УДК 628.517
РАЗРАБОТКА СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА С ПОВЫШЕННОЙ ДЕМПФИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ И ВЫСОКИМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
© Утепов Еркасын Балапанович, д-р техн. наук, проф., e-mail: utepov_51@mail.ru;
Буршукова Гульзия Адильбековна, e-mail: gzzi@mail.ru; Ибраева Гульзира Муратбековна, e-mail: guizira.83@mail.ru; Беркинбаева Акнур Сабитовна, e-mail: aknur.b78@mail.ru; Утепов Ерслан Нуркасынович, e-mail: utepov_51@mail.ru; Абуова Рысбуби Жолдыбаевна, e-mail: ryskena@mail.ru; Нургалиев Алмас Калидуллаевич, e-mail: almas@nurgaliyev.com Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева. Республика Казахстан, г. Алматы
Статья поступила 03.04.2014 г.
Исследованы акустические и демпфирующие свойства известных и опытных хромистых сталей после термической обработки. Изучены микроструктура и физико-механические свойства металла опытных образцов. Определено повышенное затухание звуковой энергии для мартенситной структуры. В результате закалки сталей эффект демпфирования снижается вследствие аннигиляции дислокаций
Ключевые слова: демпфирование; звукоизлучение; сталь; сплав; шум; вибрация.
Физико-механические характеристики конструкционных сталей и сплавов (прочностные, пластические, технологические и другие) недостаточны для оценки их шумовых и вибрационных свойств. Конструкторы и технологи ощущают дефицит сведений по акустическим и демпфирующим характеристикам сталей и сплавов, используемых для деталей промышленного оборудования.
Для зубчатых колес, рычагов используются хромистые стали 30Х, 35Х, 40ХРА. Работа таких деталей и узлов сопровождается интенсивным шумом и вибрацией. Одним из эффективных способов снижения шума соударений является использование демпфирующих сплавов, которые обеспечивают снижение шума в источнике возникновения, создают акустический комфорт на рабочем месте [1-6]. Однако демпфирующие сплавы крайне редко применяются для замены широко используемых сталей. Применение других методов снижения шума для вышеуказанных деталей и узлов неэффективно из-за загромождения рабочего пространства (звукоизоляция, звукопоглощение), повышения пожароопасности и запыленности (звукопоглощение), маскировки предупреждающих сигналов (использование средств индивидуальной защиты).
Цель работы - разработка новых хромистых сталей, обладающих повышенными демпфирующими свойствами и обеспечивающих снижение производственного шума, создание акустического комфорта.
Исследовали стандартные хромистые стали (30Х, 35Х, 40ХРА) и разработанные стали составов № 1, 2, 3. Определяли акустические (максимальный уровень звука, уровни звукового давления в октавных полосах частот) и вибрационные (уровни виброускорения) характеристики сплавов. Назначение сталей 30Х, 35Х, 30ХРА следующее: оси, валки, рычаги, болты, гайки и другие некрупные детали, а также зубчатые колеса, валы и ответственные нагруженные шпильки; кроме того, валы муфт сцепления, рычаги переключения передач, валы коробок скоростей, балансиры, выпускные клапаны тракторных двигателей. Механические свойства и химический состав исследованных сталей приведены в табл. 1 и 2.
Опытные стали № 1, 2, 3 выплавляли в индукционной печи, образцы заливали в кокиль.
