Содержание к диссертации
Введение
1- Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1. Анализ способов получения градиентных композиционных материалов на алюминиевой матрице 10
1.2. Анализ применения градиентных композиционных материалов для изготовления деталей типа «втулка» 15
1.3. Анализ работ, полученных в области электромеханической обработки металлов и сплавов 23 1.3.1 Влияние электромеханической обработки на физико-механические и эксплуатационные свойства деталей машин 24 1.3.2. Влияние технологических режимов электромеханической обработки на качественные показатели формируемого слоя 30
1.4. Выводы по первой главе и задачи исследований 32
2. Теоретические исследования 35
2.1. Обоснование выбора способа получения втулок из градиентных композиционных материалов на алюминиевой матрице 35
2Л. 1. Технология центробежного литья 35
2.1.2. Формировшше слоев с повышенным содержанием армирующих частиц под действием центробежной силы 37
2.1.3. Выбор оси вращения заготовки 39
2.2. Теоретические основы применения отделочно-упрочияющей электромеханической обработки втулок из градиентных композиционных материалов на алюминиевой матрице после центробежного литья 44
2.2.1. Определение оптимального усилия в зоне контакта и математическая модель теплового источника при отделочно-упрочняющей электромеханической обработке резьбы - 46
2.3. Выводы по второй главе 49
3. Методика исследований 51
3 Л. Структура исследований 51
3.2 Методика исследований 5 2
3.3. Образцы для исследований к инструмент 53
3.4. Экспериментальная установка, приборы и оборудование 55
3.4.1. Экспериментальная установка дая центробежного литья 55
3.4.2. Методика проведения испытаний на трение и износ втулок после центробежного литья 56
3.4.3. Экспериментальная установка для финишной электромеханической ' обработки втулок из градиентных композиционных материалов 59
3.5 Методика лабораторных исследований 60
3.5.1. Методика металлографических исследований структуры втулок после центробежного литья * 60
3.5.2 Методика измерения шероховатости поверхности втулок после электромеханической обработки 61
3.6. Выводы по третьей главе 63
4. Результаты экспериментальных исследований 64
J 4,}. Исследование микроструктуры поверхностноіх) слоя 64
4.2. Изучение структуры, состава, физико-механических, технологических свойств образцов^ изготовленных методом центробежного латья 77
4.3. Результаты сравнительных испытании на износостойкость 81
4.4. Результаты триботехнических испытаний 83
4.5. Влияние финишной электромеханической обработки на шероховатость и ташуру вошшш ьтупок иг градаенгсных. тамшгудиожых. штефиааон %&
і
4.6. Выводы по четвертой главе 91
5. Разработка технологии изготовления и финишной электромеханической обработки втулок из градиентных композиционных материалов 93
5.1. Технология изготовления втулок 93
5.2. Основные правила при выполнении процесса финишной электромеханической обработки втулок из градиентных композиционных материалов 100
5.3. Выводы по пятой главе 105
Глава 6. Эффективность исследований 106
6.1 Технико-экономическое обоснование применения технологии финишной электромеханической обработки втулок из градиентных композиционных
Материалов на алюминиевой матрице 106
Общие выводы и рекомендации 111
Литература
- Анализ применения градиентных композиционных материалов для изготовления деталей типа «втулка»
- Формировшше слоев с повышенным содержанием армирующих частиц под действием центробежной силы
- Экспериментальная установка, приборы и оборудование
- Изучение структуры, состава, физико-механических, технологических свойств образцов^ изготовленных методом центробежного латья
Введение к работе
Известно, что одной из проблем современного сельскохозяйственного машиностроения является износ деталей машин в парах трения скольжения. Около 80 — 90% механизмов выходят из строя из-за изнашивания сопрягаемых деталей. Ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышает их стоимость. В этой связи особое внимание уделяется работам по созданию новых антифрикционных материалов, в том числе композиционных материалов (КМ), в которых искусственно объединены высокопластичные металлические матрицы, например сплавы алюминия, и высокопрочные, высокомодульные наполнители. При таком сочетании фаз достигаются значительное повышение несущей способности материалов трибосопряжений, высокая износостойкость и задиростойкость, стойкость против абразивного изнашивания [11, 113]. Преимуществами алюминиевых сплавов в качестве матриц КМ являются высокие показатели теплопроводности, теплоемкости, высокие технологические свойства. Армирующие наполнители с резко отличной от матрицы твердостью не только повышают износостойкость КМ, но и выполняют роль поддерживающих опор, снижают коэффициенты трения в широком диапазоне параметров нагружения [113].
