Способ определения относительной износостойкости материалов

Изобретение относится к испытаниям материалов на износ и может быть использовано при оценке износостойкости материалов упрочненных слоев значительной толщины и/или высокой сопротивляемости износу при действии на них абразивных материалов. Технический результат направлен на повышение производительности определения износостойкости материала и увеличение точности результатов. Изготавливают из эталонного материала образец путем приработки обеих его торцевых поверхностей и формирования упрочненного слоя на одной из них. Подготовленный образец изнашивают путем истирания по абразивной поверхности, не превышая толщину упрочненного слоя. Определяют изменение линейных размеров образца после приработки и после изнашивания. Затем производят поворот образца на 180° и изнашивают эталонный материал. 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 материалов упрочненных слоев (покрытий) значительной толщины и/или характеризующихся высокой сопротивляемостью износу при действии на них абразивных материалов.

Известно большое количество схем, устройств и способов, позволяющих испытывать материалы в условиях абразивного изнашивания. Аналогом предлагаемого способа является способ испытания на абразивное изнашивание, предложенный Хрущовым М.М. (более подробное описание см. М.М.Хрущов Закономерности абразивного изнашивания. Сб. Износостойкость, изд-во "Наука", 1975, стр.5-28). 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 (Патент РФ № 2315284. МПК G01N 19/02. Бюл. № 2 от 20.01.2008), который заключается в формировании двух идентичных образцов из эталонного материала путем нанесения на их рабочую приработанную поверхность материала упрочненного слоя (покрытия), прирабатывании поверхности упрочненного слоя (покрытия), изнашивании одного из сформированных образцов путем истирания по абразивной поверхности на глубину, превышающую толщину упрочненного слоя, и оценке его толщины с помощью второго образца. Изнашивание эталона осуществляют после изнашивания упрочненного слоя, измеряют линейные размеры после приработки и после изнашивания и по их соотношению судят об износостойкости материала упрочненного слоя (покрытия), рассчитывая ε по формуле:

,

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

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

Однако этот способ имеет низкую производительность при испытаниях материалов упрочненных слоев (покрытий), обладающих высокой износостойкостью и/или значительной толщиной (>15 мкм). Поскольку в случае не превышения толщины покрытия за один цикл испытаний необходимо заменять абразивный материал и продолжать истирать материал покрытия до гарантированного превышения его толщины. При этом возникают также дополнительные погрешности получаемых результатов, обусловленные вычислением пути трения материала покрытия, как суммарного при изнашивании за несколько циклов испытаний.

Задачей изобретения является повышение производительности определения износостойкости материала и увеличение точности результатов, получаемых при их реализации.

Задача повышения производительности решается за счет того, что использование предлагаемого способа определения относительной износостойкости материала становится возможным и для испытаний упрочненных слоев (покрытий) высокой износостойкости или значительной толщины в ситуациях, когда упрочненный слой не изношен на заданном пути трения, за счет поворота испытуемого образца на 180° и завершения испытания эталонного материала при использовании предварительно подготовленного свободного от упрочнения торца образца. Задача увеличения точности получаемых результатов решается за счет исключения операции определения толщины упрочненного слоя и необходимости нахождения пути трения как суммы путей на каждом из необходимых для превышения толщины покрытия дополнительных циклов испытаний.

Способ реализуется следующим образом:

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

- прирабатывают обе торцевые поверхности испытуемого образца;

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

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

- измеряют исходный размер испытуемого образца;

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

- фиксируют путь трения предыдущего этапа испытания;

- измеряют размер изношенного образца;

- поворачивают образец на 180° и изнашивают материал основы;

- определяют окончательный размер образца;

- фиксируют путь трения, приходящийся на износ материала основы;

- рассчитывают относительную износостойкость по формуле:

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

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

Обозначим размерный износ материала упрочненного слоя через J_n, размерный износ материала основы через J_MO. Для них можно записать:

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

где S_n, S_MO - путь трения, приходящийся на изнашивание части упрочненного слоя (покрытия) и материала основы образца, соответственно.

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

Пример конкретного выполнения способа

Материал эталонного образца - сталь 45. Шероховатость поверхности не выше 1,2 мкм по Ra. Торец испытуемого образца подвергался обработке сульфоцианированием при температуре 570°С в течение 1 часа. Упрочненный слой прирабатывался, завершение приработки оценивалось визуально на оптическом микроскопе МБС-I (×50) по равному блеску поверхности при исчезновении следов предварительной обработки. После сульфоцианирования и повторной приработки модифицированной поверхности производилось измерение начального размера образца L₀=17,010 мм.

Образец испытывался на машине трения SRV-III по схеме диск (с абразивной шкуркой) - палец. Скорость вращения диска 60 об/мин, радиальная подача на оборот - 1 мм. Статическая нагрузка - 3 Н. После истирания части покрытия на пути трения S_n=1 м производилось измерение линейного размера L₁=16,995 мм. Все измерения линейных размеров образцов выполнялись с точностью до 1 мкм при помощи вертикального длиномера. Затем испытание было продолжено на контрольной части испытуемого образца после поворота последнего на 180° в держателе с последующим измерением L_K=16,879 после прохождения пути трения S_MO=1 м.

Подставляем найденные величины в (1) и определяем ε_уп:

.

Износостойкость упрочненного слоя, образованного при обработке сульфоцианированием, превышает износостойкость стали 45 в 7,7 раз.

Способ определения относительной износостойкости материала упрочненного слоя, заключающийся в том, что на рабочей поверхности образца из эталонного материала формируют упрочненный слой, прирабатывают поверхность и изнашивают его путем истирания по абразивной поверхности, измеряют линейные размеры образца до и после испытаний, отличающийся тем, что используют один образец с двумя приработанными торцевыми поверхностями, проводят испытание на изнашивание материала упрочненного слоя на величину, меньшую его толщины, и после поворота образца на 180° изнашивают эталонный материал и об износостойкости упрочненного слоя судят по соотношению изменений линейных размеров образца после приработки и после изнашивания по формуле

где S_n, S_мо - путь трения, приходящийся на изнашивание упрочненного слоя и материала основы образца соответственно; L₀, L₁, L_К - размеры образца:
исходный, после изнашивания упрочненного слоя и конечный после изнашивания эталонного материала соответственно.