CC BY
11
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК 669.017 DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2020.90.0.38
ПОР1ВНЯННЯ ЗНОСОСТ1ЙКОСТ1 ТА НАНОТВЕРДОСТ1 СТАЛЕЙ, ПОВЕРХНЯ ЯКИХ ЗМ1ЦНЕНА Р13НИМИ СПОСОБАМИ
Глушкова Д.Б., Степанюк А.1., Донченко Д.О. Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотащя. Приведено пор1вняння зносостткост1 сталей 45 / 38Х2МЮА без покриття / з р1з-ними способами змщнення поеерхнееого шару. За допомогою нанотвердост! отримана тфор-мац1я про законом1рмстъ розподшу твердост1 в припоеерхнееому шар1. Ключoвi слова: припоеерхнееий шар, нанотверд1сть, зносост1йюстъ, змщнення, покриття.
Вступ
Критер1ями ощнки стану поверхш деталей пдропривод1в, поверхня яких шддаеться зносу, е низка параметр1в: вщносна зносо-стшюсть, величина залишково! пластично! деформацп, стушнь зносу або корозп, твер-дють 1 така структурно-чутлива характеристика, як нанотвердють, що дозволяе отрима-ти шформащю про стан тонкого поверхневого шару.
Анал1з публжацш
У практищ шдприемств, що займаються виготовленням 1 ремонтом деталей об'емного пдроприводу, застосовують х1м1ко-терм1чну обробку, дифузшне та поверхневе легування для полшшення !хшх робочих характеристик
[1-3].
Анатз досвщу роботи кшькох машинобу-д1вних шдприемств показуе ефектившсть застосування юно-плазмово! технолог!! [4-5].
Задаючи властивосп покритт!в шляхом зм!ни !хнього х!м!чного складу, можна спря-мовано впливати на зносост!йк!сть, корозш-ну стшюсть, формування стаб!льних характеристик покриття, що сприяе п!двищенню довгов!чност! деталей машин ! механ!зм!в.
Завдання цього досл!дження - оц!нити зносост!йк!сть ! стан поверхневого шару деталей, виконаних !з р!зних сталей ! зм!цнених х!м!ко-терм!чною обробкою та юно-плазмовим напиленням.
Матер1ал 1 методика дослщження
Матер!алом досл!дження була використо-вувана на цей час сталь 45 без покриття ! теля нанесения карбон!тридного шару, а також сталь 38Х2МЮА без покриття теля азотування й нанесения плазмового покриття.
Застосування сучасних засоб!в реестрац!! надмалих перем!щень розширюе можливост! використання методу нанотвердост! в проце-ci дослщження структурних i субструктур-них 3míh у тонких поверхневих шарах.
Завданням цього досл!дження було оцши-ти стан noBepxHi, яка п!длягае зносу, не тшь-ки традиц!йними методиками, а й за допомогою нанотвердост!.
Основними критер!ями оц!нки працездат-hoctí матер!ал!в для деталей пдроприводу й ефективност! !хньо! поверхнево! обробки е триботехшчш характеристики та зносостш-
KiCTb [6].
Методики випробувань дозволили моде-лювати процеси тертя i зносу реальних деталей. Так, випробування проводилися на машин! тертя СМЦ-2, яка дае змогу пор1вняти випробовуваш матер1али за зносостшюстю та властивостями припрацьовуваносп за схемою «ролик-колодочка». Роликом слугу-вала сталь, колодочкою - cipnñ чавун СЧ20. Припрацьовування становило 15 хв, випробування - 2 год.
Процес азотування здшснювався в сере-довищ1 ам1аку NH3 за умови температури 520 °С, карбоштращю проводили в атмосфе-pi, що мютить вуглеводень i ам1ак, температура процесу - 830 °С.
Нанесения плазмового покриття здшеню-валося на установщ «Булат-3Т». Для отри-мання штридотитанового покриття газореагентом використовували азот.
Стан поверхневого шару дослщжуваних сталей теля р1зних вид1в обробки ощнено за допомогою наношдентування.
