Вплив одночасної дії електромагнітних полів і високошвидкісного тертя на трибологічні властивості сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

(м. Хмельницький)

УДК 621.891

Вплив одночасної дії електромагнітних полів і високошвидкісного тертя на трибологічні властивості сталей

Спеціальність 05.02.04 Тертя та зношування в машинах

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Кошарська Людмила Вікторівна

Хмельницький - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському державному морському університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Євдокимов Вадим Дмитрович, Одеський державний морський університет, завідувач кафедри судноремонту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, Doktor-Ingenieur habilitatus, професор Семенюк Микола Федорович Технологічний університет Поділля, професор кафедри машинознавства;

кандидат технічних наук, професор, завідувач кафедри с днового машинобудування Соловйов Станіслав Олександрович, Український державний морський технічний університет, м. Миколаїв

Провідна установа: Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", м. Київ

Захист відбудеться 27 квітня 2001 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 29016 Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Технологічного університету Поділля (вул. Кам'янецька, 110/1)

Автореферат розісланий 22 березня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Кіницький Я.Т.

АНОТАЦІЇ

Кошарська Л.В. Вплив одночасної дії електромагнітних полів і високошвидкісного тертя на трибологічні властивості сталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 2000.

Робота присвячена комплексному дослідженню взаємного впливу електромагнітних полів і високошвидкісного тертя ковзання як на динаміку самого процесу тертя ковзання, так і на формування властивостей поверхневих і глибинних шарів сталей, що виконано й узагальнено вперше. Встановлено, що електромагнітні поля інтенсифікують при високошвидкісному терті процеси, що призводять, залежно від умов, або до підвищення, або до зниження зносостійкості сталей, до ефектів зміцнення чи зниження міцності робочої поверхні, що відбивається на внутрішніх напруженнях, корозійній стійкості, вмісті вуглецю у приповерхневих шарах сталей і на їх мікроструктурі. При цьому вплив змінних магнітних полів на деформовані силами тертя шари більш ефективний, ніж постійних тієї ж самої напруженості, і, особливо, при наявності у зоні фрикційного контакту рідких чи консистентних мастил, що містять вуглець. На основі отриманих закономірностей розроблено новий фрикційно-магнітний метод підвищення триботехнічних характеристик експлутаційних поверхонь деталей машин і на прикладах вузлів тертя суднових механізмів здійснено його впровадження з економічним ефектом за рахунок підвищення зносостійкості, корозійної стійкості і заміни легованих сталей вуглецевими.

Ключові слова: тертя, висока швидкість, електромагнітне поле, мастило, властивості поверхневих шарів, метод зміцнення.

Кошарская Л.В. Влияние одновременного воздействия электромагнитных полей и высокоскоростного трения на трибологические свойства сталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - Трение и износ в машинах. - Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 2000.

Работа посвящена комплексному исследованию взаимного влияния электромагнитных полей и высокоскоростного трения скольжения как на динамику самого процесса трения скольжения, так и на формирование свойств поверхностных и глубинных слоёв сталей, что выполнено и обобщено впервые. Установлено, что электромагнитные поля интенсифицируют при высокоскоростном трении процессы, приводящие в зависимости от условий, к повышению или к понижению износостойкости сталей, к упрочняющему или разупрочняющему рабочие поверхности эффектам, что отражается на внутренних напряжениях, коррозионной стойкости, содержании углерода в приповерхностных слоях сталей и на их микроструктурах. При этом воздействие переменных магнитных полей на деформируемые силами трения микрообъёмы более эффективно, чем постоянных той же напряжённости, и, особенно, при наличии в зоне фрикционного контакта углеродсодержащих жидких или консистентных смазок. Показано, что эффективность фрикционно-магнитного воздействия непосредственно при высокоскоростном трении, выраженная в уменьшении износа сталей в процессе самого высокоскоростного трения или после его прекращения при последующих испытаниях на износ при малых скоростях скольжения, определяется способностью этих сталей образовывать сплошные белые слои. Качеством этих слоёв можно управлять путём подбора напряжённости и переменности магнитного поля, нормальной нагрузки, времени высокоскоростного трения и смазок. Повышение до определённого предела нагрузки и напряжённости магнитного поля, особенно знакопеременного, снижает износ сталей и сдвигает временной интервал наступления наиболее положительного эффекта в сторону меньших значений задаваемых параметров. Аналогичная закономерность наблюдается и для не закаливаемых в обычных условиях малоуглеродистых сталей, но при введении в зону фрикционного контакта жидких или консистентных смазок. При этом наблюдается трансформация поверхностных и подповерхностных слоёв всех испытанных сталей в более углеродистые, что способствует образованию белых слоёв увеличенной твёрдости, толщины и износостойкости с высокими значениями сжимающих напряжений. Особенно этот процесс интенсифицируется для малоуглеродистых сталей, для которых содержание углерода в приповерхностных слоях увеличивается с 0,1…0,25% до 0,45…0,60%, а износостойкость становится сравнимой с высокоуглеродистыми сталями.

