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

скоростей от 1,4 до 164,3 м/мин скорость оказывает не­ большое влияние на интенсивность изнашивания.

Исследования о влиянии скорости скольжения на из­ нос сталей, выполненные Б. И. Костецким [78], показы­ вают, что переход от одного вида износа к другому за­ висит от температуры на поверхности трения. При изме­ нении скорости износ может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от того, какой вид износа становится преобладающим при изменении скорости.

В вопросе влияния давления и скорости скольжения на величину коэффициентов трения нет единого мнения.

трения падает, а затем остается постоянным. При даль­ нейшем увеличении нагрузки коэффициент трения мо­ жет возрастать. В зоне малых скоростей существуют за­ висимости двух типов: коэффициент трения в одних случаях растет с увеличением скорости скольжения, а в других падает. При больших скоростях всегда наблюда­ ется незначительное повышение коэффициента трения. При жидкостном трении с увеличением нагрузки коэф­ фициент трения возрастает. Увеличение скорости сколь­ жения также вызывает увеличение коэффициента трения.

Известно, что с увеличением нагрузки износ возра­ стает. Однако монотонному изменению нагрузки и ско­ рости скольжения не соответствует монотонное увеличе­ ние износа и силы трения [90]. При некоторых значени­ ях скорости и давлениях величина износа меняется скачкообразно. В исследованиях [84, 143] установлено, что для каждой пары трения существует критическое давление, при котором износ резко возрастает. Это было отмечено и Д. В. Конвисаровым [70]. При этом проис­ ходит не только количественное, но и качественное изме­

где I — износ; q — давление; К — коэффициент. Положения, изложенные авторами указанных выше,

работ, можно полностью отнести и к случаю изнашива­ ния сталей, упрочненных поверхностным наклепом.

130

6. Влияние способа обработки поверхности образца на износ контртела

Эксперименты, выполненные при смазке, близкой к граничной, и в проточной масляной ванне, показали, что износ поверхности сопряженной детали (колодочки из чу­ гуна млн антифрикционной эпоксидной композиции) на­ ходится в прямой связи с количественным износом и качественными характеристиками поверхности образца. С увеличением износа образца увеличивается износ и контртела. Во всех случаях испытаний износ последне­ го был в несколько раз меньше, чем образца (см. рис. 39). В данном случае графит в сером перлитном чугуне и масло, заполнившее поры при проварке колодок, играли роль смазки. Твердые частицы на поверхности трения контртела изнашивали поверхность образца зна­ чительно быстрее, чем истирались сами. При весовом методе замера износа был отмечен большой разброс по­ казаний. Проварка в масле, а также ряд других мер, на­ правленных на повышение точности измерений, не дали положительных результатов. Это говорит о нецелесооб­ разности весового метода замера износа образцов из пористого материала.

Колодочка, работавшая в паре с образцом, обкатан­ ным по оптимальному режиму, изнашивалась значитель­ но меньше, чем при работе со шлифованным образцом. Это объясняется тем, что уменьшение количества кон­ центраторов напряжений на обкатанной поверхности и быстрая ее прирабатываемость способствовали увели­ чению фактической площади контакта, уменьшению из­ носа сопряжения. Кроме того, при оптимальных режи­ мах обкатывания получена зеркальио-гладкая поверх­ ность с твердостью на 30—40% выше шлифованной.

следователи [33, 98, 118, 138] считают, что с повыше­ нием твердости износостойкость возрастает, другие [37, 119, 126] полагают, что накопленная поверхность менее подвержена схватыванию, чем шлифованная и обточен­ ная [139]. При абразивном изнашивании повышение твердости наклепом не приводит к существенному по­ вышению износостойкости [161].

Сравнительные эксперименты, проведенные на парах трения сталь — антифрикционная эпоксидная компози­ ция, также подтвердили преимущество обкатанной по­ верхности перед шлифованной. Износ колодки ', рабо­ тающей в паре с образцом из стали 45Г2, обкатанным

1,8 мкм. При тех же условиях абсолютный износ колод­ ки, работающей по шлифованной поверхности, был ра­ вен 2,6— 12,4 мкм. Момент трения в первом случае был в два раза меньше, чем во втором.

Сравнительные испытания обкатанной и шлифован­ ной поверхностей на износостойкость показали преиму­ щество обкатывания. При этом сопряженная деталь (контртело) из эпоксидной композиции также изнаши­ вается значительно меньше, чем при работе со шлифо­ ванным образцом. Композиция показала себя надежным антифрикционным материалом, способным работать при средних нагрузках и температурах не выше 373 °К-

7. Влияние наклепа на износостойкость сталей при трении скольжения без смазки

Природа трения без смазки до сих пор остается не совсем ясной. Теория, рассматривающая износ как следствие зацепления и деформаций выступов, не может объяснить явлений, связанных с ростом сил трения при скольжении полированных поверхностей. Другая те­ ория, объясняющая трение и износ молекулярным сцеп­ лением поверхностей, в том числе и гладких, не учиты­ вает механического внедрения шероховатостей и их де­ формаций. Более полно «сухое» трение и износ можно объяснить наличием механического и молекулярного взаимодействия. При этом механическое взаимодейст­ вие превалирует над молекулярным, так как высота микронеровностей в сравнении с расстоянием, на кото­ ром действуют молекулярные силы, чрезвычайно велика. Молекулярное взаимодействие становится ведущим1

293 °К в'течение 8 час проводилась термическая обработка в электро­ шкафу при 523 °К с выдержкой 3 час.

