Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом. Учебное пособие
.pdf
4.2. Влияние фрикционной нагрузки и времени разогрева
100
100
50
50
r
h
r
h
v
h
X, мм
0 1 2 3 4 5
0
-50
Y, мкм
v
h
0
-50
Y, мкм
-100
-100
-150
-150
X, мм
0 1 2 3 4 5
= 3500 Н и n = 3000 об/мин:
а –5 с; б — 10 с; в — 15 с
н
при F
v
r
h
h
0
100
50
-50
Y, мкм
-100
-150
а б в
X, мм
X
0 1 2 3 4 5
Y
Рис. 4.8. Изменение профиля упрочняемой поверхности в контактной зоне инструмента от времени нагрева
81
4. Экспериментальные исследования фрикционной поверхностной закалки
100
Y, мкм
100
100
50
50
r
h
r
h
v
h
X, мм
0 1 2 3 4 5
0
-50
Y, мкм
v
h
0
-50
Y, мкм
-100
-100
-150
-150
X, мм
0 1 2 3 4 5
= 3500 Н и n = 4000 об/мин:
а –5 с; б — 10 с; в — 15 с
н
при F
82
v
r
h
h
X, мм
X
0 1 2 3 4 5
50
0
-50
-100
-150
Y
Рис. 4.9. Изменение профиля упрочняемой поверхности в контактной зоне инструмента от времени нагрева
а б в
4.2. Влияние фрикционной нагрузки и времени разогрева
h , мкм
а б
Рис. 4.10. Поверхности торца инструмента со следами адгезионного переноса
стали после разогрева в течение 5 с при частоте вращения n = 3000 об/мин (а)
и n = 4000 об/мин (б)
мкм
140
120
100
80
60
v
40
20
0
1000
n, об/мин
1500
2000
2500
3000
3500
4000
16
14
12
10
8
6
4
t , c
р
137,0
124,1
111,2
98,30
85,40
72,50
59,60
46,70
33,80
20,90
8,000
Рис. 4.11. Зависимость глубины эрозионного износа hv стали марки 20Х13
от частоты вращения инструмента n и времени разогрева tр при нормальной силе
Fн = 3500 Н
83
4. Экспериментальные исследования фрикционной поверхностной закалки
f
0,5 мм
T
и
T
к
n
d
Термопара
Пирометр
F
н
АЦП
ПК
Выход инструмента
4.3. Исследование температурно-временных параметров
термического цикла закалки при линейном перемещении
инструмента
Для экспериментального установления взаимосвязи температур‑
но‑временных параметров термического цикла закалки поверхност‑
ного слоя с технологическими параметрами процесса при линейном
перемещении (подаче) вращающегося инструмента может быть при‑
менен измерительный комплекс, позволяющий синхронно с подачей
регистрировать изменение температуры в контактной зоне инструмен‑
та и на глубине под дорожками трения [8].
Измерительный комплекс состоит из аналого‑цифрового преоб‑
разователя (АЦП) L–Card E20–10, на вход которого поступает сиг‑
нал от пирометра LANDSPOT 5, измеряющего температуру Tк в кон‑
тактной зоне инструмента, и от термопар TXA типа K, расположенных
на глубине 0,5 мм от поверхности образцов толщиной 15 мм в отвер‑
стиях диаметром 1,5 мм (рис. 4.12, а).
а б в
F
н
T
и
f
n
Пирометр
0,5 мм
Термопара
d
T
к
ПК
АЦП
1 2 3 4
30
Вход инструмента
80
Рис. 4.12. Схема измерения температуры в поверхностном слое термопарами и пи‑
рометром в контактной зоне инструмента (а), расположение термопар на упроч‑
няемых дорожках (б) и общий вид измерительного комплекса на станке (в)
Координаты отверстий соответствуют серединам четырех дорожек
трения и осевой линии движения центра инструмента (рис. 4.12, б).
Поверхность образцов перед фрикционной закалкой предварительно
обрабатывается чистовым фрезерованием до достижения шерохова‑
тости Ra = 0,8 мкм.
84
4.3. Исследование температурно-временных параметров термического цикла закалки при линейном перемещении инструмента
На ПК в программном обеспечении L‑Graph II в режиме реально‑
го времени производится запись всех сигналов от АЦП и пирометра.
Пирометр настраивается на измерение максимальной температуры Tк
в пределах пятна диаметром 5 мм.
