Повышение износостойкости поверхностного слоя деталей машин

Перспективные материалы и технологии в аэрокосмической отрасли

УДК 669.056.9

А. В. Чумакова, А. В. Доброва, Л. С. Мачалин, Н. А. Амельченко, С. В. Михайлов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Рассмотрена возможность упрочнения поверхностного слоя инструментальных материалов с применением высококонцентрированных источников нагрева. Проведены исследования по оценке эксплуатационных характеристик упрочненной поверхности.

Одним из направлений критических технологий в производстве авиационной и космической техники является широкое использование электронных, фотонных и ионно-плазменных источников энергии для формирования поверхностного слоя деталей с заранее заданными свойствами, что может обеспечить многократное повышение надежности деталей машин, инструмента и других изделий [1].

Особую значимость при этом приобретают методы модифицирования свойств рабочих поверхностей изготавливаемых изделий. Среди известных, широко применяемых на практике методов поверхностного упрочнения, следует выделить закалку сплавов из твердого и жидкого состояния с применением различных источников нагрева, в том числе, лазерного и электронного лучей, химико-термическую обработку, нанесение защитных покрытий разного функционального назначения, наплавку и др. [2].

Однако применение этих методов становится малоэффективным при упрочнении деталей, работающих в условиях воздействия высоких удельных нагрузок, повышенных температур, радиационных и электромагнитных излучений, коррозионных и агрессивных сред. Кроме того, выявлено, что для покрытий, формируемых с применением газотермических методов, характерен ряд недостатков, в частности, низкая прочность самого слоя и его адгезия к основе, высокая пористость, недостаточная коррозия, износостойкость и др.

Более высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, электросопротивлением, коррозион-ностойкостью и магнитной проницаемостью обладают материалы с аморфной структурой, физико-механические свойства которых существенно отличаются от своих аналогов с кристаллическим строением. Практикой показано [3], что переход из кристаллического строения в аморфную структуру в деталях из металлических сплавов возможен при интенсивном локальном нагреве поверхностности и последующем быстром ее охлаждении со скоростью не ниже 105...108 К/с.

Для кратковременного воздействия на поверхность детали часто используют лазерный луч с плотностью мощности излучения 100...200 МВт/м.

При осуществлении процесса локального расплавления поверхности место взаимодействия излучения с металлом должно быть защищено от окружающего воздуха потоком нейтрального газа. В противном случае не исключается нарушение стехиометрии в поверхностном слое и образование карбидных соединений, что существенно снижает перспективность применения данного метода.

В настоящей работе рассматривалась возможность поверхностной обработки с целью повышения износостойкости инструментальных и легированных сталей (Р6М5, 9ХФ, 40Х13, 5Х15М1Ф и др.) с применением электронно-лучевого источника нагрева. Предварительные эксперименты проведены с целью отработки технологических режимов поверхностного упрочнения и определения потребного оборудования. Для реализации процесса использовалась установка электронно-лучевой сварки ЭЛУ-5. Процесс обработки поверхности осуществляется в вакуумной камере при давлении 10-5 Па, что исключает возможность протекания окислительных реакций.

Исследованиями установлено, что основными технологическими режимами при обработке являются: ускоряющее напряжение иуск, ток луча I, удельная мощность q в точке взаимодействия потока электронов и материала, форма зоны нагрева, длительность воздействия и скорость последовательного перемещения луча относительно обрабатываемой поверхности изделия. На основании экспериментов проведена отработка технологических режимов, получены положительные результаты.

В процессе обработки с помощью специального устройства осуществлялось сканирование электронного луча диаметром 1 мм по поверхности, согласно разработанной схеме, что позволило увеличить зону обработки до 20 мм. С целью расширения технических возможностей процесса предполагается в дальнейшем осуществлять перемещение обрабатываемых деталей относительно источника нагрева по заданной программе. При этом не исключается возможность обеспечения одновременного вращения детали, что потребует доработки технологической оснастки.

Решетневские Чтения

Исследования экспериментальных образцов, изготовленных из стали 5Х15М1Ф, показали, что упрочнение электронным лучом способствует увеличению твердости поверхности до 52...54 ЫЯС. Глубина упрочненного слоя при этом составляет 0,25...0,30 мм. Износостойкость обработанной поверхности увеличилась в 2 раза. Исследования микроструктуры подтверждают фазовые изменения, происходящие в упрочненном слое.

Предполагается, что увеличение интенсивности охлаждения зоны локального нагрева может способствовать уменьшению данного параметра и, следовательно, в этом случае не исключается возможность образования аморфной структуры в поверхностном слое.

На основании выполненных предварительных экспериментов можно отметить полученный положительный эффект и перспективность

данного метода для повышения износостойкости, ресурса и надежности деталей машин и других изделий. Влияние поверхностного упрочнения на повышение износостойкости режущего инструмента является предметом дальнейших исследований.

Библиографический список

1. Селиванов, С. Г. Закономерности технологического перевооружения авиационного производства / С. Г. Селиванов, Ю. Л. Пустовгаров и др. // Полет. 2006. № 12. С. 15-26.

2. Кравцов, В. И. Металлосберегающие высокоэффективные технологические процессы в машиностроении / В. И. Кравцов. Фрунзе, 1987.

3. Золотухин, И. В. Физические свойства аморфных металлических материалов / И. В. Золотухин. М. : Металлургия, 1986.

A. V. Chumakova, A. V. Dobrova, L. S. Machalin, N. A. Amelchenko, S. V. Mihailov Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

INCREASING OF WEAR RESISTANCE OF MACHINE COMPONENTS SURFACE

On the tapis is a capacity of tool material surface hardening with the application of highly concentrated heating source. There was a performed research on the merit rating of hardened surface.

© Чумакова А. В., Доброва А. В., Мачалин Л. С., Амельченко Н. А., Михайлов С. В., 2009

УДК 621

Т. С. Шишкина, В. Г. Смелов, Н. Д. Проничев, О. С. Сурков

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева, Россия, Самара

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФОРМООБРАЗУЮЩЕЙ ОСНАСТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Рассматривается использование интегрированных САПР для создания сложной технологической оснастки при организации сквозного производства. Проводится анализ эффективности разработанной методики в реальном производстве и даны рекомендации для более эффективного применения.

В центре CAM-технологий была разработана методика создания литьевой формообразующей оснастки (см. рисунок).

Обоснованием выбора программного продукта стала необходимость обеспечения информационной интеграции специалистов, участвующих в проектно-конструкторских и технологических работах, а также наличие в системе модуля проектирования литьевой оснастки. Таким образом, для создания литьевого штампа по разработанной методике была выбрана программа Cimatron -CAD/CAM-система, построенная на концепции From Data to Steel («От данных до металла») и

наиболее приемлимая для всех специалистов, участвующих в данном процессе.

В качестве исходных данных был создан чертеж рабочей детали. Согласно методике, сначала была получена объемная модель детали в 3Б-мо-дуле.

Согласно п. 3 разработанной методики (см. рисунок) был создан проект литьевой формы: определены габаритные размеры, выбрана компоновочная деталь на две рабочие детали, расположенные по окружности, при этом были учтены характеристики литьевой машины, для которой разрабатывался штамп (размеры рабочей области, мощность подачи расплава).