Содержание к диссертации
Введение
1 . Современные методы поверхностного упрочнения материалов и деталей машин 7
1.1.Роль поверхностного слоя в обеспечении эксплуатационной надежности деталей машин
1.2. Методы поверхностного упрочнения, направленные на формирование белого слоя 8
1.3. Электромеханическая обработка, как один из методов поверхностного упрочнения деталей 17
Выводы к первому разделу 25
2. Оборудование, инструмент и приспособления для электромеханического упрочнения 26
2.1. Установка для ЭМО
2.2. Контактное устройство 30
2.3. Инструментальное приспособление
2.4. Исследование стойкости твердосплавного инструмента при электромеханической обработке деталей 32
Выводы к второму разделу 37
3. Формирование структуры и прочностные свойства поверхностного слоя при ЭМО 39
3.1. Методика изучения прочностных свойств поверхностного 40
3.2. Влияние содержания углерода в конструкционных сталях на упрочнение поверхностного слоя материала... 42
3.3. Влияние режимов ЭМО на поверхностную твердость и толщину белого слоя 44
3.4. Особенности электромеханического упрочнения закаленных сталей 47
3.5. Тепловая стойкость поверхностного слоя конструкционной стали, упрочненной ЭМО 48
3.6. Определение температурных полей в поверхностном слое конструкционных сталей при электромеханической обработке 52
Выводы к третьему разделу 55
4. Формирование регулярной структуры поверхности ИЭМУ 57
4.1. О неоднородности распределения прочностных свойств по локальным объемам поверхностного слоя
4.2. Импульсная модель формирования белого слоя при ИЭМУ 60
4.3. Регуляризация структуры поверхностного слоя металла при ИЭМУ 64
Выводы к четвертому разделу 70
5. Эксплуатационные свойства стальных деталей, упрочненных электромеханической обработкой 71
5.1. Исследование влияния ИЭМУ на ивносостоикость среднеуглеродистых конструкционных сталей в условиях абразивного изнашивания -
5.2. Исследование влияния ИЭМУ на ивносостоикость деталей в условиях граничного трения 73
5.3. К вопросу о точности электромеханической обработки 77
5.4. Повышение стойкости режущих кромок лезвийного инструмента ИЭМУ. 80
Выводы к пятому разделу 87
Основные выводы 88
Список использованной литературы 90
Приложения 99
- Электромеханическая обработка, как один из методов поверхностного упрочнения деталей
- Исследование стойкости твердосплавного инструмента при электромеханической обработке деталей
- Тепловая стойкость поверхностного слоя конструкционной стали, упрочненной ЭМО
- Регуляризация структуры поверхностного слоя металла при ИЭМУ
Введение к работе
Одной из важнейших задач обеспечения конкурентоспособности продукции является повышение качества , надежности и долговечности изделий. Как показывают результаты многочисленных исследований, на эксплуатационные свойства материалов и деталей существенное влияние оказывает качество поверхностного слоя материала. Структурное состояние, физико-механические свойства, макро- и микрогеометрия, поле остаточных напряжений, этими и некоторыми другими параметрами поверхностного слоя во многом определяются сопротивление материала изнашиванию, усталостная прочность, контактная выносливость и другие служебные свойства, определяющие надежную и долговечную работу деталей в различных условиях эксплуатации.
В этой связи, в последнее время большую актуальность получают работы, направленные на создание, изучение, совершенствование и практическое внедрение технологических методов поверхностного упрочнения от традиционной термической и химико-термической обработок до методов, использующих последние достижения науки и техники -лазерную энергию и энергию плазмы.
