Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор по теме исследования 9
1.1. Методы поверхностной обработки материалов 9
1.1.1. Методы, основанные на использовании деформационного наклепа 9
1.1.2. Другие методы поверхностной обработки 16
1.2. Поверхностная фрикционная обработка 18
1.2.1. Трение, его основные виды 18
1.2.2. Особенности формирования структуры в зоне трения 23
1.2.3. Влияние поверхностной обработки трением на физико-механические свойства материалов 29
1.3. Стали и сплавы, подвергаемые ПФО 32
1.4. Постановка цели и задач исследования 42
Глава 2. Материал, методы испытания и исследования 46
2.1. Материал исследования 46
2.2. Обработка материалов 50
2.3. Методы измерений и испытаний 54
2.4. Методы структурных исследований 56
Глава 3. Влияние поверхностной обработки на структуру и свойства сталей мартенситного класса 60
3.1. Структурные особенности фрикционного деформирования мартен ситной стали 70С2ХА 60
3.2. Влияние поверхностной фрикционной обработки на механические свойства мартенситных сталей 68
3.3. Выводы 73
Глава 4. Структура и физико-механические свойства аустенитных сталей, подвергнутых фрикционной обработке 75
4.1. Особенности формирования структуры при поверхностной обработке аустенитной стали с нестабильной у-фазой 75
4.2. Влияние поверхностной обработки на свойства аустенитных сталей с различной стабильностью у-фазы 85
4.3. Выводы 95
Глава 5. Разработка методики и экспериментальной установки для фрикционного упрочнения плоских заготовок упругих элементов 96
5.1. Установка для фрикционной поверхностной обработки 96
5.2. Номограмма для определения вида деформации при обработке ленты трением 100
5.3. Оптимизация режимов фрикционной обработки на основе планирования эксперимента 104
5.4. Выводы 109
Общее заключение и выводы 111
Список литературы
- Методы, основанные на использовании деформационного наклепа
- Методы измерений и испытаний
- Влияние поверхностной фрикционной обработки на механические свойства мартенситных сталей
- Влияние поверхностной обработки на свойства аустенитных сталей с различной стабильностью у-фазы
Методы, основанные на использовании деформационного наклепа
Поверхностная пластическая деформация (ППД) - это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный СЛОЙ [1].
С помощью широко применяемых методов окончательной обработки (шлифование, хонингование, доводка) создается необходимая форма деталей с заданной точностью, но часто не обеспечивается оптимальное качество поверхностного слоя. Оно достигается поверхностной пластической деформацией, при которой стружка не образуется, а происходит тонкое пластическое деформирование поверхностного слоя. В результате наблюдается его упрочнение, повышение эксплуатационных свойств материала [2]. В первую очередь это относится к долговечности деталей машин благодаря увеличению сопротивляемости мало- и многоцикловой усталости [3]. ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения.
Как правило, обработку деталей поверхностным пластическим деформированием разделяют на отделочную, отделочно-упрочняющую и упрочняющую. При этом достижение нужного результата регламентируется рабочим усилием, величина которого определяется характером сближением инструмента и заготовки, пределом текучести обрабатываемого материала и приведенным радиусом контактирующих поверхностей [5].
По характеру взаимодействия инструмента с деталью методы ППД подразделяется на статические и ударные [1].
Статическая ППД осуществляется перемещением инструмента вдоль обрабатываемой поверхности с постоянной или закономерно изменяющейся силой деформирования F или глубиной внедрения h. В зоне контакта инструмента с деталью образуется область пластического течения - очаг деформации, размеры которого зависят от технологических факторов. При перемещении инструмента последовательно деформируется поверхностный слой детали.
Ударная ППД осуществляется нанесением инструментом случайно распределенных или регулярных ударов по детали. Размеры очага деформации зависят от кинетической энергии, сообщаемой инструменту. Обработку ведут так, чтобы пластические отпечатки покрыли обрабатываемую поверхность с определенной степенью перекрытия.
