CC BY
70
УДК 542.46:534-8
В. Ю. ПУТИНЦЕВ А. А. НОВИКОВ Д. А. НЕГРОВ О. Ю. БУРГОНОВА К. Н. ПАНТЮХОВА А. Р. МУЛЮКОВА
Омский государственный технический университет, г. Омск
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА КОЭФФИЦИЕНТ АКУСТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В МАТЕРИАЛЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИНСТРУМЕНТА
В статье рассматриваются режимы термической обработки и их влияние на структуру и свойства материала ультразвукового инструмента. Эффективность передачи энергии ультразвуковых колебаний в обрабатываемую зону напрямую связано с правильным выбором параметров термической обработки ультразвукового инструмента, которая формирует его механические и эксплуатационные свойства. Определены оптимальные режимы закалки и отпуска стали 30ХГСА, применяемой для изготовления ультразвукового инструмента, которая должна обладать вязкоупругими свойствами, низким коэффициентом акустических потерь, а также высокой усталостной прочностью. В результате проведенных исследований цилиндрических образцов резонансной длинны из стали 30ХГСА установлено, что коэффициент акустических потерь существенно зависит от режимов термической обработки. После отпуска при температуре 500 оС коэффициент акустических потерь составляет 1,32 единицы, что на 14,28 % меньше, чем при температуре отпуска 540 оС (1,54 ед.).
Ключевые слова: ультразвук, ультразвуковой инструмент, термическая обработка, отпуск, 30ХГСА, коэффициент волновых потерь.
Введение. Применение ультразвука на машиностроительных и приборостроительных предприятиях позволяет усовершенствовать, а в некоторых случаях принципиально по-новому решить вопрос ультразвуковой обработки различных материалов [1-3].
Ультразвуковой инструмент создает ультразвуковое поле в обрабатываемом материале и непосредственно воздействует на него [4]. Качество работы ультразвукового инструмента напрямую связано с правильным выбором его термической обработки, которая формирует физические, механические и эксплуатационные свойства. При этом основные свойства стали и инструмента обеспечиваются в результате проведения операций закалки и отпуска. Особое внимание уделяется акустическим потерям в материале, которые напрямую зависят от структуры ультразвукового инструмента [5].
Правильный выбор технологического процесса термической обработки ультразвукового инструмента позволяет получить оптимальную структуру и высокие вязкоупругие свойства, а также снизить акустические потери в материале [6, 7].
Обеспечение свойств материала путем подбора соответствующих режимов термической обработки для различных технологических процессов является актуальной задачей.
Методика экспериментального исследования. Одним из важных акустических параметров является затухание энергии ультразвуковых колебаний в материале ультразвукового инструмента. На потери влияют: структура материала, микротрещины различной величины, поры, неметаллические включения. Чтобы оценить потери в материале, была разработана специальная установка (рис. 1) и изготовлены цилиндрические образцы из материалов, применяемых для производства ультразвукового инструмента. В режиме излучения ток, протекающий по входным цепям ультразвукового излучателя, может служить надежным информационным показателем о величине сопротивления потерь в инструменте. По мере распространения ультразвуковых волн в образце происходит затухание колебаний. Для каждого материала, в зависимости от его структуры, акустическое сопротивление потерь будет разным.
Рис. 1. Схема установки: 1 — образец; 2 — пьезокерамический излучатель; 3 — измерительный прибор (осциллограф); 4 — автоматический трансформатор; 5 — ультразвуковой генератор
Амплитуда колебаний, ] Рис. 2. Изменение уровня акустических потерь на образцах
Рис. 3. Сталь 30ХГСА в состоянии поставки
Установка состоит из пьезокерамического преобразователя частотой 22000 Гц, на который устанавливаются рассчитанные на частоту преобразователя цилиндрические образцы резонансной длины диаметром 30 мм.
Химический состав определялся путем стило-скопического анализа согласно ГОСТ 977-88 с использованием эмиссионого спектрометра СПАС-02.
Образцы были изготовлены из стали 45, 30ХГСА, 5ХНМ с последующей термической обработкой (закалка в масле, высокий отпуск). Амплитуда коле-
баний определялась микрометром часового типа, который устанавливался на торец образца. Абсолютное сопротивление потерь на воздух (без образцов), равно единице. На каждый образец производилось измерение сопротивления потерь, после чего результаты относительного сопротивления потерь рассчитывались по формуле, которая имеет вид:
R = R/R+R
отн n n х
(1)
где RomH — относительное сопротивление потерь в материале; Rn — сопротивление потерь с образцом; Rхх — сопротивление потерь на холостом ходу.
