CC BY
26
УДК 631.371
Л.В. Федорова, д-р техн. наук, проф., 8(8422)55-95-97, materialoved73@mail.ru (Россия, Ульяновск, УГСХА),
A.В. Морозов, канд. техн. наук., доц., 8(8422)55-95-97, materialoved73@mail.ru (Россия, Ульяновск, УГСХА),
B.А. Фрилинг, асп., 8(8422)55-95-97, friling.vladimir@mail.ru (Россия, Ульяновск, УГСХА)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА НА МИКРОТВЕРДОСТЬ ПРИ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКЕ ТРИБОНАГРУЖЕННОГО УЧАСТКА ОТВЕРСТИЯ
Рассмотрены причины потери работоспособности гладких цилиндрических подвижных сопряжений, испытывающих одностороннюю радиальную нагрузку. Выполнены экспериментальные исследования, направленные на выявление зависимости глубины и микротвердости поверхностей после избирательной электромеханической закалки от содержания углерода.
Ключевые слова: опорное отверстие, износ, цилиндрические сопряжения, закалка, инструмент, микротвердость, белый слой
В конструкциях машин и механизмов различного назначения большое распространение имеют гладкие цилиндрические подвижные сопряжения [1, 2].
Основная проблема опорных поверхностей отверстий данных сопряжений - неравномерность распределения контактного давления, и как следствие, неравномерный износ трибонагруженного участка отверстия. В этой связи актуальной является разработка новых технологий повышения износостойкости контактного участка цилиндрических отверстий. С целью снижения интенсивности изнашивания опорного отверстия детали в условиях кафедры «Материаловедение и технология машиностроения» Ульяновской ГСХА разработана технология избирательной электромеханической закалки (ИЭМЗ) (рис. 1). Данная технология заключается в воздействии концентрированным потоком энергии на трибонагруженный участок посредством фасонного бронзового инструмента, перемещающегося вдоль оси отверстия.
Для выявления влияния процентного содержания углерода на степень прокаливаемости при ИЭМЗ были проведены экспериментальные исследования, направленные на установление взаимосвязи между глубиной и твердостью закаленного участка в зависимости от содержания углерода при различном термомеханическом воздействии на материал.
Твердость поверхности является одним из основных показателей упрочнения материала, поскольку непосредственно характеризует прочностные свойства поверхностного слоя.
В качестве образцов для исследования были изготовлены втулки с диаметром отверстия d = 25 мм, наружным диметром D = 45 и высотой h = 50 мм из стали 45, 30Х и чугуна СЧ 20 (рис. 2, а).
Рис. 1. Схема процесса избирательного электромеханической закалки
поверхности отверстия: 1 - персональный компьютер; 2 - инструмент; 3 - втулка; 4 - оправка
Отверстия образцов обрабатывались развертыванием до шероховатости Ra 2,5, так как такая чистота соответствует поверхностям большинства рассматриваемых сопряжений.
Режимы избирательной электромеханической закалки представлены в таблице.
Режимы при избирательной электромеханической закалке
№ п/п Сила тока, А Усилие прижатия инструмента Р, Н Скорость обработки и, мм/мин
1 500 17 120
2 700 17 120
3 900 17 120
После ИЭМЗ отполированную торцевую поверхность втулки протравливали четырехпроцентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте.
В результате исследования торцевой поверхности втулки при помощи микроскопа МИМ-7 была выявлена белая нетравящаяся зона повышенной твердости (рис. 2, б). В структуре белого слоя при наблюдении в оптический микроскоп различимы крайне мелкие карбиды, не успевшие раствориться в ходе высокоскоростного нагрева.
Это объясняется тем, что в зоне высокотемпературного воздействия диффузия кислорода и азота в поверхностный слой исключается, поскольку процесс происходит мгновенно. При этом фазовые превращения не совмещаются с пластическими деформациями, вследствие того, что усилие прижатия инструмента к обрабатываемой поверхности отверстия невелико.
Измерение микротвердости по локальным объемам поверхностного слоя проводилось на приборе ПМТ-3М в соответствии с ГОСТ 9450- 76 [3] при нагрузке на индентор 0,1 Н.
