CC BY
17туры на структуру образующегося при ускоренном охлаждении стали мартенсита. Основными факторами, способствующими повышению комплекса механических свойств мартенсита исследуемой стали, являются измельчение кристаллов за счет уменьшения размера аустенитного зерна и нас ледование мартенситом дислокационной структуры, сформированной на последней стадии деформации образцов.
_о_
о О
Ф А^-,
М Ф
Ф м
Рис. 3. Схемы формирования мартенсита из крупнозернистого (а; г), мелкозернистого {б, <Э) и пластически деформированного слоистого (в,е) аустенита. А - аустенит, Ф - феррит, М - мартенсит
При вып олнении работы были проведены сравнительные испытания стали 09Г2С, обработанной пс предложенному режиму термопластического упрочнения, а также по режим ам, обеспечивающим формирование мелкого и крупного ферритного зерна:
режим 1 - закалка стали, находящейся в "крупнозернистом" состоянии (до входа в валки прокатного стана);
режим 2 - закалка стали с мелкозернистой (рекристал-лизованной) структурой (через 5 с после обжатия со степенью е,);
режим 3 - (регулируемое термопластическое упрочне ние) закалка стали с рекристаллизованной структурой и дислокационными субзеренными построениями (через - 1 с после окончательного обжатия со степенью е2).
Механические свойства стали, обработанной по указанным выше режимам, отражены в таблице.
Анализ результатов, приведенных в таблице, свидетельствует о высокой эффективности процесса термопластического упрочнения стали с нагревом в меж<ритической области температур. По сравнению с режимом 1 процесс
Свойства стали 09Г2С, обработанной по различным режимам
эежим Оо,2, Ф, Статическая
обработки МПа % трещиностоикость,
стали кДж/м2
Режим 1 640 32 360
Режим 2 720 31 500
Режим 3 760 37 520
регулируемого термопластического упрочнения позволяет увеличить уровень а02 на 120 МПа при росте относительного сужения с 32 до 37 %.
Особенность поведения стали с анизотропной гетеро-фазной структурой в условиях усталостного нагружения зависит от характера приложения нагрузки к деформируемому объекту. Наибольший эффект достигается в том случае, если усталостная трещина распространяется перпендикулярно поверхности слоев упрочняющих элементов. В ходе испытаний плоских образцов на малоцикловую усталость установлено, что долговечность образцов со слоистой феррито-мартенситной структурой, сформированной в процессе прокатки стали в аустенито-ферритном состоянии и последующей закалки, в 2,2 раза выше по сравнению с равноосной феррито-мартенситной структурой, полученной в аналогичных условиях без деформации.
Различия в поведении стали с однотипными структурами, но разной морфологией присутствующих в них фаз обусловлены существенными различиями в механизмах разрушения материалов. Установлено, что усталостная трещина под действием внешнего нагружения преимущественно распространяется по ферритной составляющей или по гэаницам между ферритом и мартенситом и между ферритом и перлитом. Усложнение траектории развивающейся трещины, обусловленное формированием тонкодис-мерсной анизотропной структуры, лежит в основе повышения трещиностойкости стали. Показано, что важнейший механизм повышения трещиностойкости в анизотропной структуре феррито-мартенситного типа обусловлен образованием трещин - сателлитов, глубина которых достигает 1... 1,5 мм.
Список литературы
Тушинский Л.И. Структурная теория конструктивной прочности материалов.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004 - 400 с.
