автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Разработка комбинированной упрочняющей обработкидля повышения износостойкости среднеуглеродистых сталей

и СД

МІНІСТЕРСТВО ОСВГГИ УКРАЇНИ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

На правах рукопису УДК 621.891 + 621.793.4 + 620.178.162

МАНЬКО ОЛЕКСІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

РОЗРОБКА КОМБІНОВАНОЇ ЗМІЦНЮЮЧОЇ ОБРОБКИ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ СЕРЕДНЬОВУГЛЕЦЕВИХ СТАЛЕЙ

05.02.04. - Тертя та зношення в машинах

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ - 1997

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українській академії друкарства, м. Львів

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Стецьків Остап Петрович

Офіційні опоненти: 1. Доктор технічних наук, професор

Кузьменко Анатолій Григорович

2. Доктор технічних наук, професор Пашечко Михайло Іванович

Провідна організація - кафедра технології матеріалів

Українського державного лісотехнічного університету м. Львів

Захист дисертації відбудеться "а?" червня 1997 р. о/Згодніїі на засіданні спеціалізованої Ради Д 29.01.01. в Технологічному університеті Поділля за адресою:

280016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Технологічного університету Поділля за адресою: 280016, м. Хмельницький,

вул. Кам'янецька, 110/1

Автореферат розісланий " травня 1997 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої Ради

к.т.н., доцент Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність проблеми. Проблема підвищення зносостійкості три-'єднань є однією з ключових у сучасному машинобудуванні, До-нення високого рівня зносостійкості технологічним шляхом можливе рахунок використання існуючих або створення нових зміцнюючих нологій. Серед традиційних методів поверхневого зміцнення значне це посідають хіміко-термічна обробка (ХТО) та поверхнево-пластичне юрмування (ППД). Однак, як ХТО, так і ППД не завжди задовільня-

з вимоги нової техніки зі всезростаючими швидкісно-антажувальними факторами.

В результаті використання таких методів ХТО як борування, хро-іання, титанування тощо на поверхні формується дифузійний шар із нішніми зонами на основі хімічних сполук (боридів, карбідів, ридів). Таким дифузійним шарам притаманна значна крихкість, часто іисока товщина, що негативно впливає на довговічність деталей машин мовах високих контактних тисків. Крім того, специфіка дифузійного ичення не дозволяє цілеспрямовано впливати на геометричні характе-:тики поверхні, що може призвести як до інтенсивного поверхневого інування в початковий період роботи (що тягне за собою нерегламен-ане збільшення зазору в трибоз'єднанні), так і до підвищення гриваті періоду приробки деталей.

В свою чергу, поверхневе пластичне деформування є ефективним обом керування макро- і мікрорельєфом поверхні, напруженістю по-їхневого шару металу. Однак, досягнути рівня зносостійкості, як після

О, не видається можливим через обмеження, що накладаються ністю процесу ППД. Поєднати можливості ХТО і ППД дозволяє ком-ована зміцнююча обробка (КЗО), яка полягає в поверхневому плас-іному деформуванні після дифузійного насичення. Внаслідок підвище-крихкості дифузійних шарів деформування проводиться виключно у аджуючому режимі в якості фінішної операції для оптимізації геомет-них параметрів поверхні. Можливість додаткового зміцнення окремих

зон дифузійного шару практично відсутня, що залишає невирішен проблему різкого перепаду міцністних характеристик шару гіо переріз;

Створення дифузійного шару із зовнішньою композиційною зоні що складається з двох структурних складових: м'якої фази (матриц твердого розчину хрому в а-залізі та твердої фази - стовпчастих зе] карбідів хрому дозволяє вирішити з одного боку проблему підвище крихкості дифузійного покриття зі збереженням його значної мікротв дості, а з іншого - проблему оптимізації геометричних параметрів верхні шляхом ППД, в результаті чого усуваються згадані недоліки фузійних покрить.

Вивчення процесу зношення отриманого гетерогенного покри дозволить зрозуміти закономірності руйнування фаз у гетерогенній зо запропонувати шляхи оптимізації структури композиційної зони з мет підвищення її зносостійкості. Тому вивчення закономірностей структу утворення композиційної зони, процесу ППД отриманого покриття його зношення і створення на основі нового способу комбінова зміцнюючої обробки є актуальним завданням.

Мета роботи - створення комбінованого методу зміцнення вугле вої сталі, який полягає в її поверхневому пластичному деформува після дифузійного хромування з попередньо нанесеним хімічним покр тям для утворення на поверхні зовнішньої композиційної зони. Мет дослідження була також інтерпретація (трактування) емпіричної mo; зношення композиційних зон (правило Шарпі) на основі отриман фактологічного матеріалу. .

Для досягнення вказаної мети необхідно було вирішити такі :

дання:

1. Дослідити будову отриманого шару.

