УДК 669.14:531.44:621.892

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

В РЕЗУЛЬТАТЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

 

THE FORMATION OF SECONDARY STRUCTURES NICOTRATED COATING ON HEAT RESISTANT STRUCTURAL STEELS UNDER SLIDING FRICTION WITH LUBRICATION RESOURCE IN THE RESULT OF DIFFUSION PROCESSES

 

Маленко П.И., Леонов А.Ю., Релмасира К.Д., Костыгова О.В.

(Тульский государственный университет, г. Тула, РФ)

Malenko P.I., Relmasira K.D., Leonov A.Yu., Kostygova O.V.

(The Tula state university, Tula, Russia)

 

Проведено исследование закономерностей образования вторичных структур никотрированных покрытий на теплостойких конструкционных сталях при трении скольжения с ресурсным смазыванием в результате протекания диффузионных процессов.

The study of the formation of secondary structures nicotrated coating on heat resistant structural steels under sliding friction with lubrication of the resource in the result of the flow of diffusion processes.

 

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

Key words: the secondary structure, the process of nicotrating, heat-resistant structural steels, resource lubrication, diffusion processes

 

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.

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 конструкционной стали 25Х3М3НБЦА.

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.

Диффузионные процессы, в результате которых образуются вторичные структуры, имеют ряд специфических свойств, отличающих их от общепринятых в металловедении, в частности, они не подчиняются законам Фика. Причина заключается в импульсном характере подачи тепловой энергии в диффузионную зону. Наличие высокочастотных температурных колебаний, названных термоциклированием в приповерхностных слоях трущихся поверхностей было установлено в результате моделирования процесса возникновения температур вспышки Твсп на микронеровностях шероховатых контактирующих поверхностях для детерминированного [2] и стохастического [3] случаев.

Высокая скорость “нагревания-охлаждения” приповерхностных слоев вызывает повышенную скорость диффузии. Это приводит, во-первых, к значительному сокращению времени начала фазовых превращений и, во-вторых, к уменьшению их температур. При изменении скорости трения Vтр в пределах (1,5≤Vтр≤10) м/с данное время изменяется обратно пропорционально Vтр и находится в пределах (120≥τн≥5) с. Аналогичные данные приводятся в работе [4], в которой исследовалась кинетика формирования диффузионного слоя на железе при насыщении различными элементами с применением высокочастотного нагрева (ТВЧ). При этом установлено, что τн≤25 с.

О существовании подобного механизма свидетельствуют данные, приведенные в работе [5]. При исследовании зависимости температуры Тн начала полиморфных превращений γ→α-Fe от скорости охлаждения K установлено, что при скорости охлаждения K=20 град/с Тн=900 0C, в то время как при K=3,4·105 град/с происходит резкое уменьшение Тн=420 0C.

Во-вторых, данные процессы играют двоякую роль. С одной стороны, они способствуют распаду исходных фаз никотрированной стали, а с другой они способствуют образованию новых (вторичных) фаз в поверхностной зоне. Экспериментальные данные, представленные на рисунке, указывают на наличие низких температур формирования вторичных фаз, гораздо меньших, чем в обычных условиях.

Косвенное подтверждение наличия данного механизма формирования фаз, отличного от уже известных, подтверждают сравнительные данные по энергии активации твердых растворов исходных фаз и аккумулируемому теплу трения (табл. 1 и 2). В данных таблицах представлены весовые энергии активации Накт, пересчитанные из мольных энергий (табл. 3). Аккумулируемое тепло, приходящееся на 1 кг вещества (ккал/кг), рассчитывалось исходя из условия равномерного нагревания слоя толщиной ν стационарно-периодическим полем при колебаниях температуры Tmin-Tmax [6]

,                                                 (1)

где    С – весовая теплоемкость (С=0,46∙103 Дж/кг·0С);

Kψ – коэффициент использования тепла (Kψ=0,8).

