CC BY
48
УДК 620.178:620.191
П1ДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТ1ЙКОСТ1 ЧАВУННИХ ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНЕВИМ
ЗМ1ЦНЕННЯМ
Т.А. Гурей, доц., к. т.н., Нацюнальний ушверситет «Льв1вська полгтехшка»
Анотац1я. Досл1джено, що фрикцтне зм'щнення iстотно тдвищуе знососттюстъ пари «ciprn чаеун СЧ20 - cipuu чаеун СЧ20» при mepmi з граничним мащенням. Шд час фрикцтного змщ-нення у поеерхнееих шарах формуютъся 6rni шари з нанокристал1чною структурою.
Ключов1 слова: знососттюстъ, чаеун, фрикцтне змщнення, бтий шар, тертя з граничним мащенням, нанокристал1чна структура.
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ
Т.А. Гурей, доц., к. т.н., Национальный университет «Львовская политехника»
Аннотация. Исследовано, что фрикционное упрочнение существенно повышает износостойкость пары «серый чугун СЧ 20 - серый чугун СЧ 20» при трении с граничной смазкой. При фрикционном упрочнении в поверхностных слоях формируются белые слои с нано-кристаллической структурой.
Ключевые слова: износостойкость, чугун, фрикционное упрочнение, белый слой, трение с граничной смазкой, нанокристаллическая структура.
INCREASE OF WEAR RESISTANCE OF CAST IRON PARTS BY SURFACE
HARDENING
T. Hurey, Assoc, Prof., Ph. D. (Eng.), National University «Lviv Politechnic»
Abstract. It is shown that the friction hardening significantly increases the wear resistance of the pair cast iron Sch 20 - cast iron Sch 20 at friction with boundary lubrication. A white layer with a nano-crystalline structure is formed in the upper layers at friction hardening.
Key words: wear resistance, cast iron, friction hardening, white layer, friction of boundary lubrication, nanocrystalline structure.
Вступ
Надшнють машин полягае у збереженш у заданих межах необхщних експлуатацшних показниюв протягом усього перюду ix вико-ристання, техшчного обслуговування, ремонта тощо. Бона залежить вщ конструкцп машини, використовуваних матер1ал1в, якос-Ti виготовлення деталей i складання вузл1в та
агрегат1в, способ1в контролю, вщ умов та режим1в роботи й шших параметр1в. Для збереження експлуатацшних характеристик деталей машин необхщно мати ч1тке уявлен-ня про причини 1х зниження 1 на основ! ще! шформацп створювати нов1 технолопчш процеси, яю зможуть забезпечити впродовж всього перюду роботи необхщш експлуата-цшш характеристики деталей машин та еле-мешгв конструкцш.
Анашз публжацш
Для поверхневого змщнення деталей машин застосовуються технолопчш методи з викори-станням висококонцентрованих джерел енергп [1, 2]. До них вщноситься також 1 фрикцшна обробка. Висококонцентрований попк енергп утворюеться у зош контакту «шструмент-оброблювана поверхня» за рахунок взаемного високошвидюсного тертя (60-80 м/с). Поверх-невий шар металу в зош !х контакту нагр1ва-еться з великими швидкостями (105-106 К/с) до температур вище точки фазових перетворень, 1 пщ час И перемщення, за рахунок тепловщво-ду у глибину металу, проходить його високош-видюсне охолодження (104-105 К/с).
У зош контакту пщ час фрикцшно! обробки проходить штенсивне зсувне деформування металу поверхневого шару оброблювано! по-верхш. Пщ час високошвидюсного нагр1вання металу 1 наступного високошвидюсного охолодження у поверхневих шарах деталей фор-муеться змщнений бший шар з нанокристал1ч-ною структурою [3].
Для збшьшення штенсивносп деформування поверхневого шару металу оброблювано! дета-л1 на робочш поверхш шструмента були нарь заш р1зноспрямоваш пази. У момент прохо-дження паза над зоною контакту вщбуваеться И розвантаження, припиняеться д1я теплового потоку, зсувного деформування. У момент входження у контакт з оброблюваною поверх-нею наступно! гладко! частини шструмента вщбуваеться ударне навантаження зони контакту, а також проходить додаткове перемшне зсувне деформування у поперечному напрямку за рахунок р1зноспрямованого нахилу паз1в. У зош контакту виникае складний напружено-деформований стан поверхневого шару металу, який сприяе подр1бненню структури та форму-ванню яюсних змщнених бших шар1в.
Експлуатацшш характеристики деталей машин залежать не стшьки вщ якосп металу всього перер1зу, сюльки вщ ф1зико-х1м1чних властивостей та якосп поверхш вироб1в, яю формуються на юнцевих стад1ях виготовлен-ня деталей.
