CC BY
311
УДК 669.017
СРАВНЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И НАНОТВЕРДОСТИ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ РАЗНЫМИ СПОСОБАМИ
Д.Б. Глушкова, доцент, к. т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., ХНАДУ, Г.Н. Толмачева, науч. сотр., ННЦ «ХФТИ», Ю.В. Рыжков, инженер, ООО СКТБ «Гидромодуль», г. Харьков
Аннотация. Приведено сравнение износостойкости сталей 45 и 38Х2МЮА без покрытия и после упрочнения поверхностного слоя разными способами. Оценена нанотвердость сталей после разной обработки.
Ключевые слова: приповерхностный слой, нанотвердость, износостойкость, упрочнение, покрытие.
ПОР1ВНЯННЯ ЗНОСОСТ1ЙКОСТ1 ТА НАНОТВЕРДОСТ1 СТАЛЕЙ П1СЛЯ ПОВЕРХНЕВОГО ЗМ1ЦНЕННЯ Р1ЗНИМИ СПОСОБАМИ
Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., ХНАДУ, Г.М. Толмачова, наук. сшвр., ННЦ «ХФТ1», Ю.В. Рижков, шженер, ТОВ СКТБ «Гщромодуль», м. Харкчв
Анотаця. Приведено пор1вняння зносостткост1 сталей 45 i 38Х2МЮА без покриття i тсля змщнення поверхневого шару рiзними способами. Оцтено нанотвердтть сталей тсля рiзноi обробки.
Ключов1 слова: приповерхневий шар, нанотвердiсть, знососттюсть, змщнення, покриття.
COMPARISON OF STEELS WEAR RESISTANCE AND NANOHARDNESS AFTER SURFACE STRENGTHENING BY DIFFERENT METHODS
D. Glushkova, Associate Professor, Candidate of Technical Science, V. Tarabanova, Associate Professor, Candidate of Technical Science, KhNAHU, G. Tolmachova, research worker, NSC «KhIPT», U. Ryzhkov, engineer, «Gidromodul», Kharkiv
Abstract. This paper gives the comparison of wear resistance of steels 45 and 38Cr2MoAl without coating and after surface strengthening by different methods. Steels nanohardness after different treatment is evaluated.
Key words: surface layer, nanohardness, wear resistance, strengthening, coating.
Введение
В качестве критериев оценки состояния поверхности деталей гидроприводов, поверхность которых подвергается износу, используется ряд параметров: относительная износостойкость, величина остаточной пластической деформации, степень износа или коррозии, твердость и такая структурно-
чувствительная характеристика как нано-твердость, которая позволяет получить информацию о состоянии тонкого поверхностного слоя.
Анализ публикаций
В практике предприятий, занимающихся изготовлением и ремонтом деталей объемного
гидропривода, применяют химико-термическую обработку, диффузионное и поверхностное легирование для улучшения их рабочих характеристик [1-3].
Анализ опыта работы ряда машиностроительных предприятий показывает эффективность применения ионно-плазменной технологии [4, 5].
Задавая свойства покрытия путем изменения его химического состава, можно направленно воздействовать на износостойкость, коррозионную стойкость, формирование стабильных характеристик покрытия, что способствует повышению долговечности деталей машин и механизмов.
Материал и методика исследования
Материалом исследования была используемая в настоящее время сталь 45 без покрытия и после нанесения карбонитридного слоя, а также сталь 38Х2МЮА без покрытия, после азотирования и нанесения плазменного покрытия.
Цель работы
Задачей настоящего исследования было оценить износостойкость и состояние поверхностного слоя деталей, выполненных из разных сталей и упрочненных химико-термической обработкой и ионно-плазменным напылением.
Основными критериями оценки работоспособности материалов для деталей гидропривода и эффективности их поверхностной обработки являются триботехнические характеристики и, в первую очередь, износостойкость [6].
Методики испытаний позволили моделировать процессы трения и износа реальных деталей. Так, испытания проводились на машине трения СМЦ-2, которая дает возможность сравнить испытуемые материалы по износостойкости и приработочным свойствам по схеме «ролик-колодочка». Роликом служила сталь, колодочкой - серый чугун СЧ20. Приработка - 15 мин, испытания - 2 ч.
Процесс азотирования осуществлялся в среде аммиака МН3 при температуре 520 °С. Кар-бонитрацию проводили в атмосфере, содержащей углеводород и аммиак, температура процесса 830 °С.
