УДК 621.791.92

 

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДРЕВЕСНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПАР ТРЕНИЯ

 

OPTIMIZATION OF COMPOUND MATERIALS FOR BULDING UP WELDING FOR INCREASE OF OPERABILITY OF WOOD AND METAL COUPLES OF FRICTION

 

Памфилов Е.А, Прозоров Я.С. (БГИТА, г. Брянск, РФ)

Шпаков А.В. (БГТУ, г. Брянск, РФ)

Pamfilov E.A, Prozorov Ya.S. (Bryansk state engineering and technological academy, Bryansk, Russian Federation)

Shpakov A.V. (Bryansk State Technical University, Bryansk, Russian Federation)

 

Выполнен анализ причин изнашивания изделий, эксплуатируемых в условиях коррозионно-механического воздействия. Описаны основные физико-химические процессы, определяющие интенсивность изнашивания и предложены пути оптимизации технологического воздействия для повышения работоспособности деталей машин и оборудования.

The analysis of the reasons of outwearing of the products exploited in the conditions of corrosion and mechanical influence is made. The main physical and chemical processes defining intensity of outwearing are described and ways of optimization of technological influence for increase of operability of details of machines and the equipment are offered.

 

Ключевые слова: наплавка, пара трения, износ.

Key words: bulding-up welding( plating), couple of friction, wear.

 

В настоящее время наблюдается расширение использования для изготовления ряда деталей различных  неметаллических материалов, в том числе древесины или композитов на ее основе. Чаще всего при эксплуатации указанных деталей имеет место фрикционный контакт древесных материалов с различными железоуглеродистыми сплавами.  Также древесно-металлические пары трения характерны для узлов деревоперерабатывающего оборудования,  в частности, направляющих ленточных и рамных пил, рабочих органов стружечных станков и рубительных машин,   древесных подшипников скольжения и т. д.

Анализ физико-химических явлений, протекающих при эксплуатации рассматриваемых пар трения, показывает, что для указанных условий изнашивания характерен коррозионно-механический механизм, иначе называемый трибокоррозией который представляет собой процесс поверхностного разрушения при совместном действии механических нагрузок и химических реакций. Химические процессы, приводящие к изнашиванию функциональных поверхностных слоев деталей  древесно-металлических пар трения чаще всего включают в себя электрохимическую коррозию, обезуглероживание и наводороживание поверхностных слоев, образование хелатов, проявление эффекта Ребиндера. Механизмы изнашивания при этом представляют собой сочетание усталостного и абразивного механизмов, протекающих в поверхностных слоях, обладающих микродефектами различного происхождения и высоким уровнем остаточных напряжений [1,2,3].

При реализации такого механизма для достижения повышенной износостойкости поверхностный слой деталей должен обладать благоприятной совокупностью физико-химических и механических характеристик, которые обеспечивают необходимое сопротивление изнашиванию. Для достижения этого предложен алгоритм, позволяющий обосновать комплексные требования к структуре износостойкого поверхностного слоя деталей древесно-металлических пар трения (рисунок 1). 

Согласно указанному алгоритму для повышения коррозионной стойкости сталей следует стремиться к уменьшению их термодинамической нестабильности, торможению катодных или анодных процессов. На практике это может быть достигнуто за счет уменьшения площади анодных участков; легирования, повышающего анодную пассивируемость и катодную эффективность и смещающего потенциал коррозии сплава в пассивную область. Это достигается путем введения в состав поверхностных слоев хрома, никеля, кобальта и молибдена [4].

Наличие хрома в поверхностных слоях, вводимого, например, при наплавке,  способствует образованию пассивирующего слоя, обладающего достаточной сплошностью и прочностью сцепления с материалом основы. При этом можно полагать, что благоприятной является концентрация примерно равная 13 процентов. так как по достижению такой концентрации сплавы по своим пассивирующим характеристикам приближаются к чистому хрому [5].

Для уменьшения интенсивности изнашивания также  необходимо снижение контактной усталостной повреждаемости поверхностей.  Для этого необходимым является снижение количества концентраторов напряжения,   а также достижение возможности торможения развития микротрещин   вязкими прослойками и создание  в поверхностных слоях сжимающих остаточных напряжений.

Нанесенное покрытие должно обеспечивать эффективное рассеивание подводимой при трении энергии, поэтому создаваемая структура должна содержать элементы, формирующие благоприятную микрогетерогенную структуру, обеспечивающую высокий уровень физико-механических свойств, и наличие связующей матрицы с твердыми включениями.

