CC BY
23
Ю. К. МАШКОВ М. Ю. БАЙБАРАЦКАЯ А. А. ПАЛЬЯНОВ
Омский государственный технический университет
УДК 537.22:621.8
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
В РАБОТЕ ПРИВЕДЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ТРЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ, ТРИБОТЕХ-НИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЙ СОСТАВ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ.
Надежность и ресурс большинства изделий современной техники в значительной степени зависят от работоспособности многочисленных узлов трения (трибосистем) различных систем и механизмов машин и их агрегатов. Надежность трибосистем определяется главным образом износостойкостью подвижно сопряженных деталей, которая, в свою очередь, зависит от эксплуатационных свойств материалов этих деталей и качества сопряженных поверхностей. Свойства материалов трибосистем, как и всех конструкционных материалов, неразрывно связаны и зависят от химического состава и структуры материала. А для деталей узлов трения определяющим для надежности и работоспособности трибосистемы является структура и свойства поверхностных слоев.
Следовательно, повышение износостойкости деталей трибосистемы является актуальной научно-технической задачей трибологии и машиностроения. Больщие потенциальные возможности в решении этой задачи имеют методы, основанные на использовании эффекта упрочнения сталей и сплавов при поверхностно-пластическом деформировании. Наиболее перспективным можно считать метод, сочетающий одновременное воздействие электрической и механической энергии, высокая плотность и направленность которых создают благоприятные условия для формирования модифицированных структур, обеспечивающих значительное повышение износостойкости сталей и сплавов. Таким методом является предлагаемый метод трибо-электрической обработки (ТЭО) мёталлическихдеталей.
С целью изучения механизма трибоэлектрической модификации методикой исследования предусматривалось проведение исследований в два этапа. На первом этапе изучали влияние воздействия только трением - трибо-механическая обработка (ТМО). На втором этапе исследовали влияние трения и электрического тока на структуру и свойства поверхностного слоя - трибоэлектрическая обработка.
В качестве объекта исследования была выбрана сталь 45 в нормализованном состоянии. Поверхностная обработка заключалась в поверхностном пластическом деформировании образцов в виде плоских дисков0 50 мм. Плоские поверхности после чистового точения имели шероховатость На=1,15. 1,30 мкм. Обработку проводили методом обкатки на токарно-винторезном станке шариком 010 мм из стали ШХ 15. В процессе обработки варьировались величина деформирующего усилия Р в диапазоне от 500 Н до 1250 Н, число проходов N от 1 до 3, изменялась величина подачи Э от 0,05 мм/об до 0,15 мм/об.
Триботехнические свойства обработанных образцов определяли на специальной установке по торцовой схеме трения кольцо - диск при трении с образцом (кольцо) из полимерного композиционного материала на основе ПТФЭ. Продолжительность испытания составляла пять часов при контактном давлении 1,5 МПа и скорости скольжения 0,6 м/с.
Износостойкость пары трения оценивали по массовой скорости изнашивания полимерного контробразца, которую рассчитывали по формуле:
I = (пут ) /1 г/час,
где т, и т2 - масса полимерного контробразца до и после испытаний, г.
I - продолжительность испытания, час.
Взвешивание полимерных контробразцов выполняли на микроаналитических весах ВЛР - 20Г с погрешностью измерения не более 2*10^ г.
Влияние ТМО на механические свойства оценивали по изменению микротвердости поверхности образцов. Для получения данных о характере изменения механических свойств по глубине зондируемого слоя изменяли нагрузку на индентор прибора ПМТ-3. Величина шероховатости измерялась на профилометре-профилографе модели 201 «Калибр». Для исследования структуры использовали оптический микроскоп МИМ-8.
Результаты экспериментальных исследований показали, что в результате ТМО происходит упрочнение поверхностного слоя на глубине до 10 мкм. Наибольшее влияние оказывают величина деформирующего усилия и число проходов (рис.1).
400
сЗ 300
С
200
1
100
I 1.5 2 2.5 } и 4 4.5 5
Ь, мкм
Рис. 1. Изменение микротвердости поверхностного слоя по глубине внедрения индентора: 1-без обработки;
2-8=0,1 мм/об, N=1, Р=760Н; 3-8=0,1 мм/об, N=2, Р=750Н;
4- 3=0,05 мм/об, N=2. Р=1250Н.
