ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ДИСПЕРСНЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ
Машков Ю.К. (СибАДИ, г.Омск, РФ), Эдигаров В.Р. (ОТИИ, г.Омск, РФ)
The considered results of the study of the influence surface modificirovanie steel sample dispersed modifier and mode multifunction friction-electric processing with simultaneous introduction named modifier on surface layer microhardness and wear capability tribosystem.
Одной из актуальных задач современного машиностроения является повышение работоспособности и долговечности деталей машин и особенно деталей узлов трения (трибосистем). Развитие методов упрочняющей обработки стальных деталей привело к созданию комплексных методов, предусматривающих одновременное использование различных видов энергетического воздействия на поверхность детали в процессе ее обработки. К таким перспективным методам относится и разрабатываемый авторами метод комбинированной фрикционно-электрической обработки с использованием поверхностно- активных модификаторов (ФЭМ), включающий высокоэнергетическое воздействие через промежуточную среду-модификатор, в смеси с ПАВ, на исходную структуру поверхностного слоя, с целью сформировать заданные физико-механические свойства с высокими триботехническими характеристиками. Данный метод является развитием метода фрикционно-электрической обработки (ФЭО), включающий поверхностное пластическое деформирование образцов в условиях трения скольжения и дополнительно одновременном протекании постоянного тока через зону контакта детали и инструмента [1-2].
В качестве объекта исследования была выбрана легированная сталь 38ХС (ГОСТ 4543-71), обладающая высокой прочностью, умеренной вязкостью и предназначенная для изготовления деталей, которые должны обладать высокой прочностью, упругостью и износостойкостью. Её выбор в качестве объекта исследования объясняется ее широким использованием в машиностроении и в частности в узлах многоцелевых гусеничных машин, к которым предъявляются жесткие требования по надежности, прочности и износостойкости.
Образцы изготавливались из стали 38ХС в нормализованном состоянии в виде плоских цилиндрических дисков диаметром 50мм. Цилиндрические поверхности после точения имели шероховатость Rz = 20 мкм. Для обработки была создана специальная установка на базе токарно-винторезного станка. На основании априорной информации [1,2,3] для проведения фрикционно-электрической обработки были приняты следующие режимы: величина силы тока I = 500А, скорость обработки V = 28 м/мин, величина деформирующей силы Р 600Н, число проходов N=2. При это в процессе обработки на поверхность наносился модификатор – смесь порошков различных твердых смазок с глицерином. В качестве твердых смазок – модификаторов, использовались дисперсные порошки: скрытокристаллического графита (СКГ), дисульфида молибдена, меди, оловянисто-свинцовистой бронзы и их смеси.
На первом этапе исследования для оценки влияния различных модификаторов на скорость изнашивания пары трения проводили испытания образцов, из стали 38ХС, на специальной установке, собранной на базе токарного станка ИТ-1М в условиях трения скольжения в паре с бронзовым контртелом (Бр.Аж9-4), по схеме трения вал – частичный вкладыш. Испытания проводили при контактном давлении 10 МПа и скорости скольжения 0,2 м/с. Продолжительность каждого - 6 часов. Износостойкость пары трения оценивали по массовой скорости изнашивания бронзового контртела. Взвешивание контробразцов выполняли на микроаналитических весах ВЛР-20Г с погрешностью измерения ≤±2∙10-4 г.
На втором этапе с целью изучения влияния режимов комбинированной ФЭМ на её эффективность, в процессе обработки изменяли величины: силы давления на обрабатываемый инструмент в диапазоне от 400 до 800 Н, сила тока от 400 до 600 А, скорость обработки от 10 до 40 м/мин. На этом этапе эксперименты проводились только с двумя модификаторами, обеспечивших меньшую скорость изнашивания на предыдущем этапе исследования.
Влияние комбинированной ФЭМ на механические свойства образца оценивали по изменению микротвердости поверхности образца. Для получения данных о характере изменения микротвердости по глубине зондируемого слоя, делали косой срез поверхности образца и производили внедрение индентора прибора ПМТ-3. По полученным значениям микротвердости строили зависимость микротвердости по глубине поверхностного слоя.
Полученные зависимости скорости изнашивания обработанных ФЭМ образцов от вида применяемых модификаторов имеют однотипный характер (Рис.1). Наилучшие результаты показали образцы, модифицированные ультрадисперсным скрытокристаллическим графитом (СКГ) и дисульфидом молибдена (кривые 1 и 2 соответственно). Скорость изнашивания этих образцов в 3-5 раз меньше скорости изнашивания образцов, изготовленных по серийной технологии.