Показано, что высокоскоростное трение в электромагнитном поле можно использовать в качестве процесса предварительной обработки стальных рабочих поверхностей для повышения их износостойкости, нагрузочной способности, снижения коэффициента трения и увеличения коррозионной стойкости. При этом следует однако учитывать установленную двухстадийность процесса повышения износостойкости стали фрикционно-магнитной предварительной обработкой, когда на первой стадии она увеличивается в 1,6…1,8 раза по сравнению с одной только обработкой высокоскоростным трением с образованием белых слоёв, а на второй стадии, после временной выдержки, этот эффект возрастает до 4…4,8 раз, что порядка трёх раз превышает результаты от одной только электромагнитной обработки большей длительности, напряжённости и без трения.

На основе полученных закономерностей разработан новый фрикционно-магнитный метод повышения триботехнических характеристик рабочих поверхностей деталей машин и на примерах узлов трения судовых механизмов выполнено его внедрение с экономическим эффектом за счёт повышения износостойкости, коррозионной стойкости и замены легированных сталей углеродистыми.

Ключевые слова: трение, высокая скорость, электромагнитное поле, смазка, свойства поверхностных слоёв, метод упрочнения.

Kosharskaya L.V. Influence of simultaneous effect of electromagnetic fields and high-speed friction on tribological property of steels. - Manuscript.

The thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.02.04 - Friction and wear in machines. - Technological university of Podillia, Khmelnitsky, 2000.

The work is devoted to complex research of mutual influence of electromagnetic fields and high-speed sliding friction on dynamic of the sliding friction process, and also on forming properties of surface and deep steel stratums, that is executed and generalized for the first time. It is established, that electromagnetic fields at high-speed friction intensify processes which are resulting depending on conditions, in a heightening or lowering of steel endurance, to effects of strengthening or decreasing the strength of working surfaces, that is reflected in internal exertion, corrosion stability, content of carbon in surface steel stratums and in their microstructures. Thus the effect of variable magnetic fields on microvolumes being deformed by frictional forces is more effective, than steady ones of the same intensity, and especially in the case when liquid or consistent greases that contain carbon are present in a zone of frictional contact. On the basis of obtained regularities the new friction-magnetic method of heightening tribotechnical performance of working surfaces of machine parts is developed and introduced in the friction components of ship mechanisms is executed with economic benefit at the expense of endurance, corrosion stability and substitution of alloyed steels by carbon ones.

Key words: friction, high speed, electromagnetic field, greasing, properties of surface stratums, method of hardening.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблемам підвищення триботехнічних характеристик вузлів тертя різних машин та механізмів завжди приділялась належна увага. Це пояснюється не лише необхідністю вирішення перспективних проблем, пов'язаних з розвитком нової техніки, але й актуальністю питань модернізації, ремонту та відновлення застарілих чи зношених виробів машинобудування. З огляду на це набувають важливого значення роботи по тертю, в яких досліджуються нові закономірності чи ефекти, на основі котрих створюються нетрадиційні технології керування властивостями поверхневих шарів з метою їх покращання. Саме тому в державних програмах і постановах відводиться важлива роль дослідженням довговічності машин, покращанню їх службових характеристик при зниженні виробничих затрат та забезпеченні необхідної екологічності.

Існує досить багато прикладів, коли встановлені в результаті трибологічних досліджень закономірності тертя та зношування ставали основою для створення триботехнологічних методів підвищення зносостійкості та інших експлуатаційних характеристик поверхневих шарів деталей. До таких триботехнологічних методів, що поєднують використання тертя та технології на його основі, можна віднести фрикційну зміцнюючу обробку при високих швидкостях ковзання з утворенням білих шарів. Слід зауважити, що цей науковий і технологічний напрямок в багатьох аспектах вивчений і, як це видно з літературних джерел, відзначається практичною ефективністю, оскільки не вимагає дорогого обладнання і здійснюється при малих затратах енергії та машинного часу. Причому, актуальність цих досліджень і ефективність їх впровадження доведена рядом шкіл.

При виборі теми дисертації ми звернулись до трибології високих швидкостей та до відомих своєю простотою та ефективністю технологічних методів, заснованих на використанні високих швидкостей. Однак, достатня вивченість багатьох питань в цій галузі не дозволила визначити в ній новий напрямок досліджень з такою ж очевидною актуальністю. Але все ж, в результаті виконаного аналізу, з'явилась впевненість, що в трибології високих швидкостей повинні ще існувати невивчені перспективні питання, котрі можуть бути предметом досліджень.

В результаті викладених міркувань і здійсненого аналізу був визначений новий науковий напрямок і в ньому тема дисертаційної роботи, яка передбачала, що на гранях взаємного впливу високошвидкісного тертя та електромагнітних полів повинні виникати ще невивчені ефекти та закономірності, здатні бути основою створення на нових принципах ефективної триботехнології підвищення строку служби та інших характеристик вузлів тертя машин та механізмів, триботехнології, що могла б використовуватись в умовах як нового виробництва, так і при ремонті.

