CC BY
12
УДК 7822.67.05
К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ РЕЖУЩИХ КРОМОК АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
А.Р. Дашевский, А.В. Топоров, П.В. Пучков
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России
В данной статье пойдет речь о проблемах износа режущих кромок аварийно - спасательного инструмента, применяемого в подразделениях МЧС России. Срок службы инструмента определяют показатели безотказной работы механизма, которые являются одним из критических звеньев дерева отказов. Восстановление работоспособности инструмента требует больших материальных затрат. Рассмотрены виды и причины износа режущих кромок инструмента. Проанализированы наиболее перспективные методы физико-химического модифицирования поверхностного слоя деталей, которые могут быть применены для повышения износостойкости и твердости режущих кромок аварийно-спасательного инструмента. В статье представлена конструкция экспериментальной установки, которая позволяет моделировать процесс разрезания арматуры сменными лезвиями, подвергнутыми различным видам упрочнения рабочей поверхности.
Ключевые слова: режущие кромки, твердость, аварийно-спасательный инструмент, физико-химический метод модифицирования.
Ежедневно на территории Российской Федерации происходит более 400 пожаров. Эффективность тушения пожаров и проведения аварийно-спасательных работ напрямую зависит от надежности и долговечности применяемого пожарно-технического оборудования. Проведение аварийно-спасательных и других неотложных работ с применением образцов аварийно-спасательного инструмента (АСИ) предполагает выполнение технологических операций по резке (перекусыванию) металлоконструкций и арматуры. Срок службы инструмента определяют показатели безотказной работы механизма и являются одним из критических звеньев дерева отказов. Отказы аварийно-спасательного инструмента по причине износа или разрушения (смятия, выкрашивания) режущих кромок приводят к снижению боевой готовности и оперативности пожарно-спасательных подразделений. Восстановление работоспособности инструмента требует больших материальных затрат.
В процессе эксплуатации аварийно-спасательного инструмента, при ведении работ по ликвидации ЧС, невозможно контролировать физико-механические процессы, происходящие в зоне контакта режущих кромок инструмента и разрезаемой металлической конструкции. В тоже время изучение вида износа режущих кромок АСИ, характера разрушения и распределения сил, действующих на режущие кромки в процессе резания, позволит выявить причины их разрушения и разработать рекомендации по повышению надежности и долговечности. Изучение причин и механизма разрушения (повреждения) режущих кромок АСИ позволит разработать рациональные и эффективные методы упрочнения их режущей части.
На работоспособность режущих кромок влияют как внешние, так и внутренние факторы. К внешним факторам можно отнести агрессивное воздействие окружающей среды (повышенная влажность, грунтовое загрязнение, температурные условия и д.р.). К внутренним
факторам относятся: марка материала, его химический состав, вид упрочняющей обработки. Сочетание внешних и внутренних факторов может вызвать многообразие причин преждевременного
выхода из строя режущих кромок АСИ. Некоторые из видов разрушения режущей части АСИ представлены на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Износ режущей кромки гидравлических кусачек (вид дефекта: скол режущей части)
Рис. 2. Износ режущей части гидравлических кусачек (вид дефекта: скол режущей части)
Большие величины сил разрезания вызывают сколы на режущей кромке инструмента (см. рис. 1, 2) в том случае, если угол режущего клина при вершине слишком мал, либо если материал режущей части инструмента обладает высокой вязкостью. При вышеперечисленных по-
вреждениях положение плоскостей скола определяется направлением силы резания. К перенапряжениям такого рода очень чувствительны твердые сплавы, которые характеризуются высокой твердостью, хрупкостью и низкой вязкостью (пластичностью).
Рис. 3. Гидравлический труборез марки «Спрут» (смятие режущих кромок)
Пластическая деформация металлов и сплавов оценивается показателями пластичности материалов. Пластичность материала может быть оценена такими величинами, как относительное сужение, относительное удлинение образца, при испытаниях на растяжение. Характеристикой пластичности металлов и сплавов также является показатель ударной вязкости. Природа пластической деформации может быть различной, в зависимости от температуры, продолжительности действия нагрузки или скорости деформации.
Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что задача повышения эксплуатационной надежности режущих кромок аварийно-спасательного инструмента в настоящее время является весьма актуальной. Для инструментов, разрушение которых начинается на рабо-
чей поверхности, разработано большое количество методов поверхностного упрочнения, основанных на нанесении покрытий или на изменении состояния (модифицировании) поверхностного слоя.
