Підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення іонним азотуванням Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 15 Каплун П.В. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: kaplunpavel@gmail.com ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ТА ДОВГОВІЧНОСТІ ПІДШИПНИКІВ КОЧЕННЯ ІОННИМ АЗОТУВАННЯМ УДК:621.726 В статі наведені результати експериментальних досліджень зносостійкості та довговічності кулькових під- шипників кочення з сталі ШХ15 в мастилі при навантаженнях на кульку 150 Н після іонного азотування в безводне- вих середовищах за різними технологічними режимами. На основі планування експериментів одержано математична залежність впливу технологічних параметрів процесу азотування на зношування і довговічність підшипників кочен- ня. Визначено оптимальний режим азотування за критерієм максимальної зносостійкості і довговічності підшипників. Ключові слова: підшипник кочення, кулька, іонне азотування, зношування, довговічність. Вступ Підвищення зносостійкості і довговічності підшипників кочення є важливою задачею машино- будування. Найбільш поширена причина відмов підшипникових вузлів загального призначення, що пра- цюють в автомобілях, тракторах, насосах, редукторах, станках, під’ємно-транспортному обладнанні – втомне руйнування [1, 2]. Поряд з цим не менш важливими є процеси зношування, що відбуваються в пі- дшипниках кочення. Величина зносу доріжок і тіл кочення в процесі експлуатації безпосередньо впли- вають на довговічність підшипників кочення. При експлуатації важко навантажених підшипників кочен- ня в місцях контакту кульок з кільцями на доріжці кочення діють великі контактні напруження, що при- водять до виникнення пластичних деформацій на поверхні, зміни мікротвердості і утворення наклепу в поверхневих шарах матеріалу. Це негативно впливає на довговічність підшипників кочення. Як показує аналіз досліджень [3, 4], чим нижчі фізико-механічні властивості поверхневих шарів доріжок кочення у вихідному стані, тим швидше відбувається процес пластичного деформування (вичер- пується запас пластичності) і більшою є швидкість зміцнення, раніше завершуються структурні перетво- рення і наступає межа насичення. Ця межа визначається мікротвердістю поверхні. Тому мікротвердість поверхні доріжки кочення рекомендують використовувати як деформаційний критерій руйнування мета- лу поверхневих шарів кілець підшипників кочення і за його допомогою оцінювати довговічність остан- ніх, не проводячи довгих ресурсних випробувань [3]. Під дією циклічного навантаження в структурі матеріалу виникають мікропластичні деформації, при вичерпані яких утворюються мікротріщини. Вони зростають зі збільшенням кількості циклів наван- таження і приводять до руйнування поверхні кочення. Стримування пластичних деформацій на доріжці кочення можна досягти збільшенням твердості матеріалу [5]. Проте слід враховувати, що зі збільшенням твердості матеріалу підвищується його крихкість і перевищення певних меж твердості на доріжці кочен- ня приводить до зниження контактної витривалості матеріалу. Одним із перспективних напрямків підвищення зносостійкості і довговічності підшипників ко- чення є зміцнення поверхні матеріалу нанесенням дифузійних покриттів методами хіміко-термічної об- робки і, зокрема, методом іонного азотування в безводневих середовищах. Даний метод забезпечує утво- рення на поверхні дифузійних шарів різної твердості та різного фазового складу і виключає шкідливий вплив водню на міцність матеріалу [6]. Методика досліджень Проводилися експериментальні дослідження зносостійкості і довговічності кулькових упорних підшипників кочення серії 8205 (сталь ШХ15) в мастилі І-20 на спеціальному стенді при навантаженні на кульку 150 Н (максимальні контактні напруження 3180 МПа). Кільця підшипників азотувалися в плазмі тліючого розряду в безводневих середовищах (сумішах азоту з аргоном) за різними технологічними ре- жимами Технологічні параметри процесу азотування змінювалися в широких межах (температура азоту- вання Т = 480 – 600 °С; тиск в вакуумній камері Р = 80 – 400 Па; час дифузійного насичення  = 20 – 240 хв; вміст аргону в суміші з азотом Ar = 0 – 76 %). В процесі досліджень вимірювалися знос та мікротвер- дість на доріжці кочення. Для скорочення кількості експериментів при дослідженні впливу зазначених вище