ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДИФФУЗИОННОГО НИТРИД-ОКСИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛИ 45

АННОТАЦИЯ

В работе приводятся результаты исследования износостойкости диффузионного нитрид-оксидного покрытия, полученные газовым азотированием с последующим оксидированием в парах воды.  Установлено, что нитрид-оксидное покрытие в условиях трения скольжения с тонкой магнетитной оксидной плёнкой с нитридным подслоем, состоящей из низкоазотистые нитридных фаз модифицированным кислородом на стали 45 обладает наилучшей износостойкостью.

ABSTRACT

The paper presents the results of a study of the wear resistance of a diffusion nitride-oxide coating, obtained by gas nitriding followed by oxidation in water vapor. It has been established that the nitride-oxide coating under conditions of sliding friction with a thin magnetite oxide film with a nitride sublayer, consisting of low-nitrogen nitride phases modified with oxygen on steel 45, has the best wear resistance.

Ключевые слова: нитрид-оксидное покрытие, износостойкость, трение скольжение, интенсивность изнашивания, коэффициент трения.

Keywords: nitride-oxide coating, wear resistance, sliding friction, wear rate, friction coefficient.

Эффективность использования деталей машин и механизмов с поверхностными покрытиями, полученными методами химико-термической обработки возрастает с получением модифицированных диффузионных покрытий, и поверхностные характеристики сочетающих высокие антикоррозионные и адгезионные свойства [1, 2].

Анализ свойств комбинированных диффузионных покрытий полученных химико-термической обработкой показывает, что их основные достоинства заключаются в следующем: облегчается образование физико-химических связей в поверхностном слое; повышается смачиваемость и заполняется микропоры внешнего слоя смазывающими материалами; увеличивается площадь фактического контакта [3-5].

В настоящее время недостаточно данных, чтобы определить точные критерии выбора диффузионных азотированных покрытий и влияния поверхностного оксидного слоя для деталей, работающих в условиях трения. При этом износостойкость покрытий зависит от многих факторов, таких как толщина покрытия, химического состава и структуры диффузионных слоев, напряженного состояния, антикоррозионных свойств, адгезионной прочности и положительного градиента свойства поверхностных слоев [5, 6].

Для обеспечения условий внешнего трения и повышения износостойкости азотированных слоев полученных на поверхности деталей, изготовляемых из улучшаемых конструкционных сталей, необходимо обеспечение на их поверхности тонкого оксидного слоя способного к многократной пластической деформации без наклёпа и разрушения, пониженную прочность на сдвиг и положительный градиент свойств по сечению диффузионного слоя. Особенно в достижении повышения износостойкости очень важно изучение приработки трущихся поверхностей, поскольку в этот период происходит увеличение фактической площади контакта, которое приводит к уменьшению удельных давлений в зоне контакта при трении скольжения [3, 6].

Учитывая вышеизложенных, были изучены износостойкость диффузионного нитрид-оксидного покрытия, полученные газовым азотированием в диссоцированном аммиаке и дальнейшем оксидированием в парах воды, с получением поверхностного оксидного слоя, высокой адгезионной прочностью с нитридным.

Износостойкость диффузионных покрытий определяли по методу испытаний материалов на трение и изнашивание в соответствии с ГОСТ 23216-84 на серийной испытательной установке СМЦ-2. Обработанные образцы с покрытием исследовались по схеме «ролик-колодка» в режиме трения скольжения в условиях со смазкой и без смазки. В качестве смазочного масла применялось масло индустриальное И-20А по ГОСТ 20799-88.

Износ образцов оценивали по линейной интенсивности изнашивания (I_o), методом искусственных баз коэффициент трения в определенных интервалах времени испытаний по среднему значению пяти измерениям [7], позволяющему с большой точностью определять величины момента трения, особенно при малых его значениях.

Исследование фазового состава упрочнённых слоев проводились методом рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-3 в кобальтовом отфильтрованном излучениях Со-К_α [8].

В качестве испытуемых образцов были взяты колодки из стали 45, наиболее применяемых для изготовления деталей пары трения в мало- и средненагруженных узлах машин, которые были подвергнуты азотированию в аммиаке и оксидированию в парах воды, скорость вращения ролика 0,86 м/сек и площадь трения образцов-колодок составляла 150 мм². База испытания на износостойкость при трении со смазкой составляла 10 часов, при сухом трении 6 часов. По окончании испытания визуально оценивали состояние поверхностей трения.