Нанотвердють поверхневих змщнених mapiß визначали на установщ Nano Indentor V200 в ННЦ ХФТ1 HAH Украши [7-9]. Як ¿ндентор використовувалась алмазна три-
гранна трамща Берковича з ращусом затупления при вершиш приблизно 20 нм. Точ-шсть глибини вщбитка ±0,01 нм. Наиотвер-дють поверхневих шар1в фшсувалася до глибини 200 нм. Максимальне навантаження на шдентор становила 9 мН. Обробку отри-маних експериментальних даних проводили методом Ол1вера 1 Фара [10-11].
Результаты експерименту та!хне обговорення
Результати пор1вняння зиосостшкост1 стат 45 теля полшшення та теля карбошт-рацп, а також стат 38Х2МЮА теля полш-шення представлен! на рис. 1.
Отримаш результати свщчать, що найб1-льший зное стат 45 теля полшшення.
Карбоштращя стал1 45 знижуе зное у 1,21,3 раза для всього дослщжуваного д1апазону навантажень. Замша стат 45 на сталь 38Х2МЮА сприяе зменшенню зносу в 1,52 рази. Ще бшьш ютотие зменшення зносу мае мюце теля азотування стал1 38Х2МЮА
Таблиця 1 - Результаты випробувань на зное
або нанесения на не! юио-плазмового пок-риття.
5 -
I
¡=¡1,25 -
0
0 0,05 0,1 0,15 0,2
Нагрузка. Р. кН
Рис. 1. Залежшсть зносу дослщжуваних ма-тер1атв вщ запропонованого навантаження: 1 - сталь 45 теля полшшення; 2 -сталь 45 теля карбоштрацп; 3 - сталь 38Х2МЮА теля полшшення
У табл. 1 наведен! результати випробувань на зное стат 45 1 стал1 38Х2МЮА теля р1зних вид1в обробки.
3 табл. 1 випливае, що зное стат 38Х2МЮА майже в 1,5 раза менший, шж стат 45.
Матер1ал диска Матер1ал колодочки Зное ролика, г • 10-4 (середне за трьома випробуваннями) Зное колодочки, 2 • 10-4 (середне за трьома випробуваннями)
Сталь 45 теля полшшення СЧ 20 46,0 26,0
Сталь 45 теля карботграцп СЧ 20 40,0 18,0
Сталь 38Х2МЮА теля полшшення СЧ 20 31,0 15,0
Сталь 38Х2МЮА теля азотування СЧ 20 25,0 12,0
Сталь 38Х2МЮА з покриггям Т N (товщина покриття 6 мкм) СЧ 20 17,0 6,0
Азотування стал1 38Х2МЮА зменшуе зное на 20 % пор1вняно з щею самою сталлю, але без азотування. А нанесения плазмового покриття Т1К на сталь 38Х2МЮА майже удв1ч1 зменшуе зное пор1вняно з1 сталлю 38Х2МЮА без покриття та знижуе зное у 2,5 раза пор1вняно з1 сталлю 45 без покриття теля полшшення.
Водночас можна зазначити, що суттево зменшуеться зное працюючо! в пар1 з роликом колодочки. Мае значения також товщина юио-плазмового покриття.
У табл. 2 показана залежшсть зносу вщ товщини покриття. Для проведених випробу-
вань найменший зное спостерпаеться, якщо товщина покриття 6 мкм.
Про стан поверхневих шар1в можна отри-мати шформащю за допомогою вим1рювань нанотвердост1 методом шдентування.
У табл. 3 наведен! значения твердост1 тс-ля р1зних способ1в поверхневого змщиеиия сталей 45 1 38Х2МЮА в зош тертя.
На рис. 2 показано розподш нанотвердост1 по глибиш впровадження ¿ндентора стат 45 теля карбоштрацп, на рис. 3 - стат 38Х2МЮА теля азотуваня, на рис. 4 - стат 38Х2МЮА теля нанесения ТК покриття.
