научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ МИК РОПЛАЗМЕННОГО МЕТОДА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛИ 45.. Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ МИК РОПЛАЗМЕННОГО МЕТОДА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛИ 45..»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

< 3, 2008

УДК 533.924.621

© 2008 г. Иванов В.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Коныжев М.Е.

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПЛАЗМЕННОГО МЕТОДА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛИ 451

Проведены экспериментальные исследования сильного локального взаимодействия микроплазменных разрядов с образцами из конструкционной стали 45. Установлено, что в приповерхностном слое образцов, обработанных микроплазменными разрядами, формируется переплавленная область с сильно измененными физико-химическими свойствами материала. Показано, что шероховатость, микротвердость, износостойкость и другие свойства обработанных образцов из стали 45 значительно отличаются от соответствующих исходных значений.

В [1, 2] изложены результаты исследований влияния микроплазменной обработки [3] на свойства приповерхностного слоя образцов из Ni-Cr и Co-Cr сплавов. Исследования, представленные в настоящей статье, являются продолжением изучения универсального плазменного метода обработки изделий из металлов и сплавов, основанного на новых принципах возбуждения импульсных микроплазменных разрядов, способных упрочнять металлические изделия со сложной формой поверхности.

В настоящей статье метод микроплазменной обработки использовали для эффективной модификации поверхности образцов из конструкционной стали 45, широко применяемой в машиностроении. При этом основные цели работы состояли в следующем: исследовать возможность применения микроплазменного метода для формирования прочного микрорельефа на поверхности образцов из конструкционной стали 45, широко применяемой в узлах трения машин и механизмов; изучить свойства микрорельефа, образующегося на поверхности образцов из стали 45 в результате их взаимодействия с микроплазменными разрядами; исследовать металлофизические и триботехнические характеристики обработанных образцов.

Экспериментальные установки и методы исследований. Исследования характеристик плазмы, необходимых для устойчивого возбуждения импульсных микроплазменных разрядов на поверхности металлов, проводили в ИОФ РАН на установке СФЕРА [4]. Изучение металлофизических, триботехнических, микроструктурных свойств поверхности металлических образцов, обработанных микроплазменными разрядами, выполняли в ИМАШ РАН.

Шлифованные образцы из стали 45 (содержание углерода 0,42-0,49%) с шероховатостью ~1 мкм имели форму параллелепипеда 4 х 4 х 12 мм. Были изготовлены и исследованы 12 образцов. Импульсный поток плазмы создавали плазменным инжектором в результате импульсного высоковольтного электрического разряда (электрическое напряжение 7 кВ, электрический ток 1,5 кА, длительность знакопеременного импульса 20 мкс), возникающего на поверхности плазмообразующего диэлектрического материала (полиметилметакрилат). Основным ионным компонентом плазмы являлись ионы

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Проект 06-08-01624-а).

водорода (90-80%) и ионы углерода (10-20%), а доля более тяжелых ионов составляла менее 1% [4].

Образцы из стали 45 подвергали микроплазменной обработке в двух режимах: 1 -электрическое напряжение на образце "-400 В", стартовый электрический ток микроплазменного разряда I = 200 А, длительность разряда 4 мс, количество импульсов плазмы N = 120; 2 - напряжение на образце "-400 В", стартовый ток микроплазменного разряда I = 200 А, длительность разряда 4 мс, количество импульсов плазмы N = 450.

В отличие от ранее исследованных образцов из №-Сг и Со-Сг сплавов, которые подвергали термическому отжигу в воздухе с целью создания окисной пленки на поверхности сплавов [1, 2], образцы из стали 45 не подвергали предварительной термической обработке. Следовательно, на их поверхности не формировалась специальным образом диэлектрическая окисная пленка.

Микротвердость образцов измеряли на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-60). Микрорельеф поверхности образцов оценивали на профилографе-профилометре (модель 201). С помощью профилограмм измеряли максимальные значения высоты микрорельефа Нтах и величины механического износа образцов при триботехнических испытаниях.

Для изучения микроструктуры приповерхностного слоя металлических образцов был использован метод скользящего пучка рентгеновских лучей [5]. Метод дает возможность проводить исследования при разных углах наклона зондирующего пучка лучей к исследуемой поверхности образца и изучать деформации микроструктуры в тонких приповерхностных слоях материала образцов при глубине исследуемого слоя, изменяющейся в интервале значений от десятых долей микрометра до десятков микрометров.

Триботехнические испытания исследуемых образцов проводили в лабораторных условиях на восьмипозиционной машине трения с возвратно-поступательным движением сопряженных образцов [6]. Средняя скорость относительного скольжения образцов 0,19 м/с. Максимальная нагрузка на образцы составляла 1250 Н. В качестве смазочного материала применяли солидол.