Узагальнюючи сказане вище, вважаємо, що обрана тема дисертаційної роботи має наступні ознаки: вона є частиною недослідженої області трибології, тому має наукову новизну і усі отримані по ній результати узагальнюються вперше як по питаннях розробки методики експериментів, так і по висвітленню отриманих закономірностей; тема має практичну новизну, оскільки при її виконанні була поставлена і вирішена задача по розробці ефективного триботехнологічного методу підвищення експлуатаційних характеристик поверхневих шарів деталей машин, розроблені рекомендації по впровадженню та виконано впровадження в виробництво. Таким чином, дисертаційна робота є актуальною, оскільки дає перспективу розвитку досліджень в новій галузі трибології і розв'язує в певній мірі актуальні сучасні задачі, що стоять перед наукою та практикою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Напрямок досліджень, отримані наукові і практичні результати відповідають програмам та планам науково-технічних робіт, направлених на розвиток народного господарства України - цільовій комплексній програмі розвитку транспортного комплексу України “Транспорт”, державній програмі “Пріоритетні напрямки розвитку науки та техніки України” по проблемах підвищення довговічності та економічності експлуатації машин, якості виробів продукції машинобудування та створення ефективних ресурсозберігаючих технологій і матеріалів, а також науково-технічній роботі по впровадженню, виконаній на замовлення судноремонтного підприємства. електромагнітний сталь триботехнічний

Мета і завдання дослідження. Враховуючи новизну питання, метою роботи є комплексне дослідження процесів, що відбуваються при високошвидкісному терті ковзання при одночасній дії на деформовані силами тертя поверхневі шари електромагнітних полів і розробка на основі результатів досліджень ефективного трибомагнітного методу підвищення експлуатаційних характеристик вузлів тертя з подальшою перевіркою його застосовності в у мовах виробництва. Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

розробка комплексної методики експериментальних досліджень високошвидкісного тертя з одночасною дією на поверхневі шари стальних зразків електромагнітних полів, характеристики яких можуть змінюватись;

вивчення при різних режимах триботехнічних досліджень та параметрах електромагнітних полів їх впливу на динаміку розвитку процесів тертя конструкційних сталей та отримання основних закономірностей;

проведення комплексних експериментальних досліджень по вивченню властивостей поверхневих та глибинних шарів стальних зразків, що формуються при спільній дії електромагнітних полів та високошвидкісних деформацій зсуву при терті;

теоретичне пояснення отриманих закономірностей та коректування подальших досліджень, що мають на меті вибір оптимальних умов, при яких ефекти проявляються найбільш контрастно та мають найбільшу практичну цінність;

визначення можливості використання спільної дії електромагнітних полів та високошвидкісного тертя в якості зміцнюючої обробки поверхневих шарів сталей і проведення відповідних триботехнічних досліджень при найбільш застосованих невеликих швидкостях тертя;

розробка нового трибомагнітного методу підвищення експлуатаційних характеристик вузлів тертя та визначення його ефективності, для цього необхідно вибрати відповідні реальні об'єкти та провести дослідження на них в умовах виробництва, здійснити впровадження та розробити рекомендації.

Об'єкт дослідження: процеси, явища та їх закономірності, які характеризують комплексну одночасну дію високошвидкісного тертя і електромагнітних полів на розвиток властивостей сталей.

Предмет дослідження: поверхневі і глибинні шари різних сталей, їх зміцнення, зносостійкість, внутрішні напруження, структури і корозійна стійкість при змінюваних режимах трибомагнітного впливу.

Методи дослідження - експериментально-теоретичні: новий метод і установка для триботехнічних досліджень при швидкостях до 120 м/с з одночасною дією електромагнітних полів; методи оцінки трибохарактеристик попередньо зміцнених поверхонь до навантажувальної здібності і зносостійкості при швидкості до 2 м/с; відомі методи для визначення фізико-механічних та хімічних властивостей поверхневих шарів, а також методи оцінки ефективності трибомагнітного зміцнення у виробничих умовах та на підставі експериментальних результатів їх теоретичне пояснення.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше в комплексі експериментально досліджено та теоретично пояснено спільний вплив електромагнітних полів та високошвидкісного тертя на трибохарактеристики процесу тертя і зміни властивостей поверхневих та глибинних шарів вуглецевих сталей при різних параметрах фрикційної та електромагнітної взаємодії. Всі отримані та наведені в дисертації результати, а також сам напрямок трибологічних досліджень відрізняються новизною.

Встановлено, що змінні магнітні поля в більшій мірі, ніж сталі такої ж напруженості, інтенсифікують при високошвидкісному терті процеси, що призводять, в залежності від умов, до підвищення чи пониження зносостійкості сталей, до ефекту підвищення чи зниження міцності робочих поверхонь, що також відображається на внутрішніх напруженнях, корозійній стійкості, вмісту вуглецю в поверхневих та глибинних шарах сталей і на їх мікроструктурі.