Одним из перспективных направлений в технологии поверхностного упрочнения является изучение и развитие методов, обеспечивающих формирование в поверхностном слое высокопрочных специфических структур, так называемых, белых слоев. Основанные на комплексном температурно-силовом высокоскоростном воздействии с использованием различных видов подводимой в зону обработки энергии, данные методы позволяют в наиболее полной мере реализовать заложенные в материале прочностные и другие характеристики и значительно повысить эксплуатационные свойства деталей. Следует отметить, что в большинстве случаев упрочнение о формированием белого слоя оказывается весьма эффективным применительно к углеродистым и низколегированным конструкционным сталям. Повышение служебных свойств упрочненных деталей позволяет в ряде случаев осуществлять замену дорогостоящих сложнолегированных сталей на углеродистые или низколегированные, что позволяет снизить стоимость деталей, а, следовательно, и конструкции, без снижения ее эксплуатационной надежности, а также осуществить экономию редких легирующих элементов. Однако, многообразие факторов, таких, как вид и интенсивность деформирующего и температурного воздействия, характер и вид используемой дополни- тельной энергии, химический состав, исходная структура материала и др., влияющих на процесс формирования белых слоев, их физико-механические свойства,затрудняют использование в промышленности современных технологических методов поверхностного упрочнения.
Электромеханическая обработка (ЭМО) является одним из методов формирования белого слоя на упрочняемой поверхности материала, использующим в качестве дополнительной энергии, преобразуемую в Джо-улево тепло энергию электрического тока. По сравнению с другими методами формирования белых слоев, ЭМО имеет ряд преимуществ, заключающихся в возможности в широких пределах изменять силовое и тепловое воздействие на обрабатываемую поверхность, получать значительную толщину белого слоя с одновременным обеспечением весьма малой шероховатости, что позволяет использовать ЭМО на чистовых операциях. Поверхности, упрочненные ЭМО, не требуют последующей механической или иной доработки, что в наибольшей степени сохраняет эффект упрочнения. К преимуществу ЭМО следует отнести сравнительную простоту технологической реализации метода, его хорошее согласование с общим технологическим процессом механической обработки в условиях поточного и автоматизированного производств, возможность совмещения упрочняющей и механической обработок, возможность автоматизации процесса.
Развитие технологии ЭМО на протяжении многих лет привело к разработке и созданию многочисленных установок, инструмента и приспособлений. Для некоторых видов ЭМО, например, восстановление размеров деталей, сплошное и спиралеобразное упрочнение поверхности и др. определены основные режимы ЭМО, исследовано их влияние на прочностные свойства, толщину формирования белого слоя и определенные эксплуатационные свойства различных деталей.
В значительно меньшей степени получили развитие исследования особенностей импульсного формирования упрочненного слоя переменным током промышленной частоты и связанных с этим структурных изменений, происходящих в материале, особенно в аспекте распределения прочностных свойств по локальным объемам поверхностного слоя. Это тем более важно, т.к. уровнем неоднородности прочностных свойств во многом определяется сопротивление материала изнашиванию, циклическим, контактным нагрузкам. Неодостаточно изучено влияние химического состава и исходной структуры материалов на упрочняемость поверхностного слоя при ЭМО, что затрудняет применение данного метода для более широкого круга материалов, в частности, для сталь- - б - ных деталей, прошедших термическую обработку. Перечисленное усложняет выбор .режимов ЭМО при формировании картины упрочнения поверхностного слоя переменным током, особенно при многокритериальной оптимизации конструктивных и технологических параметров ЭМО по комплексу желательных свойств упрочненных деталей.
В этой связи актуальной как с научной, так и с практической точек зрения является задача дальнейшего совершенствования процесса ЭМО, связанная не только с более полным использованием экономических и технологических преимуществ обработки переменным током промышленной частоты, но и с возможностью на их основе разработать метод импульсного электромеханического упрочнения (ИЭМУ). ИЭМУ обеспечивает формирование регулярной структуры упрочненной поверхности с определенным распределением прочностных свойств в зависимости от конкретных условий эксплуатации и, тем самым, позволяет более гибко управлять процессом формирования комплекса нужных служебных свойств изделия с позиций их прочности, долговечности и надежности.
Электромеханическая обработка, как один из методов поверхностного упрочнения деталей
В настоящее время существует достаточно большое количество методов формирования белого слоя, таких как силовое точение и фрезерование, скоростное шлифование, механоультразвуковая обработка, электрогидравлическая обработка, фрикционно-упрочняющая обработка, лазерная обработка и другие. Несмотря на существенные отличия в технологии, применяемом оборудовании, инструментах и приспособлениях все методы могут быть объединены по общему признаку. Для всех них обязательным является комплексное температурно-силовое воздействие на локальный объем поверхностного слоя обрабатываемой детали. При этом, указанное воздействие, как правило, носит высокоскоростной характер и отличается большой интенсивностью. Для создания условий формирования белого слоя необходимо выделение значительного количества тепловой энергии, которая может быть получена, как в результате интенсивного трения, так и в результате подвода в зону обработки дополнительной энергии, преобразуемой в тепло.
