CC BY
73
УДК 621.787.4:620.178.1
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 20Х13 С СУБМИКРО- И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ, СФОРМИРОВАННЫМИ ВЫГЛАЖИВАНИЕМ НА ТОКАРНО-ФРЕЗЕРНОМ ЦЕНТРЕ
© 2011 В.П. Кузнецов1, А.В. Макаров2, А.С. Юровских3, Р.А. Саврай2, А.Е. Киряков1
1 Курганский государственный университет, г. Курган 2Институт машиноведения УрО РАН, г. Екатеринбург 3Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург
Поступила в редакцию 10.11.2011
Исследованы износостойкость и коэффициент трения в условиях абразивного изнашивания и трения скольжения в жидких средах (вода, смазка) субмикрокристаллических и нанокристаллических слоев, сформи-рованных алмазным выглаживанием на токарно-фрезерном центре на поверхностях деталей из коррозион-ностойкой стали 20Х13 в трех исходных структурных состояниях.
Ключевые слова: коррозионностойкая сталь, алмазное выглаживание, электронная просвечивающая микроскопия, струк-тура, интенсивность изнашивания, коэффициент трения
Нержавеющие стали находят широкое применение в качестве материала деталей нефтяного и газового оборудования, подверженным в процессе эксплуатации коррозии, воздействию высоких контактных нагрузок и температур. К прецизионным поверхностям указанных ответственных деталей предъявляются повышенные требования по чистоте обработки, прочности и износостойкости. Прогрессивным способом формирования высококачественных поверхностей деталей из коррозионностойких сталей является выглаживание на токарно-фрезер-ных центрах специальным инструментом с узлом динамической стабилизации (УДС) [1-3]. Применение инструмента с УДС на динамически жестких станках существенно повышает эффективность финишной обработки, обеспечивая при исходной шероховатости поверхности после точения Яа=0,80-1,16 мкм уменьшение шероховатости в >7 раз на не-термоупрочненной и в >9-12 раз - на термоупроч-ненной нержавеющей стали мартенситного класса типа 20Х13 [2]. При этом установлено сильное влияние исходной структуры стали 20Х13 и силы выгла-
Кузнецов Виктор Павлович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов Курганского государственного университета. E-mail: [email protected].
Макаров Алексей Викторович, доктор технических наук, заведующий лабораторией конструкционного материаловедения Института машиноведения УрО РАН. E-mail: [email protected].
Юровских Артем Сергеевич, кандидат технических наук, доцент Уральского федерального университета. E-mail: artem.yurovskikh@mail. ru.
Саврай Роман Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории конструкционного материаловедения Института машиноведения УрО РАН.. Email: [email protected].
Киряков Александр Евгеньевич, инженер кафедры автоматизации производственных процессов Курганского государственного университета. E-mail: [email protected]
живания на шероховатость, упрочнение и напряженное состояние обработанной поверхности.
Цель настоящей работы - электронно-микроскопическое исследование тонкой структуры и триболо-гических свойств (интенсивности изнашивания и коэффициента трения) в различных условиях фрикционного нагружения поверхностных слоев, сформированных при алмазном выглаживании на токар-но-фрезерном центре инструментом с УДС деталей из высокохромистой стали 20Х13 в трех исходных структурных состояниях.
Детали в виде дисков диаметром 75 мм и толщиной 10 мм из стали 20Х13 (0,22 мас. % С; 13,06 % Cr) в состоянии поставки (отжиг, твердость НВ 150) и после закалки от 1050°C с последующим высокотемпературным отпуском при 560°C (НВ 270) и низкотемпературным отпуском при 150°C (НВ 460) на то-карно-фрезерном центре подвергали чистовому точению и финишному выглаживанию с СОТС (сма-зочно-охлаждающей технологической средой) специальным инструментом с УДС с индентором из природного алмаза со сферической заточкой радиусом R=4 мм и шероховатостью Ra~5 нм по режимам, приведенным в работе [2]. Электронно-микроскопическое исследование структуры осуществляли на микроскопе JEOL JEM-2100 методом тонких фольг на просвет с применением одностороннего утонения заготовок. Структуру на поперечных шлифах и поверхности изнашивания изучали на электронном сканирующем микроскопе высокого разрешения Tescan Mira 3 LMU с автоэмиссионным катодом Шоттки высокой яркости. Шероховатость поверхностей определяли на оптическом профилометре Wyko NT-1100. Микротвердость измеряли на микротвердомере Leica VMHT при нагрузке на индентор 0,25 Н. Методом кинетического микроиндентирова-ния на измерительной системе Fischerscope HM2000 XYm при максимальной нагрузке на индентор Вик-керса 0,25 Н определяли твердость вдавливания HiT и контактный модуль упругости E . Остаточные на-
пряжения рассчитывали методом наклонной рентгеновской съемки на дифрактометре Shimadzu ХЯЛ-7000 в СгКа-излучении.
