УДК 669.14.018.291:621.785.533:620.186.1

АНАЛИЗ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР НИКОТРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТЕПЛОСТОЙКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ С РЕСУРСНЫМ СМАЗЫВАНИЕМ

 

ANALYSIS OF SECONDARY STRUCTURES NICOTRATED COATING ON HEAT RESISTANT STRUCTURAL STEELS UNDER SLIDING FRICTION WITH LUBRICATION RESOURCE

 

Маленко П.И., Релмасира К.Д., Леонов А.Ю.

(Тульский государственный университет, г. Тула, РФ)

 

Malenko P.I., Relmasira K.D., Leonov A.Yu.

(Federal state budget educational establishment maximum training «The Tula state university», Tula, Russian Federation)

 

Проведено исследование закономерностей формирования вторичных структур никотрированных покрытий на теплостойких конструкционных сталях при трении скольжения с ресурсным смазыванием.

The study of regularities of formation of secondary structures nicotrated coating on heat resistant structural steels under sliding friction with lubrication of the resource.

 

Ключевые слова: вторичные структуры, процесс никотрирования, теплостойкие конструкционные стали, ресурсное смазывание.

Keywords: the secondary structure, the process of nicotrating, heat-resistant structural steels, resource lubrication.

 

При трении скольжения на контактирующих поверхностях взаимодействуют не исходные материалы, а вторичные структуры, образующиеся в результате диффузии атомов из приповерхностных слоев и химического взаимодействия с окружающей средой [1]. Фазовый состав подобных структур определяется динамическими и кинематическими условиями эксплуатации. Для «сухого» трения превалирует влияние динамического фактора – приложенного давления σ, в то время как для трения со смазкой при умеренных значениях σ решающее значение имеет кинематический фактор – скорость скольжения V.

В качестве примера практического применения результатов проведенных исследований были использованы запорные агрегаты автоматики стрелково-пушечного вооружения, работающие в режиме ресурсного смазывания, то есть смазывания на один цикл работы. В процессе стрельб имеет место выработка смазочного материала, а на трущихся поверхностях наблюдались следы вырывов. Детали запорных агрегатов изготавливаются из среднелегированной конструкционной стали 30ХН2МФА.

С целью повышения эксплуатационных свойств поверхностей трения испытуемые образцы подвергались операции никотрирования – низкотемпературному азотированию при 580 0С в течение 8 часов в газовой насыщающей среде, состоящей из аммиака (50 %) и эндогаза (50 %). Степень диссоциации аммиака контролировалась на уровне 40 %. В результате никотрирования на поверхности образцов формировался карбонитридный слой толщиной 8 … 10 мкм, состоящий из ε- и γ/-карбонитридных фаз.

Экспериментальные исследования производились на машине трения, работающей по схеме «штифт-диск», которая позволяет наиболее удачно воспроизводить режимы работы запорных агрегатов. Диапазон изменений давления на контакте составлял 0,5 … 10 МПа, скоростей – 1 … 10 м/с. В качестве смазки использовали индустриальное масло ИС-45 с содержанием серы не более 1,1 %. Смазка наносилась на поверхность диска в определенном объеме. В случае необходимости для поддержания величины зазора h в процессе испытаний предусмотрена подача смазки в зону трения капельным методом. Поверхности образцов предварительно прирабатывались и имели равновесную шероховатость Ra=(0,8 … 0,63)∙10-6 м по ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики».

На экспериментальной установке одновременно велись следующие измерения [2, 3]: силы трения Fтр с последующим расчетом коэффициента трения fтр, сигналов акустической эмиссии, поверхностных температур. Зазор h между контактирующими телами (слой смазки) контролировался с помощью индикатора с микронной шкалой.

Анализ поверхностей в процессе «ресурсного трения» показал, что с увеличением времени испытания происходит повышение температуры в зоне контакта. На поверхности карбонитридного слоя формируется особая диссипативная прослойка – «третье тело».

Макроскопический анализ цветового фона поверхностей трения показал, что при температурах T>140 0C на микроконтактах начинают появляться вторичные структуры бурого цвета (рисунок, а-в). В дальнейшем происходит объединение локальных «цветовых пятен» и постепенное образование протяженного «бурого фона» вторичных структур. При температурах T>300 0C формируются более темные по фону вторичные структуры вплоть до оранжевого по цвету окисленного слоя. Этот слой по мере увеличения времени трения занимает все большие площади на контактирующих поверхностях. При T>600 0C на поверхности никотрированного покрытия начинают образовываться характерные когезионные вырывы вплоть до появления эффектов микротечения поверхностных слоев, являющихся предвестниками микросварки контактных зон.

Цветовому фону поверхностей пар трения соответствуют и временные характеристики (таблица) [3]. В зоне трения со смазочным материалом при времени эксплуатации τ<τкр (время τкр соответствует критической температуре Ткр=140 0С) изменения цвета не наблюдалось. При переходе к трению с граничной смазкой при τ>τкр в зоне контакта начинают формироваться бурого цвета вторичные структуры в относительно малых объемах. В дальнейшем происходит объединение локальных «цветовых пятен» и постепенное формирование протяженного фона вторичных структур.

Рисунок – Цвета вторичных структур трущейся никотрированной стали 30ХН2МФА: а – температура Т=110 0С; б – температура Т=340 0С; в – температура Т=630 0С

 

На стадии кинетики при условии , где время  соответствует второй критической температуре Ткр=600 0С формируются более темные вторичные структуры вплоть до оранжевого окисленного слоя. При превышении критического времени  на поверхностях никотрированного покрытия начинают образовываться характерные когезионные вырывы.

 

Таблица – Временные и температурные характеристики кинетики трения никотрированных покрытий в условиях ресурсного смазывания

Номер

образца

Режимы трения

Временные характеристики

Температурные

 характеристики

зазор

, м

скорость скольжения V, м/c

начало трения с граничной смазкой

, c

конец трения с граничной смазкой , c

начало трения с граничной смазкой , 0С

конец трения с граничной смазкой , 0С

1

60

1,0

510

1200

55

140

2

5

2,0

210

650

85

210

3

40

2,0

140

320

100

250

4

10

3,0

40

100

135

340

5

60

4,0

~25

65

150

380

6

15

8,0

~15

~35

190

480

7

20

9,0

~10

~24

215

540

8

10

7,0

~5

~20

230

570

9

20

5,0

~5

~16

260

610

Проведенный анализ качественно свидетельствует об образовании в поверхностной зоне особой диссипативной прослойки – вторичных структур.

 

Список использованных источников

1. Рыбакова, Л.М. Структура и износостойкость металла [Текст]/ Л.М.Рыбакова, Л.И.Куксенова. М.: Машиностроение, 1982. 212 с.

2. Исследование методом акустической эмиссии закономерностей формирования вторичных структур при трении никотрированных сталей [Текст] / В.М.Власов [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. № 10. С. 35–39.

3. Маленко, И.П. Аналитические и экспериментальные исследования температур при трении скольжения со смазочным материалом [Текст] / И.П.Маленко, П.И.Маленко // Вестник машиностроения. 2006.  № 6. С. 38–46.