18_Kaplun.doc Дослідження зносостійкості конструкційних сталей в водному середовищі при терті в парі з пропиленом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 118 Каплун В.Г, Паршенко К.А. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна ДОСЛІДЖЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ КОНСТРУКЦІЙНИХ СТАЛЕЙ В ВОДНОМУ СЕРЕДОВИЩІ ПРИ ТЕРТІ В ПАРІ З ПРОПИЛЕНОМ В даний час в техніці досить часто мають місце застосування пар тертя "метал - полімер". Зок- рема такі пари тертя застосовуються в обладнанні харчової і текстильної промисловості, в побутовій тех- ніці, в водяних і газоперекачуючих насосах тощо. В процесі тертя таких пар відбувається зношування не тільки полімерних матеріалів, але і мета- лів. Дослідження багатьох авторів[1 - 5] показують, що в умовах сухого тертя і в агресивних середови- щах відбувається корозійно-механічне зношування металів не тільки від впливу середовища. але і від аг- ресивних елементів і речовин, що утворюються при диструкції полімерів в процесі тертя. З метою під- вищення зносостійкості металів в парі тертя з полімерами їх поверхню зміцнюють, підвищуючи не тіль- ки твердість, але й корозійну стійкість поверхні. Одним з ефективних способів підвищення зносостійкості чорних металів в цьому випадку є іонне азотування [6 - 8], яке дозволяє не тільки збільшувати твердість поверхневих шарів, але значно під- вищувати їх корозійну стійкість за рахунок утворення нітридів заліза та легуючих елементів. Методика експериментальних досліджень Нами проведені порівняльні експериментальні дослідження зносостійкості сталей 12ХН3А, У8 і ХВГ в парі з поліпропиленом в середовищі дистильованої води. Дослідження зношування проводилися на машині торцового тертя ковзання при тиску 2 МПа та швидкості ковзання 0,8 м/с. Таблиця 1 Твердість поверхні сталей після азотування в тліючому розряді в безводневих середовищах за різними технологічними режимами Параметри технологічного режиму азотування Твердість поверхні після азотування в МПа Ре ж им аз от ув ан ня № п /п те м пе ра ту ра Т °С тиск Р, Па ч ас аз от ув ан ня τ, х в вміст Аr в суміші % Аr сталь 12ХН3А сталь ХВГ сталь У8 1 570 320 185 57 8980 7120 6520 2 510 320 185 57 9800 6940 4980 3 570 160 185 19 10950 6980 5520 4 510 160 185 19 10140 6890 4810 5 570 320 75 19 7850 6130 6610 6 510 320 75 19 6900 5930 4160 7 570 160 75 57 8780 6730 5830 8 510 160 75 57 10920 6690 4320 9 480 240 130 38 10630 4340 5450 10 600 240 130 38 8210 7770 5880 11 540 80 130 38 7750 5520 5470 12 540 400 130 38 7880 6690 5890 13 540 240 20 38 11100 7320 6310 14 540 240 240 38 9990 6780 5810 15 540 240 130 0 10200 6060 4950 16 540 240 130 76 11640 5760 4080 17 540 240 130 38 11630 7570 5700 18 540 240 130 38 11610 7490 5640 19 540 240 130 38 11670 7520 5650 20 540 240 139 38 11660 7590 5670 Експериментальні зразки сталей зміцнювалися методом азотування в тліючому розряді в безвод- невих насичуючих середовищах (сумішах азоту з аргоном в певних співвідношеннях) за різними техно- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження зносостійкості конструкційних сталей в водному середовищі при терті в парі з пропиленом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 119 логічними режимами, що дало можливість отримувати на поверхні різний фазовий склад (нітриди Fe2-3N, Fe4N в різних кількостях і співвідношеннях з α - фазою) та різні товщину і твердість азотованого шару. Властивості азотованого шару змінювались з допомогою 4 - х технологічних параметрів процесу азоту- вання (температури Т °С, тиску Р Па, складу насичуючого середовища і часу дифузійного насичення τ хв), які змінювалися в широких межах: температура Т віл 500 до 600 °С, тиск Р від 80 до 400 Па, вміст Аr в суміші з азотом від 0 до 76 %, час дифузійного насичення τ від 20 до 240 хв ( табл. 1). В процесі до- сліджень використовувався метод планування експериментів (4 - х факторний план Хартлі) [9]. Знос зразків вимірювався періодично після певного шляху тертя з допомогою спеціального при- строю. Похибка вимірювань складала 1 мкм. Математичний опис зносу від технологічних параметрів процесу азотування здійснювалося рег- ресивною моделлю у вигляді квадратичного полінома [9]: ( ) ∑ ∑ ∑∑ = = − = β+β+β+β=ϕ n i n i n i jiijiiiii xxxxx 1 1 1 1 2 0 , (1) де ( )xϕ – функція відзову (вихідна змінна – знос U); β ,0 iβ ,, iiβ ,, ijβ – коефіцієнти рівняння регресії; ji xx , – незалежні змінні величини (параметри технологічного процесу). Результати