Розділ 2.
МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ЕКСПЕРИМЕТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Експериментально - теоретичне обґрунтування умов
проведення, послідовності досліджень та випробувань
При одержанні сплавів і проведенні експериментів дотримувались наступної концепції. Деталі, виготовлені з МЧ повинні використовуватись як конструкційні матеріали і працювати в умовах тертя ковзання. Вони повинні бути зносостійкими як в умовах сухого, так і граничного тертя. Одна з найрозповсюдженіших вимог до мікроструктури - це намагання дотримуватись принципу Шарпі: у гетерогенному сплаві повинна бути присутня в'язка матриця та карбіди. Крім того присутність у сплавах графіту дозволяє під час "оливного голодування" підживлювати поверхню тертя оливою з графітових пор, а в умовах сухого тертя графіт дозволяє зменшити контактну взаємодію і сприяє появі "вибіркового" переносу, зменшити зношування.
Відповідно до теорії подібності [167] можна припустити, що при проведенні лабораторних випробувань за схемою ролик-колодка (тіло - контртіло), колодка буде представляти матеріал опори ковзання (втулку, підшипник, направляючі і т.п.), а ролик - контртіло (матеріал вала).
У вузлах тертя ковзання багаторазової дії необхідно забезпечити мінімально можливий у даних умовах коефіцієнт тертя та зношування. При деяких умовах доцільно підбирати такі комбінації поверхонь тертьових деталей, що забезпечували б їхню абсолютну зносостійкість, наприклад при роботі деталей в умовах вибіркового переносу. При зовнішньому терті (для якого характерна відсутність макросхоплювання і задиру) необхідне виконання двох основних вимог: стійкість до задирів і низька схильність до схоплювання .
Рис. 2.1.1. Схема концепції проведення досліджень
Рис. 2.1.2. Приклад комплексного впливу деяких факторів на умови тертя у трибоспряженні
Останнім етапом проведення досліджень є експлуатаційні випробування з урахуванням виявленого механізму та характеру руйнування сплавів в умовах зовнішнього навантаження з метою обґрунтування оптимальної мікроструктури, що забезпечує підвищену експлуатаційну стійкість завдяки додатковому легуванню.
На рис. 2.1.1 наведена схема на якій наведена концепція проведення досліджень. Слід додати, що за певних обставин при експлуатації деталей можуть виникати умови, при яких матеріал деталі буде контактувати з корозійним середовищем. А від так потрібно дослідити корозійні властивості цього матеріалу, та визначити шляхи щодо подальшого поліпшення та підвищення експлуатаційної стійкості. На рис. 2.1.2 наведено узагальнену схему, на якій показано, комплексний вплив деяких факторів на зносостійкість системи вал-втулка. Наприклад, якщо у систему гідроприводу не буде подано своєчасно мастильний матеріал, то може відбуватись протягом деякого часу перехідний етап тертя, який потім перейде до сухого тертя. Воно може проходити за деяких швидкостей та навантажень як у режимі нормального тертя, так і у патологічному (тобто коли виникає схоплювання, та відбувається катастрофічне руйнування матеріалу). Слід додати, що саме в умовах сухого тертя, можна визначити вплив структурно-фазового складу на зносостійкість цих сплавів.
З рис. 2.1.3 можна побачити, що структурно-фазовий склад вносить значний вклад у формування трибологічних властивостей сплавів, покращити які можна завдяки додатковому легуванню. Тобто ми можемо дотримуватись принципу Шарпі в умовах сухого тертя (поєднання аустенітної металевої матриці та твердих включень карбідів). З рис. 2.1.3 слідує, що під час тертя аустенітна металева матриця може зміцнюватись, (підвищення поверхневої твердості, як правило призводить до підвищення зносотривкості). В умовах тертя графіт, впроваджуючись до мастила може виявляти інтеркаляційні властивості, що також може впливати на зносостійкість. До позитивного впливу графіту можна віднести його здатність зменшувати питомі тиски під час контактування поверхонь тертя під час сухого тертя, що дозволяє уникати вогнищ схоплювання. Фосфіди та карбіди також підвищують поверхневу твердість. Крім того, фосфіди можуть входити до вторинних структур, які також підвищують зносостійкість матеріалів [7].
Рис. 2.1.3 Схема зміни властивостей аустенітного чавуна за умов створення оптимального структурно-фазового складу шляхом легування.
2.2. Обґрунтування вибору системи легування
Досліджувані матеріали призначаються для виготовлення деталей промислового устаткування, що працює в умовах тертя ковзання. В даний час не існує однозначних вимог до мікроструктури і хімічного складу таких матеріалів [99, 165]. Як відзначається в роботі [74], оскільки багато властивостей деталей, що працюють в умовах ковзання є системнозалежними, їх неможливо розглядати у відриві від умов застосування. Застосування легованих чавунів як конструкційних матеріалів також може бути дуже широким. І вибір системи легування є складним питанням. На рис. 2.2.1 наведено узагальнену класифікацію більшості легуючих елементів, які застосовуються при виготовлені чавунних деталей [25, 28, 85, 86,87].
Рис. 2.2.1 Класифікація легуючих елементів у чавунах [25, 28, 85, 86,87]
У пункті 2.1 зроблено аргументований висновок щодо доцільності легування марганцевих чавунів карбідоутворюючими елементами з метою поліпшення їх експлуатаційних характеристик. У табл. 2.2.1 та 2.2.2 наведені властивості карбідів що існують в залізовуглецевих сплавах.
Таблиця 2.2.1
Деякі властивості карбідів [31]
№ п/пКарбід ГрупаТ пл.,0С?Н298к?G298кНV, MРа*103Відносна
вартість*1.TiCIV3140-183,6-180,0291502.ZrC3550-184-181,32710003.VCV2830-83,7-83,7246504.NbC3480-140,6-139,2-9005.TaCVI3880-161,2-159,5188006.Cr7C31665-183,6-161,216257.Cr23C61580-17,9-18,410258.Mo2C2410-22,8-23,514,71709.WC2755-35,2-35,220,857510.Mn3CVII1520-5,0--1011.Mn23C1010-0,15--1012.Fe3CVIII16508,36,68,41