На основі теоретичних передумов та комплексу проведених експериментів визначений вклад електромагнітних полів та високошвидкісного тертя на процеси, що формують зносостійкі поверхневі шари, показана залежність цих процесів від умов попередньої магнітофрикційної обробки та часу витримки зразків після її припинення.

Встановлено двостадійність процесу підвищення зносостійкості конструкційних сталей магнітофрикційною попередньою обробкою. На першій стадії зносостійкість збільшується в 1,6...1,8 разів в порівнянні з обробкою одним лише високошвидкісним тертям. На другій стадії цей ефект зростає до 5 разів, що приблизно в три рази перевищує результати однієї лише електромагнітної обробки більшої тривалості.

Показано, що ефективність магнітофрикційного зміцнення і, внаслідок цього підвищення зносостійкості, залежить від здатності високошвидкісного тертя утворювати білі шари. В свою чергу, електромагнітні поля, а особливо змінні, вносять в цей процес інтенсифікуючий вклад. Якщо магнітофрикційна обробка не призводить до утворення білих шарів, то має місце ефект зменшення міцності та зниження зносостійкості сталей.

Визначено, що застосування мастил, що містять вуглець, та змінних магнітних полів при високошвидкісному терті в більшій мірі, ніж сталих, інтенсифікує швидкоплинні дифузійні процеси та трансформує поверхневі шари сталей в більш вуглецеві, що сприяє утворенню білих шарів збільшеної твердості, товщини та зносостійкості і відкриває перспективи практичного використання.

На основі вперше встановлених закономірностей, що мають місце при спільній дії електромагнітних полів та високошвидкісного тертя, визначені межі їх прояву та умови керування триботехнічними характеристиками робочих поверхонь.

Розроблені і застосовані оригінальні методики та установки для здійснення комплексних досліджень при високих швидкостях ковзання з одночасною дією електромагнітних полів, що регулюються, а також для проведення досліджень при невеликих швидкостях тертя.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі встановлених наукових закономірностей запропонований новий фрикційно-магнітний метод підвищення триботехнічних характеристик деталей машин, розроблені рекомендації щодо його застосування та на конкретних вузлах тертя суднових технічних засобів показана ефективність метода для виробництва, здатність збільшувати зносостійкість робочих поверхонь, оброблених за новою технологією, до чотирьох і більше разів, що підтверджено виробничими випробовуваннями, впровадженням та намірами по впровадженню.

Застосування комбінованої обробки деталей з використанням високошвидкісного тертя та електромагнітних полів відкриває перспективи економії легованих сталей та скорочення виробничих затрат на хіміко-термічну обробку, в тому числі, високовуглецевих сталей, а також заміни легованих сталей мало- та середньовуглецевими з підвищеною зносостійкістю, в тому числі в середовищах, що містять абразив.

Розроблена оснастка та пристрої, які дозволяють з малим машинним часом до 40 секунд здійснювати в виробничих умовах ефективний технологічний процес зміцнення, що може бути прийнято за аналог при створенні промислових установок.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментів, обробці їх результатів та теоретичному поясненні, в розробці методики досліджень і в створенні установки, за винятком її виготовлення та зборки, в нагляді за впровадженням, включаючи вибір об'єктів для досліджень в заводських умовах. Вибір наукового напрямку та теми, консультування здійснював науковий керівник. Рентгеноструктурний аналіз був виконаний в умовах судноремонтного заводу персоналом, що має відповідну підготовку та дозвіл.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та окремі її результати доповідались на звітних конференціях Одеського державного морського університету, на міжнародній конференції з передових технологій (Ясси, Румунія, 2000 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин” (Хмельницький, 2000 р.), на конференції з триботехнології машинобудування (Миколаїв, 2000 р.), на технічних засіданнях Іллічівського та інших судноремонтних заводів.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 9 роботах: 6 статтях у наукових журналах і 3 статтях у збірниках наукових праць.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота виконана на 182 сторінках машинописного тексту, містить 71 малюнок, 4 таблиці, список використаних джерел з 135 найменувань та 2 додатки. Загальний обсяг дисертації - 185 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ розкриває сутність і стан наукової проблеми та її значущість, підстави і вихідні дані для розробки теми, обгрунтування необхідності проведення дослідження, дається загальна характеристика дисертації. Підкреслюється, що обраний напрямок дослідження та тема розробляються вперше, а отримані результати вирізняються новизною і узагальнюються також вперше.

