Лекция 4. ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхности изделия и, как следствие, потери массы при взаимодействии с другими веществами, телами, деталями в процессе трения.

Износ – результат изнашивания, но не сам процесс.

Износостойкость – сопротивление износу.

Износ возникает в результате:

1) взаимодействия двух контактирующих материалов, называемых парой трения (вал – втулка, две шестерни в редукторе и т.д.);

2) воздействия на материал внешней среды (частицы абразива в почвообрабатывающих машинах; пар, Н₂О – эрозия).

Факторы, влияющие на износостойкость: структура материала; условия внешнего воздействия (сила, скорость движения абразивных частиц и т.д.); среда в которой работают материалы.

Классификация видов изнашивания:

1) окислительное – процесс образования оксидных пленок (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, CuO, Cu₂O) на поверхности и их удаление при трении. Процесс идет при наличии смазок;

2) адгезионное – износ определяется силами трения, действующими на поверхность. Сила трения определяется формулой: F_{Д +} F_A . F_Д – определяется деформацией материала; F_A – сила за счет адгезии.

Когда происходит сваривание материалов или прочие соединения, происходит схватывание: I рода – при малых скоростях перемещения, но при больших давлениях и II рода – при высоких скоростях и давлениях, что сопровождается повышением температуры в зоне трения. Схватывание – результат адгезионного взаимодействия между контактирующими телами. Разрушается тонкая поверхностная пленка и два металла, которые находятся в контакте, образуют мостик сваривания. В результате возникающих напряжений происходит разрушение мостиков, вырывается одна часть металла другим;

3) абразивное изнашивание – подразумевает микрорезание частицами абразива или является полидеформационным процессом. Разновидностью является ударно–абразивное изнашивание;

4) усталостное изнашивание – характерно для циклической работы зубьев шестерен, колес при контакте зубьев. Бывает со смазкой и без. В результате взаимодействия контактирующих деталей наступает контактная усталость в поверхностных слоях и, как следствие, разрушение;

5) эрозионное – вымывание разрушенной поверхности потоком газа, жидкости или смеси газа с абразивом за счет кинетической энергии движущегося потока;

6) кавитационное – процесс разрушения поверхности деталей за счет захлопывания микроскопических пузырьков газа в потоке жидкой среды, особенно при изменении направления этого потока (турбулентности). Сопровождается колоссальным микроударным воздействием (давлением) на металл;

7) коррозионное – чаще всего бывает не в чистом виде, а в сочетании с кавитацией, эрозией и т. д.

Материалы, применяемые в качестве износостойких, могут быть металлическими, моно– или композиционными. В зависимости от условий эксплуатации к износостойким материалам предъявляются различные требования: высокая твердость, контактная выносливость, устойчивость к абразивному изнашиванию, сопротивление большим ударным нагрузкам, кавитационной и газовой эрозии. Для подшипников скольжения требуются антифрикционные материалы. В тормозных устройствах применяются фрикционные материалы.

При абразивном, усталостном, окислительном видах изнашивания наибольшей стойкостью обладают стали и сплавы с высокой исходной твердостью. Сплавы карбидного класса в виде литых и наплавочных материалов, содержат до 4 % углерода и большое количество (до35 %) карбидообразующих элементов: Cr, W, Ti. В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов. Матрица в этих сплавах преимущественно мартенситная (У25Х38, У30Х23Г2С2Т и др.).

При ударно–абразивном воздействии в сплавах наряду с мартенситом должен присутствовать аустенит. Чем большей кинетической энергией обладают абразивные частицы, тем больше должно быть в структуре аустенита. Он должен быть метастабильным и в процессе нагружения превращаться в мартенсит деформации. Степень стабильности необходимо оптимизировать применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Детали, работающие при значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др.), изготавливают из сплавов с повышенным содержанием марганца с аустенитно–мартенситной (У37Х7Г7С) или аустенитной матрицей (110Г13Л, У30Г34, У25Х12Г5, У30Х12Г5Ф3). Сталь Гадфильда (110Г13Л) находит наиболее широкое применение в промышленности для деталей, подвергающихся интенсивному ударно–абразивному изнашиванию. После закалки от 1050–1100°С в воде фиксируется аустенитная структура и исключается выделение карбидов. Сталь обладает типичными для аустенитных сталей высокими вязкостью и пластичностью. Примерные свойства закаленной стали следующие: s_В=780–980 МПа, s_0,2=255–390 МПа, d=40–50 %, y=40–50 %, 180–220 НВ. При низкой твердости сталь 110Г13Л обладает необычно высокой износостойкостью при больших сжатиях и динамических нагрузках. Это объясняется повышенной способностью к наклепу, значительно большей, чем у обычных сталей с такой же твердостью. Сталь 110Г13Л имеет аустенит с низкой ЭДУ; легко образуются препятствия на пути движущихся дислокаций (сидячие дислокации типа Ломера–Коттрелла). В результате динамического воздействия происходит выделение дисперсных карбидов (динамическое старение), которые также являются дополнительным препятствием на пути движения дислокаций. Высокое упрочнение стали Гадфильда при пластической деформации осуществляется преимущественно путем механического двойникования аустенита. С одной стороны, двойники являются эффективными барьерами на пути движения дислокаций и поэтому упрочняют сталь. С другой стороны, двойники приводят к релаксации внутренних напряжений, предотвращая локализацию пластической деформации и образование трещин.

Недостатками стали 110Г13Л являются низкий предел текучести, плохая обрабатываемость резанием, вследствие низкой теплопроводности и сильной наклепываемости аустенита, возможность изготовления ограниченного круга деталей, высокое содержание марганца, что ухудшает экологию при выплавке. В условиях преобладания абразивного изнашивания, когда преобладает механизм микрорезания поверхностных слоев абразивными частицами, эта сталь не имеет преимуществ даже перед углеродистыми сталями.

