Технические науки

Обработка материалов в машиностроении

УДК 621.891

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ НА КОНТАКТНУЮ УСТАЛОСТЬ ПРИ ТРЕНИИ КАЧЕНИЯ

Макаренко А.С., Евдокимов В.Д.,

Одесский национальный морской университет

В предыдущих работах [1, 2] было показано, что пропускание магнитных силовых линий непосредственно через зону контакта при упрочняющей фрикционной обработке приводит к более высокой износостойкости стальных поверхностей, чем их износостойкость при условии прохождения силовых линий за пределами этой зоны. При этом износостойкость образцов оценивалась только при трении скольжения. Вопросы же контактной усталости в этих опытах не изучалась. Между тем, в процессе экспериментов возникло предположение, что воздействие магнитных силовых линий на зоны контакта при трении качения должно отразиться на контактной усталости стальных образцов, однако, с трудно прогнозируемым результатом. Так как этот вопрос имеет научное и практическое значение, то было решено провести соответствующие эксперименты с получением однозначных ответов.

Для осуществления исследований была принята следующая методика. Между плоскими поверхностями образцов из закаленной и шлифованной стали 40Х устанавливались шарики из стали ШХ-15, которые равномерно распределялись в окнах сепаратора из бронзы. Сам сепаратор имел центрирующий штифт, который входил в отверстия образцов и не давал шарикам смещаться с намеченной беговой дорожки. Шпиндель настольного сверлильного станка вращал образец и одновременно создавал нормальную нагрузку, как это описано в работе [2].

Было рассмотрено несколько вариантов подвода электромагнитного поля к образцам и шарикам. По первому варианту кольцевой электромагнит предполагалось устанавливать с небольшим зазором над верхним вращающимся образцом с тем, чтобы магнитные силовые линии проходили перпендикулярно к образцу, затем через шарики нижний образец, замыкаясь по магнитопроводу. Однако при таком варианте возникала дополнительная сила прижима образцов от электромагнитного поля, которая легко определялась. Но, главное, этот вариант труднее осуществлялся, а также более сложен в многократных перестановках образцов при проведении экспериментов. Поэтому от такого варианта пришлось отказаться.

По второму варианту рабочего узла, который был принят за основу, электромагниты наводили силовые линии через цилиндрические поверхности образцов, а затем через шарики. Такое расположение полюсов магнитов, особенно верхнего, упростило проведение опытов.

Эксперименты осуществлялись в два этапа. На первом этапе выяснялось раздельное влияние фрикционной обработки и поля на усталостную долговечность. Причем, упрочняющая обработка осуществлялася до испытаний в машине трения. Так, одна партия рабочих поверхностей образцов подвергалась только фрикционному упрочнению без магнитного поля, вторая партия упрочнялась только переменным полем, а следующая – с использованием обоих методов.

Перед началом экспериментов на контактную усталость поверхностей следовало определить влияние напряженности магнитного поля и нормальной нагрузки на закономерности изменений значений минимального износа. Установлено, что достижение максимального эффекта снижения износа образцов с ростом нормальной нагрузки зависит от напряженности магнитного поля и от схемы пропускания этого поля через испытываемые образцы. Для построения кривых, показанных на рис. 1, использовалась методика, по которой с большого количества кривых «износ - нагрузка», полученных при различной напряженности магнитного поля снимались значения нагрузки, при которых износ был минимальным. Далее строился график «напряженность магнитного поля – нормальная нагрузка» при трении. В результате были получены кривые, показанные на рис. 1. По кривым 1-3 на этом рисунке выбиралась напряженность магнитного поля и нагрузка. Оказалось, что наиболее эффективную напряженность магнитного поля в дальнейших экспериментах следует выбирать в пределах 1,8-2,5∙10⁵ А/м. Поэтому в дальнейших экспериментах напряженность переменного поля была постоянной и равной 2∙10⁵ А/м. Здесь следовало сделать оговорку о том, что кривые на рис. 1 строились по значениям износа, а не величин контактной усталости, что экспериментально легче всего получить.

Рис. 1. Влияние напряженности магнитного поля и нормальной нагрузки на закономерности изменения значений минимального износа:

Кривые: 1 – образец из стали 45 отожженный; поле вне зоны контакта;

2 – отожженный образец, переменное магнитное поле с прохождением через зоны фрикционного контакта

3 – то же, что и для кривой 2, но образец закален

Результаты испытаний в масле ЦИАТИМ-201 показаны на рис. 2.

Рис. 2. Влияние предварительной обработки поверхностей на контактную усталость:

1 – закаленные образцы из стали;

2 – обработка переменным магнитным полем А/м;

3 – фрикционное упрочнение на белый слой;

4 – фрикционное упрочнение, затем обработка магнитным полем

Прямая 1 соответствует усталостной контактной прочности пар трения качения стальных закаленных образцов и шариков без применения других упрочняющих технологий и служит для сравнения с прямыми 3-4. Если поверхности образцов без шариков подвергнуть воздействию магнитного переменного поля напряженностью А/м в течение 10 мин. С последующей выдержкой в течение 30 часов перед испытанием на контактную усталость, то долговечность рабочих поверхностей возрастет и описывается прямой 2 на рис.2.

