В данной работе представлены исследования структуры и свойств никотрированных покрытий на стали 25ХЗМЗНБЦА в связи с ее применением в узлах трения машин.
Комплекс проведенных исследований показал, что никотрированные слои при соответствующем выборе рациональных режимов обладают высокой износостойкостью при трении скольжения и в том числе в различных коррозионных средах (отработанные газы топлива, порохов, расплавы пластмасс) и в условиях взаимодействия ударных нагрузок, обладает значительно малыми коэффициентами трения и боль
шим сопротивлением термической усталости. Поэтому целью работы являлась рационализация режимов никотирования стали 25ХЗМЗНБЦА на основе исследования закономерностей структурообразования покрытий, а также оценка антифрикционных свойств структурно - оптимальной стали.
Для решения задачи по оптимизации никотрирования стал 25ХЗМЗНБЦА был применен метод математического планирования эксперимента. Для достижения требуемых эксплуатационных свойств необходимым и условием является наличие плотного, беспористого «белого» слоя, поэтому параметром оптимизации была выбрана его толщина. В качество независимых переменных определены технологические факторы: температура насыщения, продолжительность насыщения и состав смеси при никотрировании. Изменяя указанные параметры находили комбинации при которых «белый» слой наиболее толстый. Выбрали пять режимов насыщения, которые представлены в таблице1.
Таблица 1. Режимы насыщения стали 25ХЗМЗНБЦА
|
Режим |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Температура, ОС |
580 |
580 |
580 |
580 |
600 |
|
Время, час |
8 |
8 |
8 |
4 |
6 |
|
Соотношение аммиака и эндогаза |
30/70 |
50/50 |
70/30 |
50/50 |
50/50 |
Износостойкость деталей зависит от микротвердости, толщины и фазового состава никотрированных покрытий. Поэтому для выбранных пяти режимов были проведены исследования толщины слоя (методом металлографического анализа), микротвердости (дюрометрическим анализом), и фазового состава (рентгеноструктурным анализом).
Исходя из максимального значения эффективной глубины диффузной зоны малой пористости и высокой микротвердости, определили режим 2 (580 С - 8 ч. - 50/50) и режим 3 (580 С -8 ч. - 70/30) как наиболее рациональные.
Таблица 2. Геометрические характеристики и микротвердость никотрированных слоев
|
Режим насыщения |
Толщина "белого" слоя",мкм |
Глубина дифф. зон, мкм |
Микротвердость |
||
|
общая |
эффективная |
на поверхности |
в сердцевине |
||
|
1 |
5 |
275 |
110 |
739 |
277 |
|
2 |
до 10 |
300 |
200 |
891 |
332 |
|
3 |
до 12 |
275 |
170 |
795 |
303 |
|
4 |
8 |
300 |
145 |
965 |
306 |
|
5 |
7 - 15 |
300 |
160 |
825 |
295 |
Исследования фазового состава никотрированного слоя показали,что основными фазами, образующимися в процессе совместного насыщения поверхности стали 25ХЗМЗНБЦА азотом и углеродом являются: карбонитридная Fe 3 (СN) и нитридные Fe 3 N, Fe 2 N, Fe 4 N -соединения. Известно, что E фаза Fe 3 N и Fe 2N хрупкая фаза и ее присутствие в никотрированном слое наименее желательно, т. к. слой будет пористый. И, наоборот Fe 4 N - фаза более эластична и ее присутствие благоприятно сказывается на структуре слоя. Исходя из результатов фазового анализа в качестве рационального были выбрана следующие режимы:580 С - 8 ч. - 50/50 и 580 С - 8 ч. - 70/30.
Для оценки триботехнических свойств никотрированных покрытий используют универсальную установку трения , работающую по схеме "кольцо - башмак", при этом и кольцо и "башмак" имели никотрированное покрытие.
Контактная нагрузка к изменялась в диапазоне от 1,0 до 5,0 МПа с интервалом варьирования 0,5 МПа. Скорость скольжения uтр изменялась в диапазоне от 1,0 до 5,0 м/с.
Испытания проводили в условиях смазочного "голодания", т. е. в режиме начального смазывания трущихся поверхностей. При соблюдении точности контроля контактных нагрузок σк ± 2 %, точность определения коэффициента трения fтр равна 0,01. Максимальные значения коэффициента трения fтр зафиксировали на уровне 0,4.
Для каждого вида покрытия исследовали по пять образцов, причем каждый из образцов на определенную скорость скольжения (1,0 -2,0 - 3,0 - 4,0 - 5,0 м/с). Давление для каждого из образцов изменились до установившегося значения коэффициента трения соответственно 1,0 - 1,5 - 2,0 - 2,5 - 3,0 - 3,5 - 4,0 - 4,5 - 5,0 МПа.
В таблице 3 представлены результаты испытаний. Полученные по итогам исследования графические зависимости коэффициента трения от значений контактной нагрузки приведены на рисунке.
Таблица 3. Значения параметра fтр для никотрированных покрытий
|
Скорость трения, м/с |
Контактная нагрузка σк, МПа (состав среды 50/50) |
||||||||
|
1,1 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
3,5 |
4,0 |
4,5 |
5,0 |
|
|
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 |
- |
- |
0,40 |
0,40 0,35 |
0,40 0,30 0,20 |
0,35 0,19 0,08 |
0,40 0,22 0,12 0,03 |
0,040, 30 0,15 0,08 0,02 |
0,03 0,20 0,10 0,05 0,01 |
|
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 |
Контактная нагрузка σк, МПа (состав среды 70/30) |
||||||||
|
- |
- |
0,40 |
0,40 0,30 |
0,35 0,20 |
0,40 0,24 0,15 |
0,40 0,25 0,18 0,11 |
0,40 0,32 0,18 0,14 0,09 |
0,34 0,25 0,15 0,10 0,08 |
|
Рис 1. Влияние скорости скольжения Vтр и контактной нагрузки σк на коэффициент трения fтр.
Обозначения: о-о - 1 м/с; Δ-Δ - 2 м/с; □-□ - 3 м/с; х-х - 4 м/с; v-v - 5 м/c
Из представленных на рисунке зависимостей видно, что для двух типов покрытий характер распределения коэффициентов трения в зависимости от контактных нагрузок одинаков, т. е. ярко выраженная нелинейность fтр =F(σк). Для меньших значений скорости скольжения uтр характер зависимости fтр от σк более сложный
По мере увеличения скорости скольжения происходит спрямление линий fтр для второго типа покрытия. Для этого покрытия отмечали также на поверхности трения частые микросколы покрытия и наличия большого числа адгезионных треков, сопутствующих катастрофическим механизмам изнашивания, с протеканием эффектов микросварки.
Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что покрытие с составом насыщающей среды 50/50 более антифрикционно, чем покрытие с составом насыщающей среды 70/30.
В частности:
• при малых значениях параметра uтр =1 м/с и больших значениях параметра σк =5 МПа и различие в значениях fтр составит
• при больших значениях uтр =5 м/с и малых значениях σк =2 МПа различие в значениях fтр равно
• при больших значениях uтр =5 м/с и больших σк=5 МПа различие составит
Литература
- 1В.М. Власов, Л.М. Нечаев Работоспособность высокопрочных термодиффузионных покрытий в узлах трения машин.Тула.:Приокск.книж.изд-во,1994 .-235с.