Научная статья на тему 'ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДИФФУЗИОННОГО НИТРИД-ОКСИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛИ 45'

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДИФФУЗИОННОГО НИТРИД-ОКСИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛИ 45 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
30
4
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НИТРИД-ОКСИДНОЕ ПОКРЫТИЕ / ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ / ТРЕНИЕ СКОЛЬЖЕНИЕ / ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ / КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Эшкабилов Холикул Каршиевич

В работе приводятся результаты исследования износостойкости диффузионного нитрид-оксидного покрытия, полученные газовым азотированием с последующим оксидированием в парах воды. Установлено, что нитрид-оксидное покрытие в условиях трения скольжения с тонкой магнетитной оксидной плёнкой с нитридным подслоем, состоящей из низкоазотистые нитридных фаз модифицированным кислородом на стали 45 обладает наилучшей износостойкостью.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Эшкабилов Холикул Каршиевич

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

WEAR RESISTANCE OF DIFFUSION NITRID-OXIDE COATING ON STEEL 45

The paper presents the results of a study of the wear resistance of a diffusion nitride-oxide coating, obtained by gas nitriding followed by oxidation in water vapor. It has been established that the nitride-oxide coating under conditions of sliding friction with a thin magnetite oxide film with a nitride sublayer, consisting of low-nitrogen nitride phases modified with oxygen on steel 45, has the best wear resistance.

Текст научной работы на тему «ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДИФФУЗИОННОГО НИТРИД-ОКСИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛИ 45»

№ 1 (106)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

январь, 2023 г.

DOI - 10.32743/UniTech.2023.106.1.14862

износостойкость диффузионного нитрид-оксидного покрытия

на стали 45

Эшкабилов Холикул Каршиевич

канд. техн. наук, доц., Каршинский инженерно-экономический институт, Республика Узбекистан, г. Карши E-mail: kholik@rambler.ru

wear resistance of diffusion nitrid-oxide coating on steel 45

Kholikul Eshkabilov

Candidate of technical sciences, Associate professor, Karshi Engineering-Economical Institute, Republic of Uzbekistan, Karshi

АННОТАЦИЯ

В работе приводятся результаты исследования износостойкости диффузионного нитрид-оксидного покрытия, полученные газовым азотированием с последующим оксидированием в парах воды. Установлено, что нитрид-оксидное покрытие в условиях трения скольжения с тонкой магнетитной оксидной плёнкой с нитридным подслоем, состоящей из низкоазотистые нитридных фаз модифицированным кислородом на стали 45 обладает наилучшей износостойко стью.

ABSTRACT

The paper presents the results of a study of the wear resistance of a diffusion nitride-oxide coating, obtained by gas nitriding followed by oxidation in water vapor. It has been established that the nitride-oxide coating under conditions of sliding friction with a thin magnetite oxide film with a nitride sublayer, consisting of low-nitrogen nitride phases modified with oxygen on steel 45, has the best wear resistance.

Ключевые слова: нитрид-оксидное покрытие, износостойкость, трение скольжение, интенсивность изнашивания, коэффициент трения.

Keywords: nitride-oxide coating, wear resistance, sliding friction, wear rate, friction coefficient.

Эффективность использования деталей машин и механизмов с поверхностными покрытиями, полученными методами химико-термической обработки возрастает с получением модифицированных диффузионных покрытий, и поверхностные характеристики сочетающих высокие антикоррозионные и адгезионные свойства [1, 2].

Анализ свойств комбинированных диффузионных покрытий полученных химико-термической обработкой показывает, что их основные достоинства заключаются в следующем: облегчается образование физико-химических связей в поверхностном слое; повышается смачиваемость и заполняется микропоры внешнего слоя смазывающими материалами; увеличивается площадь фактического контакта [3-5].

В настоящее время недостаточно данных, чтобы определить точные критерии выбора диффузионных азотированных покрытий и влияния поверхностного оксидного слоя для деталей, работающих в условиях трения. При этом износостойкость покрытий зависит от многих факторов, таких как толщина покрытия, химического состава и структуры диффузионных слоев, напряженного состояния, антикоррозионных

свойств, адгезионной прочности и положительного градиента свойства поверхностных слоев [5, 6].

