CC BY
180
УДК 621.9.048.6 А. П. МОРГУНОВ
А. А. ФЁДОРОВ А. П. ЧУМАКОВ
Омский государственный технический университет
ОАО «КБ транспортного машиностроения», г. Омск
ПОЛУЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛИ 40ХН2МА УДАРНО-АКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ_______________________________
В статье описан метод, повышающий износостойкость поверхностного слоя и параметры шероховатости путем модифицирования ударно-акустической обработкой в среде защитного газа — азота.
Ключевые слова: твердая смазка, износостойкость поверхностного слоя, металло-плазма, аморфизация поверхностного слоя.
Повышение износостойкости поверхности деталей машин является одним из ключевых направлений при проектировании, изготовлении и эксплуатации объектов машиностроения. Известно, что в результате изнашивания поверхностей детали первоначальные их свойства изменяются в сторону ухудшения. Эти изменения, в конечном счете, приводят к потере работоспособности узла и машины в целом. Известно также, что упрочнение приповерхностного слоя материала детали значительно повышает ее износостойкость.
Перспективными методами повышения износостойкости являются методы, связанные с аморфиза-цией поверхностного слоя деталей машин, так как аморфная структура материала обладает высокой твердостью и, следовательно, высокой прочностью [1]. Наконец, некоторые из аморфных сплавов являются в высшей степени износостойкими и коррозионностойкими [1—2]. Способ обработки, позволяющий получить объёмную микропластичность, А. В. Телевной назвал ударно-акустическим (УАО). Это один из методов, позволяющий получать в поверхностном слое высокопрочные аморфные шлейфы. Принцип ударно-акустической обработки основан на ультразвуковых колебаниях, передаваемых от концентратора к индентору-инструменту.
Ультразвуковые колебания представляют собой упругие волны, распространяющиеся в какой-либо материальной среде — в газах, жидкостях, твёрдых телах. Колеблющийся источник звука периодически сжимает непосредственно примыкающие к нему частицы среды, которые передают это сжатие следующему прилегающему слою, и волны сжатия, чередуясь с волнами разряжения, проходят через пространство, занимаемое данной средой [3 — 4]. Скорость этого распространения зависит от плотности и упругости среды. Особенностями ультразвуковых колебаний являются их направленность и
возможность фокусирования энергии на сравнительно небольшую площадь рабочего инструмента.
Основными величинами, характеризующими гармоническое волновое движение, являются длины волны 1 и амплитуда колебаний А.
Для улучшения износостойкости поверхностей тяжелонагруженных деталей проводилась ударноакустическая обработка в среде защитного газа — азота. Однако этот метод требует дополнительного изучения, с целью выявления зависимостей момента трения и износостойкости в целом от режима обработки.
Суть предлагаемого процесса по насыщению микрообъемов материала детали азотом [5] заключается в следующем: ультразвуковой инструмент с цилиндрическим сегментом из твёрдого сплава производит обработку детали в режиме ударного сканирования, при этом в зону контакта инструмента и детали подается газ — азот [6 — 7].
Для подтверждения гипотезы о том, что подача азота в зону обработки приведет к улучшению износостойкости поверхностей деталей, были проведены специальные исследования.
Объектом исследования является технология упрочнения приповерхностного слоя образцов цилиндрической формы изготовленных из стали 40ХН-2МА (НВ 225 — 320) в виде маркированных роликов диаметром 40 мм и шириной 12 мм (ГОСТ). Все образцы были обезжирены спиртом и разделены на три партии.
Первая партия обрабатывалась УАО с внедрением твердой смазки. В качестве твердой смазки использовали дисульфид молибдена МоБ2 [8]. Суспензию из МоБ2 и керосина приготавливали в соотношении 1:3. Технологическую суспензию перед обработкой наносили кистью [9].
Вторая партия также обрабатывалась УАО с внедрением твердой смазки. Отличие заключалось в том,
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
что технологическая суспензия наносилась не кистью, а распылялась из аэрографа с помощью сжатого компрессором воздуха. Технологическая суспензия в этом случае готовилась в соотношении 1:7, так как суспензия с соотношением 1:3 слишком густая и плохо продувается через аэрограф. Суспензия заливалась в бачок аэрографа.
