CC BY
115
УДК 621. 9. 047
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОХИМИКОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ А.И. Болдырев
В статье рассмотрены результаты оценки качества поверхностного слоя после комбинированной электрохимикомеханической обработки. Установлено наличие измененного поверхностного слоя, что подтверждено результатами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерением микротвердости. Полученная структура поверхности обеспечивает высокие механические и эксплуатационные показатели, особенно необходимые для деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок
Ключевые слова: поверхностный слой, структура, показатели
Экспериментальными исследованиями [1, 2, 3] установлено, что в зависимости от условий реализации и технологических режимов электрохимической обработки (ЭХО) обрабатываемые материалы могут иметь более высокую или низкую усталостную прочность по сравнению с традиционной механической обработкой, что объясняется растравливанием, наводораживанием и коррозией поверхностного слоя, а также наличием других дефектов. Снизить коррозионный эффект и при электрохимикомеханической обработке [4] можно за счет правильного выбора состава рабочей среды (электролита и различных антикоррозионных добавок), позволяющей изменить окислительно-восстановительный потенциал до его устойчивого пассивного состояния или равновесного значения.*
Состояние поверхностного слоя (структура материала, наличие микрорастравливаний, наклеп, остаточные напряжения и шероховатость) после комбинированной обработки [5] оценивалось на образцах из сталей 45, 40ХНМА, 0ХН3МФА и сплавов ХН70МВТЮБ, ВТ3-1, АВТ 1. Электрохимикомеханическая обработка осуществлялась на режимах, приведенных в табл. 1.
Металлографические исследования [6] выполнялись на поперечных шлифах после химического травления при 500-кратном увеличении. Шлифы из стали 40ХНМА травились в 4 % растворе HNO3 в спирте, шлифы из алюминиевого сплава АВТ 1 - в сложном реактиве (5 % HF + 20 % HCl + 20 % HNO3 + 55 % H20).
После традиционной электрохимической обработки выявляются дефекты (расстравливание, вы-рывы, отслоения) поверхности в форме раковин глубиной до 0,005 мм (отдельные дефекты - до 0,01 мм) (рис. 1). Топография дефектов по поверхности стального образца представлена на микрофотографии (рис. 2), полученной методом электронной микроскопии при увеличении 13000.
В результате пластической деформации, осуществляемой калибрующим элементом при комбинированной обработке, происходит качественное улучшение поверхностного слоя. После обработки
Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, e-mail: [email protected]
на поверхности (рис. 3) практически отсутствуют вырывы и отслоения, характерные для предшествующей ЭХО, т.е. имеет место эффект «залечивания» дефектов. Кроме того, структура слоев, прилегающих к поверхности, претерпевает определенные изменения. Эти изменения выражаются в образовании текстуры и в ряде случаев в существенном измельчении зерен. Структура таких поверхностных слоев становится близкой к структуре аморфных металлических материалов [7], чем, видимо, и объясняется повышение эксплуатационных характеристик изделий.
Как известно, водород, содержащийся в поверхностном слое, вызывает повышенную хрупкость и существенное снижение усталостной прочности изделия [8]. Процентное содержание водорода в обрабатываемых материалах при различных видах обработки представлено в табл. 2.
Содержание водорода у стали 40ХНМА после комбинированной обработки ниже, чем при различных вариантах механической обработки и соизмеримо с электрохимической обработкой. Комбинированная обработка стали 0ХН3МФА на различных режимах электрохимической обработки дает повышенное (в пределах допуска) содержание водорода соизмеримое с механической обработкой с последующим динамическим упрочнением (пескоструйная обработка). Все образцы из титанового сплава имеют практически одинаковый процент содержания водорода. Из этого следует, что при выборе припуска на упрочнение при комбинированной обработке следует учитывать глубину микрорастравливаний. Тогда можно устранить слой с повышенным содержанием водорода.
Дефекты поверхностного слоя, имеющие место при обработке материала, изменяют его механические характеристики [9, 10]. Поэтому при определении надежности и работоспособности изделий необходимо учитывать результаты комплексных испытаний материалов [11], обработанных по различным вариантам технологии: 1) механическая обработка (шлифование - для 40ХНМА, ВТ3-1; фрезерование - для АВТ 1); 2) механическая обработка с виброударным упрочнением; 3) электрохимическая обработка; 4) комбинированная обработка (табл. 3).