Электромеханическая обработка [56] использует в качестве дополнительной энергии электрическую энергию, преобразуемую в Джоу-лево тепло при прохождении через зону контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью электрического тока большой силы и низкого напряжения.
В результате выделения в эоне контакта большого количества тепла она разогревается до высокой температуры с одновременной пластической деформацией поверхности и последующим быстрым отводом тепла в основной объем материала. Следствием такого комплексного температурно-силового воздействия является формирование на обрабатываемой поверхности высокопрочной структуры белого слоя.
Исследования Б.М.Аскинази [56, 57, 58, 59] позволили установить связь основных режимов ЗМО с температурно-силовыми условиями воздействия на обрабатываемую поверхность. В зависимости от основных режимов ЭМО, определяющих уровень теплового и деформирующего воздействия, автор подразделяет ЭМО на электромеханическое сглаживание (ЭМС), электромеханическое упрочнение (ЭМУ) и электромеханическое восстановление (ЭМВ). ЭМС характеризуется небольшими усилиями, деформирующими только микронеровности поверхности при небольшом тепловыделении, как правило, не приводящем к формированию белого слоя. Основной целью ЭМС является значительное снижение шероховатости поверхности.
Увеличение деформирующего усилия при одновременной интенсификации теплового воздействия приводит, наряду с пластической деформацией микронеровностей,к упругой деформации основного металла поверхностного слоя и разогреву его до температур, превышающих температуру фазового преврщения (Асз). Это характеризует ЭМУ, при .котором происходит формирование белого слоя на некоторую глубину поверхности.
И наконец, ЭМО с усилиями, приводящими к пластической деформации основного металла,приводит к его высадке и изменению размеров обрабатываемой поверхности, что отличает область ЭМВ.
Следует отметить, что деление ЭМО на указанные три области, в определенном отношении носит условный характер, т.к. элемент упрочнения поверхности в большей или меньшей степени присутствует и при ЭМС и при ЭМВ. В дальнейшем мы будем рассматривать только ту область ЭМО,которая относится упрочнению поверхности с формированием белого слоя.
Основное влияние на-образование белого слоя оказывают тепловые процессы. Рассматривая тепловые явления при электромеханическом уп-рочнении из большого числа действующих тепловых факторов Б.М.Аски-нази выделяет два основных тепловых источника. Это тепло от трения инструмента об обрабатываемую поверхность и тепло от прохождения электрического тока.
Большое внимание в работах [60, 61, 62] уделяется теоретическому описанию распределения температур в зоне контакта и их экспериментальному определению. Результаты проведенных исследований показывают, что поверхность контакта при режимах, соответствующих электромеханическому упрочнению, разогревается до температур, превышающих 1273 К, т.е. во всех случаях выше Асз для конструкционных сталей, что обеспечивает формирование белого слоя.
Высокотемпературный характер процесса ЭМУ позволяет рассматри вать его, как особый тип поверхностной термомеханической обработки, выделив следующие особенности процесса ЭМО: 1. Нагрев поверхностного слоя металла происходит от действия двух источников тепла: внешнего (теплота трения) и внутреннего (теплота, выделяемая током). Особенностью второго источника является то, что теплота, выделяемая током, создается одновременно и мгновенно во всех зернах поверхностного слоя. 2. Длительность нагрева и выдержки в зависимости от поверхности контакта и скорости обработки весьма кратковременна (измеряется сотыми и тысячными долями секунды). 3. Высокая скорость охлаждения определяется интенсивным отводом тепла от тонкого поверхностного слоя во внутрь холодной детали. 4. Тепловое и силовое воздействие на поверхностный слой осуществляется одновременно, а не последовательно. При этом, нагрев сопровождается действием значительных удельных давлений. Высокоскоростной характер теплового и силового воздействия на обрабатываемую поверхность приводит к существенному изменению структуры и физико-механических свойств поверхностного слоя в результате ЭМУ. Результаты исследований Е57] показывают, что ЭМУ приводит к значительному снижению шероховатости поверхности за счет сглаживания микронеровностей, что обеспечивает, наряду с эффектом упрочнения, повышение износостойкости поверхности. Наиболее существенное влияние на шероховатость поверхности оказывает деформирующее усилие. Как отмечалось выше, оптимальным для осуществления ЭМУ является усилие, вызывающее пластическую деформацию микронеровностей и упругую деформацию основного металла поверхностного слоя. Исходя из этих условий, в работе С63] предложен расчет усилия, применительно к ЭМУ, исходя из геометрии инструмента и обрабатываемой детали, прочностных свойств материала с учетом нагрева и высоты микронеровностей. Показано, что величина деформирующего усилия данного материала и заданной геометрии рабочего профиля изменяется в весьма узком интервале и практически не вависит от других режимов ЭМУ.
