Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор. Структура и износостойкость металлических материалов 14
1.1. Структурные аспекты износостойкости 14
1.1.1. Влияние типа кристаллической решетки на триботехнические характеристики 14
1.1.2. Влияние гетерофазных структур на износостойкость 20
1.2. Особенности деформации и разрушения поверхностных слоев при трении 22
1.2.1. Механизм усталостного разрушения 22
1.2.2, Пластическая деформация поверхностных слоев и вторичные структуры на поверхностях трения..26
1.3. Износостойкость азотированных сталей 34
1.3.1. Современные представления о механизме формирования структуры азотированного слоя...34
1.3.2. Характеристики трения и износа азотированных сталей 39
Выводы по главе 44
Глава 2. Материалы и методы исследования 50
2.1. Исследуемые металлические материалы 50
2.2. Методы обработки образцов сталей и сплавов 61
2.3. Методы структурных исследований 63
2.4. Методы измерения твердости 67
2.5. Методы испытаний на износостойкость 68
Выводы по главе 74
Глава 3. Исследование зависимости износостойкости азотированных конструкционных сталей от характеристик структурного состояния поверхностного слоя 75
3.1. Влияние легирующих элементов на структуру и износостойкость сплавов железа 75
3.2. Влияние структуры азотированного слоя на износостойкость сталей при разных видах испытаний 96
3.3. Влияние структуры азотированного слоя на эффект деформационного упрочнения и износостойкость сталей и сплавов при трении скольжении 104
3.4. Обсуждение результатов исследований 113
Выводы по главе 121
Глава 4. Влияние параметров технологии обработки на структуру и износостойкость азотированных сталей 123
4.1. Влияние величины зерна 123
4.2. Влияние обезуглероживания стали ВКС-7 на структуру и свойства азотированного слоя 131
4.3. Влияние условий нагрева при азотировании 142
4.4. Влияние способов поверхностного легирования азотом на структуру и износостойкость сталей 159
Выводы по главе 169
Глава 5. Разработка обобщенного параметра структуры поверхностного слоя для оптимизации процесса азотирования изделий с позиций износостойкости 172
5.1. Взаимосвязь относительной износостойкости азотированных сталей и сплавов с параметрами микроструктуры азотированного слоя и зоны поверхностной пластической деформации при трении. 173
5.2. Экспериментальная оценка триботехнических характеристик пар «азотированная сталь 38Х2МЮА — промышленный сплав» 193
Общие выводы 204
Литература 213
- Влияние типа кристаллической решетки на триботехнические характеристики
- Методы обработки образцов сталей и сплавов
- Влияние структуры азотированного слоя на износостойкость сталей при разных видах испытаний
- Влияние обезуглероживания стали ВКС-7 на структуру и свойства азотированного слоя
Введение к работе
Современные требования-научно-технического прогресса в отношении создания конструкционных материалов с заданными гарантируемыми свойствами определяют направления развития как соответствующих теоретических представлений, так и методологии технологических разработок, обеспечивающих реализацию внутренних нано- суб- и микроструктурных превращений и связанных с ними новых свойств.
В настоящее время повышение долговечности и надежности деталей машин, приборов и оборудования за счет современных методов модифицирования конструкционных материалов является одной из основных проблем современного машиностроения.. Особое место в этой проблеме занимают узльгтрения. Связано это с тем, что 85-90% машин не достигают требуемого ресурса по причине износа поверхностей сопряженных деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание изделий машиностроения в несколько раз превышают их стоимость. Поэтому создание машин, не требующих капитальных ремонтов за весь срок их службы, по эффективности равноценно удвоению мощности машиностроительных заводов и увеличению выпуска металла на многие миллионы тонн в год.
Азотирование является одним из эффективных и распространенных способов поверхностного модифицирования, повышающих сопротивление изнашиванию разнообразных деталей машин. Поэтому оно нашло наиболее широкое применение в тех случаях, когда основной причиной разрушения сопряженных деталей является сила трения. В, станкостроительной промышленности азотируют шпиндели, ходовые винты, направляющие станков, зубчатые колеса, т.е. такие детали, для которых нецелесообразно применять другие виды поверхностного упрочнения, например, цементацию или нитроцементацию. В автотракторной промышленности азотируют детали топливной аппаратуры - плунжерные пары, форсунки распылителя, валики и другие трущиеся детали. В судостроительной и авиационной
отраслях машиностроения, турбостроении азотирование широко применяется для крупногабаритных зубчатых колес, работающих при умеренных контактных напряжениях.
