CC BY
13
УДК 621.791
В.А. БАГРОВ, А Р. ОКОРОКОВ
Украшська iнженерно-педагогiчна aKaAeMiH, м. Харшв
ЕКСПРЕС-Д1АГНОСТИКА ЯКОСТ1 ТА П1ДБ1Р ЗНОСОСТ1ЙКИХ МАТЕР1АЛ1В 13 ЗАСТОСУВАННЯМ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО МЕТОДУ
КОНТРОЛЮ
В cmammi розглянутi можливостi застосування термоелектричного методу неруйтвного контролю для пiдбору зносостшких наплавочних сталей, як забезпечують пiдвищення довговiчностi штампового тструменту. Показано, що для пiдвищення зносостiйкостi поверхн тструменту штамтв бажано застосовувати сплави, в яких у поеднант з маркою оброблюваного матерiалу сумарна Т. Е. Р. С. прагне до нуля. Встановлено, що застосування термоелектричного експрес-методу неруйнiвного контролю дозволяе оперативно визначати найбшьш небезпечнi локальнi мiсця можливого руйнування.
Ключовi слова: сталь, зносостшюсть, термоелектричний метод неруйтвного контролю.
В.А. БАГРОВ, А.Р. ОКОРОКОВ Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков
ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКА КАЧЕСТВА И ПОДБОР ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ
В статье рассмотрены возможности применения термоэлектрического метода неразрушающего контроля для подбора износостойких наплавочных сталей, обеспечивающих повышение долговечности штампового инструмента. Показано, что для повышения износостойкости поверхности инструмента 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.
V.A. BAGROV, A.R. OKOROKOV Ukrainian Engineering Pedagogical Academy, Kharkiv
EXPRESS DIAGNOSTICS OF THE QUALITY AND SELECTION OF WEAR-RESISTANT MATERIALS USING THERMOELECTRIC METHOD OF CONTROL
The article discusses the possibility of using thermoelectric NDT method for the selection of wear-resistant surfacing of steels that increase the durability of the punching tools. It is shown that to improve the wear resistance of the surface of tool dies is desirable to use alloys that are combined with the brand name of a processed material total T. E. D. S. 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.
Keywords: steel, wear resistance, thermoelectric NDT method.
Постановка проблеми
В даний час розробка нових методiв дослщження напруженого деформованого стану матерiалiв, розширення можливостей юнуючих методiв неруйтвного контролю набувае все б№шого значения. Особливо важливим е розширення використання фiзичних методiв неруйтвного контролю, заснованих на вивченш внутршшх процеав, що вщбуваються в деформованому матерiалi.
Аналiз останшх дослвджень i публжацш
Одним iз найважливших засобiв тдвищення якосп надшносп виробiв, що несуть значш тепловi та мехашчш навантаження, е неруйшвний контроль. Неруйшвний контроль устшно застосовуеться у виробнищга на рiзних етапах технолопчного процесу, а також тд час експлуатаци готового виробу для оцшки його подальшого ресурсу [1].
Експериментальш методи дослвдження напруженого деформованого стану матерiалiв е одними з основних при ощнщ рiвня в деталях i конструкщях як у пружшй, так i в пружшэ-пластичнш обласп деформування.
Поверхневий шар деталей, несучих контактш циктчш навантаження (термiчнi i мехашчт), знаходиться в напруженому станi всебiчного нерiвномiрного стиснення, iнтенсивнiсть якого перюдично змiнюeться. Крiм того, на напружений стан, створений зовнiшнiми силами, накладаються внутрiшнi термiчнi та структурнi напруження. При наплавленнi легованими сталями до зовшшшх i вищевказаних внутрiшнiх напружень додатково накладаються залишковi напруження, викликаш термiчним циклом зварювання i внутршш напруження, обумовленi розходженням фiзичних i механiчних властивостей покриття та основи. Поверхневий шар в процес експлуатацп може зазнавати значних пластичних деформацш. Внаслiдок цього в бiльшостi випадшв руйнування починаеться з поверхневого шару ^ отже, мiцнiсть i зносостшшсть деталей, несучих контактнi навантаження, визначаеться переважно як1стю поверхневого шару [2].
