книги из ГПНТБ / Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом

Глава II

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ

1.Объект исследований, аппаратура

иоборудование

Исследования велись в направлении, позволяющем установить влияние некоторых технологических режи­ мов обкатывания поверхности роликами на ее физикомеханические свойства; влияние степени наклепа на интенсивность изнашивания поверхности в условиях смаз­ ки и при «сухом» трении скольжения. Предусматрива­ лось также изучение вопросов, связанных с целесооб­ разностью применения обкатывания роликами поверх­ ности деталей действующих машин и механизмов. На основании результатов исследования были сделаны со­ ответствующие выводы о возможности получения эффек­ та упрочнения стальной поверхности ППД, о ее эксплу­ атационных свойствах, повышении долговечности и ра­ ботоспособности деталей машин.

Исследовались стали 15, 35, 45, 45Г2, 55ПП. Выбор материалов обусловлен их широким применением во всех отраслях машиностроения. Сталь 45Г2 с повышен­ ным содержанием дешевого легирующего элемента на­ ходит применение в сельскохозяйственном, промышлен­

конструкционных сталей от стали 15Г до стали 70Г. Хи­ мический состав сталей представлен в табл. 2.

Стали, из которых изготовлялись образцы, термиче­ ски обрабатывались по режиму: нагрев и выдержка в течение 1,5 час в электропечи с последующим свобод­ ным охлаждением на воздухе. Этим процессом дости­ галась более упорядоченная равномерная структура, снимались внутренние напряжения и тем самым обеспе­ чивалась стабильность данных при исследованиях.

31

Для обкатывания применялись образцы втулки цилиндрической формы с наружным диаметром 40,2, внутренним— 16, высотой 70 мм, изготовленные при обычных режимах резания (рис. 1). Шероховатость на­ ружной поверхности соответствовала 6-му, а внутрен­ ней — 7-му классам чистоты по ГОСТ 2789-59.

Цилиндрические втулки одевались на оправку и об­ катывались по наружной поверхности с помощью двухроликового и трехролпкоБОго пиевмогидравлического приспособления, закрепленного на направляющих стан­ ка вместо суппорта (рис. 2, 3). Ролики приспособления диаметром 130 мм были изготовлены из стали марки ШХ15, закалены до твердости HRC 62 ед., рабочая по­ верхность их полирована. Профильный радиус упроч­ няющего ролика 10, сглаживающего — 50 мм.

Рис. I. Заготовки образцов: 1— наружная цилиндрическая по­ верхность после точения; 2 —■ поверхность после обкатывания

Геометрия инструмента и его расположение на осно­ ве литературных данных и предварительных опытов выбраны с учетом получения наибольшей глубины упрочнения и минимальной высоты микронеровностеи поверхности без ее искажения. Ролики во время рабо-

32

ты имели возможность самоустанавливаться относитель­ но обрабатываемой детали (плавающая система), при­ чем упрочняющий ролик опережал . сглаживающий на 2—3 мм.

Обкатывание проводилось при обильной смазке ма­

были изготовлены кольца тех же разме-

Рис. 2. Схема обкатывания цилиндрических детален двухролнковым приспособлением на токарно-винторезном станке: / —упрочняющий ролик; 2 — обрабатываемая деталь; 3 — сгла­ живающій“! ролик

ров, с шлифованной наружной поверхностью (8-й класс чистоты). Полученные таким образом образцы являлись объектом исследования при всех экспериментах (рис. 4).

Для металлографического исследования изготавлялись микрошлифы с косым срезом. Металлографические исследования проведены по общепринятой методике на микроскопе МИМ-8М. Электронно-микроскопические исследования выполнены на электронном '- микроскопе ЭМ-3 при увеличении в 5400— 10000 раз:.

Твердость образцов до и после обкатывания измеря­ лась на приборе ТП (по Викерсу). При испытании на износ твердость поверхности трения измерялась на при­ боре микротвердости М. М. Хрущова и Е. С. Берковича ПМТ-3 при нагрузке на индентор 50 г. Оба прибора бы-

ли настроены по одному эталону с минимально возмож­ ным отклонением показаний. Диагональ отпечатка за­ мерялась на микрошлифах с косым срезом, закреплен­ ных в специальное приспособление, позволяющее уста­ новить шлиф строго горизонтально.

