Задачи исследования

В процессе внешнего трения происходит сопротивление разрушению материала поверхностных слоев, вступающих в контактное взаимодействие при относительном перемещении двух тел под нагрузкой. Способность механизма сопротивляться изнашиванию, т.е. износостойкость, является структурно-чувствительной характеристикой. Структура зоны контактного взаимодействия при трении определяет износостойкость материалов узла трения.

Азотирование является одним из наиболее эффективных и распространенных способов повышения сопротивления изнашиванию разнообразных деталей машин.

Целью данной работы является изучение влияния поверхностного азотированного слоя на износостойкость стали 38Х2МЮА.

Методика экспериментального исследования Материалы и объект исследования

38Х2МЮА является широко распространенной азотируемой сталью, которая применяется для изготовления ответственных деталей турбино - и моторостроения, гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, зубчатых колес, различных деталей сложной конфигурации, от которых требуется высокая поверхностная твердость, износостойкость и высокий предел выносливости.

Из прутка стали 38Х2МЮА вырезались большие заготовки, которые подвергались закалке от температуры 920°С до комнатной температуры в воде с последующим отпуском при 500°С в течение 2 часов. Затем вырезались образцы в виде параллелепипедов размером (0,012 х 0,005 х 0,004) м, требуемый конструкцией узла трения.

После этого образцы подвергались высокому отпуску при температурах 500°С и 650°С в течение 10 часов. Затем поверхности шлифовались для доведения до точного размера и удаления обезуглероженного слоя. Непосредственно пред азотированием образцы зачищались на тонкой шкурке и обезжиривались. Для всех образцов были созданы одинаковые условия проведения химико-термической обработки.

Рисунок - 1.1- Схема установки для азотирования:

1 – шахтная печь; 2 – баллон с аммиаком; 3 – осушитель; 4 – манометр;

5, 6, 7 – вентили; 8 – свеча, 9 – термопара.

Установка состоит из шахтной печи и газовой системы – баллона с аммиаком, из которого газ попадает в печь через осушитель. Давление газа изменяется манометром. Печь оборудована тремя газовыми вентилями. Измерить давление в баллоне, можно закрыв один из вентилей и открыв другой. Отработанные газы сжигаются при помощи свечи. Температура в печи контролируется термопарой и регулируется потенциометром. Процесс азотирования проводился при температуре 500°С в течение 30 часов в атмосфере диссоциированного аммиака, который образуется в соответствии с уравнением: NH3→N+3/2H2.

Методика триботехнических испытаний

Объектом исследования была выбрана распространенная пара реверсивного трения скольжения сталь 38Х2МЮА – сталь ШХ15 в среде смазки Солидол, обеспечивающая характерные условия трения для тяжелонагруженных пар. Схема испытаний приведена на рисуноке 2.1. Образец с меньшей поверхностью выполняется из азотированной стали 38Х2МЮА и является неподвижным. Контртело изготовлено из шарикоподшипниковой стали ШХ15, оно является подвижным. Через неподвижный образец нагрузка попадает на пару трения. С помощью специального приспособления в зону трения постоянно подводится пластичный смазочный материал.

Испытания материалов проводились на восьмипозиционной машине трения МТ-8 с возвратно-поступательным движением сопрягаемых образцов, имеющих плоские поверхности трения (рисунок 3.1).

В испытании участвуют два образца. Верхний образец с меньшей поверхностью трения – азотированная сталь 38Х2МЮА. Он неподвижен и к нему прикладывают нагрузку. Нижний образец – сталь ШХ15 – подвижный образец. Он совершает возвратно-поступательное движение, со средней скоростью скольжения 0,19 м/сек. Ход подвижного образца Н = 0,04 м.

Каждая рабочая позиция машины оснащена устройством для измерения силы трения (тензометрической системой).

Рисунок 2.1 - Схема триботехнических испытаний

Рисунок 3.1- Кинематическая схема восьмипозиционной возвратно-поступательной машины трения.

Перед началом испытаний пары трения подвергали микроприработке, при которой достигается равномерное распределение следов износа по всей рабочей поверхности образцов. Далее образцы промывали, высушивали (в печи при температуре 40°С в течение 5-7 минут) и взвешивали (на специальных аналитических весах с точностью до 0,00005 г), а также измеряли площадь контактирования.

Далее начинали длительные испытания. Перед использованием подвижный образец смазывали солидолом, прикрепляли специальную губку, которая постоянно подмазывает трущиеся образцы. Нагружение осуществлялось постепенно (0,5…2 МПа)х5, где 5 – коэффициент увеличения давления за счет длины рычага, чтоб не сразу появлялись задиры. Перед работой необходимо включить вольтметр и после того, как он прогреется (1 час), снимаем показания: максимум (+) и минимум (-), с учетом реверсивного движения. Далее эти значения по модулю складывали и делили на два, а по тарировочным кривым (рисунок 4.1), это значение пересчитывалось на силу трения по формуле f = Fтр/N оценивали коэффициент трения.

Через 5 часов машину останавливал, образцы промывали, просушивали, взвешивали и измеряли площадь контакта. Через определенные количества часов испытаний образец и азотированной поверхностью снимали и зону трения изучали с помощью светового микроскопа. Испытания проводили в форсированном режиме, поэтому далее с помощью мелкодисперсного абразива Al2O3 на машине трения удаляли толщину до нескольких микрометров и далее оценивали износостойкость внутренних слоев. В целом снимали 50-60 микрометров, процедуру повторяли 5-6 раз до того момента, когда на образцах начинали появляться задиры и пары трения оказывались неработоспособными. Из этих данных можно сделать вывод, какая толщина азотированного слоя работоспособна без задиров и каков уровень износостойкости на определенной толщине.

Рисунок 4.1 - Тарировочный график для вычисления силы трения

Величины линейного износа определяли пересчетом по потере массы. По значениям линейных износов определяли интенсивности изнашивания каждого из образцов пары. Для неподвижного образца 1 за период испытаний с числом циклов n интенсивность изнашивания определяется по формуле: I1= Δq1/2γ1nHA, где Δq1 - потеря массы образца 1 на n циклов; Н – ход подвижного образца 2; А=1*b - номинальная площадь контакта пары (площадь поверхности трения образца 1); γ1- плотность материала образца 1.

Для образца 2 за период испытаний с числом циклов n интенсивность изнашивания определяется по формуле: I2= Δq2/2γ2nHA, где Δq2 - потеря массы образца 2 на n циклов; Н – ход подвижного образца 2; А=1*b – номинальная площадь контакта пары (площадь поверхности трения образца 1); γ1 - плотность материала образца 2.

По полученным значениям интенсивности изнашивания строили график изменений величин износа по толщине азотированных слоев стали 38Х2МЮА.