Особливо попршують як1сть поверхневого шару рiзного роду дефекти (неоднородности структурнi неоднорiдностi тощо). Вони знижують мiцнiсть, зносостiйкiсть i експлуатацiйну надшшсть деталей та iнструменту.
Осшльки в процеа динамiчного контактного навантаження поверхневi шари металу безпосередньо сприймають основне навантаження, необхвдною умовою пiдвищення контактно! мщносп i довговiчностi матерiалу е спрямований вибiр !х системи легування i хiмiчного складу. У зв'язку з цим виникае необхiднiсть у застосуванш рiзних методiв випробування ^зичних, механiчних) для спiвставлення експлуатацiйних характеристик, отриманих як при найпростiших навантаженнях (розтяг, стиск, кручення), так i в умовах складного напруженого стану при нормальних i високих температурах. Результата цих випробувань е основною шформащею про матерiалi при розрахунку в умовах ди будь-яко! складно! системи напружень. При цьому закономiрностi деформування та руйнування твердих тш вивчаються, як правило, на основi усереднених характеристик механiчних властивостей матерiалу. Експериментальнi дослiдження при складному напруженому сташ, особливо в умовах високих температур, пов'язаш з великими труднощами при постановцi експерименту.
У багатьох випадках бажано отримання дослiджуваних характеристик матерiалу з мiнiмальною к1льк1стю зразшв, пiдданих перевiрочним руйнiвним випробувань. Особливо ця проблема актуальна при дослщженш напруженого стану в зразках i деталях, ввдновлених наплавленням.
В даний час розробка нових методiв дослiдження напруженого деформованого стану матерiалiв, розширення можливостей iснуючих методiв неруйнiвного контролю набувае все бшьшого значення. Особливо важливим е розширення використання фiзичних методiв неруйнiвного контролю, заснованих на вивченш внутрiшнiх процесiв, що вiдбуваються в деформованому матерiалi.
Формулювання мети дослщження
Обгрунтувати можливiсть застосування термоелектричного методу неруйшвного контролю для пiдбору зносостшких сплавiв.
Викладення основного матер1алу дослщження
Експериментальш дослiдження були направленi на вивчення впливу робочих температур штамтв i процесiв тертя на зносостшшсть i контактну мiцнiсть наплавочних матерiалiв, як1 умовно можна розбити на чотири групи.
До першо! групи вiднесенi метастабiльнi аустенiтнi сталi системи Сг-Мп на основi залiза додатково леговаш Ti та Si, до друго! - вториннотвердiючi сплави системи Сг-Мп-Мо на основi залiза. В якосп основного елемента для зв'язування вуглецю в цих групах прийнятий Ti. До третьо! та четверто! групи в якостi матерiалiв для порiвняння прийнятi стал1 5ХНМ та 08Х6Н8М7С.
Хiмiчний склад сталей першо! i друго! груп варiювали за змютом таких елементiв, як С, Мп, Ti. Вмiст Сг було прийнято до 3%, Мо ~5-7%. Спiввiдношення Ti та С шдтримували в межах Ti/C=0,24:0,25 ат (%).
Титан в якостi основного карбвдоутворюючого елемента був прийнятий, виходячи з вимог високо! стiйкостi наплавлювальних сплаив в умовах абразивного зношування i ударних навантажень: структура сплаву повинна складатися з мартенситно-аустенiтно! або мартенситно! матрицi i рiвномiрно розподiлених карбщв; твердiсть карбiдiв повинна бути максимальною, а !х к1льк1сть знаходиться в межах 20 %-30 %.
Орiентовний хiмiчний склад наплавленого металу визначали з урахуванням перемiшування основного i наплавленого металу, коефiцiентiв засвоення легуючих елементiв та iнших величин.
Наплавлення виконували трактором ТС-17М i автоматичною головкою А-1416 на пластини розмiром 200х150х25 мм зi сталi 20, 500х300х40 мм iз сталi 45 i 400х50х40 зi сталi 5ХНМ. В якостi захисного флюсу для наплавлення порошковими дротами з системами легування Сг-Мп-Т i Сг-Мп-Mo-Ti на основi залiза був прийнятий флюс АН-22. Вихвдна основнiсть флюсу АН-22 - В=1,4668, хiмiчна актившсть - Аф=0,1819.
