Износостойкие материалы

Лекция 21

Износостойкие, антифрикционные и фрикционные материалы

Износостойкие материалы

Износ деталей машин и аппаратов является сложным процессом. Типовыми случаями являются абразивный износ, усталостное изнашивание при обычном трении скольжения, трение под действием больших давлений и ударных нагрузок.

При абразивном износе, т. е. истирании поверхность металла частицами внешней среды, износостойкость металлов и сплавов, как правило, пропорциональна их твердости.

Наибольшей износостойкостью в условиях абразивного изнашивания обладают материалы, структура которых состоит из твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы. Такую структуру имеют большая группа сталей и сплавов.

Для наиболее тяжелых условий работы, с точки зрения абразивного износа, применяют карбидные сплавы. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4%) и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti). В их структуре может быть до 50% специальных карбидов, увеличение количества которых сопровождается ростом износостойкости. Структуру матричной фазы регулируют введением марганца или никеля.

При этом, для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют карбидные сплавы с мартенситной структурой. К ним относятся сплавы типа У25Х38, У30Х23Г2С2Т (цифры, стоящие после буквы У, показывают содержание углерода в десятых долях процента, в стали У25Х38 2, 5%С и 38%Сr).

Детали, работающие при значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др) изготавливают из сплавов с повышенным содержанием марганца, что обеспечивает аустенитно-мартенситную (У37Х7Г7С) или аустенитную (У11Г13, У30Г34) матрицу.

Для более легких условий абразивного изнашивания, например, гильз цилиндров, поршневых колец, работающих со смазкой, когда материал поверхности узлов трения должен хорошо противостоять истиранию частицами, являющимися продуктами изнашивания или попадающими в смазочный материал извне, применяют низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения, а также чугуны. В порядке возрастания износостойкости упрочненые поверхностные слои этих сталей располагаются в следующей последовательности: закаленные с нагревом ТВЧ, цементованные, азотированные.

Усталостное изнашивание имеет место при работе подшипников качения и зубчатых колес, когда поверхность материалов подвергается выкрашиванию за счет циклических контактных напряжений сжатия. В этих условиях высокая контактная выносливость может быть обеспечена тоже лишь при высокой твердости поверхности, что обеспечивается применением специальных подшипниковых сталей.

Характерным для шарикоподшипниковых сталей является высокое содержание углерода (1 %) и наличие хрома.

В обозначении марки стали буквы ШХ расшифровываются как шарикоподшипниковая хромистая, следующие за ними цифры указывают содержание в стали хрома в десятых долях процента.

Заэвтектоидное содержание углерода и хром обеспечивают получение в стали после закалки структуры мартенсита с карбидами высокой твердости, высокую износостойкость и необходимую прокаливаемость. Дальнейшее увеличение прокаливаемости достигается легированием стали марганцем и кремнием (ШХ15СГ, ШХ20СГ).

К шарикоподшипниковым сталям предъявляют повышенные требования в отношении чистоты и равномерности распределения карбидов. В связи с тем, что рабочая (контактная) поверхность деталей небольшая, а действующие напряжения высокие, в зоне контакта при наличии пористости, загрязнений или скоплений карбидов может произойти разрушение (выкрашивание). Поэтому шарикоподшипниковые стали подвергают строгому металлургическому контролю на наличие пористости, неметаллических включений, карбидной ликвации, карбидной полосчатости, карбидной сетки.

Термическая обработка шарикоподшипниковых сталей включает операции-отжига, закалки и отпуска. Отжиг проводят после ковки для снижения твердости и подготовки структуры к последующей закалке. После ковки заготовок для деталей подшипников структура шарикоподшипниковой стали состоит из пластинчатого перлита и избыточного цементита (Fe, Сг)₃С в виде тонкой сетки вокруг перлитных зерен. Твердость стали НВ 255 — 340. Обработка резанием стали с такой структурой и твердостью затруднена. После отжига при 780 — 800⁰С с замедленным (15 — 25 ⁰С/ч) охлаждением в интервале температур 760— 650⁰С сталь имеет структуру мелкозернистого перлита и твердость НВ 179 — 207.

Температуру закалки (790 — 880⁰С) выбирают в зависимости от массивности детали — чем она крупнее, тем выше температура закалки. Закалку проводят с охлаждением в масле (кольца, ролики) или в водном растворе соды или поваренной соли (шарики). Непосредственно после закалки детали отпускают при 150 — 160⁰С, твердость стали после такой обработки HRC 62 — 65. Структура- скрытокристаллический мартенсит с равномерно распределенными мелкими избыточными карбидами.

Для изготовления зубчатых колес, материал которых наряду с высокой контактной выносливостью должен обладать высоким сопротивлением усталости при изгибе, используют стали, обеспечивающие получение твердого поверхностного слоя изделия при наличии вязкой и достаточной середины. Это достигается химико-термической обработкой или поверхностной закалкой низко- или среднеуглеродистых, а также легированных сталей таких как 40, 50, 40Х, 40ХН, 18ХГТ и др

Трение в условиях больших давлений и ударных нагрузок характерно для работы железнодорожных крестовин, траков гусеничных машин, щек дробилок, зубьев ковшей экскаваторов и т.д. Их изготавливают из высокомарганцовистой стали 110Г13Л, или сталь Гадфильда. Она содержат 1, 1% С; 12% Mn и ~1% Si.. Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем (буква Л означает, что сталь литая) реже ковкой.

После литья структура состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца в железе (Fe, Mn)₃C. При нагреве карбиды растворяются в аустените, поэтому после закалки от температуры 1100⁰С в воде сталь получает чисто аустенитную структуру с малой твердостью 200 НВ.

При низкой твердости сталь Гадфильда обладает необычно высокой износоустойчивостью при трении с давлением и ударами. Это объясняется повышенной способностью к наклепу марганцовистого аустенита (рис. 21.1) значительно большей, чем у обычных сталей с такой же твердостью. При деформации на 60-70% твердость стали Г13 увеличивается до НВ 500 (рис. 21.1), что объясняется большими искажениями кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики и даже образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях.

Рис. 21.1. Влияние наклепа на твердость углеродистой стали 40 и стали Г13

Характерно применение стали 110Г13Л для тюремных решеток в начале 20 века. Их тогда называли Schwedische Gardinen (в переводе на русский язык — шведские шторы). Решетки представляли собой двухслойный пруток, в середине которого была сталь 110Г13Л. При попытке перепилить такую решетку внутренний слой упрочнялся и дальнейшая резка становилась невозможной.

При чисто абразивном износе (например трении по песку) эффективного наклепа стали 110Г13Л не происходит, что приводит к повышенному износу детали. Кроме того, недостатком стали 110Г13Л является плохая обрабатываемость резанием, поэтому детали из нее чаще всего изготавливают литьем без механической обработки.