УДК 621.791

, (РГУПС, Россия)

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ НАПЛАВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ И ПРОБЛЕМА ЕЁ ПОВЫШЕНИЯ

На основе анализа литературных данных можно выделить факторы, наиболее ответственные за износостойкость наплавки. Как уже отмечалось, основными из них являются структура, твёрдость, микротвёрдость и степень легированности. Однако однозначно ответить на вопрос о влиянии каждого из них на износостойкость без учёта условий изнашивания нельзя.

Исследование влияния твёрдости на износостойкость наплавленного слоя при трении качения в присутствии абразива, приведённое в работе [1], показывает, что с увеличением твёрдости износ уменьшается. Однако обнаруженная в работе [2] линейная зависимость твёрдости от износостойкости для металлов здесь отсутствует.

В работе [3] приведены данные об износостойкости материалов при трении скольжения и абразивном изнашивании, из которых следует, что инструментальная сталь твёрдостью HRC 56…57 менее износостойка, чем слой, наплавленный сормайтом HRC 49…51, который, в свою очередь, менее износостоек по сравнению с наплавленным слоем стеллита В2К, В3К твёрдостью HRC 42…44.

В работе [4] исследовалась относительная износостойкость наплавок, нанесённых вибродуговым способом проволоками ПК-2, 9ХС, 50ХФА и 18ХМА, в условиях полужидкостного и сухого трения скольжения. Наименьшую износостойкость показала наплавка проволокой 18ХМА. Автор объясняет это низкой твёрдостью наплавки, при которой облегчается механическое внедрение контактируемых участков, снятие и срез микровыступов и пластическое деформирование тонких поверхностных слоев металла. При этом установить определенную зависимость износостойкости от твердости вышеуказанных наплавок автор не смог.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

[5], исследуя износостойкость наплавленных сплавов при работе в абразивной среде, приходит к выводу, что твердость не определяет их износостойкости и не может служить параметром при их выборе. Твердость является приближённой характеристикой только прочности, а износостойкость определяется еще целым рядом других свойств, применяющихся в за­висимости от состава, способа обработки и т. д.

В работах [6, 7] проведены экспериментальные исследования сравнительной износостойкости наплавленного металла в зависимости от его структуры в условиях сухого и граничного трения скольжения. Результаты исследования показывают, что наибольшей износостойкостью обладают структуры мартенсита, наименьшей – структуры ферритa и перлита. Наплавки, структура которых неоднородна, занимают промежуточное положение, приближаясь по износостойкости к одной из указанных групп, в зависимости от преобладающего влияния той или иной структуры составляющей.

Влияние различных структур на износостойкость при абразив­ном изнашивании исследовалось в работе [8], где абра­зивное изнашивание разделялось на два этапа. На первом этапе про­исходит внедрение абразивных частиц в поверхность металла. Оце­ночным параметром внедрения является твердость исследуемого ме­талла. На втором этапе происходит процесс взаимного перемещения исследуемого образца и внедрённой частицы абразива. Здесь уже ответственными за износ образца являются силы межатомной связи и прочность сцепления между собой структурных составляющих через границу их раздела. Наиболь­шей износостойкостью в этих условиях изнашивания обладает аустенитно-карбидная структура. Мартенситно-карбидная структура обла­дает меньшей износостойкостью в связи с наличием трещин на гра­нице раздела мартенсита с карбидами ввиду разного типа и размеров их кристаллических решеток, что, очевидно, ослабляет связь мартенситной основы с карбидами.

[9] подчёркивает, что наибольшую износостойкость при абразивном изнашивании имеют сплавы, структура которых содержит значительное количество карбидов. При этом определяющим условием износа детали является удельная нагрузка. Так, при абразивном износе с большими удельными нагрузками наибольшей износостойкостью обладает мартенситная основа с вкрапленными в неё карбидами, а при небольших удельных нагрузках – аустенитная структура с избыточными твёрдыми карбидами.