Трибологические испытания проводили на лабораторной установке при возвратно-поступательном движении образцов с рабочей поверхностью 5,2x5,2 мм. Испытания по закрепленному абразиву кремню твердостью ~10 ГПа и зернистостью ~200 мкм проводили при нормальной нагрузке N=9,8 Н, средней скорости скольжения V=0,175 м/с, пути трения L=50 см для образцов после отжига и высокого отпуска и L=100 см для образцов после низкого отпуска, длине рабочего хода 1=100 мм, величине поперечного смещения шлифовальной шкурки за один двойной ход образца 1,2 мм. Испытания по пластине из стали 12Х18Н10Т со смазкой (масло И-30) и в водопроводной воде проводили при N=78-588 Н, V=0,07 м/с, L=120 м, 1=30 мм. Условия испытаний выбраны применительно к узлам запорной арматуры. Определяли интенсивность изнашивания Ш (Ш=С)/р8Ь, где С) - потери массы образца, г; р - плотность материа-
ла образца, г/см ; S - геометрическая площадь контакта, см2), коэффициент трения f (f=F/N, где F - сила трения, Н, которую измеряли с помощью упругих элементов - рессор с наклеенными на них тензодат-чиками) и удельную работу абразивного изнашивания (кДж/см3) (\¥=РЬ/ЛУч=Г-Ы-Ь-р/0. где АУМ -объемный износ материала, см3). Трибологические свойства определяли по результатам двух-четырех параллельных испытаний.
Данные табл. 1 свидетельствуют, что в результате совместного действия чистового точения и выглаживания на поверхности стали 20Х13 с различной исходной структурой достигается существенное упрочнение и создается высокий уровень благоприятных остаточных сжимающих напряжений. Наблюдаемый рост при выглаживании отношения Н1т/Е (удельной контактной твердости) свидетельствует о повышении стойкости материала к упругой деформации [4, 5], а по некоторым данным [6], и износостойкости.
Таблица 1. Влияние термической обработки и алмазного выглаживания с силой Р на
микротвердость НУ0,025, отношение твердости вдавливания Нп к контактному модулю
*
упругости Е , шероховатость И.а и остаточные напряжения ст на поверхности стали 20X13
Исходное состояние Выглаживание
Термическая обработка НУ Нп/Е* Р, Н НУ Нт/Е* Яа, мкм о, МПа
Отжиг 180 0,011 230 405 0,021 0,15 -715
Закалка, отпуск 560°С 300 0,017 230 495 0,027 0,12 -980
Закалка, отпуск 150°С 515 0,026 230 665 0,034 0,24 -1000
Закалка, отпуск 150°С 530 0,028 340 810 0,041 0,09 -1500
Согласно [2], проведение после чистового точения выглаживания с нагрузкой Р=230 Н обеспечивает формирование нового рельефа поверхности отожженной и высокоотпущенной при 560°С стали (Яа=0,12-0,15 мкм) и лишь неполное сглаживание исходной шероховатости точеной поверхности низ-коотпущенной при 150°С стали (Яа=0,24 мкм). Увеличение силы выглаживания до Р=340 Н позволяет полностью сгладить вершины микронеровностей точения на поверхности наиболее высокопрочной низкоотпущенной стали и достигнуть нанометрового диапазона параметра шероховатости Яа=0,09 нм (см. табл. 1).
Выглаживание при нагрузке Р=230 Н формирует на поверхности нетермоупрочненной стали 20Х13 слой толщиной 5-8 мкм (рис. 1а, зона А) с субмикрокристаллической структурой феррита (рис. 1б, в): темнопольное изображение структуры на рис. 1в показывает, что размер многих кристаллитов составляет ~200 мкм. В слое А с сильно диспергированной структурой, как и в нижележащем слое Б с деформированной структурой, сохраняются карбиды отжига (Сг23С6, Сг7С3) округлой и вытянутой формы (см. рис. 1а).
На поверхности закаленной и высоко-отпущенной при 560°С стали при выглаживании образуется
слой толщиной ~5 мкм (рис. 1г, зона А) с субмикро-и нанокристаллическими структурами (рис. 1д, е): на темнопольном снимке видно (см. рис. 1е), что в структуре одновременно присутствуют кристаллиты субмикроразмеров (более 100 нм) и наноразмеров (до 100 нм). Кольцевой вид микроэлектронограммы с заметным азимутальным размытием рефлексов (см. рис. 1д) свидетельствует о сильной фрагментации кристаллов а-фазы в процессе деформации выглаживанием и о значительных ра-зориентировках отдельных фрагментов (кристаллитов).
Выглаживание наиболее высокопрочной низко-отпущенной стали 20Х13 с силой Р=230 Н, обеспечивающей лишь частичное сглаживание вершин микронеровностей точения [2], не приводит к формированию приповерхностного слоя с сильнодис-пергированной структурой мартенсита (рис. 2а). В деформированной зоне Б (на рис. 2а) толщиной ~4 мкм просвечивающая электронная микроскопия выявляет смешанные структуры. В отдельных участках поверхностного слоя сохраняется структура реечного мартенсита низкоотпущенной стали (рис. 2б). Однако в других участках образуется фрагментирован-ная структура, свидетельствующая о развитии начальных стадий ротационной деформации (рис.2б,в).
Рис. 1. Структура отожженной (а-в) и высокоотпущенной при 560°С (г-е) стали 20Х13 после выглаживания с силой Р=230 Н: а, г - электронная сканирующая микроскопия поперечного шлифа; б, в, д, е - электронная просвечивающая микроскопия слоя А: б, д - светлопольные изображения; в, е - темнопольные изображения в рефлексе (110)а.
Первоначально деформация развивается обычными механизмами скольжения и двойникования, приводящими к фрагментация исходной структуры мартенсита. Однако после исчерпания указанных механизмов пластичности дальнейшая деформация развивается уже за счет разворотов (ротаций) фрагментов, имеющих размеры 300-500 и более мкм (рис. 2б, в). В результате ротаций фрагментов формируются их границы, которые вначале представляют собой сложные дислокационные скопления, имеющие значительную ширину (100-200 мкм) и малоугловые разориентировки, на что указывает точечная микродифракция (см. рис. 2б, в).
При увеличении степени деформации поверхностного слоя низкоотпущенной стали (выглаживание с силой Р=340 Н) в результате дальнейшего развития ротационных мод деформации происходит перестройка указанных малоугловых границ в более тонкие большеугловые границы и уменьшение размеров фрагментов. В итоге при выглаживании с силой Р=340 Н самого высокопрочного низкоотпущенного состояния со структурой реечного мартенсита в поверхностном слое толщиной 2-3 мкм (зона А на рис. 2г) возникает наиболее дисперсная (в основном на-нокристаллическая) структура (рис. 2д, е): многие фрагменты имеют размеры менее 100 нм и значительные разорентировки, на что указывает кольцевой вид микродифракции. Наблюдаемая значительная неоднородность сформированных в стали 20Х13 субмикро- и нанокристаллических структур по размерам и форме кристаллитов (см. рис. 1, 2) свиде-
тельствует, что при алмазном выглаживании с СОТС при низком коэф-фициенте трения (Г<(), 1) процессы ротационной пластичности и накопления деформации не получают максимально возможного развития. Обеспечение технологических условий (материал индентора, среда) для достижения относительно высокого коэффициента трения (£>0,2) и, соответственно, значитель-ных сдвиговых деформаций при выглаживающих и фрикционных обработках способствует накоплению пластической деформации в поверхностном слое и более полной реализации ротационного механизма деформации, обусловливающего наноструктурирование металлических материалов [7, 8].
Из табл. 2 следует, что выглаживание стали 20Х13 с различной исходной структурой приводит к снижению интенсивности абразивного изнашивания Ш и росту удельной работы изнашивания Это обусловлено ограничением процессов микрорезания на выглаженных поверхностях по сравнению с исходными состояниями (рис. 3 а, г). Наибольший эффект роста абразивной износостойкости (в 1,6 раза) и наилучшие трибологические характеристики (минимальные уровни Ш и коэффициента трения Г, максимальная величина ' ) отмечены в результате выглаживания низкоотпущенной стали с силой Р=340 Н, формирующей новую поверхность детали и обеспечивающей максимальные прочностные характеристики (см. табл. 1) за счет эффективного нанострук-турирования поверхностного слоя (см. рис. 2д, е)
где
Рис. 2. Структура низкоотпущенной при 150°С стали 20Х13 после выглаживания с силой Р=230 Н (а-в) и Р=340 Н (г-е): а, г - электронная сканирующая микроскопия поперечного шлифа; б, в - электронная просвечивающая микроскопия слоя Б на рис. 2а; д, е - электронная просвечивающая микроскопия слоя А на рис. 2г: б, в, д - светлопольные изображения; е - темнопольное изображение в рефлексе (110)а.
