Трибологічні властивості та міцність структур відпуску сталі 60С2 з врахуванням ефекту наводнювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

(м. Хмельницький)

УДК 621. 891: 669. 788

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ТРИБОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА МІЦНІСТЬ СТРУКТУР ВІДПУСКУ СТАЛІ 60С2 З ВРАХУВАННЯМ ЕФЕКТУ НАВОДНЮВАННЯ

Спеціальність 05.02.04 - тертя та зношування в машинах

БИСЬ СЕРГІЙ СТЕПАНОВИЧ

Хмельницький - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Гладкий Ярослав Миколайович

Технологічний університет Поділля,

директор інституту заочного і дистанційного навчання

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кіндрачук Мирослав Васильович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри металознавства та термічної обробки. кандидат технічних наук, доцент

Гупка Богдан Васильович,

Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, доцент кафедри технології машинобудування.

Провідна установа: Вінницький державний технічний університет

Міністерства освіти і науки України, кафедра технології підвищення зносостійкості

Захист відбудеться "10" вересня 2002 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 29016, Україна, м.Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Технологічного університету Поділля за адресою: м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/2

Автореферат розісланий "7" червня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

трибологічний сталь наводнювання тертя

Актуальність теми. Пружинні сталі широко застосовуються для виготовлення ущільнюючих кілець у шарошкових долотах, інструменту (ворс дротяних щіток різних конструкцій), пружинних шайб, пружин автомашин і залізничного рухомого транспорту та інш., переважна більшість яких виходить з ладу через передчасне їхнє зношування, що призводить до значних матеріальних витрат на ремонт та відновлення їхньої працездатності. Такий стан проблеми зумовлено застосуванням пружинних сталей у вузлах тертя з не досить обгрунтованим структурним станом, це не дозволяє досягти оптимального співвідношення таких властивостей як надійність, довговічність і матеріалоємність.

Питанням впливу структурного стану на трибологічні характеристики матеріалів приділяється значна увага, однак відомостей про вплив структури пружинних сталей на їх тертя та зношування практично немає. Поштовхом до вивчення впливу структурного стану матеріалу на його зношування була поява робіт пов'язаних з використанням характеристик конструктивної міцності, а, особливо, в'язкості руйнування, для прогнозування зносостійкості пар тертя, з метою уникнення проведення трудомістких трибологічних досліджень.

У вивчення проблеми, пов'язаної з впливом структури на тертя та зношування, значний вклад внесли такі відомі вчені, як Костецький Б.І., Крагельський І.В., Тушинський Л.І., Гаркунов Д.М., Шевеля В.В., Рибакова Л.М., Кіндрачук М.В., Гладкий Я.М. та інші, але на сьогодні це питання недостатньо вивчено.

З метою вивчення перспективних напрямків у підвищенні зносостійкості різноманітних матеріалів можна виділити основні складові фундаментальних досліджень в цьому напрямку: фізико-механічні аспекти мікромеханізмів зношування поверхні, термодинаміка структурних змін в поверхневих шарах пари тертя, пошук оптимальних структур простих металів та складних сплавів з високою зносостійкістю, розробка і дослідження нових прогресивних технологій зміцнення.

Умови експлуатації пар тертя вимагають враховувати дію навколишнього середовища - можливість насиченням воднем і, відповідно, його впливу на їх механічні та трибологічні властивості. В переважній більшості випадків в зоні контакту в результаті складних процесів на поверхнях тертя відбувається виділення водню, що призводить до появи водневого зношування. Теоретичні та експериментальні дослідження в напрямку вивчення впливу водню на тертя та зношування і конструктивні властивості матеріалів, а, особливо, зміни цього впливу при різному структурному стані є досить актуальними.

Питаннями впливу водню на трибологічні та конструктивні властивості матеріалів займаються багато науковців світу. Значний внесок у рішення цієї проблеми зробили Гаркунов Д.М., Поляков А.А., Аксьонов А.А., Карпенко Г.В., Панасюк В.В., Романів О.М., Андрейків О.Є., Гладкий Я.М., Никифорчин Г.М., Станчук Е.А., Шумілов А.П. та інші, котрі виділяють перспективні напрямки досліджень водневого зношування: вивчення загальних закономірностей водневого зношування; розробка дослідницьких прийомів та оцінки наводнювання; дослідження фізико-хімічних процесів та встановлення їх закономірностей, роль структурних факторів у фізиці процесу зношування; зменшення водневого зношування пар тертя метал-неметал (пластмаса, деревина та інші); захист деталей від шкідливого впливу водню та попередження його дії.

Фізичному стану поверхні твердих тіл і вплив її на тертя і знос матеріалів останнім часом приділяється велика увага, особливо у зв'язку із широким розвитком молекулярно-механічної теорії тертя. Без детального вивчення фізичних, механічних та хімічних процесів, що відбуваються на поверхнях матеріалів у процесі тертя, практично неможливо пояснити сутність змін, що спостерігаються. Дуже важливо знати вплив характеристик кристалічної структури на процеси, що відбуваються в поверхневих шарах взаємодіючих між собою матеріалів пар тертя. В багатьох працях велика увага приділяється дослідженню поверхонь тертя. Тому актуальним є питання стану поверхні тертя пружинних сталей з різним структурним станом і вплив на них водню.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з виконанням перспективного плану науково-дослідної роботи викладачів Технологічного університету Поділля (м.Хмельницький) за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології", сформульованим у Постанові Верховної Ради України № 2705 від 16.10.92. Дослідження виконувались також на замовлення виробничого об'єднання "Чернівцілегмаш" (м.Чернівці), ВО "Новатор" і "Термопластавтомат" (м.Хмельницький), заводу "Електроприлад" ( м.Камянець-Подільський) у рамках госпдоговірних робіт.