Вирiзку зразшв для дослщження властивостей наплавленого металу виконували абразивными вiдрiзними кругами з наступним шлiфуванням i полiруванням.
Лабораторнi випробування проводили на машиш тертя 2070 СМТ-1 за схемою "диск-колодка". Режими тертя: швидшсть обертання диска и=0,5 м/с; навантаження - N=25; 50 Н. Матерiал контртiла сталь 40Х термооброблена, НRС 47-49.
В якостi основного методу дослвдження впливу процесiв тертя на мщшсш властивостi дослвджуваних матерiалiв використовувався термоелектричний метод неруйнiвного контролю. Даний метод заснований на ефектах, пов'язаних з виникненням у металах термоелектрорушшно! сили (Т. Е. Р. С.) [3]. У зв'язку з вщсутшстю прямо! залежносп мiж величиною Т. Е. Р. С. i температурою спаю термопар, вимiрювали коефщент Т. Е. Р. С., тобто величину Т. Е. Р. С. на 1 градус.
Для дослщження використовувалися зразки, яш випробуванi на зносостшшсть на установцi 2070 СМТ-1, ¡з сталей 50ХНМ, 40Х4Г8Т2С, 08Х6Н8М7С 20Х3Г9М5Т2С.
Крiм цього, вимiрювався коефщент Т. Е. Р. С. сталi 45 i 35ХГСА (сталь, що застосовуеться на заводi АТ "Свило шахтаря" для виготовлення сережки).
Схема точок вимiру коефiцiента Т. Е. Р. С, наведена на рис. 1. Точки вимiрiв коефщенпв Т. Е. Р. С. приймалися в мюцях можливих змiн напруженого стану тсля випробувань на тертя.
04
н
02__
«1_
Рис. 1. Схема точок вим1ру коефщента Т. Е. Р. С.
Результата вимiрювання коефiцiентiв Т. Е. Р. С. дослвджуваних матерiалiв наведеш в табл. 1.
Значення коефщенпв Т. Е. Р. С. сталi 45 i 35ХГСА вiдповiдно склали +3,8-3,9 мкВ/°С i +5,96,0 мкВ/°С.
Аналiз результатiв значень коефiцiентiв Т. Е. Р. С. показуе, що !х значення коливаються в невеликих межах i за !х величиною, з урахуванням рiзницi температур гарячого i холодного електродiв, дослiджуванi матерiали можна розкласти в термоелектричний ряд вщносно мiдi: 20Х3Г9М5Т2С Е=-433^10-6 В, 40Х4Г8Т2С Е=-389^10-6 В, мiдь Е=0 В, сталь 45 Е=+273^10-6 В, 08Х6Н8М7С Е=+315^10-6 В, 50ХНМ Е=+329^10-6 В, 35ХГСА Е=+420^10-6 В.
Таблиця 1
Значення коефвденпв Т. Е. Д. С. дослвджуваних матерiалiв_
Точка вишру 50ХНМ 08Х6Н8М7С 20Х3Г9.М5Т2С 40Х4Г8Т2С
а 1 +4,6-4,7 +4,5-4,6 -6,1-6,2 -5,5-5,6
а 2 +4,4-4,7 +5,6-5,7 -6,0-6,1 -5,2-5,6
а 3 +4,6-4,7 +5,6-5,7 -6,1-6,2 -6,2-6,3
а 4 +4,1-4,2 +5,2-5,3 -5,9-6,0 -6,5-6,7
а 5 +4,4-4,5 +5,1-5,2 -6,0-6,1 -6,6-6,8
а 6 +4,7-4,9 +4,6-4,7 -6,2-6,3 -6,3-6,4
а 7 +4,8-4,9 +4,6-4,7 -6,2.-6,3 -6,6-6,7
Примiтка: Знак "+" показуе, що струм тече вiд мiдi до металу через гарячий електрод, знак "-" - через холодний електрод.
