CC BY
6УДК 621.787.6.004 DOI: 10.12737/17091
А.В. Киричек, С.В. Баринов
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГЕТЕРОГЕННОЙ СТРУКТУРЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТНОМУ ВЫКРАШИВАНИЮ
Поднят вопрос о значимости технологий гетерогенного упрочнения в промышленности. Описаны выполненные исследования новой технологии получения гетерогенной структуры с помощью метода поверхностного пластического деформирования - статико-импульсной обработки. Установлена взаимосвязь между параметрами гетерогенности и величиной сопротивле-
ния контактному выкрашиванию для сталей 45, 40Х, 35ХГСА.
Ключевые слова: равномерность упрочнения, деформирование, твердость, гетероген-но упрочненная структура, долговечность, статико-импульсная обработка.
A.V. Kirichek, S.V. Barinov
HETEROGENEOUS STRUCTURE PARAMETER EFFECT UPON RESISTANCE
TO CONTACT SPALLING
At present time to increase surface layer life in machinery there is formed a heterogeneously strengthened structure representing alternate hard-tough areas. The method of static-pulse working (SPW) with surface plastic forming is a method promising enough for the heterogeneous structure formation in a surface layer. At SPW the plastic forming of material to be strengthened is carried out through an impulse load which is a consequence of rise at a blow in an impact system of a strain wave and controlled by the change of geometrical parameters in an impact system. The SPW allows creating a strengthened structure both uniformly, and heterogeneously. For a wider use of the heterogeneous strain strengthening of the SPW in industry there were developed the heterogeneity parameters
describing the distribution of hard-tough areas in the surface layer; there were carried out researches of the resistance to a contact spalling of heterogeneously strengthened samples of steel 45, steel X, steel 35 XGSA; there was carried out the analysis of the distribution of hard-tough areas in the surface layer of strengthened samples.
As a result of researches carried out for steel 45, steel 40X, steel 35XGSA there was defined a range of heterogeneity parameters conducive to the increase of their resistance to a contact spalling two ... six times more.
Key words: uniformity of strengthening, warping, hardness, heterogeneously strengthened structure, durability, static-pulse working.
Достаточно большой интерес для современной промышленности представляют материалы, сочетающие в себе несколько несопоставимых для обычных материалов свойств, например твердость и вязкость. Такие материалы называются гетерогенными или материалами с гетерогенной структурой. В отличие от композиционных материалов они имеют одинаковый химический состав, а гетерогенные свойства задаются в гомогенном материале путем применения термообработки (ТО) или химико-термической обработки (ХТО). Так, при изменении режимов лазерной закалки были получены сочетания различной твердости на поверхностных выступах и впадинах резьбы. Созданная гетерогенная структура позволила повысить усталост-
ную долговечность на 30...50 % [1]. Полученная гетерогенная структура после ХТО за счет нанесения лаковых масок на рабочие поверхности зубчатых колес позволила увеличить их контактную выносливость в 2.3 раза [5].
Применение поверхностного пластического деформирования (ППД) для создания гетерогенной структуры стало возможным с появлением статико-импульсной обработки (СИО). Данный способ, в отличие от известных методов ППД, позволяет обеспечить требуемый закон распределения твердых и вязких участков на большой глубине. Кроме того, применение деформационного упрочнения для получения гетерогенной структуры представляется более перспективным по сравнению с ТО и ХТО. Это связано с тем,
что ППД позволяет создавать плавный переход от участков с повышенной твердостью к участкам с низкой исходной твердостью, исключая возможность зарождения между ними микротрещин и дальнейшего разрушения.
Однако на сегодняшний момент технология машиностроения не дает технологических рекомендаций по режимам упрочнения и тем более по необходимой картине распределения в поверхностном слое твердых и вязких участков, обеспечивающих повышение долговечности. Это связано с малой изученностью процесса гетерогенного упрочнения и с отсутствием методики оценки формируемых твердо-вязких структур в поверхностном слое. Все это сдерживает более широкое распространение в промышленности предлагаемой технологии гетерогенного деформационного упрочнения.
Для расширения представлений о возможностях гетерогенных структур, полученных деформирующей СИО, и установления взаимосвязи между получаемыми сочетаниями твердых и вязких областей и формируемой долговечностью были проведены исследования на сталях 45, 40Х и 35ХГСА. Выбор материалов обусловлен тем, что сталь 45 является эталонной в машиностроении, а стали 40Х и 35ХГСА широко используются для создания тяже-лонагруженных деталей машин, работающих в условиях контактных циклических нагрузок.