Установлено, что наибольшее упрочнение наблюдается у образцов, обработанных с максимальным усилием Р=1250 Н при двух проходах. На глубине 2,3 мкм микротвердость увеличилась в 2 раза.
Анализ структуры упрочненного слоя показал, что под действием деформирующей силы в исходной структуре перлита происходит дробление феррита и формирование мелкозернистой перлитной структуры (рис.2).
Результаты исследования влияния режимов ТМО на величину шероховатости приведены на рис 3. Полученные результаты показывают, что при всех режимах обработки, не вызывающих задиров поверхности, происходит снижение шероховатости по сравнению с исходной. Наименьшая величина шероховатости формируется при обработке поверхности за два прохода с деформирующим усилием Р=750 Н и составляет Яа=0,1 мкм.
С целью определения оптимального сочетания режимов обработки использовали математическое планирование эксперимента, с разработкой и реализацией плана факторного эксперимента типа Ы=23. Описание части поверхности отклика математической моделью для трехфакторного эксперимента осуществлялось с помощью полинома второго
а) б)
Рис 2. Структура материала (х125>; »/-исходная, 6)-ППД с режимами 5=0,05 мм/об, N=2, Р«1250Н.
О
1
N
Рис. 3. Зависимость шероховатости поверхности
от числа проходов при обработке: • - Р=1250 Н, 8=0,05 мм/об; ♦- Р=750 Н, 3=0,1 мм/об; - Р=750 Н, 5=0,05 мм/об; А - Р=50 Н, 3=0,05 мм/об.
обработки поверхности металлического конггртела пары трения методом ТМО, которые для исследуемой области равны: 8=0,05 мм/об, Р=750Н. Эти режимы обеспечивают снижение скорости изнашивания по сравнению с необработанными образцами (1=10"2 г/час) в три раза.
Таким образом установлено, что повышение механических и триботехнических свойств углеродистой стали методом ТМО связано с изменением структуры и микротвердости приповерхностного слоя, а также с существенным снижением шероховатости поверхности трения.
С целью разработки и исследования трибоэлектри-ческого метода обработки была создана специальная установка. Она состоит из понижающего трансформатора, токарного станка с электроконтактным устройством к патрону, а также из зажимаемой в суппорте станка пружинной державки.
Триботехнические свойства образцов, прошедших трибо-алектрическую обработку, исследовали на машине трения СМЦ-2 по схеме трения ролик-ролик по стандартной методике. Каждая пара образцов проходила три испытания. Продолжительность каждого испытания составляла пять часов при контактном давлении 30 МПа и относительном проскальзывании 15%. В процессе испытания через каждые 10 минут контролировался моменттрения. Перед началом испытания каждого цикла рабочая поверхность образцов промывалась бензином-растворителем 5Р-1 и этиловым спиртом (ГОСТ 18300-72), протиралась насухо салфеткой и выдерживалась на воздухе не менее 30 минут. Образцы перед началом испытания тщательно прирабатывали в течение 1-2 часов до получения приработанной поверхности не менее 75% площади рабочей поверхности образца.
По результатам всех измерений для каждого образца определяли среднее значение измеряемых параметров и вычисляется средняя массовая скорость изнашивания.
Влияние трибоэлектрической обработки на механические свойства поверхности образцов оценивали по изменению микротвердости образцов. Для получения данных о характере изменений механических свойств с изменением толщины зондируемого слоя изменяли нагрузку на ин-дентор.
Полученные результаты показали, что при ТЭО происходит упрочнение Поверхностного слоя на глубине до 200 мкм. Наибольшее влияние оказывают величина силы тока I и скорость обработки V (рис.5).
Р'Ю, н
Рис. 4 . Зависимость (поверхность отклика) скорости изнашивания от режимов ТМО.
порядка. Параметром оптимизации являлась скорость изнашивания, в качестве независимых варьируемых факторов процесса обработки металлического контртела были приняты: Х1 -число проходов N. Х2- подача Э, ХЗ-сила деформации Р
Полученное уравнение регрессии в кодированной форме имеет вид:
h, мкм
Рис. 5. Изменение микротвердости поверхностного слоя по глубине внедрения индентора: 1 - без обработки; 2 - 1=400 А, Р«400 Н, У-3,5м/мин; 3 - 1=400 А, Р-800Н, У-в,9м/мин; 4 • 1-200 А, Р-200 Н, У=3,5м7мин.
