CC BY
10
3. ТЕХНОЛОГИ! ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 621.787:620.176.16:197.16 Проф. В.М. Голубець, д-р техн. наук;
проф. М.Д. Крик, д-р техн. наук; астр. Ю.Р. Капраль - НЛТУ Украши, м. Львiв; асист. А.€. Рудь, канд. техн. наук - НУ "Львiвська полiтехнiка "
Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗМ1ЦНЕНОГО ВИСОКО-ШВИДК1СНИМ ТЕРТЯМ НАНОСТРУКТУРНОГО ШАРУ НА СТАЛ1 45
Проведено аналiз po6ÍT 3Í змiцнення низьколегованих та конструкцшних сталей високошвидкiсним тертям. Представлено результати щентифжаци структурного стану матерiалiв методом автоматичного iндентування. Дослщжено фiзико-механiчнi характеристики сталi 45 3Í змiцненим шаром, отриманим за допомогою оброблення високошвидкiсним тертям.
Постановка проблеми. Пщ час оброблення деревини фрезуванням в ножових валах та головках як вставш елементи використовують нож1, яю ви-готовляють з високолегованих та швидкор1зальних сталей. Твердють нож1в становить 59.63 HRC. Для отримання тако! твердосп нож1 гартують i вщ-пускають, застосовуючи нагрiвання у електричних печах або за допомогою струмiв високо! частоти.
Альтернативою таюй технологи змiцнення ножiв може бути оброблення передньо! поверхнi ножа високошвидюсним тертям, що забезпечуе отримання поверхневого змщненого шару товщиною до 900 мкм. Змiцнення сталей високошвидюсним тертям вщбуваеться за штенсивно! пластично! де-формацп, спричинено! високими (1000... 1300 °С) температурами та зусилля-ми (400. 1200 Н) тд час тертя змiцнювального диска зi швидкiстю 50-80 м/с по поверхш змщнювано! деталi. У формуванш структури змiцненого шару провiдну роль вдаграють ротацiйнi моди деформацп [1].
Анал1з останн1х досл1джень та публжацш. З метою збiльшення тов-щини змiцненого шару на низьколегованих та конструкцшних сталях, яю мож-на використовувати для виготовлення ножiв, запропоновано змщнення прово-дити з попутною подачею i тиск в зош змiцнення створювати за рахунок кот-ювання навантаженим диском поверхнi, що обробляеться [2]. Цим способом було проведено змщнення по переднш поверхш ножiв з нормалiзованоl конструкцшно! сталi 45 [3]. Змiцнений шар мав товщину 0,9. 1,1 мм i мжрот-вердiсть 11.12 ГПа. Структура змщненого шару була дуже дрiбною. Це давало змогу припустити, що змiцнений шар може бути наноструктурного класу.
Наноструктурне поверхневе змщнення конструкцшних сталей досль джувалось у Фiзико-механiчному iнститутi iменi Г.В. Карпенка НАНУ. Об-роблялась високошвидкiсним тертям сталь 45 у феритно-перлггному сташ. Рентгенiвський аналiз поверхнi змiцнених зразюв у Fe-a випромiнюваннi з X = 1,936 А° показав, що величина зерен була 13 нм, а густина дислокацш 1,67р-1012 см-2. Шар складався на 60 % з мартенситу (a-Fe) i 40 % з аустенпу
114
Збiрник науково-техшчних праць
Науковий вкник Н.1Т У Укра'1'ни. - 2012. - Вип. 22.13
(y-Fe). Товщина шару сягала 400 мкм, а мжротвердють була до 10 ГПа [4]. Автори роблять висновок, що для розширення технологiчних можливостей високошвидюсного тертя потрiбно вивчити фiзико-механiчнi властивосп на-нокристалiчних структур.
Формулювання мети дослщження. Дослiдити фiзико-механiчнi характеристики наноструктурного змiцненого високошвидюсним тертям шару на стат 45.
