Микротвердость поверхностного

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается (сдвигается) по отношению к другой. Если нагрузку снять, то смещенная часть кристалла не возвратится на прежнее место, деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Пластическая деформация вызывает уменьшение плотности металла и увеличение его удельного объема. Пластически деформированный при резании слой не может свободно увеличиваться в объеме, так как этому препятствует недеформированный металл, поэтому в наружном слое возникают напряжения сжатия, а в остальной части изделия - напряжения растяжения. Этот механизм реализуется, если деформируемый слой не находится в состоянии ползучести. В результате механическая прочность и микротвердость поверхностных

В настоящее время имеется несколько гипотез, объясняющих влияние предварительного упрочнения на износоустойчивость. По данным работы [37], предварительное упрочнение уменьшает износ за счет деформации смятия и за счет истирания микронеровностей на контакте. Как считают авторы [43] и [101], предварительное упрочнение пластической деформацией способствует диффузии кислорода воздуха в металле я образованию в нем твердых химических соединений FeO, Fe2O3, Fe3O4 в результате окислительного изнашивания, происходящего с ничтожно малой интенсивностью. Согласно гипотезе [109] упрочнение поверхностного слоя рассматривается как средство повышения жесткости поверхностных слоев и уменьшения взаимного внедрения при механическом и молекулярном взаимодействии. На этот счет существуют и другие теории. Так, например, по мнению А. А. Маталина [64], главным фактором, определяющим износоустойчивость, является величина остаточных напряжений после приработки изделий. Между микротвердостью поверхностного слоя и его износоустойчивостью имеется определенная связь: в процессе изнашивания микротвердость поверхностных слоев после приработки стремится к оптимальному значению; однако в силу одновременного влияния разнообразных факторов (шероховатость поверхности, напряженное состояние поверхностного слоя и пр.) эта связь имеет только качественный характер и не может быть использована для практических расчетов.

свойств. Микротвердость поверхностных слоев металла увеличивается на 250 кг/мм2 относительно исходной поверхности (фиг. 6,7). Рентгеноструктурный анализ поверхностей трения двойной шестерни показал, что в результате износа в условиях схватывания

Обкатка с усилием 400 Н заметно сглаживает неровности и шероховатость поверхности образца понижается на один-два класса. Однако с повышением усилия обкатки до 600 Н шероховатость поверхности несколько увеличивается, а при —800 Н начинает понижаться, поверхность приобретает волнистый профиль. Повышение усилия до 1200 Н при обкатке образцов из сталей, термически обработанных на твердость НВ 285—311, привело к образованию на их поверхности небольших рванин, а при усилии 2000 Н — к разрушению поверхностного слоя путем трещи нообразования и шелушения. У более прочных сталей (НВ 352—375) начало разрушения упрочненного слоя смещается в сторону больших усилий обкатки. У этих сталей (табл. 20) с повышением усилия обкатки от 400 до 800 Н микротвердость поверхностных слоев увеличивается до 30 %, Стали с меньшей исходной твердостью более воспри и мчи вы к поверхностному наклепу и при тех же параметрах обкатки степень наклепа составила 25—40 %. Стали с низшей исходной твердостью имеют несколько большую глубину наклепа, чем более высокопрочные стали. Полученные данные (см. табл. 20) показывают, что не всегда имеется корреляция между степенью и глубиной наклепа (определенных по изменению микротвердости) и пределом выносливости стали.

Как указывалось выше, одним из технологических приемов повышения сопротивления усталости и особенно коррозионной усталости углеродистых, низколегированных и аустенитных нержавеющих сталей является алмазное выглаживание. При обеспечении одинаковой с полированием шероховатости поверхности образцов (9—10 класс) выглаживание увеличивает глубину и степень наклепа, микротвердость поверхностных слоев. Предел выносливости образцов возрастает на 20—30 %, а условный предел коррозионной выносливости образцов из сталей 40ХН2МА и 12Х18Н10Т в нейтральных электролитах при ограниченной базе 10~7 — 3 • 107 цикл — до 2 раз [173, с. 96-98, 218].

i ет микротвердость поверхностных слоев и существенно увеличивается коррозионная выносливость образцов (рис. 91). Сопротивление усталости образцов в воздухе при этом возрастает незначительно.

