Термическое упрочнение сталей для повышения абразивной износостойкости

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

УДК 621.002.5-19

Д. А. Карабарин Научный руководитель - Г. Ф.Тарасов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ТЕРМИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

Рассматриваются вопросы влияния термической обработки инструментальных сталей на их износостойкость при низких температурах. Анализируются процессы, происходящие в зоне контакта абразива и материала.

Существует большое разнообразие способов повышения износостойкости материалов различных деталей машин [1; 2]. Все эти способы можно разделить на три группы: конструктивные, технологические и комбинированные. Область применения каждого из них определяется конкретными условиями работы детали, для которой необходимо произвести повышение износостойкости.

Наиболее широкое применение нашли технологические способы повышения износостойкости (термическая обработка, нанесение защитных покрытий, и др.) позволяющие варьировать свойствами изнашивающихся деталей в широком диапазоне [3]. Именно эти способы наиболее часто используются для повышения износостойкости. Термическая обработка позволяет в широком диапазоне варьировать физико-механическими свойствами материалов и их структурой, при которых можно получить оптимальную износостойкость материала для заданных условий работы детали. В зависимости от вида фрикционного контакта, характеризующего определенный вид изнашивания (абразивное, механическое при контакте двух металлических поверхностей и др.) упрочняющую термическую обработку проводят или поверхностную, или объемную. Поверхностную термическую обработку можно проводить для деталей сопряжений, величина износа которых соизмерима с глубиной поверхностного упрочнения (1,5-2,0 мм). В основном это виды изнашивания при взаимодействии двух металлических поверхностей. При абразивном изнашивании поверхностная термическая обработка не применяется, поскольку величины износа превышают величину упрочненного слоя при поверхностной термической обработки. Например, износ рабочих органов землеройных машин составляет в некоторых случаях десятки миллиметров. В связи с этим для деталей машин, подвергающихся абразивному изнашиванию, применяют только объемную термическую обработку.

Воздействие низких температур на износостойкость сталей проявляется, главным образом, через изменение механических свойств: твердости, прочности, вязкости и т. д. Ухудшение пластических свойств сталей при низких температурах способствует переходу от вязкого разрушения материала к хрупкому. Происходит переход от изнашивания материала путем пластического передеформирования к увеличению доли микрорезания и хрупкого скалывания. Безусловно, это вызывает изменение интенсивности раз-

рушения поверхности материала, контактирующего с абразивными частицами. Характер закономерностей и количественная величина интенсивности изнашивания полностью определяются механическими свойствами материала, зависящими от его структуры, и степенью влияния низких температур на эти свойства.

Анализ полученных результатов показывает, что во всем исследованном интервале температур наибольшая износостойкость стали Х6ВФ достигается после ее отпуска при температуре 200 °С (зак = 1000 °С). Отпуск стали при температурах 200-250 °С снижает твердость стали незначительно, вследствие уменьшения степени тетрагональности решетки мартенсита и образования е - карбида, имеющего ориен-тационное соответствие с мартенситом и более высокое содержание углерода. Дальнейший нагрев стали для отпуска способствует превращению е - карбида в цементит. Кроме того, при более температурах отпуска 300-400 °С происходит коагуляция образовавшихся зерен цементита. При температуре 400 °С происходит частичное укрупнение карбидов, что вызывает более легкое их выкрашивание под действием частиц абразива. Результатом укрупнения карбидов является неравномерность их распределения в матрице, снижение твердости и износостойкости во всем исследованном интервале температур.

Для стали Х8М2Ф желательна термическая обработка при повышенных температурах закалки и отпуска. После закалки с температуры 1 125 °С и отпуска при повышенных температурах (500-600 °С) эта сталь оказалась наиболее износостойкой из всех исследованных. При одинаковой температуре отпуска (500 °С) повышение температуры нагрева под закалку с 1 025 до 1125 °С способствует росту износостойкости на 30-40 %. Такая тенденция сохраняется во всем исследованном интервале температур испытаний (плюс 20 - минус 60 °С).

Анализ результатов исследований показывает, что положительный эффект от повышенного нагрева стали Х8М2Ф обусловлен наличием в этой стали молибдена (1,9 %), который выполняет функции сдерживания роста зерен аустенита при нагреве под закалку и отпуск. Это позволяет повысить температуру нагрева, при которой наиболее полно происходят структурные преобразования. После закалки с температуры 1125 °С и отпуска при температурах 550 - 6000С в стали сочетаются одновременно: высокая твердость (58-60 ИКС), прочность (сизг = 2 260-2 870 МПа) и ударная вязкость [(450-600) 105 Дж/м2]. Структура стали, после такой

Секция « Технология производства ракетно-космической техники»

термической обработки характеризуется высокой дисперсностью и равномерностью распределения карбидов в матрице.

