Исследование влияния типа масла на контактную выносливость цементуемых сталей

Роганов Л.Л., Попівненко Л.В. Способи зменшення впливу пружної післядії на якість порошкових матеріалів, спресованих в закритих прес-формах

Розглянуті способи пресування порошкових матеріалів у закритих прес-формах, що дозволяють зменшувати внутрішні напруження, що виникають у тілі пресовоку процесі ущільнення, усередині матриці до початку етапу випресовки. Така технологія пресування забезпечує гарантоване одержання якісних пресовок без розшаровуючих тріщин або сколів практично з будь-яких порошкових матеріалів.

Ключові слова: закрита прес-форма, тиск пресування, пружна післядія, пружна деформація матриці, внутрішні напруження у пресовках, тиск випре совки.

Roganov L., Popivnenko L. Elastic aftereffect influence on powder materials quality pressed in closed compression moulds reduction ways

The methods of compaction powder materials in the closed compression moulds, which allow to reduce internal stresses, which arise in the compact body in the consolidation process inside the matrix prior to ejection phase are considered. This technology of compaction provides a guaranteed reception of qualitative compacts without stratified cracks or choppings from any powder materials.

Key words: closed mould, compaction pressure, increase ofvolume of the pressed product, elastic deformation of matrix, internal stresses in pressings, ejection pressure.

УДК 669.14.018.24 Канд. техн. наук А. И. Вильчек, канд. техн. наук М. В. Сидоренко, С. Н. Шевченко

Национальный технический университет, г. Запорожье

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТИПА МАСЛА НА КОНТАКТНУЮ ВЫНОСЛИВОСТЬ ЦЕМЕНТУЕМЫХ СТАЛЕЙ

Получены характеристики контактной выносливости сталей 12Х2НВФА и 13Х3НВМ2Ф при различных видах химико-термической обработки и различных типах масел.

Ключевые слова: контактная выносливость, цементуемые стали, цементация, масло.

Введение

Тип смазочного материала оказывает большое влияние на контактную выносливость стали. Это было показано еще F. T. Barwell, D. Scott испытаниями на четырехшариковой машине [1]. Позднее М. Д. Безбо-родько и Г. С. Кривошеин [2] установили влияние типа фракции, выделенной из смазочного материала, на возникновение контактного выкрашивания. В работе, выполненной в ГосНИИ гражданской авиации [3], подтвердили эти выводы, сравнивая масло МС-20, гидравлическую жидкость АМГ-10, гипоидное масло и топливо ТС-1. Испытания П. П. Третьякова и В. П. Белышкова [4] охватывали уже более широкую номенклатуру авиационных масел. В [5] получены данные по влиянию поверхностно-активних веществ на время до появления усталостного выкрашивания. Питтин-гостойкость изменялась за счет поверхностной миграции присадок в микротрещины и влияния ПАВ на их рост и разветвление в глубину материла. Систематизированные в [3] результаты экспериментов позволяют констатировать, что на контактную выносливость оказывают влияние величина коэффициента трения,

вязкости, адсорбционно-расклинивающий эффект, эффект адсорбционной пластификации, наличие присадок, содержание воды в смазочном материале и т. д.

Стали 12Х2НВФА (ЭИ-712) и 13Х 3НВМ2Ф (ВКС-4) используются для изготовления зубчатых колес ГТД [3], однако данных по их контактной выносливости с учетом типов применяемых масел недостаточно. Поэтому исследование их контактной выносливости является важной актуальной задачей.

Цель работы: исследование характеристик контактной выносливости сталей 12Х2НВФА и 13Х3НВМ2Ф в статистическом аспекте при различных типах смазочных материалов при нормальной и повышенной (200 °С) температурах.

Методика исследования

Испытания проводили при контактных напряжениях ст2шах = 4000 МПа, при нормальной температуре на модернизированной установке МКВ-К, при температуре 200 °С на установке МКВ-Т (а.с. 894459). Скорость обкатки 7,94 м/с. В каждой партии испытывали 15-20 образцов (рис. 1). Образцы были изготовле-

© А. И. Вильчек, М. В. Сидоренко, С. Н. Шевченко, 2011

численным значениям ^ N и 5 были построены прямые, аппроксимирующие функции распределения логарифмов чисел циклов: ^Nрг- = ЩN + ыр, • 5^N (рис. 2).

Обсуждение результатов

Полученные результаты подтверждают зависимость долговечности от типа масла и температуры. Оценить влияние температуры на долговечность достаточно сложно, так как ее повышение приводит к изменению физико-химических свойств смазки, интенсивности взаимодействия ее с контактирующими поверхностями, а также может привести к изменению структуры и свойств стали.

Вид разрушений характерен для контактных испытаний (рис. 3 а, б). Износ вследствие истирания практически отсутствовал, то есть испытания проходили в режиме жидкостного трения. Электроннофрактогра-фическое исследование поверхностей выкрашивания подтвердило типично усталостный характер разрушения (рис. 3, в).

На рабочей поверхности испытанных образцов были зафиксированы структурные изменения в виде появления белых нетравящихся слоев и скоплений карбидов, которые в исходном состоянии отсутствовали (рис. 4, а). Большие участки измененной структуры с образованием нетравящегося слоя наблюдались на образцах из стали 12Х2НВФА. На шлифах 13Х3НВМ2Ф (ХТО-1) были отмечены скопления карбидов, размеры которых превышали исходные. На образцах из стали 13Х3НВМ2Ф (ХТО-2) структурные изменения встречались редко и носили локальный характер. С повышением температуры испытаний увеличивалась площадь и количество структурно-измененных участков, особенно для стали 12Х2НВФА (рис. 4, б). На поперечных шлифах в зоне действия максимальных касательных напряжений были обнаружены структурные изменения в виде выстроенных под углом к поверхности качения строчек карбидов (рис. 4, в).

