CC BY
21
УДК 533.924
Ф. Ф. Кадыров, М. Ф. Шаехов, Г. Ф. Кадырова
УПРОЧНЕНИЕ МЕЗДРИЛЬНЫХ НОЖЕЙ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЫ ВЧЕ-РАЗРЯДА
Ключевые слова: мездрильные ножи, ВЧЕ плазменная обработка, микротвердость, радиус угла закругления, шероховатость
поверхности.
Исследовано влияние ВЧЕ плазменной обработки на физико-механические характеристики мездрильных ножей. Для определения характеристик опытных образцов были использованы следующие методы: рентгеноф-луоресцентный анализ, лазерная конфокальная микроскопия, микротвердомер ПМТ-3. При проведении плазменной обработки опытные образцы разделены на 4 группы, к трем из них подводили дополнительное напряжение -15В, последняя обрабатывалась без подачи дополнительного напряжения. После ВЧЕ плазменной обработки во всех группах произошло увеличение и выравнивание микротвердости по всей поверхности образцов, а также увеличение шероховатости и радиуса угла закругления режущей кромки.
Keywords: knives for fleshing, RF plasma treatment, microhardness, the corner radius of curvature, surface roughness.
The effect RF plasma treatment on physical and mechanical characteristics knives for fleshing. The following methods were used to determine the characteristics of the prototypes: X-ray fluorescence analysis, laser confocal microscopy, Micro Durometer PMT-3. During the plasma processing test samples are divided into 4 groups, one to three additional summed voltage -15V, the latter was processed without additional voltage supply. After RF plasma treatment in all groups there was an increase in microhardness and alignment across the sample surface, and an increase of roughness and radius of curvature of the corner cutting edge.
Введение
В процессе выделки кожевенно-меховых изделий механические операции являются неотъемлемой частью технологического процесса. В кожевенно-меховом производстве их используют от подготовительных операций до финишной обработки полуфабриката [1].
Одной из основных механических операций является мездрение. Целью мездрения является удаление со шкуры подкожной клетчатки, мяса, сала. Мездрение способствует более равномерному и быстрому протеканию последующих жидкостных процессов [2].
Мездрение проводится на мездрильных машинах, рабочие элементы которых изготавливаются из нетеплостойких сталей [1]. Быстрый износ рабочих элементов машин механической обработки приводит к неустранимым дефектам кожевой ткани [3]. Поэтому целесообразным и актуальным является упрочнение рабочих элементов мездрильных машин с целью увеличения их рабочего ресурса [4].
Существует множество традиционных методов упрочнения стальных изделий. Однако их общим недостатком является длительность процесса (иногда требуется несколько суток) [5-8].
Одним из наиболее эффективных методов упрочняющей обработки деталей машин кожевенно-мехового производства является электрофизическое воздействие и модификация рабочей поверхности [9]. Особенность таких методов обработки является использование электроэнергии для технологических применений без промежуточных преобразований ее в другие виды энергии. Основным достоинством данных методов является возможность создания весьма высокого уровня физико-механических свойств материалов в тонких поверхностных слоях, которые невозможно получить традиционными методами [10-13].
Одним из перспективных методов поверхностного упрочнения является высокочастотная (ВЧ) плазменная обработка при пониженных давлениях. Суть такой модификации материалов состоит в том, что атомы плазмообразующего газа проникают в поверхностные слои материала на глубину порядка 60 нм. Если плазмообразующий газ реакционно-способный (O2, N2, CH4 и т.д.), то на поверхности образуются нанофазные системы из оксидов, нитридов и карбидов элементов, входящих в состав материала.
Экспериментальная часть
Для имитации материала мездрильных ножей использовали обычные бритвенные лезвия. Для опытных образцов выбрали лезвия марки «Рапира PLATINUM LUX», рентгенофлуоресцентный анализ состава которых показал, что они полностью состоят из железа без примесей других металлов, а значит изготовлены из инструментальной стали марки У8.
Чтобы узнать, как плазменная обработка влияет на геометрические размеры режущей кромки мездрильного ножа, были произведены замеры ее радиуса закругления и шероховатости поверхности на конфокальном лазерном сканирующем микроскопе LEXT 4100 до и после плазменного упрочнения.
Также проведены измерения микротвердости поверхности лезвий до и после плазменного упрочнения в пяти точках на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на алмазную пирамидку- 100г.
