Термическая обработка сталей как фактор повышения их износостойкости при низких температурах

УДК 621.002.5-19

Г. Ф. Тарасов, А. И. Горбуля

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Рассматриваются вопросы влияния термической обработки инструментальных сталей на их износостойкость при низких температурах. Анализируются процессы, происходящие в зоне контакта абразива и материала в различном его структурном состоянии, определяемом режимами термической обработки. Предлагается гипотеза влияния низких температур на изменение механизма изнашивания. Рассмотрено влияние карбидной фазы инструментальных сталей на их износостойкость в условиях трения и удара по абразивной поверхности при низких температурах.

Процессы разрушения материалов абразивными частицами довольно многообразны и сложны. Механизм образования частиц износа под действием абразива зависит от многих факторов, взаимосвязанных между собой, и в том числе от схемы взаимодействия материала и абразива, свойств изнашиваемого материала, свойств абразива. В зависимости от указанных факторов на поверхности трения формируется вполне определенное сложно-напряженное состояние, которое является функцией внешних факторов и варьируется с изменением условий трения и изнашивания (например, температуры окружающей среды, которая вызывает изменение физико-механических свойств материалов и состояние абразивной поверхности). Результатом такого влияния является изменение механизма изнашивания, а следовательно, количественных и качественных показателей этого процесса, как правило в сторону снижения износостойкости. Поэтому для деталей, подвергающихся абразивному изнашиванию при низких температурах, актуальным является повышение их износостойкости.

Существует большое разнообразие способов повышения износостойкости материалов различных деталей машин [2; 3; 7]. Все эти способы можно разделить на три группы: конструктивные, технологические и комбинированные. Область применения каждого из них определяется конкретными условиями работы детали, износостойкость которой необходимо повысить.

На практике наиболее широкое применение нашли технологические способы повышения износостойкости (термическая обработка, нанесение защитных покрытий, и др.), позволяющие варьировать свойствами изнашивающихся деталей в широком диапазоне. Именно эти способы наиболее часто используются для повышения износостойкости [2; 6; 10].

Термическая обработка позволяет в широком диапазоне изменять физико-механические свойства материалов и их структуру, при которых можно получить оптимальную износостойкость материала для заданных условий изнашивания. В зависимости от вида фрикционного контакта [5], характеризующего определенный вид изнашивания (абразивное, механическое при контакте двух металлических поверхностей, окислительное, водородное, изнашивание при фреттинг-коррозии и т. д.) проводят либо поверхностную, либо объемную упрочняющую термическую обработку. Поверхностную термическую обработку можно применять для деталей сопряжений, вели-

чина износа которых соизмерима с глубиной поверхностного упрочнения (1,5...2,0 мм). Эта глубина определяется снижением содержания в мартенсите до 50 %. В основном ее проводят при изнашивании: механическом, при взаимодействии двух металлических поверхностей, при окислительном, коррозионном, водородном, эрозионном и др.

При абразивном изнашивании поверхностная термическая обработка не применяется, поскольку величины износа при нем в большинстве случаев существенно (в несколько раз) 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 [1] способствует переходу от вязкого разрушения материала к хрупкому, т. е. к переходу от одного механизма изнашивания материала к другому. Безусловно, это вызывает изменение интенсивности разрушения 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 на эти свойства низких температур.

При низких температурах происходит изменение свойств сталей, что оказывает влияние на глубину внедрения абразивных частиц, изменение микрогеометрии их контакта с материалом и, безусловно, на количественные показатели процесса изнашивания. Степень происходящих изменений свойств сталей при понижении температуры зависит от их исходной структуры. Поэтому влияние структуры и температуры испытаний на износостойкость должны рассматриваться во взаимной связи.

В данной работе исследовалась износостойкость инструментальных сталей при их трении о закрепленные абразивные частицы (шлифовальную шкурку). Исследования проводились для инструментальных сталей, режимы термической обработки которых представлены в табл. 1.

Изнашивание образцов из исследуемых материалов производилось о закрепленные абразивные частицы

(шлифовальную шкурку), что моделирует процесс изнашивания рабочих органов машин, работающих в грунтах при низких температурах. Испытания проводились в диапазоне температур от +20 до -60 °С. Именно в этом температурном диапазоне ведется эксплуатация машин в условиях Сибири и Крайнего Севера.