Упрочнение рабочих поверхностей образцов высокоскоростной фрикционной обработкой на белый слой без последующего воздействия магнитным полем дает результаты, представленные прямой 3. Что по сравнению с прямой 2 показывает значительное повышение контактной усталости. Если же такие фрикционно упрочненные образцы дополнительно подвергнуть магнитной обработке, а затем испытать на контактную усталость, то имеет место дальнейшее повышение предела контактной усталости, что видно по прямой на рис. 2.

Из представленных на рис. 2 данных можно сделать однозначный вывод, что в изученных условиях комбинированная упрочняющая обработка поверхностей с использованием магнитного поля позволяет в несколько раз увеличить сопротивление стальных поверхностей контактной усталости. Однако, как следует из методики эксперимента, в опытах не применялись магнитные поля, пропускаемые в динамике испытаний. Следовательно, эти результаты не отвечают на вопрос о влиянии поля на развитие контактной усталости. Поэтому была проведена следующая серия опытов по измененной методике, в которой были задействовано электромагнитная система, позволяющая пропускать поле непосредственно через зоны контакта. Приведем полученные результаты.

Из рис. 3 видно, что начальная часть прямой 1 соответствует прямой 1 по рис. 2. Это и не удивительно, т. к. получены в одинаковых условиях для исходно закаленных образцов и шариков без использования других упрочняющих технологий. Если же, однако, в процессе испытаний начать пропускать магнитное поле через образцы и шарики, то прямая 1 получает излом, что показано прямой на рис. 3. Получается, что подвод магнитного поля через рабочие поверхности и их зоны контакта с шариками ухудшает сопротивляемость усталости стальных закаленных образцов.

Если же изменить условия эксперимента и применить фрикционо упрочненные образцов на белый слой с их обработкой магнитным полем, то мы сначала получим прямую 2, показанную на рис. 3. Это и понятно, т. к. такое начало опыта полностью отвечает кривой 4 на рис. 2. Но, если в процессе эксперимента с этими образцами начать подводить в зону контактов переменное магнитное поле по аналогии с кривой на рис. 3, то прямая 2 на рис. 3 получает смещение вверх и переходит в прямую . Иными словами, имеет место увеличение контактного сопротивления рабочих поверхностей, а не их уменьшение, как это следует из данных по прямой .

Рис. 3. Влияние магнитного поля, пропускаемого через зоны контакта в динамике трения качения на усталостную прочность:

1 – исходные закаленные образцы;

- продолжение испытаний (по прямой 1), но затем включение электромагнитного поля через зоны контакта;

2 – образцы фрикционно упрочненные с дополнительной обработкой магнитным полем;

– продолжение испытаний (по прямой 2), но затем включение электромагнитного поля, пропускаемого через зоны контакта

Получается, что подведение магнитного поля в пары трения качения для исходно комбинированно упрочненных поверхностей выявляет дополнительно скрытые резервы в днформируемых микрообъемах белых слоев. При отсутствии белых слоев со структурами измельченного магнита и карбидов магнитное поле в процессе трения качения приводит сначала к протеканию стадии раз упрочнения, которая при определенных условиях может смениться упрочнением. В какой-то мере это может быть подтверждено данными работ, показывающими, что упрочняющий эффект от магнитного воздействия наступает не сразу после приложения поля, а через стадию раз упрочнения с последующим развитием упрочняющих свойств. Дополнительное же воздействие магнитного поля на уже комбинировано упрочненные поверхности, судя по всему, минует стадию разупрочнений, т. к. она уже в свое время ранее имела место. Поэтому, по нашему мнению, происходит только последующее накопление и усиление положительных свойств рабочих поверхностей. Однако, это объяснение нельзя считать окончательно доказанным, т. к. требует проведения тонких физико-механических исследований. Но, независимо от характера объяснений упрочняющий эффект от приложений магнитного поля в динамике трения качения имеет место, как, впрочем, и разупрочняющий.

По полученным данным можно сделать следующие выводы.

1. Установлено, что предварительная фрикционная обработка стальных поверхностей с образованием белых слоев существенно увеличивает долговечность пар трения качения. Дополнительная обработка этих поверхностей магнитным переменным полем приводит к еще большему положительному эффекту.

2. Применение электромагнитных полей в динамике трения качения, пропускаемых через зоны контакта опорных поверхностей с шариками, может приводить к противоположным эффектам. В случае использования стальных закаленных поверхностей усталостная прочность несколько снижается, а при использовании предварительно комбинировано упрочненных поверхностей с образованными белыми слоями дополнительное воздействие в динамике трения качения магнитным полем приводит к дальнейшему увеличению долговечности пар трения качения.

3. Для более детального объяснения полученных эффектов необходимо проведение дополнительных исследований. Тем не менее приведенные результаты открывают пути повышения долговечности опор трения качения с использованием фрикционного упрочнения и магнитного поля.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макаренко А. С., Евдокимом В. Д. К вопросу выбора методики комбинированного фрикционно-магнитного упрочнения сталей // Проблеми техніки: Науково-виробничий журнал. - Одеса: Диол-Принт, 2004. – № 4. – С. 45-51.

2. Макаренко А. С., Евдокимом В. Д. Влияние электромагнитного поля, проходящего через зону фрикционного контакта, на износ при высокоскоростном трении // Проблеми техніки: Науково-виробничий журнал. - Одеса: Диол-Принт, 2005. – № 1. – С. 77-84.