После контрольных измерений радиуса закругления режущей кромки, ее шероховатости и микротвердости поверхности лезвий, провели плазменное упрочнение лезвий в азотной плазме. Для этого образцы сначала обезжирили, затем обезвожили и закрепили на оснастке. Далее закрыли вакуумную камеру, откачали воздух, сделали напуск плазмообра-зующего газа (азота) и обрабатывали в следующем режиме:
Мощность генератора Wp, Вт 1200
Расход газа (аргона Gl), г/с 0,045
Давление в камере, Па 24
Время обработки ть мин 20
Дополнительный потенциал, В -15
Расход газа (аргона G2), г/с 0,045
Расход газа (азота), г/с 0,006
Время обработки т2, мин 20
Таблица 2 - Микротвердость образцов до и после плазменного упрочнения
Обрабатывались 4 группы образцов: 3 с подведением дополнительного отрицательного потенциала (-15В), а 1 под плавающим потенциалом. Образцы, на которые подводился дополнительный потенциал, располагали в вакуумной камере по вертикали так, что первый образец был выше всех и располагался почти на самой границе электродов, а третий больше всех уходил в середину межэлектродного пространства. Обработка шла в 2 стадии:
1) нагрев и очистка образцов в аргоновой плазме в течении 20 минут;
2) плазменное упрочнение образцов в аргон-азотной плазме в течение 20 минут.
После обработки образцам давали остыть, снимали с оснастки, проводили визуальный контроль и повторно измеряли геометрические и физико-механические характеристики.
Результаты и их обсуждения
Измерение шероховатости поверхности и радиуса кривизны режущей кромки образцов до и после плазменного упрочнения дало следующие результаты (табл.1).
Таблица 1 - Шероховатость поверхности и радиус кривизны режущей кромки образцов до и после плазменного упрочнения
Радиус кривизны, мкм
№ группы До плазменной После плазменной
обработки обработки
1 1,381 3,100
2 1,773 2,402
3 1,195 2,195
4 2,080 2,830
Шероховатость поверхности острия
лезвия, мкм
№ группы До плазменной После плазменной
обработки обработки
Ra Rz Ra Rz
1 0,092 0,863 0,077 0,748
2 0,080 0,768 0,107 0,915
3 0,073 0,771 0,108 0,789
4 0,065 0,656 0,090 0,742
Измерение микротвердости образцов до и после плазменного упрочнения дало следующие результаты (табл. 2).
Плазменная обработка первой группы образцов в заданном режиме привела к увеличению радиуса кривизны острия более чем в 2 раза, но при этом шероховатость поверхности снизилась по параметру Ra на 16%, по параметру Rz на 13%. Микротвердость образцов значительно выравнилась по всей площади образца, но ее увеличение незначительно- 6,6%.
До плазменной обработки После плазменной обработки
№ группы Диагональ отпечатка, мкм Среднее значение Микротвердость кгс/мм2 Среднее значение Диагональ отпечатка, мкм Среднее значение Микротвердость, кгс/мм2 Среднее значение
78 30,5 64 45,3
58 55,1 69 39,0
1 52 70± 12 68,6 42,4 64 64±5 45,3 45,2
81 28,3 63 46,7
79 29,7 61 49,8
67 41,3 60 51,5
66 42,6 59 53,3
2 59 62± 10 53,3 49,7 58 58±3 55,1 55,3
66 42,6 58 55,1
52 68,6 55 61,3
69 39,0 50 74,2
72 35,8 57 57,1
3 51 61± 11 71,3 52,8 59 55±5 53,3 61,4
65 43,9 55 61,3
50 74,2 55 61,3
71 36,8 54 63,6
66 42,6 53 66,0
4 67 66±6 41,3 42,7 57 55±2 57,1 62,0
60 51,5 57 57,1
67 41,3 53 66,0
Рис. 1 - Измерение радиуса кривизны острия лезвия на оптическом лазерном микроскопе LEXT 4100
Рис. 2 - Микрофотография шероховатости поверхности острия лезвия на оптическом лазерном микроскопе LEXT 4100
Плазменная обработка второй группы образцов в заданном режиме привела к увеличению радиуса кривизны острия на 35,5%, шероховатость поверхности увеличилась по параметру Ra на 33,8%, по параметру Rz на 19%. Микротвердость образцов значительно выравнилась по всей площади образца и увеличилась на 11,3%.
Плазменная обработка третьей группы образцов в заданном режиме привела к увеличению радиуса кривизны острия чуть менее чем в 2 раза, шероховатость поверхности увеличилась по параметру Ra на 48%, а параметр Rz почти не изменился. Микротвердость образцов значительно выравнилась по всей площади образца и увеличилась на 16,3%.
Плазменная обработка четвертой группы образцов в заданном режиме привела к увеличению радиуса кривизны острия на 36%, шероховатость поверхности увеличилась по параметру Я на 38,5%, по параметру Я;, на 13,1%. Микротвердость образцов значительно выравнилась по всей площади образца и значительно увеличилась на 45,2%.