Ресурс роботи окремих вузл1в 1 з'еднань об-межуеться передчасним зношуванням конта-ктуючих деталей, особливо пщ час тертя з обмеженим мащенням.
Мета 1 постановка завдання
Метою роботи було дослщження впливу якосп змщнених бших шар1в, отриманих на ча-вунних зразках, на зносостшюсть пари «сь рий чавун СЧ 20 - с1рий чавун СЧ 20» при терт1 з граничним мащенням.
Зносостшккть пщ час тертя з граничним мащенням
Дослщження показали, що на формування яюсних змщнених бших шар1в, отриманих на с1рих чавунах, впливають режими фрикцш-но! обробки, використовуване технолопчне середовище ! форма робочо! поверхш змщ-нювального шструмента. Так, теля змщнен-ня шструментом ¿з гладкою робочою части-ною на чавунах формуеться бший шар товщиною 90-100 мкм з мшротвердютю 6,5 ГПа. Використовуючи шструмент ¿з нарь заними на його робочш частиш р1зноспрямо-ваними пазами, вдалося досягти збшьшення бшого шару до 120-130 мкм, а також пщви-щилась його мшротвердють до 8,5 ГПа за твердост1 основного металу 2,2 ГПа.
Роздшення поверхонь тертя рщким або кон-систентним мастилом е одним ¿з метод1в пщ-вищення зносостшкостг За недостатнього введения юлькосп мастильного матер1алу спостер1гаеться тертя ¿з граничним мащенням. Пщ граничним тертям розум1еться тертя, при якому тверд! тша вщдшеш одне вщ одного дуже тонким шаром мастила, яке зна-ходиться пщ д1ею молекулярних сил металу. Наявшсть граничного шару мастила товщиною 0,1-0,5 мкм знижуе сили тертя, зменшуе зношування, у пор1внянш з тертям без ма-щення [4].
Дослщження зносостшкосп чавунних пар при терт1 ковзанням ¿з граничним мащенням проводили на установщ СМЦ-1 за схемою «юльце - вкладка» за питомих навантажень вщ 0,2 МПа до 1 МПа 1 швидкостей ковзання вщ 0,5 м/с до 1,8 м/с. Час випробувань пари тертя на одному еташ складав t = 110 год. Мастило «1ндустр1альне-30А» подавали у зону тертя у юлькосп 15-20 крапель за хвилину.
Нерухомий зразок-вкладка був з'еднаний з диференщальним давачем силовим1рювача. Сигнал ¿з нього записувався потенцюметром типу КСП-4, який фшсував момент тертя. За моментом обчислювали коефщ1ент тертя. На
вкладках в отворах закршлювали термомет-ричш перетворювач1 з термоелектродами д1аметром 0,2 мм. Сигнали з термоелектрич-них перетворювач1в подавалися на трикана-льний потенцюметр типу КСП-4, який ф1ксу-вав штегральну температуру на глибиш 0,3-0,5 мм вщ поверхш тертя.
Перед початком випробувань ус1 пари тертя припрацьовували до стабшзацп моменту тертя 1 прилягання спряжених поверхонь, яке оцшювали за наявнютю слщ1в зношування на площ1 не менше 90 % робочо! поверхш тертя кожного зразка.
За критерш величини зношування було взято втрату маси зразюв теля 20 год тертя, яку визначали зважуванням на анал1тичних вагах марки ВЛА-200Г-М з точшстю ± 0,2 мг. Пюля цього визначали штенсившсть зношування.
Фрикцшне змщнення робочих поверхонь кшець виконували на спещальнш установщ, змонтованш на баз1 токарно-гвинтор1зного верстата модел1 16К20. За кшематикою про-цес фрикцшно! обробки е под1бним до про-цесу шл1фування, тшьки замють абразивного круга використовуеться металевий шстру-мент-диск. 1нструмент виготовляли ¿з гладкою робочою поверхнею (ГРП) та з нар1за-ними на нш р1зноспрямованими пазами (РНП). Як технолопчне середовище викори-стовували мшеральне мастило з поверхнево активною пол1мервмюною добавкою.
Зразки дослщжуваних пар тертя виготовляли ¿з с1рого чавуну СЧ 20 теля штучного ста-ршня. Фрикцшно змщнювали тшьки робоч1 поверхш зразюв-кшець, вкладки - були лише шл1фоваш електрокорундовим кругом. При змщненш обох тш пари тертя ефект пщви-щення зносостшкосп швелюеться. Для порь вняння використовували незмщнену пару тертя. Шорстюсть робочих поверхонь теля фрикцшного змщнення становила Ra = 0,250,50 мкм, теля електрокорундового шл1фу-вання - Ra = 0,50-0,63 мкм.
