Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Явления износа развиваются в тонких поверхностных слоях, имеющих глубину тысячные и сотые доли миллиметра, поэтому износостойкость деталей, упрочненных борированием, зависит не столько от глубины борированного слоя, сколько от его качества и структуры.
Опыт применения легированных сталей для изделий, подвергающихся интенсивному абразивному изнашиванию, показал отсутствие строгой зависимости между твердостью и износостойкостью. Лучшие результаты получаются, если принимаются во внимание структура и возможный характер разрушения. Например, углеродистые стали со структурой зернистого и пластинчатого перлита при одинаковой твердости (НВ 400 кГ/мм2) значительно различаются по износостойкости. Перлитно-карбидная структура обладает существенно худшей сопротивляемостью износу, чем аустенитно-карбидная. Так, стойкость пресс-форм для алмазно-абразивных инструментов, изготовленных из дисперсионно-твердеющих сталей и сплавов аустенитного класса, оказалась в 5-10 раз выше стойкости инструмента, изготовленного из карбидной стали ЗХ2В8.
Видимо, причиной более высокой сопротивляемости абразивному износу металлов с аустенитной основой является энергетически более вероятное образований трещин по плоскостям скольжения в объемноцентрированной решетке α-железа, чем в гранедентрированной решетке α-железа.
Исследование износостойкости стали после диффузионного насыщения карбидобразующими элементами также показало некоторое несоответствие твердости и износоустойчивости, хотя последняя хорошо соответствовала образующимся структурам. Так, несмотря на большую твердость поверхности стали после хромирования, вольфрамирования и молибденирования по сравнению со сталью, не прошедшей насыщение, износостойкость последней значительно выше (рис. 48). Структура диффузионного слоя во всех случаях представляла α-твердый раствор с выделениями по границам зерен карбидов и интерметаллидов. Именно наличием вторичных фаз различной природы по границам зерен твердого раствора, а также наличием текстуры и анизотропии свойств столбчатых кристаллов α-фазы я объясняется отсутствие ясно выраженной связи между износостойкостью и твердостью.
Износостойкость стали, прошедшей ванадирование, ниобирование и хромирование по режиму, обусловливающему образование карбидов, в десятки раз выше.
Имеются основания полагать, что при абразивном износе борированных изделий-происходит соприкосновение чистых поверхностей и граница раздела соприкасающихся тел (абразивного зерна и борированного слоя) принимает характер, обеспечивающий возможность атомного и электронного взаимодействия. Для объяснения причин быстрого износа и разработки мер повышения износостойкости целесообразно привлечь представления о формировании свойств простых веществ и соединений.
Существующие абразивные материалы являются ковалентными соединениями, образованными sp-элементами с широко меняющимся статистическим весом атомов со стабильными sp-конфигураииями. Так, при образовании корунда (Al2О3) наблюдается практически полная передача валентных (s2p) электронов алюминия атомам кислорода (s2p4) с образованием устойчивых sр-конфигураций и локализацией в этих конфигурациях практически всех валентных электронов, чем и объясняется высокая твердость и хрупкость корунда.
При образовании боридов железа происходит передача валентных электронов железа атомам бора с образованием устойчивых d5- и sp3-состояний. Высокий статистический вес стабильных конфигураций и малая доля нелокализованных электронов обусловливают относительно высокую хрупкость этих боридов.
При контакте абразивного зерна с борированной поверхностью в результате значительных локальных напряжений происходит хрупкое разрушение слоя боридов. Для того чтобы бориды железа могли выдерживать более высокие нагрузки, возникающие в процессе абразивного износа, им должна быть присуща некоторая способность пластически деформироваться. Повысить пластичность борида железа можно легированием его элементами, которые вызывали бы меньший захват электронов железа и большее время их пребывания в коллективизированном состоянии. В качестве таких элементов можно использовать, например, алюминий или бериллий с частичным замещением ими атомов бора.
