Бись Сергій Степанович. Трибологічні властивості та міцність структур відпуску сталі 60С2 з врахуванням ефекту наводнювання

Краткое описание

Бись Сергій Степанович. Трибологічні властивості та міцність структур відпуску сталі 60С2 з врахуванням ефекту наводнювання : Дис... канд. наук: 05.02.04 2002

Бись С.С.Трибологічні властивості та міцність структур відпуску сталі 60С2 з врахуванням ефекту наводнювання. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04. - тертя та зношування в машинах. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 2002.
Дисертацію присвячено дослідженню впливу структурного стану матеріалу та водню на формування його трибологічних характеристик. Встановлені і науково обгрунтовані закономірності та механізми процесів при терті та зношуванні пружинної сталі 60С2, з різним структурним станом і методами зміцнення поверхні, визначено вплив на них водню. Проаналізовано залежність трибологічних характеристик матеріалу від фізико-хіміко-механічної ситуації в зоні тертя, параметрів конструктивної, поверхневої міцності та мікропластичності, а також з врахуванням ефекту наводнювання. Запропоновано прогнозування зносостійкості не зміцнених матеріалів та після їх зміцнення за характеристиками конструктивної міцності, особливо - тріщиностійкості. На підставі отриманих результатів рекомендовано структурний стан деталей із сталі 60С2 та технологічні методи їх зміцнення, в залежності від умов експлуатації, з оптимальним сполученням надійності, довговічності та матеріалоємності в повітрі та за умов наводнювання. Дано рекомендації з використання результатів роботи.

1. На основі комплексних досліджень виявлено закономірності формування трибологічних властивостей пружинної сталі 60С2, в залежності від температури відпуску і умов випробовувань на повітрі та з врахуванням ефекту наводнювання, котрі дозволяють вибрати оптимальний структурний стан основи матеріалу.
2. Визначено оптимальну структуру пружинної сталі 60С2, яка забезпечує високу зносостійкість, надійність і довговічність, низьку матеріалоємність - мартенсит відпуску, котру отримують після гартування від 870С та відпуску при 300С. Зміна структурного стану основи матеріалу на мартенсит відпуску дозволила підвищити зносостійкість деталей вузлів тертя зі сталі 60С2 в 1,7...2 рази, що підтверджується відповідним актом впровадження.
3. Виявлено, що процес зношування сталі 60С2 має механо-хімічну природу і супроводжується утворенням і руйнуванням вторинних структур, стійкість яких залежить від їх структури, хімічного складу, умов випробовувань та активності навколишнього середовища.
4. Встановлено, що водень, напружено-деформований стан та температура в приповерхневих шарах контактуючих пар тертя впливає на дифузію хімічних елементів сталі 60С2 з внутрішніх шарів до поверхні, котрі вступають у взаємодію з киснем і утворюють складний важко активований комплекс суміші окислівFe,Mn,Siі складних шпінельних фаз типуFeMn2O4.
5. Доведено, що висока зносостійкість сталі 60С2 у повітрі формується в процесі самоорганізації поверхневих шарів і визначається присутністю рівномірно розподілених ультрадисперсних новоутворень збагачених вуглецем - типуМе2С3та інтерметалідних з'єднань типуMn2Si, що відповідає структурі дисперстно зміцненого матеріалу, де в якості матриці виступають бінарні структурні складові, а роль зміцнюючих фаз виконують пересичені тверді розчини і потрійні з'єднання, які близькі за властивостями до квазимартенситної структури. При наводнюванні на поверхнях тертя такого ефекту не спостерігається.
6. Насичення матеріалу воднем призводить до зміни механізму тертя та зношування і супроводжується зменшенням температури в зоні контакту і зміною хімічного складу окисних плівок, їх фізико-механічних характеристик і опору руйнування під дією дотичних напружень.
7. На основі впливу структурних факторів і середовища (водню) на параметри конструктивної міцності (границю втоми, інтенсивність зношування, в'язкість руйнування), вдалося встановити межі зміни механізмів релаксації напружень шляхом утворення мікротріщин і руйнування для сталі, відпущеної в межах 200...400С і пластичною деформацією при температурах відпуску більших 400С на повітрі. Присутність водню в зоні контакту розширює межу крихкого руйнування до 450С відпуску. Ці результати раціонально використовувати для вибору оптимальної структури матеріалу, забезпечуючи при цьому низьку матеріалоємність, високу надійність та довговічність вузла в процесі його конструкторсько-технологічної розробки.
8. Підтверджено існуючі аксіоми про приоритетний характер поверхневої міцностіsТКв формуванні трибологічних характеристик матеріалу. Показано, що структура з високим рівнем поверхневої міцності (мартенсит відпуску) характеризується високим опором зношуванню і високими показниками мікротекучості поверхневих шарів (s3іА2).
9. Параметри поверхневої міцності (sТК) і мікротекучості (s3іА2) можна рекомендувати використовувати для відносної експрес оцінки зносостійкості матеріалів із зміцненою поверхнею та без зміцнення, в процесі конструкторсько-технологічної розробки пари тертя (вузла), що експлуатується в умовах сухого тертя на повітрі та при можливому його наводнюванні.
10. Виявлено, що зносостійкі покриття на основі карбідів і нітрідівTi,Cr,Vпідвищують зносостійкість пар тертя, відповідно, в 1317 раз і в 67 раз при випробуваннях на повітрі, але у водневому середовищі їх ефективність залежить від можливої хімічної реакції хімічних елементів з воднем.
11. Найбільш ефективними з точки зору собівартості і довговічності являються хімічні хромисті покриття (ЯНГ), які в умовах сухого і граничного тертя забезпечують високу зносостійкість (2...7,5 рази) на повітрі та при можливому наводнюванні і можуть бути використаними як для низько- так і високовідпущених сталей. Рекомендовано, для підвищення зносостійкості пружинно-стального кільця, котре використовується для захисту опори долота типу ГН, та дротяного інструменту, окрім вище згаданої термічної обробки, наносити на робочі поверхні покриття на основі хрому (ЯНГ). Така обробка дозволяє підвищити зносостійкість вузла тертя в 2...3 рази та практично виключити можливість впливу водню на зношування матеріалу, що підтверджується відповідним актом впровадження.