Введение

Комплексно-легированные коррозионностойкие стали являются одним из наиболее востребованных материалов в современном авиационном машиностроении. Поскольку наряду с повышенной коррозионной стойкостью они обладают высоким уровнем механических характеристик [1–5], область применения данных сталей – широкая. Например, их используют в различных узлах агрегатов: от высоконагруженных деталей до подвижных механизмов, испытывающих интенсивный износ и контактную усталость.

Влияние структурообразования на уровень механических свойств коррозионностойких сталей системы легирования Cr–Ni–Mo при работе в условиях статического нагружения широко изучено. Однако постоянное повышение требований к материалу и изменение условий эксплуатации под действием динамических нагрузок требует дальнейших исследований механизмов формирования структуры и свойств, предпочтительных для конкретного узла агрегата.

При разработке новых высокопрочных коррозионностойких сталей в рамках «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [6, 7] особое внимание следует уделить возможности их работы не только в условиях агрессивных сред, но и при интенсивном изнашивании и контактной усталости [8–10]. Однако при одинаковой твердости износостойкость сталей будет значительно различаться в связи со структурной чувствительностью данной характеристики при изнашивании в условиях сухого трения [11]. Механизм объемного упрочнения таких сталей будет иметь большое значение при работе в паре трения.

Цель данной работы – анализ влияния механизма объемного упрочнения коррозионностойких сталей на формирование триботехнических свойств при работе в условиях сухого трения скольжения в паре со сталью марки ШХ15.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 8.2. «Высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие свариваемые стали с высокой вязкостью разрушения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [6].

Материалы и методы

В качестве объектов исследования использовали образцы из коррозионностойких сталей марок ВНС9-Ш (23Х15Н5АМ3-Ш), ВНС30-Ш (ЭП866-Ш, 15Х16К5Н2МВФАБ-Ш) и ВНС72-Ш (15Х15Н4ГАМ-Ш) [12–15].

Металлографический анализ структур сталей после упрочняющей термической обработки и исследования дорожек износа проводили на оптическом микроскопе Olympus GX51 при увеличениях ×50, ×500 и ×1000. Для выявления структуры изготовленные микрошлифы подвергали электролитическому травлению  в 10 %-ном растворе щавелевой кислоты.

Для исследования твердости проводили дюрометрический анализ на твердомере DuraScan-20 при нагрузке 10 Н в соответствии с ГОСТ 2999–75.

Объемную долю мартенсита оценивали по количеству магнитной фазы, определяемому методом Штеблейна по намагниченности насыщения в установке баллистического типа.

Исследования триботехнических характеристик образцов из сталей марок ВНС9-Ш, ВНС30-Ш и ВНС72-Ш осуществляли путем испытания образцов на изнашивание в условиях сухого трения скольжения с использованием трибометра Nanovea T-50. Испытания проводили по схеме «стержень–диск» (pin-on-disk) при линейной скорости вращения образца ~0,1 м/с и нагрузке на стержень 10 Н. Контртелом при испытаниях являлся шарик диаметром 6 мм из хромистой стали марки ШХ15-ШД (зарубежный аналог – сталь марки AISI 52100), термообработанной на твердость 64 HRC. Для оценки характера износа и вида фрикционного взаимодействия при трении использовали диаграмму, полученную с датчика LVDT, который показывает износ материала образца и контртела относительно начальной площади контакта. Скорость износа W (в мм³/(Н·м)) рассчитывали по формуле

где l – длина окружности дорожки износа, мм; s – площадь сечения канавки износа, мм²;  P – нагрузка, H; L – путь трения, м.