Кроме указанных факторов на износостойкость наплавочных материалов большое влияние оказывает содержание углерода, который является важнейшим элементом, определяющим структуру и многие физико-механические свойства. Так, в исследовании [10] ярко выражена тенденция повышения износостойкости c увеличе­нием содержания углерода в электродной проволоке от 0,08 до 1,2%. В условиях граничного трения скольжения и при трении о наждачную шкурку легирующие элементы хром (Cr) и марганец (Mn) оказывают благоприятное влияние на износостойкость.

Однако в работе [8] приводятся данные, свидетельствующие о том, что высокая степень легированности не гарантирует хорошую износостойкость в абразивной среде и подчеркивается, что увеличение износостойкости может быть достигнуто при сочетании легирования с оптимальным структурным состоянием. В исследова­ниях [3] говорится, что легирующие присадки (хром, марганец, вольфрам и т. д.) при легких режимах изнашивания (трение качение с абразивом) не оказывают существенного влияния на износостойкость сплавов, а главным является содержание углерода. А при тяжелых режимах изнашивания и сильном нагреве легирующие элементы являются главными факторами, определяющими износо­стойкость сплавов.

Исследования [11] показывают, что важнейшими характеристиками износостойкости наплавочных материалов являются прочность, микротвёрдость и ударная вязкость. Но повышение микротвёрдости путем увеличения содержания карбидов приводит к падению удар­ной вязкости. Поэтому автор предлагает для повышения износостой­кости увеличивать содержание карбидов и одновременно повышать, пу­тем легирования, прочность и ударную вязкость основы.

[12] рассматривает износостойкость как комплексную характеристику, определяющую прочностные свойства, твёрдость, свойства абразивной массы и условия изнашивания.

Из всего вышесказанного следует, что сопоставление показателей износостойкости и любого другого признака, характеризующего качество наплавки, приводит к тому, что можно указать достаточное количество исследований, одни из которых подтверждают прямую, а другие – обратную связь между этими характеристиками. Очевидно, что в различных условиях изнашивания соответствующих разным преобладающим формам разрушения, наблюдается различная связь между качественными характеристиками наплавок.

Снижение усталостной прочности наплавленных деталей проис­ходит вследствие трещин и пор, резких стыков структур, играющих роль концентраторов напряжений, остаточных растягивающих напря­жений, которые достигают 250…450МПа. По данным профес­сора [13] усталостная прочность понижается на 36…40%.

Структурная неоднородность приводит к значительным коле­баниям твердости наплавленного металла, что, по-видимому, влияет на износостойкость и прочность восстановленной детали.

Кроме того, наблюдается значительное снижение ударной вязкости наплавки. Так, в исследовании [14] указывается, что при электроимпульсной наплавке ударная вязкость снижается на 70…85%. Причина столь резкого снижения ударной вязкости заключается в высокой концентрации напряжений вокруг дефектов наплавки, что и предопределяет склонность к хрупкому разрушению.

Основным требованием к упрочняющей технологии при восста­новлении деталей машин является обеспечение такого сочетания ме­ханических свойств наплавленного слоя, которое гарантировало бы высокую усталостную прочность активных поверхностных слоев.

Правильность выбора метода упрочняющей технологии опреде­ляется, прежде всего, пониманием сущности упрочнения и износа как главной причиной выхода деталей из строя. Так как основная доля износа контактирующих поверхностей связана с процессом их диспергирования при пластической деформации, то, очевидно, повышение сопротивления металла пластической деформации должно привести к уменьшению интенсивности изнашивания.

Действительно, исходя из усталостной теории износа, можно предположить, что состояние «предразрушения», наступающее после исчерпывания пластических свойств активных слоев и характеризующееся появлением микротрещин и разрывов, можно отдалить во времени увеличением «запаса» пластичности с одновременным повышением прочности материала.