Дослщи показали, що фрикцшне змщнення суттево пщвищуе зносостшюсть пари тертя «чавун СЧ 20 - чавун СЧ 20». Так, при терт1 фрикцшно змщнених шетрументом ¿з гладкою робочою частиною чавунних кшець у пар1 з незмщненими вкладками за питомого навантаження Р = 2 МПа величина !х зно-
шування зменшилася майже у 5 раз1в, а вкладок - у 4 рази. Пюля змщнення шетрументом з нахиленими пазами величина зношування кшець зменшилася майже у 8 раз1в, а вкладок - у 6,4 рази у пор1внянш з незмщненою парою тертя (рис. 1).
Рис. 1. Кшетика зношування пари «чавун СЧ 20 - чавун СЧ 20» (Р = 2,0 МПа; V = 0,9 м/с): 1 - ЕШ; 2 - ФЗ, ГРП; 3 -ФЗ, РНП
Збшьшення питомого навантаження призво-дить до шдвищення штенсивносп зношування. Максимальне збшьшення штенсивносп зношування спостер1гаеться за питомого навантаження в межах Р = 0-0,75 МПа. Збшьшення питомого навантаження вщ 0,75 до 2 МПа приводить до зменшення штенсивносп зношування. Проходить окислю-вальний процес зношування. 31 збшьшенням питомих навантажень бшьше 2 МПа перева-жаючим видом зношування для незмщнено! шл1фовано! пари е схоплювання. При зношу-ванш незмщнено! пари з питомим наванта-женням 4,5 МПа через 4-5 годин тертя вщ-буваеться р1зке зростання температури, руйнування мастильно! пл1вки, з'являються подряпини та починаеться патолопчне зношування, що призводить до штенсивного схоплювання. Незмщнена пара тертя стае непрацездатною (рис. 2). Збшьшення питомого навантаження у 6 раз1в, тобто вщ 0,75 МПа до 4,5 МПа, при терт1 фрикцшно змщнених кшець привело до збшьшення !х штенсивносп зношування тшьки у 1,8-2,3 раз1в, а вкладок, яю працювали з ними у пар1, - у 2,6-3,3 рази. Слщ зауважити, що у дано-му випадку вкладки були незмщненими.
Як показали дослщи, бший шар ютотно впливае на температуру, яка виникае в зош тертя (рис. 3). У початковий перюд тертя температура р1зко зростае й досягае максимального значения. Збшьшення температури в зош тертя сприяе утворенню на поверхш тертя деталей яюсних вторинних структур.
Утвореш вторинш структуры збшьшують площу контакту 1 знижують фактичне питоме навантаження, що приводить до поступового зниження температури до встановленого значения. При зношуванш змщнено! пари з1 збшьшенням питомого навантаження спо-стер1гаеться менш штенсивне пщвищення температури в зош контакту.
Рис. 2. Вплив питомого навантаження на ш-тенсившсть зношування пари «чавун СЧ 20 - чавун СЧ 20» юльця (а) та вкладки (б) (V = 0,9 м/с): 1 - ЕШ; 2 - ФЗ, ГРП; 3 - ФЗ, РНП
о"
к 160
140
120
100
80
60 I
3
Збшьшення швидкосп ковзання також приводить до пщвищення температури в зош тертя. Зростання величини швидкосп ковзання вщ 0,5 м/с до 0,9 м/с несуттево пщви-щуе температуру в зош контакту. 31 збшь-шенням швидкосп ковзання вище 0,9 м/с температура в зош тертя р1зко зростае. Це свщчить про штенсивну змшу фазового 1 структурного стану металу в зош тертя. Мшмальна температура в зош тертя, при вс1х дослщжуваних швидкостях ковзання, зареестрована на зразках, яю було пщдано фрикцшному змщненню шструментом з на-р1заними р1зноспрямованими пазами, максимальна - на незмщнених, шл1фованих.
130 110 90 70 50 30
170 150 130 110 90 70 50
40 80 120 160 200 т, хв
1 2 3 4 Р МПа 0,5 1 1,5 V, м/с
Рис. 4. Вплив питомого навантаження (V = 0,9 МПа) (а) 1 швидкосп ковзання (Р = 4,5 МПа) (б) на температуру в зош контакту пари «чавун СЧ 20 - чавун СЧ 20»: 1 - ЕШ; 2 - ФЗ, ГРП; 3 - ФЗ, НРП
2
2
3
4
5 Р. МПа
2
3
4
5 Р МПа
Рис. 3. Кшетика температури в зош контакту пари «чавун СЧ 20 - чавун СЧ 20» (Р = 4,5 МПа; V = 0,9 м/с): 1 - ЕШ; 2 -ФЗ, ГРП; 3 - ФЗ, РНП
Збшьшення питомого навантаження приводить до штенсивного зростання температури в зош тертя (рис. 4). Значно менше шдвищення температури з1 збшьшенням питомого навантаження спостер1гаеться на фрикцшно змщнених зразках.