Розділ 1 присвячений вивченню стану проблеми та загальним питанням методики проведення досліджень. В ньому проведено аналіз літературних джерел, з якого випливає, що проблемі підвищення триботехнічних характеристик вузлів тертя машин в даний час приділяється зростаюча увага, що пов'язано не лише з вдосконаленням та розвитком техніки, але й з станом парку машин та механізмів і необхідністю проведення ремонтних робіт. Звертається увага на тенденцію використання закономірностей тертя для розробки триботехнічних методів, які підвищують зносостійкість та інші характеристики деталей машин, а особливо методів, в основі яких лежать високі швидкості тертя ковзання. Зроблено висновок про невивченість закономірностей та ефектів, котрі виникають при спільній дії на поверхневі шари високошвидкісних зсувних деформацій, температур та електромагнітних полів, що відкриває перспективу розвитку нового напрямку в трибології і вибору в ньому теми дисертаційної роботи, яка має як наукове, так і прикладне триботехнологічне значення. Показано, що новизна запропонованого напрямку вимагає комплексних досліджень з накопиченням дослідних даних для отримання загальних закономірностей. Це й спричинило експериментально-теоретичний характер дисертаційної роботи.

В цьому ж розділі висвітлені загальні питання методики проведення досліджень, охарактеризовані прилади та устаткування, що використовуються, описані методи планування експериментів, обробки результатів, визначення похибки та достовірності, що складає 0,92...0,98.

Основний висновок з першого розділу полягає в тому, що обрана тема дослідження до даного часу не вивчалась, має наукову та практичну новизну, але вимагає розробки оригінальної загальної та частинних методик проведення досліджень для комплексної оцінки зміни властивостей поверхневих і глибинних шарів сталей при спільній дії на неї високошвидкісного тертя ковзання, сталих та змінних магнітних та електромагнітних полів різної напруженості.

В розділі 2 розглянуті результати дослідження тертя та зношування вуглецевих сталей при високій швидкості ковзання без мастила з одночасною дією електромагнітних полів. В першому підрозділі описана вперше розроблена та застосована основна методика, яка дозволяє здійснювати тертя при швидкостях до 150 м/с шляхом використання диска, що обертається, і зразка, навантаження на який регулюється і який обертається із швидкістю 0,2 м/с. З обох сторін від зони фрикційного контакту стальний зразок охоплюють два полюси електромагніта, котрий створює стале чи змінне магнітне поле змінної напруженості до 5Ч105 А/м. Інші підрозділи присвячені вивченню триботехнічних процесів загартованих і незагартованих сталей, які розвиваються при високошвидкісному терті з одночасною дією електромагнітних полів.

Для вуглецевих сталей, що піддаються загартуванню, встановлена принципово однакова закономірність зміни зносу з часом для випадків високошвидкісного тертя без мастила як при наявності сталих та змінних магнітних полів, так і без їх накладання, з наявністю на кривих ділянок з мінімальними значеннями величин зносу. Застосування в процесі тертя змінних магнітних полів формує ефект зниження зносу зразків з сталей, що піддаються загартуванню, в більшій мірі, ніж при використанні сталих магнітних полів. Як стале, так і змінне магнітне поле дає більш суттєве зменшення зносу зразків в порівнянні з високошвидкісним тертям без поля. При цьому зроблено припущення, що цей ефект пояснюється інтенсифікуючою дією магнітних полів, особливо змінних, на процес утворення вторинних структур високої міцності, які підвищують зносостійкість сталей, що піддаються загартуванню. Встановлені залежності максимального зменшення зносу зразків з різних вуглецевих сталей від нормального навантаження і напруженості сталих і змінних магнітних полів, що показано, наприклад, на рис. 1 для сталі 45. Застосування змінних магнітних полів при одночасному високошвидкісному терті зміщує величини раціональних навантажень і напруженості магнітних полів в область менших порівняно з сталими полями значень. При цьому в усіх випадках тертя в змінних магнітних полях відбувається при більших порівняно із сталими полями значеннях коефіцієнту тертя.

Показані відмінності, які характеризують процес тертя сталей, що підлягають і не підлягають гартуванню, в присутності магнітних полів, що пояснюється впливом на розвиток вторинних структур в поверхневих шарах зразків вмісту вуглецю в сталі, силових режимів високошвидкісного тертя, його тривалості, напруженості і змінності магнітних полів. Зроблено припущення, що особливості високошвидкісного тертя сталей, що підлягають і не підлягають загартуванню, можуть бути нівельовані застосуванням мастил, що містять вуглець. Це зробило необхідним розвиток досліджень за аналогічною методикою з використанням інших мастильних матеріалів.

В розділі 3 наведені результати досліджень, що показують вплив електромагнітних полів і мастила на тертя та зношування конструкційних сталей при високій швидкості ковзання. Експерименти проводились на сталях з різним вмістом вуглецю з врахуванням їх здатності сприймати загартування за критеріями діаграми стану. В дослідах застосовувались рідкі і консистентні масла, котрі вводились в зону фрикційного контакту. Крім вимірювань величин зносу та коефіцієнту тертя вивчався вплив продуктів зносу, що утворюються, магнітних полів і мастил на шорсткість поверхні та знос зразків з конструкційних сталей.

