Исследование абразивной износостойкости серого чугуна с криогенным упрочнением
1Тарасов В.В., д.т.н., профессор, 2Данилов И.А., 2Кокорин Н.А., к.т.н.,
2Кондратенков М.С., 3Трифонов И.С., аспирант
1Институт механики Уральского отделения РАН, г. Ижевск, tvv@udman.ru;
2ООО «НПЦ «КриоТехРесурс», г. Ижевск, info@techgazy.ru
3Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, г. Ижевск, mike_i_90@mail.com
Серые чугуны являются одним из основных машиностроительных материалов, поскольку обладают высокими литейными и антифрикционными свойствами, имеют хорошую обрабатываемость резанием, звуко- и вибропоглощающую способность. Благодаря высоким технологическим и эксплуатационным свойствам серые перлитные чугуны широко используются для изготовления автомобильных вентилируемых тормозных дисков.
В ряде случаев для улучшения механических свойств и, особенно износостойкости ответственные детали из серых чугунов подвергают упрочняющей термической обработке: нормализации или закалке или криогенной обработке и последующему отпуску. Для стабилизации размеров и формы деталей рекомендуется применять отжиг или криогенную обработку. Если влияние отжига, нормализации и закалки на износостойкость серого чугуна достаточно полно изучены, то влияние криогенной обработки чугуна на абразивную износостойкость изучены мало.
Криогенная обработка - это термическое упрочнение металлопродукции сверхнизкими температурами (до – 196°С).
Криогенная обработка в основном применяется после термической обработки (закалки) – для повышения механических и эксплуатационных характеристик изделий. В результате криогенного воздействия изменяется структурно - фазовый состав материала.
В настоящее время накоплен положительный опыт по криогенной обработке инструмента для обработки металлов давлением и резанием, пружин. Например, у пуансонов и матриц для холодной штамповки из стали Х12МФ и Х12Ф1 в результате криогенного воздействия: улучшаются показатели равномерности распределения твердости, наблюдается прирост твердости на 1 – 2 единицы HRC, повышается эксплуатационный ресурс в 3 – 7 раз. Эксплуатационные испытания рабочих валков (для трубы 20×20 мм) из стали Х12МФ упрочненных криогенной обработкой на Альметьевском трубном заводе показали повышение износостойкости на 20 – 25 %.
Для оценки влияния криогенного воздействия на серый чугун в состоянии поставки проведен комплекс исследований химического состава, структуры, твердости и абразивной износостойкости образцов от частоты вращения и зернистости электрокорунда.
Результаты исследования химического состава чугуна представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты химического анализа чугуна
|
№ п/п |
Марка |
Химический состав, % | |||||||
|
С |
Mn |
Si |
P |
S |
Cr |
Ni |
Cu | ||
|
1 |
М |
3,47 |
0,48 |
1,62 |
0,018 |
0,036 |
0,03 |
0,02 |
0,05 |
|
2 |
СЧ12 |
3,1 - 3,6 |
0,5 - 0,8 |
1,8 - 2,7 |
0,3 - 0,65 |
0,12 - 0,15 |
|
|
|
|
3 |
СЧ20 |
3,3 – 3,5 |
0,7 – 1,0 |
1,4 - 2,4 |
≤ 0,2 |
≤ 0,15 |
|
|
|
Результаты анализа показали, что представлен сплав Fe – Si – C содержащий неизбежные примеси Mn, P, S, относящиеся к техническим (серым) чугунам. Отличительной особенностью химического состава представленного образца (строка 1, таблицы 1) является низкое содержание марганца. По содержанию марганца представленный на испытания сплав ближе по химическому составу к серому чугуну марки СЧ12, а по содержанию кремния к химическому составу серого чугуна марки СЧ20 ГОСТ 1412-85.
Многочисленные исследования показали, что микроструктура материала оказывает решающее влияние на износостойкость деталей. Микроструктура исследуемого чугуна до и после криогенной обработки приведена на рисунке 1.
 |  |
| а) | б) |
 |  |
| в) | г) |
Рисунок 1 - Микроструктура серого чугуна: до (а, б) и после (в, г) криогенной обработки при увеличении ×100 (а, в) и ×500 (б, г) соответственно
Оценка структуры образцов проводилась по ГОСТ 3443-87. Особенность структуры серого чугуна в состоянии поставки (рисунок 1. а, б) по семи шкалам следующая: ПГф1-ПГд45…90-ПГр7-Пт1-П92-Пд 0,5…1,4. Структура образца – чугун с равномерным пластинчатым графитом со следами розеточного распределения. Металлическая основа сплава – пластинчатый перлит в количестве от 90 до 94% с межпластинчатым расстоянием 0,5…1,4 мкм.
Оценка особенностей структуры серого чугуна после криогенного упрочнения (рисунок 1. в, г) следующая: ПГф1-ПГд45…180-ПГр1, ПГр7-Пт1-П92-Пд 0,5…1,4. Микроструктура образца после криогенной обработки классифицируется как чугун с равномерным пластинчатым графитом со следами розеточного распределения. Металлической основой сплава является пластинчатый перлит в количестве от 90 до 94% с расстояниями между пластинами 0,5…1,4 мкм.
Таким образом, в результате криогенной обработки произошли структурные изменения размера включений графита ПГд с 45…90 до 45…180 по шкале 1Б ГОСТ 3443-87, что может положительно отразится при сравнительных испытаниях на абразивный износ.
Результаты исследования твердости и коэрцитивной силы представленных образцов приведены в таблице 2. Среднее значение твердости определялось по десяти измерениям, и относительно этого значения определялся разброс твердости образцов в процентах. Аналогично определялся и разброс коэрцитивной силы.
Прирост твердости в результате криогенного воздействия составляет 11,8 единиц HV. Значение разброса твердости серого чугуна в состоянии поставки составил 17% , а упрочненного криогенной обработкой – 11%.
Таблица 2 - Влияние криогенной обработки на твердость и коэрцитивную силу серого чугуна
|
№ п/п |
Наименование показателя |
Состояние образца |
Изменение показателя | |
|
Без упрочнения |
Криогенная обработка | |||
|
1 |
Твердость, HV |
206,3 |
218,1 |
+11,8 |
|
2 |
Разброс твердости, % |
17 |
11 |
- 7 |
|
3 |
Коэрцитивная сила, А/см |
10,6 |
10,7 |
+ 0,1 |
|
4 |
Разброс коэрцитивной силы, % |
7 |
2 |
- 5 |
Снижение значения разброса твердости на 7% (таблица 2), после криогенной обработки серого чугуна, существенно влияет на характеристики нормального распределения твердости (Рисунок 2). Равномерная твердость по сечению детали с более узким разбросом традиционно обеспечивает повышение износостойкости рабочего слоя и уменьшает степень его повреждаемости при эксплуатации. При эксплуатации снижается вероятность выкрашивания за счет ослабления поверхностного слоя и повышения исходной твердости металла.
Рисунок 2 - Распределение твердости до и после криогенной обработки
Для проведения исследований по измерению уровня внутренних напряжений в образцах из серого чугуна применяли магнитный метод с использованием структуроскопа-коэрцитиметра КРЦ-М-2 [1]. Значения коэрцитивной силы и разброса коэрцитивной силы приведены в таблице 2. Коэрцитивная сила представленных образцов выросла после криогенной обработки на 3%, что превышает допустимой погрешности измерения магнитного параметра. Снижение значения разброса коэрцитивной силы на 5% (таблица 2), после криогенной обработки серого чугуна, свидетельствует о благоприятном распределении уровня внутренних напряжений по сравнению с состоянием поставки.
Методика испытаний на износ
Для изучения влияния криогенной обработки на износостойкость серого чугуна (М) тестируемые образцы подвергались изнашиванию по закрепленному абразиву в рамках стандартной схемы [2], но с заменой традиционной траектории движения по архимедовой спирали на прямолинейные участки. Кроме того, образцы подвергались испытаниям по новой перспективной схеме – с дополнительным вращением образца (рисунок 3), что позволяет интенсифицировать процесс изнашивания, более гибко управлять им и сократить время испытаний [3].
