ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 6, 2004
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 669.419:539.4
© 2004 г. Володин Т.В., Карасев A.B., Володин В.Л., Гайдук В.В., Роккель В.Р.
ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ И ИНСТРУМЕНТА ИМПУЛЬСНЫМ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Рассмотрено влияние воздействия импульсных разрядов энергии конденсаторных батарей на структуру и свойства металлических материалов, помещенных в переменное магнитное поле индуктора. Показано, что такое магнитно-импульсное упрочнение благоприятно влияет на структуру исследуемых инструментальных сталей и приводит к повышению статистической, динамической, малоцикловой и контактной прочности. Рассматриваемое воздействие повышает износостойкость, теплостойкость сталей и эксплуатационные свойства инструмента.
В работах [1, 2] исследовалось влияние импульсных воздействий на прочность металлических и биметаллических материалов. Рассматриваемые воздействия на поверхности сталей получали импульсным разрядом энергии блока конденсаторов на образцы и изделия, помещенные в переменное магнитное поле индукторов [3].
В настоящей работе представлены данные о влиянии такого воздействия на прочность и эксплуатационные характеристики инструментальных сталей Р18, Р6М5, широко применяемых в современном производстве для изготовления различного инструмента. Исследовали образцы и инструмент в состоянии поставки (прокат из слитков массой 500 кг) в отожженном состоянии со структурой сорбитообразного перлита с химическим составом и механическими свойствами согласно табл. 1 и 2. Магнито-им-пульсное упрочнение (МИУ) поверхностей этих образцов и инструмента проводили с помощью установок с варьируемыми параметрами воздействия: энергоемкость 10100 кДж, период разряда 20-100 мкс, максимальное напряжение заряда 6-20 кВ, максимальная амплитуда разрядного тока 200-800 кА; параметры разрядной цепи: емкость 800-2800 ± 10%, собственная индуктивность не более 10-48 нГн, внутреннее сопротивление не более 1,5-6,5.
Масляно-абразивный износ проводили на специальной установке типа СТМ на паре трения кольца из сталей Р18, Р6М5 и вкладыша из высокопрочной стали в машинном масле АС-4 с добавлением 0,2% кварцевого песка дисперсностью 15-20 мкм, что соответствует составу естественной (промышленной) пыли [4]. Стендовые (натурные) испытания изделий (инструмента) проводили на специально переоборудованных установках МИУ-6000 и НР-100. Испытания фрез проводили в наиболее жестких условиях -при обработке стали 110Г13Л, которая при механической обработке приобретает свойства самонаклепа [5] и является весьма труднообрабатываемым материалом.
Таблица 1
Сталь Химический состав, %
С Si Mn S P Cr Mo W Ni V
P18 0,7-0,8 0,5 0,4 0,03 0,03 3,8-4,4 1,0 17,0-18,5 0,4 1,0-1,4
P6M5 0,8-0,9 0,5 0,4 0,03 0,03 3,8-4,4 5,0-5,5 5,5-6,5 0,4 1,7-2,1
Таблица 2
Сталь, Параметры
термообработка 002, МПа аь, МПа S, % V, % НВ, МПа
Р18, отжиг 750 1000 4,5 8,5 2800
P6M5, отжиг 720 860 7,5 19,0 2600
В качестве оценочных показателей износа фрезы при стендовых испытаниях были приняты относительные изменения высоты Он и ширины зуба фрезы GB.