В процессе измерения оценивалась микротвердость упрочненного слоя (рис. 3).
О
б
а
Упрочненный участок
Упрочненная зона отберстия
б
Рис. 2. Экспериментальные образцы: а - чертеж втулок для исследований; б - распределение упрочненной зоны после обработки
11
Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя после избирательной
электромеханической закалки: а - стали 45; б - чугуна СЧ20
Результаты измерения глубины и твердости упрочненного слоя в зависимости от режимов представлены на графиках (рис.4).
Как видно из графиков, при одинаковом термомеханическом воздействии по мере увеличения содержания углерода в обрабатываемых образцах, степень поверхностного упрочнения, характеризуемая относительным увеличением поверхностной микротвердости, возрастает.
Рассмотренные различия во влиянии содержания углерода в материале на характер поверхностного упрочнения могут объясняться различными механизмами поверхностного упрочнения при данном методе обработки.
80 70 бО 50 40 ЗО 2.0 1 О О
. - 4 - 4 ш
А г-А-* . —4-----
--*-< ■—*—4—*—— V \
—•—• • 1 а п. зох" —ш—Сталь 45 -*-СЧ20 Л\
АЛ
►—*—* з—
ОД 0,3 0,5 0,7 О,Я 1,1 1,3
Глубина закалки, \ш
а
1,5
1,7
б
в
Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине в зависимости от силы тока и содержания углерода: а - I = 500А, Р = 17Н, и = 120 мм/мин; б - I = 700А, Р = 17Н, и = 120 мм/мин; в - I = 500А, Р = 17Н, и = 120 мм/мин
Упрочнение поверхностного слоя материала обеспечивается за счет формирования высокопрочной структуры при протекании в локальном объеме материала структурных и фазовых превращений. Ответственным за формирование упрочненного слоя является содержание углерода в материале, с увеличением которого снижается температура мартенситного пре-
вращения и повышаются прочностные свойства материала. Следует отметить, что в зависимости от содержания углерода возможно получение поверхности, упрочненной ИЭМЗ с определенными предельными прочностными характеристиками, которые невозможно увеличить при дальнейшем повышении температурно-силовых условий обработки.
С уменьшением содержания углерода в материале затрудняется протекание структурных и фазовых превращений в поверхностном слое при ИЭМЗ.
Таким образом, прочностные свойства поверхностного слоя материала при ИЭМЗ в значительной мере зависят от содержания углерода в сплаве.
Исходя из вышеизложенного, ИЭМЗ является более эффективным методом упрочнения применительно к изделиям из средне- и высокоуглеродистых сталей.
Рассмотренные различия во влиянии содержания углерода в материале на характер поверхностного упрочнения при ИЭМО могут объясняться различными механизмами поверхностного упрочнения при данном методе обработки.
Список литературы
1. Морозов А.В., Фрилинг В.А. Характер эксплуатационного износа гладких цилиндрических подвижных сопряжений применяемых в сельскохозяйственной технике// Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения: сб. материалов III Междунар. науч.-практ. конф. Ульяновск, 2011. С. 271 - 275.
2. Морозов А.В., Фрилинг В.А., Салов В.Б. Анализ причин и характера износа отверстия коромысла клапана ГРМ двигателя Камаз 740.11-240//Техника и технологии: пути инновационного развития: сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. Курск, 2011. С. 93-96.
3. ГОСТ 30480-97 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.
L. V. Fedorova, А. V. Mprozov, V.A. Friling INVESTIGATION OF THE EFFECT OF CARBON ON THE ELECTION MICROHARDNESS ELECTROMECHANICAL HARDENING TRIBONAGRUZHENNOGO SITE HOLE
The reasons for loss of efficiency of smooth cylindrical movable joints undergoing unilateral radial load is discussed. Experimental studies aimed at identifying the dependence of the depth and microhardness of the surface after the election of electromechanical hardening on the carbon content.
Key words: reference hole wear, cylindrical interface, training, tools, microhardness, white layer Keywords: the Basic aperture, deterioration, cylindrical interfaces, training, the tool, microhardness, a white layer.
Получено 07.02.12
