2.2 Матеріали з високою твердістю поверхні
Висока твердість поверхні – необхідна вимога забезпечення зносостійкості при абразивному, окислювальному зносі. Під час роботи в умовах великих тисків та ударів найбільшу працездатність мають сталі з низькою вихідною твердістю, але здатні завдяки деформаційному зміцненню (наклепу) одержувати високу твердість поверхні в умовах експлуатації.
Розчинений при температурі гартування вуглець визначає твердість загартованої сталі та кількість залишкового аустеніту. В зносостійких сталях нерозчинена частина вуглецю в загартованій або незагартованій матриці присутня у вигляді карбідів. Тому збільшення вмісту вуглецю сприяє зростанню зносостійкості сталей за рахунок як зміцнення матриці, так і збільшення вмісту карбідів (рис. 2.5, 2.6), але при цьому звичайно міцність та в’язкість сталі знижуються.
При підвищенні вмісту легувальних елементів прогартовуваність сталі, твердість карбідів та теплостійкість збільшуються. На відміну від нікелю та кремнію, карбідоутворювачі (Cr, Mo, V) покращують прогартовуваність сталі тільки за умови розчинення карбідів при підвищеній температурі гартування.
Рисунок 2.5 – Взаємозв’язок між вмістом вуглецю та опором зносу поліпшувальних сталей, аустенітних Ni-Mn та Cr-Ni сталей, а також мартенситних чавунів [5]
ГП – стан після гарячої прокатки; Н – нормалізація; В – відпал; П – поліпшення; ХП – стан після холодної прокатки): а – нелеговані сталі; б – леговані поліпшу вальні сталі; в – інструментальні сталі; г – хромисті сталі; д – аустенітна сталь; е – мартенсито-старіюча нікелева сталь [5]
Рисунок 2.6 – Зносостійкість сталей в залежності від твердості (випробування на знос обдуванням різаним дротом; кут обдування 45; термообробка
При певному співвідношенні концентрацій вуглецю та карбідоутворювача останній може розчинятися в карбіді заліза Fe3C, який в цьому випадку називають карбідом типу М3С.
При перевищенні деякого граничного значення відношення концентрацій легувальних елементів та вуглецю відбувається утворення спеціальних карбідів. Збільшення твердості карбідів від Fe3C в нелегованих сталях до М7С3 в хромистих сталях та далі до МС в сталях, що містять ніобій або ванадій, супроводжується підвищенням зносостійкості, особливо в контакті з твердими мінералами (рис. 2.7).
Рисунок 2.7 – Співставлення твердості структурних складових сталі (І) та абразивних матеріалів (мінералів) (ІІ) [6]
Крім впливу на структуру та властивості зносостійких карбідів молібден, вольфрам та ванадій при відпусканні загартованої сталі в інтервалі температур 500…600 °С призводять до виділення дисперсних спеціальних карбідів. Це явище (вторинне твердіння мартенситу) забезпечує підвищену стійкість проти відпускання та теплостійкість при температурах експлуатації до 500 °С. Ці карбіди, крім теплостійкості, підвищують опір сталі зносу при підвищених температурах. При мокрому стиранні та інших корозійних впливах сприяє підвищенню зносостійкості високий вміст хрому в матриці [5].
2.2.1 Матеріали, стійкі до абразивного зносу
При абразивному зношуванні провідними є процеси багаторазового ковзання частинок, деформування поверхні та мікрорізання. Ступінь розвитку цих процесів залежить від тиску та співвідношення твердості матеріалу та абразивних частинок. Оскільки твердість останніх висока, то підвищену зносостійкість будуть мати матеріали, структура яких складається з твердої карбідної фази та високоміцної матриці.
Карбідні сплави використовують при найбільш важких умовах роботи у вигляді литих та наплавлених матеріалів.
У промисловості використовують більше ста складних за легуванням ливарних та наплавочних матеріалів. Вони являють собою сплави з високим вмістом вуглецю (до 4 %) та карбідоутворювачів (Cr, W, Ti). В їх структурі може бути до 50 % спеціальних карбідів, підвищення кількості яких супроводжується зростанням зносостійкості.
Структуру матричної фази регулюють введенням Mn або Ni. Вона може бути мартенситною, аустенітно-мартенситною або аустенітною.
Для деталей, які працюють без ударних навантажень, використовують сплави з мартенситною структурою. До них відносять сплави типу У25Х38, У30Х23Г2С2Т (цифра, що стоїть після букви У, вказує на середню концентрацію вуглецю у десятих частинах проценту). Деталі, які працюють при значних ударних навантаженнях (зуби ковшів екскаваторів, гусеничні траки та ін.) виготовляють з сплавів з підвищеним вмістом марганцю з аустенітно-мартенситною (У37Г7) або аустенітною (У11Г13, У30Г34) матрицею.
В окремих випадках для деталей машин використовують спечені тверді сплави (наприклад, ВК6, Т14К8, ТТ8К6), структура яких складається з карбідів (WC, TiC, TaC), зв’язаних кобальтом, а також високовуглецеві інструментальні сталі (структура: мартенсит + карбіди) типу Х12, Р18, Р6М5 та ін.
Низько- та середньовуглецеві сталі з різними видами поверхневого зміцнення та чавуни використовують у порівняно легких умовах зношування, наприклад, для деталей, які працюють в умовах граничного змащування (гільзи циліндрів, поршневі кільця та ін.), де абразивний знос має місце нарівні з іншими різновидами, наприклад, окислювальним. З метою збереження працездатності вузлів тертя матеріал деталі повинен добре протистояти стиранню частинками, які являють собою продукти зносу або потрапляють у мастило із зовнішнього середовища. Цим вимогам задовольняють низько- та середньовуглецеві сталі, які зміцнюють цементацією, ціануванням, азотуванням або поверхневим гартуванням після нагрівання СВЧ. У порядку зростання зносостійкості зміцнені поверхневі шари цих сталей розташовуються у послідовності: загартовані, цементовані (нітроцементовані), азотовані [5].