Для сравнительной оценки износостойкости поверхностного диффузионного нитридного и нитрид-оксидного покрытий, испытуемые колодки подвергали газовому азотированию  в аммиаке при ниже эвтектоидной температуре (580 ⁰C) для системы «Fe-N» в течение 3 часа (первый вариант). Последующие оксидирование азотированного слоя в парах воды  продолжительностью 1 час проводили при температуре 580 ⁰C (второй вариант) и при температуре 550 ⁰C (третий и четвёртый варианты), которые соответствуют в выше и ниже эвтектоидной температуры для системы «Fe-О».

Характеристики испытуемых образцов приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Режимы получения и характеристики нитрид-оксидного покрытия на стали 45

Рентгеноструктурним анализом установлено, что при азотировании стали 45 в диссоцированном аммиаке  на поверхности формируется нитридный слой состоящей из композиции нитрида ε-фазы, карбонитрида εʹ-фазы и нитрида γʹ-фазы, а оксидный слой Fe₂O₃ на поверхности нитридов образуется при охлаждении образца и легко стирается из поверхности.

После оксидирования нитридного слоя в парах воды при температуре 580⁰C на поверхности нитридного слоя формируется оксидный слой, состоящей из смеси оксидов Fe₂O₃, Fe₃O₄ и FeO толщиной 4-6 мкм, а в нитридном подслое формируется карбонитрид Fe(CN) (εʹ-фаза) и модифицированные кислородом оксикарбонитрид Fe(CNO) (εʹʹ-фаза) и оксинитрид Fe₄(NO) (γʹ-фаза).

При оксидировании нитридного слоя в ниже эвтектоидной температуре оксидный слой состоит практически из одного Fe₃0₄ толщиной 1-3 мкм, с нитридным подслоем состоящей из композиции фаз карбонитрида (εʹ-фаза), оксикарбонитрида (εʹʹ-фаза) и оксинитрида (γʹ-фаза).  После оксидирования толщина нитридного слоя увеличивается за счёт диссоциации высокоазотистой ε-фазы с формирование модифицированных низкоазотистых фаз нитридов из-за взаимной диффузии на границе «нитрид-матрица» (Таблица 1).

Результаты сравнительных испытаний износостойких характеристик образцов, обработанных по различным режимам, в зависимости от прилагаемой нагрузки представлены на Рис. 1.

а)

б)

Рисунок 1. Изменение интенсивности изнашивания при трении со смазкой (а) и коэффициента трения при сухом трении (б) покрытий в зависимости от нагрузки. Скорость скольжения V_ск = 0,864 м/с. 1 – азотирование при Т_аз = 580 ^oC, τ_аз = 3 часа; 2 – азотирование при Т_аз = 580 ^oC, τ_аз = 3 часа и оксидирование при Т = 580 ^oC; τ_ок =0,5 часа; 3 – азотирование при Т_аз =580 ^oC, τ_аз = 3 часа и оксидирование при Т_ок = 550 ^oC, τ_ок = 1 час; 4 - азотирование при Т_аз =580 ^oC, τ_аз = 5 часов и оксидирование при Т_ок = 550 ^oC, τ_ок = 1 час

Результаты проведённых испытаний показали, что в условиях трения со смазкой, интенсивность изнашивания нитрид-оксидного покрытия с оксидным слоем, полученных оксидированием при температуре 550 ⁰С с поверхностной оксидной плёнкой Fe₃O₄ имеет меньше интенсивности изнашивания в сравнении с азотированными (Рис. 1, а, линия 1) и с нитрид-оксидными покрытиями, полученное по второму варианту с поверхностной оксидной плёнкой состоящей из смеси Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO  (Рис. 1, а, линия 2).

Интенсивность изнашивания при нагрузках до 250 Н нитрид-оксидного покрытия с поверхностной оксидной плёнкой Fe₃O₄ практически имеет одинаковые значения (Рис. 1, а, линия 3 и 4), а с дальнейшем увеличением значения прилагаемой нагрузки (при выше 250 Н) интенсивность изнашивания нитрид-оксидного покрытия с нитридным подслоем состоящей из смеси εʹʹ- и γʹ-фаз (Рис. 1, а, линия 4) остаётся низкими.

В зависимости от нагрузки своеобразный вид  изменения интенсивности изнашивания имеет нитрид-оксидное покрытие с оксидной плёнкой, состоящей из смеси оксидов Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO  (Рис. 1, а, линия 2). Наличие на поверхности прослойки последовательно расположенных оксидов Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO  каждый из них при контактировании с контртелой имеет различные сдвиговые сопротивления и поэтому характер изменения интенсивности изнашивания будет различные.

