CC BY
32
УДК 621.9.048.6
А. П. ЧУМАКОВ
Омский государственный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ
КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ УДАРНО-АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ С ВНЕДРЕНИЕМ ТВЕРДОЙ СМАЗКИ И ПОДАЧЕЙ АЗОТА В ЗОНУ ОБРАБОТКИ
В статье описан метод, повышающий триботехнические свойства поверхностного слоя и параметры шероховатости путем модифицирования ударно-акустической обработкой в среде защитного газа-азота.
Ключевые слова: твердая смазка, триботехнические характеристики, металлоплазма, аморфизация поверхностного слоя.
Изготовление высокоэффективных и долговечных машин и механизмов затрудняется отсутствием в промышленности технологических процессов, которые обеспечивали бы комплексное повышение конструкционной прочности. Комплексная прочность может быть достигнуто как в сфере металлургического производства, где решается проблема прочности всей массы металла, что требует больших материальных и энергетических затрат, так и в сфере машиностроительного и ремонтного производства за счёт повышения конструкционной прочности слоев металла, расположенных в приповерхностном слое деталей.
Современная технология механической обработки конструкционных материалов достигла больших успехов. Выпускаемые промышленностью металлообрабатывающие станки обладают высокой точностью и высокой производительностью, что позволяет с успехом решать различные задачи, выдвигаемые заказчиком.
Улучшение триботехнических характеристик узлов машин является одним из ключевых направлений при проектировании, изготовлении и эксплуатации объектов машиностроения. Известно, что в результате изнашивания поверхностей детали, первоначальные их свойства изменяются в сторону ухудшения. Эти изменения, в конечном счете, приводят к потере работоспособности узла и машины в целом. Известно также, что упрочнение приповерхностного слоя материала детали значительно повышает ее износостойкость. Очевидно, по этой причине в последние годы выделилась отдельная область научных знаний — инженерия поверхности.
Одними из наиболее перспективных методов повышения износостойкости являются методы, связанные с аморфизацией поверхностного слоя деталей машин, так как аморфная структура материала обладает высокой твердостью и, следовательно высокой прочностью [1]. Наконец, некоторые из аморфных сплавов являются в высшей степени коррозионно-I стойкими [1—2]. Ударно-акустическая обработка
(УАО) позволяет получать в поверхностном слое высокопрочные аморфные шлейфы [3 — 4]. Получение триботехнических характеристик тяжелонагру-женных деталей, обработанных ударно-акустическим методом требует дополнительного изучения данного метода, с целью выявления зависимостей момента трения и износостойкости в целом от режима обработки..
Суть предлагаемого процесса по насыщению микрообъемов материала детали азотом [5] заключается в следующем: ультразвуковой инструмент с шаровым сегментом из сплава ВК8 производит обработку детали в режиме ударного сканирования [б]. Частота ударов шарового сегмента с поверхностью обрабатываемой детали около 20 ООО раз в секунду. При каждом ударе шарового сегмента о поверхность детали в результате суммирования нормальных и тангенциальных напряжений образуется конус скольжения. В момент отрыва шарового сегмента от поверхности происходит обмен кинетической энергией между динамическим технологическим модулем и конусом скольжения. Высокая кинетическая энергия динамического технологического модуля передается микрообъему конуса скольжения, в результате чего конус скольжения получает скорость более 100 м/с. Продвигаясь вглубь материала, конус скольжения взаимодействует с поликристаллической решеткой основного металла, переводя его в высоковозбужденное состояние при котором преодолены силы молекулярных связей. Это состояние Тиссен [7 — 8] характеризовал как плазменное. Образовавшаяся металло-плазма смешивается с подаваемой в зону обработки технологическими суспензией и газом. Технологическая суспензия состоит из семи частей керосина и одной части дисульфида молибдена (MoS2) [9]. Далее полученная микроскопическая плазменная смесь мгновенно отдает тепло обрабатываемому металлу. В результате действия высокого градиента температур металлоплазма застывает, минуя состояние поликристаллической решетки, т. е. происходит закалка из жидкого состояния. Застывшая металло-
±
1 У
1 2 3
X У
10
15 20 25 у! мин
Рис. 1. Влияние метода обработки на износ образцов: 1 — ролики после шлифования и полирования; 2 — ударно-акустическая обработка с внедрением дисульфида молибдена; 3 — предлагаемый процесс
Мтр, Нм
гь 2 1,5
/
4
/
х
о
15 20 25 30 I мин
Рис. 2. Изменение момента трения в процессе износа образцов: 1 — ударно-акустическая обработка с внедрением дисульфида молибдена; 2 — предлагаемый метод с подачей азота в зону обработки
плазма представляет собой высокопрочный шлейф аморфного металла (стеклометалла), который обладает прочностью, близкой к теоретически возможной для твердого тела износостойкостью на порядок выше, чем у исходного металла и теплопроводностью, близкой к теплопроводности меди. Также в процессе обработки формируется луночно-синусоидальный микрорельеф и создаются остаточные напряжения сжатия, что положительно отражается на конструкционной прочности.
