепленням з основним металом. Технологія нанесення покриття ЯНГ дозволяє зберегти вихідний структурний стан основи, що, на нашу думку, є дуже важливим чинником.

Проведені випробовування показали значне розходження трибологічних характеристик (інтенсивності зношування, коефіцієнта тертя, температури тертя) сталі 50ХФА, у різному структурному стані, із покриттям ЯНГ на повітрі і після наводнювання, у порівнянні з результатами отриманими без покриття.

Результати порівняння інтенсивності зношування сталі 50ХФА із покриттям ЯНГ і без нього, на повітрі і з наводненою поверхнею показані на рис. 2. З них видно, що використання покриття ЯНГ дозволило істотно зменшити інтенсивність зношування матеріалу для всіх режимів випробовувань. При дослідженні на повітрі, розмір інтенсивності зношування зменшився в 2-7,5 разів, в залежності від умов досліджень і структурного стану вихідного матеріалу основи. Необхідно відзначити, що, із збільшенням температури відпуску основи матеріалу, ступінь захисту покриття від зносу збільшується від 2 до 7,5 разів.

Присутність водню в зоні контакту слабо впливає на тертя і зношування матеріалу (рис. 2). У цьому випадку незначно підвищується інтенсивність зношування матеріалу з покриттям ЯНГ (на 5-15%). Такий несуттєвий вплив водню пояснюється тим, що хром адсорбує водень дуже в малих кількостях і є ефективним захистом матеріалу від нього.

Найменшу інтенсивність зношування сталь 50ХФА із покриттям ЯНГ має з вихідним структурним станом мартенсита відпуску як на повітрі, так і після наводнювання, і найбільший розмір показників мікропластичностії.

При використанні покриття ЯНГ, коефіцієнт тертя на повітрі і після наводнювання зменшився в середньому на 30-40%, в залежності від умов випробовувань, що, мабуть, і пояснює зменшення інтенсивності зношування. Причому, величина коефіцієнта тертя зменшується при збільшенні швидкості ковзання.

Температура тертя залежить від режимів навантаження. Використання покриття ЯНГ дозволило знизити температуру в зоні контакту пар тертя, в залежності від умов випробовувань, в середньому на 20-35%, у порівнянні з однойменними парами тертя без покриття ЯНГ.

Хотілося б відзначити більш плавний характер зміни температури, а також коефіцієнта тертя ковзання, досліджуваної сталі 50ХФА із покриттям ЯНГ, у порівнянні з однойменними матеріалами без покриття. Зниження трибологічних характеристик сталі 50ХФА із покриттям ЯНГ свідчить про те, що дане покриття виконує роль "мастила" і сприяє "заліковуванню" мікродефектів на поверхні контакту, є ефективним бар'єром на стадіях зародження і поширення тріщин, а також зменшує шкідливий вплив водню.

Рис.2 Інтенсивність зношування І ( І×10^-10) сталі 50ХФА, з різним вихідним структурним станом, при Р = 10 МПа, V = 0,2 м/с: 1 – без покриття на повітрі; 2 – без покриття у водневому середовищв; 3 – з покриттям ЯНГ на повітрі; 4 – з покриттям ЯНГ у водневому середовищі.

Проведені трибологічні випробовування (рис. 2) сталі 50ХФА на повітрі і після наводнювання, показали, що досліджуване покриття значно впливає на процеси тертя. При випробовуванні в присутності водню в зоні тертя, відбувається загальне підвищення інтенсивності зношування, незалежно від виду зміцнення поверхні. Покриття, що мають у своєму складі хром, показали свою велику ефективність захисту від впливу водню, незалежно від способу нанесення його на поверхню матеріалу.

Аналіз отриманих значень мікропластичності і зносостійкості сталі 50ХФА, із зміцненою поверхнею, при випробовуванні на повітрі і водневому середовищі показав їхній взаємозв'язок і підтвердив зроблене нами припущення про можливість використання показників s_ТК, s₃ і А₂ для експрес оцінки трибологічних характеристик матеріалів із зміцненою поверхнею і з врахуванням умов експлуатації.

Література

1. Физико-химические свойства элементов: Справочник / Под ред. Г.В. Самсонова. - Киев: Наукова думка, 1965. - 808 с.

2. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. - М.: Металлургия, 1976. - 560 с.

3. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. - М.: Металлургия, 1973. - 400 с.

4. Ройх И.Л., Колтунова Л.Н., Федосов С.Н. Нанесение защитных покрытий в вакууме. - М.: Машиностроение, 1976. - 358 с.

5. Шатинский В.Ф., Нестеренко А.И. Защитные диффузионные покрытия. - К.: Наукова думка, 1988. - 272 с.

6. Мельник П.И. Технология диффузионных покрытий. - К.: Техніка, 1978. - 151 с.

7. Перепичка Е.В. Очисно-упрочняющая обработка изделий щётками. - М.: Машиностроение, 1989. - 136 с.

8. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1982. - 400 с.