Возможность регулирования трибологическими свойствами КМ достигается за счет выбора матричных сплавов с различным уровнем прочности и пластичности* введения в матрицу наполнителей различной природы, объемного содержания и размера; последующей термической или термомеханической обработки КМ-. ГІри этом наблюдается изменение таких физико-химических процессов на контактных поверхностях, как пластическое деформирование, тепловые эффекты, химические реакции, в том числе циклические ре^кЦйй "окисление-восстановление"; разрушение межфазных связей частицаУматрица, дробление и перераспределение частиц,
механическое легирование поверхностных слоев, приводящее к образованию "третьего тела" [116].
Получение градиентных композиционных материалов (ГКМ) с высоким содержанием армирующего компонента на поверхности детали, обладающих повышенной износостойкостью, нагрузочной способностью и фрикционной теплостойкостью, позволяет применить метод центробежного литья для изготовления градиентного композиционного материала на основе матрицы из алюминиевого сплава АК12, армированной керамическими частицами различной природы и состава. КМ на основе металлической алюминиевой матрицы имеют большой потенциал применения в легковестных деталях автомобилей, тракторов, комбайнов и других сельскохозяйственных машин. При этом износостойкость ГКМ значительно выше, чем подшипниковых бронз или антифрикционных силуминов. Помимо улучшения технических характеристик многих ответственных деталей, использование КМ на базе алюминиевых сплавов способно обеспечить 20...30 % экономию массы деталей. Широкое применение получили детали типа «втулка». Структура поверхностного слоя ГКМ влияет на износостойкость контртела, так как армирующие элементы ГКМ, повышая твердость поверхностного слоя с одной стороны, могут привести к микрорезанию контртела' при испытаниях на износ. Механическая обработка деталей из ГКМ не позволяет получить оптимальную микрогеометрию, твердость и плотность поверхности. Эффективным направлением, позволяющим одновременно повышать твердость и улучшать микрогеометрию поверхностного слоя, является отделочно-упрочняющая ' электромеханическая обработка (ОУЭМО) [111].
Новая мировая стратегия в автомобилестроении содействует использованию альтернативных материалов для применения в легковестных деталях автомобилей;, отливок для подвесок, шасси, приводов и в деталях транспортных средств, а также для применения изделий и заготовок для изготовления современных частей автомобилей.. Поэтому ГКМ на основе
» ш
1 г
металлической алюминиевой матрицы и другие материалы на основе алюминия имеют большой потенциал
Целью диссертационной работы является разработка технологии повышения износостойкости деталей типа «втулка», изготовленных из градиентных композиционных материалов центробежным литьем на основе матрицы из алюминиевого сплава АК12, армированной керамическими частицами различной природы, состава и упрочненных электромеханической обработкой.
Научная новизна работы. I. Предложен метод получения градиентных композиционных материалов на основе матрицы из алюминиевого сплава АК12 для изготовления втулок.
Теоретически обосновано направленное перемещение дисперсных частиц армирующей фазы АЬОз, SiC? графитизированного углерода, базальта в поверхностные, наружные слои втулок из градиентных композиционных материалов на основе матрицы из алюминиевого сплава АК12.
Исследовано влияние состава, структуры и свойств градиентных композиционных материалов на износостойкость и трибологические характеристики в сравнении с маркой стали 40Х,
4.Установлена закономерность влияния технологических параметров финишной электромеханической обработки на структуру, микротвердость, шероховатость, коэффициент трения и износостойкость наружной поверхности втулок.
Практическая значимость: I. Разработана технология получения лтулок из градиентных композиционных материалов для различных композиций*.
2. Разработан технологический процесс финишной
электромеханической обработки втулок из градиентных композиционных
материалов, полученных методом центробежного литья.