За четыре характерных периода развития азотирование продвинулось далеко вперед. Первые работы в период 1905-1940 годов связаны с именами Чижевского Н.П., Минкевича Н.А., Прокошкина Д.А и др. Этому периоду соответствует начало разработок промышленных процессов азотирования. Классическое газовое азотирование получило интенсивное развитие в период 1940-1960 годы и связано с именами Лахтина Ю.М, Косолапова Г.Ф., Арзамасова Б.Н., Когана Я.Д., Минкевича А.Н. В период 1960-1980 годовразвивается низкотемпературная химико-термическая обработка (НХТО). В этот период появляются работы Герасимова С.А., Зинченко В.М., Супова А.В., Глущенко В.Н., Бабад-Захряпина А.А., Тихонова А.К. Начиная с 80-ых годов прошлого столетия получили развитие новые направления НХТО. Этот период работы над проблемой азотирования связан с именами Панайоти Т.А., Цырлина Э.С., Бутенко О.И., Сыропятова В.Я., Герасимова С.А., Кипарисова С.С.
В настоящее время разработаны новые, более совершенные,
энергосберегающие, экологически чистые процессы, позволяющие улучшить
качество диффузионного слоя, значительно ускорить процесс насыщения.
Применение современных процессов азотирования для высоконагруженных
деталей машин позволит значительно расширить область применения этого
процесса и в более полной мере реализовать те преимущества, которыми
обладают азотированные стали по сравнению с цементованными. Это прежде
всего значительно меньшие деформации, более высокие износостойкость,
сопротивляемость схватыванию, теплостойкость. Применение
азотированных сталей для высоконагруженных зубчатых колес позволит отказаться от трудоемкой операции зубошлифования, являющейся неотъемлемой частью технологии изготовления цементованных зубчатых колес, и тем самым значительно снизить трудоемкость их изготовления.
7 В настоящее время* основным критерием высокой износостойкости
азотированных сталей является' их высокая поверхностная твердость.
Считается, что чем выше твердость азотированного слоя, тем выше его
износостойкость. Это положение лежит в основе выбора химического
состава сталей и режимов-их технологической обработки. В-действующих
стандартах авиационной, судостроительной, станкостроительной и других
отраслей машиностроения для распространенных азотируемых сталей,
применяемых ДЛЯ' изготовления различных изнашивающихся сопряжений
указаны режимы азотирования, обеспечивающие получение слоя с
максимальной твердостью.
Несмотря на то, что-в последнее время внесена определенная'ясность в механизм формирования структуры азотированного слоя, большинство отечественных и зарубежных исследователей, занимающихся изучением структуры азотированных сталей, связывают ее изменения, главным образом, с изменением твердости. Эти работы позволяют установить природу упрочнения, но вопросы влияния структуры на износостойкость остаются не затронутыми. С другой стороны, исследования износостойкости азотированных сталей, как правило, не учитывают структурные особенности азотированных сталей, что не позволяет сформулировать основные представления о влиянии структуры поверхностного слоя на износостойкость азотированной стали. Анализ работ, посвященных вопросам трения, и изнашивания азотированных конструкционных материалов, показывает, что не всегда следует стремиться к получению высокой твердости для обеспечения максимальной износостойкости, так как структура материала, отвечающая максимальной твердости и максимальной износостойкости, может быть разной.