Реализация такой схемы испытаний стала возможна благодаря применению 3-х координатного фрезерного станка с ЧПУ модели КХ3А (Profi, Германия).
Рисунок 3 - Схема испытаний на износостойкость по закрепленному абразиву на фрезерном станке: 1 – образец из тестируемого материала, 2 – абразивный материал (шкурка), 3 – траектория перемещения образца
Для закрепления образца в шпинделе станка и нагружения его осевой силой, а также удержания листового абразивного материала (шкурки) на фрезерном столе спроектирована и изготовлена специальная оснастка. Согласно схеме (рисунок) цилиндрическая заготовка 1, чья рабочая поверхность предварительно прирабатывается для достижения плотного прилегания к абразивной поверхности, под действием приложенной нагрузки (N) контактирует своим торцом с абразивной поверхностью 2, двигаясь по прямолинейной траектории 3 при перемещении стола по осям X и Y. Нагружение создается тарированной пружиной, расположенной внутри шпинделя. Поворот образца (n) осуществляется вращением шпинделя [4, 5].
Отметим, что число оборотов образца вокруг своей оси - n (частота вращения) назначается из условия, когда путь, проходимый образцом при поступательном перемещении (F) не должен превышать длину его окружности (πD). Это позволяет обеспечить, как минимум полный поворот образца при перемещении на длину равную его диаметру и обеспечить более рациональное использование режущих свойств абразивных зерен по всей истираемой площади. Экспериментально установлено, что наибольший эффект достигается в случае значительного (многократного) превышения периода вращения образца (одного полного оборота) над его поступательным перемещением F на длину равную диаметру D (по сути - «диаметральной» подачей). Отразить этот факт в расчетной зависимости при выборе числа оборотов образца можно с помощью введения некого кинематического фактора К (коэффициента «интенсивности испытаний»). Очевидно, учитывая сказанное ранее, этот фактор должен назначаться исходя из условия К ≥ 1. В каждом конкретном случае значение К подбирается из априорной информации или опытным путем. Причем значения близкие к единице могут быть использованы для образцов с тонкими покрытиями, где важно обеспечить не столько производительность испытаний, сколько равномерность изнашивания по площади. В иных случаях величина К может достигать значений в диапазоне 100 – 5000 и более в зависимости от диаметра образца [6].
Условия испытаний:
Образцы из серого чугуна Ø5 мм, длиной 15 мм. В состоянии поставки и после криогенной обработки.
Основные параметры эксперимента:
- сила нагружения (N) = 10 Н - назначалась с учетом предварительных исследований [6]. Критерием потери работоспособности абразивной шкурки служило ее физическое разрушение – смятие, скручивание, разрыв, появление наплывов и т.п. Отмечено, что введение вращения образца, позволяет повысить уровень силы нагружения. Это объясняется тем, что вектор результирующей силы микрорезания и трения, возникающей при перемещении вращающегося образца, отклоняется в направлении вращения. Его проекция на траекторию движения уменьшается тем больше, чем выше величина кинематического фактора К. Это и приводит к снижению силы, которая может разрушить основу абразивной шкурки (бумагу или ткань), и, следовательно, позволяет повысить нагрузку на образец.
- скорость перемещения (F) = 500 мм/мин;
- частота вращения (n) = 0 (без вращения), 375 и 750 мин-1;
- путь трения (L) = 550 мм.
В качестве абразивного материала использовалась шкурка на тканевой основе KK19XW (электрокорунд), с разным показателем зернистости: М40, 4-Н, 5-Н, 6-Н, 10-Н, М10 [7].
Массовый (весовой) износ определялся на аналитических весах ВЛ-120 с точностью до 0,0001 г. Весовые показания дублировались измерениями линейного износа с помощью микрометра МКЦ-25-0,001 ГОСТ 6507-90 с точностью до 0,001 мм.
Результаты измерений, представленные на рисунках 4 – 7, показали следующее:
1. Сопоставление уровня износа для различных сочетаний режимов испытаний и зернистости абразивного материала, однозначно указывают на повышение абразивной износостойкости серого чугуна после криогенной обработкой на 11 – 73% по параметрам линейного (размерного) износа и на 5 – 42% по параметрам массового (весового) износа, по сравнению с тем же материалом без упрочнения. Это подтвердило первоначальные предположения по результатам металлографических исследований.