Значительные успехи могут быть достигнуты при создании композиционных покрытий из хрупких соединений с ковалентной связью или подобных им интерметаллических соединений, заключенных в пластическую металлическую матрицу. В покрытии такого типа в результат пластической деформации матрицы приложенная нагрузка будет действовать преимущественно на хрупкую составляющую; с другой стороны, наличие хрупкой составляющей препятствует движению дислокаций и тем самым резко увеличивает степень упрочнений самой матрицы.
Мелкодисперсные композитные структуры получали борированием при 1174-1200° С с последующим резким охлаждением. При нагреве до 1174 С и выше на поверхности возникает жидкая фаза, состоящая из α-твердого раствора бора в железе и соединения Fe2В. Необходимая степень дисперсности эвтектических составляющих достигалась охлаждением в струе аргона и роде. Боридная составляющая в виде дискретных частиц равномерно и плотно распределяется по всему объему упрочненной поверхности.
Наиболее работоспособными оказались мелкодисперсные эвтектики, полученные закалкой из жидкой фазы. Среднее значение твердости составляет 800-1000 кГ/мм. В образцах доэвтектической структуры (избыток α-твердого раствора) наблюдалось явно выраженное пластическое течение поверхностного слоя. Линии скольжения и очаги схватывания в структуре закаленной эвтектики не обнаружены. Трение образцов заэвтектической структурой (избыток боридов) сопровождается растрескиванием поверхности и скалыванием частиц боридного слоя. Эти явления особенно интенсифицируются при повышении нормального давления.
Высокая работоспособность мелкодисперсной двухфазной структуры, полученной путем закалки жидкой эвтектики, обусловлена очень низкой хрупкостью, хорошей вязкостью, однородностью структуры и значительно более высоким сродством полученного слоя с металлом основы (в сравнении с чисто боридным покрытием). Эта структура выгодно отличается от известных металлокерамических композиций тем, что в мелкодисперсной эвтектике отсутствует пористость и другие нарушения сплошности материала. Кроме того, относительно пластичный твердый раствор при трении весьма быстро упрочняется в результате возникновения в нем высокой плотности дислокаций.
Абразивное изнашивание сталей, упрочненных электролитическим борированием, исследовали на машине Х4-Б. Относительную износостойкость ε определяли как отношение абсолютного линейного износа эталона ΔL к абсолютному линейному износу испытуемого образца Δl, Изнашивание осуществляли на шкурке из карбида кремния КЗ 14. Эталоном служили закаленная сталь 9ХС и сплав БМ (баббит). Результаты испытаний показали, что борирование стали резко повышает ее износоустойчивость при абразивном изнашивании (табл. 23). Содержание углерода и режим борирования сказываются на износостойкости незначительно.Отмечается высокая хрупкость борированного слоя и наличие в нем трещин. Возможно, именно эти факторы не позволяют получать более высокой износоустойчивости, которую можно ожидать исходя из твердости.
Определение износоустойчивости в зависимости от режима электролизного борирования проведено. Износостойкость определяли на лабораторной вертикальной машине X-1, имитирующей работу втулок грязевых насосов. Износ происходил при возвратно-поступательном движении обрезиненного металлического стержня в борированных втулках-образцах. Втулку и стержень во время опыта погружали в резервуар с водой, куда засыпали кварцевый песок крупностью 250 мк в количестве 5%. Износоустойчивость определяли по потере в весе ΔQ через определенное время или за определенное число двойных ходов. Обычно продолжительность одного испытания составляла 8 ч. На рис. 49 видно, что при повышении температуры свыше 900-950° С износоустойчивость снижается и не уменьшается при понижении температуры. От времени насыщения износостойкость практически не зависит. Наиболее благоприятная плотность тока равная 0,5-0,9 а/см2 (рис. 24). Интересно, что при плотности тока выше 0,1 а/см2 глубина слоя не увеличивается.