Экспериментальные исследования процесса для установления вза‑
имосвязи изменения во времени температуры в контактной зоне ин‑
струмента и на глубине 0,5 мм от поверхности, а также изменения ми‑
кроструктуры и микротвердости HV
по толщине упрочняемого слоя
0,05
стали марки 20Х13 от подачи fи инструмента выполнены при оптималь‑
ной механической нагрузке Fн = 3500 Н и n = 4000 об/мин. Подача ин‑
струмента принималась равной 25; 50; 75; 100; 125; 150 и 175 м/мин.
Результаты измерения температуры поверхностного слоя в кон‑
такте инструмента Tк и на глубине 0,5 мм от поверхности T
, а так‑
0,5
же расчетные значения времени выдержки tg при подачах fи равных 50,
100 и 150 мм/мин приведены на рис. 4.13.
а б
1400
1200
1000
Температура T, °C
T
К
t = 10 с
800
600
400
200
T
0,5
0
0 20 40 60 80 100
g
Время, с
1200
1000
Температура T, °C
T
К
800
600
400
200
T
0,5
0
0 10 20 30 40 50
t = 4,7 с
Время, с
g
1200
в
1000
Температура T, °C
T
К
800
600
400
200
T
0,5
0
0 10 20 30 40 50
t = 3,4 с
g
Время, с
Рис. 4.13. Изменение температуры в контактной зоне инструмента Tк
и термические циклы поверхностной закалки на глубине 0,5 мм при подачах
f
50 мм/мин (а), fи = 100 мм/мин (б) и fи = 150 мм/мин (в)
и =
85
4. Экспериментальные исследования фрикционной поверхностной закалки
δ δδ
TT
TT
tt
−
−
γ
.
Экспериментально установленные температурно‑временные па‑
раметры термического цикла закалки поверхностного слоя стали мар‑
ки 20Х13 на глубине 0,5 мм могут быть сравнены с результатами ко‑
нечно‑элементного моделирования процесса (КЭМ, см. главу 3). Так,
для исследуемых подач инструмента результаты экспериментально‑
го измерения температур Tк, T
логичные параметры КЭМ приведены в табл. 4.1. Величины Tкм, Т
и времени выдержки tg, а также ана‑
0,5
0,5 м
и tgм получены при КЭМ процесса ОТП со следующими технологиче‑
скими параметрами: Fн = 3500 Н, n = 4000 об/мин, коэффициент тре‑
ния µ = 0,22.
Таблица 4.1
Сравнительные данные результатов измерения и моделирования
температур T
Температурно‑временные параметры
Подача f,
мм/мин
эксперимент моделирование
, °C T
T
кэ
термического цикла
,°C tγэ, с Tкм, °C T
0,5э
50 1352 1191 10 1336 1215 11,2 1 2 12
75 1214 1117 6,2 1272 1150 6,9 4,7 3 11
100 1167 1064 4,7 1213 1089 4,12 4 2,3 12,3
125 1104 1051 4,1 1160 1037 3,5 5 1,3 14,6
150 1058 1006 3,5 1115 998 2,9 5,3 0,8 17
, T
и времени выдержки t
к
0,5
, °C tγм, с
0,5 м
γ
Относительная
погрешность d, %
dT
dT
к
0,5
dt
γ
На основе сравнения данных табл. 4.1 необходимо определить от‑
носительные погрешности оценки температурно‑временных пара‑
метров термического цикла, установленных при моделировании. Для
этого можно использовать следующие формулы:
м
ээ
км кэ
T
=
к
T
⋅=−⋅=
100100%; %;
кэ
T
0,5
0,5м 0,5э
T
0,5э
t
γ
γγ
t
э
По результатам экспериментальных данных параметров термиче‑
ского цикла процесса фрикционной поверхностной закалки возмож‑
но построение диаграмм охлаждения стали марки 20Х13 для исследу‑
емых подач инструмента (рис. 4.14).
Скорости охлаждения, полученные при экспериментальных ис‑
следованиях, необходимо сравнить с результатами моделирования.
В табл. 4.2 приведены сравнительные данные скорости охлаждения
стали марки 20Х13, полученные методами КЭМ и эксперименталь‑
86
⋅100%
4.3. Исследование температурно-временных параметров термического цикла закалки при линейном перемещении инструмента
ных исследований температурно‑временных параметров термическо‑
го цикла.