Нанесение плазменного покрытия осуществлялось на установке «Булат-ЗТ». Для получения нитридотитанового покрытия в качестве газореагента использовали азот.
Состояние поверхностного слоя изучаемых сталей после разных видов обработки оценено с помощью наноиндентирования.
Нанотвердость поверхностных упрочненных слоев определяли на установке Nano Indentor V200 в ННЦ ХФТИ НАН Украины. В качестве индентора использовалась алмазная трехгранная пирамида Берковича с радиусом затупления при вершине около 20 нм. Точность определения глубины отпечатка ±0,01 нм. На-нотвердость поверхностных слоев фиксировалась до глубины 200 нм. Максимальная нагрузка на индентор составляла 9 мН. Обработку полученных экспериментальных данных проводили методом Оливера и Фарра [7].
Результаты эксперимента и их обсуждение
Результаты сравнения износостойкости стали 45 после улучшения и после карбонитрации, а также стали 38Х2МЮА после улучшения представлены на рис. 1.
О 0,05 0,1 0,15 0,2
Нагрузка, Р, кН
Рис. 1. Зависимость износа исследуемых материалов от предложенной нагрузки: 1 - сталь 45 после улучшения; 2 - сталь 45 после карбонитрации; 3 - сталь 38Х2МЮА после улучшения; время испытаний - 2 часа
Полученные результаты свидетельствуют, что наибольший износ имеет сталь 45 после улучшения.
Карбонитрация стали 45 снижает износ в 1,21,3 раза для всего исследуемого диапазона нагрузок. Замена стали 45 на сталь 38Х2МЮА способствует уменьшению износа в 1,5-2 раза.
Еще более существенное уменьшение износа имеет место после азотирования стали 38Х2МЮА или нанесения на неё ионно-плазменного покрытия.
В табл. 1 представлены результаты испытаний на износ стали 45 и стали 38Х2МЮА после разных видов обработки. Из табл. 1 следует, что износ стали 38Х2МЮА почти в 1,5 раза меньше, чем стали 45.
Азотирование стали 38Х2МЮА уменьшает износ на 20 % по сравнению с этой же сталью, но без азотирования. А нанесение плазменного покрытия ТШ на сталь 38Х2МЮА почти в 2 раза уменьшает износ по сравнению со сталью 38Х2МЮА без покрытия и снижает износ в 2,5 раза по сравнению со сталью 45 без покрытия после улучшения.
При этом следует отметить, что существенно уменьшается износ работающей в паре с роликом колодочки. Имеет значение также толщина ионно-плазменного покрытия.
В табл. 2 показана зависимость износа от толщины покрытия. Для проведенных испытаний наименьший износ наблюдается при толщине покрытия 6 мкм.
В табл. 3 приведены значения твердости после разных способов поверхностного упрочнения сталей 45 и 38Х2МЮА.
О состоянии поверхностных слоев можно получить информацию с помощью измерений нанотвердости методом индентирования. На рис. 2 представлено распределение на-нотвердости по глубине внедрения инденто-ра стали 45 после карбонитрации, на рис. 3 - стали 38Х2МЮА после азотирования, на рис. 4 - стали 38Х2МЮА после нанесения Т1-К покрытия.
Как видно из этих рисунков, наблюдается резкий спад среднего контактного давления под индентором. Этот участок соответствует упругой деформации. При дальнейшем увеличении глубины внедрения происходит пластическая деформация и становится возможным измерение нанотвердости.
На рис. 4 приведено распределение нанот-вердости стали 38Х2МЮА после нанесения плазменого покрытия Т1-К по глубине внедрения индентора.
1, 2, 3, 4, 5 линии - наноиндентирования на исследуемом образце, отстоящие друг от друга на расстоянии 20 мкм, что позволяет избежать влияния навалов материала вокруг отпечатка на получаемые значения.
