Full Text

Введение На сегодняшний день актуальной задачей является создание деталей из композиционных материалов и покрытий, которые смогли бы объединить в себе такие качества, как высокая износостойкость в условиях абразивного и ударно-абразивного износа в узлах трения, сравнительно низкий коэффициент трения, высокая коррозионная стойкость, технологичность и невысокая стоимость [1, 2]. Одной из причин износа и выхода из строя машин и механизмов горнодобывающей, нефтегазовой, строительной, дорожной и перерабатывающей промышленности является ударно-абразивное изнашивание (УАИ), которое в настоящее время является одним из малоизученных видов износа [3-5]. Отличительный признак УАИ - это ударное взаимодействие деталей, при котором происходит деформация микрообъемов или их скалывание, что приводит к интенсивному разрушению поверхностного слоя деталей. Материалы, подверженные УАИ, должны обладать сочетанием свойств, таких как твердость, вязкость, ударная прочность, что может быть достигнуто легированием, например никелем, хромом, а также упрочнением [3-11, 12]. Поскольку интенсивность УА износа связана с таким параметром внешнего силового воздействия, как энергия удара, материалы должны обладать достаточным уровнем демпфирующих свойств. В свою очередь, повышение демпфирующих свойств материала снижает его прочностные характеристики. Ввиду этого перспективным направлением является применение многослойных композиционных материалов «износостойкая сталь - упруго-диссипативная подложка». Применение упруго-диссипативной подложки позволяет повысить УАИ за счет повышения демпфирующих свойств материала, сохранив при этом его высокие прочностные характеристики. Методика исследований Влияние легирующих компонентов и способа их введения на УАИ было изучено на образцах из промышленно производимых порошков хрома и никеля. Шихту готовили из смеси порошков железа ПЖВ 3.160.26 (осн.), графита карандашного ГК-3, порошка никеля ПНК-1Л5. Шихту различного состава (таблица) получали смешиванием в конусном смесителе в течение 2 ч, статическое холодное прессование проводили под давлением 600 МПа. Прессовки спекали при температуре 1150 °С в течение 2 ч в среде осушенного диссоциированного аммиака. В таблице представлены составы испытуемых материалов, вид и параметры термической обработки, твердость перед испытанием и абсолютный износ. Для оценки возможности повышения ударно-абразивной износостойкости исследовано влияние упруго-диссипативных слоев на ударно-абразивный износ композиционных материалов. В качестве материала для упруго-диссипативной подложки применяли подложки из бутилкаучука марки БК-675Н. Подложки из бутилкаучука склеивали между собой и износостойким слоем с применением технологий горячей и холодной вулканизации [13-16]. В качестве абразива использовали электрокорунд нормальный марки 14А с основным размером 0,3-0,355 мм. Состав шихты, вид и параметры термообработки и свойства № п/п Состав шихты Вид термообработки Твердость НRC Износ, г 1 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ГК-3 (0,5 %) + ПНК-1Л5 (1 %) Спекание, охлаждение с печью 28 0,064 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 43 0,035 2 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ГК-3 (0,5 %) + ПНК-1Л5 (5 %) Спекание, охлаждение с печью 32 0,32 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 46 0,021 3 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ГК-3 (0,5 %) + ПНК-1Л5 (10 %) Спекание, охлаждение с печью 33 0,023 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 46 0,018 4 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ГК-3 (1 %) + ПНК-1Л5 (1 %) Спекание, охлаждение с печью 28 0,072 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 48 0,061 5 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ГК-3(1 %) + ПНК-1Л5 (5 %) Спекание, охлаждение с печью 32 0,028 Закалка с 950°С в воду + отпуск 200°С 50 0,016 6 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ГК-3 (1 %) + ПНК-1Л5 (10 %) Спекание, охлаждение с печью 32 0,021 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 52 0,019 Окончание таблицы № п/п Состав шихты Вид термообработки Твердость НRC Износ, г 7 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ПР-65Х25Г13Н3(5 %) Спекание, охлаждение с печью 34 0,02 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 46 0,015 8 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ПР-65Х25Г13Н3(10 %) Спекание, охлаждение с печью 38 0,044 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 49 0,012 9 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ПР-65Х25Г13Н3(20 %) Спекание, охлаждение с печью 39 0,08 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 50 0,018 10 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ПР-65Х25Г13Н3(40 %) Спекание, охлаждение с печью 37 - Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 52 0,018 11 