CC BY
91
УДК 620.178:669.14
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ БОРИРОВАННЫХ ХРОМИСТЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ
А.М. Козлов, М.А. Кишкинская, М.Н.Каменский
Исследовано влияние режимов трения-скольжения на износостойкость бори-рованных хромистых нержавеющих сталей. Установлена высокая износостойкость бо-рированных сталей по сравнению с неборированными.
Ключевые слова: износостойкость, удельное давление, борированный слой, контртело, торцевое трение, приведенный износ, линейный износ.
Износостойкость борированных образцов из хромистой стали [1] исследовалась на машине МДП-1, работающей по принципу торцевого трения одновременно трех неподвижных образцов, прижатых к вращающемуся чугунному диску. Образцы размером 0 10x20 мм крепились в цанговых зажимах в одной плоскости под углом 120° друг к другу, прижимались торцом к поверхности трения контртела, представляющего собой плоский диск из СЧ 20. Скорость вращения диска может плавно изменяться от 0,056 до 47,0 м/с. Усилие прижатия образцов может изменяться в пределах от 100 до 4500 Н. Предельно допустимое значение момента трения составляло 330,0 Нм.
Величина линейного износа и момент трения фиксировались с помощью индукционных датчиков перемещения. Температура вблизи области трения измерялась с помощью специальных термопар, крепящихся на исследуемых образцах. Показания первичных контролирующих датчиков передавались на самописец - трехточечный потенциометр ЭПП-09.
Испытанию на износостойкость подвергались предварительно притертые к поверхности контртела образцы из сталей 08X13 и 20X13, очищенные от продуктов трения притирки. Притирка велась в режиме схватывания второго рода. После очистки дорожки диска от продуктов трения производили вторичную притирку образцов уже в режиме испытания, по окончании которой счетчик числа оборотов фиксировался на нуле и включалась машина. Изнашивание вели до определенного значения глубины или пути трения.
Интенсивность изнашивания определяли линейным износом, отнесенным к пути трения и площади контактирующей поверхности по формуле:
i=h,
Ls
где I - приведенный износ; h - линейный износ, мм; L - путь трения, 1000 м; s - поверхность трения контактирующих образцов, см .
Ь = пЭ,
где п - число оборотов диска контртела; Э - диаметр места положения дорожки образцов на контртеле.
Величину линейного износа контролировали дополнительно с помощью микрометра.
Кроме того, исследование износостойкости образцов из сталей 08X17 и 12X17 проводили на машине МИ-1М весовым методом, износостойкость выражалась в кг/м . Испытания образцов велись в режиме сухого трения скольжения по наружной поверхности диска 0 45 мм из закален-
5 2
ной стали 45 при скорости 42,5 рад/с и удельном давлении 15 - 10 Н/м .
Перед испытанием сырые образцы подвергались притирке к наружной цилиндрической поверхности диска, производилась их маркировка, затем они подвергались борированию (1000 °С, 4 ч), с цилиндрической части образцов боридный слой снимался на токарном станке, где вместо резцедержателя устанавливался привод абразивного круга так, чтобы при испытании «работало» только торцевое боридное покрытие, а затем образцы подвергались исследованию на изнашивание.
Предварительно были проведены исследования на износостойкость на машине МДП-1 неборированных образцов, при этом изучалось влияние скорости скольжения (от 1 до 11 м/с) и удельной нагрузке (от 2,13 до 17,4 -105 Н/м). Выяснилось, что хромистая нержавеющая сталь имеет низкую износостойкость. При изменении скорости скольжения и постоянном удельном давлении наблюдали три вида износа по классификации Б.И. Костецкого. Кривые приведенного износа (рис. 1) разделены на три области (I, II, III).
При низких скоростях относительного перемещения трущихся поверхностей до 1,5 - 2,0 м/с (I) фиксировали износ схватыванием 1-го рода. Поверхность образцов выкрашивалась, резко увеличивалась её шероховатость. Приграничный объем металла деформировался на глубину до 100 -150 мкм.
В диапазоне скоростей от 2 до 6 м/с (II) интенсивность износа уменьшалась, характер износа - окислительный. На трущихся поверхностях образцов и контртела появлялся ряд чередующихся темных и светлых полос, глубина слоя пластической деформации снизилась до 40 - 50 мкм, однако износ был достаточно велик.
И, наконец, в диапазоне скоростей от 7,0 до 11,0 м/с (III) износ резко усиливался, наблюдали выкрашивание частиц металла с поверхности трения и его «размазывание» в направлении вращения диска контртела, т. е. оплавление поверхности. На цилиндрической поверхности образцов, вблизи зоны контакта с контртелом появились цвета побежалости. Пластическая деформация металла образцов фиксировалась до глубины в 100 мкм. Все отмеченные характеристики свидетельствовали о режиме схватывания второго рода.
а
б
Рис. 1. Влияние на износостойкость стали 08Х13 без покрытия: а - скорости скольжения; б - удельного давления
Испытания при различном удельном нагружении и постоянной скорости скольжения 5 м/с, т. е. в области наименьшего износа из предыдущей серии испытаний, показали, что режим схватывания II рода явно проявился
5 2
при удельном давлении 14,93-10 Н/м , приповерхностный слой при этом деформировался на глубину до 350 мкм.