3. Результаты, полученные в ходе исследований, используются в
учебном процессе ФГОУ ВПО «Московский государственный
агроинженерный университет имени В;П. Горячкина», что отражено в
лекциях для студентов специальностей «Сервис и техническая эксплуатация
транспортных и технологических машин и оборудования АПК» по курсам
> «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов».
Реализация: результатов: исследований: Результаты исследований внедрены: на НПК «Прецизион» при изготовлении втулок для ремонта двигателей и используются в. учебном процессе ФГОУ ВП0 «Московский государственный агроинженерный v университет имени: B;FL Горячкина» при подготовке инженеров для предприятий АПК.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением современных средств, и. методик проведения исследований: Для проведения- исследований использовали:: оптические микроскопы «Neophot-31»,. «Leica» Япония, «Axiovert 40 МАТ» фирмы. «Єагі Zeiss», Германия, растровый электронный микроскоп РЭМ-100У. Измерения твердости и микротвердости проводили с помощью твердомера Woipert 930N (ШЛО), ультразвукового твердомера MET-Y1 (ТУ 4271-001-18606393-00) Испытания на сухое трение проводили на установке-МТУ-01 ТУ 4271-001-29034600-2004.. Обработку информации проводили с использованием видеокамеры Махіго ТС — 300, персонального компьютера и современных программных средств.
Положення* выносимые на защиту:
- анализ и обобщение экспериментальных и теоретических данных по
методам получения градиентных композиционных материалов, получению
необходимого состава смесей и заданных коііцеїітраций;
— исследование взаимосвязи, состава, структуры и свойств градиентных
композиционных материалов; параметров технологического процесса
центробежного литья для получения втулок;
- разработка технолшйчесіШх режимов ФЭМО поверхности деталей
цилиндрической формы после центробежного литья;
— разработка схемы и устройства для ФЭМО втулок;.
> I .
I.
- оценка микротвердости, износостойкости и шероховатости
обработанной поверхности градиентных композиционных материалов после ФЭМО в зависимости от режимов литья и состава композиции.
Апробация работы: Основные положения диссертации доложены и обсуждены на четвертой Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизация изделий» 18 — 22 сентября 2006 г. Жуковка, Большая Ялта, автономная республика Крым, Украина; на V конференции молодых научных сотрудников и аспирантов,
ИМЕ'Г им. А.А.Байкова РАИ, 2006 г; на IV НТК материаловедческих
»
обществ России «Новые градиентные и слоистые композиты», 21-24 ноября 2006, Ершово, Москва; на 27-й научно-практической конференции* с международным участием и блиц-выставке «Композиционные материалы в
, промышленности» (СЛАВПОЛИКОМ), май — июнь 2007 г., г. Ялта, Крым, Украина; на 2-й Международной молодежной научно-технической конференции "Молодежь в авиации: новые, решения и перспективные технологии", 12-16 мая 2008 г, АР Крым, г. Алушта; МНТК ФГОУ ВПО МГАУ в 2007...2009 гг.; на VI конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН ноябрь 2008 г.
Публикации: Результаты исследований опубликованы в 14 печатных работах, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК и 5 патентах на изобретения. Общий объем печатных работ составляет 6,56 п.л.,
. из них 1,55 п.л. принадлежит лично соискателю;
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 6 глав, приложения, списка литературных источников из 150 наименований, включает 28, таблиц, 52 рисунка. Содержание работы изложено на 143 страницах машинописного текста.
Анализ применения градиентных композиционных материалов для изготовления деталей типа «втулка»
В некоторых же случаях выделяли две зоны: зону богатую частицами и зону без частиц. Причиной такого распределения является различие в плотностях частиц и расплава. На распределение частиц влияег температура расплава при заливке, скорость охлаждения, плотность керамических частиц и жидкого алюминиевого сплава и величина центробежного ускорения. [169, 170].
Существуют работы рассматривающие вопрос влияния величины центробежного ускорения на распределение частиц в расплаве. Ученые сделали снимки поведения- частиц в расплаве алюминия при различных скоростях вращения барабана. Выяснили, что с увеличением частоты вращения частицы быстрее притягиваются к стенке барабана [ 165].
