CC BY
35
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 62-294.2
Обработка стали корундом с использованием газодинамических установок
В. Е. Архипов, А. Ф. Лондарский, Г. В. Москвитин, М. С. Пугачев, В. А. Александров
Газодинамические установки (ГДУ) представляют собой малогабаритные устройства, в которых благодаря использованию аэродинамического сопла можно получать струю воздуха со скоростью истечения, превышающей скорость звука. Как правило, в рекомендациях по их использованию рассматриваются две возможности, а именно:
• рекомендуется проводить подготовительные операции по очистке поверхности от разнообразных загрязнений с помощью введенных в струю воздуха твердых частиц, например корунда;
• предлагается наносить на поверхность изделий разнообразные по свойствам защитные или токопроводящие покрытия, используя пластичные частицы меди, цинка, алюминия и газодинамические установки [1].
Между тем, по нашему мнению, кроме рекомендованных выше областей применения ГДУ целесообразно исследовать возможность их использования для поверхностной пластической деформации (ППД) металлов и сплавов в целях повышения ресурса деталей. Обработка поверхности частицами (дробью) достаточно давно используется промышленными предприятиями для упрочнения деталей широкой номенклатуры [2, 3]. Например, в настоящее время германская фирма Кев1ег выпускает специализированные установки для упрочнения дробью деталей автомобильной, авиационной и другой техники. Поэтому оценка возможности использования абразив-ноструйных аппаратов нового поколения для упрочнения деталей делает задачу исследования достаточно актуальной. В качестве основной цели работы рассматривалась возможность получить результаты, которые показывали бы перспективность использования ГДУ для проведения поверхностной пластической деформации (ППД) стали, за счет исследования энергетических и технологических параметров процесса газодинамической обработки частицами корунда.
Для проведения экспериментов был выбран абразивноструйный аппарат «Димет-12», который позволяет получать скорость истечения потока воздуха до 600 м/с. При обработке поверхности образцов стали 45 применялся порошок корунда (А1203) марки К-00-04-16 (ТУ 3988-004-40707672-2002) производства Обнинского центра порошкового напыления [1].
Оценка влияния технологических параметров обработки корундом на свойства стали проводилась на основе результатов дюромет-рических исследований. Твердость измерялась на поверхности образцов, подвергнутых воздействию твердых частиц, и на глубине методом Виккерса (НУ 25/15 и НУ 0,1/10 ГОСТ 2999-75 в редакции 1987 г.).
При проведении сравнительной оценки возможности и эффективности использования ГДУ для поверхностной пластической деформации сталей необходимо учитывать параметры, которые используют для описания и представления аналогичных методов ударной обработки, например дробью. Когда рассматривают параметры дробеударных методов ППД, их, как правило, разделяют на технологические и энергетические. К первой группе относят время обработки, расход дроби и дистанцию — расстояние до мишени, а ко второй — скорость и энергию дроби. Однако при проведении сравнительной оценки эффективности методов дробеударной обработки используют в основном три параметра: скорость дроби V, м/с; энергию частицы (дроби) Е, Дж; удельную энергию обработки Еу, кДж/м2 [3]. Поэтому, оценивая возможности использования ГДУ для упрочнения сталей за счет наклепа, мы использовали те же параметры и критерии.
Для исследования энергии потока и скорости отдельных частиц использовались две методики. Согласно первой из них, энергию частиц корунда оценивали на основе величины пластической деформации модельного
материала, в качестве которого был выбран алюминий. Вторая методика состояла в том, что исследование энергетических параметров потока частиц проводилось посредством регистрации электрического потенциала при соударении твердых частиц с датчиками из пьезокристалла.
По первой методике на поверхность образцов из стали накладывались алюминиевые фольги толщиной 10"4 м каждая. Набор — пакет из 5 алюминиевых фольг общей толщиной 5 • 10"4 м надежно, без зазоров, фиксировался на поверхности образца с помощью зажимов. После обработки пакета фольг из алюминия корундом проводилось послойное исследование под микроскопом в целях выявления наличия и величины следов деформации.