Таблиця 2 - Вплив товщини покриття Т N яке наносилось на сталь 38Х2МЮА, на зное деталей
Зное, г 10-3
Марка стал1 без товщина покриття, мкм
покриття 2 3 4 5 6 7
38Х2МЮА теля покращення 3,0 2,2 2,1 1,9 1,8 1,7 1,9
Таблиця 3 - Значения твердост! теля р1зних способ1в поверхневого змщнення
№ Марка стал1 Вид змщнювально! обробки Твердють у зош тертя ИУ5
1 Сталь 45 покращення (гартування+високий вщпуск) 271-283
2 Сталь 45 покращення+карбоштрац1я 396-450
3 Сталь 38Х2МЮА покращення 300-320
4 Сталь 38Х2МЮА покращення+азотування 349-362
5 Сталь 38Х2МЮА покращення+покритгя ТМ 550-570
Для вс1х кривих властиво те, що в зош пружно! деформацп на глибиш до 30-50 нм спостерпаються иизью значения нанотвер-достг Що етосуетьея рис. 4, де зображена крива для стал1 38Х2МЮА з иокриттям ТМ то тут ми бачимо розкид значень.
Цей факт иов'язаний з тим, що вим1рюва-ш точки вщповщають р1зним мшродшяикам покриття, яю мають неоднакову природу.
Занижен! ж значения нанотвердост1 на глибиш до 30-50 нм пояснюються тим, що вони знаходяться в дшяищ пружно! дефор-мацп.
Рис. 2. Розподш иаиотвердост1 стат 45 теля карбоштрацп по глибиш впровадження ¿идентора
На глибиш понад 50 им значения нанот-вердост1 деякою м1рою стабшзуються. Особливо це пом1тио для стал1 38Х2МЮА з иа-иесеиим покриттям Т1М (рис. 4).
Отже, з анал1зу кривих розподшу иаиот-вердост1 по глибиш впровадження ¿ндентора випливае висновок, що об'ективиа шформа-щя про стаи поверхневого шару може бути отримана на глибиш понад 50 нм.
Кр1м того, величиии нанотвердост1 не по-рушують дииамшу, що спостерпаеться у вим1рюваиш зиосостшкосп та твердое^, а саме иайиижч1 значения зазначених характеристик мають мюце теля карбоштрацп стат 45, пот1м ¿де сталь 38Х2МЮА теля азотування, а пот1м - сталь 38Х2МЮА теля нанесения покриття ТМ
Нанесения покриття здшеиювали на уста-иовщ «БУЛАТ-6».
Рис. 3. Розподш иаиотвердост1 стат 38ХМЮА теля азотування по глибиш впровадження шдентора
л 2
♦М
« 50 60 ТО 90 » 1« 110 13С 140 I» 160 170
Глибина впровадження 1ндентора, нм
Рис. 4. Розподш нанотвердост1 стат 38Х2МЮА теля нанесения ТМ покриття по глибиш впровадження шдентора
Висновки
1. Установлено, що замша стат 45 з кар-боштращею на сталь 38Х2МЮА з юно-плазмовим покриттям дозволяе збшьшити зносостшюсть поверхш, яка шддаеться зносу бшьше шж удв1ч1.
2. Найменший зное спостер1гаеться за умови нанесення юно-плазмового покриття Т1К завтовшки 6 мкм.
3. Поверхневий змщнений шар можна оцшити за допомогою нанотвердост!, якщо глибина впровадження шдентора 50-200 нм.
Л1тература
1. Арифов Е. А. Взаимодействие атомных частиц
с поверхностью метала. Харьков, 1998. 290 с.
2. Федоров А. В. Исследование свойств поверхности стали после ионной имплантации. Поверхность. 1996. № 8. С. 123-131.
3. Рыжков Ю. В., Глушкова Д. Б., АврунинГ. А. Карбонизация - эффективный метод повышения надежности деталей гидропривода. Вестник ХНАДУ: сб. научн. тр. Харьков: ХНАДУ. 2007. Вып. 39. С. 127-129.
4. Карпенко В. А., Глушкова Д. Б., Рыжков Ю. В. Повышение эксплуатационных характеристик деталей гидропередач. Мир техники и технологий. 2009. № 8 (93). С. 16-17.
5. Дуб С. Н., Ковальчук А. Н., Рыжков Ю. В. Повышение износостойкости трущихся поверхностей пар трения. Вестник ХНАДУ: сб. научн. тр. Харьков: ХНДУ. 2009. Вып. 46. С. 39-43.
