Износостойкие конструкционные стали

Характеристики износа и виды изнашивания. Износостойкость – свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его определяют по изменению размеров (линейный износ), уменьшению объема или массы (объемный или массовый износ).

Существует три периода износа:

I – начальный, или период приработки, когда изнашивание протекает с постоянно замедляющейся скоростью;

II – период установившегося (нормального) износа, для которого характерна небольшая и постоянная скорость изнашивания;

III – период катастрофического износа.

Обеспечение износостойкости связано с предупреждением катастрофического износа, уменьшением скорости начального и установившегося изнашивания. Износостойкость материала при заданных условиях трения, как правило, определяют экспериментальным путем.

Работоспособность материалов в условиях трения зависит от трех параметров: внутренних, определяемых свойствами материалов; внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение) и режим работы (скорость относительного перемещения, нагрузка, характер ее приложения, температура); от рабочей среды и смазочного материала.

Совокупность этих факторов обусловливает различные виды изнашивания (ГОСТ 23.002-78):

• абразивное, адгезионное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, гидро- и газоэрозионное, кавитационное, усталостное, фреттинг-процесс при механическом способе воздействия;

• окислительное, фреттинг-коррозия при коррозионно-механическом воздействии.

Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы: детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи и т.п.), и детали, изнашивание, которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ и т.п.).

Характерные виды изнашивания деталей первой группы – абразивное (твердыми частицами, попадающими в зону контакта), адгезионное, окислительное, усталостное, фреттинг-процесс (фреттинг-коррозия). Для деталей второй группы типично абразивное изнашивание (наприме, истирание почвой), гидро- и газоабразивное (твердыми частицами, перемешиваемыми жидкостью или газом), эрозионное, гидро- и газоэрозионное (потоком жидкостью или газа), кавитационное (от гидравлических ударов жидкости).

Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию. Износостойкость при абразивном изнашивании чистых металлов пропорциональна их твердости. В сплавах эта зависимость может не соблюдаться.

При абразивном изнашивании ведущими являются процессы многократного деформирования поверхности скользящими по ней частицами и микрорезание. Степень развития этих процессов зависит от давления и соотношения твердости материала и абразивных частиц. Т.к. твердость последних велика, то наибольшей износостойкостью обладают материалы, структура которых состоит из частиц твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов, которых в промышленности более ста наименований. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4 %) и карбидообразующих элементов (хром, вольфрам, титан).

В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов. Структура матричной фазы регулируется введением марганца или никеля. Она может быть мартенситной, аустенитно-мартенситной и аустенитной.

Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с мартенситной структурой: 250Х38, 320Х23Г2С2Т; при значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков): сплавы 370Х7Г7С, 110Г13, 300Г34; при средних условиях изнашивания применяют твердые сплавы, структура которых состоит из специальных карбидов (WC, TiC, TaC), связанных кобальтом, а также высокоуглеродистые стали типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5. Эти материалы относятся к инструментальным.

Основные методы защиты от этого вида изнашивания – повышение твердости контактирующих поверхностей (цементацией, азотированием), применение смазочных материалов, лаков, пленочных покрытий из полимеров, затрудняющих металлический контакт поверхностей трения и доступ к нему кислорода.

Материалы, устойчивые к усталостному изнашиванию. Эти материалы предназначены для таких изделий массового производства, как подшипники качения и зубчатые колеса. Усталостное выкрашивание на их рабочих поверхностях вызывает циклические контактные напряжения сжатия.

Они создают в поверхностном слое мягкое напряженное состояние, которое облегчает пластическое деформирование поверхностного слоя деталей и, как следствие, развитие в нем процессов усталости. В связи с этим высокая контактная выносливость может быть обеспечена лишь при высокой твердости поверхности, необходимой также для затруднения истирания контактных поверхностей при их проскальзывании.

Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок. Трение при высоком давлении и ударном нагружении характерно для работы тракторов гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей.

Износостойкость деталей обычно обеспечивается повышенной твердостью поверхности. Особое место занимает высокомарганцевая сталь для литья, аустенитного класса, с высокой стойкостью к ударно-абразивному износу 110Г13Л – сталь Гадфильда (1,25 % С, 13 % Мn, 1 % Сr, 1 % Ni).Сталь поставляется по ГОСТ 977-88. При низкой начальной твердости (180–220 НВ) она успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших динамических (ударных) нагрузок (такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, щек дробилок и др.). Это объясняется повышенной способностью стали упрочняться в процессе холодной пластической деформации. Так, при пластической деформации, равной 70 %, твердость стали возрастает с 210 до 530 НВ.

