Повышение износостойкости трущихся поверхностей пар трения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.178.151

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПАР ТРЕНИЯ

С.Н. Дуб, к.т.н., ст. научн. сотр., Институт сверхтвердых материалов, г. Киев, А.Н. Ковальчук, к. т.н.,

ГП МЗ «Свет шахтера», Д.Б. Глушкова, доцент, к. т.н.,

В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., ХНАДУ, Ю.Н. Рыжков, инженер,

СКТБ «Гидромодуль»

Аннотация. Исследованы износостойкость и нанотвердость трущихся поверхностей пар трения, изготовленных из стали 45 и 38ХМЮА, с разным видом покрытия и без покрытия. Обоснован выбор стали и тип покрытия, обеспечивающие наименьший износ и высокие показатели нанотвердости.

Ключевые слова: износ, нанотвердость, плазменное покрытие, карбонизация, азотирование.

Введение

В настоящее время актуальной является разработка высокоэффективных технологических процессов повышения надежности объемных гидроприводов, занимающих значительное место в машинах различного назначения.

Опыт эксплуатации этих машин показал, что основной причиной выхода из строя является изнашивание рабочих поверхностей контртел прецизионных узлов трения [1, 2].

В узлах трения износ поверхностей трения зависит от таких факторов, как природа поверхностей трения, интенсивность изнашивания, режим нагружения, смазочный материал [3]. В связи с этим большое внимание уделяется проблемам повышения противоиз-носных свойств поверхностей пар трения.

Выбор материалов представляет собой трудную задачу и зависит от конструкции и назначения узла, условий эксплуатации, срока службы.

В связи со сказанным, целью данной работы было изыскание метода повышения износостойкости трущихся поверхностей пар трения.

Материал и методика исследования

В работе для исследования была выбрана сталь 45, которая в настоящее время широко используется для изготовления деталей гидропривода. Кроме того, исследовалась сталь 38Х2МЮА в качестве альтернативы используемой в настоящее время стали.

Образцы из стали 45 подвергались закалке и низкому отпуску. Часть образцов подвергалась карбонитрации. Образцы из стали 38Х2МЮА изучались после улучшения (закалки и высокого отпуска). На часть образцов наносилось плазменное покрытие методом КИБ, технология которого основана на взаимодействии ионов и других энергетических частиц, полученных в низкотемпературной плазме, с поверхностью твердого тела. Результатом взаимодействия потока частиц в разряженной среде с поверхностью является осажденная пленка. При выборе плазменного покрытия остановились на нитриде титана (TIN), поскольку он имеет высокие прочностные характеристики. Его коэффициент термического расширения близок по величине коэффициенту термического расширения экономно легированных сталей, используемых в качестве подложки. Нанесение покрытий осуществлялось на установке «Булат-ЗТ».

Износные испытания проводились на машине трения СМЦ-2, которая позволяет провести сравнение испытуемых материалов на износостойкость по схеме «ролик-колодочка». Износ образцов определялся по потере массы за время испытания путем взвешивания на аналитических весах с точностью до 10- 4 г.

Определение нанотвердости проводилось по методике Оливера и Фарра по глубине отпечатка при максимальной нагрузке на инден-тор. Испытания проходили в институте сверхтвердых материалов НАН Украины на приборе «Nano Indenter II», оснащенном алмазным индентором Берковича, заточенным в форме трехгранной пирамиды [4]. Модуль упругости определяли по кривой разгрузки индентора.

Результаты исследований

Результаты проведения износных испытаний представлены в табл. 1.

Анализ полученных данных свидетельствует

о том, что износ стали 38Х2МЮА в 2 раза меньше, чем стали 45. Нанесение карбонит-ридного покрытия на сталь 45 уменьшает износ на 10%.

Азотирование стали 38Х2МЮА уменьшает износ в 2 раза. Еще больший эффект наблюдается при нанесении покрытия TiN на сталь 38Х2МЮА, когда износ уменьшается почти в 3 раза. Износ же стали 38Х2МЮА с покрытием TiN в 4,5 раза меньше, чем стали 45 с карбонитридным покрытием.

Таблица 1 Результа

Механические свойства оценивались с помощью определения нанотвердости. Прибор «Nano Indenter II» измеряет не глубину отпечатка, а перемещение индентора h, которое является суммой нескольких слагаемых -глубины контакта ha, упругого прогиба поверхности образца на краю контакта hs, упругого прогиба силовой рамы hf, теплового расширения стержня, в котором закреплен индентор htd

h = hс + hs + hf + htd. (1)

Нанотвердость и модуль упругости образца определялись по глубине контакта ^ при максимальной нагрузке Pmax. Упругий профиль hs при максимальной нагрузке на краю

отпечатка находили по формуле

hs = 8 Pmax /S , (2)

где 8 - коэффициент, зависящий от формы; S - жесткость контакта.

Твердость определялась по глубине отпечатка при максимальной нагрузке

H = Pmax /А. (3)

На рис. 1 - 5 показаны результаты вычисления нанотвердости. Как следует из гистограмм, представленных на рис. 2, нанотвердость стали 38ХМЮА с плазменным покрытием в 2 раза выше, чем нанотвердость стали 45 с карбонитридным покрытием.