900
A
С3
800
А
700
600
Ф+К
К
500
400
Температура, °С
300
f = 175 мм/мин
и
f = 150 мм/мин
и
200
100
М
0
f = 125 мм/мин
и
f = 100 мм/мин
и
f = 75 мм/мин
и
f = 50 мм/мин
и
f = 25 мм/мин
и
1 10 100 1E03 1E04
Время, с
Рис. 4.14. Диаграмма охлаждения стали 20Х13 в процессе ФПЗ
с различными подачами инструмента (экспериментальные данные):
А — аустенит; М — мартенсит; Ф — феррит; К — карбиды
Сравнительные данные скорости охлаждения стали марки 20Х13,
полученные методами КЭМ и экспериментальных исследований
Подача fи, мм/мин
50 63,2 54,1 3,51
100 101,1 123,8 14,73
150 140,5 136,6 11,58
Скорость охлаждения, °C/с
ANSYS: µ = 0,3 эксперимент
Таблица 4.2
d, %
87
4. Экспериментальные исследования фрикционной поверхностной закалки
4.4. Структурно-фазовый анализ, микродюрометрия
и профилометрия упрочненного поверхностного слоя
Реальные изменения микроструктуры и микротвердости по глу‑
бине поверхностного слоя после фрикционной закалки вращающимся
инструментом можно определить только на основе оптической, скани‑
рующей и просвечивающей микроскопии, рентгенографических ис‑
следований и микродюрометрии в поперечном сечении дорожек тре‑
ния инструмента.
На рис. 4.15 приведены результаты оптической и сканирующей ми‑
кроскопии поверхностного слоя в поперечном сечении дорожки тре‑
ния после ОТП с подачей 100 мм/мин. Определено, что после ОТП
с подачей 100 мм/мин термическое воздействие на поперечном шли‑
фе дорожки трения имеет форму близкую к сегменту круга, в котором
можно выделить три основных участка по глубине от поверхности [35]:
• белый слой с существенно диспергированной мартенситной
структурой толщиной до 50 мкм;
• участок с мартенситной структурой и следами карбидной
сетки по границам бывшего аустенитного зерна толщиной
до 0,45…0,5 мм;
• участок со смешанной мартенситной и перлитной структурой
на глубине 0,9…1,0 мм от поверхности.
Сканирующая микроскопия (SEM) позволяет определить глу‑
бину закаленного слоя. Результаты SEM поверхностного слоя
(рис. 4.16, а) позволили установить, что глубина упрочнения составля‑
ет 766,4…910,7 мкм. Кроме того, в процессе фрикционной поверхност‑
ной закалки неизбежно возникает тонкий слой толщиной до 30 мкм
с перемешиванием (рис. 4.16, б).
На рис. 4.17, а показано SEM‑изображение поверхностного слоя
с микроанализом химического состава участка, выделенного красным
прямоугольником. На энергодисперсионной диаграмме (рис. 4.17, б),
показывающей характерную для каждого химического элемента интен‑
сивность рентгеновского излучения I, наблюдается переход в упроч‑
ненную поверхность вольфрама, что связано с достижением темпе‑
ратуры красностойкости твердосплавного инструмента из WC–Co
(1050…1100 °C) и пластической деформацией кобальтовой связки.
88
4.4. Структурно-фазовый анализ, микродюрометрия и профилометрия упрочненного поверхностного слоя
а
1 мм
1
2
3
0
0.5
1.0
1.5
б в г д
Рис. 4.15. Оптическая (а) и сканирующая (б–д) микроскопия структуры
в поперечном сечении дорожки трения после однопроходной ФПЗ:
0 — матрица; 1 — на глубине до 50 мкм; 2 — на глубине от 0,45 до 0,5 мм; 3 — на глубине
от 0,9 до 1 мм
а б
Рис. 4.16. Общий вид упрочненного слоя х200 (а)
и край тонкого слоя с перемешиванием х3000 (б)
89
4. Экспериментальные исследования фрикционной поверхностной закалки
а б
Рис. 4.17. Микроструктура (а) и энергодисперсионная диаграмма участка
поверхности с перемешиванием (б)
Применение рентгеноструктурного анализа позволяет определить
характерный спектр закаленного слоя на глубине исследования изме‑
нения температуры и определить фазовый состав. Рентгенографиче‑
ские исследования закаленного слоя на глубине 400 мкм от поверхно‑
сти после ФПЗ при движении инструмента по линейной траектории
могут быть выполнены на дифрактометре Shimadzu XRD‑7000. На ха‑
рактерном спектре, снятом в излучении Cr, ярко выражены пики, со‑
ответствующие линиям (110)α, (200)α и (211)α, что позволяет сделать
вывод о том, что на данной глубине происходит формирование мар‑
тенсита различной степени тетрагональности (рис. 4.18).
Рис. 4.18. Характерный спектр закаленного слоя на глубине 400 мкм в излучении Cr
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]