експериментальних досліджень На рис. 1 наведені результати досліджень зносу зразків із сталей 12ХН3А, У8 і ХВГ до і після азотування в тліючому розряді в безводневих насичуючих середовишах за різними технологічними ре- жимами в умовах проведення експериментів. а б в Рис. 1 – Кінетика зношування зразків із різних сталей після азотування в тліючому розряді за різними режимами (табл.1): а – сталь ХВГ; б – сталь 12ХН3А; в – сталь У8 Результати експериментальних досліджень показали, що застосування азотування в тліючому розряді для зміцнення поверхні сталей в умовах тертя в парі з поліпропиленом дозволяє на порядок під- вищити їх зносостійкість в порівнянні з неазотованою сталлю.. При цьому зносостійкість азотованої ста- лі залежить від властивостей азотованого шару, які формуються технологічним режимом азотування і змінюються в широких межах. Так, наприклад, для сталі 12ХН3А (рис. 1, б) знос зразків після азотування за режимом 6 після шляху тертя 200 км в 6,3 раз, а для сталі У8 (рис. 1, в) в 8,5 раз менший ніж для зраз- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження зносостійкості конструкційних сталей в водному середовищі при терті в парі з пропиленом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 120 ків, що азотувалися за режимом 10. Подібна картина спостерігається і для сталі ХВГ. Слід зазначити, що самий великий вплив на величину зносу зразків мали режими азотування в період припрацювання. В цей період експлуатації відбувається утворення і формування вторинних структур, які екранують поверхні тертя від схоплення, зменшуючи адгезійну складову сили тертя. Вторинні структури представляють со- бою нову структуру, яка спонтанно утворюються при терті в результаті взаємодії поверхневих шарів твердих тіл, мастильних матеріалів та газового середовища. Вторинним структурам характерні антифрикційні властивості та підвищені характеристики міцності, які мінімалізують знос. Тонкі плівки вторинних структур відрізняються від вихідних матеріалів складом, структурою, властивостями. Форму- вання вторинних структур − це термодинамічний акт пасивації активованих тертям поверхневих шарів твердих тіл. Вторинні структури, які утворюються в процесі тертя, захищають вихідний матеріал від механічної і фізико - хімічної деструкції. Зовнішні механічні чинники, що діють на поверхні тертя, при- зводять до руйнування екрануючої структури, але в той же час ці чинники і спряжені процеси переносу речовини із середовища забезпечують її регенерацію. В діапазоні нормального тертя процеси утворення і руйнування вторинних структур знаходяться в динамічній рівновазі і саморегулюються. На швидкість утворення і формування вторинних структур, їх структуру та хімічний склад вели- кий вплив має фазовий склад азотованих шарів, що утворюються при азотуванні. При різних режимах азотування фазовий склад поверхні різний. Після завершення періоду припрацювання, коли сформували- ся вторинні структури на поверхнях тертя, наступає період нормального зношування, в процесі якого знос зразків ,що азотувалися за різними режимами, зменшується і його величина не так різко відрізня- ється ,як в період припрацювання (рис. 1). На основі проведених експериментів одержані емпіричні залежності зносу азотованих шарів до- сліджуваних сталей 12ХН3А (2), У8 (3) і ХВГ (4) від технологічних параметрів процесу азотування, які навелені нижче: U =6,62 + 5,66 Х1 + 1,0 Х2 – 0,5 Х3 – 0,5 Х4 +14,89 Х12 + 6,89 Х22 + + 5,39 Х32 + 7,39 Х42 +7,85 Х1Х2 – 1,65 Х1Х3 + 1,15 Х1Х4 – 0,35: Х2Х3 + (2) + 18,85 Х2Х4 – 5,65 Х3Х4; U =5,37 + 7,06 Х1 + 2,0 Х2 – 0,5 Х3 – 1,0 Х4 +8,62 Х12 + 7,87 Х22 + + 6,87 Х32 + 7,87Х42 +2,75 Х1Х2 + 2,25 Х1Х3 – 3,75 Х1Х4 – 5,25 Х2Х3 + (3) + 6,25 Х2Х4 – 7,25 Х3Х4; U = 3,62 + 2,44Х1 + 4,25 Х2 +1,0 Х3 – 0,5 Х4 +12,94 Х12 + 13,69 Х22 + + 8,94 Х32 + 11,44 Х42 – 0,75 Х1Х2 – 3,75 Х1Х3 – 13,25 Х1Х4 + 11,75 Х2Х3 + (4) + 16,25 Х2Х4 – 5,25 Х3Х4, де 60 540 1 − = T X ; 160 240 2 − = P X ; 110 130 3 −τ =X ; 38 38% 4 − = Ar X . З допомогою рівнянь (2), (3), (4) можна одержати графічні залежності зносу від технологічних параметрів процесу азотування для кожного з режимів зміцнення поверхні для кожної з досліджуваних сталей, на основі яких знаходимо оптимальні режими азотування за критерієм мінімального зносу. При- клад таких залежностей для сталі У8 наведені на рис. 2. р: 1 – 80 Па; 2 – 160 Па; 3 – 240 Па; 4 – 320 Па; 5 – 400 Па а τ: 1 – 20 хв; 2 – 75 хв; 3 – 130 хв; 4 – 185 хв; 5 – 240 хв б PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження зносостійкості конструкційних сталей в водному середовищі при терті в парі з пропиленом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 121 T: 1 – 480 оС; 2 – 510 оС; 3 – 540 оС; 4 – 570 оС; 5 – 600 оС в % Ar: 1 – 0 %; 2 – 19 %; 3 – 38 %; 4 – 57 %; 5 – 76 % г Рис. 2 − Вплив параметрів технологічного процесу азотування на зносостійкість сталі У8 Для забезпечення максимальної зносостійкості в конкретних умовах експлуатації необхідні оп- тимальні властивості азотованого шару для кожної з марок сталей. Для умов тертя, в яких проводилися експерименти, на основі рівнянь (2), (3). (4) одержані оптимальні режими азотування досліджуваних ста- лей, що забезпечують їх максимальну зносостійкість Такими режимами є: - для сталі 12ХН3А: температура азотування − 525 ºС, тиск − 80Па, тривалість насичення − 180 хв, вміст аргону − від 38 % до 57 %; - для сталі ХВГ: температура азотування від 510 ºС до 520 ºС, тиск − 100Па, тривалість насичен- ня − 180 хв, вміст аргону − 57 %; - для сталі У8: температура азотування − 550 ºС, тиск − 80Па, тривалість насичення − 150 хв, вміст аргону 76 %. Твердість поверхні сталей після азотування в тліючому розряді за оптимальними режимами мала наступні значення: сталь 12ХН3А – 7820 МПа; сталь ХВГ – 6940 МПа; сталь У8 – 6910 МПа. Порівнюючи ці значення твердості зі значеннями твердості поверхні азотованих шарів (табл. 1), ми ба- чимо, що не завжди максимальна твердість поверхні тертя забезпечує її максимальну зносостійкість і, зокрема, в умовах проведення експериментів – корозійному середовищі. Для таких умов експлуатації неабхідне оптимальне співвідношення між твердістю, пластичністю і фазовим складом азотованого ша- ру, що досягається при оптимальному режимі азотування. На рис. 3 наведені залежності зносу сталей 12ХН3А, ХВГ, і У8 від технологічних параметрів дифузійного насичення при оптимальному режимі азотування, з якого видно вплив кожного з параметрів на величину зносу та їх оптимальні значення. Зміна умов експлуатації приведе до зміни величини зносу і для його мінімізації неохідний буде інщий оптимальний режим азотування. а б PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження зносостійкості конструкційних сталей в водному середовищі при терті в парі з пропиленом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 122 в Рис. 3 − Залежність зносу сталей 12ХН3А (а), ХВГ (б), У8 (в) від технологічних параметрів азотування в тліючому розряді в безводневому середовищі Висновки Застосування технології азотування в тліючому розряді в безводневих середовищах для зміцнення поверхні сталей в парі тертя з полімером в середовищі дистильованої води дозволяє підвищити зносостійкість сталей більш ніж на порядок в порівнянні з неазотованими сталями. Технологічні параметри процесу азотування дозволяють змінювати властивості азотованого ша- ру та його зносостійкість в широких межах, що дає можливість їх оптимізації за критерієм максимальної зносостійкості з врахуванням реальних умов експлкатації. На основі експериментальних досліджень знайдені оптимальні режими азотування в тліючому розряді сталей 12ХН3А, ХВГ, У8. Оптимальні режими азотування сталей, що забезпечують їх максимальну зносостійкість в реаль- них умовах експлуатації, різні для різних сталей Література 1. Поверхностная прочность металлов при трении / Под общ. Редакции Б.И. Костецкого. – К.: Техника, 1976, – 292 с. 2. Силин В.А. Динамика процессов переработки пластмасс в червячных машинах / В.А. Силин. – М.: Машиностроение, 1972. – 150 с. 3. Гороховський Г.А. Поверхностное диспергирование динамически контактирующих полиме- ров и металлов. – К.: Наукова думка, 1972 – 238 с. 4. Meridies R. Plastverarbeiter / R. Meridies, F.Bassner // 1970. – Bd. 21. - №7. – S. 617-623. 5. Гладченко А.Н. Износостойкость оборудования для переработки полимерных материалов / А.Н. Гладченко, В.Г. Зверлин, С.Д. Петренко, И.В. Шевеля. – М.: Машиностроение, 1992. – 256 с. 6. Арзамасов Б.Н. Химико - термическая обработка металлов в активизированных газовых сре- дах. – М.: Машиностроение, 1979. – 224 с. 7. Лахтин Ю.М. Азотирование стали / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган // М.: Машиностроение, 1976. – 256 с. 8. 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. 9. Красовский Г. И. Планирование эксперимента /Г.И. Красовский, Г.Ф.Филаретов / Минск: Изд. БГУ, 1982. – 302с. Надійшла 02.11.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com