Износостойкость поверхностного слоя стали 45 с имплантированными наноалмазами детонационного синтеза

Давыдов С. В., Горленко А. О., Болдырев Д. А.

Брянский государственный технический университет (г. Брянск)

Тольяттинского государственного университета, Тольятти, РФ

Аннотация

В работе описаны технология и оборудование для создания антифрикционных упрочненных поверхностных слоев деталей машин на основе применения наноразмерных углеродных материалов с целью повышения износостойкости, приведены результаты триботехнических испытаний цилиндрических образцов нормализованным методом с применением автоматизированной системы научных исследований.

Введение

Разнообразие принципиально новых свойств наноструктурированных материалов позволяет использовать их для качественно новых приложений в различных отраслях промышленности, в том числе для деталей пар трения машин и механизмов. В технологиях получения и применения наноматериалов размером (1…500) нм все более заметную роль играют кластеры углерода, самыми многообещающими из которых являются наноразмерные углеродные материалы, в частности ультрадисперсные наноалмазы детонационного синтеза.

К перспективным направлениям решения задачи повышения износостойкости поверхностей трения деталей машин относится применение наноалмазов в качестве упрочняющих (армирующих) поверхностный слой наночастиц. Синтезированные в сильно неравновесных условиях наноалмазы не имеют четкой кристаллической огранки. Округлая форма наноалмазов детонационного синтеза наряду с модификацией их поверхности обеспечивает эффективное их применение для повышения механических характеристик материалов и обеспечивает в ряде случаев уникальные триботехнические свойства за счет образования пространственной сетки физических связей на границе раздела структуры материала с наночастицами, имеющими повышенные адсорбционные свойства.

Создание поверхностных слоев с имплантированными наноалмазами способствует повышению плотности слоев, их прочности и обеспечивает наноструктурное состояние, соответствующее повышенной износостойкости в условиях трения.

Микро- и наноструктурное состояние поверхностей трения формируется в процессе электромеханической обработки (ЭМО) при создании поверхностных слоев с имплантироваными высокотвердыми дисперсными частицами, состоящими из коагулированных наноалмазов. Основное влияние на износостойкость обработанных поверхностей оказывают характер распределения и морфология дисперсной упрочняющей фазы (упрочняющий композиционный эффект, реализующийся в результате распада пересыщенных твердых растворов структуры материала). Эффект упрочнения при ЭМО достигается благодаря тому, что реализуются высокие скорости нагрева и охлаждения, и достигается высокая степень измельченности аустенитного зерна, которая обусловливает мелкокристаллические структуры закалки поверхностного слоя, обладающего высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами [1 – 4].

Методика проведения исследований или расчетов, включая химический состав материала, способы его обработки, структуру и свойства

Для создания износостойких поверхностных слоев на поверхностях трения деталей машин с имплантированными наноалмазами детонационного синтеза разработана технология комбинированной электромеханической обработки (далее – ИНЭМО), включающая собственно имплантирование в поверхность трения наноалмазов детонационного синтеза с последующим упрочнением обрабатываемой поверхности.

Технология реализуется на специальной установке, представляющей собой технологический комплекс, состоящий: из универсального станка (применяемого для механической обработки заготовок) с соответствующими инструментами и приспособлениями для закрепления обрабатываемой детали и подвода электрического тока большой силы и малого напряжения; силового блока для преобразования промышленного электрического тока; блока управления режимами обработки; средств коммутации и подвода смазывающе-охлаждающей технологической среды; блока сопряжения с ПЭВМ.

Имплантирование наноалмазов в поверхностный слой при электромеханической обработке производится на определенных режимах в коагулированном состоянии (фракции порошка размером (200…250) нм). На поверхность перед обработкой они наносятся обмазкой, предварительно размешанные с консистентным графитным смазочным материалом в определенной пропорции (для лучшей токопроводимости). Частично эти коагулянты графитизируются под действием температуры, что приводит к дополнительному насыщению поверхностного слоя углеродом. Большая часть коагулянтов внедряется в формируемый поверхностный слой, армируя его. Затем на этой же поверхности проводится электро-механическая обработка (ЭМО) на упрочняющих режимах.

Для комплексных сравнительных испытаний износостойкости использовались наружные цилиндрические поверхности образцов, изготовленных из среднеуглеродистой стали 45 с использованием следующих технологий:

-  комбинированная электромеханическая обработка (ИНЭМО) – формирование имплантированого наноалмазами поверхностного слоя и последующее упрочнение обрабатываемой поверхности, микротвердость 950 HV.