2. Дослідити закономірності зміни поверхневого шару (фазо! склад та співвідношення фаз) при різних часових режимах комбіновг

міцнюючої обробки, в т.ч. кінетику зміни структурного стану композитної зони.

3. Визначити вплив ППД на зносостйкість дифузійно хромованої галі після хімічного покриття в умовах тертя і зношення.

4. Дослідити механізм зношення дифузійного шару з метою ількісного трактування правила Шарпі.

5. Рекомендувати оптимальні режими комбінованої зміцнюючої об-обки для підвищення зносостійкості сталі.

Наукова новизна полягає у:

встановленні закономірностей структуроутворення зовнішньої ком-ззиційної зони в результаті хромування середньовуглецевої сталі з по-зредньо осадженим хімічним покриттям;

обумовленні необхідності ППД та у визначенні умов накатування, ри яких зберігається цілісність зовнішньої композиційної зони, оп-імізується мікрогеометрія поверхні та зміцнюється підповерхнева зне-д-лецьована зона;

встановленні закономірностей зміни параметрів якості поверхнево шару від силових факторів при накатуванні;

визначенні закономірностей зношення гетерогенної композиційні зони дифузійного шару і на основі досліджень змін тонкої крис-лічної структури останньої підчас тертя, запропоновано механізм руй-лвання композиційної зони, який дозволяє розробляти заходи по оп-імізацїї структури цієї зони для підвищення її зносостійкості; визначенні зносостійкості сталі після розглянутої обробки. Практична цінність. Розроблено і впроваджено в практику ком-новану зміцнюючу обробку: хімічне покриття (ХП) + ХТО + ППД. враховано величини максимальних контактних напруг підчас ППД, ко-

і формується оптимальна шорсткість поверхні, зберігається цілісність опозиційної зони та шляхом текстурування зміцнюється підповерхнева на. Значення максимальних напруг дають можливість розрахувати оп-мальні натяги при розкатуванні або сили обтиску при обкатуванні для

отриманого дифузійного покриття. Річний економічний ефект від вп вадження результатів роботи на Київському видавництві "Преса Украї становить 14604 грн.

встановлені закономірності формування композиційної зони фузійно хромованої сталі з попереднім нікелькобальтфосфорним покр тям;

встановлені закономірності зміни показників якості отримав дифузійного шару в залежності від силового фактора при накатувана також характеристик субструктури від числа циклів-хитань під час і бомеханічних випробувань;

механізм зношення утвореної композиційної зони та інтерпрет. правила Шарпі на основі отриманих кількісних даних;

рекомендації по вибору режимів хромування та накатування, визначають ефективність використання запропонованого способу і бінованого зміцнення.

Апробація роботи. Основні положення роботи були викладен: конференції "34-та наукова ювілейна науково-технічна конфереї професорсько-викладацького складу, наукових співробітників аспірантів, присвячена 60-річчу МПІ" (Москва, 1990), Всесоюзних на; во-технічних конференціях "Зносостійкість машин" (Брянськ, Н "Нові конструкційні сталі і сплави та методи їх обробки для підвищ« надійності та довговічності виробів" (Запоріжжя, 1992), Всесоюзній раді з методів розрахунку поліграфічних машин (Львів, 1991), Mb родній конференції "Ресурсо- та енергозберігаючі технології в маш: будуванні" (Одеса, 1994), Міжнародній конференції "Зносостійкіст надійність машин" (Хмельницький, 1996), звітних науково-техні' конференціях співробітників УАД (Львів, 1993, 1995, 1997 p.p.).

Публікації. Основні результати досліджень відображені в 19 блікованих працях. Отримано 1 авторське свідоцтво та 1 позит рішення на видачу авторського свідоцтва.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'я-и розділів, основних висновків, списку використаної літератури та до-.атків. Робота викладена на 171 сторінках машинописного тексту, містить іО рисунків, 3 таблиці та бібліографічний список із 174 найменувань.

Особистий внесок автора.

1. Розроблено технологічний процес комбінованої зміцнюючої об-юбки середньовуглецевих конструкційних сталей.

2. Досліджено процес структуроутворення композиційної зони от-іиманого дифузійного покриття.

3. Визначено передумови накатування дифузійного покриття із овнішньою композиційною зоною.

4. Виконано трибологічні дослідження отриманого дифузійного по-риття і запропонований механізм зношення цього покриття.

ЗМІСТ РОБОТИ

Y вступі обумовлена актуальність теми дослідження, що складає редмет дисертаційної роботи, висвітлений ступінь розробленості даної еми, викладений зміст дисертації та основні результати, які виносяться а захист.

