Загальна термічна обробка

Цей спосіб підвищення зносостійкості може використовуватись для виробів, виготовлених із металів, в яких при нагрівах і охолодженнях відбуваються поліморфні перетворення. Це, як правило, вироби зі сталі. Тому розглянемо можливості підвищення зносостійкості стальних виробів.

Зносостійкість сталі, як і будь-якого матеріалу, являє собою комплексну властивість, що визначається такими механічними характеристиками, як опір пластичній деформації і руйнуванню, в’язкість, пластичність, тріщиностійкість, жаростійкість, опір втомі, корозійна стійкість. Для різних умов зношування значення кожної із цих характеристик різна.

Для тертя металу по металі основне значення має опір пластичній деформації, а при відсутності масла - підвищена теплостійкість (жароміцність).

Склад і термічна обробка мають забезпечувати рівномірний (однорідний) фазовий стан з високим опором пластичній деформації, наприклад, сталь з структурою низьковідпущеного (150…160°С) мартенситу з вмістом вуглецю (0,4…0,6%). Наявність м’яких включень фериту несприятлива, а невелика кількість надлишкових карбідів (вуглець до 1,2%) – допустима. Однак треба мати на увазі, що при цьому може знижуватися в’язкість і опір руйнуванню, що несприятливо при високих номінальних тисках. Для підвищення зносостійкості і опору "схоплюванню" в сталь корисно вводити невелику кількість хрому, молібдену, ванадію.

При наявності надійного змащування в парах тертя (знижений коефіцієнт тертя), опір пластичній деформації метала може бути меншим, ніж при сухому терті, тому вміст вуглецю в мартенситі (сталі) може бути більш низьким (0,3…0,5% С), а відпуск при термічній обробці більш високим – 500…550°С. Такий стан металу підвищує в’язкість, тріщиностійкість і опір ударним навантаженням (колінчатий вал, шліцьові з’єднання, муфти). Вміст легуючих елементів і марка сталі визначається опором іншим навантаженням (умови експлуатації).

При терті кочення мають місце високі номінальні тиски циклічного характеру. В цих умовах пластичну деформацію необхідно виключити. Структура має складатися із високовуглецевого, низьковідпущеного мартенситу з рівномірно-розпреділеними не крихкими карбідами (сталь з 1%С і 1,5%Сr). Щоб зменшити небезпечність зародження тріщин, вимагається висока якість поверхні і мінімум внутрішніх дефектів - пор, неметалічних включень.

Для умов абразивного зношування без ударів бажано, щоб матеріал мав високий опір деформації (низьковідпущений мартенсит) і значну кількість твердих карбідів, які могли би опиратися впровадженню абразиву (сталі з >1%С, леговані Cr, Mo, W).

При абразивному зношуванні з ударами, крім опору деформації, необхідний певний рівень тріщиностійкості. Це обумовлює граничний вміст вуглецю в мартенситі, підвищення температури відпуску, гранична кількість карбідів і отримання певної кількості залишкового аустеніту.

Теоретичні основи технології зміцнюючої термічної обробки пов’язані з кінетикою перетворення-переохолодження аустеніту (для сталі) і з зміцненням дисперсною фазою (сталь, алюмінієві сплави).

Для сталей, технологічною основою отримання зносостійкого стану – мартенситу з доповнюючими фазами – являються три фактори: нагрів до аустенітного стану; охолодження з швидкістю більшою за критичну; завершення охолодження для отримання 100% М до температури нижче М_к, для отримання структури М+А до температури в інтервалі М_н -М_к.

Нагрівання. Чим температура нагрівання вище А₃, тим: а) більша стійкість аустеніту; б) більший розмір аустенітного зерна; в) у легованих Cr, W, Mo, V сталей більше розчинюється карбідів і тим вищий вміст вуглецю в мартенситі; г) чим вище температура нагріву під гартування, тим нижче температура М_н і М_к.

Остаточний вибір температури нагріву під гартування для максимальної зносостійкості можна обґрунтувати наступною схемою (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема впливу температури нагріву під гартування на зносостійкість сталі: 1 – доевтектоїдна сталь, 2 – евтектоїдна сталь, 3 – заевтектоїдна сталь

Охолодження. Збільшення швидкості охолодження в докритичному інтервалі веде до збільшення кількості мартенситу, а в критичному інтервалі – залишкового аустеніту. Схема впливу швидкості охолодження на зносостійкість представлена на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2 – Схема впливу швидкості охолодження на зносостійкість сталі: 1 – доевтектоїдна сталь, 2 – евтектоїдна сталь, 3 – заевтектоїдна сталь

Розглядаючи вплив швидкості охолодження на зносостійкість сталі, слід враховувати, що із зменшенням розмірів зерен і розмірів мартенситних утворень зносостійкість буде рости, при чому це відноситься до охолодження сталі як із рідкого, так і з аустенітного стану. Розмір зерен визначається величинами швидкості зародження і росту (Ш.3 і Ш.Р.) кристалів нової фази (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Вплив швидкості охолодження (ступеню переохолодження) на Ш.З. і Ш.Р. зерен: I – інтервал зменшення зерна, II – область дуже мілких зерен, III – область безструктурного мартенситу (біла зона), IV – область аморфного металу при охолодженні з рідкого стану

Зміна зносостійкості, пов’язана із зменшення зерна, приведена на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4 – Вплив розміру зерна, зв’язаного з швидкістю охолодження з аустенітного і рідкого стану, на зносостійкість. Зони I – IV – ті ж, що і на рисунку 2.3

Підвищення зносостійкості за рахунок отримання дрібного безструктурного мартенситу і особливо аморфного стану досягається при індукційній, лазерній, електропроменевій обробці.

При наявності ударної дії при зносі треба враховувати ударостійкість. Вплив технологічних умов гартування на ударостійкість показано на схемах рисунках 2.5 а, б.

Рисунок 2.5 – Вплив температури нагріву під гартування (а) і швидкості охолодження (б) на ударостійкість сталі: 1 – доевтектоїдна сталь, 2 – евтектоїдна сталь, 3 – заевтектоїдна сталь

Гартування, як правило, є проміжною термічною обробкою. Після гартування проводиться відпуск загартованої сталі - нагрів в області температур нижче А₁.

При відпуску змінюється опір пластичній деформації і інші властивості, які визначають зносостійкість (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 – Вплив температури відпуску на зносостійкість (а) і ударостійкість (б)

З графіків видно, якими, в загальному виді, мають бути умови термічної обробки сталей для різних умов зносу.

Зміцнення і підвищення зносостійкості за рахунок виділення дисперсної фази для сталей і сплавів алюмінію базується на зміні розчинності карбідів або інтерметалічних сполук (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7– Область розчинення надлишкових фаз в залізі (а), алюмінії (б) і міді (в)

Гартування (швидке охолодження) з температури максимальної розчинності залишкової фази і наступний нагрів (штучне старіння) або довготривала температурна витримка (природне старіння практично не застосовується через тривалість процесів) дає значне підвищення опору пластичній деформації і зносостійкості. Так, при штучному старінні низьковуглецевих складнолегованих сталей досягається підвищення б_т з 1000 до 2000 МПа, а у алюмінієвих сплавів – з 200 до 450 МПа, у мідних сплавів – з 540 до 1200 МПа.