Плазменная обработка стальных лезвий в заданном режиме показала, что при обработке образцов без подведения дополнительного потенциала (группа №4) дала самые лучшие результаты. Микротвердость увеличилась почти на 50% и выравнилась по всей площади образца, радиус кривизны острия увеличился на 36%, что нужно учитывать при заточке ножей перед плазменной обработкой, а также увеличилась и шероховатость поверхности, но на классе шероховатости это не отразилось.
Обработка группы образцов с №1-3 показала, что чем ближе образцы располагается к середине межэлектродного пространства, тем лучше становятся его эксплуатационные параметры: микротвердость увеличивается, увеличение радиуса закругления острия и шероховатости поверхности снижаются пропорционально «глубине» образца. Это связано с тем, что при подаче дополнительного потенциала ширина слоя положительного заряда (СПЗ) увеличивается, что приводит к увеличению числа ионов, бомбардирующих поверхность, а также к увеличению их энергии за счет большего ускорения в СПЗ. Так как ионы концентрируются на вершинах и впадинах геометрических микронеровностей поверхности, их наибольшее количество приходится на острие лезвия, в результате чего происходит стравливание металла и как следствие, увеличение радиуса кривизны острия.
Заключение
Подача на обрабатываемые образцы дополнительного потенциала в размере -15В не дала существенного увеличения микротвердости поверхности,
но при этом увеличилась шероховатость поверхности и радиус кривизны острия, вызванная травлением металла с поверхности образцов при плазменной обработке. Образцы, обработанные под плавающим потенциалом, показали наилучший результат.
Литература
1. Абдуллин И.Ш. Финишная подготовка поверхности нетеплостойких инструментальных сталей перед нанесением защитных покрытий/ И.Ш. Абдуллин, И.И. Васильев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2013.- №5. -С 180-182.
2. Технология изделий легкой промышленности. Технология кожи и меха: учебное пособие / А.В. Островская, А.Р. Гарифуллина, И.Ш. Абдуллин; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т.- Казань: Изд-во КНИТУ, 2015.-252 с.
3. Васильев И.И. Повышение качества полуфабриката шубной овчины при выделке на этапах механической обработки / И.И. Васильев, И.Ш. Абдуллин, М.М. Миронов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2014.-№17. -С 66-67.
4. Васильев И.И. Очистка поверхности стали 9ХФ в плазме ВЧ емкостного разряда для нанесения нанострукту-рированного покрытия pvd методом/ И.И. Васильев, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012.-№20. -С 29-30.
5. Сокол И.Я. Термическая обработка качественной стали на металлургических заводах. -М.: Металлургия, 1986. -160 с.
6. Котов О.К. Поверхностное упрочнение деталей машин химико-термическими методами. - М.: Машиностроение, 1969. -334 с.
7. Банных, О.А., Развитие азотирования в России / О.А.Банных и др. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. -67 с.
8. А.В. Супова. Азотирование и карбонитрирование. - М. Металлургия, 1990. -275 с.
9. Абдуллин И.Ш. Исследование высокочастотного диффузного разряда в процессах обработки поверхностей / НПО "Мединструмент".-Казань, 1988. 75 с. ил. (Рук.деп. в ВИНИТИ 9.03.88,№1571-В89).
10. Васильев И.И. Взаимодействие плазмы с поверхностью металлических изделий / И.И. Васильев, И.Ш. Абдуллин, М.М. Миронов // Вестник Казан. технол. ун-та. -2014.-№7. -С 71-73.
11. Хубатхузин А.А., Формирование наноструктуриро-ванных покрытий на поверхности титановых сплавов с помощью вч-плазмы пониженного давления/ А.А. Хубатхузин, И.Ш. Абдуллин, Э.Б. Гатина, В.С. Желтухин, А.Ю. Шемахин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012.-№14. -С 37-40.
12. Хубатхузин А.А. Плазмохимическая обработка материалов/ А.А. Хубатхузин, И.Ш. Абдуллин, М.Ф. Шае-хов, А.А. Башкирцев // Вестник Казан. технол. ун-та. -2012.- №15. -С 88-92.
13. Хубатхузин А.А. Использование плазменных методов для модификации поверхности металлов/ А.А. Хубатхузин, И.Ш. Абдуллин, А.А. Башкирцев, Э.Б. Гатина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012.- №22. -С 48-52.
© Ф. Ф. Кадыров - магистрант гр. 435-М1 каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; М. Ф. Шаехов - д.т.н., проф. той же кафедры, [email protected]; Г. Ф. Кадырова - студент 2 курса группы 4351-31 КНИТУ, [email protected].
© F. F. Kadyrov - undergraduate c. 435-M1 of the department "plasma-chemical and high-molecular nanotechnology materials" KNRTU, [email protected]; M. F. Shaehov - Ph.D., professor of department "plasma-chemical and macromolecular nanotechnology materials" KNRTU, [email protected]; G. F. Kadyrova - 2nd year student group 4351-31 KNRTU, [email protected].
