1. Влияние легирующих элементов на износостойкость конструкционных сталей

Пониженная износостойкость, в частности, абразивная - одна из главных причин низкой долговечности деталей машин.
 Было исследовано влияние титана (0…0,5%), ванадия (0,1…1,0%),
хрома (до 13%), кремния (до 2%), марганца (до 18%), молибдена 
(до 1.0%), никеля (до 18%) и бора (0,002…0,004%) на структуру,
 механические свойства и износостойкость сталей различных
 классов: простых углеродистых, низколегированных конструкционных, высоколегированных аустенитных, мартенситных, кар
бидных и других. Образцы испытывали при различных структур
ных состояниях. Испытания на износ проводили на установках
типа Шкода-Савина, Бринеля и на центробежной машине 
ЧИМЭСХа, в которой исследовалась абразивная износостойкость
образцов при изнашивании вращением по прослойке кварцевого 
песка.
Влияние содержания углерода в стали. Стабильной и четкой зависимости между содержанием углерода (0,30…2,3%) и износостойкостью стали установлено не было. Низкоуглеродистые (0,15…0,25% С) и среднеуглеродистые (0,3…0,4% С), плохо прокаливающиеся стали, имеющие в микроструктуре изнашиваемых поверхностей избыточный феррит, характеризуются низкой износостойкостью (рис. I). Максимальное количество избыточного (свободного) феррита свойственно отожженным или горячекатаным сталям и именно в таком структурном состоянии они
наименее износостойки. Закалка на мартенсит заметно сближает износостойкость сталей разных по содержанию углерода (см. рис. I). Максимальную износостойкость в горячекатаном и упрочненном состояниях в подавляющем большинстве применявшихся методов изнашивания показала сталь с содержанием углерода -1.2%. В сталях заэвтектоидного состава закаленных на мартенсит, снижение абразивной износостойкости сталей при содержании углерода свыше 1,2% объясняется охрупчиванием материала, приводящего к выкрашиванию из поверхностей трения отдельных
микрообъемов металла. С уменьшением степени однородности микроструктуры, наличием сплошной цементитной сетки, замкнутых участков ледебуритиой эвтектики, игольчатых выделений карбидной фазы и повышением уровня твердости стали (свыше HRC 62), а также с
усложнением условий работы изделий (ударные нагрузки, высокие давления абразивных частиц высокой твердости и агрессивных форм) отрицательное влияние избыточной карбидной фазы может становиться все более значительным.
Вместе с тем в условиях чисто абразивного изнашивания высокодbсперсные частицы карбидов оказываются менее эффективны, чем развитая карбидная (или карбоборная) фаза, способная более эффективно дробить частицы абразива. При прочих равных условиях с повышением степени легированности карбидной фазы (Ме3С - Ме7С3 -Ме23С6) возрастает ее твердость и износостойкость, что, в частности, и используют на практике при применении твердых наплавок. Следует, однако, иметь в виду, что для сталей
различных классов с разной структурой матрицы, имеется свой оптимум в содержании карбидной фазы. С превышением его возрастает не только твердость, но и хрупкость поверхностного слоя.
Легирование углеродистой стали марганцем, молибденом, кремнием и бором, в количествах, обеспечивающих при применяемых сечениях (массе) деталей нужную прокаливаемость и полную закаливаемость, приводит к повышению износостойкости. Однако при закалке на мартенсит, на одни и тот же уровень твердости, теряется индивидуальность легирующих элементов в их влиянии на износостойкость стали. Так, например, износостойкость среднеуглеродистой стали (0,4% С), легированной 1% Si и 2% Сr, оказывается примерно такой же, как и у стали, содержащей
2% Si и 3.5% Сг (рис. 2). Таким образом, влияние легирующих элементов на износостойкость закаленной стали перлитного и бейнитного классов реализуется в основном за счет их воздействия на прокаливаемость и закаливаемость. Избыточное легирование и в этом случае может быть не только бесполезным, но даже вредным, увеличивая общую хрупкость стали и снижая способность к деформации изнашиваемых микрообъемов. Характерно, что простая углеродистая сталь, микролегированная бором (сталь 45Р) по своей износостойкости не уступает легированным и сложиолегированным сталям идентичной и даже большей прокаливаемсти при одинаковой твердости изнашиваемых поверхностей (см. рис. 2).