На рис. 50. показаны результаты испытания втулок, изготовленных из различных материалов. Исследовали борированные втулки из стали 40 (температура насыщения 950 С, время 4 ч, плотность тока 0,5-0,9 а/см ), втулки из модифицирнной током высокой частоты, сталей ШX15 и У10, хромированного чугуна, из улучшенной стали 40 (400-460 кГ/мм2), закале стали 45, азотированной стали 35Х10А и втулки, армированные бористым чугуном. Наибольшую износоустойчивость показали борированные втулки. Их стойкость в три раза выше обычных стальных и чугунных. I проведенные промышленные испытания подтвердили, что борированные втулки работают в тяжелых условиях в 3-3,5 раза больше обычных.
Испытание борированных чугунов в условиях абразивно-агрессивной среды (50 г речного песка на 200 мл 10%-ного раствора серной кислоты) показало что борированный слой хорошо защищает чугун от коррозии. За шесть суток испытаний в 10%-ном растворе серной кислоты образцы неборированных чугунов полностью растворились, борированные же образцы практически нe изменили в весе и сохранили первоначальные размеры. При коррозионно-абразивном воздействии за 6 ч испытаний изменение веса на единицу поверхности образца неборированного серого чугуна СЧ 18-38 составило 0,3 для борированного - 0,0С08 г/см2.
Очень часто абразивный износ деталей машин происходит в сочетании с ударом. Примером могут служить зубья шарошек буровых долот, резцы угольных комбайнов, клапаны буровых насосов и т.д. Механизм изнашивания и результаты износа в/этом случае будут значительно отличаться от таковых при обычном абразивном изнашивании по схеме скольжения. Ударно-абразивный износ характеризуется не только режущим или царапающим действием абразивных зерен, но и внедрением их в основной металл во время прямого удара.
Деформация, сопровождающая многократные акты внедрения зерен абразива в поверхность, вызывает в зоне контакта отрыв частиц поверхности. Наряду с этим происходит хрупкое выкрашивание изнашиваемой поверхности. Поэтому повышение твердости при изнашивании по схеме скольжения увеличивает износостойкость, при ударно-абразивном изнашивании повышение происходит до определенного значения твердости, выше которого наступает хрупкое разрушение и износостойкость падает. Этим объясняется высокая износостойкость стали с чисто мартенситной структурой по сравнению с таковой для стали со структурой мартенсит + карбиды. Чем больше карбидов и крупнее их включения, тем ниже износостойкость. В процессе абразивного износа при динамическом приложении нагрузки под действием ударов карбиды расшатываются и выкрашиваются, обнажая для износа разрыхленную мартенситную основу.
Определение стойкости борированных образцов в условиях абразивной среды и ударно-динамических нагрузок подтверждает высказанные положения.
Испытания проводили на специальном стенде, сконструированном на базе токарного станка (рис. 51). Неподвижно закрепленные образцы 5 подвергали откатке цилиндрическими роликами 4 со скоростью 150 об/мин в условиях воздействия статистической нагрузки 20 кГ и ударов энергией 8425 кг*см за 1 мин. Вместо контакта образца с роликами подавали глинистый раствор с примесью абразивных частиц. Каждый образец испытывали в течение 15 мин, затем его взвешивали и по абсолютному весовому износу и состоянию поверхности судили об износостойкости. Из приведенных графиков (рис. 52) видно, что наибольшая износостойкость наблюдается у образцов, борированных в течение 8 ч. Увеличение времени выдержки повышает хрупкость борированного слоя и не способствует возрастанию износостойкости. Повышение температуры выше 950° С также ведет к охрупчиванию слоя, износостойкость при этом уменьшается в два-три раза. Увеличение выдержки при 1000 - 1100° С еще больше повышает износ. В местах контакта с роликами наблюдается значительное выкрашивание борированного слоя.
Наиболее высокой износостойкостью обладает борированная сталь 12ХН2А (см. рис. 52). Видимо, малое содержание углерода и наличие в этой стали хрома и никеля сказывается на износостойкости.
Таким образом, при правильном выборе стали, режима, абразивном характере износа борирование может оказаться весьма эффективным способом упрочнения.