Таблица 2. Влияние термической обработки и алмазного выглаживания с силой Р на интенсивность изнашивания Ш, коэффициент трения f и удельную работу изнашивания W при испытании по закрепленному абразиву (кремню) образцов из стали 20Х13
Термическая обработка Состояние образца Р, Н Ш, 10-6 { кДж/см3
Отжиг Исходное - 6,0 0,64 35,7
Выглаживание 230 4,8 0,68 43,4
Закалка, отпуск 560°С Исходное - 4,9 0,64 43,6
Выглаживание 230 4,2 0,56 46,0
Закалка, отпуск 150°С Исходное - 3,2 0,62 67,3
Выглаживание 230 2,4 0,57 79,4
Выглаживание 340 2,0 0,53 95,3
и протекания в тетрагональном мартенсите при выглаживании процессов деформационного динамического старения [2].
В условиях трения скольжения со смазкой (в режиме граничного трения) по пластине из аустенит-ной нержавеющей стали 12Х18Н10Т для всех трех исходных структурных состояний стали 20Х13 установлено снижение интенсивности изнашивания в результате выглаживания с силой, формирующей новый рельеф поверхности детали (табл. 3).
Из рис. 3д видно, что выглаживание ограничивает процессы передеформирования поверхностных слоев под действием трения по сравнению с исходным состоянием стали 20Х13 (рис. 3б). При испытаниях на трение по стальной пластине с водой снижение ин-
тенсивности изнашивания в 1,6 раза зафиксировано при выглаживании высокоотпущенной стали 20Х13 (см. табл. 3), что связано с ограничением процессов адгезионного схватывания на выглаженной поверхности (рис. 3е) по сравнению с необработанной сталью (рис. 3в). Еще более высокий эффект повышения износостойкости (до 30 раз) при трении с водой наблюдается при выглаживании низкоотпущенной стали (табл. 3), обеспечивающем переход от адге-зиионного схватывания у исходной стали (рис. 4а) к нормальному механо-химическому износу у выглаженной при Р=340 Н поверхности (рис. 4в). Напротив, выглаживание стали в состоянии поставки (отжиг) может сопровождаться ростом интенсивности изнашивания (см. табл. 3) вследствие ускоренного
разрушения упрочненного выглаживанием слоя по глубинным слоям с очень низкой прочностью. Таблица 3. Влияние термической обработки и алмазного выглаживания с силой Р на интенсивность изнашивания Ш стали 20Х13 при испытаниях на трение скольжения по стали 12Х18Н10Т с нагрузкой N
Термическая Состояние Р, Испытания со смазкой Испытания с водой
обработка образца Н N Н Ш, 10-8 £ N Н Ш, 10-8 £
Отжиг Исходное - 78 14,8 0,28 98 170 0,42
Выглаживание 230 5,3 0,34 300 0,45
Закалка, Исходное - 147 10,8 0,35 98 20,2 0,44
отпуск 560°С Выглаживание 230 4,9 0,24 13,0 0,52
Закалка, Исходное - 588 8,5 0,35 392 5,9 0,55
отпуск 150°С Выглаживание 230 8,2 0,35 2,4 0,44
Выглаживание 340 3,5 0,33 0,2 0,52
где Рис. 3. Поверхности изнашивания образцов из стали 20Х13 в исходном высокоотпущенном при 560°С (а-в) и выглаженном (г-е) состояниях после испытаний по кремню (а, г) и по стали 12Х18Н10Т со смазкой при нагрузке N=147 Н (б, д) и в воде при N=98 Н (в, е).
а б в
Рис. 4. Поверхности изнашивания образцов из стали 20Х13 в исходном низкоотпущенном при 150°С состоянии (а) и после выглаживания с силами Р=230 Н (б) и Р=340 Н (в): испытания по стали 12Х18Н10Т в воде с нагрузкой N=392 Н.
Из табл. 3 следует, что выглаживание стали циенты трения при выбранных условиях испытаний 20Х13 не оказывает заметного влияния на коэффи- на трение скольжения.