Для испытания на износ борированных образцов был выбран режим, оказавшийся наиболее опасным для неборированной стали: скорость
5 2
скольжения 5 м/с, удельное давление - 14,93-10 Н/м .
Износостойкость борированных слоев на сталях 08X13 и 20X13 определяли в зависимости от пути трения. На неборированной стали наблюдали чрезвычайно сильный износ схватыванием второго рода (тепловой износ). Борирование резко повысило износостойкость обеих сталей. Как видно из графика (рис. 2) характер изменения и величина линейного износа от пути трения для борированных слоев на сталях 08X13 и 20X13 - одинаковы.
Следует отметить, что износ отдельных зон борированного слоя отличается по интенсивности. Для стали 08X13 первые 5000 метров пути
трения износ минимален и носит окислительный характер (рис. 2, участок а - б). При данных условиях трения первоначально изнашивается внешняя зона сплошных боридов, затем при переходе к прослойке интенсивность износа незначительно повышается, причем, меняется скачком и остается практически постоянной вплоть до полного истирания прослойки (участок в - г).
Высокая износостойкость прослойки на хромистой стали имеет большое практическое значение, т. к. позволяет полезно использовать слой значительной глубины, тогда как на углеродистых сталях прослойка отсутствует и износостойкость определяется только зоной сплошных боридов.
1 2 3
О 4 8 12 16 20 24 28
Путь трения, Ю3л/
Рис. 2. Влияние борирования на износостойкость сталей:
08X13 и 20Х13(РуЯ = 15кг/см2; V = 5м/с):
1 - 08X13 и 20X13 неборированная; 2 - 08X13 борированная;
3 - 20X13 борированная
Затем (рис. 2, участок г - д) наблюдается резкое увеличение износа, аналогичное по характеру износу на неборированной стали (схватывание второго рода). На стали 20X13 характер износа борированного слоя практически такой же, как и на 08X13, только несколько возрастает путь трения, 6000 м - первая зона (участок а - б'). В зоне прослойки и переходной зоне (участок в' - г') значительно увеличивается период малого износа в
этой зоне с 12000 метров на стали 08X13 до 28000 метров на стали 20X13, т. е. более чем вдвое. На борированных сталях после полного изнашивания слоя зона пластической деформации относительно невелика, по сравнению с неборированными.
Металлографический анализ показывает большое количество мелких включений химических соединений в переходной зоне, предположительно в присутствии углерода в этой зоне наряду с боридами образуются и карбобориды, а возможно и карбиды. Это связано с перераспределением углерода в ходе диффузии бора и оттеснением его в переходную зону, что и способствует резкому увеличению протяженности переходной зоны (в 2,5 раза). Кроме того, по наклону кривых износа основного металла в борированных сталях, можно утверждать, что твердый раствор бора, даже в малых концентрациях последнего, способствует снижению интенсивности износа.
Интенсивность износа борированных сталей зависит от структуры борированного слоя, причем износостойкость каждой зоны слоя мало меняется по глубине. Борирование также влияет на изменение характера износа по сравнению с неборированными сталями, переводя его, например, из режима схватывания второго рода (на неборированных сталях) в режим окислительного износа и резко повышает износостойкость в условиях сухого трения скольжения.
Было проведено также исследование износостойкости борированных и неборированных сталей 08X17 и 12X17 (рис. 3).
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Время испытания, мин Рис. 3. Влияние борирования на износостойкость сталей
08X17 и 12X17 (Руд = 15 кг/см2; ы = 360 об/мин)
На рис. 3 приведены зависимости износа в координатах: потеря веса, отнесенная к единице площади изнашиваемой поверхности - время испытания (весовой метод): кривые 1 и 2 - сталь неборированная; кривая 3 -сталь 08Х17 борированная; кривая 4 - сталь 12Х17 борированная.
Испытания подтвердили ранее полученные результаты и характер изнашивания аналогичен изнашиванию сталей типа Х13. Борированный слой показал высокую износостойкость.
Список литературы
1. Козлов A.M., Лобанов Н.Ф. Влияние концентрации хрома в стали на особенности формирования борированного слоя // Материалы 9-й международной практической конф-ции. Изд-во СПБ ГПУ. 2007. С.121-124.
Козлов Александр Михайлович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Кишкинская Марина Александровна, канд. техн. наук, вед. инженер, [email protected], Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Каменский Михаил Николаевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева
INVESTIGATION OF DURABILITY OF BORATED-CHROMED STAINLESS STEEL A.M. Kozlov, M.A. Kishkinskaya, M.N. Kamensky
The influence of friction-slip regimes to durability of boron-chrome stainless steel was investigated. A high durability boron steel compared with non-boron one was stated.
Key words: durability, specific pressure, borated layer, rider, mechanical friction, reduced wear, linear wear.
Kozlov Alexander Michailovich, Candidate of Technical Sciences,a senior lecturer, [email protected], Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Kishkinskaya Marina Alexandrovna, Candidate of Technical Sciences, chief-engineer of Department «Processes and devices of chemical technology", [email protected], Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Kamensky Mikhail Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences, a senior lecturer, MKamensky@yandex. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