Способность металлических материалов сопротивляться изнашиванию является структурно-чувствительной характеристикой. Механизм и кинетика формирования активных поверхностных слоев работающего на трение металла, характер диффузионных процессов и пластической деформации,
8 особенности фазовых превращений являются факторами, существенно влияющими на установившийся уровень поверхностного разрушения при трении. Однако отсутствие сформированного материаловедческого подхода к триботехническим свойствам азотированных сталей (подхода, который на методологической основе позволяет рассматривать связь структуры приповерхностных микрообъемов, технологии ее получения и триботехнических характеристик сопряжений) влечет за собой отсутствие структурных критериев износостойкости азотированных сталей и не позволяет научно-обоснованно назначать технологию азотирования, обеспечивающую получение поверхностного слоя с заданными и гарантированными свойствами, которые в более полной мере реализуют внутренние резервы эффективного метода химико-термической обработки. Поэтому разработка структурных критериев износостойкости азотированных деталей, работающих в условиях трения и изнашивания, имеет большое научное и практическое значение. Применение научно-обоснованной технологии азотирования обеспечит повышение долговечности и надежности трущихся сопряжений и снизит себестоимость их обслуживания.
В данной работе впервые предпринята попытка разработки обобщенного параметра структуры и свойств поверхностного слоя азотированных сталей и сплавов с позиций их износостойкости. Этот параметр получен на базе экспериментальных исследований, позволивших выявить зависимости износостойкости азотированных конструкционных сталей от характеристик структурного состояния поверхностного слоя. Исследовано влияние разных легирующих элементов на структуру и износостойкость сплавов железа с ОЦК и ГЦК решетками при разных условиях испытаний при трении. Экспериментально рассмотрена связь эффекта деформационного упрочнения и износостойкости. С позиций дислокационной структуры рассмотрены особенности влияния структуры и твердости поверхностного азотированного слоя на износостойкость.
9
Установленные закономерности взаимосвязи структуры
азотированного слоя и износостойкости экспериментально'
проанализированы с позиций влияния на них основных технологических
факторов: исходного размера зерна, обезуглероживания, условий нагрева при
азотировании, температуры и способов азотирования.
Проведенные исследования и их обобщение с позиций оптимальной структуры материала поверхностного слоя триботехнического назначения, показали, что установленная зависимость характеристики поверхностного разрушения (относительной износостойкости) при трении азотированных сталей от разработанного обобщенного параметра структурного состояния зоны поверхностной пластической деформации при трении, учитывающего также исходное структурное состояние азотированного слоя, является инвариантной. Поэтому она может служить аналитико-экспериментальным инструментом для оптимизации технологического процесса азотирования с позиций трибологии.
Цель данной работы* состояла в выявлении структурных факторов азотированных сталей и разработке обобщенного критерия, ответственного за триботехнические характеристики узлов трения.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
Изучить закономерности влияния нитридообразующих элементов на характеристики' структуры азотированных слоев, твердость и износостойкость сплавов на основе железа с ОЦК и ГЦК решетками.
Изучить влияние термической-обработки перед азотированием, условий нагрева при диффузионном, насыщении, температуры и способов азотирования на взаимосвязь структуры и износостойкости сталей.
Разработать аналитическую зависимость, определяющую связь износостойкости конструкционных азотированных сталей и
10 сплавов с параметрами структуры, твердостью азотированного
слоя и структурой зоны трения.
4. Установление экспериментальных зависимостей
триботехнических характеристик азотированной стали с оптимальными характеристиками структуры при трении в паре с промышленными сплавами для практических рекомендаций.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Экспериментальные результаты оценки влияния легирующих
элементов азотируемых сталей и сплавов на характеристики структуры и
свойств поверхностных слоев и выявленные наиболее значимые структурные
критерии азотированных конструкционных сталей, ответственные за
триботехнические характеристики диффузионного слоя.
Установленные закономерности' влияния условий предварительной обработки и азотирования сталей и сплавов* на характеристики структуры и триботехнические свойства поверхностных слоев.
Разработанный обобщенный параметр, определяющий взаимосвязь между характеристиками структурного состояния азотированного слоя и деформированной при трении поверхностной зоны, твердостью и относительной износостойкостью конструкционных азотированных сталей и сплавов.
Рекомендации по структурному состоянию поверхностного слоя азотированных сталей и технологическим условиям его реализации для повышения триботехнических характеристик конструкционных материалов.
Научную новизну работы составляют следующие положения.