1 3 2

лишь при схватывании поверхностей трения. Об этом говорят результаты опытов, проведенных на машине МИ

0,50 м/сек. Образцы из нормализованных сталей марок 45, 35, 15 и 45Г2 были деформированы роликами, диа­ метр которых 130 мм, профильный радиус упрочняюще­ го 10, сглаживающего 50 мм. Усилие обкатывания изме­ нялось от 4,9 до 24,5 кН, в результате чего твердость по­ верхности образцов была на 45—50% выше твердости шлифованной поверхности.

Размер образцов: 0 = 4 0 , с?=16, /г=10 мм. Износ определялся весовым методом с точностью до 0,1 мг на весах АДВ-200. Поверхность обезжиривалась в авиаци­ онном бензине и спирте.

Опыты показали, что при минимальном давлении на образец 0,25 МН/м2 абсолютный износ не зависит от степени наклепа и вида обработки поверхности. В ряде случаев при малой степени наклепа поверхности она имела меньший износ, чем шлифованная. Среднеугле­ родистые стали марок 35, 45 изнашивались даже не­ сколько больше, чем сталь марки 15. Это объясняется повышенными пластическими свойствами последней. К тому же при этом давлении происходит лишь смятие микроперовностей, а не отделение их за счет среза или усталостного выкрошиваиия, как. у стали 45. В сравне­ нии с описанными сталями легированная сталь 45Г2 при равных условиях изнашивалась меньше. С увеличе­ нием давления на образец 0,49—0,74 МН/м2 отчетливее проявилось влияние разной степени наклепа и вида об­ работки: шлифованная поверхность оказалась более износостойкой, с увеличением степени наклепа износ поверхности возрастал, сокращалось время приработки. При равных условиях опыта количественно износ был больше у образцов из малоуглеродистой стали. По мере увеличения в стали углерода он уменьшался. На рис. 40 показано влияние степени наклепа на износ стальной поверхности в зависимости от пути трения при ступен­ чатом нагружении.

Графики свидетельствуют об идентичном характере износа шлифованной и наклепанной поверхности. Несу­ щая способность каждой марки стали различна: она меньше у стали 15 и наибольшая у стали 45Г2. Отмече-

1 3 3

по, что чем больше степень наклепа, тем при меньшем давлении на образец наступает схватывание. Схваты­ вание и форсированный износ стали 45, имеющей мак­

Аналогичные количественные и качественные резуль­ таты получены на образцах из стали 35. У малоуглеро­ дистой стали наблюдались некоторые особенности: на-

Рпс. 40. Износ наклепанных сталей при трении скольжения без смаз­ ки: а — сталь 45 (сплошная линия), сталь 35 (штриховая); б — сталь

липание металла на поверхности трения, которое отме­ чено также и на шлифованной поверхности стали 45Г2 при давлениях 0,98— 1,47 МН/м2.

Из рис. 41 (сталь 45Г2) видно, что поверхность тре­ ния испещрена бороздками, характерными для абразив­ ного изнашивания.

При проведении опытов с образцами из разных ма­ рок сталей, имеющих разную степень наклепа п вид обработки, отмечены некоторые общие закономерности. Продукты износа отделялись в виде сравнительно круп­ ных металлических частиц с незначительной примесыо мелкого порошка окислов светло-коричневого цвета, ко­ торый выступал как абразив. Это еще раз подтвержда­ ет, что износ поверхности при «судомъ трении скольжения происходит в основном за счет механических поврежде-

.134

miii: выкрошивания, отслаивания, глубинного вырыва­ ния. С увеличением продолжительности испытаний и особенно давления на поверхность трения на ней обна­ руживались кольцевые полосы — результат воздействия шероховатостей контртела и шаржирования продукта­ ми износа. Износ сопровождался повышением темпера­ туры, которая находилась около 438 °К. Резкое повыше­ ние температуры, как правило, наблюдалось в началь-

высокую ступень давлений, в дальнейшем она изменялась сравнительно медленно. От воздействия высоких ло­ кальных температур происходило снятие наклепа, раз­ мягчение отдельных микрообъемов.

Механическое и молекулярное взаимодействия при высоких температурах, которые в свою очередь были следствием высоких локальных давлений, приводили к схватыванию. Износ схватыванием характеризовался возникновением металлических связей с последующим их разрывом не по площадкам схватывал-шя, а в глуби­ не образца. Наличие глубинного вырывания указывает на то, что прочность металла в местах схватывания вы­ ше прочности основной массы металла.

Повышение прочности в узлах схватывания объ­ ясняется местными структурными изменениями в метал­ ле. Высказанное предположение подтверждается повы­ шением в 1,2—1,5 раза микротвердости в узлах схваты­ вания.