Рисунок – Изменение объемного содержания  вторичных фаз в различных температурных зонах

 

Таблица 1 – Энергия активации и аккумулируемое тепло при распаде твердых растворов исходных фаз

Фаза

Fe3N

Fe4N

Mo2C

FeS2

Fe2P

FeSi

Накт∙10-3, Дж/кг

1,09

0,57

0,92

1,84

1,3

2,39

Vтр, м/c

2

2

3

4

5

10

, 0С

70

105

120

150

200

225

ΔQT∙10-3, Дж/кг

51,5

77,5

84,4

110

150

166

 

Таблица 2 – Энергия активации и аккумулируемое тепло при образовании вторичных фаз

Фаза

FeO

Fe3O4

Fe2O3

MoS2

MoSi0,65

Накт∙10-3, Дж/кг

3,69

1,88

5,15

2,64

1,26

Vтр, м/c

1,5

2

3

4

5

10

, 0С

140

210

240

300

400

450

ΔQT∙10-3, Дж/кг

51,5

77,5

88,4

110

147

166

 

Таблица 3 – Температурные интервалы фазовых превращений и энергия активации двойных систем в поверхностных слоях никотрированной стали 25Х3М3НБЦА

Основной элемент

Диффундирующий элемент

Образующаяся фаза

Температурный интервал (диаграммы состояния), 0С

Температурный интервал, 0С

Энергия активации

Накт∙10-3, (Дж/кг·моль)

Fe4N

(тв. р-р)

N

γ/-Fe2)

680 … 1010

50 … 380

146

Fe3N

(тв. р-р)

N

ε-Fe2)

500 1010

50 480

200

Mo2C

(тв. р-р)

Mo

C

800 1352

100 450

239

α-Fe

O

FeO

560 1400

50 250

2661)

γ/-Fe

O

Fe3O4

560 1597

50 500

4391)

ε-Fe

O

Fe2O3

560 1583

200 500

8221)

α-Fe3)

S

FeS2 (тв. р-р)

700 900

100 500

224

α-Fe3)

P

Fe2P (тв. р-р)

700 850

100 500

183

α-Fe2)

Si

FeSi (тв. р-р)

1208 1430

100 400

201

Mo3)

S

MoS2 (тв. р-р)

1947 2197

100 400

424

Mo3)

Si

MoSi0,65

900 1100

100 500

166

Примечание: 1 – [2]; 2 – [7]; 3 – [8].

 

Распад исходных фаз и образование вторичных фаз происходят при условии ΔQTакт. Энергия активации способствует процессу увеличения диффузионной подвижности атомов. Накт гораздо меньше порогового значения выхода атома из кристаллической решетки, то есть начала диффузионного процесса. Установленное значение ΔQT указывает на тепловой характер диффузионного процесса, которому соответствуют термические удары, инициированные на суб- и микрошероховатостях.

В-третьих, реализация диффузионного процесса имеет место при наличии восходящей диффузии как результата действия термического удара.

 

Список использованных источников

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

2. Маленко И.П., Маленко П.И. Исследование температур на дискретных контактах при трении скольжения со смазочным материалом // Вестник машиностроения. 2009. № 1. С.38–44.

3. Маленко П.И. Исследования влияния температур на дискретных множественных контактах на триботехнические свойства пар трения скольжения со смазочным материалом // Вестник машиностроения. 2009. № 10. С. 33–42.

4. Мельник П.И. Диффузионное насыщение железа и твердофазные превращения в сплавах. М.: Металлургия, 1993. 129 с.

5. Брик В.Б. Диффузия и фазовые превращения в металлах. Киев: Наукова думка, 1985. 232 с.

6. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 599 с.

7. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов: в 2 т. М.: Металлургиздат, 1962. Т. 1–2.

8. Свойства элементов: справочник. / М.Е.Дриц [и др.]; под общ. ред. М.Е.Дрица. М.: Металлургия, 1985. 672 с.