В отличие от бора легирование стали титаном (0,1…0,5%) и ванадием (0,1 …1,0%) понижает ее износостойкость, что объясняется уменьшением концентрации углерода в мартенсите, и ослаблением матрицы из-за присутствия в ней высокодисперсных и хрупких частиц карбидов и карбонитридов титана или ванадия.
Повышая температуру закалки ванадиевых сталей и тем самым переводя часть карбидов и карбонитридов ванадия в аустенит, удается повысить износостойкость мартенсита. Карбиды титана менее растворимы, чем карбиды ванадия и поэтому эффект повышения температуры закалки практически не обнаруживается.
Влияние металлической матрицы. Значительное влияние на абразивную износостойкость сталей карбидного, ледебуритного и других классов оказывает структура металлической основы. Ранее считалось, что оптимальной структурой стали, работающей в условиях абразивного изнашивания, является мартенсит или мартенсит с равномерно распределенными в нем карбидами. Наличие в структуре аустенита не допускалось. Сейчас установлено, что в определенных условиях изнашивания предпочтение следует отдать не мартенситной, а мартенситно-аустеннтной или мартенситно-аустенитно-карбидной структурам, несмотря на более низкий уровень их твердости. Преимущества сталей с аустенитно-мартенситной или аустенитно-мартенситно-карбидной структурой заключаются в лучшей пластичности, в способности релаксировать микронапряжения и передеформироваться при изнашивании; аустенит лучше, чем мартенсит удерживает от выкрашивания залегающие в нем карбиды и т. д. Необходимым условием обеспечения такого эффекта является нестабильность аустенита — его способность претерпевать аустенитно-мартенситное превращение в ходе пластической деформации протекающей на поверхностях трения под воздействием абразивных частиц.
Стабильность аустенита зависит от концентрации углерода в стали и степени ее легированности. Стабильность аустенита тем выше, чем ниже положение точек Мн и Мк. Нестабильный аустенит свойственен не только высоколегированным сталям и сплавам. Так, например, при соответствующей термической или химико-термической обработке он может быть получен и в рабочих слоях цементованных деталей, изготовленных из низколегированных конструкционных сталей типа 20ХГНР, 25ХМ, 30ХГТ и др.
Стали со структурой нестабильного аустенита могут эффективно сопротивляться изнашиванию (рис. 3). Износостойкость высокоуглеродистых сталей, легированных никелем (в пределах от 0 до 16,4%), марганцем (до 17,9%) и хромом (11,6%) определялась при изнашивании образцов на машине Шкода—Савина и на центробежной машине с прослойкой песка. Разные условия изнашивания на этих установках привели к существенным различиям в результатах испытаний. Изнашивание образцов на машине Шкода—Савина сопровождается повышенным давлением изнашивающего диска на испытуемый образец, что создает условия для протекания аустенитно-мартенситного превращения на поверхностях трения. Никелевые стали, закаленные на аустенит, показали очень низкую износостойкость, значительно меньше износостойкости высокомарганцевых и высокохромистых сталей.
Проведенным рентгеноструктурным анализом поверхностей трения (до и после изнашивания) было установлено, что аустенит высоконикелевых сталей в отличие от высокомарганцевых и высокохромистых не претерпевал в ходе изнашивания фазовых превращений (табл. I). Иные результаты были получены при изнашивании песчаной прослойкой на центробежной машине ЧИМЭСХа. Низкое давление, создаваемое на поверхности трения, при этом виде испытаний резко ограничивало возможность протекания фазовых превращений. Износ становился чисто абразивным. В результате
износостойкость марганцовистых аустенитных сталей оказалась близкой к износостойкости никелевых аустенитных сталей. Результаты лабораторных исследований были положены в основу мероприятий по повышению долговечности важнейших деталей ходовой части тракторов; башмака, звена и втулки звена гусеницы.