Рассматривая теоретические основы воздействия отдельных частиц дроби при взаимодействии с поверхностью, исследователи отмечают, что на ней должны оставаться следы деформации, имеющие форму лунок [2, 3]. При выявлении таких лунок деформации на поверхности фольги из алюминия после воздействия отдельных частиц корунда предполагалось провести расчет их скорости Vч, м/с, и энергии Еч, Дж по формулам [4]:
Уч = к / Пч 718^7р,
(1)
где к — глубина деформации, м; — размер частицы оксида алюминия, м; ав — временное сопротивление, МПа; р — плотность оксида алюминия, кг/м3;
Еч = 0,5т^2,
(2)
где т — масса частицы, кг.
По второй методике поток частиц корунда направлялся на два датчика одновременно с регистрацией электрических импульсов на двух каналах осциллографа. По отношению к потоку частиц второй датчик смещен по высоте на определенное расстояние от первого, следовательно, измеряя величину времени запоздания импульса на втором датчике, можно рассчитать скорость потока частиц по формуле [5]
= Б/г,
(3)
где Б — расстояние между датчиками, м; г — время, за которое частицы преодолевают расстояние, с.
При исследовании фольг из алюминия удалось выявить отдельные локальные лунки
деформации практически по центру зоны обработки. Их величину (глубину деформации) оценивали при послойном исследовании 1-3-й фольг с помощью инструментального микроскопа. На первой фольге диаметр лунки составлял примерно 2 • 10"4 м, на основе чего можно сделать предположение о размере частицы, оставившей след, — от 2 • 10"4 до 3 • 10"4 м. Следует отметить, что такой диапазон величины частиц является основным (= 65 %) для выбранной марке корунда. При этом общая глубина деформации фольг из алюминия составляла примерно 2,25 • 10"4 м. Расчет скорости частицы размером около 2,5 • 10"4 м, проведенный по формуле (1), позволил выявить, что она может быть оценена на уровне 178,5 м/с [6].
При воздействии потока частиц на датчики из титаната бария фиксируются импульсы, которые имеют отличие по времени регистрации. Разница по времени между регистрацией импульса на первом и втором канале осциллографа составляет 30 мкс. При условии что расстояние между датчиками равняется 5,125 • 10"3 м, расчет скорости частиц по формуле (3) показывает, что она находится в пределах 183,0 м/с. Полученный результат отличается не более, чем на 3 % от скорости частицы, рассчитанной по формуле (1), если оценивать ее по деформации фольги из алюминия — (178,5 м/с). Поэтому для расчета энергии частицы была принята среднее из двух значений скорости, полученных по разным методикам, а именно 180 м/с.
Кинетическая энергии частицы, которая имеет скорость около 180 м/с, составляет примерно 8,7 • 10"4 Дж [6]. Сравнивая используемый пневмодинамический метод дробеудар-ной обработки (V = 5"10 м/с; Е = 6 • 10"4 Дж) с газодинамическим (V = 180 м/с; Е « 8,7 х х 10"4 Дж), можно отметить, что по своим характеристикам второй не уступает первому, который обладает наиболее высокими энергетическими параметрами среди дробеудар-ных методов ППД.
Обработка поверхности образцов, изготовленных из среднеуглеродистой конструкционной стали 45, частицами корунда (А12О3) осуществлялась под внешним (исходным) давлением воздуха в магистрали Р = 8 • 105 н/м2, позволяющим получить большую энергию потока частиц и оптимальном расстоянии от среза сопла до мишени — 10"2 м [6].
Для оценки влияния продолжительности процесса обработки (завивисмости упрочнения от времени обработки) одни и те же участки поверхности образцов неоднократно под-
ООБРАБОТ
1Ш|№1|Ш1рМ|М11[11Н|11|1|МН|Ш1|11М|М
мм 1 г 3 А 5 6 7
! \ и!ш[1м11ш11ж1к111лц1ци1ш1ш|1ш ^ш^шкшИЕШй
Рис. 1. Образцы из стали 45, обработанные частицами корунда с разным количеством циклов воздействия:
1 — время обработки х^ — 2,6 с, количество циклов — 1; 2 — %2 — 24 с, количество циклов — 12; 3 — т3 — 58 с, количество циклов — 24; 4 — т4 — 86 с, количество циклов — 36; 5 — Т5 — 96 с, количество циклов — 48; 6 — т6 — 144 с, количество циклов — 60
вергались воздействию твердыми частицами. После обработки твердыми частицами корунда на поверхности образцов наблюдаются четкие следы воздействия — дорожки деформации (рис. 1).
