Твердость поверхностных износостойких слоев при повышенных температурах » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Твердость поверхностных износостойких слоев при повышенных температурах

19.05.2021

Были проведены измерения твердости при повышенных температурах в вакууме на образцах азотированной жаропрочной хромистой стали, азотированной и цианированной хромоникелевой стали, а также на хромированных образцах углеродистой стали марки 45. Твердость измеряли при нагрузке 1 кг; выдержка под нагрузкой составляла 1 мин. Упрочненный слой при этом не продавливался. На рис. 272—274 приведены графики, характеризующие -изменение твердости на поверхности образцов из сталей марок Х5М (0,65% Mo), Х5МФ (10,28% Mo, 0,35% V) и Х5ВФ (0,95% W, 0,38% V); содержание углерода 0,17—0,2%. После азотирования в интервале 540—560 °C с выдержкой в течение 40 час. глубина азотированного слоя составила 0,14—0,16 мм. Твердость измеряли в процессе нагрева образцов в вакууме и последующего охлаждения.
Твердость поверхностных износостойких слоев при повышенных температурах

В случае, когда максимальная температура нагрева образцов не превышала 550 °С, значения твердости, измеренные при нагреве, совпадают с полученными после охлаждения (рис. 272).

Увеличение температуры нагрева образцов до 700 °C приводит к значительному различию в величинах твердости, измеренных при нагреве и при охлаждении, что можно объяснить частичным дезазотированием поверхностного слоя при нагреве (рис. 273 и 274); снижение твердости при комнатной температуре по сравнению с твердостью, измеренной при нагреве до 700 °С, достигает 50%.

На рис. 275 приведен график, показывающий изменение при нагреве твердости стали марки 1Х18Н9Т, подвергнутой азотированию при 640—650 °C в течение 30 час., и стали той же марки, прошедшей газовое цианирование при 820—830 °C с выдержкой 3 часа. Глубина азотированного слоя составляла 0,20 мм; цианированный слой имел глубину 0,05 мм. При нагреве образцов в вакууме до 600 °C дезазотирования не наблюдалось, и они после нагрева и охлаждения сохраняли исходную твердость.

Поверхностный слой хромированной стали 45 имел сравнительно небольшую глубину — около 0,025 мм. Очень высокая твердость этого слоя (НВ = 2000 кг/мм2) и его хрупкость приводили к продавливанию в зоне измерения при комнатной температуре и нагрузке 1 кг. На рис. 276 приведена микрофотография поверхности хромированного образца в зоне измерения твердости. Возле отпечатка алмазной пирамиды видны отмеченные стрелками трещины и границы участка продавленного хромированного слоя.

Учитывая это, твердость хромированных образцов при повышенных температурах измеряли при нагрузках 0,25 и 0,5 кг (рис. 277). Поверхность хромированного образца с отпечатком алмазной пирамиды, полученным при повышенной температуре и нагрузке 0,5 кг, показана на рис. 278.

Применяя метод измерения твердости при нагреве в вакууме, можно определять характер изменения твердости поверхностных диффузионных слоев при повышенных температурах, что другими способами до сих пор не удавалось. Величины твердости поверхностных диффузионных слоев (при повышенных температурах) позволяют судить о возможности практического применения того или иного способа химикотермической обработки при работе детали в области повышенных температур.

Установлено, что твердость полученных азотированием и диффузионным хромированием слоев на сталях различных марок достаточно высока при 500—550 °С. Это подтверждает целесообразность применения азотирования и хромирования для упрочнения деталей, работающих при нагреве до этих температур. При отсутствии резко сосредоточенных нагрузок хромирование можно применять для деталей, имеющих более высокие рабочие температуры, достигающие 600—650 °С.

Для оценки работоспособности износостойких покрытий можно успешно использовать также метод определения их горячей микротвердости.

В 1951 г. в США А. Бреннер провел испытания микротвердости хромового покрытия в атмосфере инертного газа при температурах до 800 °C и нагрузках на индентор от 30 до 200 г.

В.С. Миротворский, Г.Г. Зусманович и автор на установке ИМАШ-9 при нагрузке на индентор, равной 100 г, исследовали температурную зависимость микротвердости двух типов покрытий: никель-фосфорного, полученного при химическом никелировании, и хромового, осажденного электролитическим путем. Оба покрытия наносили на образцы технического железа с исходной твердостью HV = 100 кг/мм2. Никельфосфорные покрытия осаждали из кислого раствора, содержащего 21 г/л хлористого никеля, 24 г/л гипофосфита натрия и 10 г/л уксуснокислого натрия. Количество фосфора в покрытии составляло около 9%. Хромовые покрытия наносили в электролите стандартного состава (200 г/л хромового ангидрида и 2,0 г/л серной кислоты) при температуре 55 °C и плотности тока 35 а/дм2. Толщина никельфосфорного покрытия составляла 40—45 мк, а хромового покрытия 35—40 мк. В обоих случаях толщина слоев испытываемых покрытий более чем в 2,5 раза превышала глубину отпечатков индентора, нанесенных при максимальной температуре испытания.

