CC BY
88
УДК 621.91.10
ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И ТВЁРДОСТИ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА НА КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В.А. Карпенко, д.т.н., профессор, Н.А. Лалазарова, к.т.н., доцент,
О.Н. Тимченко
Аннотация. Установлено, что микроструктура и твёрдость высокопрочного чугуна оказывают решающее влияние на параметры качества поверхности, обработанной инструментом из томала-10.
Ключевые слова: высокопрочный чугун, микроструктура, твёрдость, качество обработанной поверхности.
Введение
В качестве материала деталей двигателей автомобилей, тракторов, комбайнов всё более широкое применение находит высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ111Г), который сочетает технологичность серого чугуна с комплексом свойств более высоких, чем у ковкого чугуна и в ряде случаев даже литой и кованой стали [1, 2]. Высокопрочный чугун может иметь разнообразный комплекс свойств благодаря наличию большого количества структур металлической матрицы, которые создаются различными видами термической обработки.
Анализ публикаций
Эксплуатационные свойства материал приобретает после окончательной механической обработки, которая способствует формированию поверхностного слоя с определёнными свойствами, в том числе шероховатостью. Зависимость эксплуатационных свойств от параметров шероховатости вызывает необходимость изучения высотных и шаговых характеристик неровностей поверхности, структурного параметра ^ и факторов, которые их определяют. Решению этой проблемы была посвящена работа [3]. Однако в ней не раскрыты особенности зависимости шероховатости ВЧШГ от вида применяемой терми-
ческой обработки, которая определяет получение требуемой микроструктуры и свойств.
Цель и постановка задачи
Целью работы является установление зависимости величины шероховатости от различных режимов термической обработки, в том числе предложенных авторами.
Материал и методики исследования
Для проведения исследований был выбран высокопрочный чугун следующего химического состава: 3,3-3,8 % С; 2,4-3,2 % Si; С+1/3 Si = 4,25-4,35 %; 0,004-0,007 % S; 0,5-0,9% Мп; 0,045-0,008 % Р; 0,05-0,1 % Сг; 0,1-0,15 % М; 0,04-0,09 % Мg. Этот чугун широко применяется в промышленности. Для его получения не требуется дефицитных легирующих добавок и модификаторов.
Проводили исследования качества обработанной поверхности литого чугуна и чугу-нов, подвергнутых термической обработке по различным режимам: условный номер чугуна №1 - литое состояние, структура -крупнопластинчатый П+Ф+ШГ (210...220 НВ); №2 - двойная нормализация, П+ Ф в виде оторочки вокруг ШГ (260.270 НВ); №3 - нормализация из межкритического интервала, П+Ф+ШГ (260.270 НВ); №4 - закалка и высокий отпуск, Со+Ф+ШГ
(275.285 НВ); №5 - закалка и низкий отпуск, М+Аост+Ф+ШГ (470.480 НВ). Обработку осуществляли круглыми пластинами из СТМ на основе кубического нитрида бора марки томал-10. Шероховатость измерялась на профилометре-профилографе мод. 201.
Результаты исследований и их обсуждение
Качество поверхности деталей из ВЧТТТГ после обработки инструментом из сверхтвёрдого материала томала-10 оценивали высотными и шаговыми параметрами, которые рассчитывали по профилограммам (рис. 1).
д
Рис. 1. Профилограммы поверхности после обработки томалом-10 чугуна: а - в литом состоянии; б - после двойной нормализации; в -после нормализации из МКИ; г - после закалки и среднего отпуска; д - после закалки и низкого отпуска; режим резания: s=0,07 мм/об, t=0,4 мм
На параметры шероховатости обработанной поверхности в первую очередь оказывает влияние твёрдость чугуна, а затем уже -микроструктура. Шероховатость поверхности чугуна (высотные параметры) уменьшается с ростом твёрдости (табл.1). Наимень-
шая шероховатость наблюдается при обработке чугуна со структурой мартенсит отпуска твёрдостью 470-480 НВ, наибольшая -при обработке литого чугуна с перлито-ферритной структурой твёрдостью 210-220 НВ.
Таблица 1 Параметры шероховатости поверхности ВЧШГ после точения томалом-10
Однако не только твёрдость, но и особенности микроструктуры играют значительную роль в формировании микрорельефа. Наибольшая шероховатость у литого чугуна может быть объяснена наличием крупных участков феррита вокруг глобулей графита, наличием крупных пластин цементита (имеет место структура грубого конгломерата). Изменение размеров и формы цементита (закалка с высоким отпуском) приводит к уменьшению шероховатости.