Результаты исследования по определению акустических потерь в материале приведены на рис. 2. Необходимая амплитуда колебаний обеспечивалась выбором соответствующего тока возбуждения излучателя.
Анализируя результаты измерений, можно сделать вывод, что для изготовления ультразвукового инструмента целесообразно использовать сталь 30ХГСА, которая обладает вязкоупругими свойствами, низким декрементом затухания и высокой усталостной прочностью. Далее в работе образцы из стали 45 и 5ХНМ не исследовались, так как наиболее высокий показатель относительного сопротивления потерь наблюдался у стали 30ХГСА.
Испытания в условиях растяжения проводились на разрывной испытательной машине Zwick/Roell Z150. По результатам испытаний определялись показатели предела прочности (аВ) и относительного удлинения (8) образцов.
Исследование структуры образцов было проведено с использованием инвертированного металлургического микроскопа Lim 305. Определение твердости проводилось на стационарном твердомере по Бринеллю HB-3000. Структура стали 30ХГСА в состоянии поставки, изображенная на рис. 3, состоит из зернистого перлита с сеткой феррита по границам зерен. Твердость в состоянии поставки НВ 2070, что соответствует отпечатку 4,2 мм.
Для устранения возможного наклепа после прокатки проводился отжиг стали 30ХГСА, склонной к обезуглероживанию при нагреве (рис. 4). Углерод, выгорая с поверхности детали, резко снижает ее прочностные свойства. Были проведены исследования по изучению величины и состава обезу-глероженного слоя, в результате которых было выявлено, что после полного отжига при температуре 860 оС толщина обезуглероженного слоя составляет 0,5 — 0,6 мм, а концентрация углерода не превышает 0,1 %. Обезуглероживание поверхности может вызвать образование закалочных трещин и коробление [8]. Обезуглероживание наблюдается при нагреве металла в электрических печах без защитных атмосфер. Для того чтобы избежать обезуглероживания и окисления на поверхности детали, используют печи с контролируемыми (защитными) атмосферами. В работе применялась печь с контролируемой атмосферой серии KS-S. Для стали 30ХГСА рекомендована экзотермическая атмосфера [9].
В результате закалки повышаются прочность, твердость и понижается пластичность стали [10, 11]. Твердость после проведения закалки и отпуска оценивалась на твердомере по Роквеллу 200HRS-150. На поверхности ультразвукового инструмента после закалки от температуры 880 оС с охлаждением в воде твердость составляет около 50 HRC (структура мартенсит-закалки). После закалки в масло
Рис. 4. Сталь 30ХГСА после отжига: а) обезуглероженный слой образца; б) феррито-перлитная структура образца
Рис. 6. Структура стали 30ХГСА
а) после отпуска от 540 °С — сорбит отпуска;
б) после отпуска от 500 °С — тростит отпуска
(от температуры 880 оС) твердость снижается до 47 ИЯС за счет образования троостито-мартенсит-ной структуры. На рис. 5 представлены структуры стали 30ХГСА после закалки в воде и масле.
Для получения вязкоупругих свойств ультразвукового инструмента, которые характерны для троо-стито-мартенситной структуры, следует применять закалку с последующим охлаждением в масле.
Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру и свойства стали.
Отпуск заключается в нагреве стали до температур ниже точки Ас1 = 760 оС (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении [12]. Отпуск проводится для снятия внутренних напряжений, возникающих в процессе закалки и для повышения вязкости стали [13-14]. Полнота снятия напряжений зависит от температуры и времени выдержки.
Так, высокий отпуск снимает напряжения на 90-95 %.
Механические свойства стали 30ХГСА после термической обработки
Таблица 1
Температура отпуска МПа МПа 5, % У, % кси, кДж/м2 НРС
500 °С 1220 1140 15 56 840 35
540 °С 1080 1020 18 60 1050 30
Рис. 7. График относительного сопротивления потерь после отпуска
Испытания на ударную вязкость были проведены методом, который основан на разрушении образца с и-образным концентратором (радиус надреза г=1 мм) в соответствии с ГОСТ 9454 — 78 на маятниковом копре ТМК-750.
Результаты и обсуждение. С повышением температуры отпуска предел прочности снижается. При нагреве до температуры отпуска выше 480 °С и последующем медленном охлаждении у стали 30ХГСА появляется отпускная хрупкость 2-го рода, что влечет за собой снижение ударной вязкости до 510 кДж/м2. Поэтому при проведении отпуска выше температуры 480 °С рекомендуется ускоренное охлаждение стали. В этом случае ударная вязкость соответствует 840 кДж/м2.
На рис. 6 изображена структура стали 30ХГСА после различных температур отпуска.
