Файл: Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом.pdf

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

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