износных испытаний

Материал диска Материал колодки Износ диска, г (средний по трем испытаниям) Износ колодочки, г (средний по трем испытаниям)

сталь 45 СЧ 20 0,0046 0,0026

сталь 45 с карбонитрацией СЧ 20 0,0040 0,0018

сталь 38Х2МЮА СЧ 20 0,0025 0,0015

сталь 38Х2МЮА с азотированием СЧ 20 0,0013 0,0008

сталь 38Х2МЮА с покрытием TIN СЧ 20 0,0009 0,0005

Рис. 1. Гистограммы нанотвердости при нагрузке 10 мН: 1 - плазменного покрытия, нанесенного на сталь 38ХМЮА; 2 -карбонитридного покрытия, нанесенного на сталь 45

Проведенные исследования также показали, что увеличение нагрузки в 5 раз с 10 мН до 50 мН несущественно влияет на значения нанотвердости (рис. 2).

12 и 11 -

о.

О 9 * 87 -

6 -I------------------------------------------,---------------------

1 2

Рис. 2. Гистограммы нанотвердости плазменного покрытия, нанесенного на сталь 38ХМЮА: 1 - нагрузка 10 мН; 2 - нагрузка 50 мН

Следует также отметить более высокий уровень модуля упругости плазменного покрытия, нанесенного на сталь 38ХМЮА, по сравнению с карбонитридным покрытием, нанесенным на сталь 45 (рис. 3). Это свидетельствует о том, что в стали 38ХМЮА при более высоких напряжениях наступает момент пластической деформации.

230 и -----------------

220 -

ш ------

210 -

200

1 2

Рис. 3. Гистограммы модуля упругости Е: 1 -сталь 38ХМЮА с плазменным покрытием; 2 - сталь 45 с карбонитридным покрытием

Показательным также является эффект упрочнения за счет нанесения покрытий. Так, плазменное покрытие, нанесенное на сталь 38ХМЮА, способствует повышению твердости в 2,5 раза, а карбонитридное покрытие на сталь 45 обеспечивает повышение твердости всего в 1,5 раза (сравните рис. 4 и 5).

Таким образом, с целью повышения износостойкости и механических свойств рабочих поверхностей контртел прецизионных узлов трения можно рекомендовать применение стали 38ХМЮА, на которую наносится плазменное покрытие.

12 11 тЮ -О- 9 ° 8 1 76 5 -

1 1

4 1 2

Рис. 4. Гистограммы нанотвердости стали 38ХМЮА: 1 - без покрытия; 2 - с плазменным покрытием

7 и 6 -

го

4 -

3 1---------------------------,-------------

1 2

Рис. 5. Гистограммы нанотвердости стали 45:

1 - без покрытия; 2 - с карбонитридным покрытием

Выводы

1. Для упрочнения рабочих поверхностей контртел прецизионных узлов трения рекомендуется нанесение покрытий на них.

2. Износные испытания показали:

а) наибольший износ наблюдается у стали 45;

б) нанесение карбонитридного покрытия на сталь 45 уменьшает износ на ~ 10%;

в) износ стали 38Х2МЮА в 2 раза меньше, чем износ стали 45;

г) нанесение покрытия TIN на сталь 38ХMЮA уменьшает износ в З раза.

3. Износ стали 38ХMЮA с плазменным покрытием в 4,5 раза меньше, чем износ стали 45 с карбонитридным покрытием.

4. Нанотвердость стали 38ХMЮA с плазменным покрытием в 2 раза выше, чем нанотвердость стали 45 с карбонитридным покрытием.

5. Существенным является эффект упрочнения за счет нанесения покрытий. Плазменное покрытие на стали 38ХMЮA обеспечивает повышение твердости в 2,5 раза, а карбонит-ридное покрытие, нанесенное на сталь 45, обеспечивает повышение твердости всего в l,5 раза.

Литература

1. Андреев A.A., Кунченко В.В., Шула-ев В. М., Китаевский К. М. О повышении износостойкости изделий из стали // Вопросы атомной науки и техники: Серия: Вакуум, чистые материалы и сверхпроводники. - 2003. - № 5. -С.136 - 138.

2. Мощенок В.И. Определение истинной

твердости деталей дорожных машин ин-денторами различной формы // Вестник ХНАДУ: Сб. научных трудов. - 2007. -Вып. 38. - С. 285 - 289.

3. Кунченко В.В., Китаевский К.М., Челом-

битько А.Н. Исследование вакуумнодуговых износостойких покрытий, подвергнутых термообработке: Сб. докладов межд. научно-техн. конферен. «Пленка-2002». - М., 2002. - С. 206 - 209.

4. Калинева А.Л., Ханов А.М., Маточ-

кин В.М., Кузнецов С.В. Улучшение эксплуатационных характеристик деталей путем нанесения износостойких покрытий: Сб. докладов симпозиума

«Оборудование и технология термической второго международн. обработки металлов и сплавов в машиностроении» (ОТТОМ-2). - Харьков, 2001. - Ч. 2. -

С. 118 - 122.

Рецензент: В.И. Мощенок, профессор, к.т.н.,

хтду.

Статья поступила в редакцию 2З июля 2009 г.