Соответственно в первом случае (статическое деформирование) поверхностное упрочнение обеспечивается такими известными технологическими приемами как а) накатывание стальным шариком или роликом и б) алмазным выглаживанием оправкой с впаянным в рабочей части алмазом.
Во втором случае (ударное деформирование) преимущественное применение нашли следующие способы: а) дробеструйный наклеп за счет кинетической энергии потока чугунной или стальной дроби; б) центробежно-шариковый наклеп за счет кинетической энергии потока металлической дроби.
Рассмотрим наиболее известные из них [2]. При ППД по схеме качения деформирующий элемент (как правило, ролик или шарик) прижимается к поверхности детали с фиксированной силой F, перемещается относительно нее, совершая при этом вращение вокруг своей оси. В зоне локального контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью возникает очаг пластической деформация, который перемещается вместе с инструментом, благодаря чему поверхностный слой последовательно деформируется на глубину h, равную глубине распространения очага деформации. Размеры очага зависят от технологических факторов обработки -силы F, формы и размеров деформирующего элемента, подачи, твердости обрабатываемого материала и др.
К методам ППД, в которых деформирующий элемент работает по схеме скольжения, относятся выглаживание и дорнование. Для этих процессов деформирующий элемент должен изготавливаться из материалов, имеющих высокую твердость (алмаз, твердый сплав и т.п.) и не склонных к адгезионному схватыванию с обрабатываемым материалом.
Алмазное выглаживание применяется обычно для поверхностного деформирования закаленных сталей [6], т.е. тогда, когда невозможно применить обработку накатыванием. Прижатый к обрабатываемой поверхности с силой инструмент внедряется в нее на некоторую глубину и при своем движении сглаживает исходные неровности. Недостатком выглаживания является низкая производительность и невысокая стойкость инструмента.
Дорнование - под этим понимают деформирующее протягивание (калибрование), которое применяется обычно для обработки отверстий. Это высокопроизводительный процесс, сочетающий в себе возможности чистовой, упрочняющей, калибрующей и формообразующей обработок. Формообразующая обработка применяется для получения на поверхности детали мелких шлицов и других рифлений. Толщина упрочненного слоя при дорновании регулируется натягом, т.е. разностью диаметров дорна и отверстия заготовки.
Методы накатывания, выглаживания и деформирующего протягивания относятся к методам статического поверхностного деформирования. Характерным признаком этих методов является стабильность формы и размеров очага деформации в стационарной фазе процесса.
Наряду с этими методами в машиностроении существует большое число методов ППД, основанных на динамическом (ударном) воздействии инструмента на поверхность детали. В этих процессах инструмент внедряется в поверхностный слой детали перпендикулярно профилю поверхности или под некоторым углом к ней. Многочисленные удары, наносимые инструментом по детали по заданной программе или хаотично, оставляют на ней большое число локальных пластических отпечатков, которые в результате покрывают (с перекрытием или без него) всю поверхность. Размеры очага деформации зависят от материала детали, размеров и формы инструмента и от энергии удара по поверхности.
К методам ударного ППД относятся обработка дробью, виброударная, ультразвуковая, центробежно-ударная обработки и др.
Так, дробеструйная обработка осуществляется за счет кинетической энергии потока чугунной, стальной или другой дроби, который направляется, например, роторным дробеметом.
Виброударная обработка - это обработка рабочими телами деталей в замкнутом объёме контейнера при его вибрации. Виброударная обработка производится в результате множества микроударов и относительного скольжения с определённым давлением рабочих тел по поверхности обрабатываемых деталей.
Центробежно-шариковая обработка осуществляется за счет кинетической энергии стальных шариков (роликов), расположенных на периферии вращения диска. При вращении диска под действием центробежной силы шарики отбрасываются к периферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются внутрь гнезда.
Методы измерений и испытаний
Объектом исследования служили пружинные стали двух структурных типов: стали 13Х18Н10ГЗС2М2 (ЗИ-98) [99-102] и 12Х17Н8Г2СМФ (ЗИ-126) [102-105], относящиеся к классу аустенитных сталей соответственно со стабильной и нестабильной у-фазой, а также сталь 70С2ХА, являющаяся типичным представителем класса мартенситных сталей. Кроме того, отдельные эксперименты были выполнены на высокоуглеродистой стали У9А. В ряде предварительных экспериментов использовалась промышленная аустенитная сталь типа 12Х18Н10Т. Химический состав исследованных сталей приведен в таблицах 2.1-2.2.
Использованные для исследования указанные аустенитные стали являются оригинальными разработками кафедры металловедения УрФУ [106]. Они создавались как высокопрочные пружинные материалы, отличающиеся высокой релаксационной стойкостью при повышенных температурах. Их принято относить к классу так называемых деформационно-стареющих аустенитных сталей [107], в которых высокий уровень функциональных свойств достигается комбинированной обработкой, включающей закалку на пересыщенный твердый раствор, последующее сильное холодное деформирование и заключительное старение. Применительно к аустенитным сталям подобную обработку можно отнести к разновидностям термомеханического упрочнения.
В отличие от дисперсионно-твердеющих сплавов подобные стали - в силу особенностей состава - сравнительно слабо упрочняются при обычном закалочном старении. Однако требуемые значения прочности в них сравнительно легко могут быть получены деформационным наклепом и усилены последующим старением.
Эффективность такого термомеханического упрочнения аустенитных сталей зависит от стабильности у-фазы и вероятности образования мартенсита деформации. При этом существует прямая зависимость упрочнения от объемной доли образовавшейся а-фазы. Однако влияние мартенсита на разных этапах термомеханической обработки проявляется неодинаково. Наиболее результативно присутствие мартенсита сказывается на заключительном этапе упрочняющей обработки - при старении [108]. Подобное влияние обусловлено тем, что наличие гетерофазной структуры изменяет термодинамические и кинетические условия распада [109].
Сталь 13Х18Н10ГЗС2М2 (ЗИ-98) характеризуется наличием стабильной у-фазы, поскольку ни глубоким охлаждением, ни холодной пластической деформацией в ней не удается вызвать полиморфного у ос превращения. При этом сталь относится к числу сплавов, в которых термической обработкой (закалкой) не достигается глубокого пересыщения твердого раствора и поэтому закалочное старение по типу гомогенного зарождения происходит весьма вяло. Эта сталь получила практическое использование в приборо- и машиностроении для изготовления теплостойких упругих элементов из деформированной проволоки и плющеной ленты (винтовых пружин, ленточных упругих элементов), а также для производства ряда специальных медицинских инструментов (иглы для рефлексотерапии, спицы скелетного вытяжения и т.д.).
Другой исследованный сплав Fe-Cr-Ni-й композиции - сталь 12Х17Н8Г2СМФ (ЗИ-126) относится к структурному классу так называемых нестабильных (метастабильных) аустенитных сталей, поскольку при пластической деформации реализуется возможность получения мартенситной ос-фазы. Поэтому при деформационном старении структурные процессы усложняются наличием двух неравновесных и высокодефектных твердых растворов - аустенита и мартенсита. При этом присутствие мартенсита деформации вносит определенные термодинамические и кинетические изменения в общую картину структурных превращений сталей с неустойчивым аустенитом. Существенное влияние мартенсита на упрочнение при старении (отпуске) обусловлено тем, что эта фаза является менее термодинамически устойчивой. В ней активнее протекают диффузионные процессы, приводящие к образованию сегрегации и последующему выделению карбидных частиц. Наличие мартенсита оказывается эффективным для получения в нестабильных аустенитных сталях высокопрочного состояния не только за счет использования пластического деформирования, но и, главным образом, вследствие осуществления последующей термообработки - старения.
Стандартная низколегированная сталь 70С2ХА относится к классическим пружинным сталям общего назначения и используется, в частности, в качестве пружин для часовых механизмов (в виде ленты) [110]. Для этой стали оказывается возможным применение режимов упрочнения по альтернативным схемам обработки: "наклеп - отпуск" или "закалка - отпуск".