Роль структуры материала, как одного из основных факторов, определяющего способность материала сопротивляться изнашиванию, очевидна, из сопоставления различных режимов термической обработки стали Х8М2Ф, позволяющих получить одинаковые механические свойства. После отпуска при 450 °С (4ак = 1 025 °С) и 600 °С (/зак = 1125 °С), обладая практически одинаковой твердостью (60-61 ИКС), прочностью (сизг. = 2 820 и 2 870 МПА) и незначительно отличаясь по ударной вязкости [(ан = 870 и 600) • 105 Дж/м2 соответственно] различие по износостойкости стали Х8М2Ф (при указанных режимах термической обработки) составляет 40-50 %. При этом следует заметить, что после отпуска при температуре 450 °С сталь Х8М2Ф имеет несколько меньшую микротвердость (10-15 %). Это значит, что микротвердость, являясь структурным параметром, в определенной степени влияет на способность материала противостоять разрушительному воздействию частиц абразива.

Существенное влияние на износостойкость сталей оказывает карбидная фаза. При встрече с карбидом абразивная частица (вследствие их соизмеримости по твердости), утрачивает способность дальнейшего эффективного воздействия на изнашиваемую поверхность, вследствие ее затупления, а возможно и частичного разрушения. Следовательно, износостойкость карбидсодержащих сталей должна быть выше сталей без карбидной фазы. Однако, как показали выполненные исследования, наличие карбидной фазы эффективно только в случае, когда карбиды по своему составу однородны и равномерно распределены в матрице. Понижение температуры оказывает влияние на количественную составляющую процесса изнашивания. Так

при температуре плюс 20 °С износостойкость повышается на 35-40 %, а при температуре минус 60 °С увеличение содержания карбидов в стали Х8М2Ф до 13,0 % повышает износостойкость на 20-22 %.

Выполненные исследования показали, что, несмотря на снижение, износостойкость инструментальных сталей в диапазоне температур плюс 20 -минус 60 °С остается на достаточно высоком уровне по сравнению с углеродистыми и легированными конструкционными сталями. Однако, высокая хрупкость инструментальных сталей и ее высокая стоимость не позволяют применять их для повышения износостойкости деталей машин путем замены материала. Поэтому в процессе исследований был разработан способ повышения износостойкости путем сочетания конструкционного и технологического. Сущность способа заключается в армировании изнашивающейся поверхности детали специальными вставками, изготовленными из высокоизносостойких инструментальных сталей.

Библиографические ссылки

1. Кульков С. Н. и др. Трансформационно-упрочненные композиты повышенной износостойкости для узлов трения // Трение, износ, смазка. Вып. 11. Т. 3. 2001. № 4. С. 21-25.

2. Погодаев Л. И., Кузьмин В. Н., Дудко П. П. Повышение надежности трибосопряжений. М. : Ягелло. 2001. 304 с.

3. Нахимович Е. Комплексный подход к решению задач по повышению долговечности и износостойкости материалов и деталей машин // Трение, износ, смазка. Вып. 19. Т. 5. 2003. № 4. С. 61-64.

© Карабарин Д. А., 2013

УДК 621.9.06.001

И. Ю. Квятковский, И. А. Пахомов Научный руководитель - Л. В. Зверинцева Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ГИБКИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ

Одной из важнейших систем космического аппарата, от которой во многом зависит качество передаваемой информации, является волноводно-распределительная система, которая служит для передачи информации между антеннами космического аппарата и блоками его бортовой системы связи. Для различных типов космических аппаратов вид волноводно-распределительной системы будет отличаться размерами, числом и конфигурацией составляющих ее волноводно-распределительной системы отдельных элементов.

Конструкция волноводно-распределительной системы космического аппарата связи состоит из прямых и изогнутых тонкостенных элементов прямоугольного поперечного сечения, соединительных муфт и фланцев, а так же гибкой секции, соединенных между собой посредством пайки [1].

С целью обеспечения прочностных и улучшенных функционально-эксплуатационных характеристик конструкции волноводно-распределительной системы

необходимо в течение всего срока активного существования обеспечить прочность каждого ее элемента на всех этапах жизненного цикла: при изготовлении, монтаже и эксплуатации.

Волноводы выполняют из медных, латунных, алюминиевых и бронзовых труб. Для повышения коэффициента полезного действия волновода внутреннюю поверхность труб иногда покрывают тонким слоем серебра, а в некоторых случаях - золота. Волноводы