Мета і задачі дослідження. Дисертаційна робота спрямована на комплексне вивчення закономірностей формування трибологічних характеристик та міцності структур відпуску пружинної сталі 60С2 на повітрі та вплив водню на зміну цих показників з метою забезпечення оптимального співвідношення надійності, довговічності і матеріалоємності.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

1. Дослідити вплив структурних факторів на формування трибологічних характеристик та параметрів конструктивної міцності сталі 60С2 на повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання.

2. Провести оцінку стану поверхонь тертя шляхом визначення параметрів мікропластичності та поверхневої міцності для різних структурних станів сталі 60С2 на повітрі та після наводнювання. Встановити взаємозв'язок цих характеристик із зносостійкістю матеріалів.

3. Визначити механізми руйнування трибоповерхні сталі 60С2 в залежності від структурного стану та впливу водню.

4. Провести хімічний аналіз продуктів зносу, зміни хімічного та структурного стану у вторинних структурах поверхні та підповерхневих шарів в залежності від умов випробовувань і дії наводнювання.

5. На основі комплексних досліджень встановити якісну і кількісну оцінку підвищення зносостійкості пружинної сталі 60С2 зі зносостійкими покриттями на повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання.

6. Розробити рекомендації з вибору оптимального структурного стану пружинної сталі для використання в парах тертя на повітрі та в умовах наводнювання, дати пропозиції по використанню технологічних методів підвищення зносостійкості пружинних сталей з врахуванням умов експлуатації.

Об'єкт дослідження: Процеси, явища та закономірності, котрі визначають формування трибологічних характеристик і міцності структур відпуску матеріалу, з різним структурним станом, зміцненою і не зміцненою поверхнею та з врахуванням ефекту наводнювання.

Предмет дослідження: Трибологічні характеристики пружинної сталі 60С2 з різним структурним станом, їх взаємозв'язок з міцністю структур відпуску та з врахуванням ефекту наводнювання.

Методи дослідження: Поставлені мета і задачі обумовили широке проведення експериментальних досліджень з використанням сучасних методів та устаткування. Для пояснення отриманих результатів трибологічних випробовувань проводилось вивчення поверхонь тертя з виконанням металографічних, рентгеноструктурних досліджень, якісного та кількісного їх аналізу. При визначенні взаємозв'язку між зносостійкістю матеріалу та його конструктивними параметрами виконувались механічні, мікропластичні та поверхневі випробовування. У роботі застосовувалися сучасні методики й устаткування для підвищення зносостійкості матеріалів технологічними методами. Експериментальні дослідження проводилися з використанням елементів математичної статистики і планування експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. На основі комплексних досліджень виявлено закономірності формування трибологічних характеристик та механізми руйнування поверхневих шарів пружинної сталі 60С2 в залежності від температури відпуску і умов випробовувань на повітрі та після наводнювання.

Визначено оптимальну структуру пружинної сталі 60С2, яка забезпечує високу зносостійкість, надійність і довговічність, низьку матеріалоємність для всіх умов проведених досліджень - мартенсит відпуску, котру можна отримати після гартування від 870?С та відпуску при 300?С. При цьому пружні властивості матеріалу змінюються несуттєво (зменшення межі пропорційності не перевищує 5%), а зносостійкість підвищується в 1,7...2 рази.

2. Встановлено механо-хімічну природу зношування пружинної сталі 60С2 зі структурою мартенситу відпуску на повітрі та після наводнювання, що відбувається за рахунок самоорганізації поверхневих шарів металу, температурно-силових полів в поверхневих шарах матеріалу та фізико-хімічних процесів на поверхні. Відмінності у зносостійкості залежать від ступеню активації поверхні і співвідношення процесів їх окислення і відновлення.

3. Доведено, що висока зносостійкість сталі 60С2 у повітрі формується в процесі самоорганізації поверхневих шарів і визначається присутністю рівномірно розподілених ультрадисперсних новоутворень збагачених вуглецем - типу Ме2С3 та інтерметалідних з'єднань типу Mn2Si, що відповідає структурі дисперстно зміцненого матеріалу, де в якості матриці виступають бінарні структурні складові, а роль зміцнюючих фаз виконують пересичені тверді розчини і потрійні з'єднання, котрі близькі за властивостями до квазимартенситної структури.

4. Встановлені області релаксації напружень, котрі виникають в поверхневих шарах при терті, в залежності від структурного стану матеріалу та можливого насичення воднем дають змогу вибрати оптимальну структуру матеріалу, котра забезпечувала б низьку матеріалоємність, високу надійність та довговічність вузла в процесі конструкторсько-технологічної розробки.

5. Показано, що ефективність використання зносостійких покрить залежить від умов експлуатації та від можливої хімічної взаємодії його хімічних елементів з середовищем. Найбільш ефективним, з точки зору відносної зносостійкості (відношення собівартості до довговічності), на повітрі та в умовах наводнювання є комплексні покриття на основі хрому, котрі являються ефективними бар'єрами на шляху дифузії водню в матрицю металу.

6. Параметри поверхневої міцності (?ТК) і мікротекучості (?3 і А2) можуть бути рекомендовані для відносної експрес оцінки зносостійкості матеріалів при виборі матеріалів, призначення видів термічної обробки та технологічних методів зміцнення поверхні.

Практичне значення отриманих результатів. Грунтуючись на наукових результатах та проведених дослідженнях, запропонована та обгрунтована термічна обробка пружинної сталі 60С2, котра дозволяє підвищити її зносостійкість в вузлах тертя, особливо в умовах наводнювання, в 1,7...2 рази у порівнянні з раніше існуючою. Результати досліджень дозволяють вибрати оптимальну структуру матеріалу, що забезпечувала б низьку матеріалоємність, високу надійність та довговічність вузлів тертя в процесі конструкторсько-технологічної розробки та достатньо високі пружні властивості матеріалу (межу пропорційності).