Башмак гусеницы В эксплуатации полотно башмака гусеницы испытывает ударные и изгибающие нагрузки, а почвозацепы подвержены интенсивному ударно-абразивному износу. До последнего времени башмаки трактора Т-100М изготавливались из стали 45 и были очень ненадежны в работе. Разрушение их (износ, поломки) при работе на скальном грунте происходило за 800-1200 ч работы трактора. Изготовление башмака из стали 40ГР обеспечило повышение износостойкость в 1,8 раза по сравнению с башмаками из стали 45. Сталь 40ГР, легированная марганцем и бором, обеспечивает
сквозную прокаливаемость и закаливаемость по всему сечению детали. В сочетании со специальной технологией термической обработки (душевая закалка в штампах) внедрение новой марки стали позволяет получить более высокую и однородную твердость как на поверхности, так и по сечению башмака (d = 2,5÷2,7 мм после закалки и dHB = 3,0÷3,6 мм после отпуска при 500±25° С).
Звено гусеницы. Беговые дорожки звеньев гусеницы работают в условиях, приближающихся к чисто абразивному износу. В этих условиях решающим фактором, определяющим срок службы деталей, является твердость рабочих поверхностей. Достижение стабильной и высокой твердости во многом определяется рациональным выбором марки стали и способом ее термической обработки. Многолетний опыт изготовления звеньев трактора Т-100М из стали 45 с объемнодушевой закалкой на твердость НВ 321…418 (HRC 35…44) показал практическую невозможность существенного повышения срока службы деталей без коренного изменения технологии термической обработки и применения новых материалов. Повысить срок службы гусеницы можно двумя способами: 1) применением низкоуглеродистой низколегированной стали, упрочненной объемной закалкой и низким отпуском или химико-термической обработкой; 2) применением среднеуглеродистых сталей с закалкой рабочих поверхностей с нагрева токами высокой частоты. Первое направление было принято в производство звеньев гусениц тракторов ДЭТ-250, а второе для повышения долговечности звеньев гусениц тракторов Т-130. Для изготовления звеньев с закалкой т. в. ч. беговой дорожки была выбрана марганцовистая сталь 45Г. Закалка т. в. ч., которой предшествует объемная закалка с высоким отпуском на твердость
dнв 3,6 ÷ 3,9 мм и механическая обработка звена, осуществляются непрерывно-последовательным способом. Конструкция закалочного станка обеспечивает плотное сочленение звеньев в виде сплошной ленты и ее поступление в зону нагрева т. в. ч. и последующего интенсивного охлаждения водяным душем (спрейер). Нагрев под закалку т. в. ч. звеньев производится при частоте тока 2500 Гц, которая позволяет получить заданную глубину закаленного слоя (не менее 5 мм) при минимальном перегреве поверхности. Твердость поверхности закаленного слоя непосредственно
после закалки составляет HRC 56—62, после низкотемпературного отпуска — HRC 52—58. Небольшие изменения в составе стали 45Г приводят к существенному изменению глубины закаленного слоя, что крайне затрудняет получение стабильного качества. Этот существенный недостаток стали 45Г можно исключить путем корректировки содержания марганца в сторону увеличения до 0,9-1,2% (вместо 0,7-1,0% по существующему стандарту), или за счет применения стали 40ГР.
Втулка эвена гусеницы. В настоящее время для изготовления втулок тракторов ЧТЗ применяется сталь 20Г после цементации и объемной закалки. Твердость цементированной поверхности составляет свыше HRC 60 по наружной н свыше HRC 58 по внутренней поверхности. Несмотря на такую высокую твердость, износостойкость втулок в условиях песчаных грунтов невелика — всего 800—1200 ч. Низкая износостойкость цементированных втулок из стали 20Г при абразивном изнашивании объясняется отсутствием карбидной фазы в цементованном слое и низкой твердостью сердцевины, микроструктура которой состоит из мартенсита и феррита — структурных составляющих, подверженных наиболее быстрому изнашиванию. Как ранее уже отмечалось, для повышения износостойкости в абразивной среде рекомендуется структура мартенситно-аустенитная или мартенситно-аустенитно-карбидная с обособленными карбидами, причем аустенит должен быть неустойчивым и претерпевать структурные превращения в мартенсит при взаимодействии с абразивом. Цементованная сталь 20ХМА позволяет за счет изменения температуры закалки получить такую структуру. По предварительным данным применение стали 30ХМА повышает износостойкость втулок на 40—50%.