Исследование стойкости твердосплавного инструмента при электромеханической обработке деталей
Установка изготовлена на базе токарного станка мод. 16К20. Второй вариант установки изготовлен на базе токарно-винтового станка ДИП-500. Принципиальная электрическая схема установки представлена на рис. 2.1. Установка работает следующим образом.
При включении рубильника Qi напряжение подается на автомат выключения силовой цепи F1 и автомат выключения цепей управления F2. Через автомат выключения F2 напряжение 380 В подается на первичную обмотку тансформатора ТІ. Со вторичных обмоток трансформатора ТІ снимается напряжение 220 В цепи управления и напряжение 12В цепи управления. Схема установки позволяет осуществить работу в двух режимах: I - регулируемый; 2 - максимальный.
Рассмотрим работу установки в регулируемом режиме. При включении пакетного включателя S3 напряжение подается на обмотку магнитного пускателя КЗ.З, который замыкает свои силовые контакты КЗ.2, подавая напряжение на двигатель вентилятора Ml и блокирующий контакт К3.1, предназначенный для предотвращения включения силовых цепей схемы при не работающем вентиляторе Ml. При нажатии кнопки S4 "Пуск 220 В" напряжение подается на катушку контактора К1.3, который замыкает свои контакты К1.1, подавая напряжение на автотрансформатор Тз. Снимаемое с трансформатора регулируемое напряжение от 0 до 250 В подается через контакты 3 и 7 колодки XI на первичную обмотку силового трансформатора Тг. Снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Тг напряжение через выпрямитель V1-V4 подводится к инстументу и обрабатываемой детали. Своими контактами К1.4 контактор блокирует кнопку S4, а контактами К1.2 контактор размыкает цепь пуска 380 В, предотвращая возможность включения при работе установки в регулируемом режиме. Контроль напряжения и тока в рабочей цепи осуществляется вольтметром РИІ и амперметром PAI, зашунтированным шунтом .
Работа установки в максимальном режиме происходит при нажатии кнопки S2 "Пуск 380 В". Напряжение подается на катушку контактора К2.2. . При этом замыкаются силовые контакты К2.1 и напряжение 380 В, минуя автотрансформатор, подается на первичную обмотку силового трансформатора Т2 через контакты I и 7 колодки XI. Со вторичной обмоткой силового трансформатора Тг напряжение через выпрямитель VI-V4 подается на инструмент и обрабатываемую деталь. Своими контактами К2.3 контактор К2.2 блокирует кнопку S2, а контактами К2.4 размыкает цепь управления работой установки в регулируемом и максимальном режимах предназначены соответственно лампочки HI и Н2, включаемые контактами К2.5 и К1.5 контакторов К2.2 и К1.3. Включение силовых цепей как в регулируемом, так и в максимальном режимах осуществляется кнопкой S1 "Стоп", при размыкании которой обесточивается катушки контакторов К2.2 и К1.3. При этом, все их контакты возвращаются в исходное положение. С целью предотвращения срабатывания обеих цепей управления при одновременном нажатии кнопок S2 и S4, вторые пары нормально замкнутых контактов кнопок S2 и S4 осуществляют взаимную блокировку, цепей управления контакторами К1 и К2. На клеммной колодке XI силового трансформатора Т2 расположены контакты 4,5 и б дополнительных отводов силового трансформатора Т2, обеспечивающие возможность дополнительного регулирования напряжения и тока во вторичной обмотке при работе в максимальном режиме.