Как показывают представленные данные, ширина зоны воздействия частицами корунда возрастает при увеличении количества циклов и времени обработки. При проведении экспериментов под циклом обработки принималось единичное перемещение сопла относительно поверхности от начала до конца образца без изменения траектории и скорости перемещения Уп. При этом единичное и общее время обработки зависело от количества циклов, а именно проходов сопла относительно поверхности.
30 40 50 60 70 Время обработки, с
90 100
При оценке дробеударных методов обработки очень часто пользуются величиной степени наклепа, которая показывает отношение прироста твердости по отношению к исходной, выраженное в процентах [3]. Измерение твердости обработанной поверхности образцов по методу Виккерса проводимое по центру зон (дорожек) упрочнения показало наличие ее зависимости от времени обработки. Проведенные расчеты прироста твердости стали 45, подвергнутой воздействию частицами корунда, показывают, что степень наклепа может достигать 50 % и выше (рис. 2).
Удельную энергию обработки корундом можно изменять за счет скорости перемещения сопла относительно поверхности образца, в данном эксперименте Еу = 211 кДж/м2 (Уп « 0,01 м/с).
Из образца, имеющего максимальную степень наклепа, был сделан шлиф для изучения на металлографическом микроскопе. Участок упрочненной поверхности (дорожки) разрезался по центру вдоль направления перемещения сопла — зоны упрочнения и исследовался при увеличении х1000 (рис. 3).
Максимальная твердость («320 Н/мм2) фиксируется в слое, который расположен на глубине примерно (30-60) • 10_6 м от поверхности. Ближе к поверхности наблюдается структура, имеющая твердость около 170 Н/мм2, которая ниже, чем у исходной стали («200 Н/мм2). Наблюдаемая дефектность слоя и его низкая твердость связаны с избыточными энергетическими характери-
Рис. 2. Зависимость степени наклепа ст. 45 от времени обработки корундом при Еч = 211 кДж/м2
Рис. 3. Микроструктура стали 45 после обработки корундом в течение 50 с
стиками обработки и, следовательно, перенаклепом стали [3]. Обработка при таких режимах может негативно сказываться на механических характеристиках поверхности и прочности материала в целом. В таком случае специалисты по ППД рекомендуют снизить удельную энергию дробеструйно обработки для уменьшения или устранения негативных последствий [3].
Для выявления возможности устранения эффекта перенаклепа дальнейшую обработку поверхности стали 45 частицами корунда проводили при меньших значениях удельной энергии (110, 74, 56 кДж/м2). Как показали наши исследования, максимальная твердость на поверхности наблюдается при обработке стали в течении 20 с с удельной энергией 56 и 74 кДж/м2 (рис. 4).
При более значительном количестве циклов воздействия частицами корунда (времени обработки — 30 с) твердость поверхности проявляет тенденцию к снижению, что может быть связано с избыточными энергетическими характеристиками и перенаклепом. При этом рассчитанная степень наклепа стали 45 для тех же режимов обработки превышает 50 % (рис. 5). На основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что снижение времени и удельной энергии обработки корундом может привести к значительному повышению твердости поверхности при сохранении степени наклепа более 50 %.