Выводы: алмазное выглаживание на токарно-фрезерном центре специальным инструментом с УДС приводит к формированию в тонких (2-8 мкм) поверхностных слоях деталей из высокохромистой стали 20Х13 субмикрокристаллических и нанокри-сталлических структур, дисперсность которых возрастает с увеличением исходной твердости стали по мере перехода от отожженного состояния к высоко-и низкоотпущенному состояниям. Указанные суб-микро- и нанокристаллические слои обладают повышенным сопротивлением изнашиванию в условиях абразивного воздействия и трения скольжения по пластине из аустенитной нержавеющей стали в различных жидких средах (масло И-30, вода) за счет ограничения процессов микрорезания, пластического передеформирования и адгезионного схватывания. Максимальные уровни микротвердости (НУ=810), удельной контактной твердости (Н1т/Е =0,041), сжимающих напряжений (о=-1500 МПа) и износостойкости при обеспечении нанометрового диапазона параметра шероховатости Яа=90 нм достигаются при алмазном выглаживании инструментом с УДС низ-коотпущенной стали 20Х13 со структурой тетрагонального реечного мартенсита с оптимизированной для данных параметров инструмента силой выглаживания (Р=340 Н), обеспечивающей формирование новой поверхности с преимущественно нанокри-сталлической структурой.
Работа выполнена при частичной поддержке проекта № 09-Т-1-1002 по программе ОЭММПУ РАН №13, междисциплинарного проекта № 09-М-12-2002 и гранта РФФИ № 11-08-01025-а.
Просвечивающая электронная микроскопия реализована на оборудовании Лаборатории структурных методов аннализа материалов и на-номатериалов ЦКП УрФУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов В.П. Имитационное моделирование влияния параметров технологической системы на виброустойчивость выглаживания поверхностей дета-лей//Металлообработка. 2010. № 1. С. 7-16.
2. Кузнецов В.П., Макаров А.В., Саврай Р.А. и др. Формирование высококачественных поверхностей деталей из коррозионно-стойкой стали выглаживанием специальным инструментом с узлом динамической стабилизации на токарно-фрезерном центре //Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 8. С. 3-15.
3. Кузнецов В.П., Макаров А.В., Осинцева А.Л. и др. Упрочнение и повышение качества поверхности деталей из ау-стенитной нержавеющей стали алмазным выглаживанием на токарно-фрезерном центре//Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 11. С. 16-26.
4. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. 1998. V. 73. No. 5. P. 614-618.
5. Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Печковский Э.П. Установление предельных значений твердости, упругой деформации и соответствующего напряжения материалов методом автоматического индентирования // Материаловедение. 2008. № 8. С. 15-21.
6. Leyland A., Matthews A. On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimized tribological behavior // Wear. 2000. V. 246. P. 1-11.
7. Makarov A.V., Savrai R.A., Pozdejeva N.A. et al. Effect of hardening friction treatment with hard-alloy indenter on microstructure, mechanical properties, and deformation and fracture features of constructional steel under static and cyclic tension // Surface and Coatings Technology. 2010. V. 205. P. 841-852.
8. Кузнецов В.П., Макаров А.В., Поздеева Н.А. и др. Повышение прочности, теплостойкости и износостойкости деталей из цементованной стали 20Х наноструктурирую-щим фрикционным выглаживанием на токарно-фрезерных центрах // Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 9. С. 3-13.
WEAR RESISTANCE OF THE SURFACES OF 20Kh13 STEEL PARTS WITH SUBMICRO- AND NANOCRYSTALLINE LAYERS FORMED BY BURNISHING ON THE TURNING/MILLING CENTER
© 2011 V.P. Kuznetsov1, A.V. Makarov2, A.S. Yurovskikh3, R.A. Savrai2, A.E. Kiryakov1
:Kurgan State University, Kurgan,2Institute of Engineering Science UB RAS, Ekaterinburg
3Ural Federal University, Ekaterinburg
Wear resistance and friction coefficient under conditions of abrasive wear and sliding friction in liquid media (water, lubricant) of sub-microcrystalline and nanocrystalline layers formed by diamond burnishing on the turning/milling center on the surfaces of 20kh13 corrosion-resistant steel parts being in three structural states are investigated.
Key words: corrosion-resistant steel, diamond burnishing, transmission electron microscopy, structure, wear rate, friction coefficient
Kuznetzov Victor Pavlovich, Cand.Tech.Sci., senior lecturer managing chair of automation a prorecension-stvennyh ofprocesses of Kurgan State University. E-mail: [email protected].
Makarov Alexey Viktorovich, Dr.Sci.Tech., laboratory chief of constructional materials-conducting ofIMASH RAN UrO of the Russian Academy of Sciences. E-mail: [email protected].
Jurovsky Artem Sergeevich, Cand.Tech.Sci., senior lecturer of the Ural Federal University. E-mail: [email protected]. Savray Roman Anatolyevich, Cand. Tech.Sci., the senior research assistant of laboratory of konstruction materials technology of IMASH RAN UrO of the Russian Academy of Sciences. E-mail: [email protected].
Kirjakov Alexander Evgenevich, the engineer of chair of a car-matizatsii ofproductions ofKurgan State University. An E-mail: [email protected]