-  объемная закалка, низкотемпературный отпуск (ТО), твердость 55 HRC;

-  электромеханическое упрочнение обрабатываемой поверхности (ЭМО), микротвердость 750 HV;

-  нанопокрытие системы Si-O-C-N, нанесенное с использованием технологии финишного плазменного упрочнения (ФПУ) в ООО «НПФ «Плазмацентр», г. Санкт-Петербург, нанотвердость покрытия 23 ГПа;

Комплексные сравнительные испытания образцов проводились на автоматизированной установке, созданной на базе машины трения МИ-1М и предназначенной для проведения триботехнических испытаний цилиндрических образцов из металлических материалов и сплавов, позволяющих определить триботехнические показатели поверхностей в условиях трения скольжения при граничной смазке нормализованным методом с применением автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) [5, 6].

Автоматизированная система научных исследований состоит из испытательного блока, блоков привода и нагружения, датчиков, мобильного измерительного комплекса, персонального компьютера и специально разработанного программного обеспечения. Нагружающее устройство и схема системы сбора данных АСНИ представлены на рис. 1 и рис.2.

Рис. 1. Нагружающее устройство АСНИ

1 – емкость со смазочным материалом; 2 – образец; 3 – индентор; 4 – держатель индентора; 5 – подвижный элемент, 6 – промежуточный элемент, 7 – датчик нагрузки; 8 – пружина сжатия; 9 – рукоятка

Рис. 2. Схема системы сбора данных АСНИ

Нормализованный метод используется для проведения комплексных триботехнических испытаний с целью установления возможностей технологических методов и режимов обработки в обеспечении показателей триботехнических свойств цилиндрических поверхностей трения.

При испытаниях с установленными нагрузкой и скоростью скольжения к вращающейся цилиндрической поверхности образца, частично погруженного в смазочный материал, прижимался неподвижный цилиндрический индентор (рис. 1). Для установки образцов и индентора использовалась схема со сменными держателями, обеспечивающая самоустановку индентора относительно испытываемой поверхности образца на промежуточной сферической опоре для реализации линейного контакта.

В процессе испытаний с помощью системы датчиков непрерывно и синхронно регистрировались время испытания, нагрузка, температура, коэффициент трения и линейный износ. Их численные значения выводились на монитор персонального компьютера. Для измерения момента трения и нагрузки использовались тензодатчики, для измерения температуры – термопара. Для непрерывного измерения износа в процессе проведения испытаний была разработана специальная схема с применением индуктивного датчика, позволяющая исключить влияние на результаты измерений радиального биения и тепловых деформаций испытываемого образца.

Питание датчиков и регистрация поступающих с них сигналов производились системой сбора данных, представленной мобильным измерительным комплексом, включающим систему согласования SC-2345 и плату сбора данных М-серии PCI 6220 (рис. 2). Программное обеспечение АСНИ разработано в среде программирования NI LabVIEW 7.

По результатам анализа регистрируемых параметров определяли следующие показатели триботехнических свойств:

- время приработки  t₀ , ч, определяемое как время от начала испытания до момента времени выхода кривой изнашивания  на участок нормального изнашивания;

- приработочный износ  h₀ , мкм, как величина сближения, определяемая в момент времени окончания приработки  t₀;

- среднее значение коэффициента трения в период нормального изнашивания  f;

- f₀ / f – отношение максимального значения коэффициента трения в период приработки  f₀  к его среднему значению в период нормального изнашивания  f;

- среднее значение интенсивности изнашивания в период нормального изнашивания

,

где h, мкм, – суммарная величина износа образца за время испытаний; L, мкм, – путь трения, пройденный поверхностью образца за время испытаний; L₀ = 3,6 · 10 ⁹ · t₀ · υ, мкм, – путь трения, пройденный поверхностью образца за время приработки.

Испытания  образцов  проводились  при  следующих  условиях:  скорость скольжения

υ = 1 м/с; нормальное усилие нагружения N = 100 ± 0,5 %, Н (соответствует давлениям, рассчитанным по Герцу, порядка 150 МПа); вид первоначального контакта – пластический насыщенный; вид смазки – граничная; вид смазывания – окунанием; ведущий вид изнашивания – усталостное; смазочный материал – масло индустриальное  И – 20А ГОСТ 20799 – 88; материал индентора – твердый сплав ВК8.

Результаты исследований

В процессе высокотемпературного пластического деформирования, под воздействием высоких температур и давлений происходит аустенизация поверхностного слоя стали в зоне контакта. Углерод из обмазки, состоящей из графита и наноалмазов, в твердофазном процессе насыщения диффундирует в поверхностные слои, повышая содержание углерода в аустените. Это хорошо видно на образовании многослойной структуры поверхностных объемов стали  на рис. 3.

