Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Дудкина Н.Г., аспирант Болдов А.Н., студент Неронкин А.В.

Волгоградский государственный технический университет, Россия

Исследования влияния комбинированного поверхностного упрочнения ЭМО+ППД на комплекс свойств конструкционной стали

В последние годы интенсивно развиваются методы комбинированного упрочнения поверхности, с использованием высококонцентрированных источников энергии. В работе рассматривается технология комбинированного поверхностного упрочнения стальных образцов, состоящая из электромеханической обработки (ЭМО) и последующего поверхностного пластического деформирования (ППД) [1].

Электромеханическая обработка, проводилась по следующим режимам: плотность тока j = 400 А/мм²; напряжение U = 4 – 5 В; скорость обработки V = 9 м/мин; подача варьировалась S = 0,8 – 3,0 мм/об ; усилие на инструмент Р = 300 Н. Параметры финишной обработки поверхностным пластическим деформированием: рабочая нагрузка (деформирующее усилие на инструмент) варьировали в диапазоне Р = 0,6 кН; подача S = 0,25 мм/об; число проходов n = 1 (диаметр обкатного ролика 36 мм, профильный радиус ролика 4 мм). Исследования проводили на образцах из среднеуглеродистой конструкционной стали 45 в нормализованном состоянии. Физико-механические свойства и структурное состояние поверхностного слоя оценивали путем измерения микротвердости на приборе ПМТ-3. Нагрузка на индентор Р = 0,5 Н, расстояние между отпечатками составляло 50 мкм.

В результате интенсивного температурно-силового комбинированного воздействия при ЭМО+ППД на образцах из нормализованной углеродистой стали формируется тонкий специфический поверхностный слой толщиной h = 0,15 – 0,2 мм, состоящий из регулярно расположенных спиралеобразных высокопрочных треков (H_μ = 8,5 ГПа) шириной a = 0,65 – 0,8 мм, разделенных зонами металла δ в исходном состоянии (рис.1) [2]. Финишная операция поверхностного пластического деформирования «наследует» структуру и специфические свойства упрочненного слоя, сформированного предварительной электромеханической обработкой, и проводится с целью наведения благоприятных остаточных сжимающих напряжений в поверхности.

Таким образом, получаем композиционный материал с тонким поверхностным слоем, обладающим регулярной управляемо-неоднородной структурой. Электромеханическая обработка позволяет получить непрерывную связь высокопрочного трека в поверхностном слое с «мягкой» матрицей основного объема материала и межтрекового пространства.

Рисунок 1 – Схема формирования регулярной высокопрочной структуры белого слоя в поверхностном слое

Таким образом, получена возможность изучения влияния тонкого поверхностного слоя (как отдельной моноленты) на макросвойства всего образца, рассматривая его как модельный композиционный материал с поперечным расположением высокопрочных волокон-треков. Максимальный относительный объем таких волокон-треков в поверхностном слое может достигать практически 80% (при δ = 0), в то время как по отношению ко всему объему образца это отношение составляет только 9%.

На рис. 2 представлены графики изменения микротвердости поверхностно упрочненного ЭМО+ППД материала, измеренной на поверхности образца вдоль его образующей от различной степени перекрытия треков.

а

б

Рисунок 2 – Структура и микротвердость H_μ упрочненного слоя вдоль оси образца l на поверхности нормализованной стали 45 после ЭМО+ППД при различной объемной доли содержания упрочненных треков в поверхности [3]: а – v = 64%; б – v = 80%

Работа посвящена анализу влияния «твердых треков», сформированных в результате комбинированного упрочнения ЭМО+ППД на результирующие свойства всего композита, такие как предел текучести, предел выносливости, коррозионной стойкости и рассеяния энергии.

На рис. 3 приведены начальные участки диаграмм растяжения композитов с различным содержанием упрочненного материала. Наличие на поверхности образца «твердых» треков, хотя и занимает очень тонкий слой, ведет к существенному изменению сопротивления деформирования композита: имеет место новый механизм деформирования материала без площадки текучести. Условный предел текучести σ_0,2 на уровне относительной деформации ε = 0,2% увеличивается в 1,5 раза.

Интенсивность неупругих деформаций после комбинированной обработки ЭМО+ППД увеличивается по сравнению с исходным состоянием (рис. 4). Это различие уменьшается по мере сближения треков белого слоя (т.е. с увеличением объемной доли высокопрочной структуры в поверхностном слое).

Рисунок 3 – Начальные участки диаграмм деформирования образцов из стали 45, упрочненных комбинированной обработкой ЭМО+ППД при различной объемной доли содержания упрочненных треков в поверхности: 1 – v = 26%; 2 – v = 40%; 3 – v = 64%; 4 – v = 70%; 5 – v = 80% [3]

Так, при общей деформации 2,0%, ширина петли упрочненных ЭМО+ППД образцов при объемной доли белого слоя в поверхности v = 64% – 70% на 23% больше, чем в исходном состоянии, а при v = 26% - увеличивается на 45%. В то время как после ЭМО максимальное рассеяние энергии наблюдается при v = 80% [4].

Установлено, что комбинированная обработка ЭМО+ППД увеличивает коррозионную стойкость упрочненных образцов к агрессивным средам (электролит, бишофит, соляной раствор) по сравнению с неупрочненными образцами (рис. 5). Снижение твердости белого слоя зависит от вида коррозионной среды. Так, потеря прочностных свойств в солевом растворе составляет 500 МПа, в бишофите – 4192 МПа, в электролите – 5000 МПа за 48 часов.

Рисунок 4 – Изменение ширины петли гистерезиса в функции общей деформации: 1 - исходное состояние, 2 и 3 - упрочнение ЭМО +ППД v = 26%, v = 70%, соответственно

Исследована скорость коррозии поверхностно упрочненных образцов от вида агрессивной среды. Белый слой коррозирует в электролите в 1,3 раза интенсивнее, чем в бишофите и в 12 раз, чем в солевом растворе. Скорость коррозии зависит от величины структурных составляющих (белого слоя и исходного материала) и их распределения в поверхности образцов.

Рисунок 5 – Гистограмма изменения твердости в треках белого слоя композиционного материала от времени воздействия коррозионных сред

Таким образом, наличие на поверхности образца «твердых» треков, занимающих незначительную объемную долю в тонком поверхностном слое, оказывается достаточным для изменения механизмов деформации и свойств по всему объему образцов. Результаты настоящего исследования показывают, что упрочненную комбинированным способом ЭМО+ППД среднеуглеродистую сталь можно рассматривать, как композиционный материал с улучшенным комплексом прочностных, демпфирующих и коррозионных свойств.

Литература

1. Багмутов, В. П. Электромеханическая обработка: технологические и физические основы, свойства, реализация / В. П. Багмутов, С. Н. Паршев, Н. Г. Дудкина, И. Н. Захаров – Новосибирск: Наука, 2003. – 318 с.

2. Дудкина Н.Г., Захаров И.Н. Исследование микротвердости поверхностного слоя углеродистых сталей после электромеханической обработки // Металлы, № 4, 2004, С. 64-70.

3. Матлин М.М., Дудкина Н.Г., Болдов А.Н. Особенности пластического деформирования стальных деталей, упрочненных комбинированной обработкой ЭМО+ППД // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. - №8.- С. 44-48.

4. Федоров А.В., Дудкина Н.Г. Рассеяние механической энергии в конструкционных сталях, подвергнутых электромеханической обработке //

MECHANIKA. – 1998. - №2 (13). – С.15-18.