В качестве эталона для определения относительной износостойкости материалов использовался алюминиево-магниевый сплав АМг-2. Основное требование к эталону состоит в том, что он не должен изменять своих физико-механических свойств при понижении температуры до -70 °С, что подтверждается исследованиями, выполненными в данной работе. Кроме того, сплав АМг-2, ввиду неизменности его свойств, позволяет учитывать неоднородность шлифовальной шкурки и изменение ее изнашивающей способности при понижении температуры испытаний до -60 °С. Охлаждение образцов до -60 °С осуществлялось вместе со шлифовальной шкуркой.

В качестве критерия оценки и сравнения материалов по износостойкости принята относительная износостойкость, определяемая отношением износа эталона к износу испытуемого образца, с учетом плотности исследуемых материалов по формуле

£ = и • у / и • у,

Э ' м м ' э7 4 '

где £ - относительная износостойкость; и и и - весовой

Эм

износ образцов из эталонного и испытуемого материалов соответственно, мг; у и у - плотность эталонного и

Эм

испытуемого материалов соответственно, г/см3.

Анализ полученных результатов исследования показывает, что наибольшая износостойкость стали Х6ВФ в интервале температур испытаний от +20 до -60 °С достигается после ее закалки с температуры 1 000 °С и отпуска при 200 °С (рис. 1).

Анализ полученных результатов показывает, что во всем исследованном интервале температур наибольшая износостойкость стали Х6ВФ достигается после ее отпуска при температуре 200 °С (г = 1 000 °С) (рис. 1). Отпуск стали при температурах 200-250 °С незначительно снижает твердость стали, вследствие уменьшения степени тет-рагональности решетки мартенсита и образования £-кар-бида, имеющего ориентационное соответствие с мартенситом и более высокое содержание углерода. Дальнейший нагрев стали для отпуска способствует превращению £-карбида в цементит. Кроме того, при более высоких тем-

Основные физико-механически

пературах отпуска (300...400 °С) происходит коагуляция образовавшихся зерен цементита. При температуре 400 °С имеет место 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.

• £

\ 1 ? \ / 2 Г~ 4

\ \ л\ 3

'х.у . ^ * N /\ \ \/  ч Л

С \ ^ * ч * Ч‘ 0 У .. .У > •  ' •’ > с • / • <. • ч? • V?

200 300 400^

Температура отпуска, 0С

Рис. 1. Зависимость износостойкости стали Х6ВФ от температуры отпуска. Температура испытаний:

1 - +20 °С; 2 - -20 °С; 3 - -40 °С; 4 - -60 °С.

Для стали Х8М2Ф желательна термическая обработка при повышенных температурах. После закалки с температуры 1 025 °С и отпуска при 200...500 °С (рис. 2) для этой стали характерно снижение износостойкости в интервале температур закалки 200...400 °С, а затем с увеличением температуры отпуска износостойкость несколько повышается. Это связано с повышением вязкости стали при температуре ее отпуска 400...500 °С, что увеличивает долю изнашивания за счет пластического деформирования и уменьшает эту долю за счет микрорезания.

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 1 125 °С способствует росту износостойкости на 30...40 %. Такая тенден-

Таблица 1

свойства исследованных сталей

Марка материала Термическая обработка Прочность при изгибе атг> МПа Ударная вязкость ан Т05 , Дж/м2 Твердость HRC

Закалка, °С Отпуск, °С

Х6ВФ 200 2280 730 62

1000 250 2540 650 56

300 2590 650 59

400 2780 1030 54

Х8М2Ф 1025 200 2480 570 60

400 3000 600 53,5

450 2820 870 58,5

500 2760 710 56,5

500 2080 710 56

1125 550 2260 450 62

600 2870 600 58,5

ция сохраняется во всем исследованном интервале температур (+20...-60 °С) (рис. 3).

Тешерагура отпуска, С

Рис. 2. Зависимость износостойкости стали Х8М2Ф от температуры отпуска при закалке с 1 025 °С.

Температура испытаний: 1 - плюс 20 °С; 2 —200 °С;

3 - -40 °С; 4 - -60 °С.

Анализ результатов исследований показывает, что положительный эффект от повышенного нагрева стали Х8М2Ф обусловлен наличием в этой стали молибдена (1,9 %), который выполняет сдерживает рост зерен аусте-нита при нагреве под закалку и отпуск. Это позволяет повысить температуру нагрева, при которой наиболее полно происходят структурные преобразования. После закалки с температуры 1 125 °С и отпуска при температурах 550...600 °С в стали одновременно сочетаются высокая твердость (58...60 ЖС), прочность (оизг = 2 260...2 870 МПа) и ударная вязкость (450...600 • 105 Дж/м2). Структура стали, после такой термической обработки характеризуется высокой дисперсностью и равномерностью распределения карбидов в матрице.