Анализ полученных данных показывает, что в нитрид-оксидном покрытие высокую износостойкостью при определённых интервалах значений контактной нагрузки обладает нитридный подслой состоящей из композиции εʹ, εʹʹ и γʹ-фаз, и во всех случаях интервалов нагрузки высокая износостойкость нитрид-оксидного покрытия подслоем состоящей из композиций нитридов εʹʹ- и γʹ-фазы сохраняется.

Оценка изменения значений коэффициента трения пар различных вариантов в зависимости от нагрузки были проведены испытании в условиях сухого трения, в результате которого уточнено, что изменение коэффициента трения при постоянных скоростях изменяется и соответственно к меньшим значениям интенсивности изнашивания (Рис.1, а) соответствуют меньшие значения коэффициентов трения (Рис. 1, б). Это доказывает, что с увеличением толщины оксидного слоя происходит понижение прочности на сдвиг, а с уменьшением его толщины сдвигаемое сопротивление оксидного слоя в зависимости от его состава растёт. 

С повышением нагрузки коэффициент трения изменяется незначительно. Такой механизм повышения износостойкости связан с положительным градиентом свойств поверхностного диффузионного покрытия, так как под оксидным слоем находится плотная нитридная g¢–фаза с высокой твердостью до 9500 МПа, которая в 1,6–2,0 раза больше чем твердости внешнего оксидного слоя, величина твёрдости которого колеблется в интервале 4500–5200 МПа.

Нитрид – оксидное покрытие, полученное при азотировании в ниже эвтектоидной температуре системы «Fe-N» и оксидированные при ниже эвтектоидной температуре системы «Fe-О» при трении со смазкой имеет минимальный коэффициент трения. В этих условиях тонкая микропористая оксидная плёнка на поверхности нитридного слоя, обладая достаточной маслоемкостью, обеспечивает смачиваемость поверхности в зоне контакта.  

Износ нитрид - оксидного покрытия увеличивается с повышением прилагаемой нагрузки в зоне контакта, который приводит к уменьшению шероховатости соприкасающихся поверхностей, в связи чем могут возникать условие неравномерности смазки контактирующихся поверхностей.

В процессе трения после износа оксидного слоя начинает изнашиваться нитридный слой, формировавшиеся после оксидирования нитридного слоя состоящей из низких нитридов εʹʹ и γʹ-фаз. Активация металла при деформации в условиях трения и развития диффузионных процессов приводит к интенсивному окислению поверхностных слоев, сопровождающемуся образованием твёрдых растворов кислорода металлов и оксидов [4, 6]. Следует отметить, что нитриды имеют высокое сродство к кислороду.

Оксиды, непрерывно возникающие на поверхности низкоазотистого нитридного слоя в процессе трения, блокируют поверхность от непосредственного контакта и уменьшают возможность адгезионного взаимодействия трущихся пар, обеспечивая минимальный коэффициент трения и лучшую износостойкость в период установившегося режима работы.

В результате проведенных исследований на износостойкость установлено следующее:

• наибольшей износостойкостью обладает нитрид-оксидное покрытие на поверхности тонким оксидным слоем толщиной 1-3 мкм состоящей из Fe₃0₄ и нитридным подслоем состоящей из композиции низконитридных εʹʹ- и γʹ-фаз;
• оксидная плёнка на поверхности нитридного слоя создаёт положительный градиент свойства поверхности, обеспечивая условия внешнего трения при трении скольжения;
• износостойкость нитрид-оксидного покрытия зависит от удельного давления, увеличением которого в зоне контакта интенсивность изнашивания увеличивается.

Список литературы:

1. Ворошнин Л.Г. Перспективы развития химико-термической обработки (материалы лекций). // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008, №1. –С.5-8.
2. Федонин О.Н., Киричек А.В, Петрешин Д.И. Технологическое повышение эксплуатационных свойств деталей машин. // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2018, №4. – С. 43-48.
3. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. –М., Машиностроение, 1977. –526 с.
4. 4. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Структура и прочность азотированных сплавов.       -М., Металлургия, 1982. –175 с. 
5. Герасимов С.А. , Куксенова Л.И. Лаптева В.Г. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов. - М., Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2012. –518 с.
6. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении. – Киев, Техника, 1976. -296 с.
7. Хрущов М.М., Беркович Е.С. Определение износа деталей машин методом искусственных баз. – М.: Издательство АН СССР, 1959. – 218 с.
8. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. -М.: Металлургия, 1971. - 368 с.