CC BY
14
ORPAROTKA MFTAnnOR
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ
Влияние легирования конструкционных низкоцглеродистых сталей хромом на морфологию карбиднои фазы и износостойкость при сухом трении скольжения*
При трении скольжения без смазки в зоне фрикционного контакта происходят процессы пластической деформации и нагрева, изменяющие исходную структуру материала. Новая, самоорганизующаяся в процессе трения структура определяет рабочие характеристики фрикционного узла [1]. Отделение продуктов износа контролируется также прочностными показателями изменённой структуры.
Наибольшее распространение в качестве конструкционных материалов получили низко- и среднеуглеродистые стали с различной степенью легированности, обусловленной требуемым уровнем прокаливаемости. Растространён-ным легирующим элементом, повышающим характеристики прочности и прокаливаемости сталей, является хром. В сталях, легированных хромом, могут наблюдаться карбиды трёх типов. Вопрос о влиянии типа карбида в стали на ее износостойкость поставлен Л.Г. Коршуновым с соавторами в работе [2].
Задачей настоящей работы является изучение структурных изменений в поверхностных слоях сталей при трении во взаимосвязи с их исходной структурой, определение характеристик изнашивания сталей с различными типами упрочняющей фазы (двух типов карбидов и пересыщенного раствора) и разработка рекомендаций по выбору конструкционных сталей различной легированности хромом для использования в узлах трения скольжения без смазки.
Материалом исследований служили стали 20, 20Х, 20X13, 20X17Н2. Выбср сталей был сделан с учетом типа образующихся в них карбидов: цементит Ре3С в стали 20, легированный цементит (Ре, Сг)3С в стали 20Х и ¿-карбид (Ре, Сг)23С6 в сталях 20X13 и 20X17Н2 [3]. Стали подвергали отжигу, закалке на максимальную твердость и закалке с отпуском при 200, 400 и 600 °С. Твёрдость материалов после термической обработки показана на рис. 1. Самое значительное падение твёрдости при отпуске наблюдается в стали 20, что можно объяснить склонностью к распаду твёрдого раствора и коагуляции карбидной фазы, в то время как в хромсодеожащих сталях скорость и степень распада мартенсита понижена каридообразующим легирующим элементом.
В высокохромистых сталях после отжига, закалки со средним и высоким отпуском частицы карбида имеют глобулярную форму, а в низкохромистых -
пластинчатую после отжига и глобулярную после закалки со средним и высоким отпуском.
Плоские образцы подвергали изнашиванию по схеме диск-плоскость при трении о твердосплавный диск диаметром 50 мм и шириной 4 мм. Скорость вращения индентора при этом составляла 1400 об/мин. Средняя температура поверхности образцов в процессе изнашивания, измеренная зачеканенной в поверхность трения термопарой, составляла от 350 до 550 °С и зависела от размера изношенной лунки. Нагрузка на образец - 43 Н. Объемный износ определяли, измеряя длину вырабатываемой индентором лунки. Образцы после изнашивания изучали с
C.B. БУРОВ, ассистент, НГТУ, г. Новосибирск
помощью оптической металлографии и просвечивающей электронной микроскопии. На всех образцах измеряли твёрдость и микротвёрдость.
Исходя из фазового состава л температуры в зоне трения можно предположить, что износ исследованных сталей обусловлен типом и морфологией карбида, прочностью и пластичностью матрицы (твердого раствора) [4]. Прочность твердого раствора определяется его легированнос-тью. Исходная плотность дислокаций существенно не влияет на величину износа вследствие того, что металл в зоне контакта значительно деформируется уже в первые моменты трибонагружения. Объёмная доля карбидной фазы предполагалась примерно одинаковой для всех сталей в состоянии отжига или закалки с высоким отпусксм. Объёмный износ сталей после двух минут изнашивания представлен на рис. 2.
I IRA
75 70 65 60 55 50 45 40
■
■ А i *
а! х àX х •
к
■ т > ■ Закалка ± Заката. 200 С X Захоти. 400 С X Ы+т. 600 С • Опш
т Г
Et
?