Запропоновані сучасні та більш раціональні методи зміцнення поверхонь тертя сталі 60С2, з врахуванням конкретних умов експлуатації, дозволять зменшити інтенсивність зношування деталей машин, не змінюючи структурного стану їх основи, та ефективно захищають від впливу водню.

Результати роботи використані для захисту опори долота типу ГН на нафтогазовому технопарку Івано-Франківського національного технічного університету нафти та газу. Це дозволило вибрати оптимальний структурний стан кільця та підвищити зносостійкість пар тертя в 1,7...2 рази, зміцнення поверхонь запропонованими низькотемпературними покриттями підвищило зносостійкість в 2...3 рази, що підтверджується відповідним актом впровадження. Для підвищення зносостійкості ворсу дротяного інструменту, особливо при його наводнюванні, доцільно використовувати низькотемпературні зносостійкі покриття на основі хрому.

Рекомендовано та обгрунтовано використання стандартних механічних характеристик матеріалів, а, особливо, критеріїв в'язкості руйнування, для прогнозування їх зносостійкості.

Особистий внесок здобувача. Наукові і практичні результати, подані в дисертації, отримані автором самостійно. Постановка задач і обговорення результатів проводилися разом із науковим керівником і частково зі співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, подані в дисертації, доповідалися на: наукових конференціях "Наукові праці молодих вчених та студентів" (Київ, ДАЛПУ, 1997 і 1998 р.); на 5-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2001 р.); IV-й міжнародній науково-технічній конференції "Техника и технология сборки машин" (Жешов, Польща, 2001 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ - 2001)" (Хмельницький, 2001 р.); на наукових семінарах Технологічного університету Поділля (Хмельницький, 1997-2001 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи викладені в восьми статтях, двох тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складаеться з вступу, переліку умовних позначень, п'яти глав, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатку. Загальний об'єм дисертації складає 177 сторінок, у тому числі 59 малюнків, 13 таблиць і 174 найменувань літературних джерел. Основна частина роботи містить 150 сторінок машинописного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована необхідність проведення досліджень впливу структурного стану матеріалу на його трибологічні і механічні характеристики на повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання, визначення взаємозв'язку цих показників, можливості прогнозування зносостійкості матеріалів і пошуків ефективних шляхів підвищення їх довговічності. Сформульована мета, об'єкт, предмет, задача і методи досліджень, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів та їхньої апробації.

У першому розділі проаналізовано стан питання про вплив структурного чинника на тертя та зношування матеріалів. Показано існуючі уявлення про механізми впливу водню на трибологічні характеристики матеріалів і сучасні методи підвищення їх довговічності. Приведені і проаналізовані моделі зношування матеріалів. Відмічено, що при виборі структурного стану деталей машин, не враховуються умови їхньої експлуатації і процеси, які проходять при цьому (зокрема, можливість наводнювання), це не дозволяє в достатній мірі ефективно використовувати матеріали, котрі забезпечують високу надійність, довговічність і низьку матеріалоємність.

На підставі проведеного огляду літературних джерел, зроблено висновок, що, незважаючи на актуальність вивчення впливу структурного стану на трибологічні характеристики матеріалів на повітрі й у водні, прогнозування зносостійкості матеріалу за показниками його конструктивної міцності (особливо в'язкості руйнування), пошуків методів підвищення довговічності, на сьогоднішній день це питання не можна вважати достатньо вивченим. Для досліджень було вибрано пружинну сталь 60С2, котру використовують при виготовленні ущільнюючих кілець в шарошкових долотах, ворсу дротяних щіток, пружинних шайб, пружин автомобілів та залізничного транспорту.

Визначено й обгрунтовано задачі досліджень з вивчення впливу структурного чинника на тертя та зношування матеріалу на повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання, показано необхідність комплексного вивчення процесів, які проходять у зоні контакту з використанням сучасних методів досліджень (металографічний, рентгеноструктурний, оже-спектральний і метод вторинно-іонної масспектрометрії), вивчення впливу водню на механічні і мікропластичні характеристики матеріалу, їхня зміна для різного структурного стану, вивчення взаємозв'язку трибологічних і механічних характеристик з метою можливого прогнозування зносостійкості та ефективних і раціональних методів підвищення надійності і, особливо, довговічності деталей машин і механізмів.

У другому розділі викладені основні методичні аспекти роботи. Досліджувалась пружинна сталь 60С2, різний структурний стан якої досягали шляхом гартування від 870?С з наступним відпуском при 200, 300, 400 та 500?С. Трибологічні характеристики визначали на універсальній машині тертя УМТ-2168 за схемою випробовування диск-палець.

Механічні характеристики сталі 60С2, з різним структурним станом, визначали за стандартними методиками при випробуванні зразків на розривній машині мод. 2167 Р-50 з записом діаграми розтягу, мікротвердість поверхонь - на мікротвердомірі ПМТ-3.

Характеристику тріщиностійкості матеріалу, величину критичного коефіцієнта інтенсивності напружень КІс, досліджували на плоских балкових зразках 2?12?130 мм при випробуваннях на чистий згин з попередньо наведеною втомною тріщиною, керуючись вимогами ДТСУ.

Зміну характеристик мікропластичності (величина критичного напруження ?3; показник деформаційного зміцнення А2) сталі 60С2, з різним структурним станом, вивчали за методикою Шевелі В.В., використовуючи плоскі консольно закріплені зразки, виконані у вигляді балки рівного опору, товщиною 2 мм.

Характеристики міцності поверхні матеріалу (гранична міцність поверхні ?ТК; коефіцієнт тертя по боковим граням канавки алмазної піраміди fС) оцінювали за методикою, розробленою на кафедрі зносостійкості та надійності машин Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) - скреч-методом на установці СМ-01.