6. Рыжков Ю. В. Исследование влияния плазмен-
ного покрытия на стойкость металлических форм. Науковий Вгсник будгвництва. 2009. № 12.
7. Рыжков Ю. В. Определение оптимальных параметров покрытий деталей объемного гидропривода методом теории планирования эксперимента. ВестникХПН. Харьков: ХПИ. 2009.
8. Рыжков Ю. В. Повышение долговечности отливок из теплоустойчивой стали, применяемой в гидромашинах. Материалы 7-и международной промышленной конференции «Эффективность реализации научного ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях». Славское, 2007. С. 232-234.
9. Применение плазменных покрытий для повышения износостойкости деталей устройств объемного гидропривода / Рыжков Ю. В., Глушкова Д. Б., Мощенок В. И., Тарабанова В. П., Черняева А. В. Материалы 8-й международной промышленной конференции «Эффективность реализации научного ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях». Славское, 2008. С. 405-407.
10. Повышение эксплуатационных свойств деталей гидропередач: материалы Международной конференции «Heawy Ме1а11-2008». Сербия. Кралево, 2008.
11. Любченко А. П., Глушкова Д. Б., Рыжков Ю. В. Неразрушающий метод контроля состояния поверхности после газотермического напыления. Труды 17-го Всемирного конгресса по не-разрушающему контролю. Китай, 23.104.11.2008.
Reference
1. Arifov E. A. Vzaimodeystvie atomny'h chastic s poverhnost'yu metala. Kharkiv, 1998, 290 p.
2. Fedorov A. V. Issledovanie svoystv poverhnosti stali posle ionnoy implantacii/ Poverhnost'. 1996, no 8, pp. 123-131.
3. Ry'jkov Yu. V., Glushkova D. B., Avrunin G. A. Karbonizaciya - effektivny'y metod povy'sheniya nadejnosti detaley gidroprivoda. Vestnik HNADU: sb. nauchn. tr. Kharkiv: HNADU, 2007, vol. 39, pp. 127-129.
4. Karpenko V. A., Glushkova D. B., Ry'jkov Yu. V.
Povy'shenie ekspluatacionny'h harakteristik detaley gidroperedach. Mir tehniki i tehnologiy. 2009, no. 8 (93), pp. 16-17.
5. Dub S. N., Koval'chuk A. N., Ry'jkov Yu. V. Povy'shenie iznosostoykosti trusch'ihsya poverhnostey par treniya. Vestnik HNADU: sb. nauchn. tr. Kharkiv: HNADU, 2009, vol. 46, pp. 39-43.
6. Ry'jkov Yu. V. Issledovanie vliyaniya plazmennogo pokry'tiya na stoykost' me talliche skih form. Naukoviy Vi'snik budi'vnictva. 2009, no. 12.
7. Ry'jkov Yu. V. Opredelenie optimal'ny'h parametrov pokry'tiy detaley obemnogo gidroprivoda metodom teorii planirovaniya experimenta. Vestnik HPI. Kharkiv: HPI, 2009.
8. Ry'jkov Yu. V. Povy'shenie dolgovechnosti otlivok iz teploustoychivoy stali, primenyaemoy v gidromashinah. Materialy' 7-y mejdunarodnoy promy'shlennoy konferencii "Effektivnost' realizacii nauchnogo resursnogo i promy'shlennogo potenciala v sovremenny'h usloviyah". Slavskoe, 2007, pp. 232-234.
9. Primenenie plazmenny'h pokry'tiy dlya povy'sheniya iznosostoykosti detaley ustroystv ob'emnogo gidroprivoda / Yu. V. Ry'jkov, D. B. Glushkova, V. I. Mosch'enok, V. P. Tarabanova, A. V. Chernyaeva. Materialy' 8-y mejdunarodnoy promy'shlennoy konferencii "Effektivnost' realizacii nauchnogo resursnogo i promy'shlennogo potenciala v sovremenny'h usloviyah". Slavskoe, 2008, pp. 405-407.
