CC BY
12
УДК 621.9.048.6
Кирил1в Я.Б., © кандидат техшчних наук (Е-mail: vndr 1@ubgd. lviv. ua) Львгвський державный утверситет безпеки життед1яльност1
ТЕПЛОВА СТ1ЙК1СТЬ ПОВЕРХОНЬ ДЕТАЛЕЙ ВНАСЛ1ДОК В1БРАЦ1ЙНО-В1ДЦЕНТРОВОГО ЗМ1ЦНЕННЯ
В статт1 наведено дослгдження по теплостткост1 поверхонь тертя отриманих в1брацшно-в1дцентровим змщненням (ВВЗ) на стал1 40Х. Встановлено максимальне значення температури при якому збер1гаються фгзико-мехатчт та експлуатацшш властивост1.
Ключовi слова: теплосттюсть, вгбрацтно-вгдцентрове змщнення, пластична деформащя, рекристал1защя, структури приповерхневих шар1в.
Вступ. B^ip MaTepianiB для виготовлення деталей вузлiв тертя е досить складною задачею, оскшьки !х B^ip повинен здшснюватися з урахуванням велико! кшькосп фaктоpiв. До них, зокрема, вщносяться: piвeнь статичного i динaмiчного навантаження, швидкiсть вiдносного пepeмiщeння тiл тертя, температура в зош тертя, властивост мастильного мaтepiaлу i спряженого тша, вид тертя, констpукцiя вузла. Дeтaлi вузлiв тертя повиннi володiти необхщними тeплофiзичними властивостями: доброю тeплопpовiднiстю, достатньо високою тeплоемнiстю i стaбiльними коефщентами лiнiйного i об'емного температурного розширення. Тeплофiзичнi влaстивостi забезпечують вiдвiд i pозсiювaння тепла, яке генеруеться в зош тертя, убезпечуючи дeтaлi вузлiв тертя вiд нaдмipного нaгpiву, здатного викликати погipшeння мeхaнiчних i тpiботeхнiчних властивостей мaтepiaлiв. Багато деталей машин експлуатуються при пiдвищeних температурах, тому дуже важливо встановити вплив температури на змшу властивостей мaтepiaлу !х приповерхневого шару.
Оскiльки твepдiсть е одним iз важливих покaзникiв мехашчних властивостей металу, то багато дослщниюв оцiнюють тeплостiйкiсть по змiнi твердост змщнено! стaлi пiсля piзниx температур вщпуску [1].
Матерiал i методи. В наших дослiджeнняx тeплостiйкiсть вивчали на зразках зi стaлi 40Х тсля ВВЗО. Дослiджeння проводили на колових сегментах iз зовнiшнiм дiaмeтpом 75 мм, внутpiшнiм 61 мм, шириною 12 мм i довжиною 20 мм зi стaлi 40Х. Першу партш таких зpaзкiв загартовували у пeчi у вiдповiдностi з режимом, встановленим на загартування на високу твердкть без вщпуску. Другу партш зразюв обробляли ВВЗ на вiбpaцiйнiй машиш за оптимальних peжимiв. Обробку проводили iнстpумeнтом iз кульками зi стaлi ШХ15 дiaмeтpом 13,5 мм.
Результати дослщження. Гpaфiки впливу температури вiдпуску на твepдiсть стaлi 40Х нaвeдeнi на рис. 1. Твердють стaлi, змщнено! ВВЗ, бшьш висока, нiж при звичайному гартуванш. Пiдвищeння температури вiдпуску
© Кирил1в Я.Б., 2009 46
приводить до зниження твердость Бшьш висока твердкть зразюв, змщнених ВВЗ, не збер^аеться на всьому промiжку. При температурах вщпуску вiд 265 °С вона дещо нижча, нiж твердiсть зразкiв загартованих в печь Таким чином, сталь, змщнена ВВЗ, володie бiльш високою теплостiйкiстю в порiвняннi зi сталлю, загартованою в печi до 265 °С. При вищих температурах вона дещо поступаеться i при 600 °С вирiвнюeться. Твердiсть змiцнених зразюв ВВЗ
Рис. 1. Залежшсть м1кротвердост1 стал1 40Х в1д температури ввдпуску: 1 - шсля гартування; 2 - шсля ВВЗО
Це пояснюеться тим, що пластична деформацiя приводить сталь в структурно нестшкий стан. Самовольно проходять явища, якi повертають сталь в бiльш стiйкий структурний стан.
