CC BY
6
УДК 621.791
Д1АГНОСТИКА ПРУЖНЬОГО СТАНУ НАПЛАВЛЕНОГО МЕТАЛУ 13 ЗАСТОСУВАННЯМ МЕТОДУ Т.Е.Р.С.
В.А. Багров, доц., к. т.н., I.B. KipieHKO, студ., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Розглянуто можливост1 застосуеання термоелектричного методу неруйшвного контролю для тдбору знососттких наплавных сталей, якг забезпечуютъ тдвищення doezoein-Hocmi штампоеого инструменту. Показано, що для тдвищення 3H0C0cmiuK0cmi noeepxni инструменту штамтв бажано застосоеуеати сплаеи, в яких у поеднант з маркою оброблюва-ного матер\алу сумарна Т.Е.Р.С. прагне до нуля. Установлено, що застосуеання термоелектричного експрес-методу неруймвного контролю дозеоляе оперативно визначати найбтьш небезпечт локалъш мгсця можливого руйнування.
Ключов1 слова: сталь, знососттюсть, термоелектричний метод неруймвного контролю.
ДИАГНОСТИКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА Т.Э.Д.С.
В.А. Багров, доц., к. т.н., И.В. Кириенко, студ., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Рассмотрены возможности применения термоэлектрического метода неразру-шающего контроля для подбора износостойких наплавочных сталей, обеспечивающих повышение долговечности штампоеого инструмента. Показано, что для повышения износостойкости гравюры штампов желательно применять сплавы, в которых в сочетании с маркой обрабатываемого материала суммарная Т.Е.Д.С. стремится к нулю. Установлено, что применение термоэлектрического экспресс-метода неразрушающего контроля позволяет оперативно определять наиболее опасные локальные места возможного разрушения.
Ключевые слова: сталь, износостойкость, термоэлектрический метод неразрушающего контроля.
DIAGNOSTICS OF THE STRESSED STATE OF FUEL METAL USING THE
T.E.M.F. METHOD
V. Bagrov, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), I. Kirienko, St., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The article deals with the possibility of using the thermoelectric NDT method for selecting the wear-resistant surfacing of steel that increases the durability of stamping tools. It is shown that to improve the wear resistance of the surface of tool dies it is desirable to use alloys in which combined with the brand of the processed material the total T E.M.F. tends to zero. It is established that the application of thermoelectric express NDT method allows one to quickly determine the most dangerous local places of potential damage.
Key words: steel, wear resistance, thermoelectric NDT method.
Вступ
Hapa3i розроблення нових метод1в досль дження напруженого деформованого стану
матер1ал1в, розширення можливостей юную-чих метод1в неруйшвного контролю набувае все бшьшого значения. Особливо важливим е використання ф1зичних метод1в неруйшвного
контролю, заснованих на вивченш внутрш-шх процеав, що вщбуваються в деформова-ному матер1алг
Анал1з публжацш
Одним з найважливших засоб1в шдвищення якосп та надшносп вироб1в, що шдлягають значним тепловим та мехашчним наванта-женням, е неруйшвний контроль, який усш-шно застосовуеться у виробництв1 на р1зних етапах технолопчного процесу, а також шд час експлуатацп готового виробу для оцшю-вання його подальшого ресурсу [1].
Поверхневий шар деталей, що мають контак-тш циктчш навантаження (терм1чш 1 меха-шчш), знаходиться в напруженому сташ все-б1чного нер1вном1рного стиснення, штен-сившсть якого перюдично змшюеться. Кр1м того, на напружений стан, створений зовшш-шми силами, накладаються внутршш термь чш та структурш напруження. У процес1 на-плавлення легованими сталями додатково накладаються залишков1 напруження, викли-каш терм1чним циклом зварювання, та внут-ршш напруження, обумовлеш розходжен-ням ф1зичних 1 мехашчних властивостей покриття та основи. Поверхневий шар у прочее експлуатацп може зазнавати значш пла-стичш деформацп. Унаслщок цього в бшь-шосп випадюв руйнування починаеться з поверхневого шару отже, мщшсть 1 зносо-стшюсть деталей, що мають контактш навантаження, визначаються переважно яюстю поверхневого шару [2].
Особливо попршують яюсть поверхневого шару р1зного роду дефекти (неоднородное^, структурш неоднорщносп тощо). Вони зни-жують мщшсть, зносостшюсть 1 експлуата-цшну надшнють деталей та шструменту.