Температура отпуска, С

Рис. 3. Зависимость износостойкости стали Х8М2Ф от температуры отпуска при закалке с 1 125 °С. Температура испытаний: 1 - +20 °С; 2 —200 °С;

3 - -40 °С; 4 - -60 °С.

Роль структуры материала как одного из основных факторов, определяющего способность материала со-

противляться изнашиванию, очевидна по сопоставлению различных режимов термической обработки стали Х8М2Ф, позволяющих получить одинаковые механические свойства. После отпуска при 450 °С (г = 1 025 °С) и 600 °С (г = 1 125 °С), обладая практически одинаковой твердостью (60...61 HRC), прочностью (оизг = 2 820 и

2 870 МПА) и незначительно отличаясь по ударной вязкости (ан = 870• 105 и 600 • 105 Дж/м2 соответственно), различие по износостойкости стали Х8М2Ф при указанных режимах термической обработки составляет 40...50 %. Следует заметить, что после отпуска при температуре 450 °С сталь Х8М2Ф имеет несколько меньшую микротвердость (порядка 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, соизмеримая с ним по твердости, утрачивает способность дальнейшего эффективного воздействия на изнашиваемую поверхность из-за ее затупления, а возможно - и частичного разрушения. Следовательно, износостойкость карбидосодержащих сталей должна быть выше сталей без карбидной фазы. Однако, как показали проведенные исследования, наличие карбидной фазы эффективно только в случае, когда карбиды по своему составу однородны и равномерно распределены в матрице. На величину износостойкости карбидосодержащих сталей существенное влияние оказывает характер динамичности взаимодействия материала и абразива. При изнашивании ударом материала по закрепленному абразиву, очень высока вероятность внецентренного удара абразивных зерен по карбидам, что ведет к выкрашиванию и вырыву карбидов из матрицы. Этот процесс сопровождается появлением дефектов в поверхностном слое в виде микротрещин или микрораковин, которые ослабляют связь с матрицей соседних карбидов. При последующих ударах эти карбиды легко выркашиваются или вырываются. Именно поэтому при увеличении содержания карбидов в стали Х8М2Ф более 11,0 % износостойкость при ударе об абразивную поверхность снижалась во всем исследованном интервале температур (+20...-60 °С). Кроме того, при увеличении содержания карбидов в стали Х8М2Ф свыше 11,0 % характерны неоднородность их распределения в матрице и снижение вязкости стали. Увеличение содержания карбидов на 1,5 % ведет к снижению износостойкости при ударно-абразивном изнашивании на 20 % во всем исследованном интервале температур испытаний. При трении об абразивную поверхность из-за отсутствия динамичности взаимодействия материала и частиц абразива увеличение содержания карбидов в стали Х8М2Ф до 12,5... 13,0 % способствует повышению износостойкости во всем интервале температур испытаний от +20 до -60 °С.

Понижение температуры оказывает влияние на количественную составляющую процесса изнашивания. Так, при температуре +20 °С износостойкость повышается на 35...40 %, а при температуре -60 °С увеличение содержания карбидов в стали Х8М2Ф до 13,0 % повышает износостойкость на 20...22 %. Характер закономерностей

£ =f (К) (К - содержание карбидов в стали) во всем исследованном диапазоне температур испытаний одинаков.

Наряду с изложенным следует отметить, что карбиды, обладая высокой твердостью (соизмеримой с твердостью частиц абразива) снижают активность воздействия абразива на изнашиваемую поверхность. Важно оптимальное их содержание и однородное распределение в матрице.

Изменения износостойкости инструментальных сталей связаны с особенностями превращений в них при закалке и отпуске, а также с влиянием низких температур на физико-механические свойства. При охлаждении стали в процессе закалки превращение аустенита в мартенсит сопровождается появлением напряжений (структурных, фазовых, деформационных) [4]. Отпуск закаленной стали лишь частично снимает эти напряжения. Возникающие при охлаждении инструментальных сталей температурные напряжения благоприятствуют превращению аустенита в мартенсит посредством скольжения и изменения положения пластин мартенсита. Начинают проявляться дополнительные напряжения, переводящие сталь в сложно-напряженное состояние. Ухудшаются прочность и пластичность. Работа, необходимая для отделения частиц материала, в процессе изнашивания уменьшается, т. е. увеличивается интенсивность изнашивания, а значит, снижается износостойкость сталей.