С ростом содержания углерода и повышенной скорости охлаждения, в структуре стали увеличивается доля перлита с интенсивным снижением толщины ферритной окантовки вокруг перлитных зерен, как следствие процесса нормализации стали при интенсивном охлаждении. Во 2-м вышележащем слое (рис. 3) вследствие интенсивного охлаждения структура стали состоит из ферритной оторочки (сетки) и сорбито-троооститных зон (структуры закалки). Следовательно, в процессе упрочнения ЭМО сталь подвергается одновременно нормализации, с ускоренным охлаждением и образованием ферритно-перлитной структуры, и закалке, с образованием ферритно-сорбито-трооститной структуры.

Вследствие высокотемпературного пластического деформирования на поверхности стали образуется слой спеченного графита с имплантированными наноалмазами, состоящий, в основном, из спеченной массы графита и наноалмазов (рис. 4,а). На внешней поверхности этого слоя образуется небольшой слой передеформированного металла, который удаляется при отделочной обработке алмазным выглаживанием (рис. 4,б).

На поверхности раздела ферритно-сорбито-трооститной структуры стали и слоя спеченного графита, имплантированного наноалмазами, формируется переходный слой, структура которого состоит из металлической матрицы стали, насыщенной имплантированными наноалмазами (рис. 4,г).

Структура наноалмазного графитного слоя (рис. 5) состоит из основы, спеченного графита, наноалмазов различных размерных групп и включений карбидов различной природы, в частности цементита.

Полученный слой обладает высокими триботехническими характеристиками, так как его основа (спеченный графит) является высокоэффективным антифрикционным материалом, армированным имплантированными наноалмазами и дисперсными частицами карбидов различной природы, в частности цементита.

Рис. 3. Многослойная структура поверхностных объемов стали 45 после формирования имплантированного наноалмазами слоя и последующего электромеханического упрочнения (х100, травление ниталем):

а - нижний слой – основа материала, нормализованная исходная структура стали;

б - 1-й вышележащий слой – нормализованная структура, образованная высокой скоростью охлаждения при нагреве;

в - 2-й вышележащий слой – зона с повышенным содержанием углерода, состоящая из закалочных структур сорбито-трооститного типа;

г - переходный слой или "белый" слой;

д - верхний слой – слой спеченного графита, имплантированный наноалмазами

Рис. 4. Слой спеченного графита, имплантированный наноалмазами, на поверхности трения стали 45 (а), покрытый фрагментами передеформированной стали (б),  (х200, травление ниталем)

Рис. 5. Структура слоя спеченного графита, имплантированного наноалмазами (х500)

Для оценки изменения размеров ферритного зерна при ИНЭМО в зоне пластической деформации дополнительно обработали сталь 20 на тех же режимах упрочнения, что и сталь 45.

На рис.6 показана структура поверхностного слоя стали 20 с ярко выраженной стабильной зоной измельчения ферритного зерна.

Рис.6. Измельчение структуры феррита (верхняя часть) в стали 20 в зоне пластической деформации  (х200, травление ниталем)

Обсуждение результатов

Геометрические параметры упрочнённого слоя приведены в табл.1.

Упрочненный нижележащий ферритно-сорбито-трооститный слой (рис.3,в) имеет мелкозернистую текстурированную износостойкую структуру. Существенным компонентом данной структуры является измельченное зерно феррита, получаемое вследствие перекристаллизации сильно деформированного аустенита при электромеханическом упрочнении. Размер зерна феррита по сравнению с основой материала уменьшается в 15 раз (табл.1).

Микротвердость поверхностного слоя (при обработке среднеуглеродистых сталей) достигает 1000 HV на поверхности. Глубина общего упрочненного слоя – до 1,2 мм (табл.1). При этом осуществляется плавный переход твердости упрочненного слоя от поверхности к не упрочненной сердцевине детали, что не приводит к его отслоению при динамических нагрузках вследствие единого фазового состояния металлической матрицы слоя, но различной по структурному составу (рис.3).

Обеспечиваемые микрогеометрические параметры обработанных деталей: Ra = 0,2 – 3,2 мкм; Sm = 0,025 – 0,36 мм; tm = 50 – 70 %; Wz = 0,4 – 8,0 мкм, Hmax = 6 – 20 мкм.

Таблица 1

Геометрические параметры упрочнённого слоя

Результаты триботехнических испытаний образцов, изготовленных из стали 45, после различных методов обработки представлены в табл. 2, а также на рис. 7 – 10. Табл. 1 и рис. 7 – 10 составляют основу протокола триботехнических испытаний.