Упрочнение межфазных связей возможно за счет формирования вторичных соединений из элементов основных фаз. Эти соединения в виде тонкодисперсных включений (например, Cr7C3, Fe3C, Fe2C,C19Cr7Mo24, Fe63Mo37, FeTi, MoC) образуются вблизи основных межфазных границ, затрудняя их разрушение и упрочняя покрытие. Поэтому для противодействия усталостным воздействиям нами предлагается структура поверхностного слоя с вязкой аустенитной матрицей и равномерными твердыми включениями карбидной фазы.


Рисунок 1- Связь механизмов разрушения с характеристиками поверхностного слоя


С позиций уменьшения абразивного изнашивания предпочтительны покрытия с высокой твердостью и прочностью, для чего желательно введение в их состав упрочняющих фаз: карбидов, нитридов, карбонитридов, интерметаллидов, чистых и малорастворимых в железе металлов. При этом  лучшее  упрочнение достигается при формировании твердых дисперсных частиц малого размера при обеспечении небольшого расстояния между ними в твердом растворе. Надо полагать, что при получение структуры, соответствующей  правилу Шарпи, когда благоприятная структура сплава достигается за счет того, что твердые структурные составляющие залегают в поверхностном слое трения в виде изолированных друг от друга включений, а наиболее вязкие структурные составляющие образуют сплошную матрицу., износостойкость будет наибольшей. Также одним из факторов оптимизации характеристик поверхностного слоя является обеспечение чувствительности к упрочнению при трении путем наклепа и γα превращений, что реализуется при введении в состав покрытий хрома и марганца. Это позволяет значительно повысить сопротивление изнашиванию, так как часть энергии расходуется на структурные превращения аустенита в мартенсит [5].

Таким образом повышенное противодействие абразивному изнашиванию рассматриваемых деталей может быть обеспечено при создании  поверхностного слоя, представляющего собой аустенитно-мартенситная матрицу с равномерно распределенными карбидами хрома.

Для снижения водородной составляющей изнашивания желательно повышение плотности и минимизация пористости наносимого слоя и повышение его водородоизолирующей способности . Это достигается за счет ввода в поверхностные зоны наплавленного слоя  сильных карбидообразующих элементов (хром, молибден, ванадий, ниобий и титан) для стабилизации карбидной составляющей и предупреждения обезуглероживания материла деталей; создания на поверхности металла барьерных слоев, препятствующих диффузии водорода в сталь (окисные пленки, карбидные и нитридные покрытия); плакирования стали металлами, имеющими низкую водородопроницаемость; ионной имплантации азотом, бором, кобальтом, углеродом совместно с титаном и т.п., снижающих адсорбционную способность поверхности за счет либо специфического электронного строения поверхности, либо природы образующихся соединений или аморфизированных слоев, либо формированием напряженного состояния поверхности[6]. В хромистых сталях достаточно устойчивой против водородного воздействия является карбидные фазы типа Me23C6 и Me7C3.[4].

Поэтому можно полагать, что для повышения износостойкости деталей древесно-металлических пар трения целесообразно использовать сплав, содержащий  12-14% Cr и 0,1-0,2% С и обладающий аустенитно-мартенситной матрицей с равномерно распределенными в ней карбидами хрома типа Cr7C3.

Список использованных источников

1.    Памфилов, Е.А. Особенности  изнашивания железоуглеродистых сплавов при фрикционном контактировании с древесиной / Е.А.Памфилов, С.В.Лукашов, Я.С.Прозоров // Трение и смазка в машинах и механизмах. – М., 2012. –Номер 6. – с. 3-9

2.    Памфилов, Е.А. Модель механохимического разразрушения деталей оборудования для производства технологической стружки/ Е.А.Памфилов, С.В.Лукашов, Я.С.Прозоров // Лесной журнал. – Архангельск, 2012. –Номер 5. – с. 108-116

3.    Памфилов, Е.А. К вопросу  моделирования коррозионно-механического изнашивания / Е.А.Памфилов, Я.С.Прозоров // Трение и износ. – Минск, 2012. – Том 33.- Номер 3. – с. 288-297. 

4.    Ефремов А.П. Химическое сопротивление материалов. Учебное пособие.- М.:ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. –234 с.

5.    Сорокин, Г.М. Коррозионно-механическое изнашивание сталей и сплавов /Г.М. Сорокин, А.П. Ефремов, Л.С. Саакиян - М.: Нефть и газ, 2002, 424 с.

6.    Присевок А.Ф., Беляев Г.Я. Технология формирования газотермических водородостойких покрытий:[монография].-изд. 2е, перераб. и доп. -Минск: Технопринт, 2003.-240 с.