Способ оценки относительной износостойкости материала

Изобретение относится к испытаниям материалов на износ и может быть использовано при оценке износостойкости упрочненных поверхностей и покрытий при действии на них абразивных материалов. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности испытаний упрочненных поверхностей (покрытий) на абразивное изнашивание. Изготавливают из эталонного материала два идентичных (одинаковой геометрической формы) образца путем формирования упрочненного слоя (покрытия) на одной из их торцевых поверхностей. Для оценки толщины упрочненного слоя используют один из приработанных образцов. Второй из них изнашивают путем истирания по абразивной поверхности на глубину, превышающую толщину упрочненного слоя (покрытия). Изнашивание эталонного материала осуществляют после изнашивания упрочненного слоя (покрытия), определяют изменение линейных размеров образца после приработки и после изнашивания, по их соотношению судят об износостойкости материала упрочненного слоя (покрытия). Затем производят истирание эталонного материала и определяют остаточный линейный размер образца и рассчитывают относительную износостойкость. 1 ил.

 

Изобретение относится к испытаниям материалов на износ и может быть использовано при оценке износостойкости как покрытий, так и упрочненных слоев при действии на них абразивных материалов.

Известно большое количество способов, схем и устройств, позволяющих проводить испытания материалов в условиях абразивного изнашивания. Аналогом предлагаемого способа является способ испытания на абразивное изнашивание, изложенный в ГОСТ 17367-71 (более подробное описание см. в монографии Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. - М.: Наука, 1970, с.94-100). Способ заключается в том, что производят трение испытуемого и эталонного образцов о поверхность с закрепленными на ней абразивными частицами (абразивную шкурку) при статической нагрузке и отсутствии нагрева, изношенные образцы измеряют или взвешивают и полученные результаты сравнивают.

Наиболее близким техническим решением является способ [Тарасов В.В. Новые способы определения износостойкости покрытий // Трение и износ. 1993. Т.14. №6. С.1087-1091], который заключается в формировании образца из эталонного материала путем нанесения на его рабочую приработанную поверхность материала покрытия, прирабатывании поверхности покрытия и изнашивании его путем истирания по абразивной поверхности на глубину, превышающую толщину покрытия. Изнашивание эталонного материала осуществляют после изнашивания покрытия, взвешивают и определяют изменение масс материалов после приработки и после изнашивания и по их соотношению судят об износостойкости материала покрытия, рассчитывая ε по формуле:

,

где ε - относительная износостойкость покрытия; m₀, m₁, m₂ - массы образца после приработки эталонного материала перед нанесением покрытия, после изнашивания испытуемого покрытия и после изнашивания эталонного материала соответственно, г; m_П - масса материала испытуемого покрытия после приработки, г; S₁ и S₂ - пути трения при изнашивании покрытия и эталонного материала соответственно, мм; ρ_Э и ρ_П - плотности эталонного материала и материала испытуемого покрытия соответственно, г/мм³.

Однако этот способ имеет недостаточно широкие функциональные возможности и не позволяет производить оценку износостойкости упрочненных слоев.

Задачей нашего изобретения является расширение функциональных возможностей способов определения износостойкости материала.

Задача решается за счет того, что использование предлагаемого способа оценки относительной износостойкости материала становится возможным как для покрытий, так и для упрочненных слоев, поскольку для расчета в формуле защищаемого способа используются величины, которые возможно адекватно оценить. В то время как для оценки износостойкости сформированного упрочненного слоя невозможно использование формулы, которая применялась в прототипе, так как плотность упрочненного слоя не может быть достоверно оценена.

Способ реализуется следующим образом:

- изготавливают два опытных образца из эталонного материала, по отношению к которому требуется определить относительную износостойкость упрочненного слоя (покрытия);

- формируют упрочненный слой (покрытие) на одной из торцевых поверхностей образцов;

- рабочую поверхность образцов подвергают приработке для достижения плотного их прилегания к изнашивающей абразивной поверхности в условиях, идентичных условиям испытаний;

- используя один из образцов, оценивают толщину упрочненного слоя (металлографическим способом или измерением микротвердости и т.п.);

- измеряют исходный размер второго образца;

