ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ
Байбарацкая М.Ю., Машков Ю.К., Пальянов А.А. (ОмГТУ, г.Омск, РФ)
The paper is devoted to the results obtained while investigation the influence of triboelectrical processing frictional interaction on the state of surface layer of the steel. Changes of the microhardness, roughness and structural transformation are also investigated.
Развитие машиностроения во многом обусловливается решением проблемы надежности подвижных сопряжений машин на основе рационального конструирования, подбора высокоэффективных материалов и методов их технологической обработки, выбора смазочных материалов и покрытий. При этом основная тенденция заключается в стремлении к повышению реализуемых скоростей, давлений, рабочих температур при одновременном росте надежности, в частности, ресурса конструкции, снижении массы на единицу мощности. Это невозможно без использования деталей, имеющих высокие физико-механические характеристики поверхностных слоев, так как в абсолютном большинстве случаев именно они ответственны за износостойкость, коррозионную и радиационную стойкость, трибологическую совместимость и другие эксплуатационные характеристики изделий.
Одним из перспективных методов повышения износостойкости узлов трения машин является трибоэлектрическая обработка (ТЭО), включающая поверхностное пластическое деформирование образцов в условиях трения скольжения при одновременном протекании постоянного тока через зону контакта детали с инструментом.
В качестве объекта исследования была выбрана сталь 45 в нормализованном состоянии в виде плоских цилиндрических дисков Æ 50 мм. Цилиндрические поверхности после точения имели шероховатость Rz=20 мкм. Обкатку проводили на установке, состоящей из понижающего трансформатора, токарного станка с электроконтактным устройством к патрону, а также из зажимаемой в суппорте станка пружинной державки. В процессе обработки варьировались величина деформирующего усилия в диапазоне от 400 Н до 600 Н, сила тока от 200 А до 600 А, изменялась скорость обработки от 3,5 м/мин до 8,9 м/мин.
Триботехнические свойства обработанных образцов определяли на машине трения СМЦ-2 по схеме трения ролик-ролик. Продолжительность испытания составляла пять часов при контактном давлении 30 МПа и относительном проскальзывании 15%. Износостойкость пары трения оценивали по массовой скорости изнашивания образцов пары трения. Взвешивание полимерных контробразцов выполняли на микроаналитических весах ВЛР – 20Г с погрешностью измерения не более 2*10-4 г.
Влияние ТЭО на механические свойства оценивали по изменению микротвердости поверхности образцов. Для получения данных о характере изменения механических свойств по глубине зондируемого слоя изменяли нагрузку на индентор прибора ПМТ-3. Для исследования структуры использовали оптический микроскоп МИМ-8
Анализ полученных результатов показал, что в результате
ТЭО происходит упрочнение поверхностного слоя на глубине до 200 мкм. Наибольшее
влияние оказывают величина силы тока и скорость обработки (рис.1).
Рисунок 1- Изменение микротвердости поверхностного слоя по глубине внедрения индентора: 1-без обработки; 2-I=400 А, P=400 Н, V=3,5м/мин; 3- I=400 А, P=600Н, V=8,9м/мин; 4- I=200 А, P=200 Н, V=3,5м/мин
Установлено, что наибольшее упрочнение наблюдается у образцов, обработанных с максимальной силой тока I=400 A при скорости обработки V=3,5 м/мин. На глубине 2,5 мкм микротвердость увеличилась в 4 раза.
Анализ микроструктуры образцов показал, что при ТЭО в следствие высокоскоростного нагрева и охлаждения формируется поверхностный слой с мартенситной структурой (рис.2). Толщина слоя зависит от величины силы тока и скорости обработки и достигает 200 мкм при I = 400 А, V = 3,5 м/мин.
а) б)
Рисунок 2- Микроструктура материала (х125); а)-исходная,
б)-ТЭО с режимами I = 400 А, V = 3,5 м/мин, P = 600 Н
С целью определения оптимального сочетания режимов обработки использовали математическое планирование эксперимента с разработкой план факторного эксперимента типа N=23. Описание части поверхности отклика математической моделью для трехфакторного эксперимента осуществлялось с помощью полинома второго порядка. Параметром оптимизации являлась скорость изнашивания, в качестве независимых варьируемых факторов процесса обработки металлического контртела были приняты: Х1 – величина силы тока А, Х2 – деформирующая сила Р , Х3 – скорость обработки V.
Получено уравнение регрессии в кодированной форме имеет вид:
Y=(8,9-3,9Х1+2,3Х3-3,9Х13+2,1Х23)*10-4
Поверхность отклика в исследованной области показан на рис 4.
Рисунок 3- Зависимость (поверхность отклика) скорости изнашивания
от режимов ТЭО
Анализ полученной зависимости показывает, что деформирующая сила незначительно влияет на величину скорости изнашивания образцов (коэффициент регрессии при Х2 - незначим). С увеличением силы тока скорость изнашивания уменьшается. Уравнение позволяет определить оптимальные режимы обработки поверхности образца методом ТЭО, которые для исследуемой области равны: I=400 A мм/об, Р=400 Н. Эти режимы обеспечивают снижение скорости изнашивания по сравнению с необработанными образцами (I=10-3 г/час) в четыре раза.
Таким образом установлено, что повышение трибомеханических свойств углеродистой стали методом ТЭО связано с изменением микроструктуры и микротвердости приповерхностного слоя вследствие поверхностно-пластического деформирования и структурно-фазовых превращений углеродистой стали.