Для реализации поставленных целей образцы из сталей 45, 40Х и 35ХГСА были подвергнуты СИО. СИО позволяет достаточно точно регулировать равномерность упрочнения, создавая как равномерно, так и гетерогенно упрочненную структуру. При СИО пластическое деформирование упрочняемого материала осуществляется импульсной нагрузкой, которая является следствием возникновения при ударе в ударной системе волн деформации, и управляется изменением геометрических параметров ударной системы. Статическая составляющая нагрузки практически не участвует в процессе упругопластического деформирования и предназначена для наиболее полного использования импульсной. В результате импульсного воздействия упрочненная поверхность формируется из пластических отпечатков, которые перекрывают друг друга в определенном
порядке. Степень перекрытия пластических отпечатков характеризуется коэффициентом перекрытия К. Если К = 0, то край одного отпечатка граничит с краем другого; если 0 < К < 1, то отпечатки перекрываются; при К = 1 происходит многократное вдавливание инструмента для СИО в одно и то же место [2].
Долговечность образцов с гетерогенной структурой, полученных СИО, оценивается в условиях контактного циклического нагружения по величине сопротивления контактному выкрашиванию А1, позволяющей качественно и количественно оценить величину выкрашиваний на упрочненной поверхности относительно неупрочненной. Критерий А1 является комплексным параметром, учитывающим изменение в процессе испытаний размеров следов дорожек катания шаров и площадь возникших на них выкрашиваний [5].
Результаты испытаний на долговечность в условиях контактного циклического нагружения показали, что у стали 45 сопротивление контактному выкрашиванию повышено в 4...6 раз при коэффициенте перекрытия пластических отпечатков К=0,4. Наиболее эффективные значения А1 у сталей 40Х и 35ХГСА были получены при К=0,3 и составили соответственно 2.2,3 и 2,1.2,8 [3].
После исследования долговечности образцы с созданными гетерогенными структурами были разрезаны по середине упрочненной дорожки в направлении подачи инструмента для СИО. Для визуальной оценки распределения твердых и вязких участков по всему полученному сечению была измерена микротвердость. На полученных эпюрах распределения микротвердости (рис. 1) в зависимости от режимов СИО наблюдались разные чередования твердых и вязких участков как по глубине, так и в направлении подачи инструмента для СИО. Для оценки эпюр распределения микротвердости были введены численные характеристики, позволяющие описать распределение твердых и вязких участков в поверхностном слое, - параметры гетерогенности: относительная опорная
тк
твердость ьш и относительное количество локальных упрочненных участков на базовой длине Ыкш [4].
Относительная опорная твердость Ьнш представляет собой отношение суммы
длин участков с одной определенной степенью упрочнения на рассматриваемой глубине к базовой длине, на которой проводится измерение.
Относительное количество локальных упрочненных участков на базовой длине Ыьш представляет собой отношение числа упрочненных участков п''ш со сте-0
1,02,03,04,05,0-
пенью упрочнения АН к базовой длине Ь, на которой проводится измерение.
На основании рассчитанных параметров гетерогенности и результатов испытаний на сопротивление контактному выкрашиванию были построены графики их взаимосвязи (рис. 2-4).
■ 3200
| | 2800
I I 2600
| | 2400
I I 2200
I I 2000
0
0
1,0 2,0 3,0 4,0
1,0 2,0 3,0 4,0 0 1,0 2,0 3,0 4,0
К=0,3 К=0,4 К=0,5
Рис. 1. Примеры эпюр распределения микротвердости (МПа) в поверхностном слое стали 40Х
' АН
Рис. 2. Взаимосвязь параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию для стали 45
Л
АН %
60
/ .5 0 ____ ЙЬч Т7
2 1/с 2 Р 1 - г /
т 1.5
^ мк 1 ¡0 юн ДИ,
^ АН 5
Рис. 3. Взаимосвязь параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию для стали 40Х
Рис. 4. Взаимосвязь параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию для стали 35ХГСА
Анализ графиков взаимосвязи параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию показал, что у стали 45 наибольшие значения Л1 4.6 раз могут быть достигнуты при преобладающей степени упрочнения ЛН 45.55%, если будут обеспечены Ььш от 55 до 70 % и Ы]1Ш от 2,5 до 3,1 шт./мм. Для стали 40Х наибольшие значения Л1 2.2,3 раза могут быть достигнуты при преобладающей степени упрочнения ЛН 50.70%, если будут обеспечены 1^я=53...70 % и N^=0,9... 1,5 шт./мм. Для стали 35ХГСА
Регрессионный анализ полученных моделей показал, что все параметры значимы; адекватность моделей для сталей 45, 40Х, 35ХГСА составила соответственно 91, 85 и 87%. Данные регрессии свиде-
Выводы:
1. Использование деформирующей статико-импульсной обработки для получения гетерогенной структуры является перспективной технологией.
2. Сопротивление контактному выкрашиванию может быть повышено за счет создания гетерогенной структуры СИО в сталях 45, 40Х, 35ХГСА соответственно в 4.6; 2.2,3 и 2,1.2,8 раза.
