книги из ГПНТБ / Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом

процесса трепня и износа детален отмечены явления ка­ витации смазки, образование потоков жидкости, форма и интенсивность которых зависят от мнкропрофиля поверх­ ности. В виду того что расстояние между, сопряженными поверхностями чрезвычайно мало, оно проявляет себя как капилляр, обеспечивающий подачу смазки и снижение момента трения. Под действием внешнего возбудителя, усиливающего энергию упругих колебаний, происходят чередующиеся деформации сжатия и растяжения, что вызывает увеличение температуры говерхностных слоев, деталей, возникновение динамических явлении в зоне тре­ пня и увеличение износа.

Результаты исследований показывают, что поверх­ ность, обкатанная по опти­ мальным режимам, имеет повышенную твердость и благоприятный для смазки микропрофнль (рис. 34). Увеличение несущей способ­ ности поверхности повышает

Рис. 34. Изменение твердости по­

ее износостойкость. Эти свойства, как и сокращение вре­ мени приработки, увеличивают период нормальной рабо­ ты сопряжения. Образцы, получившие оптимальный и даже незначительный наклеп, прирабатывались быстрее шлифованных и переиаклепаниых (рис. 35, 36).

У обкатанных образцов по сравнению со шлифован­ ными в начале приработки не обнаружено скачкообраз­ ного износа. Наоборот, на большом отрезке пути отме­ чена стабильность условий трения, которые обеспечива­ ли более постоянную интенсивность изнашивания и тем самым увеличивали время нормальной работы сопряже­

но

пия. Эта закономерность отмечена для всех исследуемых сталей. Время приработки зависело от химического со­ става и физико-механических свойств сталей: оно меньше для стали 15 и постепенно увеличивается соответственно росту углерода в стали.

Износ в период приработки оказался наименьшим у образцов, обкатанных по оптимальным режимам. Так, например, за 18,8 км пути трения для стали 15 он равен 0,405 мг/км-см2, для стали 45—0,130, для стали 35— 0,133, для стали 45Г2—0,083 мг/км-см2, что составляет 43—66% от износа шлифованных поверхностен за этот же путь. Характерным для средпеуглеродистых ста-

I , м г /км -с м 2 VJЮ1Н:Км/мг

Рис. 35. Износ и износостойкость сталей, упрочненных ППД: по­ верхность детален обкатана соответственно с. усилиями: 4,9, 9,8, 14,7, 19,6. 24,5 кН (1—5 — износ; 7—11 — износостойкость); поверхность шлифованная: 6 — износ; 12 — износостойкость

Ш

леTi было то, что в период приработки износ более интен­ сивно протекал ближе к торцам образца, образующая которого принимала форму дуги с определенным радиу­ сом кривизны. Надо полагать, что это связано со специ­ фичным строением микроструктуры наклепанного слоя. Перерезанные у торцов волокна металла открыли доступ смазке в микропоры, которая, расклинивая их, способ­ ствует отрыву частиц металла образца при его истира­ нии. Кроме того, отрыву частиц способствуют также кон­ центрация напряжении на острых кромках и потеря пластичности материала.

С т а л ь 3 5

Рис. 36. Интенсивность износа (I—5) и работа, затраченная на износ (7—II) поверхности, обкатанной соответственно с усилиями 4,9, 9,8, 14,7, 19,6, 24,5 кН, и интенсивность износа 6 и работа, затраченная па износ 12 шлифованной поверхности

112

нии физико-механических свойств поверхностных слоев материала под действием пластической деформации.

Известно [77, 83, 143], что, исходя из конкретных условий работы сопряжения, взаимодействие трущихся поверхностей можно разделить на механическое и моле­ кулярное или то и другое. Если считать, что механиче­ ское внедрение преобладает, то снижения износа можно достичь путем уменьшения взаимного внедрения трущих­ ся поверхностен, т. е. путем изменения характера микро­ профиля, а также за счет повышения твердости поверх­ ности. Процесс молекулярного взаимодействия и после­ дующего схватывания протекает интенсивно лишь в случае непосредственного контакта чистых поверхностей металла и пластической деформации в месте контакта. Поэтому предварительный наклеп поверхностей трения снижает возможность их дальнейшего деформирования в период истирания и тем самым уменьшает вероятность схватывания.

Температурный фактор существенно изменяет качест­ во и износостойкость обработанных или трущихся по­ верхностей. Тепловой износ при повышенных давлениях становится определяющим. Величина его при этом может возрастать на несколько порядков по сравнению с обыч­ ными условиями работы деталей машин или инструмен­ та. Поэтому исследование тепловых процессов представ­ ляет значительный интерес.