Для исследования акустических и вибрационных свойств сталей было выбрано устройство для комплексного исследования акустических и вибрационных свойств пластинчатых и трубчатых образцов сталей [7] с последующей модернизацией. Установка работает следующим образом (рис. 1). Шар-ударник 6 устанавливается на наклонной плоскости 5 и скатывается с нее, совершая свободное падение в геометрический центр пластинчатого образца 3. Шар-ударник 6 отскакивает от него и попадает в приемник шаров 11. Шум от соударения шара-ударника 6 и образца 3 фиксируется шумомером 12 ОКТАВА-101А. Образец-пластина 3, колеблющийся в переплетении капроновых нитей 1, создает вибрацию, которая оценивается прибором 8 (модель 2204 фирмы Вгие1 & Щаег). Натяжение образца ка-
Таблица 1. Механические свойства сталей
Сталь Режим термообработки, °С (З - закалка; м - масло; в - вода; Ов - отпуск высокий, Он-отпуск низкий) а т а в s5 Ф Твердость после отжига, не более
МПа %
не менее
30Х* З - 860, в или м + Ов - 630, в или м 700 900 12 45 187 НВ
35Х* З - 860, м + Ов - 500, м 750 930 11 45 197 НВ
30ХРА* З - 900, м + Ов - 500, м 1300 1600 9 40 241 НВ
№ 1 З - 870, м + Он - 200, в 720 910 13 50 57-61 НЕС (после закалки)
№ 2 З - 870, м + Он - 200, в 780 930 13 45 58-62 НЕС (после закалки)
№ 3 З - 870, м + Ов - 500, в 850 980 14 40 265 НВ
* Согласно ГОСТ 1497-84.
Таблица 2. Химический состав исследованных сталей
Сталь* C Si Mn Cr Ni Y
Стандартные:
30Х 0,24-0,32 0,17-0,37 0,5-0,8 0,8-1,1 0,3 -
35Х 0,31-0,39 0,17-0,37 0,5-0,8 0,8-1,1 0,3 -
30ХРА 0,27-0,39 0,17-0,37 0,5-0,8 1,1-1,3 0,3 -
Опытные:
№ 1 0,35 0,20 0,5 1,2 0,3 0,11
№ 2 0,40 0,28 0,6 1,4 0,25 0,32
№ 3 0,38 0,30 0,7 1,1 0,3 0,20
"Остальное - железо
проновыми нитями 1, контролируемое грузом 10, всегда постоянно. Высоту падения шара можно изменять с помощью винта 15 крепления стойки ударника. Вся система крепления образца 3 и шара-ударника 6 установлена на раме 2, которая на стойках 13 находится на определенной высоте над полом. Растояние от пластины до измерительного микрофона - 300 мм.
При измерениях использовали шары-ударники из стали ШХ15 следующих диаметров: 9,5; 12,7; 15,2; 18,3 мм соответствующей массой: 2,5; 5; 9 и 25 г. На установке исследовали стальные образцы-пластины.
Масса шара, плотность образца, расстояния от точки соударения до образца, толщина образца взаимосвязаны по выражению [8]:
т < 4,6р1к2, (1)
где т - масса шара, г; р - плотность материала образца-пластины, г/см3; I - расстояние от точки соударения до ближайшего края образца-пластины, см; к - толщина образца-пластины, см.
При этом ширина и длина образца-пластины должны быть не менее, чем в пять раз больше его толщины. Исследованная пластина размерами 50x50x5 мм удовлетворяет этим требованиям. Уровни звукового давления исследовали
Рис. 1. Устройство для комплексного исследования акустических и вибрационных свойств твердых образцов [7]: 1 - капроновые нити; 2 - рама; 3 - образец-пластина (50x50x5 мм); 4 - стойка рамы; 5 - наклонная плоскость;
6 - шар-ударник; 7 - акселерометр; 8 - импульсный измеритель шума и вибрации; 9 - осциллограф С-18; 10 - груз; 11 - приемник шаров; 12 - импульсный измеритель шума и вибрации Октава 101А; 13 - стойки рамы; 14 - микрофон импульсного измерителя шума и вибрации; 15 - винт крепления стойки ударника
в октавных полосах частот в диапазоне 31,531 500 Гц, уровни виброускорения в диапазоне 31,5-31 500 Гц. Максимальные (пиковые) значения уровня звука определяли по шкале «А», общий уровень виброускорения (по шкале виброметра)- по характеристике «Lin».
