Об одном методе снижения износа сколом пар трения, работающих при низких климатических температурах

Большинство материалов в различных узлах машин и механизмов работают при трении в экстремальных условиях. В парах трения, как правило, возникают высокие контактные напряжения и их концентрации, большие скорости нагружения, значительные пластические деформации и, как следствие, износ сопряженных поверхностей. При этом механические, физические, химические и другие проявления трения определяют в основном работоспособность, ресурс, экономичность, безопасность и эксплутационные характеристики машин, механизмов и горнодобывающих агрегатов. Роль вышеназванных проявлений трения существенно возрастает, если силовые воздействия имеют вид циклического или ударного нагружения, а температура эксплуатации понижается. Именно в таких условиях работает подавляющее большинство строительной, горнодобывающей и

Лебедев Михаил Петрович, доктор технических наук, заместитель директора

Портнягин Сергей Павлович, доцент

Савинова Анастасия Васильевна, студентка другой техники, особенно в условиях Крайнего Севера, где период низких климатических температур составляет значительное время и возникает так называемый «пусковой период» - период времени от старта пар трения при низких температурах до температуры рабочего состояния. Изнашивание в этих условиях характеризуется сколом, как разновидностью хрупкого изнашивания, что связано с повышенной хрупкостью материала при понижении температуры. Поэтому в работе [1] рекомендовано использовать в качестве легирующих элементов для материалов на основе железа элементы с заполненными np-, nd-и nf-электронными оболочками или элементами с большой длиной химической связи.

Цель работы – разработать технологию снижения изнашивания сколом в «пусковой период» при низких температурах.

Методика исследований. При плазменном напылении металлов из-за неполного проплавления их частиц смешивание легирующих элементов с подложкой и в покрытии происходит неравномерно . При получении износостойких материалов легированных элементами с большой длиной химической связи или с заполненными np- nd- nf-электронными оболочками для работы в «пусковой период» можно использовать лазерную технологию [2]. Основные методы и технологии при нанесении легирующих элементов на основу – это плазменное напыление порошков с легирующими элементами и последующим их лазерной обработкой (ЛО).

Методика получения износостойких материалов. Для получения образцов плазменных покрытий и последующей лазерной обработкой были выбраны порошок системы Ni-Сr-В-Si (ПГСР-4), (используется для восстановлений деталей техники), а также порошки системы Fe-С-Сr-V ( ХВС ), системы Ni-Аl и порошок нержавеющей стали Х18Н9Т. Известно [3-5], что Ni , Cr , V понижают критическую температуру вязкохрупкого перехода (хладноломкости) материала, поэтому применение порошков содержащих эти металлы представляется целесообразным. В качестве подложки использовали образцы из стали 3сп - в виде прямоугольной пластины размером 50х35х10 мм, разделенной предварительно на 6 частей пропилами для того, чтобы не повредить покрытия при последующей механической обработке. Исходные порошки обладали дисперсностью 60…100 мкм.

Лазерную обработку проводили СО 2 -лазером ЛОК-ЗМ, генерирующим в непрерывном режиме на воздухе излучение с длиной волны λ=10,6 мкм. Потери по мощности лазерного луча от каждой отражающей поверхности составляют 17%. Мощность лазерного излучения измеряли непосредственно на выходе лазерной установки. Оплавление поверхности осуществлялось движением лазерного луча по винтовой линии с постоянным шагом, обеспечивающим непрерывность обработки поверхности. Мощность лазерного излучения составляла 1,0 ^ 1,9 кВт. По методике, описанной в работе [ 6 ] , была проведена оценка влияния удельной энергии лазерного излучения W на глубину оплавления плазменных покрытий для разных материалов.

При небольших значениях удельной энергии (<15 Дж/мм2) оплавления основы не происходит, а проплавляется только покрытие; на поверхности которого наблюдаются поры. Увеличение удельной энергии приводит к расплавлению металла подложки, происходит процесс легирования ее поверхности, изменяется химический состав и, соответственно, свойства формирующегося слоя. Глубина проплавления подложки зависит от материала покрытия и его толщины.