Материал диска Материал колодочки Износ ролика, г • 10-4 (среднее по трем испытаниям) Износ колодочки, 2 • 10-4 (среднее по трем испытаниям)
Сталь 45 после улучшения СЧ 20 46,0 26,0
Сталь 45 после карбонитрации СЧ 20 40,0 18,0
Сталь 38Х2МЮА после улучшения СЧ 20 31,0 15,0
Сталь 38Х2МЮА после азотирования СЧ 20 25,0 12,0
Сталь 38Х2МЮА с покрытием ТШ (толщина покрытия 6 мкм) СЧ 20 17,0 6,0
Таблица 2 Влияние толщины покрытия Т1-К наносимого на сталь 38Х2МЮА, на износ деталей
Марка стали Износ, г • 10-3
без покрытия толщина покрытия, мкм
2 3 4 5 6 7
38Х2МЮА после улучшения 3,0 2,2 2,1 1,9 1,8 1,7 1,9
Таблица 1 Результаты испытаний на износ
Таблица 3 Значения твердости после разных способов поверхностного упрочнения
№ Марка стали Вид упрочняющей обработки Твердость в зоне трения HV5
1 сталь 45 улучшение (закалка+высокий отпуск) 271-283
2 сталь 45 улучшение+карбонитрация 396-450
3 сталь 38Х2МЮА улучшение 300-320
4 сталь 38Х2МЮА улучшение+азотирование 349-362
5 сталь 38Х2МЮА улучшение + покрытие' 550-570
Н, ГПа9
4 -3 -2 -1 -
О 1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г-
0 50 100 1 50 200 250 300
Глубина внедрения, нм
Рис. 2. Распределение нанотвердости стали 45 после карбонитрации по глубине внедрения индентора
Н.ГПа
4 -
2 -
0 -I,-,-1-,-1-,-1-,-1-,-1-,-
О 50 100 150 200 250 300
Глубина внедрения индентора, нм
Рис. 3. Распределение нанотвердости стали 38ХМЮА после азотирования по глубине внедрения индентора
10 30 30 10 50 60 70 80 90 1 00 110 1» 130 140 150 1» 170 180 190 МО
Глубина внедрения индентора, нм
Рис. 4. Распределение нанотвердости стали 38Х2МЮА после нанесения Ti-N покрытия по глубине внедрения индентора
Анализ полученных результатов измерения нанотвердости на глубине 100 нм (т. М) показывает, что наименьшее значение нанотвердости имеет сталь 45 после карбонитрации -7,5 ГПА. У стали 38Х2МЮА после азотирования нанотвердость составляет ~13,0 ГПА, после нанесения ионно-плазменного покры-
тия ТьК среднее значение нанотвердости составляет ~13,4 ГПА.
Выводы
1. Установлено, что замена стали 45 с карбо-нитрацией на сталь 38Х2МЮА с ионно-
плазменным покрытием позволяет увеличить износостойкость поверхности, подвергающейся износу, более чем в 2 раза.
2. Наименьший износ наблюдается при нанесении ионно-плазменного покрытия Ti-N толщиной 6 мкм.
Литература
1. Карасик И.И. Развитие критериев и мето-
дов экспериментальной прирабатывае-мости материалов / И.И. Карасик // Вестник машиностроения. - 1984. -№ 11. - С. 16-19.
2. Карасик И.И. Прирабатываемость мате-
риалов для подшипников скольжения / И.И. Карасик. - М. : Наука, 1979. -136 с.
3. Бондаренко В. Л. Новые триботехнические
материалы - путь к долговечности машин и механизмов / В.Л. Бондаренко, А.М. Баранов // 1нстр. свгг. - 2006. -№ 2.- С. 12-15.
4. Рыжков Ю.В. Повышение износостойко-
сти трущихся поверхностей пар трения / Ю.В. Рыжков, С.Н. Дуб, АН. Коваль-чук, // Вестник ХНАДУ : сб. научн. тр. -
Харьков : ХНАДУ. - 2009. - Вып. 46. -С. 39-43.
5. Рыжков Ю.В. Эффективный метод повы-
шения износостойкости узлов объемного гидропривода / В.И. Мощенок, Г.А. Ав-рунин, Д.Б. Глушкова, В.П. Тарабанова, Ю.В. Рыжков : материалы 4-й международной конференции «Стратегия качества в промышленности». - Варна. Болгария, 2008. - Т.1. - С. 406-408.
6. Буше Н.А. Решенные и нерешенные за-
дачи по совместимости трибосистем / Н.А. Буше // Трение и износ. - 1993. -Т.14, № 1. - С. 25-34.
7. Oliver W.C. An improved technique for de-
termining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W.C. Oliver, G.M. Pharr // Journal Materials Research. - 1992. -Vol. 7, № 6. - P. 1564-1583.
Рецензент: И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.