На рис. 2.2. представлен общий вид установки для ЭМО. Конструктивно электросиловая часть установки смонтирована в металлическом шкафу, на переднюю панель которого выведены органы управления (кнопки "Стоп", "Пуск 380 В" - пакетный выключатель вентилятора и "Пуск 220 В"), а так же рукоятка регулирования напряжения автотрансформатора Тз, сигнальные лампочки и приборы контроля. На задней стенке с наружной стороны шкафа установлен блок полупроводниковых выпрямителей VI - V4 , вентилятор для охлаждения блока вы-ыпрямителей и автотрансформатор Тз. Рабочее напряжение, снимаемое с клемм выпрямителя подается по кабельному проводу сечением 180 мм2 к инструментальной державке и контактному устройству. .
Для подвода напряжения вторичной обмотки силового трансформатора к обрабатываемой детали через вращающийся патрон токарного станка предназначено контактное устройство, конструкция которого показана, на рис. 2.3. Основными элементами контактного устройства являются электроконтактные щетки I, выполненные из меднографита МГ-6. Площадь контакта щеток с патроном токарного станка составляет 2000 мм2. Электроконтактные щетки установлены в направляющем кронштейне 3. Для осуществления электрического контакта с вращающимся патроном, в нем проточен кольцевой паз по ширине щеток и глубиной 1 мм. Поверхность контакта отполирована до Ra = 0,32 мкм. Между собой контактные щетки соединены штифтом 2, связанным с тягой 8, что позволяет с помощью рукоятки 9 отводить щетки от патрона токарного станка, предотвращая их износ во время обычных токарных операций. Для создания определенного усилия прижатия электроконтактных щеток к патрону токарного станка предназначен механизм, состоящий из пружин 4, винтов 5 и контргаек 6. Усилие прижатия регулируется винтами 5 и определяется из условия отсутствия искрения и перегрева щеток при их минимальном износе. Оптимальное удельное давление прижатия составляет 50 -100 МПа. Направляющий кронштейн 3 крепится болтом 10 через шарнир, состоящий иэ двух конических 11 и двух сферических 12 шайб, к промежуточному кроншнейну 13. Наличие такого шарнира позволяет точно выставить электротокарные щетки относительно патрона токарного станка. Промежуточный кронштейн 13 крепится болтами 20 к основанию 14 через изоляционные шайбы и прокладки 17, 18 и 19, выполненные из 4-х мм текстолита и обеспечивающие электрическую изоляцию электроконтактного устройства от станины станка. Основание 14 крепится на одной из направляющих станины станка винтами 15. Напряжение от вторичной обмотки силового трансформатора (или от выпрямителя) по шинам 21 подается на электроконтактные щетки и через патрон токарного станка проводится к обрабатываемой поверхности детали.
Для осуществления ЭМ0 наружных цилиндрических поверхностей деталей применялось универсальное однороликовое приспособление, разработанное на основе универсального однороликового приспособления для обкатки. Конструктивно приспособление выполнено в виде отдельного узла (рис. 2.4), устанавливаемого в резцедержателе токарного станка через электроизоляционные прокладки, выполненные из 4-х мм текстолита. Приспособление состоит ив цилиндрического корпуса 1 с кронштейном 2, предназначенным для крепления приспособления в резцедержателе. В корпусе 1 установлены предварительно протарированная пружина нагружения 3 и шток 4 с нагружающей гайкой 18. В штоке 4 установлены палец 5, на котором штифтом 17 крепится вилка 8 инструментальной головки. От проворота шток и палец удерживается шпонкой 6 и винтом 7. Шпонка б имеет возможность осевого перемещения в пазу корпуса при вращении нагружающей гайки 18. Связанная со шпонкой стрелка, таким образом, показывает по шкале, закрепленной на корпусе приспособления (на рис. не показаны), усилие сжатия пружины. Деформирующий ролик 11 через переходную втулку 10 устанавливается на ось 9, вращающуюся в подшипниках скольжения 12. От осевого перемещения ролик ограничен шайбами 13. К вилке 8 с помощью болта 14 крепится клемма 15, к которой по кабельному проводу 16 подводится рабочее напряжение и через подшипники скольжения подается на инструмент.