Встановлено, що й при наявності мастила змінне магнітне поле, так само як і при терті без мастила, більш ефективно впливає на процеси тертя і зношування, ніж стале магнітне поле тієї ж напруженості. При використанні рідких та консистентних мастильних матеріалів, які вводяться в щілини між поверхнею зразків та полюсними наконечниками, має місце так ж узагальнена закономірність в зміні зносу і коефіцієнту тертя, як і для умов тертя без застосування мастильних матеріалів, що характерно для сталей, які підлягають загартуванню, при режимах тертя, що призводять до утворення вторинних структур. На відміну від даних, отриманих при терті без мастила, встановлено, що криві зносу набувають відповідний зсув у часі, що більш яскраво проявляється при використанні змінних магнітних полів, ніж сталих (рис. 2). Порівняння даних триботехнічних досліджень зразків з маловуглецевої сталі, що не підлягає загартуванню в звичайних умовах, проведене з мастилом та без мастила, показало певну аномалію в характері кривих зносу. Ця аномалія полягає в тому, що мастильне середовище, яке містить вуглець, і електромагнітні поля, як це припущено, сприяють насиченню поверхневих шарів маловуглецевої сталі вуглецем з перетворенням цих шарів в середньо- та високовуглецеві, що призводить до утворення вторинних зносостійких структур. Це не має місця в такій мірі при терті тих же зразків без мастила. Застосування змінних електромагнітних полів при терті інтенсифікує цей процес і відображається на величинах зносу та коефіцієнту тертя в більшій мірі, ніж використання сталих магнітних полів.

Показано, що продукти зносу, які утворюються в процесі високошвидкісного тертя, затягуються магнітним полем в міжполюсні щілини і приймають участь в процесі тертя та зношування зразків. В присутності мастила в міжполюсних щілинах продукти зносу змінюють знос зразків, причому в більшій мірі при наявності змінного магнітного поля, ніж сталого. Продукти зносу від високошвидкісного тертя, введені в міжполюсні щілини, змінюють шорсткість поверхні зразків. Ефективність впливу продуктів зносу на шорсткість поверхонь залежить від наявності в міжполюсних щілинах мастильного матеріалу та змінності магнітного поля. Використання поверхнево-активної присадки до масла інтенсифікує процес зменшення шорсткості поверхні, особливо при використанні змінного магнітного поля, що може бути пояснено на основі закономірностей прояву ефекту Ребиндера при контактних взаємодіях.

В розділі 4 розглядається зміна властивостей поверхневих і глибинних шарів зразків із сталей з різним вмістом вуглецю під дією високошвидкісного тертя і електромагнітних полів. Досліди проводились при різних навантаженнях, тривалості тертя, при сталих та змінних магнітних полях з змінюваною напруженістю. Вивчався вплив різних факторів на мікротвердість поверхневих та глибинних шарів сталей, на товщину білих шарів, величину, знак та характер розподілу внутрішніх напружень першого роду, на особливості формованих структур.

При режимах високошвидкісного тертя, що призводять до утворення вторинних структур типу білих шарів, застосування змінних магнітних полів призводить до більшого зміцнюючого ефекту, ніж застосування сталих магнітних полів (рис. 3). Це проявляється не лише в збільшенні мікротвердості поверхневих та глибинних шарів, але й в розповсюдженні ефекту на більшу глибину. Шляхом зміни напруженості магнітного поля і застосування мастильних матеріалів можна керувати товщиною білих шарів сталей з різним вмістом вуглецю. Причому, підвищений ефект досягається при скороченні тривалості тертя і при зменшеному навантаженні за умови використання знакозмінних магнітних полів порівняно з сталими. Крім того, за допомогою методики пошарового стравлювання встановлено, що одночасна дія електромагнітних полів і імпульсних деформацій від високошвидкісного тертя викликає виникнення в поверхневих і приповерхневих шарах високих напружень стискування. Величина і глибина цих напружень може бути збільшена використанням знакозмінних електромагнітних полів, мастил, що містять вуглець, застосуванням сталі з підвищеним вмістом вуглецю, відповідних режимів тертя та попереднім гартуванням зразків. Аналогічні ефекти досягаються і для маловуглецевих сталей.

Експериментально підтверджено припущення про те, що спільна дія електромагнітних полів і високошвидкісного тертя призводить до ефекту насичення приповерхневих шарів сталей вуглецем, при цьому вони трансформуються в високовуглецеві. Ефект інтенсифікується знакозмінними магнітними полями в більшій мірі, ніж сталими, і найбільш яскраво проявляється при використанні в процесі тертя мастильних середовищ, що містять вуглець. Це призводить до появи здатності початково маловуглецевих сталей, що не підлягають загартуванню, до загартування з утворенням твердих вторинних структур. Вивчення структур, що утворюються під дією тертя і електромагнітних полів, показало, що знакозмінні електромагнітні поля в більшій мірі, ніж сталі, сприяють розпаду залишкового аустеніту. Застосування високошвидкісного тертя без електромагнітних полів, навпаки, збільшує процентний вміст залишкового аустеніту. Дано пояснення цих ефектів з позиції фізики твердого тіла і матеріалознавства.