Третья партия обрабатывалась УАО с внедрением твердой смазки, которая в виде технологической суспензии продувалась через аэрограф азотом, а не сжатым воздухом [10]. Это было сделано для того, чтобы исключить возможность попадания кислорода в зону обработки. Давление азота на входе в аэрограф не должно превышать 0,50 МПа. Если давление превышало указанное значение, то это приводило к чрезмерному разбрызгиванию суспензии, в результате чего повышался ее расход. Когда давление опускалось ниже 0,50 МПа, поток суспензии становился нестабильным, так как это давление не создавало хорошую эжекцию. Обработку проводили при следующих технологических режимах: усилие поджатия ультразвукового инструмента Рст=100 Н (оптимальное для сталей), подача — 0,05 мм/об., частота вращения шпинделя — 31,5 об./мин, давление азота — 0,50 МПа, частота колебаний ультразвукового инструмента — 18±1,35 кГц. После обработки образцы промывались в спирте и высушивались на воздухе.
В качестве оборудования для исследования износостойкости использовали машину трения ИИ 5018. На аналитических весах БЬ-200 осуществлялись замеры массы образцов до и после испытаний.
Описание экспериментальной установки ИИ 5018. Машина трения ИИ 5018 (рис. 1) предназначена для испытания материалов на трение и износ, для изучения процессов трения и износа металлов и их сплавов, жестких конструкционных пластмасс и композитов. Согласно классификации, данная машина трения относится к группе машин с переменной площадью контакта. Изменение площади контакта происходит как из-за упругой деформации деталей, так и вследствие износа поверхностей при испытаниях. Площадь контакта зависит от нагрузки, скоростей скольжения и качения и от упругих характеристик материалов. Истирание пары испытываемых образцов, прижатых друг к другу силой Р, осуществляется по рекомендуемой в инструкции схеме: измеряется момент трения, отсчет количества оборотов вала нижнего образца, усилие прижима испытываемых образцов.
Аналитические весы БЬ-200 (рис. 2) предназначены, главным образом, для точных взвешиваний при выполнении анализов в научно-исследовательских институтах и заводских лабораториях. Кроме того, весы могут применяться для обычного взвешивания в пределах до 220 г с точностью 0,001 г. Перед началом взвешивания весы устанавливались по пузырьковому уровню. Все взвешивания проводились в противосквозняковом боксе с целью исключения влияния давления ветра на результат измерения.
После обработки трёх партий образцов ударноакустическим методом испытывали их на машине трения ИИ 5018. Трение осуществлялось между поверхностями роликов по ролику с фиксированным коэффициентом проскальзывания 15±2 %. Контртелом являлись ролики из стали ШХ15 (ИЯС 50), рабочая поверхность которых имеет выпуклость, описанную по радиусу, что позволяет создавать высокие удельные нагрузки в зоне трения при максимально возможной нагрузке 2000 Н в механизме
Рис. 1. Машина трения ИИ 5018:
1 — ограждение; 2 — станина;
3 — панель управления; 4 — механизм нагружения; 5 — каретка;
6 — маховик перемещения каретки;
7 — маховик механизма нагружения
Рис. 2. Аналитические весы ЭЬ-200
нагружения. Испытания роликов проводились в режиме сухого трения по схеме диск —диск. Износостойкость проверяли методом весового износа.
Условия испытаний: частота вращения образца пвр = 200 об./мин; образцы из стали 40ХН2МА (ИВ 225 — 320); контртело — ролик из стали ШХ15 (ИЯС 50), сила прижима Рнагр = 150 Н.
По результатам испытаний образцов построим графики зависимостей (рис. 3, 4).