Тепловая стойкость поверхностного слоя конструкционной стали, упрочненной ЭМО
Как было показано в [79], основными факторами, определяющими условия формирования белого слоя на обрабатываемой поверхности, являются высокоскоростной нагрев локального объема поверхностного слоя с одновременной пластической деформацией и последующим быстрым охлаждением. Известно, С653 что выделение тепла в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью происходит в основном за счет действия трех тепловых источников: тепла, выделяемого при прямом прохождении электрического тока, определяемого по закону Джоуля- Ленца, тепла от трения и тепла от пластической деформации поверхностного слоя. В случае обработки поверхностей вращающимися роликом с небольшими усилиями обкатки тепло от трения и пластической деформации невелико по сравнению с теплом от электронагрева [56] и, в данном случае, им можно пренебречь. Таким образом, основным тепловым источником, ответственным за формирование белого слоя является Джоулево тепловыделение. Имеющиеся в литературе сведения [17, 63] рассматривают данный тепловой источник как постоянный по мощности, независимо от рода применяемого при ЭМО тока. Однако, применение переменного электрического тока, что наиболее часто имеет место на практике, обуславливает периодическое изменение подводимого к зоне контакта тепла, в соответствии с синусоидальным законом изменения переменного тока, что предопределяет ряд особенностей в формировании упрочненной поверхности и физико-механических свойствах поверхностного слоя материала, а в конечном счете, и в эксплуатационных свойствах упрочненных деталей С92].
Изучению качества поверхностного слоя материала, упрочненного ЭМО, посвящается в настоящее время достаточное количество работ. Предложены экспериментальные зависимости твердости поверхности от различных режимов ЭМО С56, 833, расчетные формулы для определения глубины упрочнения [65], исследовано влияние ЭМО на шероховатость поверхности [573, распределение остаточных напряжений в поверхностном слое [663, влияние ЭМО на дислокационную структуру материала [85] и ряд других вопросов. Однако, в большинстве работ физико-механические, в частности, прочностные свойства поверхностного слоя рассматриваются без учета тех особенностей в формировании структуры, которые имеют место при электромеханическом упрочнении переменным током [86]. Такой подход оказывается справедливым лишь в том случае, когда режимы ЭМО обеспечивают формирование сплошного белого слоя с постоянной глубиной упрочнения, что, в частности, может быть достигнуто снижением скорости обработки, величины продольной подачи или увеличением числа проходов. Эти мероприятия оказываются оправданными и весьма эффективными преимущественно в условиях ремонтного и мелкосерийного производства. Однако, условия массового производства часто не позволяют идти по пути снижения режимов ЭМО или увеличения числа проходов, так как это приводит к уменьшению производительности процесса ЭМО. Это обуславливает необходимость изучения прочностных свойств поверхностного слоя материала, упрочненного ЭМ0; в том случае, когда имеет место большая или меньшая степень структурной неоднородности обработанной поверхности.
Поверхностное упрочнение оказывает существенное влияние на структуру, фазовый и химический состав поверхностного слоя материала, что приводит к значительному изменению его прочностных свойств. Формирование при ЭМО на поверхности материала высокопрочной специфической структуры, так называемого "белого слоя" со свойствами, резко отличющимися от свойств основного материала, способно оказать большое влияние на поведение материала в эксплуатационных условиях. Все это требует тщательного изучения прочностных свойств поверхностного слоя упрочненного материала как непосредственно на поверхности, так и по всей глубине упрочнения.
Существует устойчивая корреляционная связь между прочностными свойствами конструкционных сталей и их твердостью (или микротвердостью). Это поволяет использовать метод микротвердости для изучения прочностных свойств поверхностного слоя материалов.
Измерение микротвердости поверхности проводилось на приборе ПМТ-3, снабженным приставкой для автоматического нагружения. Нагрузка на индентор составляла IH. Перед измерением поверхность образцов тщательно полировалась алмазными пастами и обезжиривалась. На каждом образце наносилось 10 отпечатков микротвердости, на основании измерения которых определялось среднее значение микротвердости упрочненной поверхности.