Высокая износостойкость стали достигается не только деформационным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита с гексагональной (ε) или ромбоэдрической (ε') решеткой. При содержании фосфора более 0,025 % сталь становится хладноломкой. Структура литой стали представляет собой аустенит с выделившимися по границам зерен избыточными карбидами марганца (Мn3С), снижающими прочность и вязкость материала. Для получения однофазной аустенитной структуры отливки закаливают в воде с температуры 1 050–1 100 °С, без отпуска. В таком состоянии сталь имеет высокую пластичность δ = 34–53 %, ψ = 34–43 %, низкую твердость 180–220 НВ и невысокую прочность σв = 830–654 МПа.

Фрикционные материалы. Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающих крутящий момент. Они работают в тяжелых условиях изнашивания – при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре, мгновенно возрастающей до 1000 °С. Эти материалы должны иметь высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические материалы. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения.

Из асбофрикционных материалов наибольшей работоспособностью обладает ретинакс (ФК-34А и ФК_16Л), который содержит 25 % фенолформальдегидной смолы, 40 % асбеста, 35 % барита, кусочки латуни и пластификатор. В паре со сталью ретинакс обеспечивает коэффициент трения 0,37–0,40. Его используют в тормозных механизмах самолетов, автомобилей и других машин.

Металлические спеченные материалы применяют при тяжелых режимах трения. Их производят на основе железа (ФМК-8 и ФМК-11) и меди (МК-5). Кроме основы и металлических компонентов (Sn, Pb, Ni), обеспечивающих прочность, хорошую теплопроводность и износостойкость, эти материалы содержат неметаллические добавки – асбест, графит, оксид кремния, барит.

В многодисковой тормозной системе самолетов применяют бериллий из-за его высокой теплоемкости, теплопроводности и малой плотности.

Стали для изготовления шарико- и роликоподшипников поставляют по ГОСТ 801-78. Подшипники качения работают в условиях качения шариков (или роликов) по наружному и внутреннему кольцам. Наиболее часто причиной отказа подшипников является излом, разрушение тел качения и рабочих поверхностей колец, а также усталостное выкрашивание рабочих поверхностей элементов подшипников.

Кольца, ролики и шарики работают в условиях, которые требуют от стали высокой твердости, износостойкости и сопротивляемости контактной усталости.

В качестве шарикоподшипниковой стали используют высокоуглеродистые (заэвтектоидные) хромистые стали, а для больших сечений – хромомарганцевокремнистую сталь, прокаливающуюся на большую глубину.

К сталям этого класса предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений, т.к., попадая в поверхностный рабочий слой, они становятся концентраторами напряжений, вызывая преждевременное усталостное разрушение. Недопустима также карбидная неоднородность.

Стали после отжига должны иметь однородную структуру мелкозернистого перлита с мелкими включениями вторичных карбидов. Твердость в этом состоянии 187–207 НВ, что обеспечивает достаточно хорошую обрабатываемость резанием. Кольца, шарики и ролики после закалки в масле при 830–860 °С (для стали ШХ15) и 810–850 °С (для стали ШХ15ГС) и низкого отпуска при 150–200 °С должны иметь твердость 61–66 HRC. Для более полного снятия напряжений выдержка при отпуске 2,5–6 ч.

Обозначение марки надо расшифровывать так: шарикоподшипниковая хромистая, цифра показывает примерное содержание хрома в десятых долях.

Хром вводят для обеспечения необходимой прокаливаемости. Следовательно, чем меньше диаметр закаливаемой детали подшипника, тем меньше может быть содержание хрома в стали. По своей природе перечисленные стали близки к углеродистым сталям с содержанием углерода около 1 %.

Крупногабаритные кольца и ролики изготовляют из цементуемой хромоникелевой стали 20Х2Н4А. После цементации при 940–970 °С на глубину 5–10 мм указанные детали подшипников подвергают высокому отпуску при 550 °С в течение 8 ч и затем при 630 °С в течение 8 ч для устранения остаточного аустенита. Закалку проводят при 800 °С в масле, а затем низкотемпературный отпуск при 160 °С.

Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют нержавеющую сталь 95Х18 (0,9–1,0 % С и 17–18,5 % Сr, остальное марганец, кремний, сера, фосфор и т.д. в обычных пределах).

Высокое содержание хрома необходимо для придания стали большего сопротивления коррозии. Сталь обладает высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в растворах азотной и уксусной кислот, в различных органических средах, но имеет плохую стойкость в смеси азотной и серной кислот.

Термическая обработка для придания наивысшей в данной стали твердости и достаточной стабильности в размерах заключается в закалке с 1 050 °С в масле, обработке холодом при минус 70 °С и отпуске при 150–160 °С. Твердость после такой обработки 60–61 HRC.

Подшипники, подвергаемые в процессе эксплуатации значительным нагревам (до 400–500 °С), изготавливают из стали типа быстрорежущих.

Обычно применяют сталь Р9, но с пониженным содержанием углерода и ванадия. Снижение углерода необходимо для уменьшения карбидной ликвации, снижающей долговечность подшипника. Обработку такой стали проводят по режимам термической обработки инструментов из быстрорежущих сталей.