Оскшьки в процес1 динам1чного контактного навантаження поверхнев1 шари металу без-посередньо сприймають основне навантаження, необхщною умовою шдвищення контактно! мщносп 1 довгов1чносп матер1алу е спрямований виб1р !х системи легування та х1м1чного складу. У зв'язку з цим виникае необхщшсть у застосуванш р1зних метод1в випробування (ф1зичних, мехашчних) для зютавлення експлуатацшних характеристик, отриманих як у процес1 найпроспших наван-тажень (розтягування, стискання, кручення), так 1 в умовах складного напруженого стану
за нормальних 1 високих температур. Результата цих випробувань е основною шформащ-ею про матер1али шд час розрахунку в умовах дп будь-яко! складно! системи напружень. Одночасно законом1рносп дефо-рмування та руйнування твердих тш вивча-ються, як правило, на основ! усереднених характеристик мехашчних властивостей ма-тер1алу. Експериментальш дослщження за умови складного напруженого стану, особливо за високих температур, пов'язаш з великими труднощами для постановки експе-рименту.
У багатьох випадках бажано отримання дос-лщжуваних характеристик матер1алу з мшь мальною кшьюстю зразюв, шдданих перевь рочним руйшвним випробуванням. Особливо ця проблема актуальна у дослщженш напруженого стану в зразках 1 деталях, вщновле-них наплавленням.
Насьогодш розроблення нових метод1в дос-лщження напружено-деформованого стану матер1ал1в, розширення можливостей юную-чих метод1в неруйшвного контролю набувае все бшьшого значения. Особливо важливим е розширення використання ф1зичних метод1в неруйшвного контролю, заснованих на вивченш внутршшх процес1в, що вщбуваються в деформованому матер1алг
Мета 1 постановка завдання
Обгрунтувати можливють застосування тер-моелектричного методу неруйшвного контролю для шдбору зносостшких сплав1в.
Результати дослщжень та Тх обговорення
Експериментальш дослщження були спрямо-ваш на вивчення впливу робочих температур штамшв 1 процес1в тертя на зносостшюсть 1 контактну мщшсть наплавних матер1ал1в, яю умовно можна розбити на чотири групи.
До першо! групи належать метастабшьш аус-тештш стал1 системи Сг-Мп на основ! зал1за додатково леговаш Т та Si, до друго! - вто-риннотверд1юч1 стал1 системи Сг-Мп-Мо на основ! зал1за. Як основний елемент для зв'язування вуглецю в цих групах взято ТТ. До третьо! та четверто! групи матер1алами для пор1вняння взят1 стал1 5ХНМ та 08Х6Н8М7С.
Х1м1чний склад сталей першо! та друго! труп вардавали за змютом таких елемеппв, як С, Мп, Тт Вмют Сг було взято до 3 %, Мо ~5-7 %. Сшввщношення Т та С шдтримува-ли в межах Т1/С = 0,24:0,25 ат (%).
Титан як основний карбщоутворювальний елемент був взятий, виходячи з вимог висо-ко1 стшкосп наилавлювальних сплав1в в умовах абразивного зношування й ударних навантажень: структура сплаву повинна складатися з мартенситно-аустештно! або мартенситно! матриц! та р1вном1рно розподь лених карбщ1в; твердють карбадв повинна бути максимальною, а !х кшьюсть знахо-диться в межах 20-30 %.
Ор1ентовний х1м1чний склад наплавленого металу визначали з урахуванням перемшу-вання основного 1 наплавленого металу, кое-фщеппв засвоення легуючих елемеппв та шших величин.
Наплавлення виконували трактором ТС-17М 1 автоматичною головкою А-1416 на пласти-ни розм1ром 200x150x25 мм з1 стал1 20, 500x300x40 мм з1 стал1 45 1 400x50x40 з1 ста-л1 5ХНМ. Захисним флюсом для наплавлення порошковими дротами з системами легуван-ня Сг-Мп-Т 1 Сг-Мп-Мо-Т на основ! зал1за був взятий флюс АН-22. Вихщна основшсть флюсу АН-22 - В = 1,4668, х1м1чна актив-шсть - Аф = 0,1819.
Вир1зку зразюв для дослщження властивос-тей наплавленого металу виробляли абразив-ними вщр1зними кругами з подальшим шль фуванням 1 пол1руванням.