Для определения сравнительной износостойкости и антифрикционности материалов пары трения (образец из стали 45 - контробразец из стали 20, цементация, закалка) испытания проводили при ступенчато повышаемых давлениях от 0,2 МПа до достижения предельно допустимых значений, выше которых происходили задиры пары, "катастрофический" износ и резкое увеличение силы трения. В процессе испытаний на машине трения измеряли значения износа и силы трения между поверхностями образца и контробразца.

Экспериментальные результаты исследований образцов из стали 45. Характеристики импульсного потока водородно-углеродной плазмы при обработке образцов из стали 45 аналогичны характеристикам плазмы при обработке №-Сг и Со-Сг сплавов [1, 2]: скорость распространения фронта плазмы 1 х 10-5 х 10 см/с; длительность спадающего во времени импульсного потока плазмы 20 мкс; электронная температура плазмы в плазменном потоке 10 эВ; плотность плазмы в зоне размещения образцов 5 х 10 см- ; величина падения напряжения на стадии протекания электрического тока 50 В; средняя эффективность обработки поверхности 0,2 см /импульс.

Известно [7], что наличие диэлектрической пленки на поверхности металла существенно облегчает возбуждение микроплазменных разрядов на поверхности образцов. Поскольку в экспериментах специальной пленки на поверхность образцов из стали 45 не наносили, то возбуждение микроразрядов было затруднено при плотности плазмы в потоке 5 х 10 см- . При этом возбуждение локальных микроплазменных разрядов на поверхности образцов в потоке однородной импульсной плазмы при количестве импульсов N = 120 или N = 450 происходило с вероятностью около 10%, т.е. количество микроплазменных разрядов, инициируемых на поверхности образцов, составляло величину 12 или 45 импульсов, соответственно.

При взаимодействии импульсного потока плазмы инжектора с металлическими образцами на их поверхности возбуждались микроплазменные разряды [3, 4]. Вследствие интенсивного локального плавления металла в течение времени развития микроплаз-

менных разрядов, а затем (после окончания воздействия плотной плазмы) вследствие быстрого остывания расплавленных областей металла (из-за высокой теплопроводности и быстрого отвода тепла от поверхности вглубь объема металла), в локальных приповерхностных областях исследуемых образцов наблюдалось образование одиночных микрократеров и их скоплений. В результате многократно повторяющихся циклических процессов быстрого плавления и остывания локальных участков приповерхностного слоя образцов, при N = 120 или N = 450 импульсов плазмы инжектора на поверхности образцов формировался сплошной переплавленный слой, имеющий развитую структуру поверхностного микрорельефа. Микрофотография исходной поверхности образца из стали 45 представлена на рис. 1, а, а микрофотография образца после микроплазменного упрочнения дана на рис. 1, б .

Исходные образцы из стали 45 имели слабо выраженный микрорельеф, возникающий в результате предварительной механической обработки (фрезерования и шлифования) образцов. Измеренная на про-филографе-профилометре высота микрорельефа образцов поперек направления шлифования составляла величину Нтах = 1-2 мкм.

Микротвердость материала исходных образцов в зависимости от глубины залегания приповерхностных слоев монотонно возрастала с увеличением толщины исследуемого слоя: от значения 160 кгс/мм на глубине 2 мкм до 330 кгс/мм на глубине 7 мкм (рис. 2, кривая 1). Такая зависимость микротвердости исходных образцов из стали 45 является результатом механической обработки.

После микроплазменного упрочнения образцов из стали 45 в режиме 1 N = 120) наблюдали случаи, когда различные грани одного и того же образца сильно отличались друг от друга по характеристикам микрорельефа. При этом поверхности граней с грубой шероховатостью Нтах = 18 мкм характеризуются повышением микротвердости в 4 раза на глубине 3 мкм (рис. 2, кривая 2) по сравнению с исходным состоянием (рис. 2, кривая 1). Для граней с грубой шероховатостью характерен также заметный разброс значений микротвердости по глубине и по поверхности образцов. Грани с относительно малой шероховатостью Нтах = 4 мкм обладают пониженной микротвердостью (по сравнению с исходным состоянием) в слоях толщиной более 2 мкм; в более тонких слоях значение микротвердости приближается к исходному состоянию (рис. 2, кривая 3). Характерно, что разброс значений микротвердости для граней с малой шероховатостью невелик.

После микроплазменного упрочнения образцов из стали 45 в режиме 2 N = 450) все грани одного и того же образца имели грубую шероховатость с максимальной высотой микрорельефа Нтах = 15-27 мкм. В результате проведенных исследований установлено (рис. 2, кривая 4), что на глубине 4 мкм (в пределах разброса, характерного для измере-

Рис. 1

2 Микрофотографии образцов предоставлены Р.Х. Залавутдиновым.

Ну, кгс/мм2

1600

4

(211) а

1200

/ л

/

900 400

/

1

200

2 3 5 7 й, мкм

3

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 2. Изменение микротвердости Иу по глубине образцов из стали 45: 1 - в исходном состоянии; 2 - после микроплазменного упрочнения при N = 120 и Нтах = 4 мкм; 3 - после микроплазменного упрочнения при N = 120 и

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»