Для подтверждения гипотезы о том, что подача азота в зону обработки приведет к улучшению трибо-технических характеристик, проводили специальные исследования. Объектами исследований являлись ролики цилиндрической формы из стали 40ХН2МА (НВ 225-320) диаметром 40 мм и шириной 12 мм. Маркированные ролики обезжиривали спиртом. Далее измеряли микротвердость на микротвердомере ПМТ-3. Для большей достоверности на каждом образце наносили по три отпечатка. Шероховатость измеряли на профилографе-профилометре модели 201 завода «Калибр». Измерения проводили на трех участках, расположенных под углом 120° друг к другу. Из трех измерений рассчитывали среднее арифметическое значение, которое и принимали за показатель шероховатости. Далее образцы взвешивались на аналитических весах БЬ-200 с дискретностью 0,001 грамм.
Все образцы были разделены на три партии: первая обрабатывалась УАО с внедрением твердой смазки. В качестве твердой смазки использовали дисульфид молибдена (Мо52). Суспензию из МоБ2 и керосина приготавливали в соотношении 1:3. Технологическую суспензию перед обработкой наносили кистью. Вторая партия также обрабатывалась УАО с внедрением твердой смазки. Отличие заключалось в том, что технологическая суспензия наносится не кистью, а распылялось из аэрографа с помощью сжатого компрессором воздуха. Технологическая суспензия в этом случае готовилась в соотношении 1:7, так как суспензия с соотношением 1:3 слишком густая и плохо продувается через аэрограф. Суспензия заливалась в бачок аэрографа. Партия № 3 обрабатывалась УАО с внедрением твердой смазки. В этом случае технологическая суспензия продувалась через аэрограф азотом, а не сжатым воздухом. Это было сделано для того, чтобы исключить возможность попадания кислорода в зону обработки. Давление азота на входе в аэрограф не должно превышать 0,50 МПа. Если дав-
ление превышало указанное значение, то это приводило к чрезмерному разбрызгиванию суспензии, в результате чего повышался ее расход. Когда давление опускалось ниже 0,50 МПа, поток суспензии становился нестабильным, так как это давление не создавало хорошую эжекцию. Обработку проводили при следующих технологических режимах: усилие поджатия ультразвукового инструмента Рст= 100 Н (оптимальное для сталей), подача — 0,05 мм/об, частота вращения шпинделя — 31,5 об./мин, давление азота — 0,50 МПа, частота колебаний ультразвукового инструмента — 18 ±1,35 кГц. После обработки образцы промывались в спирте и высушивались на воздухе.
В качестве оборудования для исследования износостойкости использовали машину трения ИИ 5018, на которой осуществлялось трение ролика по ролику с фиксированным коэффициентом проскальзывания 15±2%. Контртелом являлись ролики из стали ШХ15 (НЯС 50), рабочая поверхность которых имеет выпуклость, описанную по радиусу, что позволяет создавать высокие удельные нагрузки в зоне трения при максимально возможной нагрузке 2000 Н в механизме нагружения. Испытания роликов проводились в режиме сухого трения по схеме диск-диск. Износостойкость проверяли методом весового износа.
Анализ зависимостей (рис. 1 — 2) свидетельствует о том, что образцы после обработки с помощью предлагаемого процесса — в среде азота имеют более высокий уровень износостойкости, меньший момент трения, чем образцы после ударно-акустической обработки с внедрением твердой смазки, без подачи азота в зону обработки. Предлагаемая технология существенно повышает задиростойкость и снижает склонность к схватыванию по сравнению с необработанными деталями. На рис. 3 представлены два ролика после испытания на износ. На необработанном ролике (справа) во время испытаний уже через 2,5 минуты появились задиры и характерный звук, свидетельствующий о схватывании образца и контртела. След износа шириною 3 мм имеет черный цвет с многочисленными следами микросварки, отслаивания и выкрашивания. Обработанный по предлагаемой технологии ролик (слева) даже после 30 минут испытаний имеет след износа шириной 1,5 мм без схватывания и микросварки.
Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на индентор 100 г (0,98 Н) в тече-
HVw
щ|||||||||||||
SlÉllil
Рис. 3. Ролики после испытания на износ: необработанный — справа, обработанный с помощью предлагаемой технологии — слева
700
4
3 у
\ \
2 \\
1 ^
10 20 30 40 50 60 h.MKM
Рис. 4. Зависимость микротвердости от глубины поверхностного слоя при 1 — УАО при Р = 25 Н; 2 — УАО при Р = 75 Н; 3 — УАОприР=ЮОН; 4 — предлагаемый метод с подачей азота
ние 10 с. При измерении микротвердости диагональ отпечатка от внедрения алмазной пирамиды в материал опирается как на исходный материал, так и на несколько зон высокопрочных аморфных шлейфов.
При столь малых абсолютных размерах зон обработки и высокой плотности их расположения следует ожидать, что их количество и расположение в области измерений будут произвольными. Максимальная плотность высокопрочных аморфных шлейфов при постоянной частоте колебаний ультразвукового инструмента достигается установкой минимальной подачи и частоты вращения шпинделя, а также увеличением количества проходов до 3.
На рис. 4 представлена зависимость микротвердости от глубины поверхностного слоя. Вид кривых показывает, что предлагаемый метод УАО с подачей азота в зону обработки позволяет достигать более высокой микротвердости, чем ударно-акустическая обработка на основе объемной микропластичности без подачи азота. Максимальная микротвердость, как и после УАО достигается на глубине 10—15 мкм от поверхности. Использование этой технологии показало, что резко улучшаются триботехнические свойства поверхностного слоя и параметры шероховатости: в 2,5 — 3 раза возрастает микротвердость, формируются остаточные напряжения сжатия, улучшается теплопроводность до 50 % и, как следствие, повышается конструкционная прочность, уменьшается износ поверхностей в 5 раз и более.
Эта технология позволяет отказаться от ряда трудоемких, дорогостоящих финишных операций (полирование, хонингование, суперфиниширование) и некоторых видов химико-термической обработки. По этой технологии можно обрабатывать на модернизированном металлорежущем оборудовании любые детали из чёрных и цветных металлов (гильзы цилиндров, различные валы, лопатки ГТД и т. д.).
Библиографический список
1. Аморфные металлические сплавы / Отв. ред. Ф. Е. Любор-ский ; пер. с англ. — М.: Металлургия, 1987. — 584 с.
2. Кравцов, В. И. Технологическое обеспечение долговечности и коррозионной стойкости машин / В. И. Кравцов. — Фрунзе : Кыргызстан, 1981. — 132 с.
3. Марков, А. И. Ультразвуковая обработка материалов / А. И. Марков. — М. : Машиностроение. 1980. — 237 с.
4. Марков, А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов / А. И. Марков. — М. : Машиностроение, 1968. - 365 с.
5. Мейер, К. Физико-химическая кристаллография ; пер. с нем. / К. Мейер. — М.: Металлургия, 1972. — 480 с.
6. Моргунов, А. П. Получение коррозионностойкихповерхностных слоев сталей нанометаллургией / А. П. Моргунов, A. А. Фёдоров // Прогрессивные технологии в современном машиностроении : сборник статей Междунар. науч.-тех. конф. — Пенза, 2007. — С. 6-7.
7. Моргунов, А. П. Получение сверхтвёрдых аморфных поверхностных слоёв сталей нанометаллургией / А. П. Моргунов, А. А. Фёдоров // Динамика систем, механизмов и машин : материалы VI науч.-техн. конф. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. — Кн. 2. - С. 373-377.
8. Телевной, А. В. Технологические процессы повышения конструкционной прочности деталей машин : учеб. пособие / А. В. Телевной, В. А. Телевной. - Омск : ОмГТУ, 1993. - 122 с.
9. Телевной, А. В. Нанометаллургический процесс на основе объемной микропластичности / А. В. Телевной, А. А. Фёдоров // Омский научный вестник. - 2006. - №3(36). - С. 104-107.
ЧУМАКОВ Алексей Павлович, аспирант кафедры технологии машиностроения.
Адрес для переписки: e-mail: alexeychumakow@ mail.ru
Статья поступила в редакцию 15.09.2010 г. © А. П. Чумаков
