CC BY
103
УДК 536.24; 537.528; 624.9
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТЕПЕНЬ УПРОЧНЕНИЯ И ДИФФУЗИЮ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ
Б.И. Бутаков, профессор, д.т.н., Д.Д. Марченко, аспирант, НГАУ, г. Николаев
Аннотация. Исследована диффузия химических элементов поверхностного слоя в процессе поверхностного деформирования; диффузия химических элементов (хром, углерод) исследована с помощью микрохиманализа на микро-химанализаторе «БиррегргоЬв-733» и анализа изменения микротвердости упрочненного поверхностного слоя.
Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, микротвердость, градиент плотности дислокаций, диффузия, обкатывание роликами.
Введение
Проблема повышения сопротивления контактному смятию, контактной прочности, износостойкости, которые являются важнейшими характеристиками, определяющими надежность и долговечность деталей машин и механизмов, становится все более актуальной. Увеличить срок эксплуатации деталей наиболее экономично можно за счет улучшения свойств их поверхностного слоя. Управление свойствами поверхности можно осуществлять за счет изменения структуры металла поверхностного слоя, а также его физико-механических свойств.
Анализ публикаций
В процессе ремонта деталей с использованием наплавления и осталивания недостатками являются: снижение усталостной прочности и износостойкости деталей из-за возникновения пористости, трещин, неоднородности структуры, наличия остаточных растягивающих напряжений, осадка железа и других причин.
Для того чтобы устранить влияние отмеченных выше факторов на долговечность деталей, можно применить следующие основные способы поверхностного упрочнения восстановленных деталей: ультразвуковой, электромеханический, механический, термомеха-
нический, термический и химико-термический. Наибольшее распространение среди способов поверхностного упрочнения восстановленных деталей получил механический способ упрочнения.
Механический способ упрочнения обладает следующими преимуществами перед другими: малая трудоемкость, простая технология (не нужны значительные расходы на оборудование и оснащение); возможность упрочнения деталей любой формы и размеров, возможность изменения глубины упрочнения, достаточно высокая твердость покрытий.
Обкатывание роликами - распространенный способ обработки деталей ППД. При ремонте в тяжелом машиностроении он стал одним из основных методов чистовой обработки больших деталей. Это объясняется его технологическими свойствами - высокой производительностью при обработке поверхностей 7 - 10-го класса шероховатости, универсальностью, что позволяет обрабатывать внешние, внутренние плоские и фасонные поверхности на металлорежущих станках всех основных типов, высокой стойкостью и надежностью обкатывающего инструмента. Обкатывание способствует повышению усталостной прочности, износостойкости и контактной выносливости деталей.
Способствуя достижению высоких классов шероховатости, обкатывания в значительной мере снимают технологические ограничения, позволяют приблизить форму микропрофиля поверхности к конструкторскому идеалу. Обкатанные детали имеют многократно увеличенную несущую поверхность. Этому способствует как уменьшение высоты шероховатости, так и сглаженная форма микронеровностей. Зерна металла вытягиваются в направлении деформации, кристаллические решетки искажаются, в результате чего изменяется структура и свойства поверхностного слоя: снижается пластичность и ударная вязкость, но создаются благоприятные сжимающие напряжения, увеличивается усталостная прочность (на 30 - 70%), повышается твердость и изностойкость (в 1,5 - 2 раза). При ППД уменьшается высота микронеровностей (0,04 мкм) и образуется поверхность с новым микропрофилем. При обработке незакаленных сталей и сплавов применяют обкатывание шариком и роликом, а для высокопрочных закалочных сталей и сплавов более эффективным является алмазное выглаживание. Этот способ обработки дает возможность получить высокое качество внешних и внутренних поверхностей тел вращения, фасонных и плоских поверхностей, в том числе поверхностей тонкостенных и нежестких деталей. При этом обеспечивается уменьшение шероховатости поверхности в 2 - 6 раз, увеличение несущей способности поверхности в 2 - 10 раз, упрочнение (повышение твердости) поверхностного слоя на 20 - 200%, образование упрочненного слоя, формирование остаточных напряжений сжатия, изменение фазового состава металла в поверхностном слое. Но, невзирая на многочисленные преимущества алмазного выглаживания (алмаз имеет высокую твердость, низкий коэффициент трения, высокую теплопроводность, малую способность к упругой деформации) по сравнению с другими методами упрочняющих обработок, этот процесс не получил широкого распространения в ремонте и в практике машиностроения из-за дефицитности и высокой стоимости природного алмаза. Недостатками алмазного выглаживания являются: обязательное ориентирование кристалла алмаза в твердом направлении; необходимость использования станков повышенной точности и виброустойчивости; битье обрабатываемой детали не выше 0,05 мм; невозможность обработки прерывистых поверхностей, а также деталей с нерав-
номерной твердостью из-за хрупкости алмаза, при этом сила выглаживания не должна превышать 400 - 500 Н.