2. Влияние наклепа на износостойкость среднеуглеродистой стали

Эксперименты показали, что между степенью накле­ па, твердостью, химическим составом стали, характером микропрофиля и износом поверхности существует опре­ деленная закономерность. Из сравнения результатов видно, что за один и тот же путь трения, равный 62,8 км, износ поверхности образцов из среднеуглеродистых, ле­ гированной и малоуглеродистой сталей неодинаковый. Характер же изменения величины удельного износа за весь путь трения во всех случаях имеет одну и ту же закономерность (см. рис. 35, 36). Детали из стали 45, твердость поверхности которых была равной 241 и 274 HD, имели износ соответственно 0,071 и 0,153 мг/кмсм2.

С увеличением степени пластической деформации вели­ чина износа сначала уменьшается, а затем, несмотря на продолжающееся некоторое повышение твердости по­ верхности, растет. Это объясняется тем, что до опреде­ ленной степени наклепа плотность дислокаций способ­ ствует упрочнению поверхностного слоя и препятствует отрыву микрочастиц металла. Когда же пластические возможности исчерпаны, хотя внешних признаков (повы­ шение шероховатости, шелушение поверхности) не обна­ ружено, микрообъемы стали находятся уже на грани перенапряжения. Дальнейшее неминуемое развитие пластической деформации в процессе трения приводит к усталости металла, понижению его прочности, образова­ нию микротрещии, окислению под действием высокой температуры смазки и воздуха поверхностного слоя («эффект Ребнндера») [69]. Эти изменения интенсифици­ руют изнашивание стали.

Из рис. 35 видно, что в начале пути трения наклеп на износ поверхности сталей оказывает более заметное влияние, затем это влияние постепенно уменьшается. Образцы, обкатанные по оптимальным режимам, имели меньший износ, чем шлифованные и «перенаклепанные». В этом случае на единицу удельного износа затрачива­ лась более значительная работа трения. Измерение мо­ мента трения и температуры в процессе испытаний пока­ зало, что их величина для образцов с разной степенью наклепа отличается мало 1. Была отмечена некоторая тенденция к уменьшению момента трения и температуры при истирании поверхности, обкатанной по оптимальным режимам и имеющей минимальную высоту микронеров­ ностей до предварительной приработки (образцы, обка­ танные с усилиями на ролики от 9,8 до 14, 7 кН). Следует сказать, что температура в местах действительного кон­ такта поверхностей трения более значительна у, образцов, шлифованных и обкатанных с режимами выше опти­ мальных. Это вызвано наличием большого числа локаль­

1 Температура, замеренная термопарой, является усредненной для всех контактных участков поверхностей трения. Действительные температуры даже при умеренной нагрузке и незначительной скоро­ сти скольжения будут иными. Боуден и Тейбор отмечают, что они могут достигать 773—1273 °К. Замеренные нами температуры хотя и не отражают значений действительных температур на контактнруемых участках трущихся поверхностей, однако являются достаточ­ ной сравнительной характеристикой процесса трения.

■116

ных зацеплений. Последние возникают из-за неблаго­ приятной формы шероховатостей: этими же причинами следует объяснить повышение момента трения. Коэффи­ циент трения при установившемся износе для всех образ­ цов был неодинаков и находился в пределах 0,065— 0,070. В начальный период испытаний он несколько выше у образцов, имеющих максимальную степень наклепа, а также у образцов со шлифованной поверхностью, и равен 0,110.

Высота микронеровностей поверхности в процессе испытаний не. оставалась постоянной. Отклонение шеро­ ховатостей от средней линии профиля изменялось в опре­ деленных пределах (для каждой пары трения). У по­ верхности, обкатанной с усилиями 9,8, 14,7 кН, величина Ra была меньше, чем у образцов, обкатанных с усилиями выше оптимальных. В последнем случае чистота поверх­ ностей в процессе испытаний на износ ухудшалась зна­ чительно быстрее. В ряде случаев наблюдались вырывы металла, царапины, скалывание отдельных частиц. Это подтверждает предположение, что мнкрообъемы исчер­ пали свои пластические возможности. Начавшиеся при обкатывании сдвиги по плоскостям скольжения и дробле­ ние блоков достигли критических значений, что привело к снижению прочности стали. Отделившиеся частицы, обладающие более высокой твердостью, чем основной металл, шаржировали поверхности трения, ухудшали их чистоту и увеличивали износ.

Аналогичные результаты получены при испытании образцов стали 35, обкатанных с усилием 9,8 кН. Одна­ ко их износ при прочих равных условиях был несколько большим 0,0645 мг/км-см2, затраченная работа на еди­ ницу удельного износа, температура при установившем­ ся износе и момент трения несколько меньшими. Подоб­ ные явления объясняются тем, что твердость поверхности образцов после обкатывания была ниже, чем у образцов из стали 45. Уменьшение в стали углерода несколько сни­ зило ее износостойкость.

Анализ изнашивания и износостойкости поверхности от пути трения говорит о наиболее интенсивном ее изно­ се в начальный период (см. рис. 36). После приработки интенсивность изнашивания стабилизируется.

Опыты показали, что наиболее износостойкой явля­ ется поверхность, обработанная по оптимальным режи­

117

мам обкатывания, т. е. по режимам, дающим возмож­ ность получить минимальную высоту микронеровностей и достаточное упрочнение стали за счет наклепа.

3. Влияние наклепа на износ малоуглеродистой и легированной сталей

Исследования, аналогичные изложенным выше, были проведены на образцах из малоуглеродистой и легиро­ ванной сталей. Сталь 15 имеет крупнозернистую перлито­ ферритную структуру и обладает большой способностью

кнаклепу. У стали 45Г2, наоборот, мелкозернистая структура. Сравнительно небольшое различие в пара­ метрах решетки между Fev и Мпѵ и почти одинаковое кристаллическое строение обусловили взаимное раство­ рение этих аллотропических форм элементов. Растворе­ ние марганца и изменение параметра решетки привели

кизмельчению зерен феррита и повышению твердости.

Испытания на износ малоуглеродистой стали пока­

износились соответственно на 0,183; 0,212; 0,478 мг/км-см2

удельного износа объясняется тем, что последняя затра­ чивается как на износ поверхности, так и на дальнейшее пластическое деформирование поверхностного слоя.

В связи с тем что износ сопровождается пластической деформацией, изнашивание материала может быть выра­

верхности трения; у — удельный вес материала (стали). Следует отметить, что процесс износа, состоящий из упругих и пластических деформаций, из разрушения и сдвигов, связан также с физико-механическими свойства­ ми поверхностных слоев стали (см. рис. 35, 36). Наиболь­ шая интенсивность изнашивания в первые 6—8 км пути

1 1 8

обкатанных с усилием 4,9 кН. У последних на этом участ­ ке пути трения износостойкость достигает своего макси­ мума, затем несколько снижается. Это объясняется тем, что в начальный период износа, как было показано выше, происходит лишь пластическая деформация поверхност­ ного слоя без отрыва частиц стали от поверхности. В ре­ зультате механических сил трения весьма тонкий поверх­ ностный слой металла претерпевает структурные и фи­ зико-механические изменения.

Эксперименты показали, что интенсивность изнаши­ вания и износ поверхности увеличиваются с некоторого значения степени наклепа, несмотря на рост ее твер­ дости. Увеличение износа в данном случае вызвано чрез­ мерным дроблением блоков и локализацией дислокаций

иих полей. Кроме того, при обкатывании с усилием

14.7кН происходит ухудшение характера микропрофиля поверхности. Металл выжимается нз-под роли­ ков и на поверхности образуется волнистость. В процес­ се испытания на износ гребешки волн первыми вступают в контакт с контртелом и стираются значительно быст­ рее, чем остальные участки. Образовавшиеся продукты износа увеличивают интенсивность изнашивания сопря­ женных деталей. При экспериментах не было отмечено значительных изменений температуры, момента и коэф­ фициента трения от степени наклепа. При установив­ шемся износе температура была равной 323 °К, момент 39,4 Н-см, коэффициент трения 0,0266. Значение Ra на­ ходилось в пределах 0,32—0,35 мкм.

Испытания на износ марганцовистой стали показали

еепреимущество перед среднеуглеродистой. Износостой­ кость поверхности значительно выше, удельный износ при оптимальном наклепе в конце пути трения был ра­ вен 0,0437 мг/км-см2, что составляет 74% от износа об­ разцов из стали 45. Ранее было отмечено, что марганец повышает твердость и пластичность стали, улучшает ее микроструктуру, чем оказывает благоприятное влияние на характеристики упрочнения и износостойкость. Дис­ персность структуры, незначительное присутствие кар­ бидов также ведет к повышению износостойкости стали. Удельный износ образцов, обкатанных с усилием 4,9 кН, составил 0,0495, а обкатанных с усилием 24,5 кН —

1 1 9