Таблица 2

Результаты триботехнических испытаний образцов,

изготовленных из стали 45 после различных методов обработки

Рис. 7. Результаты испытаний образца, изготовленного из стали 45, после объемной закалки и низкотемпературного отпуска

Рис. 8. Результаты испытаний образца, изготовленного из стали 45, после электромеханического упрочнения

Рис. 9. Результаты испытаний образца, изготовленного из стали 45, после ФПУ

Рис. 10. Результаты испытаний образца, изготовленного из стали 45, после формирования имплантированного наноалмазами слоя и последующего электромеханического упрочнения

По результатам триботехнических испытаний установлено, что износостойкость образцов с имплантированным наноалмазами слоем и последующим электромеханическим упрочнением по сравнению с термообработанными образцами повысилась в 3,2 раза, по сравнению с упрочненными ЭМО – в 1,1 раза, по сравнению с обработанными ФПУ – в 1,3 раза.

Выводы

6. Модификация поверхности трения стали за счет образования на ней слоя спеченного графита, имплантированного и композиционно упрочненного наноалмазами и карбидами различной природы, наряду с формированием упрочненной ферритно-сорбито-трооститной и ферритно-перлитной мелкозернистой структуры нижележащих слоев материала методом ИНЭМО позволяет повысить износостойкость поверхностей трения, что подтверждается триботехническими испытаниями.
7. Наличие многослойной структуры, имеющей общую металлическую матрицу основы материала однородного фазового состава, обеспечивает монолитную сцепляемость упрочненных слоев без нарушения сплошности в процессе изнашивания при значительных динамических нагрузках, что также подтверждается триботехническими испытаниями.
8. Экономически выгодно использовать для ответственных пар трения не дорогостоящие высокоуглеродистые и высоколегированные стали, а относительно дешевые среднеуглеродистые, на которых можно получить аналогичную микротвердость и повышенную износостойкость, чего не позволяют добиться в подобной степени другие методы термообработки и поверхностного упрочнения. В этом состоит преимущество технологии ИНЭМО. Коэффициент упрочнения достигает k =3,5 – 4.
9. На среднеуглеродистых сталях с помощью методов ЭМО и ИНЭМО можно подготовить требуемое качество поверхности (не уступающее по микротвердости высокоуглеродистым и высоколегированным сталям) перед нанесением высокотвердых нанопокрытий, в частности с использованием технологии ФПУ.

Применение данной технологии возможно на машиностроительных предприятиях в качестве высокоэффективного способа обеспечения и повышения эксплуатационных показателей деталей машин на стадии их изготовления.

 Заключение

Актуальность и научная значимость исследований заключаются в реализации системного подхода, являющегося методологической основой работы, к изучению процессов формирования качества поверхностного слоя, его фазового, микро- и наноструктурного состояния, триботехнических показателей рабочих поверхностей деталей машин, позволяющего научно обоснованно подходить к выбору, нормированию и оптимизации режимов комбинированной электромеханической обработки, исходя из функционального назначения обрабатываемых деталей.

Список литературы

1. Горленко, А.О. Электромеханические методы обработки. Энциклопедия // Т.III-3. Технология изготовления деталей машин. / А.О. Горленко, [и др.]./ под общ. ред. А.Г. Суслова, М.: Машиностроение, 2000. – С. 356-361.
2. Суслов, А.Г. Электромеханическая обработка: справочник технолога-машиностроителя: в 2-х т. / А.Г. Суслов, А.О. Горленко, под ред. А.М. Дальского, А.Г. Суслова, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова.– 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2001. –Т.2. – С. 553 – 562.
3. Горленко, А.О. Упрочнение поверхностей трения деталей машин при электромеханической обработке / А.О. Горленко // Вестн. БГТУ. – 2011. – № 3. – С. 4 – 8.
4. Горленко, А.О. Импульсная электромеханическая обработка / А.О. Горленко, О.А. Горленко // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2011. – № 6 (06). – С. 21 – 25.
5. Горленко, А.О. Нормализация триботехнических испытаний для создания базы данных по одноступенчатому технологическому обеспечению износостойкости / А.О. Горленко, М.И. Прудников // Трение и смазка в машинах и механизмах. – №9. – 2008. – С. 7-13.
6. Горленко, А.О Триботехнические испытания поверхностей деталей нормализованным методом / А.О. Горленко, М.И. Прудников // Справочник. Инженерный журнал. – Приложение №10. – 2009. – С. 22-24.

Литье Украины, №4,2020, с. 5-14