У першому розділі поданий огляд та аналіз робіт, що висвітлюють учасний стан комбінованої зміцнюючої обробки, метою якої є створен-я зносостійких покриттів. Розглянуті як традиційні зміцнюючі технології іляхом ХТО, так і КЗО на базі дифузійного насичення з попереднім садженням хімічних покриттів та дифузійного насичення з подальшим оверхневим пластичним деформуванням. Дослідженню цих процесів рисвячені роботи Дубініна Т.Н., Лахтіна Ю.М., Похмурського В.І., Го-^бця В.М., Стецьківа О.П., Прокошкіна Д.А., Ткаченка Ю.Т., Семенова .П., Пантелеєнка Ф.І., Ворошніна Л.Г., Земскова П.І., Ляховича Л.С., Ку-арева Б.С., Балтер М.А., Пашечка М.І., Папшева Д.Д., Дроздова Ю.Н., динцова Л.Г., Крипггала М.А. тощо. Показано, що перспективними є экриття із зовнішніми зонами гетерогенної будови з підвищеними плас-

тичністю, твердістю та зносостійкістю. Наголошені підпорядковані в рішенню питання, сформульовані мета та задачі досліджень.

Другий розділ присвячено опису використаних сталей, способів п верхневого зміцнення, методик дослідження якості поверхневого шару зносостійкості.

Об'єктом досліджень були вибрані вуглецеві якісні конструкцій сталі ЗО та 45. В якості допоміжного матеріалу (для виготовлені контртіла при трибодослідженнях) використана сталь 45 після боруваш Досліджувані сталі проходили термічну обробку за загальноприйнята? режимами.

Нанесення нікелькобальтфосфорного покриття здійснювали м тодом хімічного відновлення з утворенням шару товщиною 6-8 мкм.

Хіміко-термічну обробкупроводили методом газового контактно хромування в порошках для утворення дифузійного шару із зовнішньс композиційною зоною. ■

Поверхневе пластичне деформування виконували методом згле жувального накатування жорстким багатороликовим розкатником трьохроликовим обкатником пружної дії. Номінальний діаметр обробл ваних зразків становив 20 та ЗО мм.

Оцінку шорсткості поверхні проводили за допомогою профілог{ фа-профілометра моделі 201 завода "Калібр", вимірювання мікротве дості на приладі Т1К2-ПМТ-3, металографічні дослідження - на мікросї пі МИМ-8М, вивчення топографії - на мікроскопі РЕМ-200, ана розподілу дифузантів - на рентгенівському мікроаналізаторі "СогпеЬг фірма "Сатека". Рентгенографічним аналізом на дифрактометрі ДР01-визначали фазовий склад поверхневого шару зразків та характеристи тонкої кристалічної структури (фізичне розширення Ь, середній роз> блоків Э та середню величину мікронапружень є).

Дослідження на зносостійкість проводили на багатопозиційно стенді реверсивного руху в умовах тертя ковзання при граничному зі

цуванні. Критерієм зносостійкості служила інтенсивність зношування Іс лементів пари тертя, яка визначалася за зміною їх маси із врахуванням :інематики вузла тертя.

Методика вимірювання температури дифузійного шару в процесі ертя полягала в реєстрації температури за допомогою штучної термопа->и. Вимірювання коефіцієнту тертя проводили на машині 2070 СМТ-1 за-,оду "Точприбор" за схемою вал-втулка.

У третьому розділі викладені результати досліджень процесу дифузійного насичення хромом середньовуглецевих сталей з попередньо іанесеним нікелькобальтфосфорним покриттям, вивчена кінетика струк-уроутворення як дифузійного шару в цілому, так і зовнішньої компози-іійної зони зокрема.

Показано (рис. 1), що інтегральна мікротвердість сформованої за 7 од зовнішньої композиційної зони 1 становить 12 ГПа; гомогенної зони 2 (4-4,5) ГПа; евтектоїдної зони 3 - 4 ГПа; зневуглецьованої зони 4 - (1,7,4) ГПа.

Зовнішня композиційна зона 1 товщиною 60-70 мкм складається з ідносно м'якої матриці твердого розчину хрому в а-залізі та стовпчастих ерен карбідів хрому Ст7С3 , які пронизують матрицю перпендикулярно ,о поверхні.

^ При хромуванні зразка протягом 10

2 год карбідні зерна, розростаючись внаслі-

^ док перетворення пересиченого а-твер-

4 дого розчину в карбіди, зливаються між

собою, утворюючи суцільне карбідне покриття з вкрапленнями твердого розчину. ^ 3 метою вивчення кінетики форму-

вання композиційної зони дифузійне хромування проводилося в часових ре-

Рис. 1

жимах т= 5, 7 та 10 год. У випадку хромування з часом 5 год композі цінна зона, як така, ще не сфор>гувується, існує лише первинна зон твердого розчину хрому в а-залізі, в якій вже утворились внутрішня і зовнішня колонії карбідів хро.\гу.