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ПВ-Х18Н15-56 (5 %) Спекание, охлаждение с печью 32 0,018 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 47 0,015 12 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ПВ-Х18Н15-56 (10 %) Спекание, охлаждение с печью 35 0,023 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 48 0,013 13 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ПВ-Х18Н15-56 (20 %) Спекание, охлаждение с печью 37 0,028 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 52 0,014 14 ПЖВ 3.160.26 (осн.) + ПВ-Х18Н15-56 (40 %) Спекание, охлаждение с печью 38 0,22 Закалка с 950 °С в воду + отпуск 200 °С 53 0,016 15 Сталь 45 (компактная) Отжиг 860 °С 35 0,022 Закалка с 860 °С в воду + отпуск 200 °С 52 0,014 16 Сталь 40ХН2МА (компактная) Отжиг 860 °С 36 0,018 Закалка с 840 °С в масло + отпуск 200 °С 54 0,011 Твердость на поверхности образцов из компактной стали 40Х составила 35-40 HRC. Энергия удара Еуд = 9,5 Дж, а скорость Vуд = 2,6 м/с. Один цикл испытаний образца составил 1500 ударов, в том числе 500 ударов приработки. а б в Рис. 1. Композиционные образцы: а - из компактного материала, б - с упруго-диссипативной подложкой и (в) их варианты, используемые для исследования (h - высота упругого слоя, d - диаметр упругого слоя) Исследование влияния упруго-диссипативных подложек на износостойкость при ударно-абразивном изнашивании проводилось на специальной установке [17]. Для испытаний были изготовлены композиционные образцы из компактной стали 40Х с упруго-диссипативными подложками различной конфигурации (рис. 1). Результаты исследования Результаты исследований показали (см. таблицу), что износ у образцов после спекания больше, чем у образцов после термической обработки. На рис. 2 показано влияние содержания графита на твердость и износ образцов. Повышение содержания углерода (см. рис. 2) c 0,5 до 1,0 % приводит к повышению твердости с 42 до 47 НRC (см. рис. 2, кривая 2) и снижению износа от 0,06 до 0,023 г (см. рис. 2, кривая 1). Глубина лунок, образованных при внедрении абразивных частиц, значительно уменьшается (рис. 3, а, в). Дальнейшее увеличение содержания в шихте углерода от 1,0 до 2,5 % приводит к постепенному увеличению износа до 0,033 г, при этом геометрические параметры поверхности образцов не изменяются, а наименьший износ имели образцы, содержащие в шихте около 1,2 % графита (рис. 3, д). Рис. 2. Зависимость УА износа (1) и твердости (2) от содержания графита а б в г д е Рис. 3. Микроструктура образцов: поверхностного слоя (а, в, д) и сердцевины (б, г, е) после испытания при содержании графита в шихте, %: а, б - 0,5; в, г - 1,5; д, е - 2,5 Выявленная особенность порошковой стали хорошо согласуется с результатами исследований УАИ компактных сталей [3, 4], для которых износостойкость не имеет прямой корреляции с твердостью материалов. Из таблицы видно, что наиболее существенно снижается ударно-абразивный износ образцов при легировании никелем. Минимальный износ имели образцы с содержанием никеля 1-5 %, а дальнейшее увеличение его содержания до 10-15 % не вызывало повышения износостойкости. Кроме того, на износ образцов существенное влияние оказывает не только количество, но и способ введения хрома в шихту. Характер износа образцов можно оценить по изменению рельефа поверхности изнашивания. Если сталь имеет невысокую твердость (например, при содержании углерода менее 0,5 %), то разрушение обусловлено многократной локальной пластической деформацией в зоне износа. За время испытания абразивные частицы легко внедряются в малоуглеродистую железную матрицу, при этом образуются глубокие лунки, которые отделены друг от друга локальными зонами наклепанного металла. Последующее внедрение абразивных частиц вызывает срез этих зон при их перемещении (сдвиге) к ранее образованным лункам. На рис. 3, а видны следы таких лунок, образованных в результате пластической деформации на поверхности изнашивания. Кроме этого, повышение износа с увеличением содержания графита, по-видимому, связано с образованием дополнительных пор в местах, где находился графит, который активно растворился в аустените при спекании. Высокая пористость образцов интенсифицирует образование трещин и отделение дисперсных частиц с поверхности изнашивания. Такой механизм износа согласуется с результатами работы [8], в которой показано, что при высоком содержании графита во время спекания он интенсивно растворяется в железе, чем вызывает образование дополнительных пор, снижение прочности, вязкости и износостойкости порошковой стали. Уменьшение размеров лунок на поверхности образцов с высоким содержанием углерода связано с изменением механизма износа. Известно, что с повышением содержания углерода в стали возрастает твердость и ухудшаются пластические свойства, поэтому изнашивание образцов происходит главным образом за счет хрупкого выкрашивания твердых структурных составляющих. Введение в состав порошковых сталей