научная статья по теме ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ АЗОТИРОВАННЫХ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ АЗОТИРОВАННЫХ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 1, 2011

УДК 621.785.53:620.178.16:620.186

© 2011 г. Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Алексеева М.С., Герасимов С.А.

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ АЗОТИРОВАННЫХ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Исследовали характерные особенности формирования износостойкой структуры азотированных модельных сплавов с ОЦК и ГЦК решетками: Fe—Mo, Fe—Cr, Fe—Al, Fe—Ni—Cr, Fe—Ni—Al, Fe—Ni—Ti, Fe—Ni—Cr—Al—Ti. Установлены взаимосвязи между параметрами структуры азотированного слоя и износостойкостью сплавов. Показано, что в сплавах с ОЦК решеткой матрицы максимальная износостойкость достигается при образовании некогерентных частиц нитридов легирующих элементов, а максимальная твердость соответствует сплаву с когерентными нитридами. В сплавах с ГЦК решеткой максимальные упрочнение при азотировании и износостойкость достигаются на стадии, предшествующей разрыву когерентной связи нитрида с матрицей. Взаимосвязи характеристик структуры азотированного слоя и износостойкости обсуждены с позиций формирования износостойкого структурного состояния сплавов.

В настоящее время повышение износостойкости конструкционных материалов за счет современных методов модифицирования поверхности изделий является одной из основных задач в проблеме надежности и долговечности машин и механизмов. Азотирование является одним из эффективных способов поверхностного модифицирования, повышающих твердость поверхностных слоев, износостойкость, усталостную и коррозионную стойкость, задиростойкость поверхностей деталей машин.

Известно, что сопротивление изнашиванию металлических материалов является структурно-чувствительной характеристикой [1, 2]. Поэтому для технологического обеспечения процесса формирования износостойкой структуры при азотировании необходимой базой являются знания закономерностей между триботехническими характеристиками сопряжения и структурой поверхностного модифицированного слоя.

Целью настоящей статьи является изучение характерных особенностей формирования износостойкой структуры азотированного слоя сплавов железа с ОЦК и ГЦК кристаллическими решетками, связанными с типом легирующих нитридообразующих элементов.

Материалы и методики проведения исследований. Исследовали специально выплавленные модельные сплавы с основой a-Fe (ОЦК решетка) состава (ат. %): Fe + 4%Mo, Fe + (1-4%)Cr, Fe + 4%Al и с основой y-Fe (ГЦК решетка): Fe + 29%Ni + 4%Cr, Fe + 29%Ni + 4%Al, Fe + 29%Ni + 4%Ti, Fe + 29%Ni + + 4%(Cr-Al—Ti). Содержание углерода было менее 0,05% (масс.), что позволило исключить влияние углерода на структуру диффузионной зоны при азотировании.

Образцы отжигали при 900° два часа, затем проводили газовое азотирование в среде диссоциированного аммиака в лабораторной муфельной печи с трехсекционными нагревателями, что позволяло поддерживать одинаковую температуру в разных частях пространства камеры. Сплавы с ОЦК решеткой азотировали в диапазоне температур 540—700° 35 часов, сплавы с ГЦК решеткой при температурах 500—660°, 80 часов.

Основой для выбора экспериментальных методик изучения структуры и свойств азотированных слоев являлся трибологический метод оценки качества поверхностных слоев [3]. Метод [3] предполагает оценивать микроскопические критерии материала приповерхностного микрообъема (физическое уширение рентгеновских линий, фазовый состав, размер упрочняющих частиц и т.п.) и макроскопические критерии пары трения в целом (уровень поверхностного разрушения (износостойкость), допустимые давления (стойкость к заеданию), коэффициент трения (фрикционность)). Микроскопические критерии выявляют структурное состояние материала поверхностного слоя, макроскопические — отражают механизм контактного взаимодействия, связанный с деформацией и разрушением слоев, а в совокупности виды критериев характеризуют качество поверхностного слоя с позиций трибологии.

Для оценки микроскопических критериев применяли рентгеноструктурный и элек-тронномикроскопический методы. Электронномикроскопические исследования проводили на микроскопе TESLA BS-540 с ускоряющим напряжением 120 кВ в режимах микродифракции, темнопольного и светлопольного изображений. Определяли типоразмер нитридов, характер их связи с матрицей. Для оценки параметра структуры матрицы (а- или y-Fe) проводили рентгеносъемки на дифрактометре ДРОН-4С в монохроматическом Co-Ka излучении с компьютерной обработкой.

Среди макроскопических параметров определяли твердость по Виккерсу на приборе ТП по ГОСТ29999-59 при нагрузке 50 Н, микротвердость на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1Н и относительную износостойкость сплавов на машине однонаправленного трения скольжения модели Шкода-Савин. В качестве контртела использовали ролик из твердого сплава ВК20, практически неподверженный износу. Износ образца оценивали объемом лунки, образованной вращающимся стандартным роликом при заданном числе оборотов. Использовали ролик диаметром 30 мм и шириной 2,5 мм; давление на ролик 150 Н, число оборотов 675 мин-1. Эталоном служил образец сплава, не подвергнутый азотированию. Подробно методика испытаний описана в [4].