Однако для получения градиентного слоя методом центробежного литья с требуемыми механическими характеристиками недостаточно . правильно подобрать параметры литья, температуру расплава при заливке, температуру нагрева формы, скорость охлаждения и другие технологические параметры. Большое влияние на качество получаемого КМ также оказывают такие факторы, как природа армирующих частиц, их плотность, способность к смачиванию, форма и размер. Ватанаба и Фукуи [162, 173] провели анализ микроструктуры и механических свойств ГКМ, изготовленных методом центробежного литья, определили градиент распределения дисперсных компонентов в композициях Al/SiC, AI/AI3T1, AI/AI3NL Исследование показало, что частицы SiC под действием центробежной силы двигаются по направлению к внешней части отливки (из-за плотности частиц большей, чем плотность расплава матрицы). Такое же поведение было обнаружено и у частиц Al3Ti. Анализ микроструктуры и измерения твердости показали, что с увеличением объемной доли частиц в матрице, увеличивается твердость материала на внешней стороне отливки. Эффект градиента композиции на фрактограммах не четкий. Однако градиент композиции влияет: на траекторию излома, что может увеличивать прочность материала. Анализ ГКМ Al/SiC показал, что термические, внутренние напряжения увеличиваются с возрастанием градиента композиции. Сообщается об изменении твердости матрицы в направлении градиента композиции. Определены механические свойства, такие как Модуль Юнга, внутреннее трение ГКМ Al/AI3Ni, который получен по технологии in-situ, то есть с образованием интерметаллидов во время затвердевания ГКМ. Исследован рост усталостных трещин в ГКМ состава Al/A Ni полученных методом in-situ. Определено поведение при износе ГКМ А1/А13Ті. Степень износа образцов АІ/АІзТі была, более низкая, чем у чистого алюминия.
Най и др. проанализировали влияние различных армирующих частиц, таких как SiC, AI2O3, ТіС на изменение механических свойств ГКМ с алюминиевой матрицей. Кроме этого выполнен анализ уровня пористости и износа этих ГКМ. Результаты для КМ состава Al/SiC и А1/А12Оз, показали увеличение в процентном соотношении веса армирующих элементов на поверхности, в результате чего увеличивается пористость и микротвердость. Противоположная тенденция наблюдалась у КМ состава А1/ТІС. Термомеханический анализ ГКМ показал, что средний коэффициент термического расширения высокоармированной части отливки ниже, чем той части отлинки, где частиц нет [149].
Влияние формы и размеров частиц на свойства ГКМ, получаемого методом центробежного литья, также обсуждается многими исследователями. Так, Велихико и др. [168] исследовали влияние размера частиц на их распределение в материале. В этой работе частицы SiC различных размеров были введены в алюмоматричный КМ, который был расплавлен и центробсжио отлит для того, чтобы изготовить ГКМ. Они обнаружили, что чем больше размер частиц, тем выше уровень твердости- на поверхности материала.
Влияние геометрии частиц на скорость проникновения;, энергию поверхностного натяжения и ориентацию частиц различной формы при прохождении через расплав изучили Рингер и Козиак [150]. Рассматривались частицы кубической, сферической, эллипсоидной и дисковой формы. Выяснили, что хотя результаты испытаний для частиц сферической формы достаточно просты и геометрически предсказуемы, однако, периметр контакта между границей пленки, через которую пропускалась частица, и частицами других форм, — сложный и часто не лежащий в одной плоскости с частицей. Искривление границы частицы также сложное, часто отражается двойной изгиб с противоположным знаком.
Торий и др. [165] исследовали перемещение и вращение волокон углерода в расплаве в процессе центробежного литья при различных скоростях вращения на экспериментальной установке (рисунок 1.2). В первом эксперименте объемная доля волокон была очень мала. Каждое волокно двигалось независимо и не взаимодействовало с барабаном. При движении волокна к стенке вращающегося барабана оно ориентировано случайно, при дальнейшем движении волокно притягивается к стенке барабана центробежной силой. В это время момент вращения действует на оба конца волокна по-разному, так как центробежная сила во вращающемся . барабане увеличивается в радиальном направлении.