До самовшьних процесiв, котрi приводять пластично деформовану сталь до бшьш стшкого стану, вiдноситься зняття спотворення кристалiчноl гратки i iншi внутрiзереннi процеси, зокрема, рiст зерен. Перше не потребуе високо! температури, так як при цьому проходить незначне перемщення атомiв. Уже незначний на^в (для сталi 300 - 400 °С) знiмае викривлення реш^ки. Як результат багаточисельних субмiкропроцесiв це зменшуе густини дислокацiй в результат !х взаемного знищення (так звана ашгшящя), зливання блокiв, зменшення внутршшх напружень, зменшення кiлькостi вакансiй тощо. Лши на рентгенограмах деформованого металу, розмитого внаслiдок спотворень решiтки, i порушення И правильностi, знову стають чiткими. Зняття викривлень решiтки в процес нагрiву деформованого металу називаеться поверненням або вщпочинком. В результат твердiсть i мiцнiсть дещо понижуються (на 20 - 30 % в порiвняннi з вихiдними), а пластичшсть зростае.
Поруч з цим, тобто з вщпочинком (поверненням), може проходити ще так званий процес пол^ошзаци, який полягае в тому, що безладно розташоваш всередиш зерна дислокаци збираються, утворюючи сiтку i комiрчату структуру,
47
котра може бути стшкою i може затруднити процеси, яю розвиваються при бшьш високш температурь Рекрист^защя, тобто утворення нових зерен, протжае при бiльш високих температурах, шж повернення i пол^ошзащя, i може початися iз заменою швидкiстю пiсля нагрiву вище означено! температури.
Шсля того, як рекристалiзацiя завершена, будова ст^ i И властивосп поновлюються до вихiдного стану, тобто стають такими, якi вона мала до деформаци.
Крiм чистоти сплаву, мммальна температура рекристалiзацп залежить також i вiд ступеня попередньо! деформаци. Чим вищий ступiнь деформаци, чим бшьше викривлена структура, тим менш вона стiйка, тим бiльше И намагання прийняти бшьш стшкий стан. Значить, велика стутнь деформаци полегшуе процес рекристалiзацп i понижуе мммальну температуру рекристалiзацil.
Процес рекристалiзацil можна роздшити на два етапи:
1) первинна рекристалiзацiя або рекристалiзацiя обробки, коли витягнуп внаслiдок пластично! деформаци зерна перетворюються в дрiбнi округло! форми безладно орiентованi зерна;
2) вторинна або збиральна рекристалiзацiя, що полягае в ростi зерен i протiкае при бiльш високiй температурь
Процеси первинно! i вторинно! рекристалiзацi! мають ряд особливостей.
Первинна рекристалiзацiя полягае в утвореннi нових зерен. Це переважно дрiбнi, можна сказати дуже дрiбнi зерна, якi виникають на поверхнях роздiлу великих деформованих зерен. Хоча в процес на^ву i проходили внутрiзереннi процеси усунення дефекив (повернення, вiдпочинок), все таки вони, як правило, повшстю не закшчуються. З iншого боку, знову утворене зерно уже вшьне вщ дефектiв.
До кiнця першо! стади рекристалiзацi! можна отримати структуру, яка складаеться тiльки iз таких зерен, тобто дуже малих зерен, яю в поперек мають розмiр в декшька мiкрон. Але в цей момент наступае процес вторинно! рекристалiзацi!, який полягае, як говорилося рашше, в рост зерен.
Рiст кристалiв - процес самовiльний, який визначаеться прагненням системи
до зменшення запасу внутршньо! енергi!.