Никельфосфорное покрытие испытывали на микротвердость при повышенных температурах в двух состояниях: исходном, непосредственно после его нанесения, и после предварительной термической обработки, заключающейся в нагреве образцов до 400 °С, выдержке в течение одного часа и последующем охлаждении на воздухе.

Такая термическая обработка обеспечивает диффузионное схватывание покрытия с поверхностью детали и одновременно значительно повышает его твердость. Образцы с электролитическим хромовым покрытием испытывали в исходном состоянии, без термической обработки.

Наряду с определением характеристик горячей микротвердости покрытий было проведено изучение температурной зависимости микротвердости стали ХВГ, являющейся одним из износостойких материалов. Образцы этой стали проходили испытания после закалки и низкого отпуска (63—64 HRC).

Исследуемые образцы нагревали до 800 °C «ступенчато», с интервалом в 100 °С. В пределах отдельных температурных «ступеней», когда твердость покрытий значительно изменялась, измерения производили через 25 °С. При каждой температуре с помощью сапфирового индентора (выполненного в виде четырехгранной пирамиды с углом в 136° между противолежащими гранями) наносили по 15 отпечатков. Число микротвердости определяли по среднему арифметическому результатов измерений 15х2 диагоналей. Результаты экспериментов представлены в табл. 33 и на рис. 279.


Микротвердость никельфосфорного покрытия в исходном состоянии (кривая 1) при повышении температуры испытания до 200 °C меняется незначительно, а при дальнейшем увеличении температуры испытания в интервале от 300 до 600 °C резко снижается. Повышение температуры при измерении горячей микротвердости сверх 600 °C приводит к заметному снижению темпа ее падения. Следует отметить, что если наивысшая температура испытания не подвергнутого предварительной термической обработке никельфосфорного покрытия не превышала 400 °C (микротвердость такого покрытия при этой температуре составляет около 325 кг/мм2), то при понижении температуры до комнатной микротвердость повышалась до 980 кг/мм2. При повторном испытании горячей микротвердости или при испытании образцов с покрытием, предварительно термически обработанным при 400 °C в течение одного часа, характер изменения микротвердости существенно изменяется (кривая 2). В этом случае при нагреве до 200 °C твердость никельфосфорного покрытия практически остается на уровне значений при 20 °C (около 980 кг/мм2), а при более высокой температуре наступает резкий спад. При 400 °C микротвердость никельфосфорного покрытия, предварительно выдержанного при этой же температуре от 15 мин. до одного часа, составляет около 430 кг/мм2, т. е. примерно на 100 кг/мм2 выше, чем микротвердость термически необработанного слоя. При дальнейшем повышении температуры испытания значения микротвердости термически обработанного покрытия остаются выше значений микротвердости того же покрытия в исходном состоянии, т. е. без предварительной термической обработки. Как известно, в результате термической обработки никельфосфорного покрытия выделяется соединение N13P.

Первоначальная высокая твердость хромового покрытия (кривая 3, рис. 279) не снижается при нагреве до 100°С. Повышение температуры до 200 °C вызывает падение микротвердости примерно на 15% (до 860 кг/мм2). Можно полагать, что этот резкий спад микротвердости является следствием обезводороживания покрытия, которое происходит при 160—180° С. Дальнейшее повышение температуры испытания вызывает монотонное снижение микротвердости хрома. В интервале 150—350 °C твердость хромового покрытия ниже твердости никельфосфорного, прошедшего предварительную термическую обработку при 400 °C (кривая 2). Следовательно, никельфосфорное покрытие должно обладать большей износостойкостью, чем осажденный электролитическим путем хром, в тех случаях, когда трущиеся пары работают в интервале 150—350 °С. Начиная с 350 °C микротвердость хромового покрытия остается при всех температурах значительно более высокой, чем никельфосфорного.

Были испытаны образцы стали ХВГ после закалки с 840 °C в масле и двухчасового отпуска три 160 °С (кривая 4, рис. 279). После механической шлифовки на наждачной бумаге для снятия наклепа образцы подвергали электролитической полировке для удаления поверхностного слоя толщиной 70 мк в электролите, содержащем 88% H3PO4 и 12% С2О3, при плотности тока около 150 а/дм2.

Микротвердость электрополированной стали ХВГ при всех температурах вплоть до 800 °C ниже микротвердости электролитического хромового покрытия, но выше микротвердости никельфосфорного покрытия, не прошедшего термической обработки. После такой обработки никельфосфорное покрытие при нагреве до 350 °C имеет более высокие значения микротвердости, чем сталь ХВГ; в интервале 400—800 °C тверже сталь ХВГ.

На рис. 280 приведены серии микрофотографий, снятых с поверхности образцов железа с электролитическим хромовым покрытием (а, б, в), закаленной стали ХВГ (г, д, е) и железа с химически нанесенным и затем термически обработанным никельфосфорным покрытием (ж, з, и).

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: