Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Структура и износостойкость азотированных сталей и сплавов 12
1.1 Структурные факторы износостойкости металлических материалов 13
1.1.1 .Влияние типа кристаллической структуры на характеристики трения и износа 13
1.1.2. Структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях при трении 20
1.1.3. Особенности пластической деформации поверхностных слоев металлических материалов при трении 27
1.1.4. Структурные критерии внешнего трения 32
1.2. Структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях сталей при азотировании 36
1.2.1. Диаграмма состояния железо - азот 36
1.2.2. Влияние предварительной обработки поверхности на структурные изменения при азотировании...39
1.2.3. Влияние режимов азотирования на структуру и свойства сталей 42
1.3. Структура и триботехнические характеристики азотированных сталей 44
1.3.1. Износостойкость азотированных сталей при трении 45
1.3.2. Контактная долговечность азотированных сталей 55
1.4. Свойства нанокристаллических материалов 58
1.4.1. Особенности структурных и фазовых превращений 58
1.4.2. Применение нанотехнологий в триботехнике.. 60
Выводы по главе 61
Глава 2. Материалы и методики экспериментального исследования 69
2.1. Материалы исследования 69
2.2. Методы обработки образцов сталей и сплавов 71
2.3. Методы механических испытаний 73
2.3.1. Статические методы определения твердости... 73
2.3.2. Методики триботехнических испытаний 75
2.4. Методы структурных исследований 83
Выводы по главе 88
Глава 3. Сравнительная оценка влияния азотирования и цементации на характеристики пар трения скольжения при изменении давления и скорости движения 90
3.1. Влияние внешнего давления на характеристики пары трения 90
3.2. Влияние скорости скольжения на характеристики пары трения 93
Выводы по главе 97
Глава 4. Влияние температуры предварительного отпуска на структуру и износостойкость азотированной стали 99
4.1. Структура поверхностного слоя азотированной стали 38Х2МЮА 99
4.2. Триботехнические характеристики азотированной стали и твердость поверхностных слоев 117
4.3. Структурные изменения в поверхностных слоях азотированной стали при трении 128
4.4. Обсуждение результатов исследования 149
Глава 5. Влияние режимов азотирования и структуры поверхностного слоя на триботехнические характеристики 157
5.1. Структура и износостойкость стали после азотирования при 550С 157
5.2. Влияние температуры и времени азотирования на структуру и износостойкость поверхностного слоя 177
5.3. Обсуждение результатов исследования 185
Общие выводы 190
Литература 198
- Структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях сталей при азотировании
- Структура и триботехнические характеристики азотированных сталей
- Влияние скорости скольжения на характеристики пары трения
- Триботехнические характеристики азотированной стали и твердость поверхностных слоев
Введение к работе
Современное машиностроение характеризуется сложными условиями эксплуатации машин, связанными с высоким уровнем действующих напряжений, вибрациями, широким температурным интервалом, агрессивными средами и т. п. Поэтому необходимо соблюдение особых требований к материалам по критериям надежности и долговечности деталей, из которых они выполнены. Материалы трущихся деталей должны обладать высокой износостойкостью. Как показывает статистический анализ, большинство машин (85 - 90%) выходят из строя в результате износа поверхностей отдельных деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость, причем с каждым годом расходы на восстановление машин увеличиваются. Создание машин, не требующих капитальных ремонтов, по эффективности равноценно удвоению мощности машиностроительных заводов и увеличению выпуска металла на многие миллионы тонн в год.
Среди различных способов повышения сопротивления изнашиванию основными являются цементация, нитроцементация и азотирование. В настоящее время все больше находит применение азотирование благодаря тому, что азотированные детали обладают более высокими износостойкостью и твердостью поверхностного слоя, малой деформацией обрабатываемой детали.
Процесс азотирования нашел особенно широкое применение в тех случаях, когда основной причиной изнашивания сопряженных деталей является сила трения. Под действием силы трения происходят многократная пластическая деформация в зоне контакта и структурные изменения, приводящие к образованию и распространению трещин и разрушению поверхностного слоя.