Якщо прийняти, що в одинищ поверхнi зосереджена поверхнева енерпя певно! величини, то збiльшення зерна, тобто отримання iз декiлькох дрiбних зерен меншого числа великих, приводить до зменшення сумарно! поверхнi зерна ("внутршньо! поверхш") i, значить, до зменшення запасу вшьно! енергi! в системь
Який iз перерахованих двох основних механiзмiв росту зерна реалiзуеться, залежить вiд температури: при бшьш низькш температурi рiст зерна проходить за рахунок злиття, при бшьш високш - за рахунок мпрацп границь, а також вщ вихщного структурного стану, зокрема вщ ступеня попередньо! пластично! деформаци.
48
При надкритичнш деформаци густина дефекпв така, що мехашзм злиття утруднений або нездшсненний. Ркт зерна проходить в результатi мпрацп границь, що при iнших рiвних умовах дае бiльш дрiбне зерно, чим то, яке отримуеться при процес злиття.
Змiна твердостi гартовано! сталi при вiдпуску е наслщком змiни в будовi, яка проходить при вщпуску. 1з пiдвищенням температури вщпуску твердiсть зменшуеться внаслiдок укрупнення карбщних частинок i об'еднання вуглецем а - твердого розчину. Прямолшшна залежшсть пониження твердостi вiд температури порушуеться в районi 200 - 250 °С, тобто при перетворенш залишкового аустенiту. При цих температурах пониження твердост сповiльнюеться. Загальна тенденщя полягае в тому, що твердють з пiдвищенням температури вiдпуску понижуеться, так як i iншi показники мщносп (ов,о0,2), тодi як показники пластичност (5,у) зростають [2].
В результат змiцнення отримано структури високо! мiкротвердостi, яка сильно залежить вщ концентраци вакансiй та дислокацiй [3]. В [4] показано, що на^в до 200 °С е достатшм для рiзкого зменшення концентраци вакансш, а в iнтервалi нагрiву вщ 200 до 500 °С сильно зменшуеться густина дислокацш. Ця шформащя е важливою для оцiнки працездатност змiцненого металу в умовах тертя. На практищ значення температури бшя 200 °С можуть досягнутись у вузлах тертя, яю працюють у рщкому мастильному середовищi, а температура бшя 500 °С досягаеться лише при сухому терт1 З рис. 2 видно, що мжротвердють змщненого шару забезпечена за рахунок високо! густини дислокацш. Зниження концентраци вакансш не впливае на змiну мжротвердост^
1
0 1 2 3 4 5 6 7
5, ММ
Рис. 2. Змша мiкротвердостi сталi 40Х, змщиеноУ ВВЗО: 1 - без вщпуску; 2 - вщпуск 200 °С; 3 - вiдпуск 500 °С
49
Висновки. Отже, отримаш в результат ВВЗ структури приповерхневих шарiв можуть устшно експлуатуватись в рщкому мастильному середовищi та при температурах, яю не перевищують 200 °С. При вищих температурах прошарки змiцненого металу, що отриманi ВВЗ, можуть частково втрачати сво! висою фiзико-механiчнi та експлуатацiйнi властивостi, а при температурi 500 °С вщбуваеться практично повна !х втрата.
Л1тература
1. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 200 с.
2. Гуляев А. П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1978. - 648 с.
3. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. - М.: Металлургия, 1976. - 176 с.
4. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / Пер. с англ. А. В. Белого, Н. К. Мышкина. Под ред. А. И. Свириденка. - М.: Машиностроение, 1986. - 360 с.
Summary
В cmammi наведено дослгдження по тетостткост1 поверхонь тертя отриманих вiбрaцiйно-вiдцентровим змщненням (ВВЗ) на cтaлi 40Х. Встановлено максимальне значення температури при якому зберкаються фiзико-мехaнiчнi та експлуатацтт влacтивоcтi.
Стаття надшшла до редакцИ 24.03.2009
50
