книги из ГПНТБ / Хомяк, Б. С. Износостойкость кузнечно-прессового инструмента и штампов и методы ее исследования [обзор]

стигранной матрицы. На исходной поверхности (рис. 32, а) видно, что абразивная обработка кругом из электрокорунда выполнена от­ носительно чисто, четко наблюдается направление резания. Вместе с тем, справа имеются надрывы поверхности, а слева — наплывы металла и точечные вырывы. В центре зоны износа грани сектора матрицы после 20 тыс. штампоударов при высадке гаек М12 из ста­ ли 10 наблюдается течение металла инструмента (рис. 32, б) под воздействием острых инденторов, возникших на поверхности метал­ ла штампуемой гайки, а также наблюдаются микроучастки срезае­ мой поверхности. Видны глубокие царапины разной протяженности наряду с гладкими зонами. Металл инструмента оттесняется в обе стороны от царапины. На рис. 32, в, г представлены электронные микрофотографии поверхности секторной вставки из твердого спла­ ва ВК20 гаечной шестигранной матрицы. Исходная поверхность после алмазной обработки (см. рис. 32, в) довольно чистая, четко видно направление резания. Отдельные выступы вблизи канавок можно рассматривать как упруго-пластическое оттеснение. Точки являются террасками среза. На рис. 32, г представлен участок из­

носа грани сектора матрицы после 3 млн. штампоударов при высад­ ке гаек M l2 из стали 10, расположенный в центре зоны высадки и характеризующийся большими и малыми углублениями. Видны сле­ ды пластического оттеснения, которые весьма локализованы, что свидетельствует о большом сопротивлении твердого сплава пласти­ ческому деформированию. Находящийся в центре трапецеидальный участок локальной выработки по своему периметру характеризует­ ся неравномерным развитием процесса пластического оттеснения металла; слева почти по прямой линии, с небольшим наплывом ме­ талла, внизу справа тоже небольшой наплыв металла, зато сверху слева направо наблюдается существенное оттеснение металла с об­ разованием гребня. Можно предположить, что в процессе дефор­ мирования штампуемого металла гайки на этом участке имел место унос субмикрочастиц металла инструмента.

При электронномикроскопических исследованиях износа грани секторной вставки гаечной матрицы из твердого сплава ВК.20К (для высадки гаек М12 из стали 10) после выполнения 200 тыс. штампо­ ударов на поверхности крупных зерен карбида вольфрама были об­ наружены четко просматриваемые линии скольжения (рис. 33), как проходящие через все зерно, так и начинающиеся с одного края зерна и утончающиеся внутри зерна.

На рис. 34, а представлена электронная микрофотография уча­ стка износа цилиндрической поверхности отрезного ножа из стали У10А для резки заготовок прутков диаметром 9,9 мм из стали 10 при высадке гаек М8 после 40 тыс. резов. Износ проявляется в виде разноориентированных и различных по величине царапин. На уча­ стке, находящемся в центре зоны износа, видна горизонтальная вы­ работка с наплывами металла по ее бокам. Эта выработка пересе­ кается длинной и широкой наклонной выработкой. На поверхности

81

к р о с к о п а. Автором обзора при исследовании поверхностей прес­ совых штампов, изготовленных из разных инструментальных мате­ риалов, после различных видов обработки и износа использовался растровый электронный микроскоп «Стереоскан» модели 2А, в ко­ тором пространственное изображение поверхности исследуемого образца снимается электронным зондом. Это позволяет исследо­ вать разные по характеру поверхности, в том числе и грубые. Ми­

кроскоп «Стереоскан» имеет разрешающую способность до 200 А и обеспечивает диапазон увеличений от 20 до 50 000, что значитель­ но расширяет объем получаемой информации.

Ценность информации, полученной с помощью растрового элек­ тронного микроскопа при исследовании поверхностей штампов, зна­ чительно повышается при сопоставлении полученных данных с ре­ зультатами исследований, выполненных на оптическом и электрон­ ном просвечивающих микроскопах.

Следует отметить, что картина исследуемой поверхности зави­ сит от того, под каким углом первичный луч (электронный зонд) попадает на поверхность. Наклон луча позволяет более четко пред­ ставить отдельные структуры поверхности. В представленных ниже снимках угол наклона первичного луча равен 45°.

Исследования можно проводить с травлением и без травления поверхности. Травление не проводят, если исследуются явления, не­ посредственно на поверхности после различных видов обработки и износа. Травление проводят при изучении структурных изменений иа поверхности металлов и сплавов.

Ниже приведены примеры применения растрового электронного микроскопа для исследования поверхности твердосплавных сектор­ ных вставок из сплава ВК20 шестигранных гаечных матриц, пред­ назначенных для холодной высадки гаек М12 из стали 10. На ис­ ходной поверхности (рис. 35) видно, что алмазная обработка выпол­ нена чисто, четко наблюдается направление резания. Просмотр образцов на микроскопе, а также анализ полученных фотографий при разном увеличении подтверждает сделанные ранее выводы о том, что при алмазном шлифовании благодаря высокой твердости, жесткости и значительной заостренности режущих кромок алмаз­ ных зерен преобладающим видом разрушения зерен карбида воль­ фрама является срез. На рис. 35, г на отдельных зернах четко вид­ ны терраски среза. Удаление с обрабатываемой алмазным шли­ фованием поверхности кобальтовой и карбидной составляющих происходит одновременно. Каких-либо дефектов, в том числе и ми­ кротрещин, обнаружено не было.