Истинное расстояние отпечатка пирамиды от цилин­ дрической поверхности образца (рис. 5) находилось по формуле:

/' — радиус образца; а — расстояние точки Б от поверх­ ности по косому срезу; Іі — высота сегмента.

Твердость определялась по величине диагонали.

Рис. 3. Трехроликовое приспособление для обкатывания наружных цилиндрических поверхностен

Рис.-4. Образцы для исследований

34

Результаты измерений на приборе ТП характеризу­ ют твердость всего материала, он позволяет на длине I—2 мм произвести большое число уколов с интервалом, равным величине диагонали, полученные показания бо­ лее стабильны в сравнении с показаниями ПМТ-3 (табл. 3). Измерения проводились на шлифе из стали 45.

Рис. 5. Схема, позволяющая определить истинное расстояние точки укола от поверхности

Полученные значения твердости на обоих приборах отличаются лишь на единицу, однако дисперсия для по­ казаний прибора ТП значительно меньше, что свиде­ тельствует о большей стабильности результатов.

Высота микронеровностей и профилограммы поверх­ ности образцов до обкатывания и после, а Также во время

испытаний на износ определялись па профилографепрофилометре ВЭИ-2. Критерием оценки чистоты по­ верхности явилась величина Ra, мкм.

2. Испытание материалов на износ

Единой методики испытаний материалов па износ, методики, обеспечивающей непосредственное исследова­ ние процессов, происходящих при трении, и получение количественных и качественных характеристик износо­ стойкости материалов в процессе износа, до сих пор нет

нах в реальных условиях их работы; другие— на реаль­

Исходя из условий работы сопряжений, физико-меха­ нических свойств материалов и поставленных целей, бы­ ла принята схема: первоначальные исследования прове­ сти в лаборатории с дальнейшей проверкой полученных результатов на деталях, работающих в реальных усло­ виях. Исследования проводились на конструктивно из­ мененной машине трения типа «МИ». В условиях, близ­ ких к граничной смазке, режим испытаний следующий: относительная скорость скольжения 0,90 м/с; давле­ ние 4,91 МН/м2 для образцов из сталей 35, 45, 45Г2 и 3,68 МН/м2 для образцов из стали 15. Давление изме­ нялось ступенчато, переход на следующую ступень про­ водился после установившегося момента трения и тем­ пературы. Аналогичным образом нагружались образцы после их перестановки, вызываемой необходимостью за­ мера износа. Давления при экспериментах взяты равны­ ми давлениям, часто встречающимся в сопряжениях ма­ шин. Кроме того, они выбраны такими, чтобы температу­ ра, развивающаяся в зоне трения, не могла оказывать существенного влияния на материал во время испытаний, чтобы не могли развиваться пластические деформации, хотя они не исключены в микрообъемах.

Путь образца за время испытаний каждой пары был равен 63 км. Число оборотов (путь трения) выбрано из расчета получения ощутимого износа. Замер величины износа и снятие прочих показаний осуществлялись пе­ риодически через равное число оборотов образца (в на­

‘36

чальный период через 50 тыс. оборотов, затем через 100 тыс. оборотов).

По записи момента трения (резкие скачки) определя­ лось схватывание поверхностей трения, что давало воз­ можность судить об их фрикционных свойствах.

В качестве смазки взято широко применяемое в ин­ женерной исследовательской практике машинное масло индустриальное 50, которое подавалось из делительной воронки по семь капель в минуту. При нагрузке 0,4 кН проведена предварительная приработка каждого образ­ ца в паре со своим контртелом, после которой шерохова­ тость испытываемой поверхности независимо от степе­ ни наклепа находилась в пределах восьмого класса чистоты. Предварительная приработка не вызвала из­ менения твердости на поверхности образца. Коитртслом при экспериментах служила проваренная в масле

тела обусловлен его высокими антифрикционными свой­ ствами и широким применением в машиностроении.

Эксперименты па износ сталей в зависимости от давления проведены на машине трения типа «МИ» в зависимости от скорости скольжения на машине трения конструкции Института строительной механики Акаде­ мии наук УССР. Большие скорости и высокие нагрузки на образец позволили проводить эксперименты приме­ нительно к конкретным условиям работы пар трения. Применение сразу трех контртел на один ролик уско­ рили лабораторные испытания при достаточно точных показаниях износа.