Металографічні дослідження структури та поверхонь тертя виконували на металографічному мікроскопі МИМ-10. Рентгеноструктурні дослідження - на дифрактометрі ДРОН-УМ1. Оже-спектри та профілі розподілення елементів на поверхнях тертя знімались на електронному спектрометрі АСЦ-2000, в якому застосовано аналізатор типу "циліндричне дзеркало", що працює разом з коаксіальною електронною гарматою. Дослідження поверхонь тертя методом вторинно-іонної масспектрометрії виконувались на установці ЛАС-3000. Мікрофазовий аналіз зон локалізації структурних складових та їх кількісний хімічний аналіз проводили на електронному скануючому мікроскопі "Camskan" методами якісного і наступного кількісного рентгенівського дисперсійного енергетичного вивчення на мікрокомп'ютері системи "Link-860".

Вплив водню на властивості сталі 60С2, з різним структурним станом, вивчали шляхом насичення зразків воднем методом катодної поляризації на спеціально сконструйованій установці.

Для дослідження технологічних методів підвищення зносостійкості сталі 60С2, з різним структурним станом, було вибрано одинадцять покриттів, технологія нанесення яких передбачає нагрів матеріалу основи в діапазоні від 60 до 1050°С.

В третьому розділі подано і проведено аналіз результатів досліджень сталі 60С2, з різним структурним станом, на повітрі: вплив структурного чинника на зносостійкість; зміна характеристик її конструктивної і поверхневої міцності, а також мікропластичності; макро- та мікроструктурні дослідження поверхонь тертя; наведено розрахунок інтенсивності зношування сталі 60С2 за моделлю Кузьменко А.Г. і Гладкого Я.М. та її відповідність значенням, що отримані експериментальним шляхом.

Проведені дослідження сталі 60С2, з різним структурним станом, на тертя та зношування, дозволили виявити закономірності зміни її трибологічних характеристик (інтенсивності зношування, коефіцієнта та температури тертя), в залежності від температури відпуску та умов випробовування пар тертя.

Відмічено, що при збільшенні навантаження та швидкості ковзання, величина інтенсивності зношування зростає. Змінюється лише кількісний характер кривої залежності інтенсивності зношування сталі 60С2 від температури її відпуску, а якісний характер кривої не змінюється. Показано, що структурний стан матеріалу значно впливає на його трибологічні характеристики і найменшу інтенсивність зношування, для всього діапазону досліджених умов навантаження пар тертя, має сталь 60С2 зі структурою мартенсита відпуску (температура відпуску 300°С) (Іmin = 34Ч10-10, при Р = 10 МПа, V = 0,2 м/с).

Температура тертя сталі 60С2 зі структурою мартенситу відпуску має максимальне значення незалежно від режимів випробовувань (Тmax = 400°C, при Р = 30МПа, V = 0,2 м/с). Очевидно, такий вихідний структурний стан матеріалу сприяє цьому. Це, на нашу думку, призводить до утворення на поверхнях тертя більш стійких другорядних структур, чим і можна пояснити більшу зносостійкість сталі 60С2 з таким структурним станом.

Макро- і мікроструктурний аналіз поверхонь тертя підтвердив наявність на них квазирівноважних другорядних структур з тривалою стійкістю, що у значній мірі визначають процес тертя та зношування матеріалу. Проведений аналіз цих плівок довів, що їх якісний та кількісний характер визначається хімічним і структурним станом вихідного матеріалу, а також умовами навантаження.

За стехіометричним складом мікроструктура поверхонь тертя являє складний, важко активований комплекс у вигляді дрібнодисперсної суміші оксидів Fe, Mn, Si і складних шпінельних фаз типу FeМn2O4, що утворюються на поверхнях сталі 60С2 під час тертя.

На поверхнях тертя сталі 60С2, з структурою відпуску 300°С, відзначена присутність рівномірно розподілених ультрадисперстних новоутворень, збагачених вуглецем типу Ме2С3 та інтерметалідних сполук типу MnSi (Mn5Si3, Mn3Si). Такий шар поверхні тертя відповідає структурі дисперстнозміцненого матеріалу, де в якості матриці виступають бінарні структурні складові, а роль зміцнюючих фаз виконують пересичені тверді розчини і потрійні з'єднання, що близькі за своїми властивостями до квазимартенситної структури. На поверхні тертя не спостерігаються сліди ушкоджень основного металу, пластична деформація і руйнація локалізуються в поверхневих шарах другорядних структур, що утворюються при терті. Це пояснює більш високу зносостійкість сталі 60С2 з структурою мартенситу відпуску.

Зниження інтенсивності зношування сталі 60С2 з структурою мартенситу відпуску (300°С) супроводжується утворенням на її поверхні другорядних структур механохімічної природи, що мають більш високу стійкість та екранують основний матеріал від безпосереднього контакту і руйнування.

Присутність кремнію в хімічному складі матеріалу і, відповідно, у зоні тертя, призводить до утворення на поверхні контакту двоокису кремнію, котрий має добрі трибологічні властивості. На кількість двоокису кремнію, що утворюється, впливає вихідний структурний стан матеріалу. Найбільша його кількість утворилась на зразках з вихідним структурним станом мартенситу відпуску, незалежно від режимів випробувань, що також пояснює велику зносостійкість сталі 60С2 в такому структурному стані.

Виникаючи, в результаті контакту пар тертя, у поверхневих шарах поля напружень і температур впливають на дифузію кремнію та інших хімічних елементів з внутрішніх шарів до поверхні, і, тим самим, сприяють утворенню захисних другорядних структур.

Дослідження впливу структурного стану сталі 60С2 на її мікропластичність дозволили визначити закономірності їх зміни в залежності від температури відпуску і показали їх структурну чутливість. Сталь з структурою мартенситу відпуску має найбільше значення параметрів мікротекучості (s3 = 1515 МПа, А2 = 6,6) та найменшу інтенсивність зношування (див. рис.1). Показано, що величина мікропластичності матеріалу може бути використана як фактор, котрий впливає та визначає його зносостійкість.

