Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом. Учебное пособие
.pdf
4.4. Структурно-фазовый анализ, микродюрометрия и профилометрия упрочненного поверхностного слоя
Кроме того, на характерном спектре прослеживаются относительно
малые пики, соответствующие неметаллическим включениями Cr23C6.
Это говорит о том, что температура нагрева и время выдержки были
недостаточны для того, чтобы карбиды хрома полностью раствори‑
лись в образовавшемся аустените.
Просвечивающая электронная микроскопия была выполнена
на микроскопе JEOL JEM 200CX. Фольги толщиной ~300 мкм были
отобраны на глубине 5 мм, 620 мкм и непосредственно на поверхно‑
сти упрочненного материала. Фольги подвергались электрохимическо‑
му утонению в ортофосфорной кислоте. Анализ полученных снимков
материала на глубине 5 мм от поверхности показывает, что исходная
микроструктура состоит из крупных ферритных зерен, которые содер‑
жат в себе одиночные дислокации (рис. 4.19).
а б в
Рис. 4.19. Просвечивающая электронная микроскопия исходной микроструктуры
на глубине 5 мм от поверхности:
а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение;
в — микроэлектронограмма
Ферритные зерна имеют малоугловые широкие границы большой
протяженности. Внутри зерен и по их границам присутствует большое
количество крупных неметаллических включений частиц Me23C6. Кар‑
тина микродифракции состоит из точечных рефлексов, что характер‑
но для монокристаллических недеформированных материалов.
Просвечивающая микроскопия фольги с поверхности дорожки
трения после одностороннего утонения образца приведена на рис. 4.20.
На светлопольном изображении (рис. 4.20, а) видно, что имеет место
повышенная плотность дислокаций и появляются дислокационные
ячейки. На рис. 4.20, б приведено темнопольное изображение в реф‑
лексах типа 110α участка с измельченной структурой. Картина микро‑
дифракции (рис. 4.20, в) имеет кольцевой вид.
91
4. Экспериментальные исследования фрикционной поверхностной закалки
а б в
Рис. 4.20. Просвечивающая электронная микроскопия поверхности дорожки
трения после однопроходной обработки:
а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение;
в — микроэлектронограмма
Микроструктура материала, взятого на глубине 620 мкм от по‑
верхности после фрикционной обработки, имеет смешанный харак‑
тер (рис. 4.21).
а б в
Рис. 4.21. Микроструктура поверхностного слоя на глубине 620 мкм
от поверхности после однопроходной обработки:
а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение;
в — микроэлектронограмма
Наряду с участками, состоящими из дисперсионного мартенсита,
присутствуют также ферритные зерна, которые не претерпели фазо‑
вых превращений в процессе термического воздействия. Это связа‑
но с поддержанием температуры в контактной зоне ~1000…1050 °C,
что недостаточно для полного протекания процесса аустенизации,
но обес печивает максимальную стойкость инструмента. Картины ми‑
кродифракции имеют точечный вид с большим количеством отдель‑
ных рефлексов, характерный для материалов со смешанным фазовым
составом, слабо подвергнутых деформации. Имеется небольшое ази‑
мутальное размытие рефлексов.
92
4.4. Структурно-фазовый анализ, микродюрометрия и профилометрия упрочненного поверхностного слоя
Заготовка после ФПЗ
Микродюрометрия по глубине поверхностного слоя является наибо‑
лее значимым количественным анализом эффективности фрикционной
закалки вращающимся инструментом. Для исследования изменения ми‑
кротвердости по глубине упрочняемого слоя стали марки 20Х13 от по‑
дачи инструмента проводилась фрикционная закалка двух заготовок.
Пример одной из заготовок и образцов 1 и 2 с вырезанными из них участ‑
ками в конце траектории движения инструмента с подачами 25, 50, 75,
100 мм/мин (образец 1) и 125, 150, 175 и 200 мм/мин (образец 2) приве‑
ден на рис. 4.22. Далее в поперечном сечении образцов под дорожками
трения подготавливаются косые шлифы под углом 19° (рис. 4.23). Перед
измерениями косые шлифы предварительно шлифуются и полируются
с охлаждением, не допускающим перегрева исследуемой стали.