Встановлені закономірності в зміні властивостей поверхневих і глибинних шарів сталей під дією високошвидкісного тертя і електромагнітних полів дозволяють зробити припущення про можливий вплив цих якостей на триботехнічні параметри пар тертя при невеликих швидкостях з перспективою практичного застосування. Це припущення вимагало проведення великої серії підтверджуючих експериментів з їх практичним спрямуванням. Відповідні результати викладені в п'ятому розділі.

В розділі 5 розглянуто питання про спільне використання електромагнітних полів та високошвидкісного тертя в якості попередньої зміцнюючої обробки для підвищення триботехнічних характеристик робочих поверхонь. Попередня обробка експериментальних зразків з різних сталей, а також деталей машин здійснювалась при швидкості 100 м/с з використанням найбільш ефективних режимів високошвидкісного тертя, отриманих на підставі узагальнених даних, викладених в розділах з другого по четвертий. Підготовлені зразки досліджувались при швидкості 2 м/с в маслі з визначенням зносостійкості і навантажувальної здатності. Додатково до цієї великої серії експериментів досліджувалось питання про вплив одних лише електромагнітних полів, як фактору зміцнюючої обробки, на зносостійкість сталей. Крім того, визначалась і корозійна стійкість сталей, які пройшли попереднє комбіноване зміцнення. В основному все це здійснювалось на реальних деталях.

Показано, що попередня обробка сталей високошвидкісним тертям при наявності електромагнітних полів викликає підвищення при малих швидкостях їх триботехнічних характеристик, таких як зносостійкість, навантажувальна здатність і корозійна стійкість із зниженням величини коефіцієнту тертя в більшій мірі, ніж одна лиш фрикційна обробка сталей без використання електромагнітних полів. Дослідження стальних зразків на швидкостях до 2 м/с після високошвидкісної трибомагнітної обробки в змінному полі призводить до збільшення на 25...30% зносостійкості та навантаження заїдання порівняно з сталим полем. При цьому зміцнюючий ефект, що оцінюється за зносостійкістю та навантажувальній здатності сталей, може бути збільшений в декілька разів підбором середовищ, що містять вуглець, і їх введенням в зону фрикційного контакту з відповідним вибором навантаження, тривалості дії та напруженості поля. Аналіз експериментальних даних, отриманих з метою сепарації ефектів від фрикційного зміцнення і, окремо, від електромагнітного впливу дозволив вперше встановити і пояснити дві стадії розвитку зміцнюючого трибомагнітного ефекту. Ці стадії взаємопов'язані і дають сумарний ефект підвищення зносостійкості поверхневих шарів до п'яти разів порівняно з обробкою високошвидкісним тертям без використання електромагнітних полів (табл. 1). Це явище пояснено.

Отримані позитивні результати лабораторних досліджень дозволили вперше запропонувати і розробити новий метод зміцнення деталей машин. Для перевірки методу в лабораторних умовах була визначена група деталей з номенклатури суднових технічних засобів і в заводських умовах здійснені роботи по високошвидкісному трибомагнітному зміцненню, дослідженням та впровадженню з економічним ефектом, що базується на збільшенні зносостійкості до 4...5 разів та корозійної стійкості в 1...2,6 разів з можливістю заміни легованих сталей мало чи середньовуглецевими при простоті та екологічності використання. Так, заміна сталі 14Х17Н2 з заводською термообробкою на сталь 60, але з використанням трибомагнітної обробки, підвищує корозійну стійкість цієї сталі в 1,3 рази порівняно із сталлю 14Х17Н2 без такої обробки, а в порівнянні із сталлю 2Х13 - в 1,25 разів.

Підтверджуючі дані наведені в останньому підрозділі і в додатках з актом економічного ефекту у 45000 грн., включно від підвищення зносостійкості та корозійної стійкості - 33000 грн., а від заміни легованих сталей - 12000 грн.

ВИСНОВКИ

1. Вперше запропоновано в комплексі досліджувати взаємний вплив електромагнітних полів та високошвидкісного тертя ковзання як на динаміку самого процесу тертя, так і на формування властивостей поверхневих та глибинних шарів матеріалів. Оскільки в відомій літературі цей напрямок не висвітлений, то можна вважати, що усі отримані та наведені в дисертації результати відрізняються науковою та практичною новизною.

2. Встановлено, що електромагнітні поля неоднозначно впливають на процес високошвидкісного тертя сталей, що визначається режимами тертя, наявністю мастильних матеріалів, вмістом вуглецю в сталях та їх термообробкою, а також характеристиками електромагнітних полів. В усіх випадках змінні електромагнітні поля, що діють в процесі тертя, інтенсифікують в ту чи іншу сторону виникаючі ефекти в більшій мірі, ніж сталі поля тієї ж напруженості, однак призводять до збільшення коефіцієнту тертя.