Формировшше слоев с повышенным содержанием армирующих частиц под действием центробежной силы
Метод центробежного литья предложен для получения ГКМ на базе алюминиевых сплавов, армированных керамическими частицами; Поверхностные слои с повышенной концентрацией армирующей фазы различной природы и состава предполагается организовать за счет направленного перемещения дисперсных частиц в жидкометаллической суспензии.
Известно, что перемещение дисперсных частиц в поле действия центробежных сил определяется их плотностью. Твердые дисперсные частицы, имеющие плотность большую, чем матричный алюминиевый сплав, перемещаются к наружной стенке формы (изложницы), менее плотные — к оси вращения, на свободную поверхность (во внутреннюю часть отливки).
Дисперсная частица, погруженная в жидкий металл и вращающаяся вместе с ним, находится под действием силы гидростатического давления, направленной к оси вращения и- равной центробежной силе, развиваемой вытесненным объемом расплава.
Подъемная сила, действующая на частицу, является равнодействующей элементарных подъемных сил и приложена в центре сил инерции вытесненного объема расплава. При этом центр тяжести и центр инерции не совпадают.
Соответствующая закону Архимеда зависимость для вращающейся системы выразится уравнением: Рц = co2Vr(p4 - рм) - 2Vr/g (уч - у Д (2.6) где Р„ - центробежная сила, действующая на частицу, г; рч и рм -соответственно плотность частицы и жидкого металла, г-сек /см; g — ускорение свободного падения, см/с2; V - объем дисперсной частицы, см3; г -радиус центра сил инерции частицы и радиус центра сил инерции вытесненного объема жидкого металла, в случае когда тело имеет однородную плотность, см; со - угловая скорость вращения, сек"1.
Из уравнения (2.6), находим, что силы, действующие на частицу, погруженную во вращающийся расплав, возрастают в k = co2Vr/g раз. Наиболее часто при центробежном литье гравитационный коэффициент К изменяется от 30 до 100. Также из уравнения видно, что сила, действующая на частицы при центробежном литье, увеличивается с увеличением плотности частиц помещенных в расплав.
Метод центробежного литья предложен для получения ГКМ на базе алюминиевых сплавов, армированных керамическими частицами; Поверхностные слои с повышенной концентрацией армирующей фазы различной природы и состава предполагается организовать за счет направленного перемещения дисперсных частиц в жидкометаллической суспензии.
Известно, что перемещение дисперсных частиц в поле действия центробежных сил определяется их плотностью. Твердые дисперсные частицы, имеющие плотность большую, чем матричный алюминиевый сплав, перемещаются к наружной стенке формы (изложницы), менее плотные — к оси вращения, на свободную поверхность (во внутреннюю часть отливки).
Дисперсная частица, погруженная в жидкий металл и вращающаяся вместе с ним, находится под действием силы гидростатического давления, направленной к оси вращения и- равной центробежной силе, развиваемой вытесненным объемом расплава.
Подъемная сила, действующая на частицу, является равнодействующей элементарных подъемных сил и приложена в центре сил инерции вытесненного объема расплава. При этом центр тяжести и центр инерции не совпадают.
Соответствующая закону Архимеда зависимость для вращающейся системы выразится уравнением: Рц = co2Vr(p4 - рм) - 2Vr/g (уч - у Д (2.6) где Р„ - центробежная сила, действующая на частицу, г; рч и рм -соответственно плотность частицы и жидкого металла, г-сек /см; g — ускорение свободного падения, см/с2; V - объем дисперсной частицы, см3; г -радиус центра сил инерции частицы и радиус центра сил инерции вытесненного объема жидкого металла, в случае когда тело имеет однородную плотность, см; со - угловая скорость вращения, сек"1.