I = (42,688+6,138X2+5,163X12-7,925Х23Г104
Поверхность отклика в исследованной области показа-
на на рис 4.
Анализ полученной зависимости показывает, что число проходов и сила деформации незначительно влияют на величину скорости изнашивания полимерного образца (коэффициенты регрессии при Х1 и Х2 - незначимы). С увеличением подачи скорость изнашивания увеличивается. Уравнение позволяет определить оптимальные режимы
Установлено, что наибольшее упрочнение наблюдается у образцов, обработанных с максимальной силой тока 1=400 А при скорости обработки V=3,5 м/мин. На глубине 2,5 мкм микротвердость увеличилась в 4 раза.
Анализ микроструктуры образцов показал, что при ТЭО вследствие высокоскоростного нагрева и охлаждения формируется поверхностный слой с мартенситной структурой (рис.6). Толщина слоя зависит от величины силы тока и скорости обработки и достигает 200 мкм при I = 400 А, V = =3,5 м/мин.
Рис 6. Микроструктура материала (х125); а) - исходная, 6) - ТЭО с режимами I = 400 А, V = 3,5 м/мин, Р = 600 Н.
С целью определения оптимального сочетания режимов ТЭО использовали математическое планирование эксперимента, был разработан и реализован план факторного эксперимента типа М=23. Описание части поверхности отклика математической моделью для трехфакторного эксперимента осуществлялось с помощью полинома второго порядка. Параметром оптимизации являлась скорость изнашивания, в качестве независимых варьируемых факторов процесса обработки металлического контртела были приняты: Х1 - сила тока I, Х2 - сила деформации Р, ХЗ -скорость обработки V.
Для параметра оптимизации У - скорости изнашивания получено уравнение регрессии в кодовых значениях параметров:
У=8,9-3.875Х,+0,925X^+2,ЗХ3-0,75Х12--3,925Х,3+2,125Хгз-0,4Х,23
Проверка значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента показала, что при уровне значимости 0,05 коэффициенты в2, в,2, рцз незначимы. После перехода к натуральным значениям факторов с учетом значимости коэффициентов регрессии получено следующее уравнение регрессии:
У=(11,82-Й),0011+1,36У-0,01 Р-0,0031У+0,002Р\/)*10-4 г/ч
где I - сила тока; V - скорость обработки; Р - сила деформации.
Поверхность отклика в исследованной области показана на рис 7.
Анализ полученной зависимости показывает, что сила деформации незначительно влияет на величину скорости изнашивания образцов (коэффициент регрессии при Х2 -незначим). С увеличением силы тока скорость изнашивания снижается. Уравнение позволяет определить оптимальные режимы трибоэлектрической обработки поверхностей
а и
*
Р*10,Н
Рис. 7. Зависимость (поверхность отклика) скорости изнашивания от режимов ТЭО.
стальных деталей пары трения, которые для исследуемой области равны: 1=400А, Р=400Н при скорости обработке \/=3 м/мин. Эти режимы обеспечивают снижение скорости изнашивания по сравнению с необработанными образцами (1=60*10-4 г/час) в четыре раза.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
1. Упрочнение стальных деталей узлов трения с использованием методов поверхностно-пластического деформирования обеспечивает существенное повышение твердости и износостойкости трущихся деталей.
2. Повышение механических и триботехнических свойств связано с изменением структуры тонкого поверхностного слоя вследствие его деформации и значительного повышения температуры в зоне обработки.
3. В зависимости от степени внешнего энергетического воздействия в тонком поверхностном слое углеродистой стали происходит дробление феррита и формируется мелкозернистая структура перлита (в случае ТМО) или мартенсита (в случае ТЭО).
4. Оптимизированные режимы трибомеханической и трибоэлектрической обработки могут быть рекомендованы для поверхностного упрочнения стальных деталей узлов трения.
МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Материаловедение и технология конструкционных материалов". БАЙБАРАЦКАЯ Марина Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры "Материаловедение и технология конструкционных материалов".
ПАЛЬЯНОВ Андрей Артемович, аспирант кафедры "Материаловедение и технология конструкционных материалов".