Механические свойства стали после закалки в масле и отпуска представлены в табл. 1.
Величины относительного сопротивления потерь образцов стали 30ХГСА после отпуска при 500 °С и 540 °С представлены на рис. 7.
Выводы. В результате проведенных исследований образцов, изготовленных из стали 30ХГСА, установлено, что коэффициент акустических потерь существенно зависит от режимов термической обработки. После отпуска образцов при 500 °С коэффициент акустических потерь составляет 1,32 ед., что на 14,28 % меньше потерь, полученных при обработке образцов, подвергнутых отпуску при 540 °С (1,54 ед.).
Для получения низкого коэффициента акустических потерь следует проводить закалку от 880 °С с последующим охлаждением в масле и высокий отпуск при 500 °С с быстрым охлаждением в воде, так как сталь 30ХГСА склонна к отпускной хрупкости, снижающей ударную вязкость.
Библиографический список
1. Новиков А. А., Шустер Я. Б., Негров Д. А. Особенности проектирования ультразвукового пьезокерамического преобразователя полуволновой длины // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2009. № 3 (83). С. 194 — 198.
2. Негров Д. А., Еремин Е. Н., Путинцев В. Ю. Исследование влияния энергии ультразвуковых колебаний на структуру композиционного материала // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 7 (208). С. 3 — 5.
3. Негров Д. А. [и др.]. Технология изготовления деталей узлов трения из полимерных композиционных материалов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия. Машиностроение. 2015. Т. 15. № 2. С. 13-19.
4. Абрамов В. О., Абрамов О. В., Артемьев В. В. [и др.]. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. М.: Янус-К. 2006. 688 с.
5. Новиков А. А. Разработка низкочастотной ультразвуковой аппаратуры для терапии и хирургии : дис. ... д-ра техн. наук: 05.11.17. М., 2008. 293 с.
6. Негров, Д. А., Еремин Е. Н., Путинцев В. Ю. Исследование влияния энергии ультразвуковых колебаний на структуру композиционного материала // Современные проблемы машиностроения: сб. Томск: Изд-во нац. исслед. Томского по-литехн. ун-та. 2013. С. 123-126.
7. Негров Д. А., Еремин Е. Н. Повышение коэффициента усиления и частотной устойчивости ультразвуковой волновод-ной системы // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2012. № 2 (110). С. 94-97.
8. Зубченко, А. С. Марочник сталей и сплавов: справ. М.: Машиностроение. 2011. 784 с.
9. Шахпазов Е. Х., Зайцев А. И., Родионова И. Г. Современные проблемы металлургии и материаловедения стали // Металлург. 2009. № 4. С. 25-31.
10. Гюлиханданов Е. Л., Кисленков В. В., Хайдоров А. Д. Термическая обработка металлов. СПб.: Изд. Политех. ун-та. 2014. С. 167.
11. Леонтьев П. А., Симонов Ю. Н., Иванова А. С. Исследование фазовых превращений и структуры кремнистых сталей с различным содержанием углерода при непрерывном охлаждении // Вестник Пермского нац. исслед. политехи. ун-та. Машиностроение, материаловедение. 2013. Т. 15, № 4. С. 33-39.
12. Журавлев В. Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали: справ. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1981. 391 с.
13. Исупов А. В., Никитин Ю. В., Рахимянов X. М. Прогнозирование состояния материала в очаге деформации при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. № 4. С. 41-46.
14. Корниенко Е. Е., Батаев А. А., Веселов С. В., Батаева З. Б., Головин Е. Д. Влияние поверхностной пластической деформации сферическим индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой, на структурные изменения сварных швов сталей 20, 09Г2С и 30ХГСА // Материаловедение. 2011. № 1. С. 34-39.
ПУТИНЦЕВ Виталий Юрьевич, ассистент кафедры «Машиностроение и материаловедение», секция «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
НОВИКОВ Алексей Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Машиностроение и материаловедение», секция «Материаловедение и технология конструкционных материалов». НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение», заведующий секцией «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
БУРГОНОВА Оксана Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение», секция «Материаловедение и технология конструкционных материалов». ПАНТЮХОВА Ксения Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение», секция «Материаловедение и технология конструкционных материалов». МУЛЮКОВА Александра Рустамовна, магистрант гр. МТМм-161 факультета элитного образования и магистратуры.
Адрес для переписки: putintsev_vlt@mail.ru
Статья поступила в редакцию 07.02.2017 г. © В. Ю. Путинцев, А. А. Новиков, Д. А. Негров,
О. Ю. Бургонова, К. Н. Пантюхова, А. Р. Мулюкова
