17_Matviishin.doc Розрахунок зносостійкості і довговічності градієнтних покриттів при абразивному зношуванні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 116 Матвіїшин П.В., Гончар В.А., Каплун П.В., Каплун В.Г. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна РОЗРАХУНОК ЗНОСОСТІЙКОСТІ І ДОВГОВІЧНОСТІ ГРАДІЄНТНИХ ПОКРИТТІВ ПРИ АБРАЗИВНОМУ ЗНОШУВАННІ Відомо [1 - 4], що зносостійкість чистих металів багатьох сплавів з стабільною структурою в аб- разивному середовищі при відсутності в структурі метастабільних фаз прямопропорційна їх твердості. При цьому величина зносу прямопропорційна роботі сил тертя і обернено пропорційна твердості (рис. 1). В роботі [1] та інших наводяться формули для розрахунку зносу в даних умовах. Проте в літературі не- має формул для розрахунку зносостійкості покриттів з стабільною структурою і градієнтною зміною твердості по глибині. U Hv Рис. 1 – Залежність зносу від твердості для матеріалів з стабільною структурою Для підвищення твердості і зносостійкості поверхонь тертя широко застосовуються методи хімі- ко-термічної обробки – азотування, цементація, борування, карбонітрування та інші. Досвід експлуатації конструктивних елементів при терті в абразивному середовищі показує, що найбільш ефективним мето- дом хіміко-термічної обробки є азотування в тліючому розряді [5 - 8]. Азотовані шари складаються із нітридної зони з стабільною структурою та твердістю і перехід- ної зони (зони внутрішнього азотування) зі змінною твердістю і концентрацією азоту по глибині, які зменшуються від поверхні до основи за експоненціальною залежністю (1) в залежності від технологічних параметрів процесу азотування (рис. 2). 0 Hi H0 Hí Hv hhн hв hi hn 1 2 α P (h H1 н н, ) P (h H2 n 0, ) Рис. 2 – Розподіл твердості по товщині азотованого шару. 1 – по лінійній залежності; 2 – по експоненційній залежності PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Розрахунок зносостійкості і довговічності градієнтних покриттів при абразивному зношуванні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 117 ( ) ( ) in i hh h нi еНHHH − ⋅τ − −+= N,P,T,k 00 , (1) де 0H – твердість основи; 0H – твердість нітридної зони; k – коефіцієнт, що залежить від параметрів технологічного режиму (температури, тиску, азо- тного потенціалу, часу азотування); nh – товщина азотованого шару. Градієнт зміни твердості dh dH по глибині внутрішнього азотування в цьому випадку буде змін- ною величиною. Структура азотованих шарів для великої кількості конструкційних сталей, в тому числі і дослі- джуваних сталей (38ХМЮА, 45 і сталі 20) є стабільною і не включає метастабільних фаз. Тому їх зносо- стійкість підпорядковується прямо пропорційній залежності від твердості. Зношений об’єм азотованого шару при терті в абразивному середовищі можна виразити наступ- ною формулою: cв в H H вH H FL k H FL kVVV . +=+= , (2) де HV і вV – зношені об’єми нітридної зони і зони внутрішнього азотування; k – коефіцієнт, що враховує умови роботи пари тертя (знаходиться експериментально); F – сила тертя; вH LL , – шлях тертя до зносу нітридної зони і зони внутрішнього азотування; cвH . – середнє значення твердості зони внутрішнього азотування нn i св hh dhH Н − = ∫ в н h h .. , (3) де нh і вh – товщини нітридної зони і зони внутрішнього азотування відповідно; iH – твердість азотованого шару на відстані ih від поверхні (рис. 2). Лінійний знос U азотованого шару з врахуванням (2): SH kFL SH kFL S V U в.с. в н н +== , (4) де S – площа поверхні тертя. Інтенсивність зношування нітридної зони буде дорівнювати SH kF I н н ⋅ = . (5) Інтенсивність зношування зони внутрішнього азотування SH kF I св в ⋅ = .. . (6) Для пари тертя «вал-втулка» силу тертя можна виразити через крутильний момент Мкр на валу, або потужністю привода. Тоді: d M F кр 2 = або nd N F ⋅ = η 325 , (7) де d – діаметр вала; N – потужність привода в кВт; n – частота обертання вала за секунду; η – коефіцієнт корисної дії передаточного механізму. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Розрахунок зносостійкості і довговічності градієнтних покриттів при абразивному зношуванні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 118 Тоді інтенсивність зношування за формулами (5) і (6) будуть мати вид: SdН kM I н кр н ⋅⋅ = 2 , SndН Nk I н н ⋅⋅ η⋅⋅ = 253 ; (5′) SdН kM I вс кр в ⋅⋅ = 2 , SndН Nk I вс в ⋅⋅⋅ η⋅⋅ = 253 . (6′) Силу тертя можна виразити формулою: fSPF c ⋅= , (8) де cP – середній тиск н поверхні тертя; f – коефіцієнт тертя. Тоді (4) буде мати вид: в.