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

0,136 мг/кг-см2. При этом закономерность влияния на­ клепа на износ сохранилась и для данной марки стали (чем больше наклеп, тем больше износ). Причем боль­ шая работа, затраченная на единицу удельного износа, потребовалась для образцов, обкатанных со средними усилиями — 9,8; 14,1 кН.

Температура на расстоянии 0,1 мм от зоны трения при установившемся износе была 410 °К. С увеличением степени наклепа до оптимальных значений отмечена некоторая тенденция к ее снижению. Это связано с тем, что поверхность трения имеет более благоприятный микропрофиль для удержания смазки. Гребешки обте­ каемой формы уменьшают возможность нарушения масляной пленки. Следует предположить, что граничный слой имеет наименьшую толщину, т. е. в данном случае, согласно взглядам Гарди, коэффициент и сила трения будут лI инимальными.

Таким образом, износостойкость стальных поверхно­ стей, работающих в условиях граничного трения сколь­ жения, повышается до определенных (оптимальных) величин предварительного наклепа. Наклеп свыше опти­ мальных значений увеличивает интенсивность изнашива­ ния, ухудшает количественные характеристики износа. Степень предварительного наклепа для конкретного ма­ териала может быть определена только опытным путем с учетом его физико-механических свойств.

Эксперименты показали, что удельный износ умень­ шается с увеличением содержания углерода в стали. Увеличение углерода повышает твердость стали, что ве­ дет в наших опытах к повышению износостойкости по­ верхности. Введение в сталь незначительного количества марганца позволяет получить более высокий комплекс механических свойств. Он способствует более стабиль­ ному износу, так как замедляет процесс отпуска наклепа при трении, сохраняя при этом высокую пластичность стали.

В наших опытах при определенном для каждой стали оптимальном наклепе более износостойкой оказалась сталь 45Г2, менее износостойкой — сталь 15, стали 45 и 35 занимают промежуточное положение.

Одним из наиболее ценных для практики эффектов обработки поверхности наклепом является получение на поверхности деталей сжимающихостаточных напряже­

но

ний. Наличие макро- и мнкронапряжений, как показали исследования, влечет за собой повышение износостой­ кости поверхностей, работающих при трении скольжения в условиях граничной смазки.

Пластическая деформация поверхностного слоя изме­ няет его физико-механические свойства, и эти изменения зависят от исходных свойств. Хорошо наклепываются металлы и сплавы, имеющие гранецентрированную кри­ сталлическую решетку. Склонность к упрочнению зави­ сит и от степени легирования стали: чем больше легиро­ ван сплав и выше его исходная твердость и прочность, тем меньше его упрочняемость при деформировании.

4.Сравнительные исследования износостойкости обкатанной и шлифованной поверхностей

По ранее принятым режимам были проведены сравни­ тельные испытания на износостойкость обкатанных и шлифованных образцов. До опытов шероховатость по­ верхности находилась в пределах 8-го класса.

В целях сохранения первоначального состояния по­ верхностей каждая пара трения притиралась. От пред­ варительной приработки пришлось отказаться, так как после нее наряду с изменением характера микропрофпля и высоты шероховатостей происходит изменение твер­ дости шлифованной поверхности. У среднеуглеродистых сталей твердость повышается на одну-две, а у малоугле­ родистой — на четыре-пять единиц HD. Твердость шли­ фованной поверхности несколько выше исходной, заме­ ренной на шлифах (см. табл. 6), что свидетельствует о наличии наклепа, полученного после абразивной обра­ ботки.

Как показали исследования, наибольший износ образ­ цов со шлифованной поверхностью наблюдается в на­ чальный период — период приработки. Количественно он больше у стали 15 и меньше у стали 45Г2. Среднеуглеро­ дистые стали занимают промежуточное положение. В кон­ це пути трения (62,8 км) удельный износ сталей 15, 35, 45, 45Г2 соответственно был равен 0,438; 0,099; 0,083; 0,076 мг/км-см2. Это в два-три раза больше, чем у образ­ цов, обкатанных с оптимальным режимом. Характер изменения износа сталей от пути трения показан на рис. 35, 36, а абсолютный износ образцов и контртела —

121

насыщена поверхность, обработанная абразивным инструментом, диффузией кислорода в металл, способ­ ствующей образованию твердого раствора и возникно­ вению химических соединений FeO, БегО, Fe30^, а также благоприятным воздействием остаточных напряжений.