Оценка глубины упрочнения производилась методом измерения микротвердости на косом металлографическом шлифе, С91]. Отпечатки наносились перпендикулярно поверхности образца, начиная с расстояния 15 мкм от края через каждые 50 мкм (шаг измерения) до тех пор, пока размеры отпечатков не начинали соответствовать исходной микротвердости неупрочненного материала. Затем, по полученным данным строились графики Н = f(h), где h - расстояние отпечатка от края, мкм, по которым определялась глубина упрочненного слоя. Следует отметить, что поскольку все измерения проводились на косом шлифе, перед построением графика проводилось определение действительной глубины упрочнения с соответствующей корректировкой шага измерения.
На каждом образце производилось измерение трех линий отпечатков с подсчетом среднего значения глубины упрочнения.
Существенную роль в формировании эксплуатационных свойств деталей играет неоднородность распределения прочностных свойств поверхностного слоя материала по локальным микрообластям [85]. Известно, что характер распределения прочностных свойств по локальным объемам поверхности оказывает влияние на сопротивление материала абразивному изнашиванию [87], мало-и многоцикловую усталостную прочность [88,89,90] и др. характеристики материала.
Неоднородность прочностных свойств присуща как исходному состоянию материала, вследствие различных прочностных свойств, входящих в него отдельных фае, так и является результатом упрочняющей технологии, способной как к уменьшению, так и к увеличению уровня неоднородности прочностных свойств материала. Это предопределяет необходимость глубокого и детального изучения неоднородности распределения прочностных свойств по локальным объемам поверхностного слоя при упрочняющей обработке.
Оценка уровня неоднородности распределения поверхностных свойств проводились методом измерения микротвердости с последующей статистической обработкой большого числа (100 отпечатков на каждом образце) измерений. Отпечатки наносились на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор IH вдоль образующей цилиндрических образцов с интервалом 50 мкм.
За критерий неоднородности прочностных свойств принимался коэффициент вариации брк - среднее, квадратичное отклонение; Нср - средняя микротвердость поверхности, МПа; НІ - микротвердость 1-го локального объема поверхности, МПа; п - число измерений. На основании полученных данных строились экспериментальные кривые распределения прочностных свойств поверхностного слоя материалов, подвергнутых упрочняющей обработке.
Регуляризация структуры поверхностного слоя металла при ИЭМУ
Предложенная методика оценки распределения температур в поверхностном слое может быть использована при многих методах поверхностного упрочнения, таких как лазерная закалка, фрикционно-упрочняющая обработка, электрогидроимпульсная обработка и др.
Выводы к 3-му разделу 1. Установлено, что с увеличением содержания углерода в сплаве, повышаются прочностные свойства полученного в результате ЗМО белого слоя: следовательно, электромеханическое упрочнение более эффективно применительно к средне- и высокоуглеродистым сталям. 2. Показано, что микротвердость поверхности и толщина белого слоя определяется плотностью тока и скоростью обработки при ЭМО. При этом, прочностные свойства поверхности зависят от последействия теплового источника на сформировавшийся белый слой, определяя степень его вторичного отпуска, которая увеличивается с ростом плотности тока и уменьшением скорости обработки. 3. Отмечаются особенности ЭМО сталей, прошедших предварительно термообработку, которые заключаются в наличии разупрочненной припо верхнеостной зоны, которая является следствием вторичного отпуска материала при теплоотводе. Размеры разупрочненной зоны зависят от режимов предварительной термообработки. Наличие зоны с пониженными прочностными свойствами способно окавать влияние на эксплуатациейные свойства упрочненных изделий. 4. Проведена оценка влияния повышенных эксплуатационных температур на прочностные свойства полученного ЭМО белого слоя, которая показала, что в интервале исследованных температур прочностные свойства белого слоя уменьшаются с увеличением температуры, однако до температур порядка 200С остаются достаточно высокими,и ЭМО, таким образом, может успешно применяться для упрочнения деталей, работающих при повышенных температурах. 5. Разработана методика определения температурных полей в поверхностном слое конструкционных сталей при электромеханической обработке, основанная на зависимости микротвердости материала от температуры вторичного отпуска.