Из уравнения (2.6), находим, что силы, действующие на частицу, погруженную во вращающийся расплав, возрастают в k = co2Vr/g раз. Наиболее часто при центробежном литье гравитационный коэффициент К изменяется от 30 до 100. Также из уравнения видно, что сила, действующая на частицы при центробежном литье, увеличивается с увеличением плотности частиц помещенных в расплав. В таблице 2.1 приведены значения Д = -уч - У м Для алюминиевого сплава АК12 (удельный вес у м = 2,67 г/см3) и различных частиц, используемых для получения КМ. Отсюда следует, что подъемная сила частиц графита, SiC 2, В4С имеет отрицательный знак, что объясняет их перемещение к свободной внутренней поверхности при вращении жидкого расплава. Основная часть армирующих частиц, находящихся во вращающемся расплаве, согласно таблице 2.1, будет стремиться к перемещению в сторону стенок изложницы (Рисунок 2.1). С]4 SJC.AI О,"ПСТгС.Базальт. Рисунок 2.1 — Распределение армирующих частиц по f} ширине втулки в зависимости ш от положение оси вращения: )афит.ЗЮа.В4С. а) вертикальная ось вращения; б) горизонтальная а) о) ось вращения. Известно также, что если инородное включение в момент заливки жидкого металла касается стенки формы, то оно прижимается жидким металлом к ней и не всплывает, несмотря на меньшую плотность. Необходимо также учитывать транспортные функции частиц разной плотности. Это создает возможности синтезирования ГКМ методами литья с различной степенью армирования.
Необходимо коротко остановиться на тех допущениях и предпосылках, которые должны быть приняты при теоретическом определении формы свободной поверхности вращающейся жидкости.
Основное допущение заключается в том, что все частицы жидкости имеют одинаковую угловую скорость, равную угловой скорости формы. В этом случае можно считать, что вращающийся металл находится в относительном: покое. Сделав .такое: допущение, можно воспользоваться для определения формы свободной поверхности.уравнением гидростатики; При вращении вокруг вертикальной оси принятое допущение полностью совпадает с действительностью. Правда, во время заливки и сразу же после нее жидкость не имеет одинаковой:угловой скорости во всех слоях и лишь постепенно увлекается формой. Однако, спустя некоторое время;. углопая-скорость выравнивается, и. жидкость приходит в состояние относительного покоя.
При вращении вокруг горизонтальной: оси- угловая: скорость: частиц: жидкости не может быть постоянной:, сила тяжести складывается с центробежной силой таким образом, что дает результирующую силу, которая в течение каждого оборота формы-изменяется по величине и направлению; Пульсация- силы приводит к пульсации- угловой скорости жидкости- и; следовательно, нельзя считать,, что жидкость находится в состоянии относительного покоя.. При вращении жидкости вокруг наклонной оси пульсацию угловой скорости вызывает не вся сила тяжести, а только та ее составляющая, которая расположена в плоскости, перпендикулярной к оси вращения.
Другая составляющая силы тяжести, направленная параллельно оси вращения всегда одинаково ориентирована по отношению к центробежной . силе и при сложении с ней дает равнодействующую, постоянную по величине и относительному направлению;
Экспериментальная установка, приборы и оборудование
Эксперименты проводились на опытно - экспериментальной установке центробежного литья, позволяющей производить заливку, как с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения (рис. 3.3). Установка представляет собой сварную пространственную раму 1, закрытую стальным кожухом 2. Стальная изложница 3 посредством резьбового соединения крепится на ведомый шкив 4, соединенный клиноременной передачей 5 с ведущим шкивом 6 электродвигателя 7. Металл в изложницу заливается через воронку 8 при вертикальной оси вращения или через желоб, закрепленный на крышке 9, при горизонтальной оси вращения. Имеется возможность плавного регулирования скорости вращения изложницы в пределах 200 - 2000 мин"1 путем увеличения или уменьшения входного напряжения электродвигателя.
Необходимая скорость вращения изложницы устанавливается с помощью строботахометра.