Інтенсивність зношування сталі 60С2 корелює з розміром його граничної поверхневої міцності sТК (матеріал, котрий має найбільше значення sТК буде мати найменшу інтенсивність зношування). Після відпуску при 300°С сталь 60С2 має максимальне значення sТК = 1813 МПа і відповідно більш зносостійка. Показано, що в матеріалі з відносно невеликим значенням величини sТК (при відпуску 200°С - 619 МПа; 400°С - 1451 МПа; 500°С - 1365 МПа) релаксація пікових напруг, що виникають при терті, відбувається переважно шляхом руйнації його поверхні і, отже, цей матеріал буде мати підвищене зношування.

Встановлено, що, в залежності від структурного стану матеріалу, релаксація високих напружень в зоні контакту відбувається переважно двома шляхами: пластичним деформуванням (в матеріалах з невеликою межею міцності та високою в'язкістю руйнування), або крихким руйнуванням (при значному зміцненні сплаву дефекти субмікроструктури заблоковані, пластична деформація мінімальна і релаксація відбувається за рахунок утворення нових поверхонь - росту тріщин). Для сталі 60С2 зі структурою відпуску до 300-400°С, релаксація напружень в поверхневих шарах контактуючих матеріалів відбувається переважно шляхом крихкого руйнування. При збільшенні температури відпуску більше 400°С відбувається зміна механізму релаксації напружень на пластичну деформацію. Визначено симбатний характер залежності інтенсивності зношування (І) та в'язкості руйнування (КІс), котрий вказує на кореляційний зв'язок цих двох характеристик.

Показано, що значення конструктивної міцності, граничної поверхневої міцності (sТК) та параметрів мікротекучості (s3 та А2) доцільно використовувати для прогнозування поведінки матеріалу при терті та зношуванні і вони можуть бути використані при виборі матеріалів у вузлах тертя.

Проведені розрахунки інтенсивності зношування і коефіцієнта інтенсивності зношування сталі 60С2, за моделлю Кузьменко А.Г. і Гладкого Я.М., що включає параметри тріщиностійкості матеріалу, цілком підтвердили результати, отримані експериментально і зроблені нами припущення про значний вплив характеристик в'язкості руйнування на тертя та зношування пар тертя.

Четвертий розділ присвячено аналізу впливу водню на зносостійкість, показники конструктивної міцності, поверхневої міцності та мікропластичності пружинної сталі 60С2 з різним структурним станом.

За результатами проведених досліджень впливу водню на трибологічні характеристики пар тертя та параметри конструктивної міцності сталі 60С2 встановлено, що в присутності водню ці параметри змінюються в залежності від його кількості, що визначається густиною струму катодної поляризації і часом наводнювання.

Показано структурну чутливість трибологічних параметрів в залежності від умов навантаження (тиску Р та швидкості V):

- у низьковідпущеному стані вплив водню неоднозначний. Для низьковідпущеного мартенситу (ТО = 200°С) характерно збільшення зношування сталі, що підтверджується висновками про вплив зовнішнього середовища на метастабільні структури.

- структурні перетворення при ТО = 300°С (мартенсит відпуску), які призводять до перетворення залишкового аустеніту в мартенсит та зняттю внутрішніх напружень сприяє зменшенню інтенсивності зношування сталі з такою структурою. Сталь 60С2 зі структурою мартенсит відпуску має найбільшу зносостійкість

- для сталі 60С2 відпущеної при ТО = 500°С (трооститносоорбітна структура) швидкість зношування у водневому середовищі вище ніж при випробуванні на повітрі.

Структурний стан сталі 60С2 у водневому середовищі по різному активує поверхні тертя, що підтверджується утворенням на ній різних за формою, розмірами та структурою поверхневих плівок. Водень, температурний, силовий та швидкісний фактори мають суттєвий вплив на трибохімічні процеси в зоні тертя та супроводжуються збідненням поверхні тертя вуглецем та кремнієм, збагаченням киснем, котрий прискорює окислювальні процеси на поверхні.

Кількість водню, яка дифундує в поверхню сталі 60С2, призводить до зміни механізму зношування. При густині струму катодної поляризації 1, 3 та 4 А/дм2 відмічено утворення на поверхні тертя сітки мікротріщин, сприяючих зношуванню. При густині струму 2 А/дм2 мікротріщини на поверхнях тертя не спостерігаються.

Тертя під впливом водню характеризується зменшенням температури в зоні контакту у порівнянні з подібними умовами навантаження в повітрі на 15...35 %.

Дослідження сталі 60С2, з різним структурним станом, на тертя та зношування, з врахуванням ефекту наводнювання, виявили закономірні зміни її трибологічних характеристик від температури відпуску й умов випробовувань і визначили їх відмінності від результатів, отриманих на повітрі (див. рис.1). Наводнювання спричиняє збільшення інтенсивності зношування сталі 60С2 в 1,4...2 рази. Найменшу чутливість до наводнювання показала сталь 60С2 із структурою мартенситу відпуску (інтенсивність зношування збільшується до 40 %).

Встановлено, що водень, присутній в зоні контакту, активує процеси самоорганізації поверхні та супроводжується хімічними реакціями, що сприяють утворенню плівок з різними фізико-механічними властивостями, які залежать від швидкості тертя контактуючих пар. Показано, що мікроструктура поверхні тертя являє суцільний комплекс у вигляді дрібнодисперсної суміші оксидів Fe, Mn, Si та суцільних шпінельних фаз типу FeMn2O4, котрі мають різну ступінь активації при випробуванні в повітрі та після наводнювання.

Якісний та кількісний аналіз поверхонь тертя, насичених воднем, показав їх відмінність від поверхонь тертя, отриманих на повітрі. На наводнених поверхнях контакту виявлені вторинні структури з меншою стійкістю, ніж на повітрі, що і пояснює збільшення інтенсивності зношування матеріалу. Показано, що якісний та кількісний характер плівок визначається не тільки хімічним та структурним станом основного матеріалу, умовами навантаження, але й присутнім у зоні тертя воднем. Водень, присутній у зоні контакту, активізує процеси самоорганізації поверхні і сприяє утворенню досить крихких плівок, які під дією дотичних напруг руйнуються, утворюючи сітку мікротріщин і активують процес зношування.