Для обеспечения условий внешнего трения и повышения износостойкости азотированных слоев полученных на поверхности деталей, изготовляемых из улучшаемых конструкционных сталей, необходимо обеспечение на их поверхности тонкого оксидного слоя способного к многократной пластической деформации без наклёпа и разрушения, пониженную прочность на сдвиг и положительный градиент свойств по сечению диффузионного слоя. Особенно в достижении повышения износостойкости очень важно изучение приработки трущихся поверхностей, поскольку в этот период происходит увеличение фактической площади контакта, которое приводит к уменьшению удельных давлений в зоне контакта при трении скольжения [3, 6].

Учитывая вышеизложенных, были изучены износостойкость диффузионного нитрид-оксидного покрытия, полученные газовым азотированием в диссоцированном аммиаке и дальнейшем оксидированием в парах воды, с получением поверхностного оксидного слоя, высокой адгезионной прочностью с нитридным.

Библиографическое описание: Эшкабилов Х.К. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДИФФУЗИОННОГО НИТРИД -ОКСИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛИ 45 // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2023. 1(106). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14862

№ 1 (106)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

январь, 2023 г.

Износостойкость диффузионных покрытий определяли по методу испытаний материалов на трение и изнашивание в соответствии с ГОСТ 23216-84 на серийной испытательной установке СМЦ-2. Обработанные образцы с покрытием исследовались по схеме «ролик-колодка» в режиме трения скольжения в условиях со смазкой и без смазки. В качестве смазочного масла применялось масло индустриальное И-20А по ГОСТ 20799-88.

Износ образцов оценивали по линейной интенсивности изнашивания (/0), методом искусственных баз коэффициент трения в определенных интервалах времени испытаний по среднему значению пяти измерениям [7], позволяющему с большой точностью определять величины момента трения, особенно при малых его значениях.

Исследование фазового состава упрочнённых слоев проводились методом рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-3 в кобальтовом отфильтрованном излучениях Со-Ка [8].

В качестве испытуемых образцов были взяты колодки из стали 45, наиболее применяемых для

изготовления деталей пары трения в мало- и средне-нагруженных узлах машин, которые были подвергнуты азотированию в аммиаке и оксидированию в парах воды, скорость вращения ролика 0,86 м/сек и площадь трения образцов-колодок составляла 150 мм2. База испытания на износостойкость при трении со смазкой составляла 10 часов, при сухом трении 6 часов. По окончании испытания визуально оценивали состояние поверхностей трения.

Для сравнительной оценки износостойкости поверхностного диффузионного нитридного и нитрид-оксидного покрытий, испытуемые колодки подвергали газовому азотированию в аммиаке при ниже эвтектоидной температуре (580 0С) для системы «Бе-К» в течение 3 часа (первый вариант). Последующие оксидирование азотированного слоя в парах воды продолжительностью 1 час проводили при температуре 580 0С (второй вариант) и при температуре 550 0С (третий и четвёртый варианты), которые соответствуют в выше и ниже эвтектоидной температуры для системы «Бе-О».

Характеристики испытуемых образцов приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Режимы получения и характеристики нитрид-оксидного покрытия на стали 45

Режим обработки Толщина слоя, мкм Фазовый состав покрытия

№ Способ обработки Азотирование Оксидирование нитрид- оксид-

Т, 0С т, час Т, 0С т, час ного ного

1 Азотирование 580 3,0 - - 20-22 - Бе2Оз, е, е', у'

2 Азотирование и оксидирование 580 3,0 580 0,5 25-28 4-6 Бе2Оз, БезО4, БеО, е, е', е'', у'

3 Азотирование и оксидирование 580 3,0 580 1,0 28-30 1-3 БезО4, е', е'', у'

4 Азотирование и оксидирование 580 5,0 580 1,0 35-38 1-3 БезО4, е'', у'

Рентгеноструктурним анализом установлено, что при азотировании стали 45 в диссоцированном аммиаке на поверхности формируется нитридный слой состоящей из композиции нитрида е-фазы, кар-бонитрида е'-фазы и нитрида у'-фазы, а оксидный слой Бе2Оз на поверхности нитридов образуется при охлаждении образца и легко стирается из поверхности.

