УДК 539.42:539.43:539.62

http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/Vsunud/2009-5E/09kvaspn.htm

Колесников В.А.

Исследование триботехнических свойств высокоазотистых марганцевых сталей после наводораживания

В работе приведены экспериментальные данные об особенностях износа наводороженных сплавов в условиях трения качения. Электролитическое наводораживание сплавов в растворе серной кислоты, позволяет насыщать поверхностные и подповерхностные слои материала водородом. И тем самым имитировать процессы происходящие в рабочих условиях. Изучение морфологии продуктов износа позволило выдвинуть несколько гипотез о характере разрушения исследуемых сплавов. Рис. 1, Ист. 4.

У роботі наведено експериментальні дані про особливості зносу наводнених сплавів в умовах тертя кочення. Електролітичне наводнювання сплавів в розчині сірчаної кислоти, дозволяє насичувати поверхневі і підповерхневі шари матеріалу воднем. Що дозволяє імітувати процеси що відбуваються в робочих умовах. Вивчення морфології продуктів зношування дозволило висунути декілька гіпотез про характер руйнування досліджуваних сплавів. Рис.1, Ист.4.

The paper presents experimental data on the wear characteristics of hydrogenated alloys under conditions of rolling friction. Electrolytic hydrogenation of alloys in sulfuric acid, can saturate the surface and subsurface layers of material with hydrogen. And thus simulate the processes occurring in the working conditions. The morphology of the wear products allowed proposing several hypotheses about the nature of the destruction of the investigated alloys. Fig.1, Sources 4.

Высокоазотистые стали обладают повышенными физико-механическими свойствами (s_в = 1800…2000 МPа_, K_IC ≥ 500 MPa). Благодаря этому они широко применяются в железнодорожном транспорте, строительстве, морской технике, медицине. Однако области их применения еще не исчерпаны. Одно из наиболее перспективных направлений их использования это водородная энергетика.

Не исключено, что таким материалам придется работать в условиях трения и в водородосодержащих средах [1].

Имеются отдельные сведения [2] о том, что высокоазотистые стали обладают повышенной водородной стойкостью по сравнению с другими материалами. В работе [2] показано, что среди исследуемых материалов наиболее малочувствительной к водороду сталью является высокоазотистая сталь с пределом прочности 900 МПа и пластичностью 60%, которую она сохраняет в среде водорода до Т = 650 К. Отмечается, что для получения высокой водородной стойкости необходимо, избегать появления нитридов.

Сейчас, с развитием новой техники, требования к материалам деталей для изготовления узлов трения постоянно ужесточаются. Возможно, что их значительное количество будет работать в условиях водородного износа.

В работе исследовалась износостойкость высокоазотистых аустенитных марганцевых сталей в условиях сухого трения (ролик по ролику) на установке СМТ – 1 (2070).

Скорость вращения верхнего ролика составляла 1240 оборотов в минуту, а нижнего 1480. В качестве контртела использовали сталь 1.0503 (Германия) – аналог стали 45. Наводораживание сплавов проводили при силе тока 0,5 А на см² в растворе серной кислоты. Металлографические исследования проводили (в.ч. продуктов износа) на микроскопе Neophot 2, с подключением ноутбука и цифровой камеры Canon EOS 30D. Поверхности трения исследовали на электронном микроскопе EVO-40XVP с системой микроанализа INCA Energy 350.

Наводораживание электролитическим способом в растворе серной кислоты позволяет насыщать поверхностные и подповерхностные слои водородом. Это позволяет имитировать процессы, которые происходят при трении сплавов насыщенных водородом.

Атомарный водород обладает большой активностью и проникающей способностью.       Он устремляется в пространство между кристаллами металла, вступает в химические реакции с его атомами и образует хрупкие соединения гидриды. То есть кристаллическое зерно металла по своим границам "охрупчивается” и теряет прочность, что ведёт к ускоренному износу. Одновременно атомарный водород накапливается в межзёренном пространстве металла, превращается в молекулярный водород. В результате создаются высокие давления, которые "рвут" металл и формируются микротрещины. При деструкции (разрушении) масла выделяется атомарный водород, который проникает в поверхностный и подповерхностный слои металла. А так как в металле уже имеется атомарный водород, происходит его "пересыщение”. Атомарный водород вступает в химическую реакцию с металлом, образуя между кристаллами металла хрупкие соединения (гидриды), что приводит к снижению прочности кристаллической решетки металла. Накапливаясь в микрополостях металла (микропоры, дефекты литья, зародышевые микротрещины), атомы водорода соединяются в молекулы, образуя газ (Н₂). создающий внутри микрополостей избыточное давление. В результате, потерявший прочность металл, под воздействием давления водорода изнутри и сил трения снаружи легко разрушается, т.е. верхний слой металла постепенно отрывается от его поверхности [3].

Установлено, что наводороженные стали изнашиваются в 5 раз интенсивнее, чем ненаводороженные.

При последующих экспериментах с этими образцами (с увеличением времени после наводораживания), интенсивность износа снижается. Возможно, из-за двух факторов: приработка образцов и снижение количества водорода в поверхностном слое сплава. Выявлено, что с увеличением нагрузки размер продуктов износа увеличивается. Для ненаводороженных образцов составляет 25…40 мкм (нагрузка 400 N), 25…100 мкм (нагрузка 500 N).            Для наводороженных образцов размер частичек 350 мкм (при нагрузке 250 N), 600 мкм (нагрузка 400 N). Проанализирована и описана морфология продуктов износа. Отмечено на существенное различие во внешнем виде частичек износа наводороженных и ненаводороженных сплавов рис 1.

Результаты триботехнических испытаний позволили установить, что размер продуктов износа после наводораживания значительно больше, чем до наводораживания образцов (линейные размеры отличаются в 5- 6 раз) (рис. 1).

Из рис. 1 видно, что после наводораживания внешний вид продуктов износа значительно отличается от ненаводороженных продуктов износа. Продукты износа которые отделились в условиях трения как качения так и скольжения имеют значительные очаги схватывания и повреждаемости, по сравнению с продуктами износа, которые отделились от ненаводороженных образцов.

а                                                               б

Рис. 1. Продукты износа: а) после наводораживания; б) до наводораживания.

На рис. 1а арабскими цифрами 1 обозначена поверхность имеющая ступенчатый микрорельеф, 2 – зона подвергнутая интенсивному тепловому схватыванию, 3 – трещинка на поверхности частики износа.

Как видно из рис. 1б частички износа не имеют таких интенсивных очагов повреждения. Для них характерен как ступенчатый микрорельеф - соответствующий хрупкому характеру разрушения частичка I стрелочка 1, так и плоская поверхность частичка III стрелочка 4.

Ранее нами выдвигалась гипотеза о том, что в условиях трения скольжения инициаторами зарождения трещин в чугунах могут быть сульфиды [4].

Выдвинута гипотеза, о том, что в условиях трения скольжения и трения качения, инициаторами зарождения и развития трещин в сталях, в некоторых случаях могут быть: карбиды, нитриды, интерметаллические фазы σ – типа.

Литература

1.    Balytskyi O.I., Kolesnikov V.O., Kaviak P. Tribotechnical properties of austenitic manganese steels and cast-irons under sliding friction conditions // Materials Science.– vol.41.-№ 5.-2005. – Р. 624 – 630.

2.    Водородная усталость сталей. // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecjlogy ISJAEE. – № 3 (11). – 2004. – С.34 – 36.

3.    Физико-химическая картина процесса трения на примере пары металл-металл. http://www.reagent-2000.info/articles_7.html