Причину снижения износостойкости шлифованной поверхности можно объяснить наличием на ней надрезов и царапин различной глубины и формы. Дефекты строе­ ния сталей вместе с системой макро- и микротрещин являются источниками перенапряжения локальных участков поверхности. В данном случае капиллярная система во внешних слоях шлифованных образцов более развита, чем в наклепанном слое. Она способствует, согласно взглядам П. А. Ребиндера и Б. В. Дерягина, проникновению молекул внешней среды, развитию до­ полнительного давления на стенки микрощелей, раскли­ ниванию последних, ускорению износа поверхности [43, 123].

Если принять во внимание, что сопряженные детали

впроцессе эксплуатации испытывают вибрации, нередко достигающие звуковых и ультразвуковых частот, то можно считать, что здесь проявляется «эффект Конова­ лова». На границе раздела твердой и жидкой фаз проис­ ходит ускорение всех процессов: проникновение смазки

вкапилляры, пластическое и упругое деформирование

макро- и микронеровностей, отрыв частичек материала с поверхности. У обкатанных деталей по сравнению со шлифованными действие поверхностно-активной среды и вибраций снижено. Кроме того, при обкатывании в отли­ чие от шлифования волокна металла не перерезаются, а деформируются в определенном направлении, сохраняя свою структуру и целостность.

Как было показано выше, зерна вытянуты в направ­ лении течения металла, кристаллическая решетка иска­ жена. Беспорядочно ориентированные кристаллы до об­ катывания при деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации. Вдоль волокон по их границам располагаются неметал­ лические включения. Поэтому от ориентации волокон зависят физические свойства металла, его износостой­ кость [36, 173].

Исследования поверхности трения до эксперимента и после него под микроскопом показали, что она пред-

1 2 3

•ставляет собой ряд выступов п впадин, величина и фор­ ма которых зависят от вида обработки. На шлифованной поверхности есть глубокие впадины и остроконечные выступы разной высоты, не имеющие какой-либо законо­ мерности нн в расположении, ни в форме. У поверхно­ сти, обкатанной роликами, наблюдается закономерность как в расположении, так и в форме шероховатостей: нет острых гребней и глубоких впадин. Кроме того, при об­ катывании, как было показано ранее, поверхностный слой получает повышение твердости, изменение внут­

фактор упрочнения. Он сочетается с условиями работы сопряжения, характером смазки, температурой в зоне трения, с высотой шероховатостей н характером микропрофиля поверхности. Благоприятная форма микронеровностей увеличивает площадь истинного контакта поверхностей трения и в то же время обладает достаточ­ ной способностью удерживать на себе масляную пленку, которая обеспечивает малый коэффициент трения и ма­ лый износ.

Под действием молекулярных сил в тонком слое смазки, как указывает Б. В. Дерягин [43], легче проис­ ходит поляризация молекул и образование неактивного молекулярного ворса, по которому с чрезвычайно незна­ чительными силами трения н происходит перемещение поверхностей. В случае наклепа стали выше оптималь­ ного значения тонкий слой смазки оказывает уже отри­ цательное влияние. При трении в условиях несовершен­ ной смазки на поверхностях протекает сложный процесс, сопровождающийся упругими и пластическими дефор­ мациями микрообъемов.

Впроцессе наклепа с большими усилиями, несмотря на высокий класс чистоты, на поверхности образуются микротрещины, способствующие ее резрушению. Кроме того, под действием смазки и высоких температур по­ верхностные слои металла окисляются, что приводит к увеличению износа.

Вслучае ухудшения микропрофиля и увеличения вы­ соты микронеровностей после обкатывания, так же как и

ушлифованных поверхностей, износ увеличивается еще

124

и за счет непосредственного взаимодействия поверхностей трения.

Для каждой марки стали существует своя оптималь­ ная степень предварительного наклепа, обеспечивающая наибольшую износостойкость поверхности. Повышение твердости за счет наклепа не всегда ведет к повышению износостойкости сталей.

Увеличение углерода, а также легирующего элемен­ та повышает износостойкость стали независимо от вида механической обработки. Обкатанная поверхность в сравнении со шлифованной, как показали эксперимен­ ты, прирабатывается быстрее, причем более интенсивно изнашиваются образцы из малоуглеродистой стали.

Вопрос, за счет какого фактора износостойкость на­ клепанных сталей возрастает больше: за счет остаточ­ ных напряжений, изменения механических свойств де­ формированного слоя или за счет приобретения благо­ приятного микропрофиля поверхности, еще ждет своего решения. Особенно расходятся мнения исследователей при оценке влияния остаточных напряжений на износ материалов при трении скольжения.