Совмещение операций поверхностной закалки и финишного шлифования на одном технологическом оборудовании1
В связи с тем, что в большинстве случаев выход из строя изделий происходит из-за разрушений, распространяющихся от поверхности в глубь деталей, наибольшее внимание уделяется упрочнению поверхностного слоя деталей машин. В последние годы отчетливо наблюдается тенденция
В. В. ИВАНЦИВСКИЙ, доцент, канд. техн. наук, В.Ю. СКИБА, аспирант, НГТУ, г. Новосибирск
к увеличению доли поверхностной обработки, связанной с термическим воздействием на поверхностный слой. Это связано, прежде всего, с возникновением новых концентрированных источников энергии: плазма, лазер, электрсн-ный луч. Благодаря локальному и сверхскоростному
1 Статья подготовлена по результатам исследований по проекту 2005-РИ-16.С/024/023 в рамках ФЦНТП
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАГЛОВ
тепловому воздействию создаются возможности получения более высоких значений твердости, прочности, вязкости в сравнении с объемной обработкой и традиционными способами поверхностного упрсчнения. Это обусловлено, прежде всего, образованием в поверхностном слое высокодисперсной метастабильной структуры с намного более высокой плотностью дислокаиий [1].
Однако в соответствии с общепринятыми в машиностроении технологиями для получения окончательной геометрической и размерной точности, а также шероховатости поверхности эти изделия проходят операцию чистовой механической обработки. В технологическом процессе изготовления таких деталей операции поверхностно-термического упрочнения и финишной механической обработки традиционно разделены, т.е. выполняются на разных участках на различном технологическом оборудовании. При этэм с учетом погрешностей, возникающих на предыдущей стадии технологического процесса, деформации материала при термическом угрочнении и погрешностей переустановки деталей припуск на чистовую обработку приходится назначать достаточно большим (до 40...50 % заданной глубины упрочнения). Следовательно, на термической операции необходимо обеспечивать большую, чем заданную чертежом глубину упрочнения, а затем на финишной механической операции удалять наиболее эффективную часть поверхностного слоя. Это в целом приводит к повышенным затратам энергии и снижению производительности обработки на обеих операциях и зачастую к появлению дефектов в поверхностном слое, снижающих эксплуатационные свойства деталей.
Решение данной проблемы, по нашему мнению, можно осуществить за счет объединения операций финишной механической и поверхностной термической обработки на одном технологическом оборудовании. Так на выставках МЕТА\/92 и ЕМО 2003 было отмечено, что наиболее перспективным направлением раззития металлообрабатывающего оборудования является совмещение на одном станке нескольких технологических операций и даже процессов, причем в самых различных сочетаниях. Эту идею реализует целый ряд комбиниэованных методов обработки: электромеханическая, фрикционная, лазерно-ультра-звуковая, плазменно-ультразвуковая, упрочняющее шлифование. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и область применения.
Однако следует отметить, что самым распространенным и производительным процессом финишной механической обработки является абразивное шлифование. Так в машиностроении доля станков для абразивной обработки составляет 21 %, в автомобильной промышленности - 25%, а при изготовлении подшипников - 55...60% .
В связи с этим разработка нового метода комбинированной обработки, реализующего идею объединения на одном технологическом оборудовании разнохарактерных процессов: поверхностной термической закалки и шлифования, является актуальной задачей современного машиностроения.
В настоящее время известен ряд работ [Наерман М.С., Бояршинов Ю.А., Аксенов В.А.], в которых доказана возможность упрочнения незакаленных конструкционньх и инструментальных сталей в процессе шлифования. Упрочняющее шлифование в отличие от обычного реализуется при больших глубинах резания (0,1...2,0 мм) и малых скоростях перемещения детали (1...12 мм/с). Резание осуществляется абразивными кругами из электрокорунда твердостью С1-Т1 при снятии основного припуска за один проход Повышенная теплонапряженность процесса способствует развитию в зоне резания высоких температур и
с учетом большой длительности теплового контакта создает благоприятные условия для протекания в поверхностном слое металла стуктурно-фазовых превращений.
