Влияние физико-механических характеристик материала изделия на его износостойкость Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.891

И. В. Волков, Ю. Ю. Дегтярева, Л. М. Лубенская, А. П. Николаенко

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

МАТЕРИАЛА ИЗДЕЛИЯ НА ЕГО ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

В статье обоснована необходимость повышения долговечности изделий, в том числе твердости и износостойкости поверхностного слоя материала, приведены результаты исследований по данным характеристикам при применении традиционных методов обработки и вибрационной обработки (ВиО) с и-образной формой контейнера.

Выход из строя деталей и рабочих органов машин при нормальных условиях эксплуатации является следствием физического износа разных видов: усталостных разрушений, ползучести материалов, механического износа, коррозии, эрозии, кавитации, старения материала и др.

Большинство машин (85-90 %) выходит из строя именно по причине износа их деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость: например, для автомобилей в 6 раз, для самолетов до 5 раз, для станков до 8 раз [1].

К основным технологическим мероприятиям, повышающим долговечность машин, можно отнести следующие: разработка высокоизносостойких материалов для различных условий эксплуатации машин и получение из них заготовок высокого качества, близких по форме и размерам к готовым деталям; создание технологических приемов, обеспечивающих изготовление деталей заданной точности и стабильности, как по размерам, так и по физико-механическим свойствам; применение методов контроля качества материалов, заготовок и готовых изделий по соответствующим показателям надежности; использование процессов упрочняющей обработки для получения требуемого качества рабочих поверхностей деталей машин с высоким сопротивлением изнашиванию и поломкам в различных условиях экс-плуатации.

Наиболее распространены следующие технологические методы повышения износостойкости деталей машин: термическая обработка, химическая обработка, химико-термическая обработка, поверхностное пластическое деформирование, алмазное выглаживание, упрочнение чеканкой, гидрополирование, обработка поверхности взрывным нагруже-нием, электроискровое упрочнение, гальванические покрытия, химические покрытия, способы придания поверхности антифрикционных свойств, наплавка и др.

Среди методов пластического деформирования большой интерес представляет виброабразивная упрочняющая обработка. Обработка производится на ВиО-станках, чаще всего, с и-образной формой контейнера. Контейнеры изготавливают с различ-

ным размерным рядом, объемом от 3 до 1000 л и более. Станки обеспечивают возможность работы на различных режимах (амплитудах от 0,5 до 7-10 мм и частотах 33-80 Гц). При этом в контейнер одновременно за-гружают значительное количество деталей. Именно универсальность оборудования для ВиО обеспечивает возможности осуществления с его помощью целого ряда операций, таких как за-чистные, отделочные, и в том числе упрочняющие.

До настоящего времени физическая природа упрочнения полностью не выяснена [2]. Однако все процессы обработки металлов давлением основаны на использовании пластичности металла, под которой понимают способность металла деформироваться без разрушения под воздействием внешних сил и сохранять полученную форму после прекращения действия этих сил.

Пластичность при обработке давлением зависит от природы металла или сплава, его химического состава, структуры, механических свойств, температуры нагрева, скорости и степени деформации, а также от схемы напряженного состояния. Наличие в металле пор, газовых пузырей, твердых и хрупких неметаллических включений, микро- и макротрещин снижает его пластичность.

На процесс виброабразивной обработки влияют более 50-ти факторов [3]. Аналитически описать данный процесс достаточно сложно, и поэтому большое значение придается экспериментальным исследованиям.

Микротвердость Нм является очень важной составляющей характеристики физико-механических свойств поверхностного слоя, и ее следует рассматривать как следствие упругопластических деформаций, вызванных действием ударно-волновых процессов, сопровождающих вибрационное воздействие [4].

Ниже приведены результаты исследований процесса вибронаклепа и параметры, влияющие на изменение микротвердости поверхностного слоя при обработке. При этом использовались широко распространенные методы и приборы в соответствии с ГОСТ 9450-60 (измерение с помощью приборов ПМТ-3 и ПМТ-5 на косом и прямом срезах, а в отдельных случаях с послойным стравливани-

© И. В. Волков, Ю. Ю. Дегтярева, Л. М. Лубенская, А. П. Николаенко 2006 г.

ем).