а б
Выход
инструмента
Образец 1
200 175 150 125
Образец 2
Вход
инструмента
Рис. 4.22. Общий вид заготовки 1 с дорожками трения после ФПЗ (а) и образцы
заготовок 1 и 2 на участках выхода инструмента после обработки с подачами 25,
50, 75, 100, 125, 150, 175 и 200 мм/мин (б)
100 75 50 25
а б
Косой шлиф
Рис. 4.23. Схема подготовки (а) и фотография (б) косых шлифов образцов
19
О
93
4. Экспериментальные исследования фрикционной поверхностной закалки
а
1000
900
0.05
800
700
600
500
400
300
200
Микротвердость HV
0 500 1000 1500 2000
в
д
Расстояние от поверхности, мкм
1000
900
0.05
800
700
600
500
400
300
200
Микротвердость HV
0 500 1000 1500 2000
Расстояние от поверхности, мкм
1000
900
0.05
800
700
600
500
400
300
200
Микротвердость HV
0 500 1000 1500 2000
Расстояние от поверхности, мкм
f = 25 мм/мин
f = 75 мм/мин
f = 150 мм/мин
б
1000
900
0.05
800
700
600
500
400
300
200
Микротвердость HV
0 500 1000 1500 2000
г
Микротвердость HV
е
Микротвердость HV
Расстояние от поверхности, мкм
1000
900
0.05
800
700
600
500
400
300
200
500 1000 1500 2000
0
Расстояние от поверхности, мкм
1000
900
0.05
800
700
600
500
400
300
200
0 500 1000 1500 2000
Расстояние от поверхности, мкм
f = 50 мм/мин
f = 100 мм/мин
f = 200 мм/мин
Рис. 4.24. Изменение микротвердости HV0,05 по глубине поверхностного слоя
после ФПЗ с подачей 25 мм/мин (а), 50 мм/мин (б), 75 мм/мин (в), 100 мм/мин
(г), 150 мм/мин (д) и 200 мм/мин (е)
Измерения микротвердости проводятся, как правило, методом вос‑
становленного отпечатка пирамидки Виккерса, например, с нагрузкой
0,05 кгс и выдержкой 15 с. Проводятся многократные измерения с опре‑
делением диагоналей отпечатка d
94
и d2, величины микротвердости HV
1
0,05
.
4.4. Структурно-фазовый анализ, микродюрометрия и профилометрия упрочненного поверхностного слоя
Вычисляются ее средние значения и стандартное отклонение для глуби‑
ны 10…140 мкм. Результаты измерений заносятся в таблицу. Типовая та‑
блица для фрикционной закалки с подачей 100 мм/мин приведена в при‑
ложении. На основе табличных данных строятся зависимости изменения
микротвердости HV
по глубине упрочняемого слоя (рис. 4.24).
0,05
Установлено, что при ФПЗ за один проход инструмента умень‑
шение линейной подачи инструмента с 200 до 25 мм/мин приводит
к увеличению толщины упрочненного поверхностного слоя, микро‑
твердость которого превышает пороговое значение однородной мар‑
тенситной структуры 500 HV
, с 480 до 1000 мкм.
0,05
На основе экспериментальных данных микродюрометрии мож‑
но построить график зависимости глубины упрочненного слоя с тре‑
буемой микротвердостью 500 HV
от подачи инструмента. Кроме
0,05
того, для сравнительной оценки влияния подачи инструмента и ко‑
эффициента трения на данный график можно нанести расчетные за‑
висимости глубины диффузии углерода hD (f, µ). На рис. 4.25 приведе‑
ны расчетные зависимости глубины диффузии углерода hD от подачи,
установленные с помощью КЭМ, для следующих значений коэффи‑
циента трения: µ = 0,22 (кривая 2), µ = 0,24 (кривая 3), µ = 0,26 (кри‑
вая 4). Таким образом, глубина слоя с микротвердостью 500 HV
0,05
для
различных подач в полной мере соответствует диффузионному фрон‑
ту углерода при ФПЗ с коэффициентом трения µ = 0,24.