Рассмотренные особенности формирования структуры поверхностного слоя при электромеханическом упрочнении с использованием переменного тока промышленной частоты предопределяют в большей или меньшей степени неоднородность прочностных свойств упрочненной поверхности. Известно С843, что сопротивляемость поверхностного слоя разрушению в ряде случаев определяется свойствами отдельных микрообъемов поверхности материала, что, в частности, имеет место при работе трущихся пар. Поэтому, наряду с оценкой поверхностной твердости и глубины упрочнения, т.е. параметров осредненного характера, имеется практическая необходимость оценки уровня неоднородности распределения прочностных свойств по отдельным локальным объемам поверхностного слоя материала после электромеханического упрочнения [953. Результаты исследований распределения прочностных свойств на упрочненной ЭМО поверхности представлены на рис. 4.1 Как видно из приведенных графиков, в процессе электромеханической обработки характер распределения прочностных свойств по микрообъемам поверхностного слоя существенно меняется. Если в исходном состоянии разброс значений микротвердости незначителен и определяется структурной неоднородностью материала (микротвердость изменяется в пределах 2200 -2400 МПа; кривая 1.)» то после ЭМО картина существенно изменяется. Электромеханическое упрочнение с плотностью тока порядка 150 А/мм2, что при данной скорости обработки не обеспечивает подвода необходимого количества энергии для формирования белого слоя, т.е., по существу, сводится к упрочнению поверхностным пластическим деформированием, не приводит к значительному увеличению уровня локальной неоднородности прочностных свойств (кривая 2). Некоторое увеличение разброса значений микротвердости (в интервале 2500 - 3500 МПа), вероятно, можно объяснить! высокоскряос-пным характером пластической деформации, сопровождающейся окислительными процессами с выделением карбидных фаз. Дальнейшее увеличение плотности тока до значений порядка 200 А/мм2 приводит к формированию отдельных фрагментов белого слоя, что приводит к значительному увеличению разброса, значений микротвердости на упрочненной поверхности (микротвердость изменяет - 58 -ся в пределах 3500 - 800 МПа, кривая 3).
Повышение плотности тока до значений порядка 300 А/мм2 ведет к увеличению отдельных фрагментов белого сля и их взаимному перекрытию, что приводит к некоторому снижению уровня локальной неоднородности прочностных свойств упрочненной поверхности (микротвердость изменяется в пределах 5500 - 8000 МПа, кривая 4). При этом "ослабленные" области поверхности образуются вследствие вторичного отпуска материала по границе взаимного наложения отдельных фрагментов белого слоя.
С целью количественной оценки уровня локальной неоднородности прочностных свойств материала после электромеханического упрочнения подсчитывался коэффициент вариации (см. ф. 3.1). Результаты определения коэффициента вариации при различных режимах ЭМО сведены в таблицу 4.1. и на их основании построен график зависимости К = f(і), представленный на рис. 4.2.
Как видно из представленного графика, коэффициент вариации в области значений плотностей тока, не обеспечивающих формирование белого слоя, практически не изменяется и равен 0.053 - 0.061. Существенное увеличение коэффициента вариации до 0.37 отмечается в переходной области значений плотности тока, которая с точки зрения неоднородности прочностных свойств является наиболее неблагоприятной. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит некоторому снижению (К = 0.18) и стабилизация значений коэффициента вариации. Такой характер изменения коэффициента вариации свидетельствует о том, что формирование белого слоя на обрабатываемой поверхности носит дискретный характер, связанный с фазовыми превращениями, происходящими в упрочненном материале.
Таким образом, неоднородность прочностных свойств на поверхности материала, упроченного ЭМО, зависит от технологии обработки и обуславливается особенностями формирования структуры поверхностного слоя при электромеханическом упрочнении переменным током. Управляя режимами ЭМО, можно направленно формировать поверхностный слой с определенным уровнем неоднородности прочностных свойств в зависимости от конкретных условий эксплуатации деталей. Так, хорошо известно, что к значительному снижению уровня локальной неоднородности прочностных свойств ведет увеличение числа проходов при ЭМО [56],