Результаты виброабразивной обработки образцов из стали 45 (отожженной и закаленной) представлены на рис. 3. Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением амплитуды колебаний отмечается увеличение микротвердости поверхностного слоя, что можно объяснить увеличением сил микроударов гранул рабочей среды (в данном случае стальных закаленных шариков), воздействующих на обрабатываемую поверхность образцов. При наибольшей для принятых условий обработки амплитуде колебаний (1,5 мм) микротвердость закаленной стали 45 возросла на 15-22 % и составила 388 Н/мм2. Подобные исследования проводились в работе [4]. При сравнении полученных результатов совпал характер кривых, но начальные параметры были различны, что отражено на графиках (кривая 3) рис. 1.

Если для закаленных образцов при А = 1,5 мм рост Нм прекращается, то для отожженных образцов есть основания ожидать дальнейшего увеличения Нм при увеличении амплитуды колебаний (см. рис. 1). Наибольшая микротвердость, измеренная на глубине 20 мкм, составила 185 Н/мм2.

Исследования также показали, что как для отожженных, так и для закаленных образцов увеличение частоты колебаний приводит к увеличению Нм, что объясняется увеличением числа микроударов.

Результаты исследований показывают, что после вибрационной обработки в течение 60 мин структура в сердцевине металла не изменяется, в поверхностных же слоях наблюдается некоторое измельчение зерен, увеличение участков с сорбитной структурой и местами разрыв цементитной сетки. Микротвердость поверхностных слоев по сравнению с исходной повышена на 15-22 %.

После обработки в течение 240 и 480 мин структура сердцевины также существенно не изменяется. У поверхности же наблюдаются плотные слои сорбитной и даже трооститосорбитной структуры, цементитная сетка почти полностью разорвана. Микротвердость поверхностных слоев по сравнению с исходной повышена на 21-28 %.

Исследовано влияние рабочей среды на изменение микротвердости поверхностного слоя образцов в среде стальных закаленных шаров д = (3-4) мм (1), фарфоровых шаров д = (20-25) мм (2) и абразивных гранул (АН-2) (3).

Режим и продолжительность обработки: А -1,5 мм, f - 63 Гц, t = 120 мин. Обрабатываемые образцы имели прямоугольную форму 10x20x5 мм и были изготовлены из закаленной и отожженной стали 45. Микротвердость измеряли на глубине 10 мкм для закаленных образцов и на глубине 20 мкм для отожженных.

Результаты экспериментов представлены на рис. 2.

Для определения влияния ВиО на износо-стой-кость изделия был проведен ряд исследований.

Были изготовлены два комплекта образцов (рис. 3) из трех видов материала: стали 3, стали 45 и быстрорежущей стали Р9. Первая группа образцов после токарной чистовой обработки (Яа = 6,3 мкм) повергалась шлифованию на станке модели ПШСМ-2 (Яа = 3,2 мкм), вторая - после токарной чистовой обработки (Яа = 6,3 мкм) обрабатывалась на станке ВМИ-1003 в течение 180 мин в стальных закаленных шариках д = 5 мм (Яа = 3,2 мкм).

Данные образцы были выполнены в виде роликов и играли роль диска в трущейся паре "колодка-диск". В качестве колодок были изготовлены образцы из резины ТМКЩ (тепломорозо-кислощелочестойкая, повышенной твердости (по Шору - А = 65-80 у.е.)) ГОСТ 7338-77.

Рис. 1. Влияние амплитуды и частоты колебаний на микротвердость поверхностного слоя стали 45. Закаленная - 1;

отожженная - 2

- 0219яшВестникя)вигателестроенияя1 4/т006 # 127

Рис. 2. Влияние вида рабочей среды на изменение микротвердости: а - отожженные; б - закаленные, где 1 - стальные закаленные шарики д = (3-4) мм, 2 - фарфоровые шарики д = (20-25) мм, 3 - абразивные гранулы (АН-2)

Рис. 3. Образцы для измерения износостойкости деталей

Эксперимент проводился в несколько этапов:

I. Приготовленные образцы взвешивались на аналитических весах (ВЛА - 200 гр. - М, 1969 № 926).

II. Образцы обрабатывались на машине трения (см. рис. 4) всухую, без охлаждения, в течение 78 секунд (до момента начала плавления резины) по 20 подходов для каждого образца.