Цель и постановка задачи
Исходя из вышеизложенного, цель работы -исследование влияния поверхностной пластической деформации на диффузию химических элементов в поверхностном слое.
Степень упрочнения и диффузия химических элементов в поверхностном слое
Для оценки степени упрочнения сталей, с помощью обкатывания роликами, образцы из сталей 45, 40Х и армкожелеза были обкатаны на токарном станке с помощью устройства, показанного на рис. 1.
Рис. 1. Устройство с упругим корпусом и индикатором измерения усилия обкатывания: 1 - ролик; 2 - ось; 3, 4 - подшипники; 5 - корпус; 6 - стержень; 7 - толкатель; 8 - пружина; 9 - индикатор; 10 -винт; В = 16 мм; гр = 2,5 и 5 мм; Вр = =32 мм; Ь = 45 мм; Н = 12 мм; к = 25 мм
Консольный торообразный ролик 1 установлен на оси 2, которая смонтирована на конических подшипниках 3 и 4 в корпусе 5. Деформация упругого корпуса воспринимается стержнем 6 и через шток 7 передается на индикатор 9, который закреплен к корпусу винтом 10. Пружина 8 поджимает шток 7 и стержень 6 к упругому элементу корпуса. Максимальная деформация упругого корпуса равняется 3,1мм, при этом усилие на ролике составляет 10 кН.
Ширина упругой части корпуса в = 60 мм. Профильный радиус ролика гр был принят ровным 2,5 мм и 5 мм. Средний угол вдавливания ролика ф в зависимости от усилия обкатывания Р изменялся для разных образцов 2,5° до 10°. Для того чтобы превысить рекомендованный для совмещенного чистового и упрочняющего обкатывания ф = 5° и получить значительную степень деформации металла, было принято значение ф = 10°. Обкатыванию подвергались конические образцы диаметром 200 мм. При моделировании процесса обкатывания роликом боковой поверхности профиля канатного барабана, образующая которой составляет с перпендикуляром к оси вращения барабана угол 22,5°, угол у основания конуса модели ам был принят равным 75°45'.
Величина угла ам определена из условия равенства кругового проскальзывания на поверхности контакта ролика с деталью при обкатывании профиля канатного блока и конусной модели
• 008 аб
в 008 ам
(1)
где в - ось эллипса контакта ролика на конической поверхности канатного блока; аб -угол профиля канавки блока; гб - средний радиус профиля канавки блока; ам - угол конуса модели; гм - средний радиус модели.
Отсюда
008 ак
зоне между упрочненным слоем и исходным металлом, микротвердостью Н^).
о\о ЛО о о о
3 Л, мм
3 Л. им
3 Ьг мм
008 ам =-
(2)
При
Об = 22,5°; гм = 100 мм; гб =375 мм 00822,5°-100
008а =-
375 ам = 75°45'.
= 0,24637,
После обкатывания по разным режимам (см. табл.) образцы разрезались, и в поперечном сечении измерялась микротвердость Н^
с нагрузкой на пирамиду 1,0 Н. Распределение микротвердости Н^ по глубине 4 образцов показано на рис. 2.
На графиках (рис. 2, б - г) для стальных образцов из сталей 45 и 40Х выявлено снижение микротвердости НЦ(пз) в переходной
Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя: а - армко-железо, гр = 2,5 мм, Р = 1,5 кН; б - сталь 45, гр = 2,5 мм, Р = 4,5 кН; в - сталь 45, гр = 5 мм, Р = 5 кН; г - сталь 40Х, гр = 2,5 мм, Р = 5,5 кН Нц
а
б
в
г
б
г
Среднее значение Нц(пз) и Иц(и) нормально
распределенных величин сравним с помощью t -критерия Стьюдента [1, 2]. Для этого определим сводную дисперсию
= (П -+ (п2 -1)$22 ; (3)
п1 + п2 - 2
t = ■
±+.1
(4)
где п1, п2 - соответственно число замеров в переходной зоне и в исходном металле; $12, $2 - соответственно дисперсия значений
Нц(п.з.) и Н|а(и.) ; Х1
среднее значение НЦ(п з) и Н,
х2 - соответственно
|1(и.) •
Если > taК (табл. V [3]), то разница средних значений существенна. Величину доверительной вероятности Р = 1 - а выбираем равной 0,95 (а = 0,05), число степеней свободы определяем из выражения К = п1 + п2 - 2 . Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Анализ результатов исследования микротвердости показывает, что при обкатывании роликами сталей 40Х и 45 прослеживается значительное снижение микротвердости в переходной зоне между упрочненным слоем и исходным металлом. При обкатывании армкожелеза такая закономерность не наблюдается.
Предложена идея диффузионного переноса упрочняющих химических элементов (Сг, С) из глубинных слоев на поверхность. Распре -деление упрочняющих химических элементов Сг и С было исследовано с помощью микрохиманализатора фирмы Джеол «8иррегргоЬе - 733». Установлено, что в переходной зоне содержание Сг и С уменьшилось на 20 - 30 %, а в упрочненным слое увеличилось до 10 - 15%.