В этом случае значительно более высоким сопротивлением изнашиванию обладают стали с метастабильным аустенитом (110Г8Л, 120Г8ФТЛ, 60Х5Г10Л). После закалки от 1050–1100°С эти стали характеризуются более низкими пластическими свойствами и ударной вязкостью, чем 110Г13Л. Для их повышения проводят отпуск при 550°С, в результате которого происходит распад аустенита с образованием ферритокарбидной смеси, а затем осуществляют закалку от 950–1000°С. Это вызывает перекристаллизацию и, соответственно, измельчение зерна. Важным фактором повышения износостойкости, в частности при абразивном изнашивании, является получение в структуре наряду с метастабильным аустенитом твердых фаз –карбидов, нитридов, боридов. Последнее достигается введением в стали с пониженным содержанием марганца Cr, V, Ti, N, B. При малых напряжениях в поверхностных слоях этих сталей образуется мартенсит деформации (реализуется принцип самозакалки при нагружении). Износостойкость данных сталей в 2–2,5 раза превышает износостойкость стали Гадфильда.

Наиболее высокая абразивная износостойкость экономнолегированных марганцем сталей обеспечивается закалкой от сравнительно невысоких температур (750–850°С), когда аустенит, армированный карбидами, под влиянием абразивного воздействия превращается в мартенсит деформации. Повышение температуры нагрева под закалку до 950–1000°С приводит к ее снижению. Это обусловлено уменьшением доли карбидов в структуре и повышением стабильности аустенита по отношению к деформационному мартенситному превращению, протекающему при нагружении.

В случае ударно–абразивного изнашивания наблюдается противоположная картина. С повышением температуры нагрева под закалку ударно–абразивная износостойкость сталей с пониженным содержанием марганца повышается, что объясняется повышением степени стабильности аустенита к деформационному мартенситному превращению вследствие растворения в нем карбидов. В противном случае, при больших динамических нагрузках, сопровождающих ударно-абразивное воздействие, образование большого количества мартенсита охрупчивает сталь и приводит к быстрому разрушению поверхности. В связи с этим деформационное мартенситное превращение должно протекать весьма постепенно, а количество мартенсита на изнашиваемой поверхности не должно превышать 10–20 %. В этом случае на развитие деформационного мартенситного превращения расходуется часть внешнего воздействия и, соответственно, меньшая ее доля идет на разрушение материала, вследствие чего повышается работоспособность микрообъемов сплава. В этом же направлении влияет динамическое старение мартенсита и аустенита.

В связи с этим необходимо дифференцированно выбирать режим термообработки, стабилизируя или дестабилизируя аустенит.

Новым перспективным направлением является разработка высокопрочных низкоуглеродистых марганцовистых (4–12 % Mn) сталей, подвергаемых цементации. В этом случае структура метастабильного аустенита обеспечивается в поверхностном слое, сердцевина же имеет структуру мартенсита и остаточного аустенита. Примером таких сталей являются: 08ХГ4МФ, 10Х2Г7, 10Х2Г6ФТ, 08ХГ10Ф, 10Г12Ф. Они обладают высоким уровнем механических свойств сердцевины и повышенной износостойкостью при больших контактных нагрузках.

В ряде случаев используют низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения: ТВЧ, плазменной, электронно-лучевой или лазерной обработки.

Новым подходом является использование метастабильности аустенита и реализация деформационных фазовых превращений в процессе изнашивания в поверхностном слое белых чугунов для повышения их износостойкости. В износостойких чугунах часто используется два принципа: 1) принцип Шарпи – создается структура, в которой чередуется мягкая и твердая структурные составляющие, причем твердые частицы должны быть изолированы друг от друга, т.е. разделяться мягкой фазой; 2) принцип инверсии (преобразования) структуры термической обработкой – преобразование матричной фазы во включения, раздробление розеток и сфероидов и получение изолированных частиц. Инвертирование структуры можно производить нормализацией при 950–1150°С в зависимости от типа карбидной фазы. Структура чугунов после данной термообработки представляет собой мартенсит, специальные карбиды и остаточный аустенит. Чаще всего используются доэвтектические и эвтектические чугуны (2–3,8 % С), т.к. они менее хрупки. Наиболее износостойкими являются чугуны: ЧХ5, ЧХ15М2, 270Х21Н2, ЧН6, ЧХ15Г4ТЮ (разработ. профессором, д.т.н. А.П. Чейляхом), ЧГ30С2. Их применяют для изготовления футеровочных плит, лопаток дробеметов, желобов рудных течек. Износостойкость их в 2–3 раза выше, чем из стали 110Г13Л.

Необходимо отметить, что деформационные фазовые превращения в сталях и чугунах с метастабильным аустенитом должны носить запрограммированный количественно управляемый характер в зависимости от условий изнашивания.

Очень важным средством снижения износа трущихся поверхностей является использование смазки (жидкой, твердой и газообразной). Установлен эффект самовосстановления деталей за счет введения в смазку меди и ее солей, которые осаждаются на контактных поверхностях и обеспечивают процесс самовосстановления.

Контрольные вопросы

1. Что такое изнашивание, износ? Какие существуют виды и закономерности изнашивания?

2. Какова классификация износостойких сплавов?

3. Каковы принципы легирования износостойких сталей и сплавов?

4. Какие стали и чугуны применяются для работы в условиях абразивного и ударно–абразивного изнашивания?

5. Какова роль метастабильного аустенита в повышении сопротивления изнашиванию?

6. Каковы современные направления в создании рассматриваемых сталей?