Анализ зависимостей свидетельствует о том, что образцы после обработки с помощью предлагаемого процесса — в среде азота имеют более высокий уровень износостойкости, меньший момент трения, чем образцы после ударно-акустической обработки с внедрением твердой смазки без подачи азота в зону
5 10 15 20 25 30 г,мин
Рис. 3. Влияние метода обработки на износ образцов:
1 — ролики после шлифования и полирования,
2 — ударно-акустическая обработка с внедрением дисульфида молибдена, 3 — предлагаемый процесс
Мтр, Н-М 2,5
2 15 1
0,5
О 5 10 15 20 25 30 1, мин
Рис. 4. Изменение момента трения в процессе износа образцов:
1 — ударно-акустическая обработка с внедрением дисульфида молибдена,
2 — предлагаемый метод с подачей азота в зону обработки
обработки. Предлагаемая технология существенно повышает задиростойкость и снижает склонность к схватыванию по сравнению с необработанными деталями. На рис. 5 представлены два ролика после испытания на износ. На необработанном ролике (справа) во время испытаний уже через 2,5 минуты появились задиры и характерный звук, свидетельствующий о схватывании образца и контртела. След износа шириною 3 мм имеет черный цвет с многочисленными следами микросварки, отслаивания и выкрашивания. Обработанный по предлагаемой технологии ролик (слева) даже после 30 минут испытаний имеет след износа шириной 1,5 мм без схватывания и микросварки.
Применение предлагаемой технологии упрочнения деталей из стали 40ХН2МА показало, что повышение износостойкости поверхностного слоя наблюдается преимущественно при нагнетании азота в зону обработки. Эта технология позволяет отказаться от ряда трудоемких, дорогостоящих финишных операций (полирование, хонингование, суперфиниширование) и некоторых видов химико-термической обработки.
Библиографический список
1. Аморфные металлические сплавы / отв. ред. Ф. Е. Лю-борский ; пер. с англ. — М. : Металлургия, 1987. — 584 с.
Рис. 5. Ролики после испытания на износ: необработанный — справа, обработанный с помощью предлагаемой технологии — слева
2. Кравцов, В. И. Технологическое обеспечение долговечности и коррозионной стойкости машин / В. И. Кравцов. — Фрунзе : Кыргызстан, 1981. — 132 с.
3. Марков, А. И. Ультразвуковая обработка материалов / А. И. Марков. — М. : Машиностроение, 1980. — 237 с.
4. Марков, А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов / А. И. Марков. — М. : Машиностроение, 1968. - 365 с.
5. Мейер, К. Физико-химическая кристаллография / К. Мейер ; пер. с нем. — М. : Металлургия, 1972. — 480 с.
6. Моргунов, А. П. Получение коррозионностойких поверхностных слоёв сталей нанометаллургией / А. П. Моргунов, А. А. Фёдоров // Прогрессивные технологии в современном машиностроении : сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. — Пенза, 2007. — С. 6 — 7.
7. Моргунов, А. П. Получение сверхтвёрдых аморфных поверхностных слоёв сталей нанометаллургией / А. П. Моргунов, А. А. Фёдоров // Динамика систем, механизмов и машин : материалы VI науч.-техн. конф. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2007. — Кн. 2. — С. 373 — 377.
8. Телевной, А. В. Технологические процессы повышения конструкционной прочности деталей машин : учеб. пособие / А В. Телевной, В. А. Телевной. — Омск : ОмГТУ, 1993. — 122 с.
9. Телевной, А. В. Нанометаллургический процесс на основе объемной микропластичности / А. В. Телевной, А. А. Фёдоров // Омский научный вестник. — 2006. — № 3(36). — С. 104—107.
10. Чумаков, А. П. Повышение конструкционной прочности поверхностного слоя ударно-акустическим методом с внедрением твёрдой смазки и подачей азота в зону обработки / А П. Чумаков // Омский научный вестник. — 2011. — № 1(97). — С. 38 — 40.
МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), академик Европейской академии естествознания. ФЁДОРОВ Алексей Аркадьевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения» ОмГТУ.
ЧУМАКОВ Алексей Павлович, мастер электросталеплавильного участка ОАО «КБ транспортного машиностроения».
Адрес для переписки: alexeychumakow@mail.ru
Статья поступила в редакцию 30.05.2012 г.
© А. П. Моргунов, А. А. Фёдоров, А. П. Чумаков
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