На выносливость сталей заметное влияние оказывает финишная опера-ция — шлифование, т.е. важное значение имеет, какими кругами его про-водили. У закаленной стали ШХ15 условный предел коррозионной выносливости в 3 %-ном растворе NaCI при базе 5 • 107 цикл после шлифования алмазным, боразонным и электрокорундовым кругами составляет соответственно 65; 25 и 17 МПа [39]. У закаленной стали 40Х наблюдается такая же закономерность, однако различие в величине условного предела коррозионной выносливости значительно меньше. При электрокорундовом шлифовании происходит отпуск закаленных сталей на глубину 110—150 мкм, микротвердость поверхностных слоев уменьшается на 15—20 % и возникают растягивающие остаточные напряжения 370— 570 МПа. При алмазном шлифовании, благодаря лучшим режущим свойствам алмазов, температура и давление в зоне контакта круга и изделия меньше, чем при электрокорундовом, поэтому в поверхностных слоях закаленных сталей обнаружено некоторое повышение микротвердости и наличие остаточных сжимающих напряжений до 900—1200 МПа [39]. Остается, однако, непонятным, почему при столь значительных сжимающих напряжениях, возникающих в поверхностных слоях образцов в результате алмазного шлифования и низкой шероховатости поверхности, предел выносливости увеличился несущественно, а в коррозионной среде на 10-50 МПа.

Перед испытанием измерялась микротвердость поверхностных слоев образцов из исходных и сульфидированных металлов на приборе ПМТ-3 при нагрузке 20 г (рис. 1). На поверхности образцов из титана зафиксирована пленка сульфидов толщиной до 5 мк. Микротвердость поверхностных слоев снижается после сульфидирования в интервале 0—50 мк, приближаясь далее к микротвердости основного металла. Микротвердость поверхностных слоев стали 4X13 после сульфидирования заметно повышается в интервале 0—30 мк. Это подтверждает результаты проведенного ранее исследования по сульфидированию нержавеющей стали, из которых следует, что степень реактивной диффузии серы в нержавеющей стали невелика и область с измененной структурой весьма ограничена. Для чугуна наблюдается значительное повышение микротвердости металлической основы на большой глубине.

Рис. 1. Микротвердость поверхностных слоев 300 металлов в исходном состоянии 1 и после сульфидирования 2

Испытания образцов из титана показывают, что его^ износостойкость более резко ухудшается при 200°, чем при 400° С (рис. 4, а). Это можно объяснить интенсивным взаимодействием титана при температурах выше 350° С с кислородом, азотом и водородом воздуха, что способствует повышению твердости поверхностных слоев и в то же время образованию рыхлых слоев окислов титана, служащих в некотором роде смазкой. Сульфидированные титановые образцы до нагрузок около 90 кГ показали близкие и сравнительно высокие износы при всех температурах (рис. 4, б). Микротвердость поверхностных слоев образцов из титана в'исходном состоянии и после нагрева при 200 и 400° С (выдержка 1 час) приведена на рис. 5. Для несульфидированных образцов (рис. 5, а) заметно снижение микротвердости после нагрева до 200° С вследствие увеличения пластичности. Повышение микротвердости после нагревания до 400° С по сравнению с данными для комнатной температуры объясняется насыщением газами и охрупчиванием. Для сульфидированных образцов (рис. 5, б) окисление затруднено и микротвердость закономерно понижается с повышением температуры выдержки образцов.

Рис. 5. Микротвердость поверхностных слоев образцов титана без термообработки (J) и после нагрева в течение 1 часа при 200° (?) и 400° С (3)

При твердофазном рафинировании в контакте с цирконием нио-биевые пластинки или молибденовые стержни с циобиевым электролитическим покрытием помещали в циркониевый порошок крупностью менее 100 мкм. После отжига при 1100°С микротвердость в поверхностном слое уменьшилась со 120 кг/мм2 до 50—60 кг/мм2. Микротвердость поверхностного слоя ниобия, содержащего 0,4% кислорода в исходном состоянии, снизилась с 320 до 90 кг/мм2. Величина Нг после термообработки электролитического ниобиевого покрытия на молибденовом стержне изменилась с 4,00 до 3,88 кЭ. Все это указывает на глубокую очистку ниобия от кислорода. Металлографическим анализом на поверхности покрытия не обнарузкено промежуточных соединений ниобий-цирконий.