Испытания на сухое трение проводили на установке МТУ-01 (ТУ 4271 -001-29034600-2004) (рисунок 3.4). Схема контакта: торец вращающейся втулки 0нар15,8мм и 0В„11,9мм скользит по неподвижной шайбе 03Омм(рисунок 3.5). Момент трения регистрировали тензодатчиком, с графическим отображением его изменения на мониторе. На электронных весах определяли изменение веса испытуемых образцов. Точность взвешивания ± 0,5-10" г. Контртело изготавливали из стали 40Х. Скорость вращения втулки 540 об/мин (0,37 м/с) (рисунок 3.5). Осевую нагрузку изменяли в пределах от 18 до 50 Н. Исследования проводили для градиентного образца и образца с однородным распределением армирующих частиц по объему материла, изготовленного методом гравитационного литья в кокиль, при одинаковых условиях (одинаковых нагрузках и длительности нагружения t = 10 мин). Испытания проведены на воздухе при температуре 20 ± 1С и влажное їй 60±4%. Момент трения фиксировали с помощью датчика.
Анализ потери массы испытываемого образца (КМ) и контртела (взвешивание, датчики линейного изменения размеров) Дт=ггіі-т2, (3.1) где ті, ліг - масса образца до и после испытания Определение трибологических параметров: Коэффициент трения определяли по формуле f=M/Rcp-F, (3.2) где М - момент трения; Rcp - средний радиус втулки; F - нагрузка. Интенсивность объемного изнашивания Iv определяли как 1у = ДтаЛ.7, (3.3) где L - путь трения, у - удельный вес, г/см3. По формуле Archard рассчитывали безразмерный коэффициент износа: К=Щ/Р, (3.4) где Н- твердость материала, Р - приложенная нагрузка. Показатель разброса значений коэффициента трения q=(f max - f min)/f ср. (3.5)
На растровом электронном микроскопе провели анализ поверхности трения, а также изучили морфологию и состав продуктов изнашивания (дсбриса).
Электромеханическое упрочнение проводилось на токарно-винторезном станке модели 1К62 с автоматическим перемещением суппорта в горизонтальном направлении, что позволяло изменять скорость ФЭМО в исследуемых интервалах. В качестве источника тока применялась установка ЭМО с аппаратурой регулирования электрических параметров приборами контроля, управления и защиты, объединенными в одной конструкции. Таблица 3.3 - Техническая характеристика установки электромеханической обработки
Для оценки качества и прогнозирования работоспособности поверхности втулок необходимо провести металлографические исследования полученной структуры втулок, изготовленных при различных режимах центробежного литья.
Для проведения металлографических исследований из втулок из ГКМ изготавливали микрошлифы по методике в соответствии с ГОСТ 2789 - 73. Металлографический анализ на этапе пробоподготовки производили на оптическом микроскопе «Neophot 31». Далее готовые шлифы исследовались на оптических микроскопах «Leica» и «Axiovert 40 МАТ» фирмы «Carl Zeiss», так как они позволяют получать фотографии микроструктуры с отпечатками при помощи видеокамеры Махіго ТС - 300, установленной вместо окуляра и соединенной через порт USB с персональным компьютером. Изображение г выводилось непосредственно на экран монитора, получеігньїе снимки в графическом формате сохранялись на жесткий диск компьютера на программном обеспечении ООО «Митела» - Vectra. Расчет процентного содержания армирующих частиц по высоте и толщине втулок, замеры размеров армирующих частиц также проводились с помощью программы Vectra.
Проведены измерения твердости образцов на твердомере Wolpert 930N методом Виккерса (HV10), и с помощью микротвердомера ПМТ — 3 квадратной алмазной пирамидкой с углом при вершине 136. Нагрузка на индентор составляла 0,5 и 1,0 Н. При проведении испытаний измеряли . диагональ отпечатков и определяли микротвердость по табличным данным, приведенным в паспорте прибора, и по формуле: Р а Р Р опт где: Р - нагрузка, Н;. а - угол при вершине алмазной пирамидки; d - диагональ отпечатка, мкм.
Измерение микротвердости производили через 25 мкм между цептрами отпечатков вдоль зоны соединения и от поверхности вглубь основы металла. Значение микротвердости определялось по результатам усреднения 10...15 замеров.