Таблица 1
Режимы электрохимикомеханической обработки
Материал детали Электролит Плотность тока, А/мм2 Припуск под упрочнение, мм
Состав Температура, К Скорость, мм/с
Сталь 45 11% №С1 + 0,03% №Ш2 + Н2О 292 10-12 0,13-0,15 0,05
40ХНМА 11% №С1 + 0,03% №Ш2 + Н2О 292 10-12 0,13-0,15 0,05
0ХН3МФА 11% №С1 + 0,03% №Ш2 + Н2О 292 10-12 0,13-0,15 0,05
ХН70МВТЮБ 12% №С1 + Н2О 293 12-13 0,15-0,20 0,05
ВТ3-1 10% №С1 + 3% КВг + Н2О 313-323 13-15 0,18-0,20 0,05
АВТ 1 11% №Ш3 + Н2О 293 10-12 0,14-0,16 0,05
Таблица 2
Содержание водорода в поверхностном слое материала при различных видах обработки
Материал Технология обработки Режимы ЭХО Содержание водорода, %
Температура электролита, К Напряжение, В Плотность тока, А/мм2
40ХНМА Механическая обработка - - - 0,00025
Механическая обработка + динамическое упрочнение - - - 0,00020
Электрохимическая обработка 292 12 0,126 0,00018
Комбинированная обработка 292 16 0,138 0,00018
0ХН3МФА Механическая обработка - - - 0,00022
Механическая обработка + динамическое упрочнение - - - 0,00030
Электрохимическая обработка 292 12 0,126 0,00020
Комбинированная обработка 292 12 0,126 0,00030
Комбинированная обработка 307 12 0,146 0,00028
ВТ3-1 Механическая обработка - - - 0,01900
Механическая обработка + динамическое упрочнение - - - 0,01900
Электрохимическая обработка 313-320 18 0,2-0,22 0,01900
Комбинированная обработка 313-320 18 0,2-0,22 0,01550
Таблица 3
Результаты механических испытаний материалов после различных видов обработки
Материал Технология обработки Предел прочности, МПа Ударная вязкость .103 Нм/м2 Угол загиба, град Предел прочности при кручении, МПа
40ХНМА Механическая обработка 1167 770 35,8 3360
Механическая обработка + динамическое упрочнение 1186 726 46,6 3421
Электрохимическая обработка 1086 755 42,4 3405
Комбинированная обработка 1115 785 48,2 3426
ВТ3-1 Механическая обработка 986 445 34,0 2450
Механическая обработка + динамическое упрочнение 983 440 33,2 2500
Электрохимическая обработка 750 410 27,0 2350
Комбинированная обработка 749 420 35,0 2550
АВТ 1 Механическая обработка 382 991 42,6 638
Механическая обработка + динамическое упрочнение 387 912 35,0 638
Электрохимическая обработка 376 981 46,0 626
Комбинированная обработка 385 1079 47,2 632
Рис. 2. Электронная микрофотография поверх- Рис. 3. Электронная микрофотография поверхности образца из стали 40ХНМА до обработки ка- ности образца из стали 40ХНМА после обработки
либрующим элементом калибрующим элементом
Анализ результатов испытаний на растяжение показал, что временное сопротивление ае образцов из стали 40ХНМА после комбинированной обработки на 2,67 % выше, чем после электрохимической обработки, но уступает ае, достигнутому после механической обработки (на 4,45 %) и механической обработки с последующим упрочнением (на 5,86 %). Очевидно, на величину временного сопротивления оказывал влияние наследственный наклеп, образовавшийся на предшествующих технологических операциях механической обработки.
Существенное снижение предела прочности установлено при испытании сплава ВТ3-1. После электрохимической обработки и комбинированной обработки ае уменьшается более, чем на 10 %. Это объясняется межкристаллитным растравливанием, возникающим в поверхностном слое деталей. В этом случае, видимо, целесообразно проводить финишную операцию полирования с целью восстановления ое.
Испытания сплава АВТ 1 показали, что наклеп, полученный при комбинированной обработке, позволяет повысить предел прочности на растяжение до величины, соответствующей механической обработке с упрочнением. Различие ае в 0,52 % может быть объяснено погрешностью измерения.
Изменение свойств металлов в условиях импульсных нагрузок характеризуется результатами проведенных сравнительных механических испытаний на ударную вязкость (табл. 3). После комбинированной обработки образцы из стали 40ХНМА имеют более высокую ударную вязкость, что объясняется изменением состояния поверхностного слоя. Для сплава АВТ 1 качественная картина аналогична тому, что имеет место для стали.
Однако для сплава ВТ3-1 отмечено снижение (на 4,5 %) ударной вязкости. С учетом погрешности испытаний можно принять, что после комбинированной обработки она практически не меняется.
Замер угла загиба показал, что комбинированная обработка для всех исследуемых материалов повышает значение угла до появления трещин (табл. 3). Это объясняется тем, что поверхностный наклеп существенно снижает влияние предшествующей обработки, изменяя характер неровностей и выравнивая шероховатость поверхности. Особенно эффективен наклеп для титановых сплавов, т.к. восстанавливается угол загиба образцов после электрохимической обработки.