Нікелькобальтфосфорне покриття представляє собою легкоплавк евтектику, що призводить в процесі нагріву ( Т = 700° С) до ефект рідкометалевої фази. Ефект РМ-фази різко прискорює процеси ХТО і причиною утворення вищеописаної композиційної зони. З плином час дифузійного насичення (близько 5 год) в товщі первинної зони твердої розчину хрому в а-залізі фор>гується мережа мікрозерен карбідів хром Внаслідок високої інтенсивності формування колоній та росту карбід зовнішня поверхня горбкується, що в подальшому є причиною ВИСОКІ шорсткості покриття.

Після утворення мережі мікрозерен починається процес розді/ первинної зони твердого розчину хрому в а-залізі на зовнішню компі зиційну та внутрішню гомогенну зони, результатом чого є утворень після 7 год хромування дифузійного шару з оптимальною структуро композиційної зони.

Дослідження дифузійного шару показали (рис. 2), що в місц? імовірного скупчення зерен карбідів хрому різко зменшується процен ний вміст нікелю, кобальту та заліза, збільшується процентний вмі< хрому. Чітко прослідковуються процентні співвідношення заліза та хр< му, особливо в місцях піків концентрацій, що непрямо свідчить про н явність там зерен карбідів. Концентрація кобальту, нікелю та фосфору композиційній зоні стрибкоподібно збільшується поблизу зерен карбід хрому.

Саме наявність нікелю в твердому розчині навколо карбідних зер< є причиною високої стійкості композиційної зони супроти тріщиноутв рення підчас ППД або роботи пари тертя в жорстких умовах реверсу щ знакозмінних навантаженнях.

Рис. 2.

Якісний рентгенографічний аналіз показав, що в композиційній зні 1 нерозкатаних зразків є присутні карбіди хрому Сг7С3 , Сг23С6 та а-ілізо. Аналіз отриманих дифракційних спектрів свідчить про значний гупінь деформації кристалічних граток фаз, що входять в покриття. Ви-жі мікронапруження в композиційній зоні, спричинені цією деформа-ією є сприятливим чинником для підвищення працездатності її в про-5СІ тертя.

Таким чином, оптимальним за структурою є дифузійний шар з змпозиційною зоною, сформованою за 7 год хромування. Хромоване экритгя, сформоване за 5 годин не має утвореної композиційної зони іезначна кількість карбідів), тому ним не набуті експлуатаційні якості, зобхідні для умов тертя. Десятигодинний хромований шар втрачає груктурованість композиційної зони, його пластичність знижується, рім того, різкорозширюється зневуглецьована зона (до 1 мм).

- 12В четвертому розділі розглянуто передумови накатування отриме

ного дифузійного шару, результати дослідження процесу накатуванн

хромованих сталей ЗО та 45 із зовнішньою композиційною зоною, вибі

оптимального натягу при ППД зразків, здійснено розрахунок максималі

них контактних напруг при оптимальних натягах та проведено поперед*

трибомеханічні дослідження зразків, розкатаних із різними натягами.

Необхідність ППД обумовлена наступними причинами:

1) після дифузійного хромування шорсткість поверхні зростає д Яа = 5 мкм як наслідок формування карбідного покриття на горбкуваті поверхні. Така висока шорсткість в період приробки вузла тертя є прі чиною активного абразивного зношення поверхонь пари тертя і тягне з собою збільшення діаметрального зазору в ній;

2) при наявності зневуглецьованих зон існує можливість поверхні вого контактного руйнування покриття;

3) існування в дифузійному шарі зон зі значною різницею в зні ченнях мікротвердостей означає наявність концентраторів напруг в пл< щинах співдотику цих зон між собою. Нагартування зон дифузійної шару при ППД зменшує градієнт механічних характеристик по перері: шару.

В початковий період накатування (при мінімальних натязі або з силді) спостерігається різке зменшення середнього арифметичної відхилення профілю Иа і при натягах 0,10-0,20 мм (рис. За) або при зуси лях 700-900 Н (рис. 36) він сягає свого мінімуму: в 3-5 разів зменшуєтьі для хромованої сталі 45 та в 9-15 разів для хромованої сталі ЗО по відн шенню до початкового значення. Мінімальне значення Яа для сталі дорівнює 0,25-0,30 мкм, для сталі 45: 0,70-0,90 мкм. Досягнення менші значень И, неможливе внаслідок особливостей структури композицій« зони. Перевищення натягу більше 0,20 мм для хромованої сталі 45 більше 0,25 мм для хромованої сталі ЗО призводить до різкого зростай: значень И а.

а 5

Рис. 3.