Высокоуглеродистая сталь типа У9А, относящаяся (в соответствии с химическим составом) к классу инструментальных сталей, получила также достаточно широкое применение и в качестве пружинного материала. Для этой стали более распространенной является обработка по схеме: "закалка - отпуск".
Пружинные стали и сплавы применяются в виде проволоки и ленты и предназначены для изготовления пружин, пружинящих деталей и упругих элементов различных приборов и механизмов. Тем самым от их надежной работы зависит успешная эксплуатация механизма в целом.
Требования, предъявляемые к пружинным сталям и сплавам по обеспечению необходимых физико-механических свойств, определяются, в первую очередь, их назначением [27, 110-113]. Например, пружины, работающие в цикле нагрузка-разгрузка, должны обладать высокой усталостной стойкостью, однако некоторые свойства являются обязательными для всех пружинных сталей и сплавов независимо от их назначения. К таким свойствам относятся высокое сопротивление малым пластическим деформациям, повышенная релаксационная стойкость [114]. Конечная обработка в цикле термопластического упрочнения пружинных сталей и сплавов, заключающаяся в отпуске (старении), ставит целью получение наиболее высокого сопротивления малым пластическим деформациям при обеспечении необходимой пластичности.
Влияние поверхностной фрикционной обработки на механические свойства мартенситных сталей
В данных экспериментах подтверждено преимущественное расположение плоскости типа {110} параллельно плоскости ленты. При этом следует заметить, что в плющеной ленте возможно было ожидать достаточно сложной текстуры. Это связано с особенностями условия деформирования при плющении - вначале проволоку подвергают волочению, а затем прокатке. Поэтому на начальных этапах такого сложного деформирования формируется аксиальная текстура (текстура волочения), которая на заключительном этапе (при плющении) переходит в текстуру прокатки. После такого комбинированного деформирования превалирующей становится текстура прокатки.
Представленные результаты свидетельствуют об ослаблении текстуры прокатки в случае применения дополнительного деформирования трением скольжением.
Можно полагать, что такой результат обусловлен сложной схемой напряженного состояния, вызванного фрикционным нагружением. В этих условиях помимо сдвиговой может развиваться, как было сказано, также и ротационная деформация. Это приводит к очень сильной пластической деформации, сопровождающейся не только аномальным высоким фрагментированием зерен, но и их кристаллографическим разворотом.
Электронно-микроскопическое исследование. Исследование тонкой структуры методом просвечивающей микроскопии было выполнено на примере стали ЗИ-126 (деформация 40%).
Подобный выбор диктовался тем, что данная сталь, являясь материалом с нестабильной у-фазой, при сохранении общих черт, присущих аустенитным сталям на Fe-Cr-Ni-й основе, может отличаться определенным структурным разнообразием благодаря присутствию мартенсита деформации.
На рисунке 4.2 представлено типичное электрографическое изображение структуры аустенитной стали ЗИ-126.
Стандартная расшифровка кольцевой электронограммы свидетельствует о наличии двух фаз - основной фазы с ГПК решеткой (аустенита), а также второй фазы с решеткой ОЦК.
Тем самым этот факт подтверждает присутствие в структуре указанной аустенитной стали мартенсита деформации (ос-фазы). Согласно имеющимся рентгенографическим данным [134-137], после такой обработки (холодное волочение на 40% и последующее плющение в ленту) в стали ЗИ-126 фиксируется около 20% мартенситной фазы.
Рисунок 4.2 - Кольцевая электронограмма (а) деформированного ленточного образца стали ЗИ-126 и схема её расшифровки (б)
Светлопольное изображение структуры с микродифракционной картиной дано на рисунке 4.3.
Фиксируется типичная картина сильно деформированного материала -высокая плотность дислокаций, наличие фрагментированной матричной фазы [140-141].