Под воздействием частиц абразива в поверхностном слое материала развиваются внутренние напряжения, у вершин микротрещин происходит рост концентрации напряжений и их дальнейшее развитие. Результатом этого процесса является отделение частиц материала, а интенсивность изнашивания определяется доминирующим видом формирующегося разрушения: хрупкого или вязкого. Поэтому при абразивном изнашивании определяющую роль играют такие свойства материала, как хрупкость, вязкость и пластичность, а также их изменение при понижении температуры.

Охлаждение сталей в область низких температур ухудшает вязкость и пластичность, что вызывает переход от вязкого разрушения поверхности абразивными частицами к хрупкому. Граница этого перехода весьма условна и может характеризоваться критической скоростью распространения микротрещин и их длиной, которые всегда имеются в поверхностном слое материала, подвергающегося деформированию абразивными частицами. При хрупком разрушении резко уменьшается энергия пластической деформации, т. е. уменьшается усилие, необходимое для отделения частицы износа материала. Критическое напряжение, определяющее границу вязкого и хрупкого разрушений, зависит от величины возникающих деформаций микротрещин. С определенной степенью приближения величину критического напряжения можно определить по уравнению Гриффитса-Орована о = [{Ш_р • Е) / £]-1/2 ,

где о - критическое напряжение перехода от вязкого разрушения к хрупкому; W - энергия пластической деформации; Е - модуль упругости материала; L - длина микротрещины в зоне деформации.

По уравнению (2) следует, что в случае одинаковых условий в зоне фрикционного контакта уменьшение W и уве-

личение L снижают величину критического напряжения. Это означает, что при низких температурах (при прочих равных условиях) увеличивается доля хрупкого разрушения материала, что повышает интенсивность изнашивания.

Увеличение скорости роста микротрещин в процессе пластической деформации при низких температурах отмечается и в работе [11]. В этой же работе установлено, что при понижении температуры снижается и коэффициент мгновенного роста трещин. Все изложенное способствует снижению разрушающих усилий. В локальных зонах происходит переход от среза к сколу, это уменьшает долю пластического оттеснения материала абразивными частицами.

Механизм перехода от вязкого разрушения к хрупкому авторам представляется следующим. В точках контакта абразива и материала при определенных температурно-скоростных условиях напряжения достигают критических значений, при которых образуются микротрещины. Скольжение абразивных частиц благоприятствует их продвижению и распространению в макрообъеме. Ухудшение пластических свойств и внешнее трение вызывают макролокализацию пластической деформации. Образующиеся в процессе деформации микротрещины являются своего рода концентраторами напряжений, облегчающими срез материала.

Выполненные исследования показали, что, несмотря на снижение, износостойкость инструментальных сталей в диапазоне температур +20...- 60 °С остается на достаточно высоком уровне по сравнению с углеродистыми и легированными конструкционными сталями. Однако высокие хрупкость и стоимость инструментальных сталей 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 принципов. Сущность способа заключается в армировании изнашивающейся поверхности детали специальными вставками, изготовленными из высокоизносостойких инструментальных сталей. Этот способ был апробирован при работе зубчатого зацепления измельчителя (дезинтегратора), предназначенного для измельчения металлической стружки и других материалов.

Рабочим органом дезинтегратора является торцовое зубчатое зацепление, которое подвергается интенсивному абразивному изнашиванию при контакте его рабочей поверхности с измельчаемым материалом, например металлической стружкой. Комплексный подход к решению трибологических задач используется и другими исследователями [9].

Исходя из особенностей работы измельчителя, а именно из-за различного числа контактов ведущего и ведомого колес зацепления с измельчаемым материалом (из-за разного числа зубьев), был предложен способ повышения их износостойкости, который позволил обеспечить не только высокую износостойкость зубчатых колес, но и их равно-стойкость, т. е. одинаковую долговечность.

На ведомое зубчатое колесо по всей поверхности равномерным слоем наносится материал, обладающий высокой износостойкостью. На боковых поверхностях ведущего колеса по всей его ширине выполняются канавки

глубиной до 2 мм, которые заполняются износостойким материалом так, что он выступает над рабочей поверхностью зубчатого колеса на 0,1...0,2 мм. По сути осуществляется армирование рабочей поверхности ведущего колеса таких материалом. В качестве износостойких материалов могут применяться инструментальные стали, кобальтовые сплавы (стеллиты), карбидные сплавы на основе сормайта, металлокерамические твердые сплавы и т. д. Износостойкий материал, выступающий над рабочей поверхностью зуба, выполняет роль концентратора нагрузки, что способствует снижению давления на основной материал зубчатого колеса.

При вращении ведущее зубчатое колесо выступающими частями износостойкого материала вступает в контакт с поверхностью ведомого колеса, покрытой по всей поверхности износостойким материалом. Большая часть нагрузки, возникающей в зубчатом зацеплении, сосредотачивается на небольшой площадке контакта. Основной материал зубчатого колеса испытывает значительно меньшие усилия в зоне контакта с измельчаемым материалом, что, естественно, снижает интенсивность его изнашивания. Выступающий материал также изнашивается с меньшей интенсивностью, так как он обладает высокой сопротивляемостью к разрушению абразивными частицами. Таким образом, происходит выравнивание скоростей изнашивания износостойкого покрытия зубчатого колеса и его основного материала. Сосредоточенная в зоне контакта выступающей части износостойкого материала и рабочей поверхности зуба ведомого колеса нагрузка способствует и интенсифицика-ции процесса разрушения измельчаемого материала, т. е. предлагаемый способ повышения износостойкости позволяет решить две задачи: увеличить срок службы зубчатых колес дезинтегратора и повысить его производительность.

Экспериментальная проверка этого способа показала увеличение износостойкости, а следовательно, и долговечности зубчатых колес измельчителя (дезинтегратора) в 2...3 раза. Данный способ повышения износостойкости защищен патентом РФ [8].

Таким образом, проведенные исследования показали широкий диапазон изменения износостойкости инструментальных сталей в зависимости от их структуры. Существенный вклад в изменение механических характеристик и износостойкости изученных сталей вносит карбидная фаза, которая очень чувствительна к изменению режимов термической обработки. Это дает возможность в сравнительно небольших интервалах изменения температур закалки и отпуска интенсивно воздействовать на

структуру сталей и тем самым получать свойства, обеспечивающие наибольшую износостойкость для конкретной схемы изнашивания в заданном интервале температур работы детали. Низкие температуры следует рассматривать как самостоятельный фактор снижения износостойкости исследованных сталей. Проявляется это главным образом через их воздействие на весь комплекс физикомеханических свойств сталей, вызывающих усиление неоднородности пластической деформации и увеличение доли хрупкого разрушения, что способствует интенсификации процессов разрушения поверхностного слоя материала абразивными частицами.

Библиографический список

1. Вигли, Д. А. Механические свойства металлов при низких температурах / Д. А. Вигли; пер. с англ. В. Н. Геми-нова, под ред. Л. К. Гордиенко. М.: Мир, 1974. 374 с.

2. Виноградов, В. Н. Износостойкость сталей и сплавов: учеб. пособие / В. Н. Виноградов, Г. М. Сорокин. М.: Нефть и газ, 1994. 415 с.

3. Гаркунов, Д. Н. Триботехника / Д. Н. Гаркунов. М.: Машиностроение, 1989. 327 с.

4. Геллер, Ю. А. Инструментальные стали / Ю. А. Геллер. М.: Металлургия, 1968. 568 с.

5. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комба-лов. М.: Машиностроение, 1977. 527 с.

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

7. Погодаев, Л. И. Повышение надежности трибосоп-ряжений / Л. И. Погодаев, В. Н. Кузьмин, П. П. Дудко. М.: Ягелло, 2001. 304 с.

8. Пат. N° 2086837 РФ. Зубчатая передача / В. А. Куре-шов, Г. Ф. Тарасов, Н. В. Василенко и др. № 93049163; Заявл. 19.10.93.

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

10. Филиппов, М. А. Износостойкость высокоуглеродистых марганцевых метастабильных аустенитных сталей при абразивном изнашивании / М. А. Филиппов и др. // Перспективные материалы и технологии: межвуз. сб.; УГТУ - УПИ. Екатеринбург, 1998. № 1. С. 84-92.

11. Школьник, Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла / Л. М. Школьник. М.: Металлургия, 1973. 216 с.

G. F. Tarasov, A. I. Gorbulja

THERMAL TREATMENT OF STEELS AS THE FACTOR OF INCREASING OF THEIR WEAR RESISTANCE AT LOW TEMPERATURES

The questions of influence of thermal treatment of tool steel on their wear resistance at low temperatures are considered. The processes occuring in the zone of contact of abrasive and material, in its various structural condition, defined by the modes of thermal treatment are analyzed. It is offered the hypothesis of influence of low temperatures on change of the mechanism of wear process. It is considered the influence of carbide phase of tool steels on their wear resistance in conditions of friction and impact on an abrasive surface at low temperatures.