В процесі розкатування хромованих сталей мікроструктура та іікротвердість поверхневого шару зазнають суттєвих змін. Поверхневе юзкатування з мінімальним натягом і = 0,05 мм призводить до підви-дення в 1,8 - 2 рази мікротвердості гомогенної зони 2; в 1,5 рази іікротвердості евтектоїдної зони 3. Зростає також мікротвердість зне-углецьованої зони 4 з 2,3 до 2,8 ГПа в місцях, прилеглих до зони 3 з юдальшим монотонним спадом мікротвердості на глибину. В зневугле-[ьованій зоні 4 виникають ознаки текстурування.

Незважаючи на зростання навантажень при ППД інтегральна іікротвердість композиційної зони 1 не змінюється і дорівнює 12-13 ГПа дя сталі 45 та 9-10 ГПа для сталі ЗО. Що стосується гомогенної зони 2, то :очинаючи з мінімального натягу, мікротвердість її зростає до 8 ГПа і ,алі не збільшується. Аналогічний процес відбувається в евтектоїдній оні 3 і її мікротвердість зростає тільки до 6 ГПа. І тільки в зневуглецьо-аній зоні 4 зафіксовано невпинне зростання мікротвердості, особливо іа ділянках, прилеглих до зони 3, що є наслідком активного текстуро-творення в цій зоні. Активне текстурування зони 4 свідчить про те, що аме ця зона сприймає основну частку деформаційної енергії, досягаючи гри цьому високого ступеня нагартування.

Аналіз графіків мікротвердості, а також металографічний аналі мікроструктури дають підставу стверджувати, що композиційна гетерс генна зона 1 з досить високою мікротвердістю її карбідної складової і о,а ночасно пластичною складовою твердого розчину, а також, частково, зс на 2 є основними робочими зонами отриманого дифузійного шару. В то: же час зневуглецьована зона 4 представляє собою своєрідний демпфер який сприяє розсіюванню зайвої деформаційної енергії в момент змін: вектора чи знаку навантажень.

Оцінка значень мікротвердості зон дифузійного шару в діапазон натягів і = 0,05-0,20 мм та кінетика текстурування в зонах дає мож ливість оптимізувати ППД з метою отримання максимально зміцненог дифузійного шару з врахуванням таких параметрів, як шорсткісп мікротвердість зон та текстура зневуглецьваної зони.

При натягах і<0,10 мм зневуглецьована зона 4 текстурувалась де сить слабо, що означає відсутність зміцнюючого ефекту. Розкатування натягами і>0,20 мм призводило до утворення хвилястості фізичної пс верхні. Критичні величини натягів призводять до формування тріщин покритті.

В результаті рекомендовано діапазон натягів 0,15-0,20 мм, при яке му забезпечується оптимальна шорсткість поверхні та зміцнюється зне вуглецьована зона.

Для оцінки зносостійкості отриманих дифузійних шарів після ПП, в діапазоні натягів від 0,05 мм до 0,20 мм було проведено попередні трр бологічні стендові дослідження. Зносостійкість зразків після розкатуваь ня в діапазоні натягів 0,05-0,10 мм є невеликою: вихід з ладу наступа після 300-400 тис. циклів. Це обумовлюється все ще високою шорсткісп поверхні (Яа >1,5 мкм) та недостатньо зміцненою зневуглецьованою зс ною. Найвищу зносостійкість мають пари тертя, зміцнені в діапазоні ш тягів 0,15-0,20 мм, коли досягнуто оптимальної шорсткості поверхні і максимально можливої мікротвердості підповерхневих зон.

Здійснено розрахунок максимальних контактних напруг, які виникають підчас процесу розкатування в межах оптимальних натягів і =

0,15-0,20 мм.

де Р - нормальне навантаження; г| - характеристична стала контактуючих

табличний коефіцієнт.

Обчислені атах дають можливість розрахувати геометричні параметри деформуючих елементів та необхідні натяги або зусилля обкатування при різних геометричних розмірах зміцнюваних зразків.

Експериментальним підтвердженням ефективності запропонованої збробки служить аналіз залишкових напруг. Обкатування зі зусиллям 300Н підвищує максимальні залишкові стискуючі напруги в композиційній зоні з 550 МПа до 600 МПа. Середня величина напруг в гомогенній зоні зростає на 150 МПа, а глибина розповсюдження стискаючих напруг збільшується в 3,1 рази.

При виборі матеріалу для деталей, призначених для КЗО (ХП + Хр + ППД) слід віддавати перевагу сталі 45, на якій при одинакових режи-чах ХТО формуються розвинутіша композиційна і вужча зневуглецьова-іа зони.

У п'ятому розділі приведені результати досліджень на зносо-:тійкість зміцнених зразків в реверсивному режимі тертя при різних пвидкісно-навантажувальних факторах; на основі ренттеноструктурного іналізу запропоновано механізм руйнування отриманої композиційної ІОНИ.