Результаты и обсуждение

Объектами для исследований механического поведения при трибонагружении выбраны три коррозионностойкие стали с различным механизмом объемного упрочнения [16]. Высокий уровень механических характеристик стали марки ВНС9-Ш (с прочностью 1750 МПа) достигается за счет интенсивной пластической деформации, в результате чего формируется TRIP-эффект (Transformation Induced Plasticity – пластичность, наведенная превращением), следствием которого является превращение метастабильного аустенита в мартенсит [12, 13]. Благодаря данному механизму упрочнения в сталях с таким эффектом формируется высокий уровень не только прочностных, но и пластических характеристик.

Сталь марки ВНС30-Ш подвергается закалке на мартенситную структуру с последующим двойным отпуском для реализации механизма дисперсионного твердения и выделения интерметаллидных фаз. Применение такого механизма упрочнения в большинстве случаев не способствует существенному увеличению твердости, однако в значительной степени повышает пределы прочности и текучести. В парах трения выделение мелкодисперсных интерметаллидных фаз оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие, поскольку такие фазы могут способствовать армированию мартенситной матрицы и в то же время являться концентраторами напряжений.

Система легирования стали марки ВНС72-Ш, включающая упрочнение мартенсита за счет совместного воздействия углерода и азота, позволяет достичь повышенного уровня механических свойств. Высокое содержание азота (в пределах от 0,16 до 0,21 % (по массе)) позволяет совместно с такими легирующими элементами, как хром, никель и молибден, обеспечивать наряду с повышенной прочностью высокие характеристики пластичности и ударной вязкости.

Микроструктуры коррозионностойких сталей представлены на рис. 1. Структура стали марки ВНС9-Ш после холодной пластической деформации состоит из мартенсита и аустенита (рис. 1, а). После термической обработки структура сталей марок ВНС30-Ш и ВНС72-Ш состоит из мартенсита и аустенита (рис. 1, б, в). Благодаря дисперсионному твердению структура стали марки ВНС30-Ш дополнительно насыщена карбонитридами хрома типа Cr(C, N) и ванадия типа V(C, N), увеличивающих прочностные характеристики.

Рис. 1. Микроструктуры сталей марок ВНС9-Ш (а  – ×1000),

ВНС30-Ш (б  – ×500) и ВНС72-Ш (в  – ×500)

Методом фазового магнитного анализа исследовано соотношение аустенита и мартенсита в коррозионностойких сталях. По результатам измерения намагниченности насыщения установлено, что в сталях марок ВНС9-Ш, ВНС30-Ш и ВНС72-Ш содержание мартенсита составляет: 50, 90 и 75 % (объемн.) соответственно (рис. 2). Результаты исследования твердости образцов свидетельствуют, что после упрочняющих обработок коррозионностойкие стали имели приблизительно одинаковую твердость, несмотря на различный фазовый состав (рис. 3).

Рис. 2. Содержание мартенсита в коррозионностойких сталях марок ВНС9-Ш, ВНС30-Ш
и ВНС72-Ш после упрочняющей обработки

Рис. 3. Твердость коррозионностойких сталей марок ВНС9-Ш, ВНС30-Ш и ВНС72-Ш после упрочняющей обработки

Механическое поведение в условиях трибонагружения сталей в паре трения с контртелом из стали мартенситного класса марки ШХ15-ШД оценивали по характеру изменения коэффициента трения во время испытания в условиях сухого трения скольжения, а также по характеру перемещения датчика LVDT относительно начальной плоскости контакта, дающего информацию по взаимному износу контактирующих тел в паре трения.

Анализ результатов испытаний в условиях сухого трения показал следующее: механизмы фрикционного взаимодействия стали марки ВНС9-Ш, обладающей TRIP-эффектом, и стали марки ВНС30-Ш, упрочняемой дисперсионным твердением посредством выделения интерметаллидных фаз, имеют схожий характер трения (рис. 4). При данном трибосопряжении со сталью мартенситного класса происходит активное разрушение поверхностных пленок образца и контртела с последующим массопереносом продуктов трения в зону трибоконтакта сталей (рис. 5, а, б). Для стали марки ВНС72-Ш, подвергаемой термической обработке на мартенситную структуру, характерен механизм пластического оттеснения материала из зоны контакта (рис. 4 и 5, в).

