Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Бысь С.С., магистр Бабяк С.И., Фрадынский В.А.

Хмельницкий национальный университет, Украина

Влияние водорода на свойства материала.

Влияние рабочей среды проявляется в изменении физико-механических свойств материала, носит временной характер и является структурно-чувствительным фактором. Только адсорбционное влияние требует относительно малого времени, а все другие виды влияния в значительной мере зависят от длительности процесса и могут вызывать как обратимое так и необратимое изменение свойств материалов. Одной из самых активных сред, влияющих на физико-механические свойства металлов является - водород, который адсорбируется в виде ионов и атомов [1-3]. Кроме регулярной диффузии, водород в любом состоянии может проникать внутрь металла через дефекты, а иногда по границам зерен. Регулярная диффузия усиливается с повышением температуры и увеличением искаженности решетки; нерегулярная - зависит от загрязненности металла и протяженности границ зерен. Оба вида диффузии определяются градиентами полей напряжений и температуры, а также концентрационным градиентом.

Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся деталей, выделяющийся из материалов пары трения или из окружающей среды. В большинстве своего проявления воздействие водорода приводит к негативным последствиям для трущихся пар материалов, однако, существует ряд работ, которые говорят о том, что в присутствии водорода значительно снижается изнашивание поверхностей [8].

Цель работы исследование влияния водорода на трибологические характеристики пружинной стали с различными структурными состояниями. Объектом исследования являлась сталь 60С2 (С - 0,62...0,70%; Si - 0,17...0,37%; Mn - 0,9...1,2%; Cr £ 0,25%; Ni £ 0,25%) широко применяемая в узлах трения промышленного оборудования (деревообрабатывающего, нефтеперерабатывающего, текстильного и др.). Различные структурные состояния стали достигали закалкой от 870°С с последующим отпуском при температурах 100, 200, 300, 400, 500°С.

Трибологические исследования металлов, в условиях сухого трения скольжения, проводились на универсальной машине трения модели 2168 по схеме трения диск-палец на стандартных образцах, обеспечивая возможность измерения и контроля основных параметров трения: скорости скольжения, удельной нагрузки, температуры, момента трения, пути трения, массового износа.

Моделирование влияния водорода на триботехнические характеристики стали 60С2 достигали путём насыщения образцов водородом при катодной поляризации в 10 %-м растворе Н₂SO₄, варьируя плотность тока в пределах от 1 до 4 А/дм² с шагом 0,5 А/дм² на протяжении 1-го часа.

Количество водорода диффундирующее в образец зависит от структурного состояния стали, плотности тока и времени насыщения.

Установлено, что небольшое количество водорода в стали (наводораживание при i = 0,5 А/дм²) не вызывает каких-либо изменений её трибологических свойств. Повышение концентрации водорода в стали выше некоторого предела (i > 2 А/дм²) изменяет физические и механические свойства и может вызывать появление дефектов типа сетки микротрещин, влияющих на прочность и износостойкость, что согласуется с результатами других исследователей [4].

Данные исследования позволили установить оптимальную плотность тока, обеспечивающую её максимальную износостойкость, которая составила 2 А/дм².

Поэтому все последующие исследования по определению триботехнических характеристик проводились при этой плотности тока для всех структурных состояний.

Изменения интенсивности изнашивания I и коэффициентов трения f ненаводороженных и наводороженных материалов при различных скоростях трения-скольжения и удельных давлениях прижима представлены на рис.1, 2, 3 из которых следует, что трибологические характеристики наводороженных и ненаводороженных образцов сильно отличаются друг от друга. Отличия наблюдаются при изменении скорости трения-скольжения и давления прижима образцов.

Рис 1. Зависимость интенсивности изнашивания (1, 2) и коэффициента трения-скольжения (3, 4) от скорости скольжения стали 60С2 с различным структурным состоянием при давлении Р = 10 МПа: а - V = 0,1 м/с; б - 0,2 м/с; в - 0,3 м/с; г - 0,4 м/с (1, 3 - ненаводороженные образцы, 2, 4 - наводороженные образцы).