На современном уровне развития науки о строении твердого тела наиболее полное представление о его прочностных характе­ристиках и о процессах, происходящих в металлах при пластической деформации, можно составить лишь исходя из сведений о строе­нии реальных кристаллов, описываемых с помощью теории дислока­ций [15, 16]. Громадное расхождение в величинах теоретичес­кой и реальной прочности металлов объясняется тем, что в сопротивлении действию внешних сил участвуют связи небольшой доли атомов, т. е. скольжение распространяется последователь­но, а не одновременно. Это, в свою очередь, определяется присутст­вием в реальных кристаллах дефектов кристаллического строения – дислокаций, которые, находясь на плоскостях скольжения, перемещают­ся постепенно, способствуя сдвигам на них (одновременного разрыва атомных связей при этом не происходит).

На основе теории дислокаций было высказано предположение относительно возможности повышения прочности металлов, которая заключается в повышении степени одновременности участия связей атомов в сопротивлении действии внешних сил. В этом направлении существует два решения [16]:

    увеличение плотности дефектов кристаллического строения с равномерным их распределением в объеме металла; получение монокристаллов с близким к идеальному строению кристаллической решётки.

В соответствии с представлением теории несовершенств кристаллического строения, которая рассматривает пластическую де­формацию как процесс создания и движения дислокаций, прочность определяется напряжением, которое необходимо для движения дислокаций. В связи с этим, несмотря на многообразие существующих способов повышения прочности сплавов, в их основе лежит создание различных барьеров, препятствующих движению дислокаций.

Поскольку основным  содержанием процесса трения является пластическая деформация, то основные закономерности дислокационной теория разрушения применимы для исследования сущности процессов, происходящих при изнашивании. Следовательно, можно ожидать, что средства, направленные на ограничение перемещения дислокаций и увеличивающие степень равномерности их распределения в объёме металла, должны способствовать повышению износостойкости материа­лов. Особенности дислокационной структуры упрочненного состояния создаются различными методами, основные из которых – пластическая деформация, рациональное легирование и термическая обработка. Очевидно, что рациональное комбинирование различных методов при­ведет к ещё большим структурным изменениям, предопределяющим высо­кие механические свойства. Это и послужило базой для создания термомеханической обработки, которая использует в своей основе основные положения теории фазовых превращений и пластической деформации.

Список литературы

, Малыгин износостойкости наплавленных сплавов при трении качения с абразивом // Вестник машиностроения. 1965. № 1. С. 23 – 26. , Бабичев изнашивания металлов. Изд-во АН СССР, 1953. Боголюбов землеройных и дорожных машин. М.: Машиностроение, 1964. Казак относительной износостойкости металлопокрытий, нанесённых вибродуговым способом // Тр. Оренбургского с.-х. института. Т. 17. 1967. Колесов наплавочных сплавов при работе в абразивной среде // Сварочное производство. 1960. № 11. С. 45 – 47. Шадричев износостойкость и прирабатываемость металлопокрытий // Вестник машиностроения. 1960. № 9.  С. 31 – 35. Шадричев выбора рационального способа восстановления автомобильных деталей металлопокрытий. М.: Машгиз, 1962. , Василенко металла при абразивном. МиТОМ. № 5. 1961. Походня способы наплавки деталей износостойкими сплавами. М.: Машгиз, 1959. ,   Исследование износостойкости металла наплавленного вибродуговым способом // Тр. Башкирского с.-х. института механизации. Т. 13. Ч. 4. Уфа, 1968. Львов деталей строительных и дорожных машин. М.: Машгиз, 1962. Ткачёв теоретические вопросы упрочнения быстроизнашивающихся деталей почвообрабатываемых машин // Повышение долговечности деталей с.-х. машин. Вып. 13. Ростов н/Д, 1968. Казарцев машин. М.: Сельхозиздат, 1961. Доценко способы наплавки металла при ремонте автомобильных деталей. М.: Автотрансиздат, 1961. Коттрел и пластические свойства кристаллов. М.: Иностранная литература, 1958. Одинг дислокации в металлах и её применение. М.: АН СССР, 1969.