В. А. Кислик [66] описал результаты исследований на износ образцов, которые подвергались предваритель­ ному растяжению или сжатию (2—5%). Первые по сравнению с отожженными образцами изнашивались быстрее, вторые сначала изнашивались медленнее, но затем, начиная с некоторого значения сжатия, износ резко возрастал. Эта закономерность проявлялась тем ярче, чем больший процент углерода содержала сталь. Наблюдаемую зависимость износа сталей от предвари­ тельного наклепа автор объясняет влиянием упругих де­ формаций разного знака и явлениями сдвигов, ослаб­ ляющих зерна феррита и перлита. Достоинством этих исследований является то, что установлены характерные черты разрушения при износе деталей подвижного со­ става. Металловедческий анализ в работах дает направ­ ление для дальнейшего изучения трения и износа в ма­ шинах.

В. А. Кельдюшев [62] показал зависимость износа образцов из осевой стали в паре с бронзовыми вклады­ шами от наклепа, полученного обкатыванием роликом. Опыты проводились при трении скольжения с обильной смазкой. Линейный износ в зависимости от пути трения

125

обкатанных образцов был меньше, чем у необкатапных. Аналогичные исследования зависимости износа от на­ клепа на машине Амслера с парами трения сталь — чу­ гун при сухом трении и со смазкой были проведены В. В. Ивановым [57]. Как было установлено, упрочнен­ ные пластическим деформированием образцы имеют из­ носостойкость выше, чем образцы, обработанные точе­ нием или шлифованием. При «сухом» трении наклепан­ ная поверхность менее износоустойчива. С увеличением твердости поверхностного слоя износ образцов умень­ шался.

Аналогичные положения высказаны в работах К. В. Савицкого [129]. В результате анализа сопротив­

воду, что износостойкость материалов должна характе­ ризоваться их структурным состоянием и прочностью межатомных связей. При интенсивных режимах рабо­ ты, которые сопровождаются значительным нагревом трущихся поверхностей, влияние прочности межатомной связи становится доминирующим. Максимальное повы­ шение износостойкости достигается только в тех случа­ ях, когда повышение твердости металла или сплава со­ четается с увеличением сил связи решетки. Тогда при равных значениях твердости более высокой износостой­ костью будут обладать металлы и сплавы, у кото­ рых силы связи атомов в решетке основных фаз больше.

Иные результаты были получены П. Е. Дьяченко и Т. В. Смушковой [136]. Образцы, в поверхностных слоях которых были растягивающие напряжения, обла­ дали большей износостойкостью, чем образцы с оста­ точными напряжениями сжатия. Авторы объединяют полученные результаты тем, что именно растягивающие остаточные напряжения, распределенные в тонком по­ верхностном слое, положительно влияют на повышение износостойкости. При работе детали происходит рост напряжений сжатия, которые в первое время компенси­ руются из запаса остаточных растягивающих напряже­ ний. Поэтому износ тем меньше по количеству и во вре­ мени, чем больше величина и глубина распространения остаточных напряжений растяжения. Авторы на основа­ нии полученных экспериментальных данных утверждают,

126

что величина износа зависит от знака напряжений, кото­ рые созданы предварительной пластической деформа­ цией.

В работах других авторов выдвигается иная точка зрения. А. А. Маталин [108] считает, что главным фак­ тором, определяющим износ шлифованных поверхностен сталей, является величина остаточных напряжений, а не знак этих напряжений. Распространенное в технической литературе понятие о «полезности» сжимающих напря­ жений и «вредности» растягивающих является упроще­ нием вопроса. Остаточные напряжения растяжения так же положительно влияют на износостойкость, как и на­ пряжения сжатия. Всякий наклеп способствует повыше­ нию износостойкости деталей, если он не связан с умень­ шением величины напряжений. Автор объясняет это тем, что поверхностные слои шлифованных деталей при наличии в них остаточных напряжений находятся в со­ стоянии всестороннего растяжения или сжатия и такое состояние ослабляет влияние сил трения и способству­ ет уменьшению износа.

А. А. Маталин [109] подчеркивает, что при испытании металла на твердость вдавливанием шарика или алмаз­ ной пирамиды учитывается только пластическая дефор­ мация при статическом действии внешней нагрузки. При износе наблюдаются пластическая и упругая деформа­ ции, окисление, молекулярное сцепление, скалывание, срез и усталостное разрушение шероховатостей при со­ четании статической и динамической нагрузок. По­ этому в действительности не существует универсальной численной зависимости износоустойчивости детали от мнкротвердости ее поверхностного слоя.