- образец с держателем устанавливают на машину трения и производят истирание испытуемого упрочненного слоя (покрытия) по абразивной поверхности на глубину, превышающую толщину этого слоя;

- фиксируют путь трения предыдущего этапа испытаний;

- измеряют размер изношенного образца;

- изнашивают материал основы;

- определяют окончательный размер образца;

- фиксируют путь трения, приходящийся на износ материала основы;

- рассчитывают относительную износостойкость по формуле:

где S₁, S_MO - путь трения, приходящийся на изнашивание упрочненного слоя (покрытия) с превышением его толщины и материала основы образца соответственно; L₀, L₁, L_K, h_уп - размеры образца: исходный, после изнашивания с превышением толщины упрочненного слоя (h_уп) и конечный, после изнашивания материала основы соответственно. Указанные обозначения иллюстрируются на чертеже.

Зависимость (1) получена из следующих рассуждений. Для расчета относительной износостойкости требуется соотнести объемы изношенного материала основы (условно эталонного) и материала упрочненного слоя (покрытия) на равных путях трения, т.е. интенсивности изнашивания.

Обозначим размерный износ материала основы сверх толщины упрочненного слоя (покрытия) через J'_МО, размерный износ материала основы через J_МО. Для них можно записать:

Выразим интенсивность изнашивания основы образца, соотнося ее с соответствующей интенсивностью изнашивания упрочненного слоя (покрытия), и определим ε_уп как частное от их деления:

где S'_MO, S_уп - путь трения, приходящийся на изнашивание материала основы образца сверх толщины упрочненного слоя и на изнашивание упрочненного слоя соответственно.

Для величин S'_МО и S_MO можно записать:

После преобразований и упрощений с учетом соотношений (2) и (4) зависимость (3) примет вид (1).

Пример конкретного выполнения способа:

Материал эталонных образцов - сталь У8. Шероховатость поверхности не выше 1,2 мкм по Ra, размеры образцов после приработки 2×2×16 мм. Испытуемое покрытие TiC наносилось на торцы эталонных образцов термодиффузионным насыщением в порошковых средах при температуре 1000°С в течение 3 часов. Покрытие прирабатывалось, завершение приработки оценивалось визуально на оптическом микроскопе МБС-I (X50) по равному блеску поверхности при исчезновении следов предварительной обработки. После нанесения и повторной приработки поверхности покрытия производилось измерение L₀=16,005 мм. Все измерения линейных размеров образцов выполнялись с точностью до 1 мкм при помощи вертикального длиномера.

Используя один из образцов металлографическим способом, определена толщина покрытия h_уп, которая составила в среднем 5 мкм. Второй из изготовленных образцов испытывался на машине трения Х-4Б по схеме диск - (с абразивной шкуркой R3-M-I4) - палец. Скорость вращения диска - 60 об/мин, радиальная подача на оборот - 1 мм. Статическая нагрузка - 3,755 Н, удельное давление 94,34 МПа. После истирания покрытия и части эталонного образца на пути трения S₁=15 м производилось измерение линейного размера L₁=15,965 мм. Затем испытание было продолжено на контрольной части эталонного образца с последующим измерением L₁=15,896 мм, после прохождения пути трения S_MO=15 м.

Подставляем найденные величины в (1) и определяем ε_уп:

Износостойкость покрытия TiC превышает износостойкость стали У8 в 6,8 раз.

Способ оценки относительной износостойкости материала, заключающийся в том, что на рабочей поверхности образца из эталонного материала формируют упрочненный слой, прирабатывают поверхность и изнашивают его путем истирания по абразивной поверхности на глубину, превышающую толщину покрытия, измеряют линейные размеры образца до и после испытаний, отличающийся тем, что используют два идентичных образца, на одном из которых проводят испытания на изнашивание, а на другом оценивают толщину упрочненного слоя h_уп и об износостойкости этого слоя судят по соотношению изменений линейных размеров образцов после приработки и после изнашивания по формуле

где S₁, S_MO - путь трения, приходящийся на изнашивание упрочненного слоя с превышением его толщины и материала основы образца соответственно;

L₀, L₁, L_K, h_уп - размеры образца: исходный, после изнашивания с превышением толщины упрочненного слоя (h_уп) и конечный, после изнашивания материала основы соответственно.