Качество обработанной поверхности оценивали и по структурному параметру ^ Структурный параметр ^ неровностей поверхности оказывает влияние на условия трения и износа деталей в процессе их эксплуатации.
Интенсивность изнашивания зависит, в частности, от величины фактического контакта деталей. Опорная кривая характеризует неровности поверхности в том смысле, что показывает закономерности нарастания площади опоры в выбранном сечении при сближении (в процессе контактирования) абсолютно гладкого тела с поверхностью, имеющей неровности.
Относительную опорную длину рассчитывали для всех образцов чугуна по профилограммам поверхности. Значительное влияние на эксплуатационные свойства деталей оказывают неровности верхнего слоя, расположенные на уровне 30-40 % от Rmax. Распределение материала неровностей в этом слое влияет на износ трущихся поверхностей (табл. 2). С этой точки зрения наиболее благоприятными являются чугуны со структурой мартенсит
№ чугу- на Параметры качества, мкм
Ra Rz Rmax Sm S
1 1=3 1,0 1,6 132,5 54
2 1,0 35 4,2 93 71
3 0,75 29 3,7 112,5 40
4 0,73 3,7 1,6 168 91
5 0,68 26 3,2 110 34
отпуска и перлито-ферритная структура чугуна после двойной нормализации (1р =45 % и 39 % соответственно на уровне 40 %) (табл.2).
Т аблица 2 Относительная опорная длина 1Р на различных уровнях, %
Уров- ни изме- рения Ір, % Условный № чугуна
1 2 3 4 5
10 8 5 2 9 3
20 19 19 9 23 17
30 25 38 19 28 37
40 30 39 33 38 45
50 38 53 44 42 53
60 42 59 58 58 70
70 64 66 72 63 84
80 83 77 84 88 95
90 97 94 92 94 98
В начальный период работы трущихся поверхностей их контакт происходит по вершинам неровностей, в результате чего фактическая поверхность соприкосновения составляет лишь небольшой процент от расчётной. Поэтому при малой площади соприкосновения в местах контакта возникают большие удельные давления, приводящие к интенсивному начальному износу деталей, возникновению узлов схватывания. Влияние шероховатости на начальный износ детали связано не только с размерами фактической поверхности контакта, но и с формой неровностей.
Мелкие и многочисленные неровности обеспечивают большую износоустойчивость, чем крупные неровности большого шага [2]. С этой точки зрения благоприятна структура мартенсита, так как после её обработки получаются мелкие (И = 0,68 мкм, S=0,034 мм) и многочисленные неровности.
При обработке поверхностей, имеющих большую точность и небольшие размеры при большой шероховатости, когда в период начального износа высота неровностей может уменьшиться на 65-75 %, зазор в соединении может достигнуть величины допуска на изготовление детали и точность соединения будет полностью нарушена. В таких случаях шероховатость деталей должна быть минимальной.
В случае, когда в конце участка приработки износ достигает 65-75 %, могут быть рекомендованы к применению чугуны после двойной нормализации и закалки с низким отпуском (табл. 2). Причём с точки зрения формы неровностей можно рекомендовать также нормализованный чугун.
Выводы
1 .Как показали результаты исследований, на шероховатость обрабатываемого чугуна влияет не только твёрдость, но и микроструктура. При этом твёрдость влияет, в основном, на высоту неровностей, а микроструктура - на распределение материала неровностей по высоте от 0 до Яшк. , т. е. на относительную опорную длину1р.
2.Шероховатость оказывает существенное влияние на прирабатываемость. Наилучшую прирабатываемость имеют чугуны после закалки и низкого отпуска, а также двойной нормализации.
Литература
1. Солнцев Л.А., Зайденберг А.Ф., Малый
А.Ф. Получение чугунов повышенной прочности. - Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1986. - 152 с.
2. Путятина Л.И., Тимофеева Л.А., Лалазаро-
ва Н.А. Обеспечение качественных параметров поверхностного слоя в процессе комплексной механической обработки деталей из высокопрочного чугуна // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. трудов-2006. -Вып. 33.-С. 103-105
3. Черезов М.Б., Оноприенко А.А., Москвин
А.И. Особенности обработки высокопрочного чугуна при точении сверхтвёрдыми материалами // Технология корпусостроения судового машиностроения и сварки в судостроении. - Л., 1979. - С. 47-49.
Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д. ф.-м. н., ХНАДУ
Статья поступила в редакцию в мае 2008 г.