Исследован предел прочности материала при кручении (табл. 3). Разброс результатов для стали и алюминиевого сплава не превышает 2 %, для титанового сплава - 4 % и лежит в пределах погрешности измерений. Это позволяет утверждать, что предел прочности при кручении после электрохимикомеханической обработки практически одинаков с пределом прочности при кручении для всех рассмотренных вариантов обработки.
Результаты сравнительных испытаний образцов на чистый изгиб с кручением (базовое количество циклов: для стали - 2-107; для алюминиевого и титанового сплава - 5-107) представлены в табл. 4.
Таблица 4
Изменение усталостной прочности материалов
Материал Вид обработки Предел вынос- ливости, МПа Изменение предела выносливости
МПа %
40ХНМА Электро- химическая обработка 590 +60 +10,3
Комбини- рованная обработка 650
ВТ3-1 Электрохи- мическая обработка 420 +110 +26,2
Комбини- рованная обработка 530
АВТ 1 Электро- химическая обработка 98 +17 +17,3 5
Комбини- рованная обработка 115
Для всех приведенных материалов отмечено существенное повышение предела выносливости после комбинированной обработки по сравнению с обработкой традиционной ЭХО. Так для титанового сплава ВТ3-1 изменение предела выносливости достигает 26,2 %. Причем повышение предела выносливости тем значительнее, чем выше упрочняемость металла образцов.
Предел выносливости, достигнутый в результате комбинированной обработки, соизмерим, а зачастую и выше предела выносливости, обеспечиваемого механической обработкой с упрочнением (рис. 4). Это обстоятельство позволяет рекомендовать предложенную комбинированную обработку взамен отделочных методов (многократного развертывания, шлифования, полирования и др.), имеющих целью создать более благоприятное, с точки зрения сопротивления усталостному разрушению, напряженно-деформированное состояние обработанной поверхности.
Шероховатость поверхностей образцов после электрохимической обработки и комбинированной обработки определяется в основном структурой материала и режимами обработки и является результатом замеров глубин микрорастравливаний. Измерение шероховатости поверхности образцов, обработанных на оптимальных электрохимических режимах [12] и натягах на калибрующем элементе 0,05-
0,4 мм, щуповым методом на профилографе-профилометре показало, что практически невозможно получить шероховатость для сталей ниже Яа = 0,08 мкм по ГОСТ 2789-79, для алюминиевых сплавов Яа = 0,16 мкм [13].
800
700
600
500
too
300
200
СГ МПа
1
" 2^\
3
1 • /Л ь V 5 6
( \ / / А
▼ /X 7
1 ' \ <
uu.
о
5
10
15 20 25
Рис. 4. Влияние наклепа поверхностного слоя различных материалов на предел выносливости: 1 -12Х2Н4А, 2 - 40ХНМА, 3 - сталь 45, 4 - сталь 40Х, 5 - ХН70МВТЮ, 6 - ВТ 9, 7 - ВТЗ-1, 8 - ЖС6К
Согласно А.М.Сулиме [14, 15] параметры поверхностного слоя в значительной степени определяют сопротивление усталости. Так для ряда конструкционных материалов эта зависимость выражается уравнением множественной регрессии вида:
G-\ - А0 + A1 Ra + А2+ A.Uн ,
(1)
где Ка, К, ин - шероховатость поверхности, глубина и степень наклепа поверхностного слоя, соответственно;
Ао, А], А2, А3 - коэффициенты при переменных в корреляционном уравнении.
Зная численные значения параметров поверхностного слоя можно оценивать ожидаемый предел выносливости материала.
Комплекс экспериментальных исследований по выявлению относительной значимости каждого из параметров поверхностного слоя на предел выносливости показал, что наиболее значимым и определяющим является значение шероховатости поверхности. В результате предложена зависимость
^-1 - АшR
(2)
где а и Аи
коэффициенты, полученные в результате испытаний материалов (для стали 40ХНМА Аш = 470, а = -0,2; для сплава ХН70МВТЮБ Аш = 315, а = -0,11; для сплава ВТ3-1 Аш = 460, а = -0,1).
по которой, используя результаты измерения шероховатости образцов, можно оценить предел выносливости материала или шероховатость после электрохимикомеханической обработки, необходимую для восстановления усталостных характеристик сплавов.