Рис. 4.25. Экспериментальная зависимость глубины упрочненного слоя
с микротвердостью 500 HV
кривая 2 — µ = 0,22; кривая 3 — µ = 0,24; кривая 4 — µ = 0,26
(кривая 1) и диффузии углерода hD от подачи fи
0,05
при коэффициенте трения:
95
4. Экспериментальные исследования фрикционной поверхностной закалки
а
б
в
г
Рис. 4.26. Микропрофиль поверхностей дорожек трения, обработанных
с подачами 200 мм/мин (а), 175 мм/мин (б), 150 мм/мин (в) и 125 мм/мин (г)
96
4.4. Структурно-фазовый анализ, микродюрометрия и профилометрия упрочненного поверхностного слоя
а
б
в
г
Рис. 4.27. 2D‑ (а, б) и 3D‑профилограммы (в, г) поверхностей дорожек трения,
обработанных с подачами 100 мм/мин (а, в) и 50 мм/мин (б, г)
97
4. Экспериментальные исследования фрикционной поверхностной закалки
Для закаливаемых методом ФПЗ деталей трибосопряжений необ‑
ходимо получить поверхности с наименьшей шероховатостью, что по‑
зволит обеспечить максимальную износостойкость. Важно выявить
влияние на формирование микропрофиля поверхности подачи ин‑
струмента как одного из основных технологических параметров, опре‑
деляющих температуру нагрева упрочняемой стали. На рис. 4.26 при‑
ведены результаты измерения микропрофиля поверхностей дорожек
трения образца 1 (см. рис. 4.22, б) после ФПЗ с подачами инструмен‑
та 200, 175, 150 и 125 мм/мин. Анализ показателей формируемого про‑
филя поверхностей дорожек трения позволяет сделать вывод, что при
данных подачах дальнейшей постобработки не требуется.
Снижение линейной подачи до 100 мм/мин и менее приводит
к формированию поверхностей дорожек трения со следами плавле‑
ния и эрозии материала (см. рис. 4.27). Трехмерное представление ми‑
кропрофиля дорожек трения показывает, что для формирования пло‑
ской поверхности стали с шероховатостью Ra = 1,5…1,8 мкм должно
применяться чистовое фрезерование. После ФПЗ с подачей инстру‑
мента 50 мм/мин, согласно данным рис. 4.27, б и г, глубина фрезеро‑
вания должна составлять 40 мкм.
Контрольные вопросы к главе 4
1. Каким образом может быть проверена адекватность математи‑
ческих моделей процесса ФПЗ?
2. Опишите принцип экспериментального определения коэффи‑
циента трения при ФПЗ.
3. Какими средствами может быть измерен коэффициент трения
при прямолинейном движении инструмента?
4. С чем связано изменение профиля обрабатываемой поверхно‑
сти в контактной зоне инструмента?
5. На основе какого метода может быть экспериментально иссле‑
довано изменение контактной температуры по глубине поверх‑
ностного слоя при ФПЗ?
6. Какой параметр может быть использован в качестве критерия
толщины упрочненного слоя?
98
Контрольные вопросы к главе 4
7. Какую форму имеет участок термического воздействия при оп‑
тической микроскопии поперечного шлифа дорожки трения
инструмента?
8. Какие зоны можно выделить по глубине участка термического
воздействия вращающегося инструмента? Чем они характери‑
зуются?
99
Список библиографических ссылок
1. Ion J. C. Laser Processing of Engineering Materials. — Amsterdam :
Elsevier, 2005. — 589 p.
2. Laser surface hardening of AISI 420 stainless steel treated by pulsed
Nd : YAG laser / B. Mahmoudi, M. J. Torkamany, A. R. Sabour
Rouh Aghdam, J. Sabbaghzade // Materials and Design. — 2010. —
Vol. 31 (5) — Р. 2553–2560.
3. Магин Д. Ю., Костромин С. В. Влияние скорости лазерной за‑
калки на структуру и свойства стали 20Х3Н3МФБА // European
Student Scientific Journal. — 2013. — № 2. — 7 c.
4. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологи‑
ческие процессы лазерной обработки. — М. : Изд‑во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2008. — 664 с.
5. Zirehpour Gh., Razavi R. S., Moayerifar E. Evaluating wear
properties of AISI 420 martensitic stainless steel after laser
transformation hardening // International Journal of Iron & Steel
Society of Iran. — 2012. — Vol. 9 (2). — Р. 5–8.
6. Sang‑woo S. Laser Transformation Hardening of Carbon Steel
Sheets : Doctoral Dissertation. — Ulsan : Department of Mechanical
Engineering Graduate School of UNIST, 2017. — 85 p.
7. Сафонов Е. Н. Плазменная закалка деталей машин : моногра‑
фия / УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина,
Нижнетагил. технол. ин‑т (фил.). — Нижний Тагил : НТИ (фи‑
лиал) УрФУ, 2014. — 116 с.
8. Воропаев В. В. Управление поверхностной закалкой кольцевых
участков стали марки 20Х13 при обработке трением с переме‑
шиванием : дис. … канд. техн. наук: специальность 05.16.09 ; за‑
щищена 28.06.21 ; утверждена 20.07.21. — Екатеринбург, 2021. —
169 с.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]