Виклад основного матер1алу. Результати дослiджень мiкротвердостi змщненого шару, отриманого на нормалiзованiй сталi 45 та безпосереднi вип-робування натурних деталей у виробничих умовах, вказують на ютотне тд-вищення фiзико-механiчних властивостей змiцненого шару. Шдвищення ефективностi змiцнення високошвидюсним тертям завдяки застосуванню бiльш iнтенсивного нагрiвання та деформування поверхневих шарiв металу дало змогу досягти кращо! дисперсностi тд час змiцнення нормалiзованоl сталi 45. На наш погляд, саме зменшення структурно1 одиницi змiцненого шару вплинуло на пiдвищення мiкротвердостi з 7-8 до 10-11ГПа.
Для визначення фiзико-механiчних властивостей змiцненого шару бу-ло виконано дослщження за сучасною методикою мжрошдентування на уста-новцi "Микрон-гамма" (1ПМ НАН Укра!ни, м. Ки1в). Використану методику описано в робот [5] та вiдповiдаe стандарту ISO 14577-2002. Мжрошденту-вання е одним з найбшьш зручних, точних та шформативних способiв досль дження характеристик матерiалiв. Значною перевагою методу е автоматичне фжсування перемiщення iндентора тд час постiйного навантаження. Зютав-лення величини пружних та пружно-пластичних деформацш для певно! мж-ротвердостi матерiалу дае змогу оцiнити структурнi характеристики.
За допомогою мiкроiндентування з автоматичним навантаженням та розвантаженням алмазно! шрамщи Берковича вимiрювали та розраховували так! мехашчш властивостi змiцненого шару: мжротвердють (Н^, ГПа); модуль пружносп (Е, ГПа); модуль контактно! пружност (Е*, ГПа); коефiцiент питомо! контактно! твердосп (Н^/Е*); вiдносне позаконтактне напруження (oes, ГПа). Автоматичне iндентування проводили тригранною алмазною тра-мiдою (кут загострення а = 65°) з часом навантаження та розвантаження 30 секунд. Точшсть визначення глибини занурення алмазного шдентора h становила ±2,5 нм, а похибка визначення навантаження Р у межах 0,5 %. За-гальна похибка вимiрювань не перевищувала 2 % та залежала вщ точностi за-гострювання шдентора.
Вщновне позаконтактне напруження визначали за формулою:
де: hs - поза контактна глибина занурення шдентора, мм; hc - контактна гли-бина занурення шдентора, мм; ec - повна пружно-пластична контактна де-формащя матерiалу пiд iндентором, ec = ln sin а.
Значення показниюв дiаграми iндентування характеристик Р, hc, hs, а також автоматично вирахуван Е*, Е фiксували за даними тисяч точок на
3. Технологiя та устаткування лiсовиробничого комплексу 115
(1)
Нацюнальний лкотехшчний унiверситет УкраУни
дiаграмi шдентування. Унаслiдок виконаного експерименту отримано дiагра-му "глибина занурення iндентора - навантаження" (рис.). Отриманi та обра-хованi величини даних наведено в табл.
до до до № п® до I" |,в IV. ци | | ^ г/.:(? ¡.в : г- 2.В :я- ::ч :я- :я- до м- 3.« эй-
Глибина ;1н\ рсння мкм
Рис. Кривi автоматичного шдентування в координатах глибина занурення Ментора (к, мкм) - навантаження (Р, Н)
Табл. Мехашчш властивостi змщненого шару та матерiалу основи стал 45
Сталь 45
Нм, ГПа
Нм/Е*
Е*, ГПа
Е, ГПа
Матер1ал основи
0,0205
185
212
1,166
Змщнений шар
10,9
0,0591
184
210
3,345
ае„, ГПа
Аналiз отриманих даних свщчить про те, що мжротвердють змщнено-го шару становить 10,9 ГПа. Товщина змщненого шару становила близько 1,5 мм, що значно перевищуе товщину змщнення у [3]. Пошарове мжрош-дентування показало стабiльнiсть дослiджуваних показниюв по всiй товщинi змiцненого шару. Вартвання отриманих даних не перевищувало 5-7 %.
