Научная статья на тему 'Использование порошковой быстрорежущей стали в качестве антифрикционного материала'

Использование порошковой быстрорежущей стали в качестве антифрикционного материала Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
115
37
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОРОШКОВАЯ БЫСТРОРЕЖУЩАЯ СТАЛЬ / АНТИФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Безнак М., Чаус А.С., Байчичак М.

Influence of molybdenum disulfide additives on antifriction characteristics of powder fast-cutting steel produced by means of hot hydrostatic compression is studied.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Безнак М., Чаус А.С., Байчичак М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Application of powder high-speed steel as antifriction material

Influence of molybdenum disulfide additives on antifriction characteristics of powder fast-cutting steel produced by means of hot hydrostatic compression is studied.

Текст научной работы на тему «Использование порошковой быстрорежущей стали в качестве антифрикционного материала»

Г^Г: Гг Г^ТГГ АггТГГгГ; / СЕ

-3 (57). 2010/ U U

Influence of molybdenum disulfide additives on antifriction characteristics of powder fast-cutting steel produced by means of hot hydrostatic compression is studied.

М. БЕЗНАК, А. С. ЧАУС, М. БАйЧИЧАК, Словацкий технический университет

УДК 521.7: 621.9.02

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ В КАЧЕСТВЕ АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Введение. Порошковую быстрорежущую сталь отличает пониженная карбидная неоднородность, поскольку особенности технологии сказываются в первую очередь на условиях распределения и размерах избыточных карбидов в структуре стали. Как следствие, такая сталь превосходит по прочности и вязкости быстрорежущую сталь обычного производства [1]. Порошковая сталь лучше шлифуется и меньше деформируется при термической обработке. Но самым главным преимуществом технологии является то, что методом порошковой металлургии можно изготавливать стали с высоким содержанием ванадия, что обеспечивает высокую износостойкость стали без ухудшения других эксплуатационных характеристик. Кроме того, открываются богатые возможности по использованию в процессе изготовления заготовок инструментов и деталей горячим изоста-тическим прессованием различного рода добавок, улучшающих трибологические свойства инструментального или конструкционного материала

[2-7]. В предлагаемой работе1 рассматривается влияние добавок дисульфида молибдена на структуру и свойства, прежде всего износостойкость, быстрорежущей стали типа Р6М5, предназначенной для изготовления деталей скольжения аксиальных гидравлических усилителей. Выбор дисульфида молибдена обусловлен тем, что его добавка действует как твердый смазочный материал, что на стадии изготовления изделия улучшает прессуемость порошка, а при эксплуатации уменьшает интенсивность абразивного изнашивания в условиях сухого трения скольжения [1, 2].

Методика проведения исследований. Экспериментальные образцы получали горячим изоста-тическим прессованием порошка быстрорежущей стали типа Р6М5 (рис. 1) с добавками 1,8, 2,5 и 3,0 мас. % МоS2 при температуре 1150 °С при давлении 110 МПа в течение 90 мин. Выбор такого диапазона концентраций добавок дисульфида молиб-

1 Работа выполнена благодаря финансовой поддержке по проекту VEGA № № 1/0383/10.

а б

Рис. 1. Морфология (а) и микроструктура (б) порошковых частиц стали типа Р6М5, фракция 63 мкм

66

птМ г: гл^ггтллтгггггт

3 (57), 2010-

дена обусловлен тем, что в меньших количествах (до 1 мас. %) они эффективны только с точки зрения улучшения технологичности прессования, в то время как влияние больших добавок МоS2 на износостойкость порошковой быстрорежущей стали до настоящего времени является малоизученным.

После изостатического прессования заготовки подвергали смягчающему отжигу при температуре 860 °С в течение 3 ч с последующим охлаждением со скоростью 25 °С/ч на температуру 600 °С, а затем с охлаждением заготовок на открытом воздухе до комнатной температуры.

