Результаты экспериментальных исследований

Исследование проводилось на восьмипозиционной машине трении при давлении 10МПа и средней скорости скольжения 0,19 м/сек в среде пластичного смазочного материала Солидол в условиях возвратно-поступательного трения скольжения без абразива и в присутствии частиц абразива.

На рисуноке 5.1 приведена зависимость интенсивности изнашивания азотированной стали 38Х2МЮА от времени испытаний, а на рисунке 6 приведена схема, иллюстрирующая кинетику изнашивания упрочненных сталей. Можно видеть, что кривые существенно отличаются. Для сталей, упрочненных традиционными методами, кривая имеет три характерных участка: I – зона приработки; II – зона установившегося режима трения; III – участок повреждаемости, характеризующийся образованием задиров.

На кривой кинетики изнашивания азотированной стали выявляется дополнительный четвертый участок, в котором интенсивность изнашивания ниже более чем на порядок, по сравнению со значениями, характерными для стадии установившегося режима трения. Эта зона характеризуется практически безызносным трением.

По результатам оценки интенсивности изнашивания от времени испытаний четко выявляется роль предварительного отпуска стали в характере изнашивания. С увеличением температуры предварительного отпуска зона IV также увеличивается. Образец с температурой предварительного отпуска 650°С в режиме безызносного трения работает 150 часов, включая приработку, а образец с температурой отпуска 500°С – только 50 часов (а так как испытания проводились в форсированном режиме с применением на определенных этапах пути трения абразива, то истинная разница значительно выше).

Рисунок 5.1 - Зависимость интенсивности изнашивания азотированной стали 38Х2МЮА от времени испытания: 1 – Тотп=650°С; 2 – Тотп=500°С

I – зона приработки; II – зона установившегося режима трения; III – участок повреждаемости;

IV – зона практически безызносного трения

На кривых изнашивания кроме зоны приработки и безызносного трения наблюдается зона высокой износостойкости. Эта зона характеризуется достаточно низким (10-10) и стабильным значением интенсивности износа. Длительность этого периода также зависит от температуры предварительного отпуска: она тем выше, чем при более высокой температуре был проведен предварительный отпуск. Так для температуры отпуска 500°С длительность этой зоны составляет 60 часов, а при температуре отпуска 650°С – 150 часов.

Рисунок 6.1 - Кинетика изнашивания упрочненных сталей.

I – зона приработки; II – зона установившегося режима трения; III – участок повреждаемости

Общий путь трения (время испытаний до задира) также зависит от температуры предварительного отпуска. С повышением температуры отпуска этот параметр также значительно возрастает (Тотп=500°С – 150 часов; Тотп=650° - 300 часов). Заканчиваются испытания задиром, когда наблюдается резкий скрежет в машине, высокий коэффициент трения и интенсивное разрушение поверхности.

Рисунок 7.1 - Зависимость интенсивности изнашивания от толщины азотированного слоя.

1 – Тотп=650°С; 2 – Тотп=500°С

I – зона приработки; II – зона установившегося режима трения; III – участок повреждаемости;

IV – зона практически безызносного трения

На рисунок 7.1 показана зависимость интенсивности изнашивания от глубины азотированного слоя. На графиках зависимости четно выявляется четыре зоны: зона приработки; безызносная зона; зона высокой износостойкости; задир. Графики иллюстрируют и важную роль температуры предварительного отпуска. С увеличением температуры отпуска от 500°С до 650°С происходит увеличение зоны безызносного трения, продвижение ее вглубь и увеличение зоны высокой износостойкости. При температуре 500°С безызносная зона находится на глубине до 6мкм; при 650°С – до 16мкм, т.е. при увеличении температуры отпуска на 150°С протяженность зоны увеличивается более чем в 2 раза.

Можно видеть, что зона высокой износостойкости увеличивается на более значительную глубину. С увеличением температуры отпуска от 500°С до 650°С она увеличивается с 8мкм до 52мкм и задир наступает в более глубокой области. При температуре отпуска 500°С h=16мкм; Тотп=650°С h=70мкм.

Для получения коэффициента трения проводилась оценка средних значений в цикле. Из полученных данных можно видеть, что средние значения коэффициента трения для пары азотированная сталь 38Х2МЮА – сталь ШХ15 в среде Солидола практически не зависят от температуры предварительного отпуска стали и находятся на достаточно низком уровне.

Также проводилась оценка абразивной износостойкости. На рисунок 8.1 приведены результаты оценки интенсивности изнашивания в условиях трения с абразивом. В качестве абразива использовали порошок Al2O3. По результатам исследования видно, что с увеличением температуры предварительного отпуска интенсивность абразивного износа азотированной стали также снижается.

Рисунок 8.1 - Зависимость интенсивности износа азотированной стали 38Х2МЮА от толщины азотированного слоя в условиях абразивного изнашивания

1 – Тотп=500°С; 2 – Тотп=650°С

Для анализа причин особенностей кинетики изнашивания азотированного слоя рассмотрим микроструктуру поверхностного слоя стали 38Х2МЮА. На рисунке 9 приведена микроструктура поперечного шлифа азотированной стали 38Х2МЮА, из которой видно, что при азотировании на поверхности формируется слой нитридов железа, под которым располагается диффузионная зона. По данным ранее проведенного рентгеноструктурного анализа для данного режима азотирования (Таз=500°С; Тотп=650°С) на поверхности стали формируется слой, состоящий из ε-фазы (Fe2N). Диффузионная зона состоит из легированной азотом матрицы и включений нитридов легирующих элементов.

Сопоставление толщины слоя, в котором формируется ε-фаза, и кривой износа в функции толщины азотированного слоя дает основание заключить, что за зону практически безызносного трения ответственен слой из ε-фазы. По данным рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии эта фаза находится в нанокристаллическом состоянии.

Таким образом, на основе проведенных лабораторных триботехнических исследований и данных о фазовом составе азотированного слоя можно сделать вывод, что формирующийся при азотировании слой нитридов железа Fe2N (ε-фаза) вносит значительный вклад в долговечность пары трения: путь трения увеличивается более, чем в два раза.

Выводы

На основе проведенного исследования триботехнических характеристик, отражающих механизм контактного взаимодействия азотированной стали 38Х2МЮА, можно сделать следующие выводы.

1. В исходном состоянии структура азотированного слоя состоит из слоя нитридов железа, представленных преимущественно ε – Fe2N и диффузионной зоной, состоящей из легированного азотом α-твердого раствора и нитридов легирующих элементов.

2. На зависимостях изменения интенсивности изнашивания от времени испытания и глубины азотированного слоя выявлено четыре характерных участка: зона приработки; зона практически безызносного трения; зона высокой износостойкости; зона задира.

3. С увеличением температуры предварительного отпуска стали увеличиваются зона безызносного трения, зона высокой износостойкости и общий путь трения до задира.

4. Температура предварительного отпуска образцов азотированной стали 38Х2МЮА не влияет на величину коэффициента трения скольжения.

5. Интенсивность абразивного изнашивания азотированной стали тем выше, чем ниже температура предварительного отпуска.

6. Слой нитридов железа типа ε, находящийся в наноструктурном состоянии, определяет режим практической безызносности.