УДК 621.893
Р.С. Пугач, аспирант
Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет», г. Днепропетровск, Украина
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКИХ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Р.С. Пугач, аспірант
Державний вищий навчальний заклад «Національний гірничий університет», м. Дніпропетровськ, Україна
МОДИФІКУВАННЯ ПОВЕРХНІ ДЕТАЛЕЙ МАШИН З МЕТОЮ ОТРИМАННЯ ВИСОКИХ ТРИБОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ
Ruslan Pugach, PhD student
State Higher Educational Institution “National Mining University”, Dnepropetrovsk, Ukraine
MODIFICATION OF MACHINE ELEMENTS SURFACE FOR OBTAINING HIGH TRIBOLOGICAL CHARACTERISTICS
Проведено исследование образцов из стали 40Х после поверхностно пластической деформации с одновременным внесением в зону деформации геомодификатора трения «ГЕОМ». Полученные результаты интегрированной технологии обработки рабочих поверхностей свидетельствуют о повышении износостойкости деталей в 2,5–3 раза.
Ключевые слова: геомодификатор трения, износостойкая пленка, износостойкость, поверхностная пластическая деформация, шероховатость.
Проведено дослідження зразків зі сталі 40Х після поверхнево пластичної деформації з одночасним внесенням у зону деформації геомодифікатора тертя «ГЕОМ». Отримані результати інтегрованої технології оброблення робочих поверхонь свідчать про підвищення зносостійкості деталей в 2,5–3 рази.
Ключові слова: геомодифікатори тертя, зносостійка плівка, зносостійкість, поверхнева пластична деформація, шорсткість.
Research of steel samples after overground plastic deformation with synchronistic addition of friction modifier „ГЕОМ” to deformation zone have been passed in work. Obtained results of integrated processing technology of working surfaces shows the increasing of details' wear-resistance at 2,5–3 times.
Key words: friction modifier, wear-resistant layer, wear-resistance, overground plastic deformation, roughness.
Постановка проблемы. Состояние рабочих поверхностей деталей машин, включающих геометрические параметры поверхностного слоя, комплекс физико-механических и химических характеристик, является основным показателем качества машиностроительных изделий. Именно формирование геометрии поверхностного слоя (шероховатости, волнистости) и физико-механических характеристик определяет ресурс работы детали.
Анализ последних исследований и публикаций. Обработка деталей машин поверхностным пластическим деформированием является одним из наиболее эффективных методов упрочнения. Поверхностное пластическое деформирование повышает усталостную прочность, контактную выносливость и износостойкость деталей и тем самым увеличивает долговечность машин и оборудования [1]. В результате поверхностно пластической деформации (ППД) в зоне контакта инструмента и заготовки создается высокое контактное давление, под действием которого микронеровности обрабатываемой поверхности пластически деформируются и, как результат, образуется новый микрорельеф, причем в оптимальном диапазоне режимов ППД шероховатость поверхности резко уменьшается [2]. Однако существенно повысить качество поверхностного слоя, обеспечив ему высокие трибологические параметры, возможно при сочетании пластической деформации с одновременным добавлением геомодификатора трения в зону обработки.
Нерешенные части проблемы. Получение износостойких покрытий с высоким уровнем физико-механических и трибологических свойств является важным и актуальным.
Цель исследования. Повышение качества рабочих поверхностей деталей машин.
Изложение основного материала. Для повышения износостойкости рабочих поверхностей впервые использован геомодификатор трения (ГМТ) «ГЕОМ» в сочетании с поверхностной пластической деформацией.
В результате поверхностного деформирования изменяются микроструктура и физико-механические свойства поверхностного слоя металла: повышается его твердость и прочность, возникают благоприятные сжимающие остаточные напряжения.
На рис. 1 приведена микрофотография следа индентора-твердомера (нагрузка 20 мН) в процессе определения микротвёрдости основы образца из стали 40Х. Наглядно видны различия в размере и глубине отпечатка пирамидки, что соответствует увеличению микротвёрдости в 1,5 раз.
