Исследование глубинных процессов подповерхностной усталостной деградации в трибоконтактах качения со скольжением при переменном нагружении

В работе выполнена оценка эффективности мягкого газового азотирования легированных конструкционных сталей 38ХМЮА, 38ХН3МА и 38ХН3МФА, применяемых в высоконагруженных зубчатых передачах, а также установлены пределы применения тонких азотированных слоёв с точки зрения контактной усталости. Исследования проводились после азотирования при температуре 580 °С и продолжительности 7 ч с использованием методов микротвердометрии, послойного химического анализа методом высокотемпературного газового анализа, рентгеноструктурного анализа и контактно-усталостных испытаний роликов, моделирующих условия качения с проскальзыванием, характерные для косозубых зацеплений. Установлено, что мягкое азотирование обеспечивает формирование упрочнённого слоя толщиной 0,18—0,25 мм с микротвёрдостью 4,8—5,5 ГПа при сохранении вязкой сердцевины с твёрдостью 240—260 HB. Показано, что при повышенных контактных напряжениях разрушение азотированных образцов инициируется в подповерхностных слоях и развивается по механизму глубинной контактной усталости, сопровождающейся образованием глубинного выкрашивания и так называемой белой зоны. Полученные результаты свидетельствуют об ограниченной эффективности тонких азотированных слоёв в условиях высоких контактных нагрузок и указывают на целесообразность применения материалов с более толстыми упрочнёнными слоями (0,8—1,2 мм) либо конструктивно-технологических решений, направленных на снижение уровня контактных напряжений и повышение ресурса зубчатых передач.

1. Fernandes H., Branco R., and Costa J. Subsur-face-Initiated Rolling Contact Fatigue: Mechanisms, Modelling and Predictions // International Journal of Fatigue. — 2019 (127), 64—79

2. Ding H., Liu Y., and Ren J. Subsurface Damage Evolution in High-Load Rolling Contacts under Micro-Slip // Tribology Letters. — 2018 (66), Article 105

3. Chen J., Wang C., and Lu Y. Influence of Nitrided Layer Gradient on Subsurface Crack Propagation in Rolling Contact // Tribology International. — 2022 (169), 107510

4. Meng Q. and Zhou Z. Mechanical Response of Case-Hardened Steels under Rolling–Sliding Contact Fatigue // Materials Science & Engineering A. — 2021 (802), 140662

5. Abdallah M., Kapoor A., and Williams J. Modelling Deep Spalling in Rolling Contacts // Proceedings of the IMechE, Part J: Engineering Tribology. — 2016 (230), no. 4, 481—492

6. Беспалов С.А., Дурягина З.А., Уваров В.Н. Реализация структурно-морфологических принципов износостойкости для повышения трибологических характеристик сталей // Трение и износ. — 2022 (43), № 1, 77—91. DOI: 10.32864/0202-4977-2022-43-1-77-91

7. Малинов Л.С., Малинов В.Л., Малышева И.Е., Бурова Д.В. Универсальность принципа получения в структуре сталей и чугунов метастабильного аустенита для повышения их абразивной износостойкости // Трение и износ. — 2022 (43), № 3, 282—291. DOI: 10.32864/0202-4977-2022-43-3-282-291

8. Соловьев С.Н. Методы и оборудование исследования тяжелонагруженных узлов трения // Problems of Tribology. — 2002

9. Дыха А.В., Марченко Д.Д., Дытынюк В.А. Определение параметров закона изнашивания по результатам лабораторных испытаний // Трение и износ. — 2020 (41), no. 2, 207—216

10. Марченко Д.Д., Дыха А.В., Артюх В.А., Матвеева Е.С. Трибологические свойства деталей, упрочненных роликами со стабилизацией рабочего усилия обкатывания // Трение и износ. — 2020 (41), № 1, 79—86

11. Stechyshyn M., Skyba M.Y., Martynyuk A., and Zdorenko D. Wear Resistance of Structural Steels Nitrided in a Cyclically Switched Discharge with Dry Fric-tion // Problems of Tribology. — 2023 (28), no. 1(107), 20—24. DOI: 10.31891/2079-1372-2023-107-1-20-24

12. Kuzmenko A. Sliding, Friction and Wear at Woobling of Cylinders with Slipping // Problems of Tribology. — 2011, no. 62(4), 113—120. URL:https://tribology.khmnu.edu.ua/index.php/ProbTrib/article/view/299

13. Соловьёв С.Н. Проектирование, изготовление и исследование составных азотированных зубчатых колёс для быстроходных тяжелонагруженных редукторов // Вестник двигателестроения. — 2003, № 2, 114—118

14. Mason G.W. Tufftride Liquid Nitriding Process for Metal Parts // Machinery. — 1963, no. 6, vol. 102

15. Гальпер Р.Р. Контактная прочность зубчатых передач с поверхностным упрочнением. — Л.: ЛДНТП. — 1984