Лабораторш випробування проводили на машиш тертя 2070 СМТ-1 за схемою «диск-колодка». Режими тертя: швидюсть обертан-ня диска и = 0,5 м/с; навантаження - N = 25; 50 Н. Матер1ал контртша сталь 40Х термооб-роблена, HRC 47-49.
Основним методом дослщження впливу про-цес1в тертя на мщнюш властивосп дослщжу-ваних матер1ал1в використовувався термое-лектричний метод неруйшвного контролю. Цей метод заснований на ефектах, пов'язаних з виникненням у металах термое-лектрорушшно! сили (Т.Е.Р.С.) [3]. У зв'язку з вщсутшстю прямо! залежносп м1ж величиною Т.Е.Р.С. 1 температурою спаю термопар, вим1рювали коефщент Т.Е.Р.С., тобто величину Т.Е.Р.С. на 1 градус.
Для дослщження використовувалися зразки, випробуваш на зносостшюсть на установщ 2070 СМТ-1, ¿з сталей 50ХНМ, 40Х4Г8Т2С, 08Х6Н8М7С, 20Х3Г9М5Т2С.
Кр1м цього, вим1рювався коефщент Т.Е.Р.С. стал1 45 1 35ХГСА (сталь, що застосовуеться на завод1 АТ «Св1тло шахтаря» для виготов-лення сережки).
Схема точок вим1ру коефщента Т.Е.Р.С. наведена на рис. 1. Точки вим1р1в коефщеппв Т.Е.Р.С. бралися в мюцях можливих змш на-пруженого стану теля випробувань на тертя.
Рис. 1. Схема точок вим1ру коефщента Т.Е.Р.С.
Результати вим1рювання коефщеппв Т.Е.Р.С. дослщжуваних матер1ал1в наведен! в табл. 1.
Значения коефщеппв Т.Е.Р.С. стал1 45 1 35ХГСА вщповщно становили +3,83,9 мкВ/°С 1 +5,9-6,0 мкВ/°С.
Анал1з результата значень коефщеппв Т.Е.Р.С. показуе, що вони коливаються в невеликих межах 1 за !х величиною з урахуванням р1знищ температур гарячого 1 холодного електрод1в дослщжуваш матер1али можна розкласти в термоелектричний ряд вщносно
М1Д1:
20Х3Г9М5Т2С
Е = -433-10"6 В,
40Х4Г8Т2С Е = -389-10"6 В, мщь Е = 0 В, сталь 45 Е = +273-10"6 В, 08Х6Н8М7С Е = +31510-6 В, 50ХНМ Е = +329-10"6 В, 35ХГСА Е = +420-10"6 В.
Знаючи потенщали наведених у з'еднанш метал1в, можна судити про поверхневу енер-гш на меж1 !х торкання.
Р1зниця потенщал1в контактуючих пар ви-кликае розсдавання тшьки тих електрошв провщносп, постачальником яких е метал з великим х1м1чним потенщалом.
Таблиця 1 Значения коефвденпв Т.Е. Д. С. дослщжуваних матер1ал1в
& « « ^ о Н 50ХНМ 08Х6Н8М7С 20Х3Г9.М5Т2С 40Х4Г8Т2С
а1 +4,6-4,7 +4,5-4,6 -6,1-6,2 -5,5-5,6
а2 +4,4-4,7 +5,6-5,7 -6,0-6,1 -5,2-5,6
а3 +4,6-4,7 +5,6-5,7 -6,1-6,2 -6,2-6,3
а4 +4,1-4,2 +5,2-5,3 -5,9-6,0 -6,5-6,7
а5 +4,4-4,5 +5,1-5,2 -6,0-6,1 -6,6-6,8
аб +4,7-4,9 +4,6-4,7 -6,2-6,3 -6,3-6,4
а7 +4,8-4,9 +4,6-4,7 -6,2-6,3 -6,6-6,7
Примтка: Знак «+» показуе, що струм тече вщ мщ до металу через гарячий електрод, знак «-» -через холодний електрод.