В некоторых участках можно наблюдать тонкие линии деформационных двойников. Более наглядное присутствие микродвойников представлено на рисунке 4.3 (в, г), где показано их наличие в различных участках аустенитной матрицы.
Тем самым можно говорить о достаточно сложном механизме сдвиговой деформации данной стали: она происходит не только путем скольжения, но и может осуществляться за счет достаточно развитого механического микродвойникования. Рисунок 4.3 - Структура деформированной стали ЗИ-126: а - г - светлопольное изображение (в сочетании с микродифракцией)
На рисунке 4.4. представлена структура участка, в котором светлопольное изображение дополняется изображением в темном поле соответственно в рефлексе (002) мартенситной фазы (рисунок 4.46) и в рефлексе (111) аустенита (рисунок 4.4в).
В целом можно заключить, что структура аустенитной стали, подвергнутой холодной деформации по комбинированной схеме "волочение + плющение", приводит к активному развитию полиморфного превращения у—их. д
При этом происходит формирование типичной структуры сильно деформированного материала - наличие развитой фрагментированной структуры с повышенной плотностью дислокаций, заметное присутствие деформационных двойников [142]. На рисунке 4.5 представлены электронно-микроскопические изображения структуры исследованной стали после обработки трением, т.е. после принятой в данном исследовании деформации по схеме "волочение-плющение" сталь дополнительно подвергалась фрикционному нагружению.
По данным рентгенографического анализа, как было выше отмечено, после обработки трением в стали ЗИ-126 регистрируется 30-55 % мартенсита деформации (в зависимости от обжатия), что примерно в 1,5-2 раза больше, чем в исходном (т.е. без трения) состоянии.
Целесообразно отметить особый характер микродифракционной картины стали ЗИ-126 после дополнительной обработки трением (рисунок 4.6).
Если в случае ленточных образцов, прошедших обычную комбинированную обработку, микродифракция демонстрирует сильно размытые кольцевые рефлексы, свидетельствующие о наличии деформированной матрицы, то для образцов, подвергнутых трению, картина оказывается заметно иной. Как видно, вместо сплошных размытых колец фиксируются точечные уколы. Обычно такая картина наблюдается при заметно развитом процессе рекристаллизации [144]. Можно полагать, что это обусловлено особенностью сложного механизма деформации трением, включающим, как отмечалось, и поворотную схему пластического формоизменения.
Кроме того, в структуре фиксируется заметно большее количество мартенсита деформации, причиной чего является та дополнительная деформация, которая инициируется в стали в результате прохождения индентора (рисунок 4.6).
Деформационный наклеп. В таблице 4.3. приведены данные по измерению прочностных свойств ленточных образцов аустенитных сталей, где указаны значения микротвердости {HV0 s) и предела упругости (о0 оз) Таблица 4.3 - Результаты измерения микротвердости и предела упругости аустенитных сталей.
Обработки ленточных образцов включали полный набор технологических операций - от закалки (с температур 1050 и 1070 С соответственно для ЗИ-98 и ЗИ-126) с деформацией (40%) до последующего деформационного старения (470 и 500 С), включая и дополнительное трение [145-146].
Во всех случаях термомеханическое упрочнение, а также фрикционное деформирование дают очевидную тенденцию к повышению прочностных свойств, в большей степени это проявляется при измерении микротвердости (в среднем на 40-50% в отличие от величины условного предела упругости - на 7-10%). В целом можно отметить, что в нестабильной стали ЗИ-126 эффект деформационного упрочнения ожидаемым образом оказывается выше, чем в стали ЗИ-98 со стабильной у-фазой.
Влияние поверхностной обработки на свойства аустенитных сталей с различной стабильностью у-фазы
Исследования по упрочнению поверхности деталей методом фрикционного нагружения до настоящего времени обсуждались применительно к деталям с плоскими поверхностями [42, 135]. Вместе с тем, имея в виду возможность эффективного упрочнения поверхности деталей больших размеров, представляется перспективным применить метод фрикционного упрочнения для обработки поверхности цилиндрических деталей. Однако поиск оптимальных технологических параметров этого процесса применительно к массивным деталям является весьма трудоемким.