легирующих элементов, которые позволяют получить определенное сочетание твердости и вязкости, в настоящее время не позволяет обеспечить необходимый уровень УАИ. Однако повысить УАИ возможно введением в состав стали материалов с высокими демпфирующими свойствами, но они снижают прочностные свойства легированной стали, что в итоге приводит к снижению УАИ. Известны металлы и сплавы высокого демпфирования, такие как марганцевомедные, никелькобальтовые, сплавы магния и др. [11, 18]. Основными ограничениями широкого использования указанных материалов с высокой демпфирующей способностью в промышленности являются дороговизна некоторых материалов, а также низкий уровень физико-механических характеристик, в первую очередь прочностных. В работе предлагается для повышения УАИ износостойкой стали использовать в качестве демпфера упруго-диссипативные подложки, которые позволяют снизить УА износ за счет поглощения и рассеивания энергии удара, воздействующей на сталь [19, 20]. В связи с чем в работе проведено исследование влияния композиционного материала «износостойкая сталь - упругодемпфирующая подложка» на УАИ. В результате исследований установлено, что жесткость c образцов зависит от площади поперечного сечения S0 упругого элемента (рис. 4). Выявлена зависимость износа от жесткости c и объема V упруго-диссипативной подложки, которая напрямую зависит от уровня демпфирования (рис. 5, 6). Из рис. 5 видно, что использование упруго-диссипативной подложки позволяет снизить износ образцов. Это можно объяснить тем, что при ударе образца с демпфирующим слоем происходит поглощение части энергии удара. Вследствие чего сдвиговые процессы на поверхности удара, которые Рис. 4. Зависимость жесткости от площади поперечного сечения упругой подложки: 1 - без отверстия; 2 - диаметр отверстия 7 мм; 3 - диаметр отверстия 9 мм; 4 - диаметр отверстия 12 мм Рис. 5. Зависимость УАИ от жесткости подложки при Еуд = 9,5 Дж, Vуд = 2,6 м/с: 1 - без отверстия; 2 - диаметр отверстия 7 мм; 3 - диаметр отверстия 9 мм; 4 - диаметр отверстия 12 мм; 5 - без упругой подложки Рис. 6. Зависимость УАИ от площади поперечного сечения S0 упругой подложки: 1 - высота упругой подложки h = 2,5 мм; 2 - высота упругой подложки h = 5 мм; 3 - высота упругой подложки h = 7,5 мм; 4 - высота упругой подложки h = 10 мм приводят к образованию частиц износа, постепенно затухают и абразивное действие твердой частицы ограничено поверхностью образуемой лунки, а сдвиговые процессы металла перемычек сведены к минимуму. Как видно из рис. 6, на УАИ влияет изменение площади поперечного сечения S0 упругой подложки. Площадь поперечного сечения изменяли не только высотой h упругого элемента, но и вырубкой в нем отверстий разной конфигурации. Так, наименьший износ 0,0079 г имели образцы с площадью поперечного сечения S0 = 100 мм2. Выводы Введение в шихту графита оказывает существенное влияние на УАИ за счет изменения механизма износа. Наименьший износ достигается при содержании графита 1,0-1,5 мас. %. При такой концентрации графита на поверхности порошковой стали достигается оптимальное сочетание твердости и вязкости как основных параметров, обеспечивающих устойчивость к УА износу. На износ порошкового материала влияет не только количество, но и способ введения легирующего элемента. Так, при введении хрома в состав сплава ПР-65Х25Г13Н3 величина износа будет определяться количеством частиц порошка на поверхности удара, содержание которых пропорционально концентрации хрома. При введении хрома в состав порошка ПВ-Х18Н15-56 повышение износа объясняется разупрочнением матрицы в результате диффузии углерода в зоны с высокой концентрацией хрома. Введение никеля также обеспечивает повышение УАИ из-за упрочнения матрицы и повышения вязкости порошкового материала Применение упруго-диссипативных подложек позволяет увеличить износостойкость компактных и порошковых композиционных материалов к ударно-абразивному изнашиванию за счет поглощения и рассеивания воздействующей на них энергии удара. Износ композиционного материала зависит от жесткости (см. рис. 5) и объема упруго-диссипативной подложки (см. рис. 6), которая определяет величину демпфирования за счет потерь на гистерезис в объеме материала. В дальнейшем планируется оценить влияние коэффициента демпфирования на УАИ, а также установить общие закономерности влияния удельных упруго-диссипативных свойств на УАИ композитного материала и разработать технологию крепления порошковых сталей к упругодемпфирующей подложке с обеспечением заданного уровня адгезии.

About the authors

P. V Sirotin

The South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov

B. G Gasanov

The South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov

M. A Ismailov

The South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov

References

Statistics

Views

Abstract - 72

PDF (Russian) - 35

Refbacks

• There are currently no refbacks.