10. Povy'shenie ekspluatacionny'h svoystv detaley gidroperedach: materialy' Mejdunarodnoy konferencii "Heawy Metall-2008". Serbiya. Kralevo, 2008.
11. Lyubchenko A. P., Glushkova D. B., Ry'jkov Yu. V. Nerazrushayusch'iy metod kontrolya sostoyaniya poverhnosti posle gazotermicheskogo napy'leniya. Trudy' 17-go Vsemirnogo kongressa po nerazrushayusch'emu kontrolyu. Kitay, 23.104.11.2008.
Глушкова Д1ана Борийвна, д.т.н., проф., завь дувач кафедри технологи метал1в та матер1алоз-навства, 057-707-37-29, diana.borisovna@gmail.com.
Степанюк Андрш 1ванович, асистент, кафедра технологи MeTafliB та мaтepiaлoзнaвcтвa, тел. +38 097-525-85-13, dioxid26@meta.ua Донченко Дмитро Олександрович, acnipaHT, кафедра технологи мeтaлiв та мaтepiaлoзнaвcтвa, тел. +38-099-281-80-66, e-mail: don3777@ukr.net Харшвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 61002, Украша, м. Харшв, вул. Ярослава Мудрого, 25
Сравнение износостойкости и нанотвердости сталей, поверхность которых упрочнена разными способами
Аннотация. Приведено сравнение износостойкости сталей 45 и 38Х2МЮА без покрытия и с разными способами упрочнения поверхностного слоя. С помощью нанотвердости получена информация о закономерности распределения твёрдости в приповерхностном слое. Ключевые слова: приповерхностный слой, нано-твёрдостъ, износостойкость упрочнение, покрытие.
Глушкова Диана Борисовна, д.т.н., заведующий кафедры технологии металлов и материаловедения, тел. 097-481-15-93, diana@khadi.kharkov.ua. Степанюк Андрей Иванович, ассистент кафедры технологии металлов и материаловедения, 097-525-85-13, dioxid26@meta.ua Донченко Дмитрий Александрович, аспирант, кафедра технологии металлов и материаловедения, тел. +38-099-281-80-66, e-mail: don3777@ukr.net
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, 61002, Украина, г. Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25.
Comparing wear properties and nanohardness of steels after strengthening the surface by various methods
Abstract. A comparison is made of the wear resistance of steels 45 and 38Х2МЮА without coating and with various methods of surface
hardening. The information was obtained on the regulation of the hardness distribution in the surface layer using nanohardness. By setting the properties of coating, changing its chemical composition, it is possible to influence wear resistance, corrosion resistance, and formation of stable characteristics of the coating, which increases the durability of machine parts and mechanisms. The purpose of this study was to assess the wear resistance and state of the surface layer of the parts made of various steels, hardened by chemical-thermal treatment and ionplasma spraying. The use of modern means of recording ultra-small displacements expands the possibilities of using the nanohardness method in the study of structural and substructural changes in thin surface layers. The purpose of this study was to assess the condition of the surface to be worn, not only by traditional methods, but also by nanohardness. The main criteria for evaluating the characteristics of materials for hydraulic parts and the efficiency of their surface treatment are tribotechnical characteristics and, above all, wear resistance. The test methods made it possible to simulate the processes of friction and wear of real parts. Thus, the tests were carried out on the SMTs-2 friction machine, which make it possible to compare the tested materials in terms of wear resistance and machinability according to the "roller-block" scheme. The state of the surface layer of the studied steels after various types of processing was assessed by the nanoindentation method. Key words: surface layer, nanohardness, wear resistance, strengthening, coating.
Hlushkova Diana - Doct. Sc., Chef of Department of Technology of Metals and Materials Science, tel: 057-707-37-29, diana@khadi.kharkov.ua Stepaniuk Anrey - Assistant, Department of Metal Technology and Materials Science, tel.: +38 097-525-85-13, dioxid26@meta.ua Donchenko Dmytro - graduate student, Department of Metal Technology and Materials Science, tel. +38-099-281-80-66, e-mail: don3777@ukr.net Kharkiv National Automobile and Highway University, 25, Yaroslava Mudrogo str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