Результаты исследований и их обсуждение. Исследовали основные характеристики структуры и свойств азотированных при температуре 540° двойных сплавов Fe—Mo, Fe—Cr, Fe—Al.

Для данных модельных сплавов уровень износостойкости согласуется с величиной твердости азотированного слоя, т.е. наблюдается прямая корреляция между твердостью и износостойкостью: чем выше твердость азотированного слоя, тем выше его относительная износостойкость. Кроме того, рентгеноструктурные исследования физического уширения интерференционной линии (220) a-фазы ß(220) показали, что с увеличением твердости возрастает физическое уширение. Это связано в основном с увеличением микродеформации кристаллической решетки. Следовательно, параметры ß(№), HV и s взаимосвязаны. Сплав, содержащий Fe + 4%Mo, имеет минимальные значения ß(220) = 24 мрад, твердости 5300 HV и износостойкости s = 1,2. Сплав Fe + 4% Al имеет максимальные значения физического уширения, твердости и износостойкости: ß(220) = 37 мрад, 9400 HV, s = 2,2.

Микродеформация кристаллической решетки a-фазы при выделении нитридов легирующих элементов зависит от разницы между удельными объемами кристаллических решеток азотированного феррита (Уул = 0,0119 нм3/ат) и нитридов легирующих элементов. Нитрид AIN имеет наибольший удельный объем (Уул = 0,0177 нм3/ат), что приводит к большей микродеформации a-фазы, характеризуемой физическим уши-рением ß(220) [1].

Влияние количества легирующих элементов на взаимосвязь указанных параметров для сплавов Fe—Cr, содержащих от 1 до 4% Cr, отражает рис. 1, а. Видно, что износостойкость при увеличении количества Cr до 4% монотонно возрастает от 0,5 до 1,8. Однако наибольшее увеличение ß(220) и твердости имеет место при содержании хрома до 1%: ß(220) возрастает от 9 до 25 мрад, а твердость изменяется от 1250 до 6250 HV. При

HV, МПа

ад 20 - 7500

р

о 10 - 5000

са

0 L 2500

20 ■ 15 5

0

H, МПа

7000 5000 3000 1000

ß(220)

HV

1

3 Cr, ат.%

^ ß(220)

□ H

□ E

540 580 620 660 700 t, град

S , мрад 34 о о

3

2 о а 20 са

1 10

H, МПа 10000 - 8000 - 6000 - 4000

^ ß(220)

□ H _

□ e

Ш.

540 580

620 660 700 t, град

Рис. 1. Влияние количества хрома при tаз = 540° (а) и температуры азотирования сплавов Бе + 1%Сг (б) и Бе + 4% Сг (в) на физическое уширение интерференционной линии (220) а-фазы Р(220)> твердость НУ и износостойкость Е

а

2

ад25

последующем увеличении Cr от 1 до 4% ß(220) практически остается на том же уровне, а твердость несколько увеличивается (до 7200 HV).

Следует подчеркнуть, что и при каждой концентрации хрома в а-твердом растворе железа сохраняется общая закономерность для сплавов с ОЦК решеткой, выражающаяся в прямой корреляции параметров структуры ß(hk), характеристик механических свойств HV и относительной износостойкости е. Однако с увеличением концентрации нитридообразующего элемента степень роста этих параметров разная: при концентрации хрома до 1% ß(hki) возрастает в 24 раза, HV — в 5 раз, е — в 2 раза; в диапазоне концентраций (1—4)% Cr наблюдается увеличение ß^ в 1,1 раза, HV — в 1,1 раза, е — в 1,8 раза.

Такое изменение физического уширения интерференционной линии и твердости можно объяснить механизмами упрочнения диффузионной зоны в зависимости от количества легирующего элемента. В сплавах, содержащих 1—2% хрома, реализуется механизм упрочнения, рассмотренный в работах [1, 5]. Он связан со значительной микродеформацией кристаллической решетки твердого раствора за счет образования когерентных зародышей нитридов легирующих элементов. При содержании хрома 1— 2% энергия, необходимая для прохождения дислокаций через сильно искаженную область матрицы, будет тем больше. чем выше микродеформация решетки вокруг частиц. При этом величина микродеформации кристаллической решетки зависит от размера нитридных частиц, удельного объема нитридов, соответствия решеток нитридов и матрицы.

Экспериментально методом электронной микроскопии показано, что в сплаве Fe—Cr, содержащем 1% Cr, размер нитридных частиц составляет 1,3—1,5 нм, при 2% Cr — 2,5—3 нм, при 4% Cr — 4—5 нм. Более того, увеличение концентрации хрома приводит к образованию некогерентных нитридных частиц, которые будут являться препятствием движению дислокаций до тех пор, пока напряжение не станет достаточ-

ным для того, чтобы линия дислокации изогнулась и прошла между частицами. С увеличением размера частиц возрастает расстояние между ними [6]. В связи с этим требуется меньшее напряжение для прохождения дислокаций между частицами, в результате прирост твердости и физического уширения снижается, что подтверждается концентрационными зависимостями НУ и Р^. При таких условиях реализуется механизм упрочнения некогерентными частицами, предложенный Орованом [7].

Анализ полученных зависимостей дает основание предположить, что условия для деформации в случае постепенного изменения механизма перераспределения дислокационной структуры облегчаются, что является основной причиной форми

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком