Влияние параметров гетерогенной структуры на сопротивление контактному выкрашиванию

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние параметров гетерогенной структуры на сопротивление контактному выкрашиванию

А.В. Киричек, С.В. Баринов

Поднят вопрос о значимости технологий гетерогенного упрочнения в промышленности. Описаны выполненные исследования новой технологии получения гетерогенной структуры с помощью метода поверхностного пластического деформирования - статико-импульсной обработки. Установлена взаимосвязь между параметрами гетерогенности и величиной сопротивления контактному выкрашиванию для сталей 45, 40Х, 35ХГСА.

Ключевые слова: равномерность упрочнения, деформирование, твердость, гетерогенно упрочненная структура, долговечность, статико-импульсная обработка.

Киричек Андрей Викторович, д.т.н., профессор по перспективному развитию Брянского государственного технического университета, е-mail: avk.57@yandex.ru.

Баринов Сергей Владимирович, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Автоматизированное проектирование машин» Муромского института (филиала) ФГБОУВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», е-mail: box64@rambler.ru.

HETEROGENEOUS STRUCTURE PARAMETER EFFECT UPON RESISTANCE TO CONTACT SPALLING

Kirichek Andrey Viktorovich, D.Eng., Prof. on prospective development of Bryansk State Technical University, е-mail: avk.57@yandex.ru.

Barinov Sergey Vladimirovich, Can.Eng., Assistant Prof., Head of the Dep. «Computer Aided Design of Machines» of Murom Institute (Branch) FSBEI HE «Alexander and Nikolay Stoletov State University of Vladimir», е-mail: box64@rambler.ru.

At present time to increase surface layer life in machinery there is formed a heterogeneously strengthened structure representing alternate hard-tough areas. The method of static-pulse working (SPW) with surface plastic forming is a method promising enough for the heterogeneous structure formation in a surface layer. At SPW the plastic forming of material to be strengthened is carried out through an impulse load which is a consequence of rise at a blow in an impact system of a strain wave and controlled by the change of geometrical parameters in an impact system. The SPW allows creating a strengthened structure both uniformly, and heterogeneously. For a wider use of the heterogeneous strain strengthening of the SPW in industry there were developed the heterogeneity parameters describing the distribution of hard-tough areas in the surface layer; there were carried out researches of the resistance to a contact spalling of heterogeneously strengthened samples of steel 45, steel X, steel 35 XGSA; there was carried out the analysis of the distribution of hard-tough areas in the surface layer of strengthened samples.

As a result of researches carried out for steel 45, steel 40X, steel 35XGSA there was defined a range of heterogeneity parameters conducive to the increase of their resistance to a contact spalling two … six times more.

Key words: uniformity of strengthening, warping, hardness, heterogeneously strengthened structure, durability, static-pulse working.

Достаточно большой интерес для современной промышленности представляют материалы, сочетающие в себе несколько несопоставимых для обычных материалов свойств, например твердость и вязкость. Такие материалы называются гетерогенными или материалами с гетерогенной структурой. В отличие от композиционных материалов они имеют одинаковый химический состав, а гетерогенные свойства задаются в гомогенном материале путем применения термообработки (ТО) или химико-термической обработки (ХТО). Так, при изменении режимов лазерной закалки были получены сочетания различной твердости на поверхностных выступах и впадинах резьбы. Созданная гетерогенная структура позволила повысить усталостную долговечность на 30…50 % [1]. Полученная гетерогенная структура после ХТО за счет нанесения лаковых масок на рабочие поверхности зубчатых колес позволила увеличить их контактную выносливость в 2…3 раза [5].

Применение поверхностного пластического деформирования (ППД) для создания гетерогенной структуры стало возможным с появлением статико-импульсной обработки (СИО). Данный способ, в отличие от известных методов ППД, позволяет обеспечить требуемый закон распределения твердых и вязких участков на большой глубине. Кроме того, применение деформационного упрочнения для получения гетерогенной структуры представляется более перспективным по сравнению с ТО и ХТО. Это связано с тем, что ППД позволяет создавать плавный переход от участков с повышенной твердостью к участкам с низкой исходной твердостью, исключая возможность зарождения между ними микротрещин и дальнейшего разрушения.

Однако на сегодняшний момент технология машиностроения не дает технологических рекомендаций по режимам упрочнения и тем более по необходимой картине распределения в поверхностном слое твердых и вязких участков, обеспечивающих повышение долговечности. Это связано с малой изученностью процесса гетерогенного упрочнения и с отсутствием методики оценки формируемых твердо-вязких структур в поверхностном слое. Все это сдерживает более широкое распространение в промышленности предлагаемой технологии гетерогенного деформационного упрочнения.

Для расширения представлений о возможностях гетерогенных структур, полученных деформирующей СИО, и установления взаимосвязи между получаемыми сочетаниями твердых и вязких областей и формируемой долговечностью были проведены исследования на сталях 45, 40Х и 35ХГСА. Выбор материалов обусловлен тем, что сталь 45 является эталонной в машиностроении, а стали 40Х и 35ХГСА широко используются для создания тяжелонагруженных деталей машин, работающих в условиях контактных циклических нагрузок.

Для реализации поставленных целей образцы из сталей 45, 40Х и 35ХГСА были подвергнуты СИО. СИО позволяет достаточно точно регулировать равномерность упрочнения, создавая как равномерно, так и гетерогенно упрочненную структуру. При СИО пластическое деформирование упрочняемого материала осуществляется импульсной нагрузкой, которая является следствием возникновения при ударе в ударной системе волн деформации, и управляется изменением геометрических параметров ударной системы. Статическая составляющая нагрузки практически не участвует в процессе упругопластического деформирования и предназначена для наиболее полного использования импульсной. В результате импульсного воздействия упрочненная поверхность формируется из пластических отпечатков, которые перекрывают друг друга в определенном порядке. Степень перекрытия пластических отпечатков характеризуется коэффициентом перекрытия К. Если К = 0, то край одного отпечатка граничит с краем другого; если 0 < K < 1, то отпечатки перекрываются; при К = 1 происходит многократное вдавливание инструмента для СИО в одно и то же место [2].

Долговечность образцов с гетерогенной структурой, полученных СИО, оценивается в условиях контактного циклического нагружения по величине сопротивления контактному выкрашиванию ДI, позволяющей качественно и количественно оценить величину выкрашиваний на упрочненной поверхности относительно неупрочненной. Критерий ДI является комплексным параметром, учитывающим изменение в процессе испытаний размеров следов дорожек катания шаров и площадь возникших на них выкрашиваний [5].

Результаты испытаний на долговечность в условиях контактного циклического нагружения показали, что у стали 45 сопротивление контактному выкрашиванию повышено в 4…6 раз при коэффициенте перекрытия пластических отпечатков К=0,4. Наиболее эффективные значения ДI у сталей 40Х и 35ХГСА были получены при К=0,3 и составили соответственно 2…2,3 и 2,1…2,8 [3].

После исследования долговечности образцы с созданными гетерогенными структурами были разрезаны по середине упрочненной дорожки в направлении подачи инструмента для СИО. Для визуальной оценки распределения твердых и вязких участков по всему полученному сечению была измерена микротвердость. На полученных эпюрах распределения микротвердости (рис. 1) в зависимости от режимов СИО наблюдались разные чередования твердых и вязких участков как по глубине, так и в направлении подачи инструмента для СИО. Для оценки эпюр распределения микротвердости были введены численные характеристики, позволяющие описать распределение твердых и вязких участков в поверхностном слое, - параметры гетерогенности: относительная опорная твердость и относительное количество локальных упрочненных участков на базовой длине [4].

Относительная опорная твердость представляет собой отношение суммы длин участков с одной определенной степенью упрочнения на рассматриваемой глубине к базовой длине, на которой проводится измерение.

Относительное количество локальных упрочненных участков на базовой длине представляет собой отношение числа упрочненных участков со степенью упрочнения ДH к базовой длине L, на которой проводится измерение.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Примеры эпюр распределения микротвердости (МПа) в поверхностном слое стали 40Х

На основании рассчитанных параметров гетерогенности и результатов испытаний на сопротивление контактному выкрашиванию были построены графики их взаимосвязи (рис. 2-4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Взаимосвязь параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию для стали 45

Рис. 3. Взаимосвязь параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию для стали 40Х

Рис. 4. Взаимосвязь параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию для стали 35ХГСА

Анализ графиков взаимосвязи параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию показал, что у стали 45 наибольшие значения ДI 4…6 раз могут быть достигнуты при преобладающей степени упрочнения ДH 45…55%, если будут обеспечены от 55 до 70 % и от 2,5 до 3,1 шт./мм. Для стали 40Х наибольшие значения ДI 2…2,3 раза могут быть достигнуты при преобладающей степени упрочнения ДH 50…70%, если будут обеспечены =53…70 % и =0,9…1,5 шт./мм. Для стали 35ХГСА наибольшие значения ДI 2,1…2,8 раза могут быть достигнуты при преобладающей степени упрочнения ДH 50…120%, если будут обеспечены =30…50 % и =0,4…1,1 шт./мм.

Обработка в программе Statistica данных взаимосвязи параметров гетерогенности с сопротивлением контактному выкрашиванию позволила получить следующие математические модели для сталей 45 (1), 40Х (2), 35ХГСА (3) соответственно:

, (1)

, (2)

. (3)

Регрессионный анализ полученных моделей показал, что все параметры значимы; адекватность моделей для сталей 45, 40Х, 35ХГСА составила соответственно 91, 85 и 87%. Данные регрессии свидетельствуют об адекватности использования полученных математических моделей для определения параметров гетерогенности в зависимости от требуемой величины ДI для сталей 45, 40Х, 35ХГСА.

Выводы

1. Использование деформирующей статико-импульсной обработки для получения гетерогенной структуры является перспективной технологией.

2. Сопротивление контактному выкрашиванию может быть повышено за счет создания гетерогенной структуры СИО в сталях 45, 40Х, 35ХГСА соответственно в 4…6; 2…2,3 и 2,1…2,8 раза.

3. Распределение твердых и вязких участков создаваемых гетерогенных структур может быть описано с помощью разработанных параметров гетерогенности.

4. Проведенный анализ позволил установить взаимосвязь между параметрами гетерогенности и величиной сопротивления контактному выкрашиванию для сталей 45, 40Х, 35ХГСА.

5. Выполненный регрессионный анализ взаимосвязи параметров гетерогенности и величины сопротивления контактному выкрашиванию выявил значимость всех величин и установил их удовлетворительную адекватность.

Список литературы

промышленость упрочнение гетерогенный

1. Соловьев, Д.Л. Повышение долговечности деталей машин созданием гетерогенно наклепанной структуры / Д.Л. Соловьев, А.В. Киричек, С.В. Баринов // Тяжелое машиностроение. - 2010. - № 7. - С. 4-7.

2. Киричек, А.В. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.Г. Лазуткин. - М.: Машиностроение, 2004.- 288 с.

3. Kirichek, A.V. Study of Methods Relating to Increase of Contact Pitting Resistance in 45, 40H, 35HGSA Steel due to Development of Heterogeneous Structure Involving Mechanical Hardening Technique / A.V. Kirichek, S.V. Barinov // Applied Mechanics and Materials. - 756 (2015). - Р. 65-69.

4. Kirichek A.V. Development of Parameters Describing Heterogeneous Hardened Structure / A.V. Kirichek, S.V. Barinov // Applied Mechanics and Materials. - 756 (2015). - Р. 75-78.

5. Киричек, А.В. Повышение контактной выносливости деталей машин гетерогенным деформационным упрочнением статико-импульсной обработкой / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, С.В. Баринов [и др.] // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2008. - №7. - С.9-15.

1. Soloviev, D.L., Durability increase of machinery through creation of structure cold-hardened heterogeneously / D.L. Soloviev, A.V. Kirichek, S.V. Barinov //Heavy Engineering. -2010. - No 7. - pp. 4-7.

2. Kirichek, A.V., Techniques and Equipment for Static-Pulse Working with Surface Plastic Forming / A.V. Kirichek, D.L. Soloviev, A.G. Lazutkin. - M.: Mechanical Engineering, 2004. - pp. 288.

3. Kirichek, A.V. Study of Methods Relating to Increase of Contact Pitting Resistance in 45, 40H, 35HGSA Steel due to Development of Heterogeneous Structure Involving Mechanical Hardening Technique / A.V. Kirichek, S.V. Barinov // Applied Mechanics and Materials. - 756 (2015). - Р. 65-69.

4. Kirichek A.V. Development of Parameters Describing Heterogeneous Hardened Structure / A.V. Kirichek, S.V. Barinov // Applied Mechanics and Materials. - 756 (2015). - Р. 75-78.

5. Kirichek, A.V., Increase of machinery contact durability by heterogeneous strain strengthening with static-pulse working / A.V. Kirichek, D.L. Soloviev, S.V. Barinov [et alii] // Strengthening Techniques and Coatings. - 2008. - No 7. - pp. 9-15.

Размещено на Allbest.ru