Аналогичные результаты получены в работах [4, 5], на поверхностях трения и при термо- и электромеханическом упрочнении сталей [6]. В этих работах в качестве основных механизмов диффузии называют температурный градиент [7] и электроперенос [8]. Поскольку в нашем случае эти механизмы являются несущественными или совсем отсутствуют, следует считать при поверхностном пластическом деформировании существенным механизмом диффузии - градиент плотности дислокаций [9 - 12].
^ 1 2 2 У К = — + — + —
'р »р »м
ч =
теор -
-
1 2оТ
, (5)
где Р - усилие обкатывания, кН; от - предел
текучести стали, кН/мм2; Ко
= tо
его значения выбираются в зависимости от приведенной кривизны У К в контакте ролика с деталью по графику (рис. 65, в [9]); tH, tо02 - глубина наклепа, определенная по
изменениям Н^ и о02 соответственно.
Таблица 1 Параметры обкатывания конусной поверхности сталей 45, 40х, армкожелеза
Х1 2
Марка материала V мм »р , мм Р, кН Ф, град Н Н У К, мм-1* К80,2 ^80,2 t ** теор
45 5 32 5,00 2,5 200 1,8 0,241 1,4 2,52 2,55
45 2,5 32 4,50 5 240 1,8 0,441 1,3 2,34 2,35
40Х 2,5 32 5,50 5 275 1,7 0,441 1,3 2,21 2,25
Армкожелезо 2,5 32 1,50 5 230 1,0 0,441 1,3 1,3 1,35
п1 п2 Х1 (Нц(п.з.)) Х2 (Нц(и.)) t tа, К Степень разницы х1 и х2
9 12 148,18 164,82 70,88 142,62 5,3 1,96 Разница существенная
24 18 174,86 186,28 175,4 13,54 3,55 1,96 Разница существенная
11 34 157,2 167,3 34,40 121,39 2,49 2,1 Разница существенная
9 37 98,0 97,56 4,25 29,3 0,238 1,96 Разница не существенная
Вывод
Исследована диффузия химических элементов поверхностного слоя в процессе поверхностной деформации посредством микрохи-манализа на микрохиманализаторе фирмы Джеол «8иррегргоЬе - 733» и проанализировано изменение микротвердости упрочненного поверхностного слоя. Установлено, что в переходной зоне содержание Сг и С уменьшилось на 20 - 30 %, а в упрочненном слое увеличилось до 10 - 15 %. При обкатывании роликами сталей 40Х и 45 прослеживается значительное снижение микротвердости в поверхностной зоне между упрочненным слоем и исходным металлом. При обкатывании армкожелеза такие изменения не выявлены.
Литература
1. Степнов М.Н. Статистическая обработка
результатов механических испытаний. -М.: Машиностроение, 1972. - 232 с.
2. Степнов М.Н. Статистическая обработка
результатов механических испытаний. Справочник. - М.: Машиностроение, 1985. - 306 с.
3. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В.
Курс теории вероятностей и математической статистики. - М.: Наука, 1969. - 512 с.
4. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура
и износостойкость металла. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.
5. Марковский Е.А. Научные предпосылки
создания новых износостойких литых материалов с высокими эксплуатационными свойствами // Прогрессивные технологии литья и кристаллизации сплавов, 1983. - С. 43 - 57.
6. Бабей Ю.И. Физические основы импульс-
ного упрочнения стали и чугуна. - К.: Наукова думка, 1988. - 240 с.
7. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. - М.:
Металлургия, 1978. - 248 с.
8. Кузменко П.П. Электроперенос, термопе-
ренос и диффузия в металлах. - К.: Вища школа, 1983. - 152 с.
9. Бутаков Б.И. Основные принципы техно-
логии импульсного и малоскоростного воздействия на структуру и свойства металлов и сплавов: дис. на соискание ученой степени д.т.н.: 05.02.01. - К., 1992. -533 с.
10. Бутаков Б.1., Марченко Д.Д. Дослщження ступеня змщнення та дифузи хiмiчних елеменпв в поверхневому шарi в процес поверхневого деформування // Матерiали Мiжнародноl студентсько! науково-практично! конференци «Перспективна техшка i технологи - 2006», Микола!в. -С.113 - 116.
11. Бутаков Б.И., Пастушенко С.И., Ар-тюх В.А., Марченко Д.Д. Упрочнение деталей с помощью ППД с целью повышения их контактной прочности и износостойкости // Вюник Полтавсько! державно! аграрно! академи. - 2006. - №4. -С. 28 - 30.
12. Бабей Ю.И., Бутаков Б.И., Сысоев В.Г. Поверхностное упрочнение металлов. -К.: Наукова думка, 1995. - 256 с.
Рецензент: Л.А. Тимофеева, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 30 июня 2009 г.