Рис. 4. Изменение положения датчика LVDT во времени при испытании на изнашивание
в условиях сухого трения скольжения

Рис. 5. Микроструктуры (×50) дорожек износа после испытания на изнашивание в условиях сухого трения сталей марок ВНС9-Ш (а), ВНС30-Ш (б) и ВНС72-Ш (в)

Анализ изменения коэффициента трения при испытаниях в условиях сухого трения скольжения позволил установить, что сталь марки ВНС30-Ш, упрочняемая по механизму дисперсионного твердения, прирабатывается быстрее, чем сталь марки ВНС9-Ш, обладающая TRIP-эффектом (рис. 6). Многократное деформационное воздействие в зоне контакта приводит к постоянному образованию мартенсита деформации в результате TRIP-эффекта. Постоянное образование мартенсита деформации в зоне трибоконтакта стали марки ВНС9-Ш оказывает положительное влияние на уровень износостойкости, однако время приработки до выхода на установившийся режим составило 24 мин, что почти в 2,5 раза больше, чем у стали марки ВНС30-Ш (~10 мин). Следует отметить, что при испытаниях на изнашивание сталь марки ВНС30-Ш обладала стабильным средним коэффициентом трения скольжения (~0,4), в то время как у стали марки ВНС9-Ш этот коэффициент составил ~0,6.

Для образцов из стали марки ВНС72-Ш, после упрочняющей обработки имеющих структуру мартенсита, полученного путем закалки, коэффициент трения, среднее значение которого, так же как и в случае стали марки ВНС9-Ш, составило ~(0,57–0,6), имел высокую амплитуду по сравнению со сталью марки ВНС30-Ш (рис. 7). Время приработки для стали марки ВНС72-Ш составило ~30 мин.

Рис. 6. Изменение коэффициента трения во времени при испытании на изнашивание
в условиях сухого трения скольжения сталей марок ВНС9-Ш и ВНС30-Ш

Рис. 7. Изменение коэффициента трения во времени при испытании на изнашивание
в условиях сухого трения скольжения сталей марок ВНС30-Ш и ВНС72-Ш

Расчет скорости износа для образцов из коррозионностойких сталей после испытания показал, что наилучшей износостойкостью обладают образцы из стали марки ВНС9-Ш, упрочняемой за счет TRIP-эффекта (рис. 8). По сравнению со сталью марки ВНС30-Ш, упрочняемой дисперсионным твердением, скорость износа стали марки ВНС9-Ш меньше в 3,4 раза, а по сравнению со сталью марки ВНС72-Ш, упрочненной путем закалки на мартенсит, – в 4 раза. Такое снижение скорости износа связано с постоянным упрочнением стали во время пластической деформации, реализуемым при постоянном вдавливании контртела при испытании на изнашивание. Скорость износа стали марки ВНС30-Ш за счет дисперсионного твердения и выделения мелкодисперсных карбонитридных фаз меньше на 20 % по сравнению со сталью марки ВНС72-Ш. Тем не менее коэффициент трения стали марки ВНС30-Ш при выходе на установившийся режим после приработки при трибосопряжении со сталью марки ШХ15 меньше, чем у сталей марок ВНС9-Ш и ВНС72-Ш, и составил 0,4, что является немаловажным фактором при взаимодействии пары трения.

Для косвенного подтверждения повышения износостойкости путем формирования TRIP-эффекта при интенсивной пластической деформации в зоне контакта проведены измерения твердости дорожек износа после испытаний на всех марках сталей. По результатам анализа измерений установлено, что твердость стали марки ВНС9-Ш в зоне контакта трибосопряжения увеличилась с 550 до 740 HV (на 35 %), что может свидетельствовать о прохождении мартенситного превращения (рис. 9).