Однако этот способ наряду с очевидными преимуществами обладает существенными недостатками. Процесс упрочняющего шлифования сопровождается большими силами резания и высокой температурой, что приводит к пластическому течению металла и образованию заусенцев по краям обрабатываемой поверхности. Это, в свою очередь, требует дополнительных затрат и выполнения операции по их удалению. Большие силы резания повышают требования к размерной стойкости инструмента и жесткости шпиндельного узла станка. Диапазон изменения удельной мощности нагрева, равный 20...40 МВт/м2, ограничивает производительность обработки. Все это существенно сужает область использования этого метода.
Данную комбинированную обработку можно реализовать иначе, оснастив шлифовальный станок, используемый на финишной механической операции дополнительным источником концентрированной энергии. Эта идея реализована при объединении операций шлифования и поверхностной закалки с использованием высокоэнергетического нагрева ТВЧ (ВЭН ТВЧ) [2,3].
В этом случае финишная часть технологического процесса изготовления деталей построена в следующем виде. Первый переход - предварительное шлифование, необходимое для устранения погрешностей, возникших на предшествующей части технологического процесса и связанных с переустановкой детали. Эта обработка позволяет обеспечить постоянство зазора (порядка 0,1 мм) между индуктором и деталью. При этом следует отметить, что при обработке жестких деталей с глубиной упрочнения порядка 1 мм шлифовка поверхности осуществляется в окончательный размер, заданный чертежом. Второй переход -поверхностная закалка ВЭН ТВЧ на заданную глубину упрочнения. Третий переход - выхаживание.
Такое построение финишной стадии технологического процесса позволяет получить дополнительный эффект по отношению к очевидному, которым является повышение производительности и снижение энергозатрат финишной стадии обработки детали. Дополнительный же эффект заключается в следующем.
Структура закаленной стали при шлифовании может выходить из равновесного состояния под действием даже кратковременных тепловых импульсов. При шлифовании стальных деталей одним из главных ограничений интенсивности съёма металла является высокая теплонапряжён-ность процесса, приводящая к образованию прижогов. Кроме того, при шлифовании закаленных сталей в поверхностном слое чаще всего создаются остаточные напряжения растяжения, достигающие иногда значения 800... 1000 МПа. Все это имеет место, когда шлифование является заключительной операцией технологического процесса.
В предлагаемой последовательности обработок шлифование стали осуществляется до поверхностной термической обработки, т.е обработка ведется сырого материала, который более устойчив к температурным воздействиям В этом случае термообработка материала является "барьером" для влияния некоторых факторов на конечные свойства обработанных поверхностей. Так, например, остаточные напряжения, возникшие на стадии предварительной механической обработки, устраняются в процессе поверхностной закалки и не оказывают существенного влияния на окончательное состояние материала [5].
Завершающим переходом предлагаемой комбинированной обработки является выхаживание. Процесс выхаживания можно отнести к одним из методов упрочнения
№ 1 (30)2006
17
материала, так как абэазивные зерна в этом случае практически не совершают процесс резания, а осуществляют пластическую деформацию обрабатываемого материала. В некоторых работах процесс по эффекту упрочнения сопоставляют с ультразвуковой упрочняющей обработкой, так как шлифование является единственным видом механической обработки, которому присуще самовозбуждение ультразвуковых вибраций [5,6]. В связи с этим при реализации процесса выхаживания непосредственно после поверхностной закалки следует ожидать дополнительного эффекта в упрочнении поверхностного слоя, а, следовательно, и изменения характера распределения остаточных напряжений по глубине материала.
Так при обработке стали -45 по предлагаемой комбинированной схеме поверхностная закалка ВЭН ТВЧ осуществлялась при режимах: удельная мощность нагрева 2,4-10® Вт/м2, скоростэ перемещения источника 50 мм/с, размер источника 2,4 мм. В результате была пэлучена глубина упрочнения 0,8 мм с твердостью на поверхности Н20 = 10100 МПа. Последующий переход - выхаживание осуществлялся кругом ЭБ25СМ2К6 при скорости круга Ук = 30 м/с и скорости детали Уд = 40 м/мин, в течение 20 с, при этом поверхностная твердость материала повысилась до значения Н20 = 11200 МПа. Естественно, что повышение твердости носит локальный характер и распространяется на глубину лишь нескольких сотых миллиметров, однако это приводит к изменению характера распределения остаточных напряжений (см. рисунок).