технологічних параметрів на зносостійкість і довговічність підшипників було застосовано метод планування експериментів – 4-х факторний план другого порядку Хартлі [7], відповідно до якого азоту- вання проводилося за 17 режимами (табл. 1). При цьому математична залежність зносостійкості підшип- ників від технологічних параметрів процесу азотування описується рівнянням регресії , яке має вид:  2444 2 333 2 222 2 111443322110)( xxxxxxxxx Підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення іонним азотуванням Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 16 433442243223411431132112 xxxxxxxxxxxx  , (1) де )( x – функція відклику (вихідна змінна); ijiii  ,,,0 – коефіцієнти рівняння регресії; ji xx , – незалежні змінні величини (фактори). Величина зносу в підшипниках кочення являє собою суму пластичної деформації поверхні мате- ріалу від контактного навантаження на кульку і зношування від проковзування кульок. Дослідженнями [8] встановлено, що в упорних кулькових підшипниках серії 8205 при навантаженні на кульку 150 Н і ко- ловій швидкості рухомого кільця 1,2 м/с коефіцієнт проковзування складає 0,036, а швидкість проковзу- вання 0,054 м/с. Довговічність підшипників визначалася по кількості циклів навантаження до початку викришування на доріжці кочення за формулою (2): ,znTN  (2) де T – час випробувань в хв.; n – частота обертання підшипника; z – кількість кульок в підшипнику. Результати досліджень Дослідження показали (табл. 1), що інтенсивність зношування підшипників після різних режимів азотування змінювалася в широких межах від 6,52·10-11 до 22,29·10-11. При цьому мікротвердість, товщи- на та фазовий склад азотованих шарів теж змінювалися в широких межах. В залежності від їх величини та співвідношення ми одержували різну довговічність підшипників, що змінювалася від 22,5·106 до 29,9·106 циклів. Це свідчить про те, що властивості азотованого шару можна оптимізувати для одержання максимальної зносостійкості і довговічності підшипників кочення. Таблиця 1 Вплив технологічних режимів іонного азотування на товщину hп і мікротвердість Н100 азотованого шару сталі ШХ15 та інтенсивність зношування упорних підшипників в мастилі при навантаженні на кульку 150 Н Значення факторів режиму азотування № р еж им у аз от ув ан ня Т, °С Р, Па τ, хв. об. % Ar hп, мкм Н100, МПа Інтенсивність зносу, І · 10-11 Довговічність N · 106 1 570 320 185 57 317 8248 9,080 28,48 2 510 320 185 57 230 7828 14,424 25,49 3 570 160 185 19 306 9110 8,564 28,77 4 510 160 185 19 218 7450 17,139 25,02 5 570 320 75 19 248 9105 17,280 24,98 6 510 320 75 19 162 7970 22,291 22,60 7 570 160 75 57 216 8660 10,788 27,95 8 510 160 75 57 171 7115 19,697 23,85 9 480 240 130 38 158 6680 16,959 25,11 10 600 240 130 38 312 9060 6,525 29,90 11 540 80 130 38 188 7440 14,013 26,46 12 540 400 130 38 280 9190 16,966 25,10 13 540 240 20 38 120 8249 14,875 26,06 14 540 240 240 38 300 8591 11,377 27,67 15 540 240 130 0 277 8374 22,098 22,74 16 540 240 130 76 233 7902 16,456 25,34 17 540 240 130 38 276 8780 11,887 27,44 На основі експериментальних даних одержана емпірична залежність (3) інтенсивності зношу- вання упорних підшипників кочення із сталі ШХ15 від технологічних параметрів процесу іонного азоту- вання. Підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення іонним азотуванням Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 17  24 2 3 2 2 2 14321 5,78,36,614,03,50,58,18,216( xxxxxxxxІ 11 434232413121 10)9,19,117,75,03,51,6  xxxxxxxxxxxx , (3) де   60 540 1   T x ;   160 240 2   P x ;   110 130 31  x ;   38 38Ar 4  x . Використовуючи рівняння (3), на рис. 1 наведені залежності інтенсивності зношування упорних підшипників кочення в залежності від технологічних параметрів процесу іонного азотування з якого ви- дно, що технологічні параметри мають великий вплив на інтенсивність зношування, змінюючи її в широ- ких межах. Це дозволяє оптимізувати процес дифузійного насичення за критерієм максимальної зносо- стійкості і довговічності підшипників. Визначено оптимальний режим іонного азотування (Т = 600 °С; Р = 200 Па;  = 240 хв.; середовище 43 % N2 + 57 % Аr), що забезпечив мінімальну інтенсивність зношу- вання І = 3,45 · 10-11 та найвищу довговічність 31,4 · 106 циклів. Рис. 1 – Залежність інтенсивності зношування сталі ШХ15 в мастилі І-20 від технологічних параметрів