Считается, что основным критерием высокой износостойкости азотированных сталей является их высокая поверхностная твердость. Однако экспериментальные исследования и практика показывают, что не всегда следует стремиться к получению высокой твердости поверхностного слоя для обеспечения максимальной износостойкости, так как структура материала, отвечающая максимальной твердости и максимальной износостойкости, может быть разной. До настоящего времени практически отсутствует сформированный научно - обоснованный структурный подход к проблеме износостойкости азотированных сталей, т.е. подход, который на методологической основе позволяет рассматривать связь структуры приповерхностных микрообъемов, технологии ее получения и триботехнических характеристик сопряжений, что связано с явно недостаточным количеством исследований в этом направлении.
Сам же процесс азотирования используется уже давно, и он имеет историю с начала XX века. К настоящему времени можно выделить четыре характерных периода [1]:
1). 1905 - 1940 годы - первые системные изыскания в области азотирования и разработка промышленных процессов. С этим этапом связаны имена таких известных ученых России, как Чижевский Н.П., Минкевич Н.А., Конторович И.Е., Прокошкин Д.А. и др.
2). 1940 - 1960 годы - классическое газовое азотирование. Над его разработкой трудились Лахтин Ю.М., Косолапое Г.Ф., Арзамасов Б.Н., Коган Я., Минкевич А.Н. и др.
3). 1960 - 1980 годы - низкотемпературная химико-термическая обработка (НХТО). В этот период появляются труды Зинченко В.М., Герасимова С.А., Супова А.В., Глущенко В.Н., Бабад-Захряпина А.А., Тихонова А.К. и др.
4). 1980 - н/время - новые направления развития 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. и др.[1].
Практика исследования показала, что после азотирования изделие обладает повышенной твердостью, прочностью, износостойкостью, контактной выносливостью, задиростоикостью, сопротивлением усталости и коррозии. Технология азотирования достаточно проста, экологически безопасна, экономична и является, как правило, заключительным этапом обработки изделий. Эти преимущества обусловливают постепенный и непрерывный рост применения азотирования в различных областях промышленности. По данным международного общества по термической обработке и покрытиям материалов (МОТОМ) применение азотирования в промышленно развитых странах уже в 2000 год составляло 25 - 30% от общего объема изделий, упрочняемых ХТО [2]. При этом особое место азотирование занимает в проблеме повышения работоспособности изнашивающихся сопряжений машин.
Способность металлических материалов сопротивляться изнашиванию является структурно-чувствительной характеристикой. Механизм и кинетика формирования активных поверхностных слоев работающего на трение металла, характер диффузионных процессов, особенности фазовых превращений являются факторами, определяющими износостойкость. Поэтому актуальным и перспективным направлением развития и совершенствования технологии азотирования является трибологический подход к выявлению характеристик структурного состояния по глубине модифицированного при азотировании поверхностного слоя стали, включающий отдельное рассмотрение роли слоя нитридов железа и роли диффузионной зоны, в совокупности обеспечивающих повышение триботехнических характеристик сопряжения.
Целью данной работы является разработка научно-обоснованных положений о создании структуры азотированного слоя, обеспечивающей повышение триботехнических характеристик пар трения скольжения сталь сталь. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи.
1. Анализ основных структурных факторов износостойкости сталей и сплавов.
2. Проведение сравнительной оценки влияния внешнего давления и скорости относительного движения на триботехническую эффективность цементации и азотирования деталей пар реверсивного трения скольжения.
3. Установление влияния температуры предварительного отпуска стали на структурные и фазовые изменения по глубине поверхностного слоя азотированной стали и триботехнические характеристики сопряжения.
4. Исследование структурных изменений по глубине зоны деформации при трении азотированной стали и их влияния на износ материалов сопряжения.
5. Изучение влияния температуры азотирования на структурные и фазовые изменения по толщине азотированного слоя и износостойкость азотированных слоев.
6. Изучение влияния структурного состояния слоя нитридов железа (є- и у - фаз) на поверхности и диффузионного слоя стали 38Х2МЮА на триботехнические характеристики.
7. Разработка рекомендаций по структуре и фазовому составу азотированного слоя стали, обеспечивающих повышение триботехнических характеристик сопряжений.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Экспериментальные результаты оценки влияния давления и скорости скольжения тел на триботехнические характеристики азотированной стали для узлов реверсивного трения скольжения.
2. Установленные закономерности влияния предварительной термической обработки и температуры азотирования на структурные изменения и фазовый состав по глубине слоя нитридов железа и диффузионного слоя стали.
3. Закономерности влияния структуры и фазового состава азотированного слоя и их изменений по глубине зоны деформации при трении на процесс изнашивания пар трения скольжения.