135

Большая склонность наклепанной поверхности к схватыванию — результат наличия избыточной энергии в поверхностном слое образца, которая под действием высоких температур и непосредственного контакта по­ верхностей трения, не принимая во внимание окисиые пленки, стремится высвободиться.

В результате пластической деформации в металлах происходит накопление энергии (табл. 15).

Т а б л и ц а 15

Максимальная энергия поглощения

По мнению А. П. Семенова [134], для протекания этого процесса необходимо, чтобы энергия атомов кри­ сталлической решетки поднялась выше определенного для данного металла уровня энергетического порога схватывания. Этот процесс происходит раньше у накле­ панных поверхностей, так как под действием подводи­ мой энергии извне, повышения температуры при трении становится возможным освобождение избыточной энер­ гии, аккумулированной кристаллической решеткой при пластической деформации, наступление схватывания шлифованной поверхности с контртелом возможно лишь при давлениях, способных развить достаточные пласти­ ческие деформации и температуры, обеспечивающие энергетический порог схватывания.

Кислород воздуха и теплота, выделяющиеся при тре­ нии, играют основную роль в локализации процесса схватывания. При схватывании интенсивность изнаши­ вания максимальна, скорость процессов, вызывающих схватывание, превышает скорости всех других процес­ сов, протекающих на поверхностях трения.

Явлениям схватывания может способствовать и то, что на наклепанной поверхности, как отмечается в ли­

Д36

тературе, образуется тонкий слой с аморфным стро­ ением, который способствует исчезновению поверхности раздела трущихся тел, возникновению молекулярного взаимодействия и диффундирования атомов.

Различная износостойкость наклепанной и шлифо­ ванной поверхностей объясняется изменением опреде­ ленных свойств. В то время как шлифованная поверхность в процессе трения получала упрочнение, в микрообъемах наклепанной поверхности наступали усталостные разрушения, выкрошивание металла в ре­ зультате шаржирования поверхности твердыми части­ цами и лавинное нарастание износа. Это предположение

случае и снижением микротвердости при действии вы­ соких температур и развитием микротрещин усталости— во втором.

Из-за того что деформированный слой имеет измель­ ченные блоки и значительные остаточные напряжения, обладает повышенным уровнем свободной энергии и находится в крайне неравновесном термодинамическом состоянии, в условиях сухого трения скольжения наблю­ дается повышенный износ наклепанной поверхности. Отсутствие смазки и развитие высоких температур в зоне трения способствуют повышению подвижности ато­ мов, что облегчает взаимодействие трущихся поверх­ ностей и отрыв отдельных частиц металла.

Величина силы трения для шлифованной и накле­ панной поверхностей почти одинакова. С увеличением твердости поверхности она имела некоторую тенденцию к снижению, однако это снижение не всегда выходило за пределы возможных ошибок измерений. Количествен­ но сила трения была больше в начальный период, а по мере приработки снижалась. Отмечено, что в условиях интенсивного разрушения поверхностей упрочнение де­ формированием не оказало заметного влияния на со­ противление трению и изнашиванию поверхности. Ха­ рактер изменения величины коэффициента трения для шлифованных и наклепанных поверхностей одинаков, он довольно значителен в начальный период при наимень­ ших давлениях; после приработки для некоторого диа­ пазона до величины, предшествующей заеданию, начи­

1 3 7

Глава VI

ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СНИЖЕНИЯ СЕБЕСТОИМОСТИ НЕКОТОРЫХ ДЕТАЛЕЙ

Наиболее сложными и трудоемкими в изготовлении деталями являются конические шестерни задних мостов тракторов и автомобилей, шатуны, шлицевые валы и др. Так, трудоемкость конической пары заднего моста трак­ тора МТЗ составляет около 1,5% общей трудоемкости трактора. При этом для их обработки применяется до­ рогостоящее оборудование и инструмент, требуются высококвалифицироваиные кадр ы.

Снижение себестоимости производства даже на 1% может дать народному хозяйству огромную экономию. Поэтому исследования, связанные с совершенствовани­ ем технологии изготовления некоторых деталей, и сни­ жение себестоимости их изготовления на заводах мас­ сового и серийного производства имеют не только теоре­ тическое, но и практическое значение [150, 167].

Широко распространенные в машиностроении раз­ мерно-чистовые процессы резания материалов хотя и обеспечивают весьма высокую точность и чистоту по­ верхности, имеют ряд существенных недостатков, ко­ торых нет при обработке деталей поверхностным пла­ стическим деформированием [72]. В частности, обкаты­ вание роликом при достижении более высоких качественных результатов экономичнее финишных про­ цессов абразивной обработки в 4—4,5 раза [149].

Решение проблемы повышения надежности машин во многом зависит от правильного подбора материала и технологического процесса обработки сопрягаемых де­ талей. В связи с ужесточением режимов эксплуатации машин и механизмов (увеличение скоростей, нагрузок, температур и т. п.) значительно возросли требования, предъявляемые к точности выполнения геометрических

139