Знаючи потенцiали в зггкненнях металiв, можна судити про величину поверхнево! енерги на меж1 !х торкання. Рiзниця потенцiалiв контактуючих пар викликае розсiювання тiльки тих електрошв провiдностi, постачальником яких е метал з великим хiмiчним потенщалом. Тобто, в цьому металi акумулюеться поверхнева енерпя, в той час як з боку шшого металу вона рiзко знижуеться. Про мехашзм провiдностi сплавiв можна також судити по процентному змюту i типу власно! провiдностi легуючих елементiв [4]. Щдвищення рухливостi дислокацiй у процес тертя контактуючих пар обумовлюеться не пльки дiею напружень, але i п1двищенням температури. Це викликае прискорення пластично! деформацi! в поверхневому шар^ що впливае на змiну поверхнево! енерги. Таким чином, при одних i тих же розмiрах контактних плям термострум, що протжае через них, буде рiзним. Для
збшьшення довговiчностi термшу служби бажано, щоб термоток був мiнiмальний. Отже, при шших рiвних умовах повинна бути найменшою i термоелектрорушiйна сила, яка обумовлюе цей струм. Розрахунок сумарних Т. Е. Р. С. у контурi гарячий електрод (мщь марки М1) - сплав - сталь 45 -холодний електрод (мщь марки М1) з урахуванням знакiв показав, що термострум мшмальний в парi сталь 45 - сплав 20Х3Г9М5Т2С, хоча зносостшшсть у порiвняннi з iншими сплавами вище при лабораторних випробуваннях.
Виробничi випробування вiдновлених наплавленням матриць гарячого деформування деталей зi сталi 35ХГСА подтвердили отриманi результати лабораторних дослвджень щодо встановлення кореляци м1ж зносостiйкiстю i сумарним термострумом контактуючих матерiалiв.
Результати лабораторних дослщжень i виробничих випробувань цiлком узгоджуються з положеннями про електричнi явища при тертi, викладеними в роботах Костецького Б.В., Крагельського В.В., Постшкова С.Н. Отримаш значения коефiцiентiв Т. Е. Р. С. а3, а4, а5 i а6 сввдчать про змши властивостей металу як у поверхневому шарi (а4), так i в пiдповерхневих його шарах, що також пвдтверджуеться вимiрюваниями мiкротвердостi зразшв тертя i металографiчними дослiджениями.
Отримаш результати лабораторних дослщжень i виробничих випробувань наплавленого металу свiдчать про можливють застосування термоелектричного методу неруйшвного контролю для пiдбору контактуючих пар, яш забезпечують пiдвищення зносостiйкостi i довговiчностi обробного iнструменту.
Для дослвдження зон концентрацп напружень термоелектричним методом використовувалася наплавлена матриця К 49793 iз сталi 50ХНМ. Коефiцiент Т. Е. Р. С. вимiрювали перемщенням електродiв пристрою по гравюрi матриц (окремо по металу шва i зонi термiчного впливу). Потiм виконували поперечнi перемiщення вiдносно гравюри з амплиудою 10...20 мм у бж основного металу. Показання приладу рееструвалися зi знаками "+" i "-". За середнi значення коефiцiента Т. Е. Р. С. на гравюрi прийиятi вимiрянi на прямолiнiйних донках. У навколошовнiй зонi за середне значення коефiцiента Т. Е. Р. С. прийняп показання для сталi 50ХНМ. Стрибкоподiбна змiна знака i величини коефiцiента Т. Е. Р. С. вказуе на зони концентрацп напружень.
Результати розшдалу коефiцiента Т. Е. Р. С. i його точки вимiрiв показанi на рис. 2. Зони максимальних концентрацiй напружень показано на лшях змiни знаков коефiцiентiв Т. Е. Р. С.
Рис. 2. Розподш середн1х значень коефщенпв Т. Е. Р. С. в вимпрниих перетинах гравюри матриц!
Аналiз piBHiB концентрацп напружень показуе, що найбiльшi напруження в наплавленому металi виникають в областi точок 9-10, де KpiM дй" дотичних напружень в пpоцесi експлуатацп, змшюеться характер напруженого стану через геометрш матpицi. Це, зпдно з критерОем МОзеса-Генки, веде до збшьшення напружень, необходного для виникнення локального течи матеpiалу. Внаслiдок змши напруженого стану величина меж1 плинносп досягае меж1 обмежено! плинносп, що спричиняе до виникнення концентрацп напружень i деформацш.