Зношення гетерогенної композиційної зони підчас тертя можна зозглядати як конкуруючий процес періодичного накопичення та релак-:ації напруг в об'ємах фаз (твердої та м'якої) на все більш високому рівні \о досягнення критичного. Фази відрізняються між собою запасом в’яз-

матеріалів; ^р- сума головних кривизн контактуючих поверхонь; п,, -

кості (стк- авих ), де ак- критична границя текучості після якої наступаї видділення частини зносу, а овшс- вихідна границя текучості фази та по чатковим модулем зсуву С.

Для фази твердого розчину характерна низька вихідна границя те кучості ствихт р , тобто низький модуль зсуву в, однак висока здатність ді деформаційного зміцнення. Елементарні акти пластичної деформаці

(1,2..N1 будуть відбуватись при порівняно невисоких рівнях напруг, щі

передбачає їх високу частоту релаксації (рис. 4). У зв’язку з великим за пасом в'язкості (стк- ствихт р ) можливе число N актів пластичної деформац: буде великим. Для фази карбідів хрому елементарний акт пластичної де формації відбудеться на порівняно високому рівні напруг і для його де сягнення буде потрібний довгий відтинок часу. Тому частота процесі релаксацій напруг буде низькою. Через незначний запас в’язкості (сг, ствихк Хр ) кількість можливих актів пластичної деформації буде невели кою.

Вичерпання запасу в'язкості і подальше руйнування тієї чи інше фази будуть залежати від співвідношення цих фаз у композиційній зог та структури самої композиційної зони.

І її

б; ег2 Сг <32

СГ І—-------------------------- --------1 ь к

йоґ.т.р. 1 2... N-1 N вих.к.х.^

0 *5К СГ

Рис. 4.

Якщо контролюючим фактором є модуль зсуву С, тобто деформс ційні напруги релаксуються в першу чергу в м'якій складовій, то незвг жаючи на високу здатність до передеформації першого руйнуватиметьс саме ця фаза. Якщо контролюючим фактором буде запас в'язкос

(здатність до передеформації), то руйнуватиметься тверда фаза. Урівноваження цих двох факторів шляхом оптимізації структури композиційної зони дозволяє підвищити ресурс покриття.

Проведені рентгеноструктурні дослідження підтверджують даний висновок. На рис. 5 представлені залежності параметрів тонкої структури Б (блоків мозаїки) та є (мікронапружень) від кількості циклів хитань для кожної з фаз, що вивчались. В обох випадках спостерігається монотонний характер змін величин О та циклічний характер змін є (накопичення та релаксація напруг). Звертає увагу порівняно різке зменшення в процесі тертя значень Б для твердого розчину хрому в а-залізі (від 200 Нм до мінімальних значень порядку 18 Нм). Надалі в досліджуваному діапазоні значення О починає зростати, що свідчить про утворення нового рельєфу поверхні після відділення часточок перенагартованого твердого розчину. В той же час прослідковується плавніша зміна Б для СГ7С3 (від 130 до 20 Нм). Відмітимо, що в останньому випадку (для фази Сг7С3) в дослідженому діапазоні циклів тертя мінімальні за розмірами фрагменти ще не сформовані.

Рис. 5.

КЗО (ХП + Хр + ППД) суттєво впливає на ресурс зміцнени зразків порівняно з традиційними в поліграфії парами тертя бронза-ста/ ШХ15, бронза-чавун: ресурс зростає до 8 млн циклів, в середньому в 1 разів більше за існуючий, при навантаженні Р =2000 Н; питомому тиск р = 5 МПа; куті реверсу 65°, частоті циклів-хитань 165 ц/хв.

Приробка покриття триває в середньому 500 тис.циклів при інтеї сивності зношення Іс = (1-4)*10'10, що згідно класифікації І.В.Крагел] ського та Т.М.Харача відповідає пружно-пластичному виду контактні взаємодії поверхонь тертя.

Протягом періоду усталеного зношення інтенсивність зношені; елементів пари тертя становить в середньому 10’”, що означає пружни вид контактної взаємодії. Топографічні дослідження свідчать про втомни вид зношення. Період усталеного зношення триває не менше 7 млн. циклів, після чого внаслідок поступового зносу композиційної зон та збільшення зазору починається катастрофічний знос покриття чер< зростання адгезійної складової тертя. Швидкість зносу борованої контртіла дещо вища за отримане покриття.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Запропоновано новий спосіб комбінованої зміцнюючої оброб? шляхом хромування зразків із попереднім нікелькобальтфосфорним п криттям та подальшим згладжуючим накатуванням. Після хромування і зразках формується дифузійний шар із зовнішньою композиційною з ною, яка складається із стовпчастих карбідів хрому (тверда фаза) 1 твердого розчину хрому в а-залізі (м'яка фаза). Експериментально всі новлено режими обробки, при яких формується композиційна зона то щиною 60-70 мкм із стовпчатими карбідними зернами Сг7С3 3-5 мкм поперечному перерізі, а також оптимізується мікрогеометрія поверхні зміцнюється підповерхнева зневуглецьована зона шляхом її текстурува ня.