Рис. 1. Влияние удельной энергии лазерного излучения на глубину оплавления (h = 0,3-0,4 мм). 1 – ПГСР-4; 2 – ХВС; 3 – Х18Н9Т

При ЛО напыленного слоя и части металлической подложки происходит их смешивание с последующим легированием. При этом коэффициент перемешивания включает параметры обработки – мощность излучения и скорость перемещения луча, отражающие объем или площадь расплава, а также толщину расплавленного слоя. Толщина предварительно наносимых слоев легирующих элементов составляла 0,2 ^ 0,7 мм. Коэффициент K перемешивания определялся на поперечных шлифах по результатам 3-7 измерений в различных частях при зафиксированной начальной толщине слоя легирующих элементов. Зависимость коэффициента перемешивания от удельной энергии достаточно хорошо описывается линейной зависимостью [ 7 ] . Коэффициента перемешивания вычисляли по формуле K=0,05+5,67W [8] (рис. 2.).

W = P т =

F

4 P V ^ч, 3.14 d_n

где F =π d² n /4, τ = d n / V, P – мощность лазерного излучения; d n – диаметр лазерного луча; V – скорость перемещения лазерного луча; τ – время перемещения луча лазера на расстояние, равное диаметру луча.

Анализ зависимости глубины оплавления обработанных поверхностей от удельной энергии излучения показал (рис. 1), что для всех исследованных материалов с ростом удельной энергии глубина оплавления увеличивается.

Рис. 2. Влияние удельной энергии лазерного излучения на коэффициент перемешивания (ПГСР-4)

Анализ методами стереометрической металлографии показал, что при увеличении удельной энергии лазерного излучения коэффициент перемешивания возрастает. Кроме того, при изменении коэффициента перемешивания содержание упрочняющих фаз для исследованных составов меняется в пределах от 20 до 35% (рис. 3.). Упрочняющие фазы имеют различную морфологию и могут иметь как округлую, так и овальную формы, в некоторых случаях они образуют сплошную сетчатую

Рис. 3. Микроструктура материала в зоне оплавления:

а – напыленного слоя разной толщины (а – 0,2 мм; 0,5 мм; 1,0 мм); б – оплавленного слоя (не травленный шлиф; диффузионный слой в подложке; диффузионный слой в напыленном покрытии)

Были проведены испытания образцов с различными напыленными покрытиями на контактную износостойкость по схеме «диск по диску» с проскальзыванием и нагружением при температуре окружающего воздуха (-15Со) [8]. Перед испытаниями проводили приработку образцов на установке СМЦ-2 до исчезновения следов шлифования. В качестве контртела использовали ролик из инструментальной стали У8А ГОСТ-1435-74 (65 HRC). Через каждые 105 циклов испытаний (≈ 5,5 ч) измеряли износ покрытий с точностью ±2 мкм на микроскопе УИМ-23. Испытания на скол покрытие-подложка проводилась следующим образом: контртело разгонялось до рабочей скорости, затем приводилось в соприкосновение с структуру по границам кристаллитов, формируя, как бы упрочняющий каркас, что характерно для легированных слоев, получаемых с использованием шликерных покрытий. Таким образом, изменение коэффициента перемешивания приводит к изменению содержания упрочняющих фаз, их дисперсности, морфологическим изменениям структуры, что обусловливает свойства получаемых упрочненных поверхностных слоев.

покрытием: откола покрытия при температуре испытания (-15^оС) не наблюдалось, также как и при положительных температурах. Видно (рис. 4), что лазерное оплавление, а также введение химических элементов Ni , Cr , V резко снижают износ, а также износ отколом покрытия от подложки. В качестве примера приведена зависимость износа покрытия от числа циклов для ПГСР-4.

Выводы: на основании результатов проведенных испытаний можно сделать вывод, что примененная технология нанесения покрытия и примененные порошковые материалы Ni-Сr-В-Si, Fe-С-Сr-V , нержавеющая сталь Х18Н9Т снижают износ пар трения.

Рис. 4. Зависимость износа покрытия от числа циклов для ПГСР-4 с оплавлением: h – толщина покрытия