Вiдзначаeться зростання коефщента питомо! контактно! твердостi (Нм/Е*) та вiдносного позаконтактного напруження (<гет) майже у три рази. Вщношення Нм/Е* найбiльш повно показуе сукупний вплив пружностi, мщ-
116
Збiрник науково-технiчних праць
Науковий вкник 11.1ТУ Укра'1'ни. - 2012. - Вип. 22.13
ност та пластичносп, як onip MaTepiany мехашчнш ди. Збiльшення цього по-казника вщповщно до методик, розроблених в 1ПМ НАН Укра1ни, свiдчить про ютотне здpiбнeння структури змiцнeнoгo шару. Величина коефщента питомо1 контактно1 твердосп Нм/Е*, що дopiвнюe 0,0591, вщповщае матерь алам наноструктурного класу (poзмip зерен в межах 100 нм).
На пiдстaвi виконаних дoслiджeнь стае очевидним, що метод повер-хневого змщнення висoкoшвидкiсним тертям дае змогу отримати нанострук-тури на нopмaлiзoвaних середньовуглецевих сталях. Цим пояснюються висо-кi eксплyaтaцiйнi показники змiцнeних поверхонь. Висновки:
1. Запропонований спомб використання змiцнeння висoкoшвидкiсним тертям дае змогу отримати змщнений шар, що належить до структур нанок-ласу, а сам метод змщнення - до нанотехнологш.
2. Сучасна методика автоматичного мжрошдентування дае змогу з висо-кою тoчнiстю визначити широкий спектр фiзикo-мeхaнiчних характеристик мaтepiaлiв.
Л1тература
1. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов / В.В. Рыбин. - М. : Изд-во "Металлургия", 1986. - 224 с.
2. Юрик М.Д. Декл. пат. на кор. модель 45685 Украша, МПК В23В 17/00 В24В 39/00. Споаб фрикцшного змщнення / М.Д. Юрик, А.С. Рудь; заявник та власник патенту НЛТУ Ук-ра!ни, № 20040403029; заявл. 05.05.2009; опубл. 25.11.2009, Бюл. № 22.
3. Юрик М.Д. ОбГрунтування доцшьносп виготовлення ножтав з конструкцшно! стал для р1зання деревини / М.Д. Юрик, Ю.Р. Капраль // Вюник харгавського НТУ 1м. Петра Васи-ленка : зб. наук. праць. - Харгав. - 2012. - Вип. 123. - С. 3-8.
4. Никифорчин Г.М. Наноструктурне поверхневе змщнення конструкцшних сталей ви-сокошвидкюним тертям / Г.М. Никифорчин, В.1. Кирил1в, Н.В. Крет, В. А. Волошин // Науков1 нотатки : м1жвуз1вський зб. (за напрямом "1нженерна мехашка"). - Луцьк : Вид-во ЛНТУ. -2007. - Вип. 20. - С. 325-330.
5. Фирстов С.А. Предельные деформации и напряжения в наноматериалах / С.А. Фир-стов, В.Ф. Горбань, Э.П. Печковский // Харьковская нанотехнологическая ассамблея : сб. докл. - Т. II. Наноматериалы - новые фавориты индустрии. - 2008. - Харгав, 2008. -С. 145-153.
Голубец В.М., Кирик Н.Д., Капраль Ю.Р., Рудь А.Е. Физико-механические характеристики упрочненного высокоскоростным трением наноструктурного слоя на стали 45
Проведен анализ работ по упрочнению низколегированных и конструкционних сталей высокоскоростным трением. Представлены результаты идентификации структурного состояния материалов методом автоматического индентирования. Исследованы физико-механические характеристики стали 45 с упрочненным слоем, полученным обработкой высокоскоростным трением.
Holubets' V.M., Kiryk M.D., Kapral' Yu.R., Rud' A.E. Physic and mechanical properties of nanostructured layer on steel 45 strengthened by high speed friction
The analysis of works devoted to the strengthening of low doped and structural steels, reinforced high-speed friction is conducted. The results identify the structure of the materials by automatic inductivity is made in the paper. The physic and mechanical properties of steel 45 with hardened layer obtained by processing high speed friction are investigated.
3. Технолопя та устаткування лковиробничого комплексу
117