Отримані електронограми з наводнених поверхонь тертя свідчать про те, що їх мікроструктура має дрібнодисперсну будову і складається із суміші фаз компонентів матеріалів пар, що контактують і продуктів взаємодії з киснем повітря. Помітне незначне збільшення дисперсності поверхні тертя досліджуваної після наводнювання пов'язане з сприянням водню більшому окислюванню структури.

На поверхнях тертя сталі 60С2, з різною структурою відпуску, досліджуваних після наводнювання, відзначена поява нових структурних складових, що представляють практично рівномірний розподіл еліпсоїдних фрагментів по поверхні тертя, і відрізняються додатковим розчиненням карбідних фаз у матриці. Після наводнювання не виявлено присутності рівномірно розподілених ультрадисперстних новоутворень подібних до тих, що були виявлені на поверхнях тертя у повітрі, а це не сприяє підвищенню зносостійкості.

Зміна швидкості окислювання, інтенсивності утворення продуктів окислювання впливає на швидкість зношування матеріалу в залежності від структурного стану. Насичення поверхні воднем змінює характер і механізм тертя та зношування в залежності від характеру та механізму утворення другорядних структур.

На поверхнях тертя у водні виділено декілька видів вторинних структур, які відрізняються між собою за хімічним складом і за різною спроможністю відбивати світло. Кількість розчинених оксидів Si, Mn на наводнених поверхнях тертя менша, ніж на повітрі. Водень впливає на процес утворення SiО, присутність водню зменшує кількість оксиду кремнію, що утворюється. Цим пояснюється підвищення інтенсивності зношування.

Під впливом водню відбувається зміна механізму дифузії кремнію та інших хімічних елементів з внутрішніх шарів до поверхні, що, в свою чергу, впливає на утворення другорядних структур.

Поверхнева міцність та мікропластичність поверхневих шарів суттєво впливає на тертя та зношування сталі 60С2, залежить від структурного стану матеріалу, стану поверхні (наводнена чи ненаводнена) та ступеню наводнювання.

Комплексна оцінка трибологічних та характеристик міцності сталі 60С2 при дослідженні в повітрі та після наводнювання показала, що насичення поверхні матеріалу воднем призводить до збільшення sТК (до 37%) та Н, зменшення в'язкості руйнування КІс (на 25...55%), s3 (на 10%) та А2 (до 47%), при цьому стандартні механічні характеристики не проявили чутливості до впливу водню.

Визначено, що структура мартенсит відпуску має найвищу зносостійкість при випробуванні сталі 60С2 в повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання і характеризується найвищими значеннями поверхневої міцності (sТК=1941 МПа) та мікропластичності (s3=1365 МПа; А2 = 5,6).

Показано, що використання характеристик поверхневої міцності, мікропластичності та тріщиностійкості може бути запропоновано для якісного вибору матеріалів та режимів термічної обробки на етапі розробки та проектування вузла тертя.

Встановлено, що наводнювання у порівнянні з дослідженнями в повітрі розширює зону релаксації напружень шляхом утворення тріщин та руйнуванням до ТО = 450°С і суттєво звужує зону релаксації пластичною деформацією.

У п'ятому розділі викладені результати перевірки, запропонованої експрес оцінки зносостійкості матеріалів із зміцненою поверхнею на повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання, з використанням показників його поверхневої міцності (sТК) та мікротекучості (s3 і А2). Досліджувались покриття, нанесені на поверхню сталі 60С2, з різним початковим структурним станом, при температурі до 100°С (ЯНГ, хімічне нікелювання), 550...650°С (азотування, TiN, CrN, (Cr,Ti)N, Cr-аморфний), 950...1050°С (борування, TiC, CrC, VC). Вивчені механізми впливу водню на мікропластичність та поверхневу міцність матеріалу і, відповідно, на тертя та зношування сталі 60С2 із зміцненою поверхнею. Визначено ефективність та доцільність використання досліджених покрить для підвищення довговічності пар тертя із сталі 60С2 (зокрема ворсу дротяного інструменту, ущільнюючих кілець у шарошкових долотах) в повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання. Сформульовані основні рекомендації по використанню результатів роботи у виробництві і можливості розповсюдження їх на інші матеріали.

Дослідження показали, що при зміцненні поверхні сталі 60С2 збільшується її мікропластичність (s3 до 40%; А2 до 15%) та поверхнева міцність (sТК до 65%), величина зміни визначається хімічним складом покриття та умовами його нанесення на поверхню матеріалу. Присутність водню призводить до зменшення показників мікропластичності сталі 60С2 із зносостійким покриттям (А2 до 18%), поверхнева міцність при цьому збільшується (sТК до 17%). Величина зміни визначається здатністю складових елементів покриття взаємодіяти з воднем. Наявність хрому в складі покриття призводить до того, що показники мікропластичності та поверхневої міцності після наводнювання не змінюються, що свідчить про їх достатню ефективність захисту матеріалу від дії водню. Наприклад, для покриття ЯНГ (хімічне хромування) зміна величини sТК, s3 та А2 після наводнювання не перевищує 3%.

За показниками мікропластичності та поверхневої міцності визначені найбільш ефективні зносостійкі покриття при використанні в повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання. Отримані результати експрес оцінки зносостійкості матеріалу були підтверджені проведеними дослідженнями на тертя та зношування, що свідчить про взаємозв'язок мікропластичності, поверхневої міцності та зносостійкості зміцненого матеріалу.