Измерение твердости по ширине обработанных участков поверхности показывает, что ее изменение подчиняется определенной закономерности для всех исследуемых режимов. Даже при минимальном времени обработки 10 с твердость достаточно плавно и равномерно возрастает от исходной структу-
20 25
Время обработки, с
Рис. 5. Зависимость степени наклепа ст. 45 от энергии и времени обработки:
-Еу = 56 кДж/м2; 2-
= 74 кДж/м2; 3
-110 кДж/м2
5 10 15 20 25 30
Время обработки, с
Рис. 4. Изменение твердости ст. 45 в зависимости от удельной энергии и времени обработки: 1 — Еу = 74 кДж/м2; 2 — Еу = 56 кДж/м2; 3 — Еу = 110 кДж/м2
ры к центру участка — дорожки упрочнения и затем так же достаточно плавно снижается к исходной. Можно предположить, что повышение твердости от периферии к центру связано с распределением корунда в потоке воздуха. Ширина участков, где наблюдается увеличение твердости, не превышает 5,5 х10"3 м при всех вариантах обработки, а именно: скорости перемещения и количества циклов. Данный факт необходимо учитывать при обработке значительных по площади участков детали для придания поверхности одинаковой твердости.
Из образцов обработанных частицами корунда в течение 20 с при удельной энергии 56, 74 и 110 кДж/м2 были изготовлены шлифы для проведения металлографического анализа. Травление в 4 % -м растворе азотной кислоты показало, что материал основы имеет феррито-перлитную структуру, характерную для стали 45. Ближе к обработанной поверхности наблюдается слой глубиной около 10"4 м, который отличается цветом, то есть реакцией на травление в реактиве.
Образец, подвергнутый обработке корундом при Еу ~ 74 кДж/м2 в течение 20 с, исследовался по специальной методике и на оборудовании разработанном на кафедре материаловедения Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета. Суть методики заключается в том, что исследуемый образец устанавливается на стекло, которое размещается на металлическом электроде. Если на электрод подать разряд тока высокого напряжения (4000-50 000 В), то в результате индукции высоковольтного разряда возникает коронный эффект. В зависимости от участков объекта с большим и меньшим истечением заряда в ауре свечения ото-
бражаются контуры, которые фиксируются с помощью цифровой камеры и обрабатываются на ЭВМ. Частота истечения заряда от объекта в атмосферу зависит от нескольких факторов, например от существования в объекте зон с различным уровнем остаточных напряжений. Проведенный анализ полученных результатов показывает, что в поверхностном слое глубиной около 35 • 10_6 м присутствуют растягивающие напряжения. На большей глубине ((35-95) • 10_6 м)) фиксируются положительные сжимающие напряжения (рис. 6). По данной методике удалось оценить характер распределения напряжений по слою, но не по величине.
Измерение твердости по глубине показало ее значительное снижение по сравнению с исходной до уровня примерно 100 Н/мм2 при обработке корундом с удельной энергией 74 кДж/м2. Полученная твердость соответствует твердости стали после термической обработки в виде отжига. При обработке поверхности корундом с удельными энергиями примерно 110 и 56 кДж/м2 также наблюдается значительное понижение твердости по отношению к исходной на глубине (=10,5-4,5) • 10"5 м соответственно. Таким образом, при таких режимах обработки не наблюдается эффект наклепа на глубине.
Измерение шероховатости из-за деформации поверхности проводилось вдоль участ-
Рис. 6. Микроструктура стали 45 после обработки корундом в течение 20 с приЕу ~ 74 кДж/м2 в характеристическом излучении. х1000
ков, подвергнутых воздействию твердыми частицами, то есть по направлению движения сопла относительно поверхности образца, при Уп = 0,01 ^ 0,06 м/с, составлена про-филограмма.
По полученным профилограммам видно, что рельеф поверхности незначительно отличается при изменении параметров обработки поверхности. При увеличении скорости перемещения с 0,01 до 0,06 м/с шероховатость поверхности после обработки корундом в среднем изменяется с 1,9 • 10_6 до 1,5 • 10_6 м соответственно. Оба параметра шероховатости относятся к 6-му классу чистоты. В целом, после обработки твердыми частицами корунда, чистота поверхности снижается с 8-го (шероховатость — 0,48 • 10"6 м) до 6-го класса (шероховатость — 2,1 • 10"6 м) по ГОСТ 2309-68. При этом дальнейшее циклическое повторение обработки корундом той же поверхности не приводит к значительному увеличение шероховатости и она сохраняется на уровне =(2,1-2,5) • 10"6 м.