8
10
12 14 16 18 Содержание Сг, % Рис. 1. Твердость стали в зависимости от содержания хрома
М, мм
■ Пашка * laiû+ûiiL 200 С X }ак.+от 400 С X ?»к.+втп. 600 С • Опкнг а
?
i
i
i 1 j 1
« » 3 l
X
»
' Статья подготовлена по результатам исследований по проекту 2005-РИ-16.0/024/023 в рамках программы 1.6 ФЦНТП
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Содержание Сг, %
Рис. 2. Объемный износ сталей после двух минут изнашивания в условиях трения скольжения
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Анализ поведения сталей 20 и 20Х после отжига и закалки с высоким отпуском свидетельствует о том, что износ уменьшается со сменой морфологии цементита от пластиночной к глобулярной.
Дисперсность глобулярных карбидов существенно различается в структуре высоксхромистых сталей посте отжига и закалки с отпуском. Таким образом, уменьшение размеров карбидов приводит к уменьшению износа.
Структурные изменения в ферритной матрице также зависят от морфологии карбидов. На рис. 3, а и б представлена структура поверхностного слоя после трения сталей 20Х и 20X17Н2 соответственно (исходная термообработка - отжиг).
щш
б
Рис. 3. Структура поверхностного слоя после трения скольжения (а - сталь 20Х, б - сталь 20X17Н2)
Структура поверхностного слоя стали 20Х представляет собой феррито-карбидную смесь, в которой прошли процессы измельчения и сфероидизации карбидной фазы. В структуре поверхностного слоя закаленной стали 20X13 (рис. 4) после трения видно, что при термическом и деформационном старении происходит выделение мелкодисперсных карбидов. Межкарбидное пространство после трения не полигонизовано.
Температурная устойчивость ф-карбида выше, чем цементита: полное растворение карбидов в сталях 20X13 и 20X17Н2 возможно при темпеэатурах выше -1000 °С, тог-
Рис.4. Структура поверхностного слоя закаленной стали 20X13
да как цементит в доэвтектоидных углеродистых сталях полностью исчезает при температуре перлитного превращения 727 °С. С уменьшением термической стойкости частиц возрастает их склонность к растворению при совместном действии деформации и нагрева.
Происходящие в материале поверхностного слоя процессы релаксации напряжений приводят к дальнейшему пластическому деформированию при трении. Основным фактором, сдерживающим релаксационные процессы перераспределения дислокаций, такие, как возврат и поли-гонизация, являются ди^нерсные выделения частиц карбида. Повышенная термическая стойкость карбидов приводит к раннему отделению продуктов износа.
Выводы
1. В поверхностном слое углеродистых низкохромистых сталей при сухсм трении скольжения происходят структурные изменения сопровождающиеся в условиях сложного термосилового воздействия пластической деформацией, растворением и выделением карбидной фазы и отпуском мартенсита. В высокохромистых сталлх процессы растоо рения карбидов менее выражены.
2. Для снижения износа конструкционных хромистых сталей в узлах трения рекомендуется использовать стали с максимальным количеством хрома, гри котором сохраняется карбидная фаза цементитного типа. Износ сталей с одним типом карбидной фазы уменьшается с ростом их легированности, а следовательно, и прочностных показателей их а-фазы
Список литературы
1. Иванова B.C. Роль фрактальной мезоструктуры в формировании механических свойств металлов и сплавов // МиТОМ. -2001. -№3 - С. 3-4
2. Коршунов Л.Г., Веселов И.Н., Хадыев М.С. Износостойкость и структурные превращения высокохромистых инструментальных сталей при трении./ Термическая обработка и физика металлов. Вып.5. - Свердловск: изд-во УПИ им. С.М. Кирова, 1978.- С. 101-110.
3. Сильман Г.И. Система Fe-C-Cr и переход от неё к системам Fe-C и Fe-C-Cr-Si. Термодинамический и термокинетический анализ. Расчет, построение и использование диаграмм. - Брянск: Изд. БГТиА, 1999. - 144 с.
4. Буторин Д.Е. Связь дислокационных механизмов упрочнения с показателями прочности, трещиностойкости и износостойкости углеродистых сталей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. - Новосибирск, 2002. -19 с.