1. Для< азотированных сплавов на основе железа с ОЦК и ГЦК решетками экспериментально установлены основные характеристики структурного состояния и свойств поверхностных слоев, влияющих на уровень поверхностного разрушения при трении: размер частиц нитридов легирующих элементов, расстояние между ними, микродеформация кристаллической решетки а-твердого раствора, значения физического
уширения интерференционных линий азотированного твердого раствора и физическог уширения зоны деформации после трения, твердость азотированного слоя в исходном до трения состоянии и изменение ее значения в результате деформации при трении. Стадии формирования структуры азотированного слоя обусловлены природой легирующих элементов, а характеристики твердости и износостойкости определяются особенностями дислокационной структуры и механизмов движения дислокаций при деформации в зависимости от степени когерентности нитридов и матрицы и размерных соотношений их решеток. Показано, что чем выше способность азотированных сталей и сплавов к деформационному упрочнению, тем выше их износостойкость при трении.
Установлено, что при изотермическом азотировании сталей с ферритной матрицей в отличие от применяемой технологии частицы, нитридов легирующих элементов достигают больших размеров, а плотность их распределения,- физическое уширение рентгеновских линий а-фазы и твердость азотированного слоя ниже; при этом реализуется наибольшая износостойкость диффузионных слоев, непосредственно прилегающих к поверхности.
На основе установленных закономерностей изменения уровня поверхностного разрушения конструкционных легированных сталей при разных методиках триботехнических испытаний в зависимости от структурного состояния и свойств азотированных слоев разработан обобщенный параметр структуры и свойств поверхностного слоя, учитывающий характеристики азотированного слоя и зоны поверхностной пластической деформации при'треншги линейно связанный с относительной износостойкостью сталей.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем.
1. На основе данных сравнительных триботехнических испытаний по разным методикам сплавов с различнымиными типами кристаллических
12 решеток матрицы сформулированы условия технологической обработки для достижения высокой износостойкости. В сплавах с ферритной основой максимальная износостойкость реализуется при образовании некогерентных частиц нитридов легирующих элементов (для стали 38Х2МЮА рекомендуется температура азотирования 620С). Максимальная твердость соответствует образованию когерентных с матрицей частиц нитридов. Для аустенитных конструкционных сплавов, легированных Ni, Cr, А1, Ті, в диапазоне температур азотирования 500-660 С изменение твердости приводит к аналогичному изменению износостойкости; максимум твердости и износостойкости соответствует температуре азотирования 540С.
2. Обоснована необходимость удаления обезуглероженного слоя перед
азотированием деталей триботехнического назначения: в
необезуглероженном поверхностном слое при азотировании формируются
более крупные частицы нитридов легирующих элементов, что связано с
увеличением доли гетерогенного механизма зарождения нитридов и
приводит к в двукратному увеличениию износостойкости по сравнению с
обезуглероженным азотированным поверхностным слоем.
3. С трибологической точки зрения сформулированы условия
двухступенчатого азотирования стали 38Х2МЮА. Повышение температуры
первой ступени от 520 до 560С при температуре второй ступени 620С
вызывает уменьшение твердости слоя от 1100 до 800 HV. Повышение
температуры второй ступени от, 620 до 700 С при температуре первой
ступени 520С приводит к уменьшению твердости от 1100 до 650HV.
Износостойкость увеличивается при повышении температуры первой и
второй ступени азотирования. Наиболее эффективным является повышение
температуры второй ступени.
4. Разработанный обобщенный параметр структуры азотированного
слоя, учитывающий характеристики диффузионной зоны и зоны
поверхностной пластической деформации при трении и линейно связанный с
относительной износостойкостью, рекомендован в качестве средства для
13 оптимизации технологического процесса азотирования с позиций
трибологии.
5. Стендовыми испытаниями подтверждена эффективность применения обобщенного параметра структуры и свойств азотированных сталей для рационального подбора пар трения «азотированная сталь - промышленный сплав». Полученные совокупности триботехнических характеристик пар трения «азотированная сталь 38Х2МЮА - промышленный сплав» (бронзы, стали, чугун) использованы в базе данных по триботехническим характеристикам сопряжений технологического оборудования и рекомендованы для использования при конструировании узлов трения высокого качества.
По результатам выполненных исследований опубликовано 7 научных работ.