После отжига и механической обработки экспериментальные образцы сталей подвергали закалке и отпуску. При закалке осуществляли предварительный подогрев до 400 °С с выдержкой 30 мин в электрической печи без защитной атмосферы, затем до температуры 500 °С в течение 5 мин в ванне 72% ВаС12 + 28% №С1. Третий подогрев при температуре 900 °С с выдержкой 5 мин и окончательный нагрев при температуре 1160 °С в течение 1 мин были осуществлены в ванне 95% ВаС12 + 5% MgF2. Охлаждение образцов осуществляли при температуре 560 °С в расплаве солей 50% ВаС12 + 25% №С1 + 25% КС1, а затем в масле с комнатной температурой. Трехкратный отпуск проводили при температуре 560 °С. После полной термической обработки образцы подвергали финишной механической обработке - шлифованию.

Износостойкость стали с добавками сульфида молибдена оценивали по потере массы в единицу времени в результате истирания при сухом трении скольжения при скорости скольжения в интервале от 0,1 до 1м/с с нагрузкой от 1 до 15 МПа по схеме «полый диск в полом диске». Схема используемой в приборе Tribotestor пары скольжения показана на рис. 2. Наружные втулки были изготовлены из экспериментальных сталей, подвергнутых термической обработке по приведенным выше режимам, а внутренние, служащие контртелом, - из закаленной конструкционной стали типа 40Г с твердостью 60 HRC. В качестве сравнительного эталона использовали специальную износостойкую (в условиях повышенных давлений) бронзу (содержание меди 84%), легированную 9% алюминия, 5% никеля и 1% железа и 1% марганца. Параллельно определяли коэффициент трения в зависимости от скорости скольжения 0,1, 0,5, 1,0 и 2,0 м/с при нагрузке в интервале от 1 до 15 МПа.

Перед началом каждого эксперимента на приборе Tribotestor каждая трибологическая пара была вначале приработана при постоянной нагрузке 0,5 МПа в течение 20 мин, а затем нагрузка повышалась через каждые 10 мин на 0,5 МПа до пре-

Рис. 2. Трибологическая пара для определения коэффициента трения и износостойкости: 1 - наружная втулка; 2 -внутренняя втулка; 3 - вращающий вал; 4 - зажимное устройство; 5 - канал для подвода масла; 6 - отверстия для датчика температуры

дельного в эксперименте значения 15 МПа. Износостойкость оценивали по потере массы экспериментальных образцов размерами 10*10*50 мм, изготовленных из эталонного материала и исследуемых быстрорежущих сталей с добавками дисульфида молибдена при трении скольжения без смазочного материала стального диска из закаленной конструкционной стали типа 40Г с твердостью 60 HRC об образцы из исследуемых сталей при нагрузке 100 кПа и скорости скольжения от 0,5 до 1 м/с в течение 20 мин. Рентгеноструктурный анализ выполняли на дифрактометре фирмы PHILIPS.

Результаты исследований и их обсуждение. Выполненные металлографические исследования с использованием оптического и электронного растрового микроскопов показали, что добавки дисульфида молибдена в количестве от 1,8 до 3,0% практически не оказывают заметного влияния на структуру порошковой стали базового химического состава. Типичная структура после отжига стали с добавкой 1,8% MoS2 приведена на рис. 3. Структуру отожженной стали отличает высокая плотность вторичных карбидов прежде всего эв-тектоидного происхождения, на фоне которых наблюдаются более крупные частицы первичных (эвтектических) карбидов. Карбидная составляющая, по данным рентгеноструктурного анализа, представлена фазами МС (на базе карбида ванадия VC) и М6С типа Fe3(W, Mo)3C. Следует отметить, что в отожженном состоянии дисульфиды молибдена практически структурно неразличимы.

Иная картина наблюдается в экспериментальных быстрорежущих сталях после полной термической обработки (закалки и отпуска), что проиллюстриро-

/ХГГ^ Г ГОТШГГПТГ; / В7

-3 (57), 2010 / III

Рис. 3. Структура порошковой быстрорежущей стали с добавкой 1,!