Так, при зношуванш пари тертя у д1апазош навантажень Р = 0,75-4,5 МПа вщбуваеться нормальний окислювальний процес тертя. Збшьшення питомого навантаження бшьше 4,5 МПа приводить до р1зкого пщвищення температури. Незмщнена пара при цьому стае непрацездатною, а фрикцшно змщнена пара працюе нормально.
Фрикцшне змщнення зразюв також ютотно знижуе коефщ1ент тертя на всьому д1апазош дослщжуваних швидкостей тертя та питомих навантажень. На початку тертя величина ко-ефшдента тертя р1зко зростае \ досягае максимального значения, дал1 починае р1зко зменшуватися 1 доходить до деякого встановленого значения (рис. 5). За цей час на поверхш пари тертя створюються суцшьш, яюсш вторинш структури, яю пщвищують зносостшюсть пари тертя, - вщбуваеться структурна пристосовувашсть металу в зош тертя.
При терт1 незмщнених зразюв коефщент тертя збшьшуеться з1 зростанням питомого навантаження. Це свщчить про те, що з1 збь льшенням питомого навантаження стае ште-нсившшим процес схоплювання, вщбуваеть-ся зривання м1кронер1вностей, утворюються др1бш тверд! частники, яю, потрапляючи в
зону тертя, ддать як абразиви i збшьшують ¿нтенсивн1сть зношування пари тертя, а та-кож i коефщ1ент тертя (рис. 6).
ц
0,10 0,06 0,02
л -О 1
"3
_1_
_1_
_1_
_1_
_1_
_L
40 80 120 180 х, хв
Рис. 5. Кшетика коефщ1ента тертя пари «чавун СЧ 20 - чавун СЧ 20» (P = 4,5 МПа; V = 0,9 м/с): 1 - ЕШ; 2 - ФЗ, ГРП; 3 -ФЗ, НРП
ц
0,08 0,06 0,04 0,02
_L
1
2
3 4
Р, МПа
Рис. 6. Вплив питомого навантаження на ко-ефшдент тертя пари «чавун СЧ 20 - чавун СЧ 20» (V = 0,9 м/с): 1 - ЕШ; 2 - ФЗ, ГРП; 3 - ФЗ, РНП
При терт1 кшець теля фрикцшного змщнення з1 зростанням питомого навантаження величина коефщ1ента тертя зменшуеться. У даному випадку основним видом тертя е оки-слювальне. Поверхш тертя зразюв е гладкими 1 блискучими, вщбуваеться намащування продукпв зношування на робочу поверхню вкладок, а процеси схоплювання у даному випадку не спостер1гаються.
Висновки
Зносостшюсть при терт1 ковзанням i3 грани-чним мащенням та питомим навантаженням 2 МПа пари «с1рий чавун СЧ 20 - с1рий чавун СЧ 20» теля фрикцшного змщнення ш-струментом з нар1заними р1зноспрямованими пазами на робочш частиш збшьшилась майже у 8 раз1в, пор1вняно з незмщненою парою. 3i збшьшенням питомого навантаження при терт1 бшьше 2 МПа незмщнена пара е непра-цездатною. Збшьшення питомого навантаження у 6 раз1в (в1д 0,75 до 4,5 МПа) при те-рт1 змщнено! пари приводить до зростання ¿нтенсивност1 зношування лише у 1,8-2,3 раз1в.
Л1тература
1. CHUNZHENG DUAN, MINIJIE WANG:
Some metallurgical aspects of chips formed in high speed machining of high strength lowalloy steel // Scripta Mater. - 2005. -Vol. 52. - P. 1001-1004.
2. Васильев M.A. Нанокристаллизация ме-
таллических поверхностей методами интенсивной пластической деформации / М.А. Васильев, Г.И. Прокопенко, B.C. Филатова / Успехи физики металлов. - 2004.- Т. 5. - С. 345-399.
3. Chur I. Computer simulation of friction
hardening of superficial layers of machine details / I. Chur, M. Jachymek, I. Hurey, V. Gurey, H. Shynkarenko // Manufacturing Processes. Some Problems. Basic science applications, Opole. - 2012. -Vol. 1. - P. 49-62.
4. Кирил1в B.I. Пщвищення зносотривкосп
середньовуглецево! стал1 нанокристаль защею поверхневого шару / В. I. Кирил1в // Ф1з.-х1м. механ1ка матер1ал1в. - 2012. -№1. - С. 102-105.
Рецензент: О. С. Полянський, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття над1йшла до редакцп 13 червня 2016 р.
2
1