наибольшие значения Л1 2,1.2,8 раза могут быть достигнуты при преобладающей степени упрочнения ЛН 50.120%, если будут обеспечены 1^=30... 50 % и Ыьш =0,4... 1,1 шт./мм.
Обработка в программе Statistica данных взаимосвязи параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию позволила получить следующие математические модели для сталей 45 (1), 40Х (2), 35ХГСА (3) соответственно:
(1) (2) (3)
тельствуют об адекватности использования полученных математических моделей для определения параметров гетерогенности в зависимости от требуемой величины Л1 для сталей 45, 40Х, 35ХГСА.
3. Распределение твердых и вязких участков создаваемых гетерогенных структур может быть описано с помощью разработанных параметров гетерогенности.
4. Проведенный анализ позволил установить взаимосвязь между параметрами гетерогенности и величиной сопротивления контактному выкрашиванию для сталей 45, 40Х, 35ХГСА.
А/ = 4,12727 - 0,086158АН + 0,0094461'^ +1,15528Л^ , АI = 1,306093 - 0,009794АЯ + 0,00921 %Ььш + 0,623352Л^ А/ = 2,034601-0,002843А// + 0,003638^ -0,260304Л^
5. Выполненный регрессионный анализ взаимосвязи параметров гетерогенности и величины сопротивления контактно-
му выкрашиванию выявил значимость всех величин и установил их удовлетворительную адекватность.
Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ №14-08-31263 мол_а. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соловьев, Д.Л. Повышение долговечности деталей машин созданием гетерогенно наклепанной структуры / Д.Л. Соловьев, А.В. Киричек, С.В. Баринов // Тяжелое машиностроение. - 2010. - № 7. - С. 4-7.
2. Киричек, А.В. Технология и оборудование ста-тико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.Г. Лазуткин. - М.: Машиностроение, 2004.- 288 с.
3. Kirichek, A.V. Study of Methods Relating to Increase of Contact Pitting Resistance in 45, 40H, 35HGSA Steel due to Development of Heterogeneous Structure Involving Mechanical Hardening
Technique / A.V. Kirichek, S.V. Barinov // Applied Mechanics and Materials. - 756 (2015). - Р. 65-69.
4. Kirichek A.V. Development of Parameters Describing Heterogeneous Hardened Structure / A.V. Kirichek, S.V. Barinov // Applied Mechanics and Materials. - 756 (2015). - Р. 75-78.
5. Киричек, А.В. Повышение контактной выносливости деталей машин гетерогенным деформационным упрочнением статико-импульсной обработкой / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, С.В. Баринов [и др.] // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2008. - №7. - С.9-15.
1. Soloviev, D.L., Durability increase of machinery through creation of structure cold-hardened heterogeneously / D.L. Soloviev, A.V. Kirichek, S.V. Barinov //Heavy Engineering. -2010. - No 7. - pp. 4-7.
2. Kirichek, A.V., Techniques and Equipment for Static-Pulse Working with Surface Plastic Forming / A.V. Kirichek, D.L. Soloviev, A.G. Lazutkin. -M.: Mechanical Engineering, 2004. - pp. 288.
3. Kirichek, A.V. Study of Methods Relating to Increase of Contact Pitting Resistance in 45, 40H, 35HGSA Steel due to Development of Heterogeneous Structure Involving Mechanical Hardening
Сведения об авторах:
Technique / A.V. Kirichek, S.V. Barinov // Applied Mechanics and Materials. - 756 (2015). - Р. 65-69.
4. Kirichek A.V. Development of Parameters Describing Heterogeneous Hardened Structure / A.V. Kirichek, S.V. Barinov // Applied Mechanics and Materials. - 756 (2015). - Р. 75-78.
5. Kirichek, A.V., Increase of machinery contact durability by heterogeneous strain strengthening with static-pulse working / A.V. Kirichek, D.L. Soloviev, S.V. Barinov [et alii] // Strengthening Techniques and Coatings. - 2008. - No 7. - pp. 915.
Материал поступил в редколлегию
15.12.15.
Рецензент: д.т.н., профессор Приокского государственного университета
Ю.С. Степанов
Киричек Андрей Викторович, д.т.н., профессор по перспективному развитию Брянского государственного технического университета, е-таЛ; avk.57@vandex.ru.
Баринов Сергей Владимирович, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Автоматизированное проектирова-
ние машин» Муромского института (филиала) ФГБОУВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», е-таП: box64@rambler.ru.
Kirichek Andrey Viktorovich, D.Eng., Prof. on prospective development of Bryansk State Technical University, e-mail: avk.57@yandex.ru. Barinov Sergey Vladimirovich, Can.Eng., Assistant Prof., Head of the Dep. «Computer Aided Design of
Machines» of Murom Institute (Branch) FSBEI HE «Alexander and Nikolay Stoletov State University of Vladimir», e-mail: box64@rambler.ru