Испытания износостойкости проводили на сверлах диаметром 6 мм одной плавки из стали Р18 по 10 шт. на каждый вид упрочнения по числу просверленных отверстий. Сверлили пластину из стали 38ХН3МФА толщиной 12 мм с ов = 1100 МПа. Режимы сверления: частота n = 1000 об/мин, подача S = 0,01 мм/об без смазки перезаточки до затупления. Режимы фрезирования: частота n = 100-400 об/мин, подача 10 мм/мин без перезаточки и смазки. Стендовые испытания проводили на сверлах и фрезах после МИУ, а также на инструменте в исходном состоянии (закалка от 1200-1290° с трехкратным отпуском от 590° с охлаждением на воздухе) со структурой мартенсита, легированных карбидов и остаточного аустенита (до 1%) с HRC 62-63. Теплостойкость (важнейшая эксплуатационная характеристика инструмента) определяли по результатам измерения твердости HRC после выдержки образцов при определенных температурах в течение четырех часов согласно ГОСТ 19265-73.
Испытания образцов на контактную прочность проводили, исходя из закона распределения Герца давления по площади контакта [6]. Статическую и ударно-динамическую прочность материалов оценивали по критериям вязкости разрушения KIC, критического раскрытия трещины 5к и параметрам ударной вязкости KCV и КСТ (на образцах с острым V-образным надрезом и усталостной трещиной, соответственно [7]). Сопротивление усталостному разрушению характеризовали результатами малоцикловых испытаний [2].
В работе представлены результаты поверхностных воздействий на исследуемые материалы с помощью фрикционно-упрочняющей (ФРУО) и механо-ультразвуко-вой обработки (МУО) согласно методикам работ [8, 9], соответственно. Влияние импульсных воздействий на структуру сталей исследовали с помощью комплексного металлофизического, микрорентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа. Характер разрушения сталей анализировали с помощью оптической и электронной количественной фрактографии [10-12].
Упрочненный поверхностный слой сталей после МИУ имеет мелкодисперсную структуру мартенсита, остаточного аустенита и карбидов типа М6С, М23С6 и МС. В поверхностных слоях наблюдается повышенное содержание углерода (до 1,4-1,6%) и легирующих элементов (рис. 1, а): сталь Р6М5 - W, Mo, Cr, C; сталь P18 - W', V). Это обеспечивает образование в нем легированных мелкодисперсных карбидов и увеличение толщины h упрочненного слоя до 300-400 мкм. Средний размер зерен в структуре составляет 6-8 мкм и 10-13 мкм на расстоянии 80 и 160 мкм от поверхности, соответственно. Основным недостатком стали Р18 является значительная карбидная неоднородность по размерам карбидов и по расстоянию между ними [5]. Согласно данным табл. 3 можно утверждать, что сталь Р18 после МИУ имеет наиболее
Рис. 1
однородную структуру по карбидам. Причем после МИУ наблюдается значительное снижение среднего диаметра карбида й, расстояния между ними I и повышение площади межфазной поверхности карбид-матрица Б.
Ширина дифракционной линии (110)а с поверхности стали Р18, упрочненной МИУ, изменяется незначительно и остается равной 14 мрад на расстоянии 200 мкм от поверхности, в то время как после обработки этой стали ФРУО и МУО она равна в среднем 6,5 мрад. Это свидетельствует о том, что в результате МИУ упрочнение распространяется на большую глубину по сравнению с механическими способами воздействия на металл. Это согласуется с результатами работ [1, 2].
Исходя из данных табл. 4, можно утверждать, что наиболее эффективно повышает прочностные характеристики и трещиностойкость сталей МИУ. Это согласуется с результатами испытаний на малоцикловую и контактную прочность (рис. 1, •). Кривые малоцикловой усталости стали Р18: 1 - МИУ, 2 - МУИ, 3,4 - ФРУО с НУ = 6 и 8 ГПа соответственно, 5 - исходная сталь; кривые контактной усталости стали Р6М5: 1' - МИУ, 2' - МУО, 3', 4' - ФРУО, 5' - исходная сталь). Данные табл. 4 обрабатывали методами математической статистики [13] при уровне значимости 0,05 с учетом значений квантилей распределения Кохрана для средних значений определяемых величин.