Структурний стан матеріалу перед нанесенням на його поверхню зносостійкого покриття впливає на його показники мікропластичності та поверхневу міцність і, відповідно, на трибологічні характеристики. Особливо це проявляється, коли при зміцненні поверхні не змінюється структурний стан основи матеріалу.

За результатами аналізу визначені раціональні режими використання методів зміцнення сталі 60С2 в повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання. Застосування вище названих покриттів дозволило зменшити інтенсивність зношування пар тертя в повітрі: ЯНГ - до 7,5 раз; хімічне нікелювання - до 8 раз; азотування - до 5 раз; TiN - до 6,5 раз; CrN - до 6,2 раз; (Cr, Ti)N - до 7 раз; Cr - аморфний - до 5 раз; борування - до 15 раз; VC - до 15,5 раз; CrC - до 13,5 раз; TiC - до 17 раз. Насичення воднем призводить до збільшення інтенсивності зношування зміцнених поверхонь тертя: ЯНГ - (5...15)%; хімічне нікелювання - (25...85)%; азотування - (20...50)%; TiN - (18...35)%; CrN - (7...20)%; (Cr, Ti)N - (5...15)% раз; Cr - аморфний - (7...18)%; борування - (8...25)% раз; VC - (30...75)%; CrC - (7...15)%; TiC - (8...23)%.

Наводнювання матеріалу із зміцненою поверхнею впливає на його тертя та зношування, ступінь такого впливу визначається здатністю водню взаємодіяти зі складовими елементами покриття. Присутність хрому у складі покриття дозволяє суттєво зменшити вплив водню на зносостійкість. В вузлах тертя, особливо за умов наводнювання, показано доцільність використання покриттів до складу яких входить хром.

ВИСНОВКИ

1. На основі комплексних досліджень виявлено закономірності формування трибологічних властивостей пружинної сталі 60С2, в залежності від температури відпуску і умов випробовувань на повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання, котрі дозволяють вибрати оптимальний структурний стан основи матеріалу.

2. Визначено оптимальну структуру пружинної сталі 60С2, яка забезпечує високу зносостійкість, надійність і довговічність, низьку матеріалоємність - мартенсит відпуску, котру отримують після гартування від 870?С та відпуску при 300?С. Зміна структурного стану основи матеріалу на мартенсит відпуску дозволила підвищити зносостійкість деталей вузлів тертя зі сталі 60С2 в 1,7...2 рази, що підтверджується відповідним актом впровадження.

3. Виявлено, що процес зношування сталі 60С2 має механо-хімічну природу і супроводжується утворенням і руйнуванням вторинних структур, стійкість яких залежить від їх структури, хімічного складу, умов випробовувань та активності навколишнього середовища.

4. Встановлено, що водень, напружено-деформований стан та температура в приповерхневих шарах контактуючих пар тертя впливає на дифузію хімічних елементів сталі 60С2 з внутрішніх шарів до поверхні, котрі вступають у взаємодію з киснем і утворюють складний важко активований комплекс суміші окислів Fe, Mn, Si і складних шпінельних фаз типу FeMn2O4.

5. Доведено, що висока зносостійкість сталі 60С2 у повітрі формується в процесі самоорганізації поверхневих шарів і визначається присутністю рівномірно розподілених ультрадисперсних новоутворень збагачених вуглецем - типу Ме2С3 та інтерметалідних з'єднань типу Mn2Si, що відповідає структурі дисперстно зміцненого матеріалу, де в якості матриці виступають бінарні структурні складові, а роль зміцнюючих фаз виконують пересичені тверді розчини і потрійні з'єднання, які близькі за властивостями до квазимартенситної структури. При наводнюванні на поверхнях тертя такого ефекту не спостерігається.

6. Насичення матеріалу воднем призводить до зміни механізму тертя та зношування і супроводжується зменшенням температури в зоні контакту і зміною хімічного складу окисних плівок, їх фізико-механічних характеристик і опору руйнування під дією дотичних напружень.

7. На основі впливу структурних факторів і середовища (водню) на параметри конструктивної міцності (границю втоми, інтенсивність зношування, в'язкість руйнування), вдалося встановити межі зміни механізмів релаксації напружень шляхом утворення мікротріщин і руйнування для сталі, відпущеної в межах 200...400°С і пластичною деформацією при температурах відпуску більших 400°С на повітрі. Присутність водню в зоні контакту розширює межу крихкого руйнування до 450°С відпуску. Ці результати раціонально використовувати для вибору оптимальної структури матеріалу, забезпечуючи при цьому низьку матеріалоємність, високу надійність та довговічність вузла в процесі його конструкторсько-технологічної розробки.

8. Підтверджено існуючі аксіоми про приоритетний характер поверхневої міцності sТК в формуванні трибологічних характеристик матеріалу. Показано, що структура з високим рівнем поверхневої міцності (мартенсит відпуску) характеризується високим опором зношуванню і високими показниками мікротекучості поверхневих шарів (s3 і А2).

9. Параметри поверхневої міцності (sТК) і мікротекучості (s3 і А2) можна рекомендувати використовувати для відносної експрес оцінки зносостійкості матеріалів із зміцненою поверхнею та без зміцнення, в процесі конструкторсько-технологічної розробки пари тертя (вузла), що експлуатується в умовах сухого тертя на повітрі та при можливому його наводнюванні.

10. Виявлено, що зносостійкі покриття на основі карбідів і нітрідів Ti, Cr, V підвищують зносостійкість пар тертя, відповідно, в 13…17 раз і в 6…7 раз при випробуваннях на повітрі, але у водневому середовищі їх ефективність залежить від можливої хімічної реакції хімічних елементів з воднем.