В сталях 08Х6Н8М7С i 20Х3Г9М5Т2С в результат дослщження виявлено бОльш протяжний змщнений шар, в структурО якого спостерпаються характерно пластинчасп освгги. Враховуючи численш лггературт дат про схильшсть металОв з низькою енерпею дефектов пакування до двшникування деформаци, можна припустити, що новоутворення, як1 спостерпаються в зош тертя, являють собою специфОчш двшники деформаци, що утворилися в умовах тдвищених температур. Додатковий внесок у змщнення двшниково! зони в цих сплавах вносить видшення дисперсних карбщв.
Для вах дослщжених сплавОв характерним е поступове зменшення розкиду значень мжротвердосп по глибиш зони тертя.
Змша мжротвердосп в приповерхневих шарах на стади усталеного зношування, по всш видимосп, обумовлено тим, що паралельно вщбуваються процеси взаемно! дифузи матерОалОв пари тертя, виборчого окислення i термодифузшного перерозподшу змщнюючо! фази тд дОею деформацш i температур, викликаних тертям.
ПерелОчеш структурно змши справляють рОзний вплив на штенсившсть зношування дослОджуваних матерОалОв. Низька здатшсть до змщнення, незважаючи на присутшсть "бшо! смуги", призводить до пОдвищення темпу зносу О передчасного переходу до стадО! усталеного зношування. Двшникування i видшення карбщв по двшникам (сталО 40Х4Г8Т2С, 08Х6Н8М7С 20Х3Г9М5Т2С) пОдвищуе опОрнОсть пластичним зсувам при пОдвищених температурах, ускладнюючи руйнування робочих об'емОв при терто
З дослОджених матерОалОв найбОльшою зносостшшсть мае сталь 20Х3Г9М5Т2С. Шдвищену зносостшшсть ще! сталО можна пояснити, з одного боку, оптимальним фазовим складом, з шшого -низькою енергОею дефектОв пакування, що забезпечуе схильнОсть до деформацОйного двОйникування при пОдвищених температурах. ДвОйникування сприяе змОцненню приконтактних обсягОв металу, тим самим знижуючи ОнтенсивнОсть зношування, що пов'язано з дОею механОзму Мотта-Набарро. ЗмОна дислокацшно! структури прикордонних областей i характеру старшня (перерозподш карбОдно! фази), що вОдбуваються в результатО дО! пОдвищених температур О деформацОй, е одним з основних факторОв шдвищення контактно! мщносп i мшропластичносп поверхневих шарОв стал 20Х3Г9М5Т2С.
Висновки
1. В результатО проведених дослОджень показана можливОсть застосування термоелектричного методу неруйнОвного контролю для пОдбору зносостОйких наплавочних сталей, якО забезпечують пОдвищення довговОчностО штампового Онструменту. Встановлено, що для пОдвищення зносостОйкостО О довговОчностО поверхнО обробного Онструменту штампОв гарячого деформування бажано застосовувати сплави, у яких у поеднанш з маркою оброблюваного матерОалу сумарна Т. Е. Р. С. прямуе до нуля.
2. Застосування термоелектричного експрес-методу неруйнОвного контролю дозволяе оперативно визначати найбОльш небезпечнО локальнО мОсця, якО характеризуються критичними зонами концентрацО! напружень О своечасно застосовувати заходи для !х усунення.
Список використаноТ лiтератури
1. Троицкий В.А. Неразрушающий контроль качества в Украине на рубеже столетий / В.А. Троицкий // Труды 3 Украинской научно-технической конференции "Неруйшвний контроль та технолопчна дОагностика 2000". - Днепропетровск, 2000. - С. 8-16.
2. Узлы и трения машин: Справочник / И.В. Крагельский, Н.М. Михин - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.
3. Шкилько А.М. Неразрушающие методы контроля металлов и узлов энергетического оборудования / А.М. Шкилько. - К.: ИСИО, 1994. - 180 с.
4. Новые возможности неразрушающего контроля текущего состояния прокатных валков листопрокатных производств по измерению распределения магнитных характеристик рабочего слоя / Г.Я. Безлюдько, И.Л. Казакевич, Л.А. Крутиков, Т.С. Скобло. // Труды III Украинской научно-технической конференции «Неруйнований контроль та технолопчна дОагностика 2000». -Днепропетровск, 2000. - С. 150-151.