Максимальной износостойкостью обладают материалы, подвергнутые МИУ. Это подтверждается данными по исследованию масляно-абразивного износа сталей Р18 (о = 10 МПа - 1', 2', 3') и Р6М5 (о = 20 МПа - 1, 2, 3) на рис. 2, а (1, 1' - сталь в исход-
Таблица 3
Вид обработки Параметры
й, мкм 1, мкм Я, мкм2
ФРУО 16,2-24,2 14,6-21,2 340 ± 50
МУО 14-21,2 12-18,6 410 ± 40
МИУ 2,9-3,3 3,6-3,9 1680±31
Исходная сталь 13,2-26,5 16,0-17,5 330 ± 60
Аш, мг ЫЯС
Рис. 2
ном состоянии; 2, 2' - после МИУ, НУ = 8; 3,3' - после МИУ, НУ = 6 ГПа), результатами стендовых испытаний инструментов (рис. 3, 4) и исследованием теплостойкости т (°С) инструментальной стали Р18 (рис. 2, б: 1 - исходная сталь; 2 - ФРУО, НУ = 8,5; 3 -ФРУО, НУ = 6; 4 - МИУ, НУ = 8; 5 - НУ = 6 ГПа). Оптимальной микротвердостью поверхности, которой соответствует максимумы износостойкости, теплостойкости и малоцикловой прочности, следует считать значение НУ = 6 ГПа.
Стали, упрочненные МИУ, имеют не только более высокие параметры прочности и пластичности, но отличаются характером разрушения в условиях статического и ударного нагружений. Наличие на фрактограммах ямочного рельефа свидетельствует о вязком (пластичном) разрушении материалов [12] после МИУ по сравнению со сталями в исходном состоянии, где в изломах наблюдаются участки хрупкого разрушения с фасетками отрыва. Доля вязкой составляющей в изломах образцов из стали Р18, подвергнутых МИУ, повышается с 29 до 68% и с 20 до 55% в случае статических и ударных нагружений, соответственно. Расстояние между микрополосами, характеризующее скорость роста усталостной трещины [14] для стали Р18 после МИУ снижается до 1,4 мкм по сравнению с образцами из исходной стали, в которых ширина микрополосы составляла 6,8 мкм. В области ускоренного развития трещи-
Таблица 4
Сталь, вид обработки
Параметры Р18 Р6М5
исходная сталь ФРУО МУО МИУ исходная сталь ФРУО МУО МИУ
О02, МПа 750 800 890 950 720 740 780 940
Ов, МПа 1000 1080 1100 1250 860 900 920 980
5, % 4,5 4,8 5,2 8,5 7,5 7,9 8,3 9,4
% 8,5 9,2 10,2 12,6 19,0 19,8 21,2 25,0
К1С, МПа • м1/2 42,2 42,0 45,0 59,0 40,0 40,8 45,0 58,4
5к, мм 0,015 0,016 0,016 0,022 0,011 0,017 0,019 0,024
КСУ, МДж/м2 0,42 0,43 0,46 0,53 0,45 0,46 0,48 0,54
КСТ, МДж/м2 0,20 0,20 0,24 0,38 0,22 0,23 0,26 0,40
GH, G,, % 25 ' 20; 15 -10 -5
HRC HV, ГПа 65 H10
5
- 45
10
15
20t, мин
Рис. 3. Износостойкость фрез из стали Р18: 1, 2 - зависимость относительного изменения высоты зуба фрезы GH от линейной скорости вращения инструмента V при времени испытания t = 10 мин; 3, 4 - зависимость относительного изменения ширины фрезы G, от t V = 4 м/с; 5, 6 - зависимость твердости HRC от скорости вращения при t = 10 мин; 7, 8 - зависимость микротвердости HV материала зуба от t при V = 2,5 м/с; 1, 3, 5, 7 - после МИУ; 2, 4, 6, 8 - исходное состояние
2
5
n 35
25 15 5
чТгГГ
Ш
1 4 7 10 1 4 7 10
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.