Автор выражает искреннюю благодарность ведущему научному сотруднику института Машиноведения им. А.А.Благонравова РАН кандидату технических наук Лаптевой Валерии Григорьевне за помощь и консультации при проведении триботехнических испытаний и обсуждении их результатов, заведующему лабораторией, доктору технических наук Колмакову Алексею Георгиевичу и главному научному сотруднику, профессору, доктору технических наук Терентьеву Владимиру Федоровичу (Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН) за научно-организационную помощь и научные консультации.
Влияние типа кристаллической решетки на триботехнические характеристики
Авторы [1] изучали влияние асимметрии пространственного расположения атомов в кристаллических структурах на деформационную составляющую силы трения. Исследуемые кристаллы были ориентированы в главных плоскостях с малыми индексами: ниобия, меди и кремния в плоскостях-{001},{011},{111}, цинка - в плоскостях -{0001},{1120}, {1010}. На рис. 1.1 приведены зависимости- силы трения от кристаллографической ориентации для указанных монокристаллов. Для монокристаллов цинка в наибольшей степени выражена анизотропия силы трения, и величина ее максимальна в базисной плоскости {1010}.
Анизотропия силы трения: а - зависимость силы трения от нормальной нагрузки для цинка: 1 - {1000} 1120 ; 2 - {1120} 100 ; 3 -{1010} 1120 ; б - зависимость силы трения от направления трения скольжения для меди; в - зависимость силы трения от направления трения для кремния [1] плоскостях и направлениях. Для меди анизотропия силы трения наиболее выражена в плоскости {001} ,рис.1.1,б; но в средних значениях силы трения для плоскостей {001},{011},{111} существенной разницы не наблюдается. Для монокристаллов ниобия анизотропия не была выявлена. В работе [2] приведены данные исследования зависимости коэффициента адгезии от типа кристаллической решетки металла. Из полученных результатов можно сделать вывод, что материалы с гексагональной структурой по сравнению с материалами, имеющими другие кристаллические решетки (например, ОЦК и ГЦК), имеют пониженную адгезию, более низкие коэффициенты трения и большую износостойкость. Также показано, что трение минимально в направлении наиболее плотной упаковки атомов, что не согласуется с результатами [1].
Авторами [3] на примере кобальта установлено влияние аллотропического превращения на коэффициент трения, рис. 1.2. При комнатной температуре кобальт имеет ГПУ кристаллическую решетку, а при 317С решетка переходит в ГЦК. При скольжении одноименных материалов коэффициент трения остается низким (0,36) до температуры порядка 300С, после чего он резко возрастает и при температуре 550С практически происходит сваривание образцов. Если места схватывания образцов разрушить и образцы охладить до комнатной температуры, то коэффициент трения возвращается к первоначальному значению.
Аналогичные по физической сути результаты были получены в работе [4], где показано влияние типа кристаллической решетки на процесс трения титана, циркония, кобальта, лантана. Показано, что при переходе металлов в модификацию с кубической решеткой процессы схватывания происходят более интенсивно.
Антифрикционные характеристики кристалла тесно связаны с анизотропией его свойств. В табл.1, приведены значения коэффициента адгезии и трения скольжения, полученные при трении монокристаллов по различным плоскостям [2]. При трении меди по плоскости (111) в направлении [ПО] коэффициенты трения и адгезии более низкие, чем при трении по плоскости (100) в том же направлении. До трения коэффициент адгезии по плоскости (100) в тридцать раз больше, чем для плоскости (111), а после трения в десять раз больше. Коэффициент трения по плоскости (100) превышает пределы измерения используемой установки ( 40). Коэффициент трения Со (ГПУ) оказывается много меньше ,чем Си (ГЦК) и W(OUK).
Методы обработки образцов сталей и сплавов
Модельные сплавы перед азотированием подвергали отжигу при температуре 900С, 2ч. Стали 38Х2МЮА, 40Х, ВКС-7 перед азотированием подвергали улучшению по режимам соответственно: закалке от 920С в масле с последующим отпуском при 500-650С, 2 ч.; закалке от 850С в масле с последующим отпуском при 600С,2ч.; закалке от 900С в масле с последующим отпуском 600С, 2ч.