Анализ кривых представленных на рис. 1, 2 и 3 показал, что при скорости трения скольжения 0,1 - 0,4 м/с для температур отпуска 400, 500°С, наблюдается снижение интенсивности изнашивания и коэффициента трения у наводороженных образцов по сравнению с ненаводороженными. Также можно отметить существование минимальных значений интенсивности изнашивания для структуры отпуска 300°С и коэффициента трения для структуры отпуска 100°С.

С увеличением относительной скорости скольжения выше 0,3 м/с, а также с увеличением температуры отпуска более 300°С пара трения исследуемой стали 60С2 с контртелом (сталь 45) становится неработоспособной из-за схватывания металла трущихся поверхностей и как следствие этого ускоренного механического истирания контактных поверхностей.

Рис.2. Влияние скорости трения-скольжения на интенсивность изнашивания (1, 2) и коэффициент трения (3, 4) стали 60С2 с различным структурным состоянием: а - 100°С; б - 200°С; в - 300°С; г - 400°С; д - 500°С (1, 3 - ненаводороженные образцы, 2, 4 - наводороженные образцы).

Наименьшее значение интенсивности изнашивания наблюдается при скорости трения-скольжения 0,2 м/с и давлении прижима образцов 10 МПа для образцов со структурой отпуска 300°С. Минимальное значение коэффициента трения отмечено при скорости-трения скольжения 0,1 м/с и Р = 10 МПа для образцов со структурой отпуска 100°С. Необходимо отметить, что в исследуемом диапазоне скоростей трения-скольжения и давлений наименьшую интенсивность износа, для ненаводороженные образцов, имеют образцы со структурой отпуска 300°С.

Рис.3. Зависимость интенсивности изнашивания (1, 2) и коэффициента трения-скольжения (3, 4) стали 60С2 при скорости скольжения 0,2 м/с для разных давлений: а - Р = 10 МПа; б - 20 МПа; в - 30 МПа (1, 3 - ненаводороженные образцы; 2, 4 - наводороженные образцы).

Результаты исследования температуры в зоне трения в зависимости от условий проведения эксперимента сведены в таблице 1. Для наводороженных и ненаводороженных образцов с увеличением скорости трения-скольжения и давления прижима образцов температура в зоне трения повышается. Причём с увеличением температуры отпуска и скорости трения-скольжения температура в зоне трения наводороженных образцов становится меньше чем ненаводороженных (табл.1).

Минимальная температура в зоне трения отмечена для структуры 400°С, для всего исследуемого нагрузочно-скоростного диапазона.

Из выше изложенного следует, что оптимальную структуру, с точки зрения обеспечения высоких показателей конструктивной прочности и износостойкости, сталь 60С2 имеет после закалки и отпуска 300°С, обеспечивающая её наименьшую интенсивность изнашивания. Увеличение или уменьшение температуры отпуска приводит к увеличению интенсивности изнашивания.

Таблица 1.Температура Т_тр в зоне трения стали 60С2 (Р = 10 Мпа).

Темпер. отп.	Температура Ттр°С в зоне трения при скорости трения-скольжения, м/с
образ.,	ненаводороженные образцы				наводороженные образцы
°С	0,1	0,2	0,3	0,4	0,1	0,2	0,3	0,4
100	105	200	210	300	120	195	240	240
200	105	195	270	420	135	255	255	330
300	120	255	300	345	150	240	285	345
400	105	180	255	270	105	150	195	225
500	150	210	300	315	120	180	201	240

Литература:

1. Карпенко Г.В., Василенко И.И. Коррозионное растрескивание сталей.- Киев.: Техника, 1971.- 212 с.

2. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах.- М.: Металлургия, 1974, 272 с.

3. Водородное изнашивание. Проблемы и реальность. Часть 1,2. / Я.Н. Гладкий, А.А. Бурлаков, С.С. Бысь // Проблемы трибологии. - 2000. - № 1. - С. 95-100, - № 3. - С. 57-67.

4. Карпенко Г.В. Физико-химическая механика конструкционных материалов. Избр.тр. в 2-х т. – Киев: Наукова думка, 1985. – Т.1. – 228 с.