В результате трения стального образца, с нанесенным на поверхность модификатором дисульфидом молибдена или СКГ, по бронзовому контртелу в присутствии глицерина, происходит реализация одного из видов избирательного переноса (ИП), что в итоге уменьшает скорость изнашивания бронзового контртела.
Исследованием микротвердости поверхностей образцов установлено, что комбинированная ФЭО с одновременным модифицированием вызывает упрочнение поверхностного слоя на глубине до 200 мкм. Наибольшее влияние на микротвердость поверхностного слоя оказывают сила тока и скорость обработки: максимальное упрочнение наблюдается у образцов обработанных при I = 600А, V = 10м/с, Р = 600Н. На глубине 0,05мм микротвердость повышается в 3 раза, по мере удаления от поверхности микротвердость монотонно снижается до исходного уровня на глубине 200 мкм.
Рисунок 1 - Результаты сравнительных испытаний на износ образцов, обработанных комбинированной ФЭМ с модифицированием поверхности различными модификаторами: 1 – модификатор-графит СКГ; 2 – модификатор – дисульфид молибдена; 3 – модификатор – медь; 4 – модификатор – бронза; 5 – образец обработанный по заводской технологии (закалка ТВЧ)
С целью разработки обоснованных рекомендаций по выбору режимов комбинированной ФЭМ был разработан и реализован план факторного эксперимента типа n=23. В соответствии с названным планом на основании результатов предварительных исследований в качестве независимых факторов были приняты: сила тока I (Х1); сила действующая на обрабатывающий инструмент Р (Х2); скорость обработки V (Х3). Граничные значения выбирались, исходя из результатов предварительных экспериментов. Для описания функции параметра оптимизации Y(J) – скорости изнашивания было выбрано линейное уравнение первой степени. Проверка значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента показала, что при уровне значимости 0,05 коэффициенты при Х1Х2 и Х1Х2Х3 незначимы и уравнение примет вид:
Y = 22,15 - 2,89Х1 + 0,71Х2 + 2,58Х3 + 1,2Х1Х3 - 0,8Х2Х3 (2)
Анализ полученных зависимостей и уравнения регрессии позволяет сделать следующие выводы: с увеличением деформирующей силы и скорости обработки скорость изнашивания возрастает, причем влияние деформирующей силы менее значительно чем влияние других параметров, с увеличением значения силы тока в процессе обработки скорость изнашивания уменьшается, причем влияние силы тока на скорость изнашивания максимально. Наряду с линейными эффектами значимыми оказались также и эффекты взаимодействия, совместное действие технологических факторов носит сложный характер, причем эти взаимодействия противоположны по своему эффекту. Следовательно, для уменьшения скорости изнашивания трибосопряжения необходимо стремиться при увеличении силы тока в процессе обработки несколько снижать скорость обработки и увеличивать деформирующую силу.
Выводы. 1.Общая закономерность влияния комбинированной (ФЭМ) фрикционно-электрической обработки с использованием поверхностно-активных модификаторов на микротвердость стальных образцов заключается в изменение степени упрочнения по глубине зондируемого слоя с максимумом микротвердости у поверхности, зависящим, главным образом, от величины силы тока.
2. Наибольшая эффективность предлагаемого метода ФЭМ стальных поверхностей достигается при использовании в качестве модификатора ультрадисперсного скрытокристаллического графита (СКГ) и дисульфида молибдена в смеси с ПАВ глицерином. В случае их использования скорость изнашивания трибосопряжения минимальна в сравнении с применением других модификаторов и при обработке по традиционной технологии поверхностного упрочнения.
3. На поверхности модифицированного стального образца в процессе его трения о бронзовое контртело образуется пленка переноса меди, в следствие проявления одного из видов избирательного переноса в присутствии ПАВ в составе модификаторов.
4. Полученное уравнение регрессии позволяет рассчитать прогнозируемые значения скорости изнашивания в исследованной области изменения переменных факторов и вблизи этой области, построить поверхность отклика и выбрать режимы ФЭМ, обеспечивающие максимальное повышение износостойкости материала пары трения в переделах исследованной области значений технологических факторов.
5. Для изучения и описания механизма модифицирования поверхностного слоя под влиянием сложного энергетического воздействия необходимо провести дополнительное исследование фазового состава, структуры и напряженно-деформированного состояния модифицированного слоя исходных и модифицированных стальных образцов.
Литература
1. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. – М.: Машиностроение. – 1989
2. Байбарацкая М.Ю., Пальянов А.А., Машков Ю.К. Упрочняющая фрикционно-электрическая обработка стальных поверхностей трения // Трение и износ. – 2004 (4), № 25, 434-439
3. Машков Ю.К. Трибология конструкционных материалов. – Омск.: ОмГТУ. – 1996