Звуковой генератор ЗГ-10 использовали для калибровки производимых измерений звукового сигнала. Поправку на изменение звукового сигнала от атмосферного давления осуществляли при помощи пистонфона марки PF-101. Температуру воздуха и влажность в лаборатории поддерживали постоянными. Акустические величины находили как среднее значение пяти измерений.
Звуковой импульс от соударения исследованного образца с шаром-ударником не только фиксировали импульсным измерителем шума и ви-
Рис. 2. Осциллограмма затухания звукового импульса от соударения образца стали № 2 и шара-ударника
брации, но и регистрировали с помощью запоминающего осциллографа. Зафиксированный сигнал фотографировали и далее определяли характеристики демпфирования: логарифмический декремент, скорость затухания звука. Относительное рассеяние и внутреннее трение определяли расчетным путем.
На рис. 2 показан зарегистрированный звуковой импульс от соударения образца стали № 2 (см. табл. 2), подвергнутого закалке и низкому отпуску. Логарифмический декремент б этого сплава определяли следующим образом [1]:
6 = -1п^- = —1п—= 0,0069, (2) п Ап 45 68
где А0 - начальная, максимальная амплитуда звукового импульса, дБА; Ап -конечная, минимальная амплитуда звукового импульса, дБА; п - число импульсов, зафиксированное на экране осциллографа.
Относительное рассеяние звуковой энергии при соударении в образце стали № 2
V = 2б = 0,0138. (3)
Внутреннее трение [2] в структуре стали № 2
О-1 = б/п = ^/2п = 0,0138/2п = 0,00022. (4)
Внутреннее трение рассчитывали с помощью дискриминатора и счетчика импульсов по формуле [2]
(Г1-—1п А0/А„, (5)
пи
где б - логарифмический декремент; п -число колебаний, совершенных образцом в диапазоне от начальной до конечной амплитуды.
Акустические характеристики исследованных широко используемых сталей 30Х, 35Х, 30ХРА и разработанных сталей № 1-3 с повышенными демпфирующими свойствами представлены в табл. 3 и 4.
Таблица 3. Акустические характеристики широко используемых хромистых сталей 30Х, 35Х, 30ХРА
Сталь Диаметр шара-ударника й, мм Уровни звукового давления (дБ) в ок-тавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц УЗД, дБА
1000 2000 4000 8000 16 000 31 500
9,5 64 67 78 96 96 65 98
30Х 12,7 63 61 73 99 98 63 100
15,2 64 65 73 103 105 65 106
18,3 63 66 76 108 107 64 109
9,5 66 69 76 100 100 69 102
35Х 12,7 64 63 77 101 101 68 103
15,2 67 68 74 103 104 68 105
18,3 66 67 76 105 106 71 108
9,5 68 71 78 99 103 73 103
30ХРА 12,7 67 78 77 103 104 73 105
15,2 64 77 75 105 105 74 107
18,3 66 79 76 107 109 76 110
Таблица 4. Акустические характеристики образцов опытных хромистых сталей при соударении с шарами-ударниками
Сталь Диаметр шара-ударника, Уровни звуковых давлений (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц УЗ, дБА
й, мм 1000 2000 4000 8000 16 000 31 500
9,5 63 68 65 95 94 61 96
1 12,7 69 65 70 96 97 63 99
15,2 61 68 72 102 103 62 105
18,3 65 64 71 104 105 68 107
9,5 62 62 68 90 90 68 92
2 12,7 65 66 73 92 92 67 94
15,2 62 69 74 94 95 72 97
18,3 64 63 72 98 99 75 100
9,5 65 64 89 72 89 74 102
3 12,7 67 66 92 71 92 75 105
15,2 70 69 94 75 94 78 106
18,3 75 70 95 74 95 79 110
Результаты экспериментов (рис. 3) показывают следующий характер изменен
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.