Выводы
В результате проведенных экспериментов установлено, что малогабаритные газодинамические установки способны обеспечить скорость (=180 м/с) и энергию (=8,7 • 10"4 Дж) частицам корунда достаточную для поверхностной пластической деформации стали.
Обработка стали 45 корундом с удельной энергией около 211 кДж/м2 приводит к формированию упрочненного слоя с твердостью примерно 320 Н/мм2 на глубине около 3060 = 10"6 м от поверхности. При определенных режимах воздействия твердыми частицами степень наклепа стали может достигать 50 % и выше.
Обработка стали 45 корундом с удельной энергии не более 100 кДж/м2 приводит к упрочнению стали со степенью наклепа 50 % и выше только в очень тонком поверхностном слое. Ниже, до глубины (50-100) • 10_6 м, наблюдается понижение твердости до уровня около 100 Н/мм2.
Обработка корундом стали с помощью газодинамических установок повышает шероховатость поверхности до 6-го класса (2,1 • 10"6 м) по ГОСТ 2309-68.
Полученные результаты исследований могут служить основанием для более глубокого исследования процесса упрочнения стали корундом с использованием газодинамических установок, включая проведе-
ние испытаний на сопротивление разрушению при статических и циклических нагру-жениях.
Литература
1. Димет. Применение технологии и оборудования: [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.dimet-r.narod.ru.
2. Далецкий В. А., Бунтов В. Н., Легецкин Ю. А.
Увеличение ресурса машин технологическими методами. М.: Машиностроение, 1978. 215 с.
3. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1987. 327с.
4. Карпец А. К., Белоусов В. И., Мальцев В. И. Упрочнение деталей авиационных конструкций ППД. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1995. 79 с.
5. Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1985. 519 с.
6. Архипов В. Е., Лондарский А. Ф.. Москвитин Г. В.
и др. Использование газодинамических установок для поверхностной пластической деформации // Заводская лаборатория. 2010. № 4. С. 45-51.
УДК 669:539.2: 621.791.9
Особенности строения наплавочных материалов для рабочих лопаток смесителей
М. А. Скотникова, Г. В. Цветкова, Ю. М. Белов, Н. А. Крылов
Введение
Известно, что примерно 85 % отказов машин и механизмов происходит из-за износа их деталей и узлов. Для решения задач увеличения срока службы деталей машин используют различные способы поверхностного упрочнения, в частности многослойные наплавки. Последние нашли широкое применение в производстве разнообразных изделий — от крупногабаритных, таких как валки прокатных станов, штампы, до мелких деталей типа рабочих лопаток смесителей.
В процессе дробления, гранулирования, приготовления различных асфальтобетонных и битумоминеральных смесей происходит интенсивное абразивное изнашивание рабочих лопаток смесителей, срок службы которых составляет менее двух месяцев, тогда как другие детали смесителей приходится менять в три раза реже, что снижает технико-экономические показатели производства [1]. Согласно классификации Международного института сварки, применение наплавок из износостойких хромистых сталей системы Fе—С—Сr—Mn—Si—Ni—W—Mo с повышенным содержанием углерода является одним из весьма эффективных способов повышения
сопротивления абразивному изнашиванию на рабочих лопатках смесителей [2]. В условиях абразивного изнашивания наилучшую стойкость имеют многослойные наплавки с карбидным упрочнением. Однако существенным недостатком высоколегированных наплавочных материалов является снижение их вяз-копластических и прочностных свойств из-за структурной неоднородности по сечению наплавки, наличия избыточной карбидной фазы и появления трещин как в самом процессе наплавки, так и при последующей эксплуатации детали [3-5].
Цель настоящей работы заключалась в изучении закономерностей структурных и фазовых превращений в многослойных наплавочных материалах для повышения износостойкости деталей машин.
Результаты механических испытаний
металла лопаток
Материалом для исследования явились 8 опытных износостойких наплавок, обладающих аустенитно-мартенситной структурой и различным количеством упрочняющих фаз, которые наносились на сталь 45 с помощью