4. Рекомендации по структурному состоянию слоя нитридов железа азотированной стали 38Х2МЮА для обеспечения надежности и долговечности пар реверсивного трения скольжения в среде пластичного смазочного материала.
Научную новизну работы составляют:
1. Экспериментально с позиций трибологии показана эффективность азотирования стали для пар реверсивного трения скольжения в широком диапазоне параметров внешнего давления и скорости относительного движения.
2. Впервые выявлены зависимости характеристик структурного состояния слоя нитридов железа и диффузионной зоны от условий предварительной термической обработки и азотирования.
3. Установлена кинетика структурных и фазовых изменений по глубине зоны деформации при трении азотированного слоя и впервые выявлены характеристики структурного состояния деформированной при трении зоны, определяющие повышение износостойкости стали в условиях трения скольжения.
4. На основе установленных закономерностей структурных изменений по глубине слоя нитридов железа и диффузионной зоны высказаны представления о механизме формирования нанокристаллического состояния є-фазьі на поверхности стали при азотировании и о механизме повышенной износостойкости слоя, состоящего из s-фазы, в условиях трения скольжения.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем.
1. На основе проведенных триботехнических испытаний реверсивных пар трения скольжения сталь - сталь в пластичном смазочном материале в диапазоне средних скоростей 0,1 - 0,4 м/с и давлений 0,2 - 40 МПа установлены основные преимущества характеристик пар трения с азотированными образцами по сравнению с парами трения с цементованными образцами: по предельно допустимым давлениям на пару Рд; по средним интенсивностям изнашивания основного образца, контртела и пары в целом в диапазоне давлений до Рд; по средним значениям коэффициентов трения в пределах давлений до Рд. При средней скорости скольжения 0,19 м/с предельно допустимые давления Рд на сопряжение с азотированными образцами составляет более 40 МПа, с цементованными - 20 МПа; интенсивности изнашивания в диапазоне скоростей 0,1 - 0,4 м/с азотированных слоев существенно ниже, чем цементованных.
2. Сформулированы условия предварительной термической обработки и азотирования стали 38Х2МЮА, при которых формируется структура нитридного слоя железа, обеспечивающая режим высокой износостойкости.
3. Показано, что формирование є-фазьі на поверхности азотированной детали узла трения скольжения позволяет исключить процесс шлифования после азотирования в тех случаях, когда это допускается процессами ее изготовления и эксплуатации; формирование преимущественно у -фазы на поверхности таких изделий при азотировании требует последующего шлифования для обеспечения нормального режима трения с допустимым уровнем износа.
4. Полученные практические результаты использованы в базе данных по триботехническим характеристикам сопряжений технологического оборудования.
По результатам выполненных исследования опубликовано 11 научных работ, основные из которых приведены в списке использованной литературы.
Автор выражает искреннюю благодарность ведущему научному сотруднику института Машиноведения им. А.А.Благонравова РАН кандидату техничекских наук Лаптевой В.Г. за помощь и консультации при проведении триботехнических испытаний и обсуждении их результатов; ведущему научному сотруднику ЦНИИЧМ им. Бардина кандидату физ.-мат. наук Лисоцкому И.В. за помощь в проведении электронномикроскопических исследований и их обсуждение; профессору кафедры МТ-8 МГТУ им. Н.Э.Баумана, доктору техн.наук Крапошину B.C. за помощь в обсуждении особенностей структурного состояния слоя є-фазьі на поверхности азотированной стали.
Структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях сталей при азотировании
Практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояния Fe-N, рис. 1.6 [37], на которой показаны следующие основные фазы. 1. а-фаза представляет собой азотистый феррит с ОЦК решеткой и периодом 0,2866 -0,2877нм в зависимости от содержания азота. Азот занимает октаэдрические поры в решетке ot-Fe. Растворимость азота в а-фазе при эвтектоидной температуре не превышает 0,11%, снижаясь при комнатной температуре до 0,004%. 2. у-фаза (азотистый аустенит) имеет ГЦК решетку с неупорядоченным расположением атомов азота в октаэдрических порах. При температуре 590С у-фаза претерпевает эвтектоидный распад у- а+у . В условиях больших переохлаждений у-фаза претерпевает мартенситное превращение по сдвиговому механизму. Азотистый мартенсит (а -фаза) представляет собой пересыщенный твердый раствор азота в a-Fe. Азотистый мартенсит имеет тетрагональную объемно-центрированную решетку. Атомы азота в ней распределены по серединам ребер элементарной ячейки. Тетрагональность азотистого мартенсита при одинаковых атомарных соотношениях несколько меньше, чем у углеродистого мартенсита. При распаде a -фазы в результате отпуска сначала образуется метастабильная а"-фаза, отвечающая нитриду Fei6N2 (12,5 атомов азота на 100 атомов железа), а затем образуется нитрид Fe4N.