- 19-

2. Проведено дослідження кінетики формування композиційної зони. Показано, що при однакових режимах хромування сталей ЗО та 45 вміст вуглецю суттєво впливає на розвинутість колоній карбідної фази в покритті, і, відповідно, на інтегральну мікротвердість композиційної зони. Дослідження мікроструктури композиційної зони на растровому електронному мікроскопі показують утворення мережі мікрозерен в товщі твердого розчину підчас процесу структуроутворення композиційної зони.

3. Проаналізовано зміни мікротвердості підчас ППД з різними натягами (і = 0,05...0,25 мм). Показано, що в першу чергу зростає мікротвердість зневуглецьованої зони 4 від 2,8 до 3,2 ГПа місцях, прилег-\их до евтекто'ідної зони 3. Інтегральна мікротвердість композиційної зо-яи практично не зростає.

4. Встановлено, що перевищення зусиль ППД (натяг і>0,25 мм) іризводить до текстурування зовнішньої композиційної зони із фрагментацією карбідних зерен, а також до утворення хвилястості фізичної по-зерхні. Проте утворення підповерхневих втомних тріщин від високих сонтактних напруг не спостерігалось. Оптимальним натягом при розка-гуванні є і = 0,15-0,20 мм, при якому досягається оптимальна шорсткість юверхні та текстурованість зневуглецьованої зони з метою її зміцнення.

5. Показано, що середнє арифметичне відхилення профілю після 1ПД зразків із сталі ЗО понижується в 9-15 разів, а із сталі 45 в 3-5 разів.

6. Запропоновано механізм зношення гетерогенного покриття, в основу якого покладено взаємозв'язок між величиною блоків мозаїки Б •а мікронапруженнями є. Показано, що незважаючи на більший запас 5'язкості та здатність до передеформації, розчин хрому в а-залізі (м'яка }іаза) підлягає швидшому руйнуванню, ніж карбіди хрому (тверда фаза). Эднак, реально, процес зношення м'якої фази гальмується каркасом сарбідних зерен і локалізується виключно на поверхні тертя. З іншого Зоку, карбідні зерна частково викрошуються на поверхні тертя задовго

до вичерпання свого запасу в'язкості через надмірне оголення внаслідо зношення м'якої фази (матриці).

7. В цілому зношення гетерогенного покриття є рівномірним, щ свідчить про те, що обидва фактори, які контролюють процес руйнував ня фаз, а саме, здатність до передеформації та початковий модуль зсув; є урівноважені. Це може слугувати критерієм оптимізації структури п терогенного покриття.

Даний спосіб зміцнюючої обробки впроваджений на комбіна-"Преса України" (м. Київ) для зміцнення деталей "внутрішнє кільи підшипника ковзання" до машини "Rondoset" та "втулка ролика др^ карського циліндра" до машини П46.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Стецьків О.П., Арабський P.C., Манько О.В. Згладжуюче накат; вання азотованих вуглецевих сталей // "Вестник машиностроения 1990, №1, C. 67-69.

2. О.П.Стецькив, Р.С.Арабський, О.В.Манько. Повышение долгі вечности трибосоединений комбинированной упрочняющей обработке // "Проблемы машиностроения и автоматизации", М., Международнк журнал, 1992, № 4-5, С. 73-77.

3. О.П.Стецькив, А.В.Манько. Диффузионное хромирование ста/ с химическим покрытием // Металловедение и термическая обрабоп металлов, 1993, № 2, С. 15-18.

4. Стецьків О.П., Манько О.В. Застосування комбіновані зміцнюючих технологій в поліграфічному машинобудуванні // Полігр фія і видавнича справа. Львів, 1993, С. 44-48.

5. АС 1731870А1 С23С 10/02, Бюл. № 17, 07.05.92. Способ получ ния диффузионно хромированного покрытия на железоуглеродиста сплавах. О.П.Стецькив, А.В.Манько, Р.С.Арабский.

6. Рішення про видачу патенту від 24.02.92 за заявкою №5016031/02; ріоритет 11.12.91. Спосіб комбінованого зміцнення сталевих виробів / ).П.Стецьків, О.В.Манько, Р.С.Арабський.

7. О.П.Стецькив, А.В.Манько, Р.С.Арабский. Повышение ресурса рибосопряжений комбинированным поверхностным упрочнением // 4-я юбилейная науч.-техн. конф., посвящ. 60-летию МПИ. Тезисы докл. 4., 1990, С. 134-135.