11. Найбільш ефективними з точки зору собівартості і довговічності являються хімічні хромисті покриття (ЯНГ), які в умовах сухого і граничного тертя забезпечують високу зносостійкість (2...7,5 рази) на повітрі та при можливому наводнюванні і можуть бути використаними як для низько- так і високовідпущених сталей. Рекомендовано, для підвищення зносостійкості пружинно-стального кільця, котре використовується для захисту опори долота типу ГН, та дротяного інструменту, окрім вище згаданої термічної обробки, наносити на робочі поверхні покриття на основі хрому (ЯНГ). Така обробка дозволяє підвищити зносостійкість вузла тертя в 2...3 рази та практично виключити можливість впливу водню на зношування матеріалу, що підтверджується відповідним актом впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А., Бысь С.С. Водородное изнашивание. Проблемы и реальность. Часть 1. //Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2000. - №1. - С.94-99.

2. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А., Бысь С.С., Липский Н.Д. Водородное изнашивание. Проблемы и реальность. Часть 2. //Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2000. - №3. - С.57-67.

3. Гладкий Я.Н., Мазур Н.П., Бурлаков А.А., Бысь С.С. Трибология резания в водородовоздушной среде. // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2001. - №1. - С.159-165.

4. Y. Gladky, R. Silin, S. Bys. Ensuring of spring seal ring dimensional stability. // Technika i technologia montazu maszyn: Materialy IV Miedzynarodowej Konferencji Naukowo - Technicznej - 2001. - Rzeszow: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. - P.83-88.

5. Щепетов В.В., Голембиевский Г.Г., Громенко В.Ю., Гладкий Я.Н., Бысь С.С. Износостойкость детонационных покрытий в условиях повышенных температур. //Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2001. - №3. - С.86-89.

6. Бельчук Е.Ю., Мирненко В.И., Громенко В.Ю., Гладкий Я.Н., Бысь С.С. Повышение долговечности опор скольжения авиационной техники. //Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2001. - №3. - С.90-93.

7. Гладкий Я.Н., Бысь С.С. Взаимосвязь трибологических характеристик материалов с физико-химическими процессами в зоне трения. //Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2001. - №4. - С.203-210.

8. Гладкий Я.М., Бись С.С. Структурні особливості спрацювання пружинної сталі 60С2 у водневому середовищі. // Машинознавство. - 2001. - №11. - С.21-25.

9. Гладкий Я.М., Бись С.С. Структурні особливості спрацювання пружинної сталі 60С2 у водневому середовищі. //5-й міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей (Львів,16-18 травня 2001р.). - Львів: КІНПАТРІ ЛТД. - С.139.

10. Гладкий Я.Н., Бысь С.С. Взаимосвязь трибологических характеристик материалов с физико-химическими процессами в зоне трения. //Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001): Тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції (Хмельницький, 17-19 жовтня 2001р.). - Хмельницький: ТУП, 2001. - С.29-30.

Бись С.С. Трибологічні властивості та міцність структур відпуску сталі 60С2 з врахуванням ефекту наводнювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04. - тертя та зношування в машинах. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 2002.

Дисертацію присвячено дослідженню впливу структурного стану матеріалу та водню на формування його трибологічних характеристик. Встановлені і науково обгрунтовані закономірності та механізми процесів при терті та зношуванні пружинної сталі 60С2, з різним структурним станом і методами зміцнення поверхні, визначено вплив на них водню. Проаналізовано залежність трибологічних характеристик матеріалу від фізико-хіміко-механічної ситуації в зоні тертя, параметрів конструктивної, поверхневої міцності та мікропластичності, а також з врахуванням ефекту наводнювання. Запропоновано прогнозування зносостійкості не зміцнених матеріалів та після їх зміцнення за характеристиками конструктивної міцності, особливо - тріщиностійкості. На підставі отриманих результатів рекомендовано структурний стан деталей із сталі 60С2 та технологічні методи їх зміцнення, в залежності від умов експлуатації, з оптимальним сполученням надійності, довговічності та матеріалоємності в повітрі та за умов наводнювання. Дано рекомендації з використання результатів роботи.

Ключові слова: тертя, структура, водень, вторинні структури, зносостійкість, міцність, тріщиностійкість, мікропластичність, покриття.

Бысь С.С. Трибологические свойства и прочность структур отпуска стали 60С2 с учётом эффекта наводораживания. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04. - трение и изнашивание в машинах. - Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 2002.

Диссертация посвящена исследованию влияния структурного состояния материала и водорода на формирование его трибологических характеристик. Установлены и научно обоснованы закономерности и механизмы процессов при трении и изнашивании пружинной стали 60С2, с различным структурным состоянием и методами упрочнения поверхности, определено влияние на них водорода. Благодаря использованию в работе современных методик и оборудования, проанализирована зависимость трибологических характеристик материала от физико-химико-механической ситуации в зоне трения, параметров конструктивной прочности и микропластичности, предложено прогнозирование износостойкости материалов по их характеристикам конструктивной прочности, а особенно - трещиностойкости. На основании полученных результатов рекомендовано структурное состояние стали 60С2 и технологические методы её упрочнения, в зависимости от условий эксплуатации, с оптимальным сочетанием надёжности, долговечности и материалоёмкости на воздухе и с учётом эффекта наводораживания.

Во вступлении обоснована необходимость проведения исследований влияния структурного состояния материала и водорода на его трибологические и механические характеристики, определения взаимосвязи этих показателей, возможности прогнозирования износостойкости материалов и поисков эффективных путей повышения их долговечности.

В первой главе проанализировано состояние вопроса о влиянии структурного фактора на трение и изнашивание материалов. Показаны существующие на сегодняшний день представления о механизме влияния водорода на трибологические характеристики материалов и современные методы повышения их износостойкости. Приведены и проанализированы модели изнашивания материалов. Обоснован выбор материала для проведения всего комплекса исследований и сформулированы основные задачи, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе изложены основные методические аспекты работы. Рассмотрены и проанализированы использованные методики и оборудование по определению трибологических характеристик, конструктивной прочности, микропластичности, поверхностной прочности, макро- и микроструктурных исследований поверхностей трения.

...