Изучение характера износа поверхности твердосплавной сектор­ ной вставки на разных участках зоны высадки в зависимости от ■времени работы подтвердило сделанные при изучении на электрон­ ном просвечивающем микроскопе выводы, что износ происходит за

84

больших энергий) характеристического рентгеновского излучения. Качественный анализ по длинам волн позволяет определить наличие элементов в исследуемом образце.

Прибор «Камека» позволяет наблюдать образец в микроскопе с отражательным объективом при увеличении Х400, а также полу­ чать изображение поверхности на экране осциллоскопа в погло­ щенных электронах или в монохроматическом рентгеновском излу­ чении за счет механического перемещения образца относительно электронного зонда в одном направлении и периодического откло­ нения электронного зонда в перпендикулярном направлении (ска­ нировании участка поверхности с квадратом от 30 X 30 до 350X Х350 мкм). Повышение интенсивности рентгеновского излучения фиксируется звуковой сигнализацией, что обеспечивает возмож­ ность обнаружить зоны нахождения частиц износа исследуемой по­ верхности и неоднократно повторно их изучать.

С помощью специальных приставок возможно фотографирова­ ние сканированных участков. Регистрируемую интенсивность рент­ геновского излучения можно записывать самопишущим потенцио­ метром, что количественно характеризует содержание соответству­ ющих элементов в последовательном ряде микрообъемов диамет­ ром 1 мкм и глубиной 1 мкм.

Применение микрохиманализатора «Камека» позволяет обнару­ жить на контактирующих с инструментом в процессе штамповки поверхностях деформируемых изделий частицы инструментально­ го материала размером до 1—2 мкм.

Качественным химическим анализом можно обнаружить элемен­ ты (например, кобальт, вольфрам и др.), которые содержатся в час­ тицах износа инструментального материала. Концентрацию элемен­ тов в частицах износа (приближенный химический количественный анализ) можно определить сравнением интенсивности излучения ана­ литических линий исследуемых элементов в образце и эталоне. При этом эталонами служат чистые металлы. Минимальное коли­ чество вещества, которое можно обнаружить с помощью микрохим­ анализатора «Камека» (абсолютная чувствительность прибора),— порядка 10-12 г, а минимальная концентрация вещества (относи­ тельная чувствительность) составляет 0,01—0,5%.

Автором обзора проведены.исследования по обнаружению ча­ стиц износа на поверхности граней гаек М4, М5, Мб (из стали 10 и латуни), М8, М10, М12, М16 (из стали 10) после их высадки в ше­ стигранных матрицах из твердых сплавов марок ВК15, ВК20, ВК20К, ВК25. При этом химический количественный анализ прово­ дили по кобальту —"по длинам волн характеристических линий К-серий и по вольфраму — по длинам волн L-серий (рис. 37). Так как высадку производили на пятипозиционных автоматах, то для исключения влияния контактирования штампуемой гайки с инстру­ ментом предыдущих операций последние были изготовлены из ин­ струментальных сталей, не содержащих W и Со.

87

тельно меньших размеров, которые не могут быть обнаружены на приборе «Камека», тем более, что при высадке значительная часть частиц износа уносится смазкой и только какая-то часть их закре­ пляется на поверхности деформируемого металла штампуемой гай­ ки. Химический состав обнаруженных частиц был различен. Отдель­ ные частицы имели в своем составе одновременно и W и Со; причем их процентное соотношение по-разному отличалось от процентного содержания в исходном инструментальном материале, другие ча­ стицы состояли только из W или Со.

Следует отметить, что точность результатов количественного анализа зависит от шероховатости исследуемой поверхности, так как при грубой поверхности образца сечение электронного зонда меняется в зависимости от места анализа, что приводит к значи­ тельным колебаниям интенсивности рентгеновского излучения. Вместе с тем при грубом рельефе его выступы могут экранировать рентгеновское излучение. В проводимых исследованиях поверхность граней гаек имела шероховатость в пределах V8—V10.

Результаты исследования позволили сделать вывод, что процесс износа происходит в последовательно сменяемых очень малых по площади точках реального контакта. Удаление частей зерен WC и Со происходит одновременно. Износ носит усталостный адгезион­ но-абразивный характер. Полученная информация цо физической природе износа инструментальных материалов может быть исполь­ зована при выборе марки инструментального материала и техноло­ гии его обработки при проектировании штампов, при совершенст­ вовании и разработке новых инструментальных материалов. Одна­ ко следует заметить, что этот метод сложен, требует значительных затрат времени и высокой квалификации работающих на приборе специалистов.

Эффективность применения метода электронно-зондового микро­ анализа при изучении износа штампов увеличивается, если его ре­ зультаты сопоставлять с результатами исследований, выполненных на оптических, электронных просвечивающих и электронных раст­ ровых микроскопах.

Возможно также применение микроанализаторов МАР-1,

радиоактивных присадок в материал, из которого затем из­ готовляются исследуемые детали, применение радиоактивных

диоактивным электродом, облучение деталей нейтронами в ядерном реакторе, исследование смазки, содержащей продукты износа.

89