Трибологічні властивості та міцність структур відпуску сталі 60С2 з врахуванням ефекту наводнювання

ГЛАВА 2
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1. Обоснование и выбор материалов, упрочняющих обработок и образцов,
использованных в исследованиях
В соответствии с изложенной постановкой задачи, для исследований ис­пользовали
кремни­стую пружинную сталь 60С2, широко используемую в узлах трения [16, 113]
(пружинные уплотни­тель­ные кольца в шарошковых долотах, пру­жинные шайбы, ворс
про­волочного инструмента, пру­жины автомашин и под­вижного железнодорожного
транс­порта и др.), химический состав которой при­ведён в табл.2.1.
Таблица 2.1
Химический состав материалов образцов и контртел
Марка
Химический состав, % (массовые)
стали
Si
Mn
Cr
Ni
60С2
0,57...0,65
1,5...2,00
0,60...0,90
Ј 0,30
Ј 0,25
45
0,45
0,21
0,65
0,25
0.03
0,04
У10А
0,95...1,04
0,15...0,30
0,15...0,30
Ј 0,15
Ј 0,20
Для придания пружинным сталям пружинных свойств последние обраба­тываются по
специ­альной технологии: закалка от 860°С и отпуск 400-450°С, по­сле которой
сталь имеет высокое значение предела упругости.
Для исследования влияния структурного состояния материалов на их
три­бо­логические харак­теристики, выбранная сталь 60С2 исследовалась в
термически обрабо­тан­ном состоянии: закалка от 870°С плюс отпуск при
температурах 200, 300, 400 и 500°С, ско­рость нагрева под закалку - 100°С/час,
скорость охлаждения - 70°С/сек, охлаждающая среда - масло; отпуск проводили в
течение 2-х часов, в результате чего получали образцы с различным структурным
состоянием.
После термообработки образцы подвергали финишному шлифованию, что ис­ключало
наличие обезуглероженного поверхностного слоя. Номинальный раз­мер рабочей
поверхности образ­цов выполнялся с точностью до ±0,01мм.
В качестве контртела, при проведении трибологических исследований,
ис­пользо­ва­лись стали марок 45 и У10А, термически обработанные до твёрдости
исследуемых об­разцов, режимы термической обработки приведены в табл.2.2 [114].
Химический состав вы­бранных материалов контртел приведен в табл.2.1.
Таблица 2.2
Режимы термической обработки материалов контртел
Марка стали
Температура за­калки, °С
Температура от­пуска, °С
Охлаждающая среда
Продолжительность отпуска, час
45
820
200
масло
У10А
800
300
масло
Термическая обработка позволяет получить материалы с определённым составом и
свойст­вами, одинаковыми по всему объёму. Однако в современных условиях
требо­вания к составу и струк­туре объёма и поверхности пар трения различны.
Одним из спо­собов получения материалов с различными свойствами объёма и
поверхности, обеспечивающих повышение их износостойкости, является
использование техно­логических методов.
Для исследования влияния технологических методов повышения износо­стойко­сти
материа­лов на трибологические характеристики пружинных сталей с различным
структур­ным состоянием, образцы подвергались следующим видам обработки,
которые условно можно разделить на три группы, в зависимости от температуры
протекания про­цесса:
- покрытия, наносимые на рабочую поверхность при температурах до 100°С (так
на­зываемые низкотемпературные покрытия). Исследовалось покрытие типа ЯНГ,
разра­ботан­ное в Техно­логическом университете Подолья (г. Хмель­ницкий) на
кафедре техно­логии машиностроения д.т.н., профессором Гладким Я.Н., а также
проводили электро­литическое никелирование пар контакта по стандартной методике
[115, 116].
- покрытия, наносимые на рабочую поверхность при температурах 550-650°С. Для
этого про­водили азотирование исследуемых материалов в тлеющем разряде (ионное
азо­тирование), а также покрытие образцов нитридом титана (ТiN), нитридом хрома
(CrN), комплексным покрытием нитрида хрома и титана ((Cr,Ti)N), а также хромом
аморфным (Cr-аморфный) на серийной установке ионной камерной вакуумной мод.
ННВ-6,6-И1.
- покрытия, наносимые на рабочую поверхность при температурах 950-1050°С
(химико-термическая обработка). Изучалось изменение трибологических свойств пар
трения после их насы­щения бором (борирование В) и при использо­вании
диффузионных карбидных покрытий TiC, VC, CrC [109].
В пятой главе более подробно изложено о вышеперечисленных методах повы­шения
износо­стойкости материалов.
2.2. Методика проведения трибологических исследований
Трибологические исследования металлов в условиях сухого трения сколь­жения
про­водились на универсальной машине трения модели 2168, внешний вид которой
изо­бражён на рис.2.1. Испы­тания проводились по схеме трения диск-па­лец на
стандартных образцах (D = 5мм, L = 20мм). Схема испытания и общий вид образцов
представлены на рис.2.2.
а б
Рис.2.1 Внешний вид машины трения мо­дели УМТ 2168
Рис.2.2 Схема испытания (а) и об­щий вид об­раз­цов (б): 1 - контр­тело; 2 -
об­разец
В основу работы машины положен принцип преоб­разования враща­тельного движения
ротора электродвигателя во вращательное движение контртела. В процессе ра­боты
обеспечивается возможность измерения и контроля основных пара­метров: скорости
скольжения, удельной на­грузки пар трения, температуры, мо­мента трения, пути
трения, массовый из­нос.
Для обеспечения перпендикулярности трущихся поверхностей образцов и контр­тела
относи­тельно оси порядка 0,01...0,02 мм и шероховатости Ra=1,25 мкм, образцы
подверга­лись шлифованию. Затем образцы размагничивали, про­мывали ацетоном
(ГОСТ 2603-79) и сушили в течении 1-го часа. При проведе­нии исследований
регистрировался момент и тем­пература трения, весовой износ образ­цов.
Рис.2.3 Схема подвода термопары в зону трения: 1 - контртело; 2 - обра­зец;
3 - термо­пара
Для регистрации температуры в зоне трения использовали искусственную термо­пар