Изучение структуры, состава, физико-механических, технологических свойств образцов^ изготовленных методом центробежного латья
Условия эксплуатации втулок и технические требования к ним различны. Качество таких деталей определяется комплексом свойств: точность геометрических размеров, шероховатость и физико-механические свойства. Оптимальное соотношение вышеперечисленных показателей определяет эксплуатационные требования: износостойкость, усталостную прочность, прочность на срез и смятие, коррозионную стойкость, сопротивление хрупкому разрушению. Детали, упрочненные на высокую твердость, как правило, характеризуются недостаточной вязкостью и малым сопротивлением переменным нагрузкам. В условиях основного производства, при выборе схемы обработки, данное обстоятельство стараются учитывать. Изготовление специальной оснастки и приспособлений, для обработки единичной детали, экономически, не всегда оправдано. На каждой из стадий изготовления и обработки втулки возможно появление некачественной поверхности. Так, при центробежном литье возможно образование микротрещин, пористости, рост исходного зерна металла и других. В современных условиях управлять процессами получения, токарной обработки, шлифования, даже в одной партии деталей, не удается. Это приводит к получению втулок с отклонениями от технических требований, и как следствие, к снижению срока службы машин и механизмов.
Решить проблему повышения срока службы деталей можно, применив финишную электромеханическую обработку, как наиболее прогрессивный технологический процесс повышения усталостной прочности в поверхностном слое, создания сжимающих остаточных напряжений.
Процесс электромеханической обработки реализуется при пропускании через зону контакта детали и деформирующего электрода-инструмента (ролика или пластины) электрического тока большой плотности (10 - 10 А/м2 ) и низкого (0,1 - 6 В) напряжения, движущихся с определенными скоростью и подачей. При этом в результате выделения большого количества Джоулева тепла, происходит высокоскоростной нагрев локального микрообъема поверхности с одновременным его пластическим деформированием и последующее интенсивное охлаждение за счет отвода тепла вглубь металла. В результате такого термомеханического воздействия на поверхности материала формируется упрочненный «белый слой». Для алюминиевых сплавов были подобраны специальные режимы ФЭМО, так как твердость и изменение структуры в поверхностных слоях градиентных композиционных материалов происходит не под действием температурных полей, а в большей степени за счет армирования алюминиевого сплава частицами армирующей фазы А120з , SiC, графитизированного углерода, базальта в поверхностные, наружные слои втулок из градиентных композиционных материалов на основе матрицы из алюминиевого сплава АК12. Применение финишной электромеханической обработки позволяет значительно изменить микрогеометрию поверхностного слоя втулок.
При выборе метода обработки деталей, необходимо исходить из следующих особенностей и преимуществ электромеханической обработки перед другими способами: - возможность обработки ограниченных участков, без термомеханического воздействия на остальные поверхности детали; - индивидуальный подход к каждой конкретной поверхности, с учетом схемы нагружения и условий эксплуатации; - возможность обработки пустотелых и длинных нежестких деталей при минимальном уровне термического воздействия; - обработанные поверхности имеют высокое качество, их отличает однородность структуры и механических свойств по сечению и длине поверхности; используя оборудование и совершенствуя оснастку для электромеханической обработки можно получать изделия различной конфигурации и типоразмера; — экологическая чистота и электробезопасность процессов.
Процесс ФЭМО производится на токарно-винторсзных станках моделей 1К62, 1М63, 165 или на специальных модулях. Операции выполняются при использовании следующего оборудования и оснастки: экспериментальной установки электромеханической обработки (УЭМО); державки телескопической или специального приспособления; электроконтактного устройства (ЭКУ); силовых токолодводящих кабелей; инструмента. Применительно к условиям серийного производства — экспериментальная установка, одно, двух или трехроликовое приспособление, силовые токоподводящие кабели или набор медных шин, комплект инструмента. Установка электромеханической обработки предназначена для выполнения операций упрочнения и восстановления поверхностей деталей и может быть использована в условиях ремонтного, единичного или серийного производства. В ней находится специально переконструированный трансформатор с аппаратурой регулирования электрических параметров, приборами контроля, управления и защиты, объединенные в одной конструкции. На лицевой панели установки смонтированы: переключатель ступенчатого регулирования, кнопочная станция, маховичок регулятора напряжения или автотрансформатора, приборы контроля и наблюдения.