Насыщение поверхности образцов азотом проводили тремя способами, которые широко используются в промышленности. Газовое азотирование осуществляли в среде диссоциированного аммиака в лабораторной муфельной печи с трехсекционными нагревателями, что позволяло поддерживать одинаковую температуру в разных частях пространства камеры. Азотирование в тлеющем разряде или ионное азотирование проводили в лабораторной установке «Элитерм» в смеси азота и 5% водорода. Ионную имплантацию азота проводили в вакуумной камере при давлении 1,ЗЗх10"13Па. Образование и ускорение плазмы осуществлялось в ионном источнике низких энергий (150-200 эВ).
Металлографические исследования проводили на световом микроскопе «NEOPHOT-32». Выявление структуры осуществляли химическим травлением реактивом Ржешотарского (4% раствор азотной кислоты в этиловом спирте) [59]. Время травления варьировалось от 10 до 90с в зависимости от задач эксперимента.
Электронномикроскопические исследования на просвет тонкой фольги проводили на электронном микроскопе TESLA BS-540 с ускоряющим напряжением 120 кВ. Разрешающая способность микроскопа составляла 0,5 нм. С целью исследования тонкой структуры образцов получали изображение в светлом и темном полях, а также применяли метод микродифракции.
Конструкция микроскопа позволяла перемещать и наклонять исследуемый объект в широких пределах, вводить нужные кристаллографические плоскости в отражающее положение, тем самым правильно определять направленность и типы решеток фаз. Темнопольное изображение в рефлексе фазы выделения давало возможность оценить количество нитридов на единицу объема в матрице, их размер, исследовать форму частиц после различных видов обработки поверхности и для разного химического состава сталей. Для получения четкого темнопольного изображения дифрагированный пучок выводился на оптическую ось колонны с помощью наклона осветительной системы микроскопа. При этом разрешение темнопольного изображения приближалось к разрешению светлопольного изображения. Для получения истинной формы и размера нитридов производилось несколько снимков с одного места с различной фокусировкой. Светлопольные изображения давали возможность изучения субзеренной структуры кристаллов, оценки формы полей упругих искажений вокруг частиц второй фазы. Объекты для электронномикроскопических исследований изготавливали следующим образом. От образцов исследуемой стали, прошедшей надлежащую обработку, на отрезном станке отделяли пластинки толщиной от 0,3 до 0,5 мм. Отрезаемый материал охлаждался водой, наличие цветов побежалости на срезе не допускалось. Пластинки шлифовались на наждачной бумаге до толщины 0,05-0,1 мм только со стороны среза.
Приготовленная фольга разрезалась на кусочки размером 3x3 мм и подвергалась электролитическому травлению. Состав электролита: Н3РО4 -220 мл, Сг20з - 65 г, Н20 - 35 мл, напряжение 220 В, температура 70С. После полировки фольга промывалась в метиловом спирте и высушивалась на фильтровальной бумаге.
Рентгеноструктурные исследования проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4С с компьютерной обработкой. Для съемки использовалось монохроматическое СоКа - излучение.
Рентгенограммы азотированных образцов снимались , с тех поверхностей, которые впоследствии срезались для исследования на электронном микроскопе. Рентгеноструктурные исследования а-фазы в азотированном слое осуществляли после удаления нитридных слоев є— и уУ-фаз. Для этого поверхность образцов сначала шлифовали на мелкой наждачной бумаге, после чего травили концентрированной азотной кислотой для снятия слоев с наведенными шлифованием микронапряжениями. При этом постоянно контролировался фазовый состав поверхности. После полного исчезновения линий от є- и ул- фаз травление прекращалось.
В качестве эталонов использовали образцы сталей в отожженном состоянии. Для исследования структуры более тонких, чем при исследовании на дифрактометре ДРОН-4С, поверхностных слоев азотированных сталей после трения была использована специальная методика скользящего пучка рентгеновских лучей [60]. Эта методика представляет собой некоторое видоизменение рентгеносъемки поликристаллических веществ, проводимой от шлифа, которое заключается в том, что устройство камеры допускает возможность рентгеносъемки скользящим пучком, т.е. под малым углом, который образуется плоскостью исследуемого образца с направлением луча в камеру. Благодаря этому методика позволяет анализировать структурное состояние слоев нитридов железа на поверхности стали. В методике скользящего пучка рентгеновских лучей в условиях наклонных под разными углами съемок основными вопросами при анализе рентгеновской картины являются оценка толщины эффективно рассеивающих слоев и определение инструментальной (геометрической) ширины интерференционных линий на рентгенограмме.