ной 60...80 мкм увеличилась в 1,5...4,0 рааа по сравнению с исходной. Диффузия вольфрама в поверхностный слой не обнаружена, поскольку он находился в связанном состоянии в виде специальных карбидов, которые не растворялись в аустените при температуре эксперимента. Наряду с изменением концентрации легирующих элементов повысилась микротвердость поверхностного слоя на 20... 150% и снизилась скорость высокотемпературного окисления образцов в 1,5...2,1 раза.

Названные соображения позволяют ограничиться рассмотрением триботехнических свойств сталей и сплавов, модифицированных одним из относительно новых для машиностроения методов - ионно-лучевой обработкой. Влияние ионной имплантации на структурно-фазовый состав сталей и сплавов, рассмотренное в главе 6, находит свое отражение в изменении механических и триботехнических свойств материалов. Исследование микротвердости образцов из стали 45, стали 12Х18Н10Т и алюминиевого сплава В95, имплантированных ионами Мо+, Ti+, B+, показало, что с увеличением массы и энергии ионов степень повышения микротвердости возрастает [20]. Например, при имплантации стали 12Х18Н10Т ионами молибдена с энергией 120 кэВ микротвердость образцов увеличивается в 1,5 раза. Большое значение имеет характер изменения микротвердости по глубине (рис. 7.9), поскольку микротвердость поверхностного слоя существенно влияет на характеристики трения и изнашивания. Из рис 7.9 видно, что микротвердость по мере увеличения толщины исследуемого слоя снижается, достигая исходного значения при толщине слоя 4 или 9 мкм гл-и имплантации стал,: if г- ^авискмостн ^ с con : л ITM" •:;•;.-л ш/уемых ионо-J.

где стт — предел текучести, Яц — микротвердость поверхностного слоя.

Рентгеноструктурный анализ показывает, что в результате пластического деформирования благодаря превращению остаточного аустенита в мартенсит увеличивается микротвердость поверхностного слоя (рис. 46).

В процессе испытаний микротвердость поверхностного слоя образца увеличивается (рис. 48). Например, микротвердость стали Х12М после 105 циклов испытаний увеличивается на 30%, стали'9ХС — на 25%, при-

За счет диффузионного насыщения одним или несколькими элементами или химическими соединениями (карбидами, нитридами и т. д.) микротвердость поверхностного слоя повышается до 19,63 кН/мм2 и более; при этом возникновение больших остаточных

Микротвердость поверхностного слоя измеряли с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н. Из каждых трех кольцевых образцов, обработанных в одинаковых режимах, вырезали по пять пластинок размерами 15X25 мм. Для измерения микротвердости по глубине поверхностного слоя с вогнутой стороны на каждой пластинке создавали по две площадки косого среза. Часть площадки косого среза, подготовленной для измерения микротвердости, показана в нижней части рис. 115, г.

Рис. 116. Влияние режимов обработки и среды на микротвердость поверхностного слоя (h — глубина от поверхности):

Микротвердость поверхностного слоя влияет на износостойкость. Предварительное деформационное упрочнение1 (наклеп) металла этого слоя уменьшает смятие и

На основании исследования адгезионного взаимодействия состаЪ-ляющих твердого сплава с обрабатываемым материалом (сталь) было установлено, что кобальтовая фаза твердого сплава является наиболее слабым местом. Схватывание ее со сталью начиналось при температуре 150° С. Исходя из вышеизложенного, повышение стойкости инструмента находится в тесной связи с повышением адгезионной инертности кобальтовой составляющей. Для этого было использовано поверхностное упрочнение ее с помощью борирования. Результаты такого исследования показали, что температура начала схватывания борированной кобальтовой связки твердого сплава и отдельных его составляющих повысилась на ~200° С по сравнению с температурой для исходных материалов. Кроме того, в 5 раз повысилась микротвердость поверхностного слоя. Последнее обусловило уменьшение фактической площади контакта инструмента и заготовки, что способствовало уменьшению числа химических связей и, в конечном счете, повышению стойкости инструмента. На Киевских заводах «Красный экскаватор» и станков-автоматов им. А. М. Горького проведены производственные испытания борированных резцов ВК-8 и Т15К6 при обработке барабанов шестишпиндельных автоматов из чугуна СЧ 32-52 и труб гидроцилиндров экскаваторов из стали 45, показавшие повышение стойкости борированных резцов в 2 раза по сравнению со стойкостью инструмента, используемого в условиях указанных заводов.