После оксидирования нитридного слоя в парах воды при температуре 5800С на поверхности нитрид-ного слоя формируется оксидный слой, состоящей из смеси оксидов Бе2Оз, БезО4 и БеО толщиной 4-6 мкм, а в нитридном подслое формируется кар-бонитрид Бе(СК) (е'-фаза) и модифицированные кислородом оксикарбонитрид Бе(СКО) (е''-фаза) и оксинитрид Бе4(кО) (у'-фаза).

При оксидировании нитридного слоя в ниже эвтектоидной температуре оксидный слой состоит практически из одного Без04 толщиной 1-3 мкм, с нитридным подслоем состоящей из композиции фаз карбонитрида (е'-фаза), оксикарбонитрида (е''-фаза) и оксинитрида (у'-фаза). После оксидирования толщина нитридного слоя увеличивается за счёт диссоциации высокоазотистой е-фазы с формирование модифицированных низкоазотистых фаз нитридов из-за взаимной диффузии на границе «нитрид-матрица» (Таблица 1).

Результаты сравнительных испытаний износостойких характеристик образцов, обработанных по различным режимам, в зависимости от прилагаемой нагрузки представлены на Рис. 1.

№ 1 (106)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

январь, 2023 г.

а)

150 200 Нагрузка., Н

б)

Рисунок 1. Изменение интенсивности изнашивания при трении со смазкой (а) и коэффициента трения

при сухом трении (б) покрытий в зависимости от нагрузки. Скорость скольжения Vск = 0,864 м/с. 1 - азотирование при Таз = 580 oC, Таз = 3 часа; 2 - азотирование при Таз = 580 oC, Таз = 3 часа и оксидирование при Т = 580 oC; Ток =0,5 часа; 3 - азотирование при Таз =580 oC, Таз = 3 часа и оксидирование при Ток = 550 oC, Ток = 1 час; 4 - азотирование при Таз =580 oC, Таз = 5 часов и оксидирование при Ток = 550 oC, Ток = 1 час

Результаты проведённых испытаний показали, что в условиях трения со смазкой, интенсивность изнашивания нитрид-оксидного покрытия с оксидным слоем, полученных оксидированием при температуре 550 0С с поверхностной оксидной плёнкой Рез04 имеет меньше интенсивности изнашивания в сравнении с азотированными (Рис. 1, а, линия 1) и с нитрид-оксидными покрытиями, полученное по второму варианту с поверхностной оксидной плёнкой состоящей из смеси Ре20з, Рез04, Ре0 (Рис. 1, а, линия 2).

Интенсивность изнашивания при нагрузках до 250 Н нитрид-оксидного покрытия с поверхностной оксидной плёнкой Рез04 практически имеет одинаковые значения (Рис. 1, а, линия 3 и 4), а с дальнейшем

увеличением значения прилагаемой нагрузки (при выше 250 Н) интенсивность изнашивания нитрид-оксидного покрытия с нитридным подслоем состоящей из смеси е''- и у'-фаз (Рис. 1, а, линия 4) остаётся низкими.

В зависимости от нагрузки своеобразный вид изменения интенсивности изнашивания имеет нитрид-оксидное покрытие с оксидной плёнкой, состоящей из смеси оксидов Ре20з, Рез04, Ре0 (Рис. 1, а, линия 2). Наличие на поверхности прослойки последовательно расположенных оксидов Ре203, Ре304, Ре0 каждый из них при контактировании с контртелой имеет различные сдвиговые сопротивления и поэтому характер изменения интенсивности изнашивания будет различные.

№ 1 (106)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

январь, 2023 г.

Анализ полученных данных показывает, что в нитрид-оксидном покрытие высокую износостойкостью при определённых интервалах значений контактной нагрузки обладает нитридный подслой состоящей из композиции е', е'' и у'-фаз, и во всех случаях интервалов нагрузки высокая износостойкость нитрид-оксидного покрытия подслоем состоящей из композиций нитридов е''- и у'-фазы сохраняется.