Тобто в цьому метал! акумулюеться поверх-нева енерпя, у той час як з боку шшого металу вона р1зко знижуеться. Про мехашзм провщносп сплав1в можна також судити за вщсотковим змютом 1 типом власно! провщ-носп легуючих елемешгв [4]. Пщвищення рухливосп дислокацш у процес! тертя конта-ктуючих пар обумовлюеться не тшьки д1ею напружень, але 1 шдвищенням температури. Це викликае прискорення пластично! дефор-мацп в поверхневому шар!, що впливае на змшу поверхнево! енергп. Таким чином, за умови одних 1 тих самих розм1р1в контактних плям термострум, що протшае через них, бу-де р1зним. Для збшьшення довгов1чносп те-рмшу служби бажано, щоб термострум був мшмальним. Отже, за шших р1вних умов повинна бути найменшою 1 термоелектрору-шшна сила, яка обумовлюе цей струм. Роз-рахунок сумарних Т.Е.Р.С. у контур! «гарячий електрод (мщь марки М1) - сплав -сталь 45 - холодний електрод (мщь марки М1)» з урахуванням знаюв показав, що термострум мшмальний у пар! сталь 45 - сплав 20Х3Г9М5Т2С, хоча зносостшюсть пор1вня-но з шшими сплавами вища в умовах лабора-торних випробувань.
Виробнич! випробування вщновлених напла-вленням матриць гарячого деформування деталей з1 стал! 35ХГСА подтвердили отри-
маш результати лабораторних дослщжень щодо встановлення кореляцп м1ж зносостш-юстю 1 сумарним термострумом контактую-чих матер1ал1в.
Результати лабораторних дослщжень 1 виро-бничих випробувань цшком узгоджуються з положениями про електричш явища шд час тертя, викладеними в роботах Б.В. Костець-кого, В.В. Крагельського, С.Н. Постшкова. Отримаш значения коефщ1еш1в Т.Е.Р.С. а3, а4, а5 1 а6 свщчать про змши властивостей металу як у поверхневому шар! (а4), так 1 в шдповерхневих його шарах, що також шдт-верджуеться вим1рюваннями мшротвердосп зразюв тертя 1 металограф1чними дослщжен-нями.
Отримаш результати лабораторних досль джень 1 виробничих випробувань наплавле-ного металу свщчать про можливють засто-сування термоелектричного методу неруй-швного контролю для шдбору контактуючих пар, яю забезпечують шдвищення зносостш-косп 1 довгов1чност1 обробного шструмента.
Для дослщження зон концентрацп напружень термоелектричним методом використо-вувалася наплавлена матриця К 49793 з1 стал! 50ХНМ. Коефщент Т.Е.Р.С. вим1рювали пе-ремщенням електрод1в пристрою по гравюр! матриц! (окремо по металу шва ! зони термь чного впливу). Поим виробляли поперечн! перем!щення в!дносно гравюри з ампл!тудою 10-20 мм у бш основного металу. Показания приладу рееструвалися з! знаками «+» ! «-». За середн! значения коефщента Т.Е.Р.С. на гравюр! взят! вим!рювання на прямол!н!йних д!лянках. У навколошовнш зон! за середне значения коефщента Т.Е.Р.С. взят! показни-ки для стал! 50ХНМ. Стрибкопод!бна зм!на знака ! величини коеф!ц!ента Т.Е.Р.С. вказу-вала на зони концентрац!! напружень.
Результати розподшу коеф!ц!ента Т.Е.Р.С. ! його точки вим!р!в зображен! на рис. 2. Зони максимальних концентрацш напружень показано на лшях зм!ни знак!в коеф!ц!ент!в Т.Е.Р.С.
Анал!з р!вн!в концентрац!! напружень показуе, що найбшьш! напруження в наплавле-ному метал! виникають в облает! точок 9-10, де кр!м дп дотичних напружень в процес! експлуатацп зм!нюеться характер напруже-ного стану через геометрда матриц!. Це за
критер1ем М1зеса-Генки приводить до збшь-шення напружень, необхщних для виникнен-ня локально! течи матер1алу. Унаслщок змь ни напруженого стану величина меж1 плинносп досягае меж1 обмежено! плиннос-т1, що спричиняе виникнення концентрацп напружень I деформацш.
Рис. 2. Розподш середшх значень коефщен-т1в Т.Е.Р.С. у вим1ряних перетинах гра-вюри матриц!