При испытаниях образцы находились в проточной масляной ванне. В качестве смазки применялась смесь, состоящая из 50% масла СУ и 50% дизельного топлива. Исследования проведены при скоростях скольжения от 1,01 до 5,12 м/с с давлением на образец 2,45 МН/м2.

Испытания на износ при трении скольжения в от­ сутствие смазки проведены на аналогичных образцах. Контртелом служили колодки из стали 45, закаленные до твердости 35 ед. HRC. Относительная скорость пере­ мещения поверхностей трения 0,50 м/с, давление па рабочих поверхностях от 0,25 до 1,47 МН/м2 с интерва­ лом через 0,25 МН/м2. Нагружение проводилось ступен­ чато, при установившемся моменте трения после каждой

37

ступени. Путь, пройденный образцом за время испытаний каждой пары, был равен 0,63 км. Замер величины изно­ са осуществлялся периодически через равное число обо­ ротов.

Кроме того, для проведения некоторых специальных исследований на базе машины трения МИ-1М была раз­ работана установка для испытаний материалов па износ с применением ультразвука (рис. 6). На специальном

Рис. 6. Схема .машины для испытания материалов па износ с нало­ жением ультразвуковых колебании

приспособлении, закрепленном на корпусе машины, уста­ новлен магнитострикциониый преобразователь, который через шарниры и зубчатые передачи имеет возможность перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоско­ стях. Принцип работы машины заключается в следую­ щем: исследуемый образец устанавливается на вал ма­ шины трения и закрепляется. На образец накладывает­ ся колодка, на которую воздействует волновод, связанный с магнитострикционным преобразователем. Нагрузка на колодку осуществляется через корпус магнитострикционного преобразователя.

Для охлаждения магиитострикционного преобразо­ вателя и масла, находящегося в баке, используется про­ точная вода, при этом температура масла в баке регули­ руется количеством проточной воды, проходящей через систему.

Для поддержания заданного температурного режима смазки в зоне трения насосом независимого привода производительностью 2 л/мин подается смазка. На рас­

38

стоянии 0,1 мм от поверхности трения термопарой изме­ рялась Э.Д.С.

Основным рабочим органом машины является ее аку­ стический узел — магннтострикциониый преобразова­ тель, функции которого сводятся к приведению рабочего торца в колебательное движение. Необходимую для это­ го энергию он получает от ультразвукового генератора УЗМ-1,5. К торцу колеблющегося преобразователя при­ соединяется концентратор, представляющий собой аку­ стический волновод, форма которого выполнена в виде экспоненты.

Вкачестве магнитострикциоппого излучателя исполь­ зовался пакет преобразователя ПМ-1,5, изготовленный из никеля, к поверхности которого серебряным припоем ПСр-40 припаивался концентратор. Концентратор изго­ товлен из стали 45 [164].

Внастоящее время для определения износа деталей машин применяются следующие способы: определение обогащения смазки продуктами износа путем химическо­ го анализа; анализ изменения служебных свойств дета­ лей или их сопряжений с увеличением времени эксплуа­ тации; наблюдение износа с помощью радиоактивных изотопов; микрометрический способ, основанный на по­ вторном измерении выбранного размера детали до и после изнашивания; определение износа детали по уменьшению ее веса. Каждый из названных способов

имеет свои преимущества и недостатки [135].

В работе износ определялся по уменьшению веса в процессе эксперимента путем взвешивания образца на аналитических весах АДВ-200 с точностью до одной де­ сятитысячной грамма. Применение этого метода в дан­ ном случае является наиболее целесообразным, так как два первых не дают возможности дифференцированно определить износ образца и контртела, радиоактивные изотопы не могли быть применены по техническим при­ чинам. Оставшиеся два последних способа несколько конкурируют между собой, но при детальном изучении измерение износа весовым методом имеет ряд преиму­ ществ. Мнение некоторых исследователей о неточности этого метода связано прежде всего с недостаточно точ­ ным его применением. В самом деле, при измерении об­ разца d = 40 мм и /і = 10 мм на универсальном измери­ тельном микроскопе (УИМ-21) погрешность равна

39