Толщина слоя, участвующего в отражении рентгеновских лучей, зависит от природы вещества, длины волны излучения и геометрии съемки. В случае наклонных съемок первичный пучок лучей проходит в исследуемом материале расстояние t/sina, рассеянный - t/sin(2&-a), где t - толщина анализируемого слоя по нормали к поверхности; a - угол скольжения первичного пучка лучей по отношению к исследуемой поверхности (угол наклона образца); S-. угол скольжения пучка лучей по отношению к отражающей плоскости (угол Вульфа-Брегга). Полный путь рентгеновского луча выражается отношением: X=(t/sina+ t/sin(2$-a))/sinasin(2S-a) [60].
Влияние структуры азотированного слоя на износостойкость сталей при разных видах испытаний
В данном разделе проведено сравнение результатов исследования износостойкости разными методами, отличающимися схемой контакта трущихся пар и их взаимным перемещением: на машинах Шкода-Савин, СМЦ-2 по схеме «ролик по ролику» и на машине возвратно-поступательного движения по схеме «плоскость по плоскости». Сравнивали стали перлитного и мартенситного классов, азотированные при разных температурно-временных параметрах насыщения.
Результаты исследования азотированных сталей перлитного класса 38Х2МЮА и 40Х, рис.3.9,а-г, полученные на машине Шкода-Савин, показали, что с повышением температуры азотирования износостойкость увеличивается, достигая максимального значения при температуре 620С, несмотря на снижение твердости. Так, при температуре азотирования 620С сталь 38Х2МЮА обладает износостойкостью є=4,5, в то время как при температуре азотирования 500С износостойкость соответствует є=1,5. При этом твердость снижается от 11000 до 6000 HV соответственно. Для стали 40Х при температуре азотирования 620С износостойкость составляет є =3,1, а при температуре азотирования 500С износостойкость снижается до 1,2, при этом твердость возрастает от 3500 до 6750 HV при температурах азотирования 620 и 500С соответственно.
Так, при Р=50Н износ (потеря массы Am) стали 38Х2МЮА азотированной при 620С и испытанной по первому варианту, составляет 0,0002г, рис. 3.10,а, а износ этой же стали, азотированной при температуре 500С, составляет 0,002г. С увеличением нагрузки износ обоих роликов возрастает: при Р=500Н потеря массы ролика, азотированного при температуре 620С, составила Am =0,007г, а ролика, азотированного при температуре 500С - Ат=0,012г, рис. 3.10,а.
Следует отметить, что испытания по второму варианту, рис.3.10,6, показали минимальную разницу в износе первого и второго роликов при всех нагрузках: при Р=50Н Am=AmrAm2 составляет -0,001 г, в то время как при испытании по первому варианту Ат=0,0015г, а при испытании по третьему варианту, рис.3.10,в - Ат=0,002г.
Отличительной особенностью второго варианта испытаний от двух других является незначительное возрастание износа первого и второго роликов по мере возрастания нагрузки, особенно при Р 100Н, рис.3.10,6.
Полученные результаты исследования износа на машине возвратно-поступательного движения показали, что азотирование при температуре 620С обеспечивает большую износостойкость при всех проведенных циклах испытаний. Так, после 250 циклов образец, азотированный при температуре 620С, имеет А(і=16мкм, а образец азотированный при температуре 500С, обеспечивает Аё=34мкм, после 750 циклов азотированный при температуре 620С образец имеет Ad=38MKM, в то время как после азотирования при температуре 500С -Ad=75MKM.