Элементарная ячейка а"-фазы представляет собой 8 искаженных ОЦК ячеек исходной a -фазы. Атомы азота располагаются в положениях (001/4) и (1/2 1/3 3/4), то есть относительно редко, но упорядочено, занимая 1/24 всех октаэдрических пор. 3. у -фаза соответствует твердому раствору на основе нитрида Fe4N. Зона гомогенности при 590С лежит в пределах 5,30-5,75% N. Фаза у кристаллизуется в ГЦК решетку из атомов железа с упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных кубов (1/2 1/2 1/2). Фаза Fe4N устойчива только до 670С, при более высокой температуре она превращается в є-фазу. В [38] показано, что два вида нитридов y -Fe4N выделяется в поверхностном слое чистого железа, азотированного ионами, в процессе охлаждения с печью.
Один вид - состоящий из мелкодисперсных параллельных полосок, которые идентифицировали как дефекты упаковки, в то время как другой не имеет таких параллельных дефектов упаковки. Превращение нитридов а"-»у наблюдается в диффузионном слое, что дает определенное доказательство для зарождения in situ нитрида y -Fe4N на нитриде a"-Fei6N2. Микроструктура нитрида y -Fe4N, превращенного из нитрида a"-Fei6N2, содержит параллельные дефекты упаковки. Это превращение происходит при ориентационном соотношении (1 TlVllO Т0)а",[110]Г[111]а". 4. є-фаза - твердый раствор на основе нитрида Fe2-3N существует в широком интервале концентраций 4,55-11% и имеет плотноупакованную гексагональную решетку. Атомы азота располагаются в октаэдрических порах, образующих подрешетку типа графита. При 650С є-фаза претерпевает эвтектоидный распад на (у+у )-фазы. 5. -фаза имеет кубическую решетку с упорядоченно распределенными атомами азота и рассматривается как искаженная модификация решетки є-фазьі (псевдогексагональная).
Большее количество атомов азота вызывает сдвиг атомов железа. Упаковка атомов азота в -фазе более плотная. Область гомогенности -фазы невелика (11,07-11,18%N). Высший нитрид железа устойчив в равновесии с аммиаком при температуре до 450С. При более высоких температурах в атмосфере аммиака он распадается даже при небольшом содержании водорода. При изготовлении деталей азотирование, как правило, является финишной поверхностной обработкой, поэтому состояние поверхностного слоя до азотирования имеет принципиальное значение. Связано это с тем, что предварительно деформированная после различных технологических обработок поверхность имеет ряд принципиальных отличий как в структурном состоянии, так и в характеристиках механических свойств, которые существенным образом влияют на комплекс свойств при последующих обработках [39,40]. В [41] приведены результаты исследований влияния предварительной поверхностной пластической деформации (ППД) на структуру и свойства азотированного слоя. ППД осуществлялось выглаживанием и гидродробеструйной обработкой стали 16Х2НЗМФБАЮ-Ш. Показали, что в азотированном слое выделение нитридов легирующих элементов в деформированном предварительной обработкой твердом растворе происходит преимущественно по дислокационным дефектам решетки. При этом в азотированном слое образуются некогерентные выделения нитридов легирующих элементов, которые вносят в решетку ос-фазы меньше искажения, чем когерентные. Следовательно, повышение плотности дефектов структуры в поверхностном слое перед азотированием способствует увеличению количества некогерентных выделений, что ведет к уменьшению микродеформаций кристаллической решетки матрицы.
Структура и триботехнические характеристики азотированных сталей
Повышение износостойкости и увеличение контактной долговечности традиционно являются основными целями азотирования. Связано это с тем, что триботехнические свойства конструкционных материалов являются структурно чувствительными характеристиками. Процесс нагружения при трении характеризуется дискретностью площади фактического контакта, гидростатическим сжатием, поддерживающим влиянием боковых и нижележащих объемов недеформированного материала, сложной эпюрой напряжений. В зоне деформации четко выделяются две области напряженно-деформированного состояния: зона упругопластической деформации и зона упругой деформации [19,47]. Поэтому, если в контакт вступают материалы с заведомо неоднородным распределением структуры по нормали к поверхности, то подходы к решению проблем износостойкости при трении и контактной выносливости отличаются.