III. После окончания обработки производилось повторное взвешивание.

Рис. 4. Закрепление деталей на машине трения

В процессе эксперимента также была определена твердость образцов по Бринеллю до и после обработки. Результаты исследований сведены в табл. 1.

Полученные результаты (и их анализ) позволяют сделать следующие выводы:

1. С ростом массы и твердости гранул рабочей среды, при неизменных режимах обработки, наблюдается пластическое деформирование и повышение микротвердости поверхностного слоя деталей.

2. Структура стали - один из основных параметров, влияющих на качество поверхностного слоя, в том числе и его износостойкость:

Сталь 3. Структура данной стали: феррит + перлит, с преобладанием именно феррита, рыхлая, мягкая, не подвергается ТО и упрочнению, что и показали результаты (износ материала относительно постоянен). Наблюдается устойчивое снижение шероховатости поверхности, поэтому ВиО рекомендуется для обработки деталей из данной стали как на зачистных операциях, так и на финишных.

Сталь 45. Структура данной стали: феррит + перлит, легко подвергается упрочнению с помощью ВиО (рис.5), что подтверждается и экспериментально. Твердость материала повышается после ВиО на 1522 %, а износ материала уменьшается в 2,46 раза. Следовательно, в качестве финишных операций для получения низкой шероховатости и упрочненного поверхностного слоя можно рекомендовать ВиО методы, и следует продолжить исследования по выбору оптимальных режимов обработки, в первую очередь, амплитуды, частоты и времени обработки.

Сталь Р9. Данная сталь обладает высокой теплостойкостью, т.е. способностью сохранять мартен-ситную структуру и соответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах. Она сохраняет мартенситную структуру при нагреве до 600-620 °С. Поэтому в зоне контакта (зоне сухого трения) при большой скорости вращения деталей температура повышается и удерживается именно в поверхностном слое (не распространя-

Таблица 1 - Сравнительный анализ результатов

ясь вглубь). После ВиО шероховатость поверхности образца уменьшается, наступает микронаклеп, площадь контакта ролика с резиной увеличивается на 26-34 %, и происходит взаимное схватывание поверхностей, т.е. налипание резины на стальной ролик. Именно поэтому наблюдалось увеличение массы об-

разца. Износ детали при этом обнаружен не был. Учитывая твердость стали и прослеживающееся снижение шероховатости при ВиО, следует провести исследования по выбору оптимальной формы и размеров гранул рабочей среды.

3. Износостойкость поверхности образцов для

—От19яянЬестникяИвигателестроенияЯ 4/т006

- 129 -

конструкционных сталей повышается до 15-20 %; на износостойкость поверхностного слоя влияют как величина шероховатости поверхности, так и глубина наклепанного слоя.

4. Предварительные испытания на износо-стой-кость показали положительные результаты применения вибрационного метода обработки деталей, как финишной операции, комплексно улучшающей поверхность.

Вывод

Учитывая универсальность вибрационного оборудования, этот метод рекомендуется использовать для повышения эксплуатационных свойств изделия, в том числе и износостойкости.

Список литературы

1. Триботехника: Учебник для студентов втузов.-2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

2. Теория обработки металлов давлением. Сторо-

жев М.В., Попов В.А. Учебник для вузов. Изд. 3-е, переработ. и доп. - М.: Машиностроение, 1971. - 424 с.

3. Венцкевич Г. С. Влияние некоторых параметров абразивного наполнителя на эффективность процесса шлифования в вибрирующих резервуарах. Дисс. канд. техн. наук. - Ворошиловград, 1985. - 175 с.

4. Бабичев А.П., Бабичев И.А. Основы вибрационной технологии. Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ. - 1998. - 624 с.

Поступила в редакцию 05.06.2006 г.

В cmammi обгрунтовано необх1дн1сть п1двищення довгов1чност1 вироб1в, в тому числ1 meepdocmi та зносостiйкостi поверхневого шару матерiалу, а також npueedeHi nidcyMKU дослiджень за даними характеристиками при використаннi традицйних методiв обробки i вiбрацiйноl обробки i3 U-подiбною формою контейнера.

The article substantiates the necessity to improve durability of parts in the sense of hardness and wear resistance of a material surface layer. Results of researches on these characteristics are given when using traditional methods of treatment and vibrational processing (ViP) with an U-shape of container.