а б
Рис. 1. Микротвёрдость поверхностного слоя: а – после поверхностной пластической деформации;
б – после поверхностной пластической деформации с добавлением в зону деформации
геомодификатора трения
Измерение микропрофиля поверхности профилометром «Micron-alpha» позволило обнаружить, что при совместной пластической деформации происходит увеличение шероховатости поверхности. Тем не менее, после испытаний на износостойкость (на протяжении 25 часов) было обнаружено снижение шероховатости поверхности в образцах, обработанных пластическим деформированием с добавлением ГМТ. На рис. 2 показано 3D профиль шероховатости поверхности испытуемых образцов из стали 40Х.
Изменение шероховатости поверхности объясняется тем, что в процессе ППД частицы ГМТ шлифуют поверхность обрабатываемой детали, освобождая ее от окисленных пленок. Далее под действием контактного усилия измельченные частицы ГМТ вдавливаются во впадины микрорельефа поверхности детали, изменяя шероховатость поверхности детали.
а б
Рис. 2. 3D профиль шероховатости поверхности образцов из стали 40Х: а – после обработки
пластическим деформированием; б – после обработки пластическим деформированием
с добавлением геомодификатора трения
На рис. 3 представлена структура поверхности стали 40Х после пластической деформации с добавлением геомодификатора трения.
Рис. 3. Образование износостойкой пленки на поверхности образца из стали 40Х
после пластической деформации с добавлением геомодификатора трения
Исследования на износостойкость проводилось на машине трения СМЦ-2 по схеме «диск–колодка». Нагрузка образцов обеспечивалась штатным нагрузочным устройством 150 кг/см2. Частота вращения подвижного ролика составляет 500 мин-1. На рис. 4 представлен график износа образцов.
Как видно из рис. 4, что в процессе трения первые десять часов происходит стремительное увеличение износа материала с поверхности детали, образуется дефектный слой металла, который удаляется частицами ГМТ, обладающих абразивными свойствами, при этом происходит их измельчение и потеря абразивных свойств.
Измерение величины износа образцов из стали 40Х, обработанных пластическим деформированием с добавлением ГМТ, позволило повысить износостойкость в 2,5...3 раза.
Рис. 4. График износа образцов из стали 40Х: 1 – после обработки пластическим деформированием;
2 – после обработки пластическим деформированием с добавлением геомодификатора трения
В процессе трения происходит внедрение в поверхностный слой металла измельчённых частичек ГМТ, образуя с ним химическое соединения. Таким образом, на поверхности металла образуется износостойкая пленка. Внедрение ГМТ приводит к увеличению микротвёрдости, выравниванию рельефа поверхности, уменьшению рабочей температуры в зоне контакта поверхностей и увеличения площади контакта пары трения. Эти изменения в приповерхностном слое приводят к повышению эксплуатационных характеристик, а именно контактной выносливости, износостойкости и прочности.
В результате исследования обнаружено, что у пластически деформированных с добавлением ГМТ образцах образуется равномерная по всей обработанной поверхности глубина упрочненного слоя, которая составляет 0,8–1,22 мм. На поверхности детали образуется сплошной «белый» слой, достигающий размеров 30–50 мкм. После обработки уменьшается шероховатость до Rа 0,3...0,4 мкм, что приводит к созданию благо-приятной формы микронеровностей с большей долей опорной площади. В ходе исследований установлено снижение коэффициента трения в среднем на10...15 % при падении температуры в зоне контакта в среднем на 15...20 %.
Выводы. Интегрированная размерная чистовая обработка с использованием поверхностно пластической деформации, с одновременным внесением в зону обработки геомодификаторов трения, позволяет модифицировать рабочую поверхность с высокими эксплуатационными показателями.
Список использованных источников
1. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием : справочник / Л. Г. Одинцов. – М. : Машиностроение, 1987. – 328 с.
2. Патент № 51394 UA МПК B24B 39/00 B24B 1/04, B23P 9/00 Спосіб зміцнювально-чистової обробки деталей / Р. П. Дідик, Д. В. Лоскутов, П. Б. Аратскій, О. Б. Завалій ; заявник Національний гірничий університет ; заявл. 12.03.2002 ; опубл. 15.08.2006, Бюл. № 8.