8. О.П.Стецькив, A.B.Манько, Р.С.Арабский. Повышение ресурса рибосопряжения с помощью комбинированной упрочняющей обработ-и // Всесоюз. науч.-техн. конф. "Износостойкость машин". Тез. докл. рянск, 1991, С. 32-33.

9. О.П.Стецьків, О.В.Манько, Р.С.Арабський, О.Б.Сорока. Покра-;ення трибологічних властивостей з'єднань комбінованою зміцнюючою бробкою // Всесоюз. нарада з методів розрахунку поліграф, машин-втоматів. Тези доп. 15-17 травня 1991 р., Львів, 1991, С. 33-36.

10. О.П.Стецьків, О.В.Манько, О.Б.Сорока. Трибологічні аспекти ідвищення довговічності швидкозношувальних деталей з вуглецевих галей та сірих чавунів // Наук.-техн. конф. "Нові конструкційні сталі та плави і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності иробів". Тези доп. 23-25 вересня 1992р. Запоріжжя, 1992, С. 248-249.

11. Манько О.В. Підвищення ресурсу трибоз’єднань за допомогою омбінованої зміцнюючої обробки // Звітна наук.-техн. конф. профе-эрсько-викладацького складу, наук, робітників, аспірантів. Тези доп. 2-5 ютого 1993р., Львів, 1993, С. 51.

12. Манько О.В., Стецьків О.П. До питання про спрацювання по-ерхнево-зміцнених пар тертя // Звітна наук.-техн. конф. проф.- викл. кладу, наук, робітників, аспірантів: Тези доп. 2-6 лютого 1993 р., Львів, 993, С. 53.

13. Стецькив О.П., Манько A.B. Физические аспекты изнашыва-ия материалов с двухфазной структурой // Трение и износ, 1994, Т. 15, о 3, С. 417-421.

14. О.П.Стецькив, А.В.Манько, И.Р.Кинаш. Новые методы коме нированного поверхностного упрочнения стальных деталей полигра4 ческих машин // "Новые ресурсо- и энергосберегающие технологии машиностроении". Научн.-техн. конф.: Тезисы докл. 13-15 сентября 1£ г. Одесса, 1994, С. 92.

15. О.В.Манько. Трибологічні аспекта процесу зношення пари т( тя після комбінованої зміцнюючої обробки // Звітна наук.-техн. кон проф.-викл. складу, наук, робітників, аспірантів: Тези доп. 3-6 січня 1£ р., Львів, 1995, С. 40.

16. Манько О.В., Стецьків О.П. Розробка нових методів комбіної ного поверхневого зміцнення пар тертя // Міжнар. конф. "ПОЛЬТРІБ'Ї 24-26 травня 1995 р. Яхранка (Польща), 1995, С. 43.

17. Манько О.В., Стецьків О.П. Застосування комбіноваї зміцнюючої обробки для підвищення зносостійкості середньовуглеї вих сталей // "Проблеми трибології", №2, 1996, С. 52-56.

• 18. О.В.Манько. Дослідження зносостійкості КЗО-зміцненої парі режимі реверсивного тертя при змінних швидкісно-навантажувальн факторах // Звітна наук.-техн. конф. проф.-викл. складу, на; працівників. Тези доп. 28-31 січня 1997 р. Львів, 1997, С. 48.

19. О.В. Манько. Підвищення зносостійкості швидкозношувальн сталей з вуглецевих сталей шляхом КЗО // Там же, С. 47.

Манько А.В. Разработка комбинированной упрочняющей обработки для повышения износостойкости среднеуглеродистых сталей.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04. - "Трение и изнашивание в машинах" (рукопись). Украинская академия печатания, Львов, 1997.

Разработана комбинированная упрочняющая обработка (КУО), предназначенная для упрочнения быстроизнашивающихся деталей пар трения "валик-втулка". Получен диффузионный слой с внешней износостойкой композиционной зоной. Предложены оптимальные режимы КУО, механизм изнашивания композиционной зоны, проведены трибологические исследования полученного покрытия, даны рекомендации для оптимизации композиционной зоны, подтверждаемые рентгеноструктурными анализами.

Man'ko A.V. Creation of the combined hardening processing for improvement of the wear-resistance of a medium-carbon steels.

It is the thesis for supporting the scientific degree of technical science candidate. Speciality - 05.02.04. "Friction and wearing in the machines". Ukrainian printing academy, L'viv, 1997.

The new combined hardening processing (CHP) is mean for the hardening of parts of the friction couples, which are made from not wear-resistance medium-carbon steels. A diffusion layer with an outside wear-resistance compositional zone have got. The optimal conditions of CHP and ,vear mechanism of heterogeneous bearing layer are proposed. The ribological researches were realizated. Experimental results confirmed the ronception proposed. .

Ключові слова: хімічне покриття, дифузійне хромування, накату-зання, композиційна зона, механізм зношення.