іонного азотування в безводневому середовищі при навантаженні на кульку 150 Н На основі проведених нами фактографічних досліджень встановлено, що руйнування поверхні кочення зразків з покриттями при їх багатоцикловому випробуванні на тертя кочення з проковзуванням відбувається викришення і відшарування частинок матеріалу поверхневого шару. В результаті утворю- ють раковини глибиною від 150 до 160 мкм (рис. 2). Підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення іонним азотуванням Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 18 × 75 × 150 а б Рис. 2 – Характер зношування азотованої за режимом 1 (табл.. 1) сталі ШХ15 після випробувань на тертя кочення при навантаженні на кульку 150 Н: а – доріжка кочення; б – поперечний переріз У зв’язку з цим поверхня кочення швидко руйнується і стає непридатною до подальшої експлуа- тації (катастрофічне руйнування). Під дією великих навантажень величина зносу від пластичної дефор- мації є переважаючою в сумарному зношуванні при коченні з проковзуванням. Руйнування доріжки ко- чення відбувається у результаті втоми поверхневих шарів композиції “покриття-основа” під дією цикліч- ного навантажень з великою частотою. Процес зношування при багатоцикловому навантаженні в процесі кочення поділяється на три стадії: 1 – припрацювання; 2 – накопичення пошкоджень; 3 – руйнування. В азотованих шарах загарто- ваної сталі ШХ15 у початковий період (до 0,01·106 циклів, стадія припрацювання) відбувається перебу- дова структури поверхні азотованого шару, що приводить до часткового (до 15 %) пониження твердості. При подальшому циклічному навантаженні відбувається ущільнення структури поверхневого шару і під- вищення його мікротвердості до максимального значення (стадія накопичення пошкоджень), що на 10 - 15 % перевищує мікротвердість поверхні до початку випробувань. Така мікротвердість зберігається на протязі значної кількості циклів навантаження. На стадії руйнування мікротвердість на доріжці ко- чення значно знижується (табл. 2). Таблиця 2 Кінетика зношування сталі ШХ15 без термообробки та з різними покриттями при випробуваннях на тертя кочення (навантаженні на кульку 150 Н) Сталь без термообробки Сталь азотована режим 2 Сталь азотована режим 1 + оксидування 30 хв. № п /п Кількість циклів, N· 106 Знос U, мкм Мікротвердість доріжки кочення Н100, МПа Знос U, мкм Мікротвердість доріжки кочення Н100, МПа Знос U, мкм Мікротвердість доріжки кочення Н100, МПа 1 0 0 3440 0 7860 0 6140 2 0,01 17 3350 10 6500 9 5100 3 0,05 22 3240 15 7580 13 6500 4 0,1 30 3450 17 7600 15 6200 5 0,2 41 3550 18 7550 16 6600 6 0,3 42 3800 19 7860 17 6900 7 0,4 43 3880 20 8100 19 6850 8 0,5 44 3640 21 8150 20 6860 9 0,6 45 3500 22 8400 21 6870 10 0,7 46 3450 23 8720 21,5 7060 11 0,8 24 7880 22 7500 12 0,9 25 7800 22,5 7050 13 1,0 23 6640 14 1,1 23,5 6530 Руйнування, пітинг Руйнування, пітинг Руйнування, пітинг Підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення іонним азотуванням Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 19 Слід відзначити, що на величину пластичної деформації при дії нормального навантаження ве- ликий вплив має твердість основи, на яку опирається азотований шар. При малій твердості основи і ве- ликому навантаженні на тіла кочення різко збільшується пластична деформація поверхні кочення, що обумовлює швидке руйнування азотованого шарую. Це підтверджується при азотуванні сталей без попе- редньої термічної обробки. Загартовані сталі при азотування одержують високотемпературний відпуск, при якому зменшується твердість серцевини, що приводить до зменшення ефекту від азотування. Зокре- ма, мікротвердість серцевини загартованої сталі ШХ15 після іонного азотування при температурі 570 °С зменшилася з 7100 МПа до 5900 МПа. Це обумовило збільшення пластичної деформації і інтенсивності зношування на доріжці кочення при певних режимах азотування (з малою товщиною та малою твердістю азотованого шару) в порівнянні з загартованою сталлю. Зменшення зносу та збільшення довговічності сталі ШХ15 після оксиазотування (табл. 2) пояснюється тим, що на твердий азотований шар нанесено тонка оксидна плівка меншої твердості, яка сприяла зменшенню контактних напружень за рахунок збі- льшення площадки контакту [6]. На величину пластичної деформації та на величину і швидкість зміни мікротвердості на поверхні