В результате обработки данных получены зависимости для оценки оптимального наклепа при малых температурах (до 400 К) эксплуатации (рис. 4). Анализ зависимостей показал, что для всех исследуемых материалов усталостная прочность растет до некоторого предельного для данного материала значения. Дальнейшее упрочнение ведет уже к ее снижению. Так усталостная прочность стали 40ХНМА (кривая 2) достигает максимального значения при степени наклепа ин = 16 %. Последующее наклепывание поверхности до ин = 30 % приводит к снижению предела выносливости на 4,6%. Еще более интенсивное изменение предела выносливости установлено для титанового сплава ВТ3-1 (кривая 6): изменение степени наклепа всего на 1% с 11% до 12% позволяет повысить предел выносливости на 39 МПа, т.е. на 13,7%; увеличение степени наклепа еще на 4% приводит уже к снижению предела выносливости на 27,2%.
Особенностью использования жаропрочных сплавов является их поведение при повышенных (до 2500 К) температурах в процессе эксплуатации. Так для сплава ХН70МВТЮ (рис. 5) область оптимального наклепа с возрастанием температуры до 1100 К снижается с 4 % до 1,6 %, а далее эффект наклепа не проявляется. Частота нагружения образцов при испытаниях (кривые 1, 2) не оказывают существенного влияния.
ии
°/
/о
1
2 /
ГК
2
300 Ь50 600 750 900 1050 1200
Рис. 5. Изменение величины оптимального наклепа (%) от температуры испытаний сплава ХН70МБТЮ: 1 - при частоте нагружения 1000 Гц; 2 - при частоте нагружения 5000 Гц
При эксплуатации двигателей летательных аппаратов установлено, что надежность лопаток газовых турбин зависит от перераспределенных внутренних напряжений и величины наклепа на стадии нарастания температуры. Поэтому период начального изменения температуры является наиболее значимым с позиций работоспособности и обеспечения
ресурса изделий. На рис. 6 показано, что для сплава ХН70МБТЮ снижение предела усталостной прочности в зоне упрочнения сверх оптимального наклепа приводит к уменьшению этого показателя.
0 20 4/7 60 80 100 интт, %
Рис. 6. Снижение (%) предела усталостной прочности сплава ХН70МБТЮ при степени наклепа (%) выше оптимального (относительно оптимального уровня): 1 - при частоте нагружения 1000 Гц; 2 - при частоте нагружения 5000 Гц. Температура испытаний 900 К
Таким образом, комплекс экспериментальных исследований подтвердил возможность использования комбинированного процесса для обработки точных каналов с гарантированным наклепом. Стабильность получения заданного наклепа составила ± 1 %. Это позволяет существенно повысить предел выносливости по сравнению с электрохимической обработкой и рекомендовать комбинированную обработку взамен операций механической обработки.
Литература
1. Седыкин Ф.В. Размерная электрохимическая обработка деталей машин. М.: Машиностроение, 1976. 302 с.
2. Смоленцев В.П. Технология электрохимической обработки внутренних поверхностей. М.: Машиностроение, 1978. 176 с.
3. Бондарь А.В. Качество и надежность. М.: Машиностроение, 2007. 308 с.
4. Теория электрических и физико-химических методов обработки. Ч.2.: Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии и комбинированными методами / Под ред. А.И. Болдырева. Воронеж: ВГТУ, 2008. 136 с.
5. А.с. 1085734 СССР, МКИ3 В 23 Р 1/04. Способ электрохимикомеханической обработки / А. И. Болдырев, В.П. Смоленцев (СССР). Опубл. 1984, Бюл. № 14.
6. Практические вопросы испытания металлов / Под ред. О.П. Елютина. М.: Металлургия, 1979. 280 с.
7. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986. 176 с.
8. Колачев Б.А. Основы физики металлов. Электронное строение металлов. М.: Машиностроение, 1974. 152 с.
9. Васильев А.С., Дальский А.М., Золотаревский Ю.М. и др. Направленное формирование свойств изделий машиностроения. М.: Машиностроение, 2005. 352 с.
10. Киричек А.В., Соловьев Д. Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.
11. Семушкин О. Г. Механическик испытания металлов. М.: Высшая школа, 1972. 304 с.
12. Смоленцев Е. В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М.: Машиностроение, 2005. 511 с.
13. Болдырев А.И. Обеспечение заданного качества поверхностного слоя каналов комбинированной обработкой / А.И. Болдырев // Известия ОрелГТУ. 2009. № 2-3/274(560). С. 59-63.
14. Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974. 256 с.
15. Сулима А.М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1980. 240 с.
Воронежский государственный технический университет
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE SURFACE LAYER STATE AFTER ELECTROCHEMICAL MECHANICAL MACHINING A.I. Boldyrev
The article deals with the results of surface layer quality assessment after combined electrochemical mechanical machining. The identified presence of changed surface layer is proved by results of electronic microscopy, X-ray structure analysis, change of microhardness. The received surface texture provides high mechanical and performance figures, especially the ones needed for workpieces operating under alternate loads
Key words: surface layer, texture, performance figures