Рассмотрим некоторые методы поверхностного упрочнения. Наиболее перспективными технологиями поверхностного упрочнения деталей являются методы физико-химического модифицирования, под которым понимают целенаправленное изменение свойств поверхности в результате технологического внешнего воздействия. Среди множества методов физико-химического модифицирования наиболее распространенными на сегодняшний день являются следующие: различные методы химико-термической обработки, диффузионная металлизация, индукционная и плазменная закалка, обработка холодом, поверхностно пласти-
ческое деформирование. Также существуют перспективные направления в разработке новых и усовершенствованных методов поверхностного упрочнения на основе физико-химического модифицирования: ионная имплантация, а также лазерное и магнитно-импульсное упрочнение [1].
Лазерное упрочнение поверхности металлов и сплавов основано на изменении физико-химических свойств материалов при воздействии лазерного луча. К видам лазерной обработки относят: лазерную термическую обработку (закалка, отжиг, отпуск); глазурирование (оплавление для получения остеклованной поверхности); поверхностное легирование; наплавку (восстановление изношенных деталей). Лазерная упрочняющая обработка при высокой степени локальности действия обеспечивает повышение износостойкости металлических поверхностей в 2 - 10 раз [1].
Еще одним перспективным методом упрочнения рабочей поверхности режущего инструмента является магнитно-импульсная обработка (МИО). Известные способы МИО основаны на воздействии импульса магнитного поля, длительностью 10 - 1,0 с, высокой напряженности (500 - 2000 кА/м) на обрабатываемый ферромагнитный материал. При этом значительно снижаются остаточные напряжения в материале, увеличивается его теплопроводность и твердость поверхностного слоя. Эти способы позволяют повысить износостойкость, в зависимости от материала, в пределах от 1,4 - 2 раз [2].
Химико-термическая обработка позволяет получать покрытия толщиной 10-40 мкм и обеспечивать увеличение стойкости инструмента из быстрорежущих и углеродистых сталей в 2 - 2,5 раза. Азотированию могут подвергаться углеродистые и легированные стали. Глубина азотированного слоя на поверхности режущих инструментов должна составлять
до 25 - 30 мкм, при твердости по Виккер-су, не выше НУ1100 - 1200. После цианирования стойкость инструмента возрастает в 2 - 4 раза [3].
Нанесение износостойких покрытий получило широкое распространение у изготовителей инструмента. Существует ряд способов: электроискровой (самый старый), плазменный, детонационный и др. Наиболее широко применяются: газофазное осаждение (ГТ) и катодное напыление, с ионной бомбардировкой (КИБ) некоторых материалов на рабочие поверхности инструментов. С помощью газофазного метода наносят пленку карбида титана, толщиной 3 - 10 мкм. Стойкость инструмента увеличивается в три раза, однако на 30 - 40 % понижается прочность основы.
Диффузионная металлизация позволяет получить упрочненный слой глубиной около 10 - 15 мкм. Исключительно высокой твердостью (до НУ2000) и высоким сопротивлением износу обладают борированные слои, вследствие образования на поверхности металла высокотвердых боридов железа, однако бориро-ванные слои очень хрупки. Хромированное покрытие, нанесенное гальваническим способом, имеет твердость НУ900 -1000, высокую износостойкость, теплостойкость, химическую стойкость, низкий коэффициент трения. Прочность покрытия уменьшается с увеличением толщины слоя, поэтому толщина не должна превышать 3-5 мкм. Вместе с тем, при нанесении такого покрытия усталостная прочность уменьшается на 25-40%.
Индукционная плазменная закалка основана на том, что в результате нагрева в тонких поверхностных слоях формируется структура мелкодисперсного мартенсита твердостью НУ 900 - 1000 и толщиной 0,3 - 1,0 мм, что позволяет увеличить износостойкость поверхностного слоя в 3 - 4 раза [3].
Обработку холодом применяют для уменьшения содержания остаточного
аустенита в структуре закаленной стали. Цель криогенной обработки состоит в том, чтобы охлаждением до отрицательных температур вызвать дополнительное мартенситное превращение, без изменения твердости. В результате криогенной обработки повышается износостойкость инструмента в 2 - 3 раза.
Ионная имплантация основана на внедрении ускоренных ионов легирующих элементов в поверхностный слой металла. Имплантируемые ионы имеют малую глубину проникновения, однако их влияние распространяется намного дальше от поверхности. Ионная имплантация позволяет заменить традиционные методы нанесения защитных покрытий и упрочнения поверхности. После такого рода упрочнения увеличивается предел усталости на 7 - 25 %, улучшается химическая структура поверхностного слоя деталей, повышается адгезия покрытий
[4].
Следует отметить, что повысить надежность и долговечность, а также производительность режущих кромок
аварийно-спасательного инструмента, можно за счет изменения угла заточки режущей кромки. Как показывает практика, чем острее угол заточки режущей кромки АСИ, тем меньшее усилие необходимо приложить к режущей рабочей части инструмента для перекусывания материала, однако это может привести к снижению прочности самой режущей кромки. Обосновать тот и ли иной способ упрочнения режущей части АСИ можно только эмпирическим путем.
Проведение экспериментов по поиску и исследованию наиболее рационального способа упрочнения режущей части АСИ, непосредственно на аварийно-спасательном инструменте, не всегда целесообразно, так как режущие кромки аварийно-спасательного инструмента достаточно дорогостоящая оснастка. Для проведения испытаний сконструирована и изготовлена экспериментальная установка, которая позволяет моделировать процесс разрезания стальной арматуры аварийно-спасательным инструментом (см. рис. 4).
Рис. 4. Экспериментальная установка
Экспериментальная установка изготовлена из конструкционной стали и состоит из следующих элементов: основания 1, на котором закреплен корпус 2, состоящий из двух одинаковых половин, скрепленных между собой 4-мя болтами 6. В прямоугольные пазы корпуса 2 устанавливается плунжер 3, с присоединённым к нему сменным лезвием 5. В цилиндрическое отверстие корпуса 2 устанавливается сменная втулка с осевым отверстием 4. Экспериментальная установка работает следующим образом: в корпус 2 устанавливается втулка 4, в осевое отверстие которой помещается испытуемый образец (металлическая арматура) диаметром до 9 мм, затем к плунжеру 3, с помощью винта присоединяется сменное лезвие 5. Затем плунжер 3 устанавливается в прямоугольные пазы корпуса 2 так, чтобы режущая кромка сменного лезвия 5 касалось испытуемый образца. Далее экспериментальная установка помещается на нижнюю плиту гидравлического пресса (ПСУ-10). Затем после включения пресса, верхняя плита начинает давить на плунжер 3, усилие давления передается на режущую кромку сменного лезвия 5. Происходит разрезание образца, при этом фиксируется усилие среза.
Основной особенностью данной установки является то, что втулки и лезвия являются сменными. Набор сменных режущих частей и втулок можно подвергать различным методам упрочняющей обработки, а также можно изменять форму и угол заточки самого лезвия. Это позволит провести ряд экспериментов с лезвиями, упрочненными различным способами, выполнить сравнительный анализ и дать обоснованные рекомендации по назначению наиболее эффективного способа упрочнения режущей части АСИ. Втулки и сменные лезвия изготовлены из конструкционной углеродистой стали марки 40, что позволяет подвергать их термической обработке (закалке) для придания им твердости, сопоставимой с твердостью режущих кромок аварийно-спасательного инструмента. Для чистоты эксперимента была назначена базовая величина твердости сменного лезвия и втулки. Для этого была измерена твердость рабочих режущих элементов серийно выпускаемого аварийно-спасательного инструмента на приборе для определения твердости по методу Ро-квелла ТК-2М. Результаты измерений представлены в табл. 1.
Таблица 1
Показатели твердости режущей части гидравлического аварийно-спасательного инструмента
№ п\п Название инструмента Марка инструмента Твердость, НЯС
1 Кусачки КГС-80 «Спрут» 63
2 Кусачки КГ-25 «Простор» 58
3 Разжим-кусачки РКГ-63 «Простор» 54
4 Резак универсальный РУ2080М «Медведь» 67
В таблице 1 приведены измеренные величины твердости для рабочих (режущих) элементов АСИ марок: «Спрут», «Простор» и «Медведь». Как видно из таблицы 1, величины твердости лежат в пределах от ИЯС 54 до 67 еди-
ниц, поэтому для рабочих элементов стенда (сменных лезвий и втулок) первоначально назначаем базовую величину твердости равную ИЯС 60 единиц.
Для проведения исследований были изготовлены пять сменных лезвий
одинаковой конструкции, твердость которых составила ИЯС30, ИЯС41, ИЯС53, HRC62, HRC 71. Данные элементы подвергались термической обработке при различных режимах. На первом этапе исследований определялась зависимость усилия разрезания от твердости лезвия. Испытания проводились со сменным закаленным лезвием с углом заточки 65° (аналогично кусачкам КГС-80 марки «Спрут»). Эксперимент проводился с использованием арматуры шестигранного сечения диаметром 9 мм.