У сталях 08Х6Н8М7С I 20Х3Г9М5Т2С унаслщок дослщження виявлено бшьш протяж-ний змщнений шар, у структур! якого спо-стер1гаються характерш пластинчасп утворення. Враховуючи численш лпературш даш про схильшсть метал1в з низькою енер-пею дефектов пакування до двшникування деформацп, можна припустити, що ново-утворення, яю спостер1гаються в зош тертя, е специф1чними двшниками деформацп, що утворилися в умовах шдвищених температур. Додатковий внесок у змщнення двшни-ково1 зони в цих сплавах сприяе видшенню дисперсних карбщв.
Для вс1х дослщжених сплав1в характерним е поступове зменшення розкиду значень м1к-ротвердосто по глибиш зони тертя.
Змша мшротвердосто у приповерхневих шарах на стадп усталеного зношування, зрозу-мшо, обумовлено тим, що паралельно вщбу-ваються процеси взаемно! дифузп матер1ал1в пари тертя, виборчого окисления 1 термоди-фузшного перерозподшу змщнюючо! фази шд д1ею деформацш I температур, виклика-них тертям.
Перел1чеш структурш змши справляють р1з-ний вплив на штенсившсть зношування дос-лщжуваних матер1ал1в. Низька здатнють до змщнення, незважаючи на присутшсть «бшо! смуги», призводить до шдвищення темпу зношування I передчасного переходу до стадп усталеного зношування. Двшникування 1 видшення карбадв по двшникам (стал1 40Х4Г8Т2С, 08Х6Н8М7С 20Х3Г9М5Т2С) шдвищуе ошршсть пластичним зрушенням за умови шдвищених температур, усклад-нюючи руйнування робочих об'ем1в у проце-с1 тертя.
3 дослщжених матер1ал1в найбшьшою зносо-стойюсть мае сталь 20Х3Г9М5Т2С. Пщвище-ну зносостшюсть ще! стал1 можна пояснити, з одного боку, оптимальним фазовим складом, з шшого, - низькою енерпею дефектов пакування, що забезпечуе схильшсть до де-формацшного двшникування за умови шдвищення температур. Двшникування сприяе змщненню приконтактних об'ем1в металу, тим самим знижуючи штенсившсть зношування, що пов'язано з д1ею мехашзму Мотта-Набарро. Змша дислокацшно! структури прикордонних областей 1 характеру старшня (перерозподш карбщно! фази), що вщбува-ються внаслщок дп шдвищених температур 1 деформацш, е одним з основних фактор1в шдвищення контактно! мщносп 1 м1кро-пластичносто поверхневих шар1в стал1 20Х3Г9М5Т2С.
Висновки
Унаслщок проведених дослщжень показана можливють застосування термоелектричного методу неруйшвного контролю для шдбору зносостшких наплавних сталей, яю забезпе-чують шдвищення довгов1чносто штампового шструмента. Установлено, що для шдвищення зносостшкосп та довгов1чносто поверхш обробного шструмента штамшв гарячого де-формування бажано застосовувати сплави, в яких у поеднанш з маркою оброблюваного матер1алу сумарна Т.Е.Р.С. прагне до нуля.
Застосування термоелектричного експрес-методу неруйшвного контролю дозволяе оперативно визначати найбшьш небезпечш локальш мюця, яю характеризуються крити-чними зонами концентрацп напружень, 1 вча-сно застосовувати заходи для !х усунення.
Лггература
1. Троицкий В. А. Неразрушающий контроль
качества в Украине на рубеже столетий /
B. А. Троицкий // Неруйшвний контроль та технолопчна д1агностика 2000: труды 3 Украинской научно-технической конференции. - Днепропетровск. - 2000. -
C. 8-16.
2. Крагельский И.В. Узлы и трения машин:
Справочник / И.В. Крагельский, Н.М. Михин. - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.
3. Шкилько A.M. Неразрушающие методы
контроля металлов и узлов энергетического оборудования: учебное пособие / A.M. Шкилько. - К.: ИСИО, 1994. -180 с.
4. Новые возможности неразрушающего кон-
троля текущего состояния прокатных валков листопрокатных производств по измерению распределения магнитных характеристик рабочего слоя / Г.Я. Без-людько, И.Л. Казакевич, Л.А. Крутиков, Т.С. Скобло // Неруйнований контроль та технолопчна д1агностика 2000: труды 3 Украинской научно-технической конференции. - Днепропетровск. - 2000. -С.150-151.
Рецензент: Д.Б. Глушкова, професор, д.т.н., ХНАДУ.