При этом данное изменение состояния поверхностного слоя даже на незначительную глубину должно отразиться и на эксплуатационных свойствах данного изделия. Так, по данным работы [7] процесс выхаживания де~алей из стали ШХ 15, закаленных на твердость НРС 61,5 ..62, в течение 20 с повышает контактную усталостную прочность этих деталей на 21 %.
Подводя итог, можно сделать вывод, что предлагаемая комбинированная обработка позволяет не только повысить производительность обработки и снизить энергозатраты на финишной стадии технологического процесса, но и повысить качество поверхностного слоя за счет получения суммарного эффекта двойного упрочнения: закалка ВЭН ТВЧ и выхаживание.
300 100 •100 -зоо -600
-ООО -1100 -1 зоо
0 0.2 0.4 О в О.Я 1 h. MU
Рис. Распределение остаточных напряжений по глубине материала: 1 - после закалки ВЭН ТВЧ; 2 - после выхаживания в течении 20 с.
Список литературы
1. Самотугин С.С., Нестеров О.Ю., Мазур В.А. и др. Поверхностное упрочнение инструментальных сталей и сплавов при нагреве высококонцентрированной плазменной струей // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2005. - №3. - С. 23 - 28.
2. Иванцивский В.В., Чесов Ю.С., Птицын C.B. Технология, оборудование и инструмент для финишных операций // Обработка металлов. - 2001. - № 1 (12). - С.52 - 54.
3. Иванцивский В.В., Рахимянов Х.М. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин при интеграции поверхностной термической и финишной механической обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2005. - №6. - С. 43 - 46.
4. Ящерицын П.И. Повышение эксплуатационных свойств шлифованных поверхностей. Минск: Беларусь, 1966. - 384 с.
5. Ящерицын П.И. Технологическая наследственность и эксплуатационные свойства шлифованных деталей. Минск: Наука и техника, 1971. -212 с.
6. Маталин A.A. Повышение долговечности деталей в процессе их механической обработки // Технологические методы повышения точности, надежности и долговечности в машиностроении// Сб. науч. тр. - Одесса: НТОмашп-ром, 1966. - С. 34-54.
7. Хотеева Р.Д. Промышленность Белоруссии, № 7,1967.
Обработка отверстий в деталях из алюминиевого сплава поверхностно-пластическим деформированием
В. Н. БЕЛЯЕВ, аспирант,
A.M. ФИРСОВ, доцент, кант. техн. наук, АлтГТУ им. И.И. Ползуноеа, а Бийск
В настоящее время общепризнанным является факт влияния качества поверхностного слоя деталей (шероховатость, волнистость, микротвёрдость, остаточные напряжения) на их долговечность. Существенного повышения качества поверхностного слоя деталей можно достичь, применяя упрочняющие методы обработки. Среди этих методов широкое распространение в промышленности получили методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Методы ППД позволяют при сравнительно низких производственных затратах в несколько раз повысить сопротивление усталости, контактную жёсткость, износостойкость деталей и увеличить тем самым ресурс работы машины [1]. Всё это позволяет использовать ППД
на всех машиностроительных предприятиях.
Анализ способов обработки деталей ППД показал, уже в настоящее время практически все детали машин могут обрабатываться ППД в целях отделки и упрочнения |2].
Одним из наиболее эффектизных способов повышения производительности труда при обработке деталей, сокращения цикла обработки и улучшения качества поверхностного сгоя является совмещение обработки резанием с методами ППД.
В настоящее время основным из направлений развития и совершенствования методов получения качественной поверхности деталей является совмещение различных методов в одном цикле, включая методы ППД, а также мето-