структуры

МсБ2 после отжига: а - общий вид; б - фрагмент

Рис. 4. Структура порошковой быстрорежущей стали с добавкой 3% МсБ2 после полной термической обработки: а - общий

вид; б - фрагмент структуры

вано на примере стали с добавкой 3% Мс^2 (рис. 4). Из рисунка видно, что частицы MoS2 сконцентрированы, главным образм, по границам первичных зерен матрицы, где они находятся в местах скопления между более крупными карбидными частицами первичного происхождения. Кроме того, частицы MoS2 наблюдаются и по границам действительных аусте-нитных зерен. Такой характер распределения, вне всякого сомнения, является следствием высокой поверхностной активности дисульфида молибдена.

Трибологические эксперименты показали, что добавки сульфида молибдена в порошковую быстрорежущую сталь уменьшают коэффициент трения при сухом трении скольжения по сравнению с эталонным образцом, причем это преимущество над эталонным материалом становится более ощутимым при более тяжелых условиях испытаний, а именно при высших нагрузках, начиная от 12 МПа и скоростях скольжения, больших, чем 1 м/с. Влияние используемой нагрузки на коэффициент трения при постоянной скорости трения скольжения 1 м/с без смазки для различного количества добавок MoS2 показано на рис. 5. Характер изменения температуры в зоне трения в зависимости от вре-

мени приведен на рис. 6. Уменьшение коэффициента трения и температуры в зоне трения под воздействием дисульфида молибдена способствует по-

Рис. 5. Влияние нагрузки на коэффициент трения (при скорости трения скольжения 1 м/с без смазки) для различного количества добавок: 1 - эталон; 2 - добавка 1,8% МсБ2; 3 -2,0; 4 - 2,2; 5 - 2,5; 6 - 2,8; 7 - 3,0% МсБ,

68

птМ г: гл^ггтллтгггггт

3 (57), 2010-

юо

м 60

S 20

/

Sa

^ J J?

50 100

Время трения, мин

150

200

Рис. 6. Влияние времени испытаний на температуру в зоне трения (при скорости трения скольжения 1 м/с без смазки) для различного количества добавок: А - эталон; В - добавка 1,8% MoS2; С - 2,0; Б - 2,5; Е - 3,0% MoS2

вышению износостойкости порошковой быстрорежущей стали (рис. 7). Причем фрактографический анализ поверхностей разрушения экспериментальных образцов свидетельствует о достаточно вязком характере разрушения порошковой стали, особенно после полной термической обработки [3].

Вывод. Процесс горячего изостатического

Рис. 7. Влияние количества добавок MoS2 (при нагрузке 100 кПа и скорости трения скольжения 1 м/с без смазки) на износостойкость: 1 - эталон; 2 - сталь с добавкой 1,8%; 3 -2%; 4 - 2,2; 5 - 2,5; 6 - 2,8; 7 - 3,0% MoS2

играющих роль внутренней смазки и уменьшающих их коэффициент трения, может быть использован для повышения износостойкости быстрорежущей стали типа Р6М5. Использование таких материалов может быть особенно актуальным при работе в условиях сухого трения скольжения при повышенных нагрузках скоростях скольжения.

прессования порошков с добавками веществ

Литература

1. Г е л и н Ф. Д., Ч а у с А. С. Металлические материалы. Мн.: Выш. шк., 2007.

2. К о в а л е в с к и й В. Н., К о м а р о в О. С., Ч а у с А. С. и др. Технология конструкционных материалов. 2-е изд. Мн, Новое знание, 2007.

3. B e z n á k M. Tvrdé klzné materiály pripravené nekonvencnou metalurgiou. Bratislava: ZTS UTAR, 1980.

4. H a v a l d a A. Prásková metalurgia. Bratislava: STU, 2000.

5. Z á b a v n í k V. Technické materiály. Kosice: ALFA, 1995.

6. L u k á c I. Spracovanie práskovych kovov. Kosice: VST, 1989.

7. B l a s k o v i c P., B a l l a J., D z i m k o M. Tribológia. Bratislava: ALFA, 1990.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.