На рис. 5 приведена зависимость усилия, оказываемого на испытуемый
образец, от твердости лезвия. Как видно из представленной зависимости, чем ниже твердость режущей кромки образца, тем усилие, необходимое для перекусывания образца, больше и наоборот. Однако, при достижении определенных значений твердости лезвия, зависимость давления от твердости становится не так выраженна. Это объясняется тем, что при низкой твердости режущей части происходит пластическая деформация кромки (смятие) (см. рис. 6), что ведет к увеличению усилия, необходимого для перекусывания образца.
Рис. 5. График зависимости усилия резания от твердости лезвия
Рис. 6. Смятие режущей кромки сменного лезвия
Такие же повреждения режущей кромки наблюдаются на гидравлическом труборезе марки «Спрут» (см. рис. 3). В свою очередь, при достижении твердости режущей кромки HRC 50, пластическая деформация не наблюдается. Стоит отметить, что при достижении твердости HRC 70 на лезвии образца образуются сколы и выкрашивания, вследствие снижения пластичности режущей части образца.
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Основы лазерного термоупрочнения сплавов. М. : Высшая школа, 1988. 297 с.
2. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин. М.: Машиностроение, 1989. 112 с.
TO THE QUESTION OF THE APPLICATION OF METHODS OF PHYSICAL-CHEMICAL MODIFICATION OF THE CUTTING EDGES OF EMERGENCY RESCUE TOOL
A. Dashevsky, A. Toporov, P. Puchkov,
In given article speech about problems of deterioration of the cutting edges of emergency rescue tool, applied in divisions of the Ministry of Emergency Measures of Russia will go. Tool service life is defined by indicators of non-failure operation of the mechanism which are one of critical links of a tree of refusals. Restoration of working capacity of the tool demands the big material inputs. Kinds and causes of deterioration of cutting edges of the tool are considered. The most perspective methods of physical and chemical modifying of the surface layer of details, which can be applied to increase of wear resistance and hardness of cutting edges of emergency rescue tool are analyzed. In article the design of experimental installation which allows to model process of cutting of armature by the replaceable edges, subjected to various kinds of hardening of a working surface is presented.
Key words: cutting edges, hardness, rescue tool, emergency rescue tool, physical and chemical method of modifying.
References
1. Grigor'yanc A.G., Safonov A.N. Osnovy lazernogo termouprochneniya splavov. M.: Vysshaya shko-la, 1988. 297 s.
2. Malygin B.V. Magnitnoe uprochnenie instrumenta i detalej mashin. M.: Mashinostroenie,1989. 112 s.
3. Polevoj S.N., Evdokimov V.D. Uprochnenie metallov: Spravochnik . M.: Mashinostroenie. 1986. 320 s.
4. Bryuhov V.V. Povyshenie stojkosti instrumenta metodom ionnoj im-plantacii. Tomsk: Izd-vo HTJI. 2003. 120 s.
5. Garkunov D.N. Tribotekhnika (iznos i bezyznosnost'). M.: «Izdatel'stvo MSKHA», 2001. 616s.
6. Kragel'skij I.V. Novye aspekty nauki o trenii i iznose .Fiziko - himicheskaya mekhanika kontaktnogo vzaimodejstviya i fretting - korroziya. Kiev: Kniga, 1973. S. 3 - 4.
7. Patent RF na poleznuyu model' № 62348, MPK V 23 D 43/06 2006.01 Protyazhka dlya obrabotki glubo-kih otverstij / Podgorkov V.V., Puchkov P.V. Opublikovano 10.04.2007 g.
3. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение металлов: Справочник. М.: Машиностроение, 1986. 320 с.
4. Брюхов В.В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации. Томск: Изд-во НТЛ. 2003. 120 с.
5. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безизносность). М.: Издательство МСХА, 2001. 616с.
6. Крагельский И.В. Новые аспекты науки о трении и износе // Физико - химическая механика контактного взаимодействия и фреттинг -коррозия. Киев: Книга, 1973. С.3 - 4.
7. Патент РФ на полезную модель № 62348, МПК В 23 D 43/06 2006.01 Протяжка для обработки глубоких отверстий / Подгорков В.В., Пучков П.В. Опубликовано 10.04.2007 г.
Рукопись поступила в редакцию 13.06.2018