Упрочнение поверхности способствует также повы­ шению усталостной прочности [173]. Оно уменьшает амплитуду циклической пластической деформации и противодействует образованию субмикроскопических нарушений сплошности металла (разрыхления), кото­ рые обычно являются началом развития усталостных трещин.

Наличие наклепа препятствует прогрессированию имеющихся, а также образованию новых усталостных трещин. Всевозможные геометрические и структурные концентраторы напряжений в поверхностных слоях ста­ новятся при этом менее опасными. Их отрицательное

1 2 7

действие как бы нейтрализуется положительным влия­ нием наклепа.

В. С. Рысцова [127] указывает, что при трении скольжения в поверхностном слое наблюдается увели­ чение микротвердости и это происходит тем интенсив­ нее, чем меньшую микротвердость имел металл до из­ носа. Величина остаточных напряжений, возникающих при механической обработке, на износостойкость влия­ ния не оказывает. Аналогичные результаты были полу­ чены М. И. Худых [163].

Д. А. Драйгор [46], изучая влияние остаточных на­ пряжений на износ, пришел к выводу, что оптимальной по износостойкости является поверхность, у которой после механической обработки остаточные напряжения близки по величине и знаку к напряжениям, возникаю­ щим в поверхностном слое при заданных условиях тре­ ния. Определенное число работ посвящено изучению со­ стояния поверхностных слоев, физико-химических изме­ нений, происходящих в результате трения при разных режимах [40, 140, 154]. При лабораторных исследова­ ниях и в реальных условиях работы деталей наблюда­ лось значительное повышение твердости поверхностей трения в результате наклепа, иногда достигающей твер­ дости закаленных сталей, что влекло за собой в некото­ рых случаях повышение износостойкости [140, 141, 159],

свойств активных слоев наиболее интенсивно происхо­ дит в начальный период трения, что период приработки поверхностей оказывает существенное влияние на каче­ ственные и количественные характеристики износа.

Из изложенного следует, что благоприятные режи­ мы трения, упрочнение за счет «тренировки» (трением), поверхностным наклепом повышают износостойкость де­ талей машин, работающих при трении скольжения.

5. Влияние скорости скольжения и давления на износостойкость поверхности

Сравнительные испытания образцов (сталь 45Г2), обкатанных по оптимальному режиму, показали, что с увеличением скорости скольжения износ поверхности сначала возрастает, а потом, несмотря на дальнейшее

1 2 8

увеличение скорости скольжения, количественно изме­ няется мало. При скоростях скольжения до 2,14 лі/с обкатанная поверхность изнашивалась (в проточной масляной ванне) в полтора раза медленнее, чем шлифо­ ванная. Дальнейшее увеличение скорости скольжения уменьшало влияние предварительного наклепа, а при скоростях, близких к 5,12 м/с, износ всех образцов количественно был одинаков.

Снижение положительного влияния наклепа на из­ носостойкость поверхности с увеличением скорости скольжения, вероятно, связано с изменением условий трения. Нагревание поверхностей, отсутствие зазора в сопряжении (при данной методике исследований) при­ водили к разрыву масляной пленки. Износ происходил при «полусухом» трении скольжения. Можно предполо­ жить, что в сопряжениях, где действуют законы гидро­ динамического трения и отсутствуют причины, вызы­ вающие нарушение масляной пленки, обкатанная по оптимальному режиму поверхность даже при высоких скоростях скольжения будет более износостойкой, чем шлифованная.

Как показали исследования, увеличение давления до 7 , 5 М лЯ і2/ большого влияния иа изменение величины износа не оказывает. Сравнительные испытания обка­ танной и шлифованной поверхностей показали, что на­ клеп повышает износостойкость стали; количественно износ обкатанной поверхности был на 25—30% меньше, чем шлифованной.

Увеличение давления до 9,81 МН/м2 часто приводило к изменению условий работы сопряжения. В этом слу­ чае на свойства поверхностей трения и их износ более значительное влияние оказывала не приложенная сила, а температура, развивающаяся в зоне трения. Наруше­

дило не рекристаллизационным путем [29].

По данным работ [24, 33, 85, 90], основное воздейст­ вие скорости на износ заключается в повышении темпе­ ратуры трущихся поверхностей. М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [161], исследуя изнашивание при трении об абразивную поверхность, отметили, что в диапазоне