Влияние фазового состава азотированного слоя на триботехнические характеристики отмечается в [48,49]. Показали, что износостойкость азотированной стали выше, чем улучшенной. До скорости скольжения 3 м/с наличие нитриднои зоны, состоящей из у и є не оказывает влияния на величину износа. Однако при более высокой скорости скольжения износостойкость азотированного слоя без нитриднои зоны практически соответствует износостойкости неазотированной стали (улучшенной). Предполается, что нитриды играют положительную роль, снижая фактор адгезионного взаимодействия.
В [50] по результатам испытаний на машине Шкода-Савин при нагрузке 50Н сделан вывод, что износостойкость стали, содержащей только диффузионную зону, ниже износостойкости стали с нитриднои зоной, состоящей из фазы Fe2.3(N,C), но выше, если сталь содержит нитридную зону с є-фазой. Кроме того отмечается, что монозона из у -фазы обладает более высокими показателями антифрикционных свойств, чем зона из є - фазы.
Известно [48], что в результате образования на поверхности сталей при азотировании нитриднои зоны, состоящей из е-фазы, их коррозионная стойкость существенно повышается. Более того, высказано предположение, что ионное азотирование по специальному режиму может заменить гальваническое хромирование [48].
Из обзоров [48,51] можно сделать вывод, что повышение триботехнических свойств азотированных сталей проявляется в потерях на трение и износ, ослаблении склонности к схватыванию поверхностей трения, повышению усталостной прочности поверхностного слоя, в ослаблении химического взаимодействия с активными элементами окружающей среды. Как указывается в [51], причины этого состоят в специфическом строении слоя соединений (и прежде всего с гексагональной структурой е-фазы), присутствием в нем азота, относительно высокой твердости и прочности слоя соединений и расположенного под ним диффузионного слоя.
Главные процессы, приводящие к износу материала - образование и накопление дефектов строения, пластическое течение, образование продуктов износа, происходят, как правило, в первой зоне напряженно-деформированного состояния при трении, поэтому снижение сопротивления трению скольжения, ослабление склонности к схватыванию обусловлены в основном свойствами слоя соединений. Следовательно, для реализации положительных свойств слой соединений должен иметь определенную толщину, а варьированием параметрами технологического процесса можно получать заданные структуру и соответственно триботехнические характеристики легированной стали. При этом установлено, что регулирование фазового состава и содержание азота в нитридном слое при азотировании стали 38Х2МЮА достигается изменением азотного потенциала насыщающей атмосферы [52]. Отмечается, что для получения высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости при азотировании этой стали следует исключить образование на поверхности слоя из нитридных є, (є+у )-фаз и ограничиться образованием только зоны внутреннего легирования, состоящей из азотированного а-твердого раствора, у -фазы и нитридов легирующих элементов. Однако, экспериментального доказательства этого положения относительно характеристики износостойкости не приводится.
Следует особенно подчеркнуть, что роль нитридных поверхностных слоев при трении нельзя не учитывать, так как по данным [53] нитриды железа интенсивно поглощают водород, а азотированный а-твердый раствор является барьером для его диффузии в основу материала. При этом высокая концентрация водорода в нитридном слое обеспечивает явление самосмазывания водородом, приводящее к существенному снижению трения. Таким образом, в совокупности нитридный слой и диффузионная зона служат средством защиты от водородного изнашивания, широко распространенного явления в узлах трения машин и механизмов [54].
Влияние скорости скольжения на характеристики пары трения
Для условий возвратно-поступательного движения при средних скоростях скольжения 0,1; 0,19; 0,4 м/с испытывали две пары трения в сочетании сталь высокой твердости по стали высокой твердости: 1 - контробразец ШХ15 (после закалки HRC 60) - основной образец сталь 20 (цементация, закалка HRC 59); 2 - контробразец сталь 20Х (цементация, закалка, HRC 61) - основной образец сталь 38Х2МЮА (азотирование, HRC 65). В качестве смазочного материала использовали Солидол С (ГОСТ 4366-76). Основные экспериментальные результаты приведены на рис.3.2, 3.3 и в табл.12.