Оценка изменения значений коэффициента трения пар различных вариантов в зависимости от нагрузки были проведены испытании в условиях сухого трения, в результате которого уточнено, что изменение коэффициента трения при постоянных скоростях изменяется и соответственно к меньшим значениям интенсивности изнашивания (Рис.1, а) соответствуют меньшие значения коэффициентов трения (Рис. 1, б). Это доказывает, что с увеличением толщины оксидного слоя происходит понижение прочности на сдвиг, а с уменьшением его толщины сдвигаемое сопротивление оксидного слоя в зависимости от его состава растёт.

С повышением нагрузки коэффициент трения изменяется незначительно. Такой механизм повышения износостойкости связан с положительным градиентом свойств поверхностного диффузионного покрытия, так как под оксидным слоем находится плотная нитридная у'-фаза с высокой твердостью до 9500 МПа, которая в 1,6-2,0 раза больше чем твердости внешнего оксидного слоя, величина твёрдости которого колеблется в интервале 4500-5200 МПа.

Нитрид - оксидное покрытие, полученное при азотировании в ниже эвтектоидной температуре системы «Бе-К» и оксидированные при ниже эвтектоидной температуре системы «Бе-О» при трении со смазкой имеет минимальный коэффициент трения. В этих условиях тонкая микропористая оксидная плёнка на поверхности нитридного слоя, обладая достаточной маслоемкостью, обеспечивает смачиваемость поверхности в зоне контакта.

Износ нитрид - оксидного покрытия увеличивается с повышением прилагаемой нагрузки в зоне контакта, который приводит к уменьшению шероховатости соприкасающихся поверхностей, в связи чем могут возникать условие неравномерности смазки контактирующихся поверхностей.

В процессе трения после износа оксидного слоя начинает изнашиваться нитридный слой, формировавшиеся после оксидирования нитридного слоя состоящей из низких нитридов е'' и у'-фаз. Активация металла при деформации в условиях трения и развития диффузионных процессов приводит к интенсивному окислению поверхностных слоев, сопровождающемуся образованием твёрдых растворов кислорода металлов и оксидов [4, 6]. Следует отметить, что нитриды имеют высокое сродство к кислороду.

Оксиды, непрерывно возникающие на поверхности низкоазотистого нитридного слоя в процессе трения, блокируют поверхность от непосредственного контакта и уменьшают возможность адгезионного взаимодействия трущихся пар, обеспечивая минимальный коэффициент трения и лучшую износостойкость в период установившегося режима работы.

В результате проведенных исследований на износостойкость установлено следующее:

• наибольшей износостойкостью обладает нитрид-оксидное покрытие на поверхности тонким оксидным слоем толщиной 1 -3 мкм состоящей из Без04 и нитридным подслоем состоящей из композиции низконитридных е''- и у'-фаз;

• оксидная плёнка на поверхности нитридного слоя создаёт положительный градиент свойства поверхности, обеспечивая условия внешнего трения при трении скольжения;

• износостойкость нитрид-оксидного покрытия зависит от удельного давления, увеличением которого в зоне контакта интенсивность изнашивания увеличивается.

Список литературы:

1. ВорошнинЛ.Г. Перспективы развития химико-термической обработки (материалы лекций). // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008, № 1. -С. 5-8.

2. Федонин О.Н., Киричек А.В, Петрешин Д.И. Технологическое повышение эксплуатационных свойств деталей машин. // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2018, №4. - С. 43-48.

3. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. -М., Машиностроение, 1977. -526 с.

4. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Структура и прочность азотированных сплавов. - М., Металлургия, 1982. -175 с.

5. Герасимов С.А. , Куксенова Л.И. Лаптева В.Г. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов. - М., Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. -518 с.

6. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении. - Киев, Техника, 1976. -296 с.

7. Хрущов М.М., Беркович Е.С. Определение износа деталей машин методом искусственных баз. -М.: Издательство АН СССР, 1959. - 218 с.

8. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. -М.: Металлургия, 1971. - 368 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.