Рис. 8. Скорость износа коррозионностойких сталей марок ВНС9-Ш, ВНС30-Ш и ВНС72-Ш при испытании на изнашивание в условиях сухого трения скольжения

Рис. 9. Результаты измерения твердости образцов из сталей марок ВНС9-Ш, ВНС30-Ш
и ВНС72-Ш до (■) и после испытаний на изнашивание (■) в условиях сухого трения

Аналогичные измерения проведены для дорожек износа сталей марок ВНС30-Ш и ВНС72-Ш. По результатам измерений установлено, что твердость стали марки ВНС30-Ш увеличилась с 535 до 570 HV, а стали марки ВНС72-Ш – с 520 до 590 HV. Такое незначительное повышение твердости может свидетельствовать лишь о протекании поверхностной пластической деформации образцов в зоне контакта трибосопряжения.

Результаты проведенных исследований показывают, что наиболее перспективной коррозионностойкой сталью для работы в условиях интенсивного изнашивания является сталь марки ВНС9-Ш благодаря упрочнению при интенсивной пластической деформации путем реализации TRIP-эффекта.

Заключения

Узлы современных агрегатов в авиационном машиностроении нередко работают в условиях экстремальных нагрузок и могут подвергаться интенсивному изнашиванию, что приводит к преждевременному выходу из строя узла агрегата или всего изделия. Исследование механизмов фрикционного взаимодействия пары трения является актуальной задачей в настоящее время.

Современные представления об износостойкости во многом строятся на гипотезе о повышении износостойкости при увеличении твердости контактируемых поверхностей. Однако данная характеристика является структурно зависимой величиной: высокая твердость не обязательно приведет к повышенной износостойкости.

Коррозионностойкие стали являются одним из перспективных материалов, которые способны работать в условиях как статических, так и динамических нагрузок, что позволяет широко использовать их в условиях авиационного машиностроения.

Проведен сравнительный анализ коррозионностойких сталей с различным механизмом объемного упрочнения и получения высокого уровня прочностных свойств. По результатам исследования структуры и фазового состава установлено, что содержание мартенсита в структуре сталей марок ВНС9-Ш, ВНС30-Ш и ВНС72-Ш составляет: 50, 90 и 75 % (объемн.) соответственно. В структуре стали марки ВНС30-Ш также присутствуют мелкодисперсные карбонитридные избыточные фазы. Анализ результатов измерения твердости образцов позволил установить, что после упрочняющей обработки рассматриваемые марки сталей имели приблизительно одинаковую твердость.

Результаты трибологических испытаний на изнашивание в условиях сухого трения скольжения свидетельствуют, что у сталей марок ВНС9-Ш и ВНС30-Ш реализуется механизм фрикционного взаимодействия путем разрушения поверхностных пленок с последующим массопереносом материала трения в зону контакта, а у стали марки ВНС72-Ш – механизм упругого оттеснения материала из зоны контакта. Самым низким коэффициентом трения (~0,4) и самым малым временем приработки (~10 мин) среди исследуемых марок сталей обладает сталь марки ВНС30-Ш.

Анализ скорости износа позволил установить, что наилучшая износостойкость у стали марки ВНС9-Ш, которая обладает механизмом упрочнения при интенсивной пластической деформации путем реализации TRIP-эффекта. Для косвенного подтверждения данного эффекта проведены измерения твердости дорожки износа после испытаний. По результатам измерений установлено, что твердость после испытаний на изнашивание в условиях сухого трения скольжения увеличилась на 35 %, что может свидетельствовать о протекании мартенситного превращения.

Проведенные исследования представленных коррозионностойких сталей с различным механизмом объемного упрочнения позволили установить, что наилучшие результаты при работе в экстремальных условиях и\нтенсивного изнашивания показала сталь, обладающая TRIP-эффектом. Практически одинаковая твердость и различное содержание мартенсита исследуемых сталей подтвердили структурную зависимость данной характеристики при трибологических испытаниях.