Как следует из экспериментальных данных, кривые изменения интенсивности изнашивания образцов сталей 20 и 38Х2МЮА после цементации и азотирования соответственно в зависимости от внешнего давления на сопряжение, рис.3.2, и зависимости предельно допустимого давления и средней величины интенсивности изнашивания в диапазоне давлений до предельно допустимых от скорости скольжения при трении, рис.3.3, имеют существенные отличия в количественных характеристиках. Предельно допустимое давление при всех скоростях скольжения для пар трения, в которых один из образцов был подвергнут азотированию, всегда выше, чем для пары с образцом после цементации; кроме того, величины средней интенсивности изнашивания обработанных образцов и суммарной интенсивности изнашивания пары в целом (образца и контробразца) убедительно показывают преимущества процесса азотирования с точки зрения триботехники тяжело нагруженных сопряжений, тела которых совершают реверсивное трение скольжения.
На основе анализа зависимостей износа от нагрузочно-скоростных параметров для изучения кинетики изнашивания были выбраны следующие условия испытаний азотированной стали 38Х2МЮА: сопряженный образец -сталь ШХ15; смазочный материал Солидол С; Р = 10 МПа, V = 0,19 м/сек.
Проведены лабораторные триботехнические испытания реверсивных пар трения скольжения, контртелом в которых служили стали в закаленном состоянии, а основным образцом - стали 20 и 38ХМЮА в состоянии после цементации и последующей закалки и азотирования соответственно. Испытания проводили в пластичном смазочном материале Солидол при изменении внешнего давления в широком диапазоне и разных скоростях взаимного скольжения твердых тел. Внешнее давление варьировали в диапазоне 0,2-40 МПа, скорости скольжения изменяли от 0,1 до 0,4 м/с. Для данных условий испытаний экспериментально показано, что ведущие триботехнические характеристики: интенсивность изнашивания, коэффициент трения, предельно допустимые давления для сопряжений, в которых одно из тел подвергнуто азотированию, не только не уступают, но существенно превосходят эти показатели по сравнению с парами, в которых одно из тел подвергнуто цементации.
Полученные результаты, а также многочисленные опубликованные данные, часть из которых приведена в литературном обзоре, позволяют достоверно утверждать, что процесс азотирования является одним из эффективных методов модифицирования поверхностей трения с целью обеспечения надежности и долговечности тяжело нагруженных трущихся сопряжений в изделиях различных отраслей машиностроения.
Триботехнические характеристики азотированной стали и твердость поверхностных слоев
В практике азотирования существует установившееся мнение, что высокая твердость азотированного слоя обусловливает его высокую износостойкость. Технологический процесс азотирования для деталей, работающих в условиях трения и износа, также всегда стремятся проводить таким образом, чтобы получить слой, имеющий как можно большую твердость. Но эта точка зрения не всегда имеет экспериментальное подтверждение. Кроме того, имеющийся экспериментальный материал свидетельствует, что свойства азотированного слоя зависит от множества факторов, в том числе и от условий предварительной термической обработки. В связи с этим в данной работе изучено влияние температуры предварительного отпуска стали 38Х2МЮА на износостойкость азотированного слоя.
Результаты оценки интенсивности изнашивания в функции времени испытаний приведены на рис.4.8. Четко выявляется роль предварительного отпуска стали в характере изнашивания. Наблюдается зона предельно низкого износа, когда уровень потери массы образцов при трении находятся на уровне чувствительности регистрирующей аппаратуры. При этом с увеличением температуры предварительного отпуска эта зона увеличивается и смещается в более глубокие слои. Образец с температурой предварительного отпуска 650С в режиме предельно низких потерь массы при трении работает около 150 часов, включая приработку, тогда как образец с температурой отпуска 500С - только 50 часов (а так как испытания проводились в форсированном режиме, то истинная разница для обычных условий значительно выше).
Другой особенностью кривых изнашивания является то, что на них можно также наблюдать, кроме зоны приработки и предельно низкого износа, зону высокой износостойкости. Эта зона характеризуется достаточно низким ( Ю"9) и стабильным значением интенсивности изнашивания. Длительность этого периода также зависит от температуры предварительного отпуска: она тем выше, чем при более высокой температуре был проведен предварительный отпуск. Так для ТОТП=500С длительность работоспособности этой зоны составляет около 60 часов, мало изменяясь для температур 550 и 600С. Однако для образцов, отпущенных при температуре 650С, временная протяженность этой зоны возрастает до 150 часов (в условиях форсированного режима испытаний).