суттєво впливають фізико-механічні характеристики покриття (товщина, мікротвердість, градієнт мікро- твердості по глибині та фазовий склад азотованого шару). Ці кінетичні показники зменшуються з підви- щенням мікротвердості та товщини покриття і зменшенням градієнта твердості по глибині. Відомо, що з підвищенням твердості збільшується крихкість. Тому для кожного виду покриттів є оптимальне співвід- ношення твердості і пластичності, при якому не відбувається крихкого руйнування при коченні в конкре- тних умовах експлуатації. Нашими дослідженнями встановлено, що для азотованих дифузійних покрит- тів при випробуванні в середовищі мастила таке співвідношення досягається при мікротвердості поверх- невого шару 7600 - 7800 МПа і відсутності моношару крихкої  - фази. Оптимальний технологічний ре- жим азотування, що забезпечив максимальну зносостійкість досліджуваних підшипників кочення, дав такі властивості азотованого шару: мікротвердість поверхні 7800 МПа, товщину 350 мкм, фазовий склад: 28%  -фази + 54 % ' + 18 % Fe . Висновки Таким чином проведені дослідження показали, що іонне азотування в безводневих середовищах суттєво зменшує інтенсивність зношування і в 1,25 рази підвищує довговічність підшипників кочення з сталі ШХ15 при азотуванні за оптимальним технологічним режимом в порівнянні з традиційною техно- логією їх виготовлення. Для забезпечення більшої довговічності підшипників кочення необхідно щоб азотований шар мав велику товщину, оптимальний фазовий склад та лягав на основу великої твердості. Література 1. Галахов М.А. Расчет подшипниковых узлов / М.А Галахов, А.Н. Бурмистров // М.: Машиност- роение, 1988. – 272 с. 2. Спришевский А.И. Подшипники качения // М.: Машиностроение, 1968. – 632 с. 3. Зайцев О.В. Структурно-кинетические закономерности микропластических деформаций при- поверхностных слоев деталей подшипников качения в условиях изнашивания. // "Трение и износ". – 1986. – №3. – С. 414-421. 4. Трощенко В.Т. Усталость и не упругость металлов. – К.: Наукова думка, 1971. – 268 с. 5. Трубин Г.К. Контактная усталость материалов для зубчатых колес / Госнаучтехиздат машино- строительной литературы. – Москва. – 1962. – 403 с. 6. Каплун В.Г. Ионное азотирование в безводородных средах / В.Г. Каплун П.В. Каплун // Хме- льницький, ХНУ. – 2015. – 344 с. 7. Красовский Г.И. Планирование эксперимента // Минск: Изд. БГУ, 1982. – 302 с. 8. Каплун П.В. Швидкості проковзування в упорних підшипниках кочення / П. В. Каплун, Я.Т. Кіницький, А.Г. Кузьменко // Журнал "Вісник Технологічного університету Поділля". – 2001. – №1. – С. 110-115. Поступила в редакцію 29.04.2016 Підвищення зносостійкості та довговічності підшипників кочення іонним азотуванням Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 20 Kaplun P. V. Advance of wear resistance and durability of rolling bearings after ion nitriding. The experimental results of wear resistance and durability of the bearings in oil after the ion nitriding in different modes. The bearings are made of steel ShKh15 brand. Stress on bearing ball was equal to 150 N. The equations depending on the wear resistance and durability of the bearings on the technological parameters of ion nitriding process. Detected the optimal technology mode. Keywords: rolling bearings, ion nitriding, resistance and durability of the bearings. References 1. Galahov M.A., Burmistrov A.N. Raschet podshipnikovyih uzlov. M.: Mashinostroenie, 1988. 272 s. 2. Sprishevskiy A.I. Podshipniki kacheniya. M.: Mashinostroenie, 1968. 632 s. 3. Zaytsev O.V. Strukturno-kineticheskie zakonomernosti mikroplasticheskih deformatsiy pripoverh- nostnyih sloev detaley podshipnikov kacheniya v usloviyah iznashivaniya. ‟Trenie i iznos‟, 1986, 7, №3. S.414-421. 4. Troschenko V.T. Ustalost i ne uprugost metallov. K.: Naukova dumka, 1971, 268 s. 5. Trubin G.K. Kontaktnaya ustalost materialov dlya zubchatyih koles./Gosnauchtehizdat mashinos- troitelnoy literaturyi, Moskva, 1962, 403s. 6. Kaplun V.G., Kaplun P.V. Ionnoe azotirovanie v bezvodorodnyih sredah. Hmelnitskiy HNU. 2015. 344s. 7. Krasovskiy G.I. Planirovanie eksperimenta. Minsk: Izd. BGU, 1982, 302 s. 8. Kaplun P.V., Kіnitskiy YA.T., Kuzmenko A.G. SHvidkostі prokovzuvannya v upornih pіdshipnikah kochennya. Jurnal ‟Vіsnik Tehnologіchnogo unіversitetu Podіllya‟. 2001, №1. S.110-115.