Более высокая износостойкость азотированной при температуре 620С стали 38Х2МЮА объясняется образованием некогерентных нитридных частиц, работа перерезания дислокациями которых больше, чем работа перерезания когерентных нитридных частиц. Поэтому при формировании некогерентных нитридных частиц дислокации проходят между ними, т.е. действует механизм огибания частиц дислокациями (механизм Орована для перестаренных сплавов [67]). В связи с этим пластическая деформация в процессе изнашивания протекает легче, что и способствует повышению износостойкости.
Влияние обезуглероживания стали ВКС-7 на структуру и свойства азотированного слоя
Из ранее проведенных работ [.42] известно, что содержание углерода в поверхностном слое азотированной стали влияет на скорость роста и состав зоны, состоящей из нитридов железа, и, кроме того, влияет на формирование основного диффузионного слоя.
В данной части работы на примере стали ВКС-7 исследовали влияние обезуглероживания на структуру и износостойкость основного диффузионного слоя. Оценку количества углерода проводили на атомно-эмиссионном спектрометре с лазерным возбуждением. Диапазон измерения массовых долей элементов - от 10"5 до 100 %, предел допускаемой относительной погрешности измерений массовых долей элементов находится в интервале от 0,1 до 25%, порог обнаружения химических элементов не менее 10 5%.
Исследуемая сталь ВКС-7 перед азотированием подвергалась закалке с нагревом до температуры 930С в камерной электрической печи в воздушной атмосфере и высокому отпуску при температуре 600С. Как показали результаты количественной оценки, содержание углерода в обезуглероженном слое составило 0,02-0,03%, а в необезуглероженном — 0,16%, рис.4.5. Известно, что исследуемая сталь склонна к обезуглероживанию в процессе нагрева под закалку вследствие легирования никелем.
Проведенные рентгеноструктурные исследования физического уширения интерференционной линии (220) а-фазы р(220) показали, что в обезуглероженном слое наблюдается значительно большая величина р(220) в отличие от необезуглероженного азотированного слоя. Так, физическое уширение (3(220) составляет 37 мрад и 30 мрад в обезуглероженной и в необезуглероженной стали соответственно, рис.4.7, что указывает на значительно больший уровень микродеформации кристаллической решетки а-твердого раствора в азотированном слое обезуглероженного образца.
Таким образом, полученные данные по распределению твердости по толщине азотированного слоя и изменению физического уширения Р(220) матрицы указывают, что рентгеноструктурный параметр и микротвердость резко отличаются в азотированных образцах стали ВКС-7 с предварительно обезуглероженной и необезуглероженной поверхностью.
Как было показано в ранее проведенных работах [66], в сталях мартенситного класса образование нитридов легирующих элементов преимущественно происходит по гетерогенному механизму, т.е. на дефектах кристаллического строения (дислокациях), в отличие от нитридных частиц, образующихся по гомогенному механизму (в матрице), более дисперсных и когерентных с кристаллической решеткой матрицы, что вызывает большую величину микродеформации кристаллической решетки.
Исследования показали, что в азотированном слое обезуглероженной стали образуются более дисперсные нитридные частицы размером 3-4 нм, рис. 4.8,а-в, по сравнению с нитридными частицами, образующимися в азотированном слое в необезуглероженной стали, где их размер достигает 15-20 нм, рис. 4.9,а-в. Следовательно, есть основания сделать вывод, что такая разница в размерах нитридных частиц является следствием большого количества дефектов кристаллического строения, которые образовались в процессе закалки и сохранились после высокого отпуска в необезуглероженной стали. Кроме того, исследования структуры поверхностного слоя с помощью растрового электронного микроскопа закаленной стали показали, что в обезуглероженной стали на поверхности наблюдаются трещины, рис. 4.10,а, что может отрицательно повлиять на эксплуатационные свойства, в частности износостойкость.
Исследование износостойкости предварительно обезуглероженных и необезуглероженных и далее азотированных образцов проводили на машине Шкода - Савин, рис.4.7. Результаты показали, что износостойкость обезуглероженных образцов в 2 раза ниже, чем необезуглероженных, и составляет 2 и 4,3 соответственно. Эти результаты подтверждают описанные выше результаты, согласно которым высоким уровнем износостойкости обладает азотированная структура с некогерентными нитридными частицами, а, следовательно, с меньшим уровнем микродеформаций кристаллической решетки матрицы.