Следует заметить еще одну характеристику кривых изнашивания, которая зависит от температуры предварительного отпуска - это общий путь трения (время испытаний до появления повреждений поверхности в виде задира). С повышением температуры отпуска в последовательности 500-»500-»600-»650С этот параметр также значительно возрастает в последовательности 150-» 185- 200-»300 часов. Заканчиваются испытания задиром, когда в сопряжении наблюдается резкий скрежет и высокий коэффициент трения.
Заслуживают особого внимания кривые зависимости интенсивности изнашивания от глубины азотированного слоя стали 38Х2МЮА, рис.4.9. На этих графиках четко выявляется четыре зоны: I - зона приработки; II - зона предельно низкого износа; III - зона высокой износостойкости и IV - зона задира, т.е. переход пары трения в неработоспособное состояние. Эти кривые также иллюстрируют важную роль температуры предварительного отпуска. Видно, что с увеличением температуры предварительного отпуска от 500С до 650С происходит увеличение толщины слоя, обеспечивающего предельно низкий износ, продвижение этой зоны вглубь и увеличение слоя высокой износостойкости. При температуре отпуска 500С зона предельно низкого износа находится на глубине до 6 мкм; 550С - до 8 мкм; 600С - до 12 мкм; 650C - до 16 мкм, т.е. при увеличении температуры отпуска на 150 протяженность практически безызносной зоны увеличивается более, чем в два раза. (Заметим, что толщина слоев оценивалась по потере массы образцов и площади контакта).
Зона высокой износостойкости увеличивается на более значительную глубину. С повышением температуры отпуска от 500 до 650С она увеличивается с 8 мкм до 52 мкм и задир наступает в более глубокой области. При температуре отпуска 500С общая толщина слоя до задира h=16 мкм, а при ТОтп=650С - h 70 мкм. Можно заметить, что график изменения интенсивности изнашивания контртела стали ШХ15 (кривые Б) повторяет очертание графиков изнашивания азотированной стали 38Х2МЮА. Есть основания предполагать, что такой характер изнашивания контртела связан с преимущественно абразивным механизмом изнашивания поверхности стали ШХ15. В качестве абразива служат продукты износа азотированной поверхности стали 38Х2МЮА. Следует особенно подчеркнуть, что при трении сплава Fe+4%Cr участка II, т.е. участка предельно низкого износа, не наблюдается. После приработки устанавливается участок III по уровню износа, характерному для азотированного а-твердого раствора.
Рассмотрим основные количественные характеристики кривой изнашивания стали 38Х2МЮА. На рис.4.10 приведены графики изменения толщины слоя до задира и толщины слоя высокой износостойкости в зависимости от температуры предварительного отпуска. Видно, что с увеличением температуры отпуска происходит монотонное и существенное увеличение толщины слоя до задира и слоя высокой износостойкости стали 38Х2МЮА.
На рис.4.11 приведены результаты оценки средних значений коэффициента трения. В пределах точности измерений значение коэффициента трения для пары азотированная сталь 38Х2МЮА - сталь ШХ15 в среде Солидола находится на достаточно низком уровне для трения в условиях граничной смазки и составляет -0,05 При этом средние значения коэффициента трения не существенно зависят от температуры предварительного отпуска стали.
Проводилась также оценка абразивной износостойкости. В качестве абразива использовали мелкодисперсный порошок АЬОз. Оценивали интенсивность изнашивания в среде абразива азотированной стали 38Х2МЮА для образцов после разных температур предварительного отпуска; кроме того, оценивали абразивный износ стали ШХ15 - контртела. Результаты представлены на рис.4.12. Видно, что по толщине слоя стали 38Х2МЮА интенсивность износа плавно уменьшается. Можно также наблюдать некоторую закономерность, а именно, с увеличением температуры предварительного отпуска интенсивность абразивного износа стали снижается. Наибольший износ соответствует образцам стали после отпуска при 500С, наименьший - при 650С. Эту закономерность подтверждает и кривая износа стали ШХ15, рис.4.13. При одинаковом первоначально введенном количестве абразива AI2O3 в смазочный материал абразивный износ стали ШХ15 больше в том случае, когда больше продуктов износа стали 38Х2МЮА.