2. Увеличение размеров зерен (зернистости абразива) приводит к повышению интенсивности изнашивания. Это обусловлено увеличением геометрических параметров абразивного зерна на поверхности шкурки, что приводит к росту глубины врезания режущей кромки зерен в поверхность образца и величины снимаемого слоя материала (износа).
3. Повышение частоты вращения тестируемого образца также интенсифицирует процесс изнашивания, что наглядно проявляется на гистограммах через рост износа (см. рисунки 4 – 7, вторая и третья группа столбцов в сравнении с первой).
Рисунок 4 – Влияние частоты вращения и зернистости абразива на размерный (линейный) износ образца из серого чугуна (исходное состояние)
Рисунок 5 – Влияние частоты вращения и зернистости абразива на массовый (весовой) износ образца из серого чугуна (исходное состояние)
Согласно результатам эксперимента величина снимаемого слоя возрастает в 3 и более раз при вращающемся образце, что объясняется многократным увеличением пути трения по абразиву, и, главное, более полным использованием его режущих свойств, так как происходит взаимодействие поверхности образца буквально со всеми сторонами отдельных зерен абразива при повороте.
Таким образом, дополнительное вращение позволяет значительно интенсифицировать процесс испытаний не только за счет повышения нагрузки на образец (см. выше), но и более рационального («всестороннего») использования режущих возможностей отдельных абразивных зерен.
Рисунок 6 – Влияние частоты вращения и зернистости абразива на размерный (линейный) износ образца из серого чугуна (после криогенной обработки)
Рисунок 7 – Влияние частоты вращения и зернистости абразива на массовый (весовой) износ образца из серого чугуна (после криогенной обработки)
Важно также, что практически линейный рост износа с увеличением частоты вращения образца проявляется вне зависимости от размеров зерна.
4. Тенденции, фиксируемые при измерениях массового износа, в целом подтверждаются и линейными измерениями. Имеющиеся «выбросы» по линейному износу (рисунки 4 и 6) объясняются методическими недоработками. В целом оценка износа по потере массы дает более объективные результаты.
5. Введение дополнительного вращения накладывает более высокие (жесткие) требования по перпендикулярности оси вращения образца к плоскости крепления (поверхности стола) абразивной бумаги. Здесь должны быть соблюдены условия для минимизации торцевого биения образца, что эффективно решается с помощью предварительной приработки поверхностей.
Список литературы
- Иванов С.Ю. и др. Производство сертифицированных рабочих средств измерения остаточных напряжений в металлах и сплавах// Металлообработка.- 2001.- №1. – С.67-72.
- ГОСТ 17367-71 Металлы. Методы испытания на абразивное изнашивание о закрепленные абразивные частицы. – М.: Издательство стандартов.
- Заявка №2014144837/28 (072341) на патент «Способ испытаний материала на абразивное изнашивание»/ Тарасов В.В., Трифонов И.С., Пузанов Ю.В., Бажин А.Г. Приоритет от 05.11.2014.
- Трифонов И.С., Бажин А.Г., Пузанов Ю.В., Тарасов В.В. Исследование абразивного изнашивания материалов на станке с ЧПУ// Fundamental and applied sciences today. Vol. 1 spc Academic Create Space 4900 La-Cross Road, North Charleston, SC, USA 29406, 2013.
- Trifonov I.S., Puzanov Yu.V., Tarasov V.V. Additional rotation as the control factor of abrasive wear process// Fourth Forum of Young Researchers. In the framework of International Forum “Education Quality – 2014”: proceedings (April, 23, 2014, Izhevsk, Russia). – Izhevsk : Publishing House of Kalashnikov ISTU, 2014. – 430 p., p 278-280.
- Тарасов В.В., Трифонов И.С. Развитие метода изнашивания материалов по за-крепленному абразиву // Химическая физика и мезоскопия, 2015, Т.17, №1, С.143-149.
- ГОСТ133344-79 Шкурка шлифовальная тканевая водостойкая. Технические условия – М.: Издательство стандартов. – 1973.