В этой связи целесообразным представляется рассмотрение способа определения оптимальных технологических параметров фрикционного упрочнения на ленточных образцах, не только являющихся самостоятельным изделием, но имитирующих также тонкий поверхностный слой объемных изделий. Смысл подобной обработки - создать локальное нагружение в поверхностном слое таким образом, чтобы обеспечить упругопластическое деформирование в зоне контакта без больших пластических деформаций и сохранить размеры деталей. Предварительный выбор нагрузки в зоне контакта можно выполнить с помощью теоретического анализа, применив метод так называемых нижней и верхней оценок [16].
Если принять за основу известную задачу о протяжке через круглые неподвижные валки (инденторы) [152], то можно получить уравнение для расчета напряжения протяжки ленточного образца следующего вида
Аналитические расчеты позволили построить номограмму, позволяющую оценить условия осуществления вида деформации в зависимости от воздействующих факторов - силы F, действующей на индентор в зоне контакта, и радиуса индентора R. Принималась во внимание возможность реализации следующих вариантов деформационного нагружения материала в зоне контакта: упругого, упругопластического и пластического. Для определения граничных областей такого нагружения были использованы известные характеристики, определяющие сопротивление малым пластическим деформациям, а именно: условный предел упругости Оупр и условный предел текучести ат. Первый показатель (оуПр) можно рассматривать как характеристику такого напряжения, ниже которого осуществляется преимущественно обратимая (упругая) деформация. Второй параметр (ат) позволяет судить о напряжении, выше которого начинается массовая пластическая деформация. Соответственно напряжения, попадающие в диапазон между этими характеристиками, инициируют упругопластическую деформацию. Отметим, что в данных расчетах указанные характеристики аупр и ат рассматривались соответственно в качестве нижней и верхней оценок.
Для моделирования условий деформирования принимались значения аупр и тт, соответствующие напряжениям, вызывающим остаточную деформацию 0,03 и 0,2% (т.е. аь,оз и т0д). Для плющеной ленты из хромоникелевой аустенитной стали (являющейся объектом исследования) эти характеристики составляли соответственно 900 и 1020 МПа [111]. Величина коэффициента трения ju была взята для двух граничных ситуаций - условно без трения и для случая трения без подачи смазки. В этих условиях значения коэффициента принимались равными ju=0 и //=0,3 [16]. Кроме того, расчет Зависимость силы F от радиуса индентора R в различных зонах деформации: Уп - зона преимущественно упругих деформаций, Уп + Пл - зона упругопластических деформаций и Пл - зона пластических деформаций; 1 - д=0;
Поле номограммы разделено на три зоны: Уп - зона преимущественно упругих деформаций, Пл - зона пластических деформаций и Уп+Пл -промежуточная зона упругопластических деформаций. Как видно, изменение коэффициента трения /л не приводит к существенным различиям, особенно в области малых значений R.
Экспериментальная установка позволила провести опыты по отысканию оптимальных режимов обработки ленточных образцов в области упругопластических деформаций, поскольку обработка поверхности ведется на ленте готового размера. Для поиска оптимальных условий указанной обработки был использован метод планирования эксперимента (МПЭ) [155]. Опыты проводились на плющеной ленте, изготовленной из аустенитной стали ЗИ-126 (предварительная деформация волочением перед плющением составляла 40%) [156].
При выполнении эксперимента часто возникает задача выбора наиболее рациональной последовательности проведения опытов, а именно: из минимума экспериментальных данных получить максимум достоверной информации. Это и позволяет обеспечить МПЭ. При этом метод планирования задает жесткую схему проведения опыта, от которой нельзя отступать. В данном эксперименте следовало выяснить возможное влияние следующих факторов: величины силы F (с учетом веса груза G), действующей на инденторы; радиуса инденторов R и числа проходов п.