с. вc н нc H LfPk H LfPk U ⋅⋅⋅ + ⋅⋅⋅ = . (9) Інтенсивність зношування нітридної зони і зони внутрішнього азотування буде мати вирази: н c н Н fkP I = , ..св c в H fkP I = . (10) У випадку, коли зміну твердості по глибині перехідної зони (зони внутрішнього азотування) ап- роксимувати прямолінійною залежністю твердості від товщини вh рівнянням прямої, що приходив через дві задані точки ( )нн НhP ,1 і ( )on НhP ,2 (рис. 2) буде мати вид: нn н н н hh hh HH HH − − = − − 0 . (11) Тоді середнє значення твердості зони внутрішнього азотування всН буде дорівнювати: 2 0НHH нвс − = , (12) де нH і 0Н – твердість нітридної зони і основи відповідно. Градієнт зміни твердості по глибині зони внутрішнього азотування в цьому випадку буде мати постійне значення α= − − = tg n н oн hh HH Grad . (13) Розрахунок зносу азотованого шару за формулами (4) і (9), та інтенсивності зношування зони внутрішнього азотування за формулами (5) і (6) та (5′) і (6′) спрощується. Розрахунки показують, що різ- ниця значень цих величин при експоненційній (1) і прямолінійній (11) залежностях твердості від глибини зони внутрішнього азотування не перевищує 12 %. На рис. 3 наведені загальні залежності зносу і інтенсивності зношування азотованого шару від шляху тертя в абразивному середовищі при прямолінійній і експоненціальних змінах твердості по тов- щині зони внутрішнього азотування. Знаючи товщину нітридної зони нh і зони внутрішнього азотування вh із результатів метало- графічного аналізу азотованого шару, можна знайти його довговічність при зношуванні в абразивному середовищі виражену в протяжності шляху тертя. в в н н вн I h I h LLL +=+= . (14) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Розрахунок зносостійкості і довговічності градієнтних покриттів при абразивному зношуванні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 119 0 U Lв α0 Ln 2α0 αí hн hn L 1 2 0 LвLn I0 L 1 2 Hv а б Рис. 3 – Залежність зносу (а) і інтенсивності зношування (б) азотованого шару від шляху тертя: 1 – при прямолінійній зміні твердості та постійному її градієнті по товщині зони внутрішнього азотування; 2 – при зміні твердості та її градієнті в зоні внутрішнього азотування за експоненціальною залежністю (2.1) З врахуванням (5), (6), (5′) і (6′) формули для визначення довговічності будуть мати вид: ( ) kF SНhHh L в.свнн ⋅⋅+⋅ = , (15) ( ) кр в.свнн Mk SdНhHh L ⋅⋅ ⋅⋅⋅+⋅ = 2 , (16) ( ) η⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅+⋅ = Nk SndНhHh L в.свнн 325 . (17) Таким чином, для розрахунку зносостійкості і довговічності азотованих шарів в абразивному се- редовищі для випадку відсутності метастабільних фаз в структурі азотованого шару необхідно на основ попередніх мікроструктур них досліджень одержати значення товщини азотованого шару та нітридної зони, а також твердості азотованого шару та твердості основи і, задавшись характером розподілу твердо- сті по товщині зони внутрішнього азотування, можна визначити ці величини за наведеними формулами, попереду знайшовши значення коефіцієнту k із експерименту. Література 1. Хрущев М.М. Абразивное изнашивание / М.М. Хрущев, М.А. Бабичев. – М.: Наука. – 1970. – 252 с. 2. Брыков Н.Н. К вопросу о закономерностях сопротивляемости сталей и сплавов абразивному изнашиванию / Н.Н. Брыков, М.Н. Брыков // Problems of Tribology. – 1997. – № 4. – С. 13-20. 3. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абра- зивном изнашивании. – М.: Машиностроение, 1966. – 332 с. 4. Бриков М.Н. Разработка и применение материаловедческих основ повышения износостойко- сти железоуглеродистых сплавов при абразивном изнашивании: Автореферат дис. д-ра техн. Наук: 05.02.01 – К., 2008. – 24 с. 5. Лахтин Ю.М. Азотирование стали / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган // М.: Машиностроение, 1976. – 256 с. 6. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справ. Под ред. Л.С. Ляховича. – М.: Машиностроение, 1981. – 420 с. 7. Каплун В.Г. Прогрессивные технологии упрочнения конструктивных элементов / В.Г. Каплун, П.В. Каплун // В кн. «Современные технологии в машиностроении». Харьков НТУ «ХПИ», 2007. – С. 388-403. 8. Картинский Ц.Т. Технологические параметры ионного азотирования // Вестник машинострое- ния, 1979. - №12. – С. 56-58. Надійшла 27.01.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com