3. Встановлені умови прояву закономірності стрибкоподібного зменшення зносу сталей в процесі високошвидкісного тертя, котрим можна керувати підбором режимів тертя, мастила та характеристик електромагнітного поля. Підвищення до певної межі навантаження і напруженості електромагнітного поля, особливо знакозмінного, знижує знос і зсуває часовий інтервал ефекту в сторону менших значень. Знакозмінність пояснюється процесами утворення вторинних твердих структур загартування, в тому числі і для маловуглецевих сталей, які не підлягають загартуванню в звичайних умовах.

4. В комплексі вивчено вплив електромагнітних полів та високошвидкісного тертя на властивості поверхневих та глибинних шарів сталей, такі як мікротвердість, внутрішні напруження, структура та товщина білих шарів, температурна та корозійна стійкість. Встановлена можливість керування цими властивостями підбором режимів тертя та характеристик електромагнітних полів. При цьому слід враховувати, що якщо магнітофрикційна дія не призводить до утворення білих шарів, то виникає ефект не зміцнення, а зниження міцності, котрий відбивається на усьому комплексі вивчених властивостей.

5. Застосування електромагнітних полів і вуглецевих мастил при високошвидкісному терті інтенсифікує швидкоплинні дифузійні процеси і трансформує поверхневі шари сталей в більш вуглецеві, що сприяє утворенню білих шарів підвищеної твердості, товщини та зносостійкості і відкриває перспективи практичного використання.

6. Встановлена двостадійність процесу підвищення зносостійкості сталей магнітофрикційною попередньою обробкою. На першій стадії зносостійкість збільшується в 1,6...1,8 разів в порівнянні з обробкою одним лише високошвидкісним тертям. На другій стадії цей ефект зростає до 5 разів, що приблизно в три рази перевищує результати однієї лише електромагнітної обробки більшої тривалості.

7. Показано, що високошвидкісне тертя в електромагнітному полі можна використовувати як процес попередньої обробки робочих поверхонь для підвищення їх триботехнічних характеристик - зносостійкості, навантажувальної здатності, зниження коефіцієнту тертя і збільшення корозійної стійкості.

8. На основі встановлених наукових закономірностей вперше розроблено і застосовано трибомагнітний метод підвищення експлуатаційних характеристик поверхневих шарів деталей машин. Новий технологічний метод зміцнення збільшує зносостійкість оброблених деталей до чотирьох та більше разів і дозволяє заміну дорогих легованих сталей вуглецевими, відміну в деяких випадках тривалої хіміко-термічної обробки, що підтверджено виробничими випробовуваннями, впровадженням та намірами про впровадження.

9. Розроблені і застосовані нові методики і обладнання для комплексних досліджень при високій швидкості ковзання з одночасною дією регулюємих електромагнітних полів, а також схеми та оснащення, які можуть бути прийняті за основу при створенні промислового устаткування.

10. Проведені дослідження і отримані результати відкривають перспективи розвитку наукових та практичних робіт по вивченню та застосуванню нових закономірностей, здатних виникати та трансформуватись при змінюваних умовах спільного впливу на поверхневі шари матеріалів електромагнітних полів та тертя.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Евдокимов В.Д., Кошарская Л.В. Влияние комбинированной обработки электромагнитным полем и высокоскоростным трением на износостойкость углеродистых сталей // Проблемы трибологии (Problems of Tribology). - 2000. - № 1. - С. 130 - 133.

2.Кошарская Л.В. Упрочнение деталей машин трибомагнитным методом // Вісник одеського державного морського університету. - Одеса, 2000. - № 5. - С. 103 - 107.

3.Кошарская Л.В. Повышение качества фрикционной упрочняющей обработки в судоремонте // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМА. - 1999. - № 4. - С. 64 - 68.

4.Кошарская Л.В. Особенности структур, формируемых в стальных образцах при трении с одновременным воздействием электромагнитного поля // ТЕМА. - 1999. - № 3. - С. 51 - 54.

5.Кошарская Л.В., Евдокимов В.Д. Влияние электромагнитных полей и высокоскоростного трения без смазки на микротвердость поверхностных и глубинных слоёв сталей // ТЕМА. - 1999. - № 2. - С. 40 - 45.

6.Кошарская Л.В., Евдокимов В.Д. Влияние реверсивности трения и смазок на внутренние напряжения. // ТЕМА. - 1999. - № 1. - С. 47 - 51.

7.Кошарская Л.В. Упрочнение поверхностей трения и их неравновеликий износ // ТЕМА. - 1998. - № 8. - С. 28-30.

8.Евдокимов В.Д., Кошарская Л.В. Об одной особенности трибомагнитной обработки стали // Збірник наукових праць УДМТУ - Миколаїв: УДМТУ, 2000. - № 3(369). - С. 141 - 148.

9.Yevdokimov V.D., Kosharskaya L.V. A Tribomagnetic Control's Method by Working Surface Properties in Machine Parts // Bulletin of the Polytechnic institute of Iassy. Romania. - 2000. P. 183 - 186.

Размещено на Allbest.ru