Таблица 1 - Результаты испытаний цементуемых сталей на контактную выносливость

Долговечность, млн. циклов

Марка стали МС-20 + трансформаторное ИПМ-10

Температура испытаний, °С

20 20 200

12Х2НВФА 93,2* 20,67 47,7 11,61 25,1 3,98

13Х3НВМ2Ф 93,7 62,0 15,27

(ХТО-1) 20,76 21,92 2,27

13Х3НВМ2Ф 133 55,1 21,8

(ХТО-2) 39,04 18,04 4,17

Примечание: * в числителе указана среднелогарифмическая долговечность N50 в знаменателе гарантированная долговечность N10.

ны из квадратных прутков со стороной квадрата 10 мм из сталей 12Х2НВФА и 13Х3НВМ2Ф. Режимы химико-термической обработки согласно [7]. 13Х3НВМ2Ф (ХТО-1 на первичную твердость): цементация 930950 °С, высокий отпуск 630-680°С, закалка 910-930 °С обработка холодом и отпуск 350-370 °С. 13Х3НВМ2Ф (ХТО-2 на вторичную твердость): цементация 10301050 °С с непосредственной закалкой и последующий пятикратный отпуск 530-550 °С. 12Х2НВФА: цементация 930-950°С, высокий отпуск 650 °С, закалка 880 °С обработка холодом и отпуск 270 °С. Твердость после обработки ЖС 60...62. Смазка образцов при испытаниях осуществлялась двумя типами смазочных материалов: смесью минеральных масел МС-20 ГОСТ 21743-76 и трансформаторного ГОСТ 982-80 в соотношении 1:3, синтетическим маслом ИПМ-10 ТУ 38.10112 99-90.

Рис. 1. Образец для испытаний на контактную усталость

Результаты исследований

В результате статистической обработки были определены среднелогарифмическая долговечность соответствующая 50 % вероятности разрушения; гарантированная долговечность N , соответствующую 10 % вероятности разрушения образцов (табл. 1), а также среднеквадратическое отклонение По вы-

Рис. 2. Графики функции распределения долговечности образцов:

1 - ИПМ-10, t = 200 °С; 2 - ИПМ-10, t = 20 °С; 3 - МС-20 + трансформаторное, t = 20 °С; а - 12Х2НВФА; б - 13Х3НВМ2Ф

Рис. 3. Характер поверхности выкрашивания: а - t = 20 °С

а

а б в

Рис. 4. Структурные изменения в исследуемых сталях после испытаний (х 500): а - t = 20 °С; б - t = 200 °С; в - строчки карбидов под углом к поверхности

Таблица 2 - Коэффициенты вариации логарифма долговечности при смазке маслом ИПМ-10

Марка стали МС-20 + трансформаторное ИПМ-10

Температура испытаний, “С

20 20 200

12Х2НВФА 0,064 0,0623 0,0843

13Х3НВМ2ФА (ХТО-1) 0,064 0,0452 0,0899

13Х3НВМ2ФА (ХТО-2) 0,051 0,0488 0,0764

Сравнительные испытания показывают преимущество стали 13Х3НВМ2Ф (ХТО-2) как при смазке минеральной маслосмесью, так и при смазке синтетическим маслом ИПМ-10 по совокупности характеристик. Для сталей, претерпевающих значительные структурные превращения, угол наклона функции распределения долговечности к оси абсцисс уменьшается. Котангенс этого угла определяется среднеквадратическим отклонением. Полученные коэффициенты вариации логарифма долговечности (табл. 2) показывают, что значительные структурные превращения исследуемых сталей приводят к существенному снижению стабильности свойств поверхностного слоя.

Выводы

1. Получены характеристики контактной выносливости сталей 12Х2НВФА и 13Х3НВМ2Ф при различных видах химико-термической обработки и различных типах масел.

2. Сравнительные испытания показывают преимущество стали 13Х3НВМ2Ф (ХТО-2) как при смазке минеральной маслосмесью, так и при смазке синтетическим маслом ИПМ-10.

3. Показано, что структурные изменения, вызванные температурным и силовым воздействиями, приводят к снижению долговечности и стабильности свойств поверхностного слоя.

Перечень ссылок

1. Barwell F.T. The effect of lubrication on the pitting of ball Bearings / F.T. Barwell, D. Scott // Engineering 1956. -Vol. 182. - 9 p.

2. Безбородько М. Д. Исследование питтинга на четырехшариковой машине / М. Д. Безбородько, Г. С. Криво-шеин // В кн. : Трение и износ в машинах. М. : Изд АН СССР, 1962. - Вып. XVI. - С. 5-23.

3. Крылов К. А. Долговечность узлов трения самолетов / Крылов К. А., Хаймзон М. Е. М. : Транспорт, 1976. -184 с.

4. Третьяков П. П. Исследование вязкостных и противо-износных свойств некоторых образцов вертолетных масел / П. П. Третьяков, В. П. Белышков // Труды Гос-НИИ ГА - 1972. - Вып. 76. - С. 52-59.

5. Курпатов П. А. Усталостная прочность поверхности твердых тел в активной среде // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1999. - № 3. - С. 51-53.

6. Производство зубчатых колес газотурбинных двигателей : произв.-практ. изд-е / Ю. С. Елисеев, В. В. Крымов, И. П. Нежурин и др.] ; под ред. Ю. С. Елисеева. -М. : Высшая школа, 2001. - 493 с.

7. Жаропрочная цементуемая сталь 13Х3 НВМ2 ФА / [Г. П. Алексеева, И. П. Банас, И. Н. Лазечный и др.] // Вестник машиностроения - 1973. - № 7. - С. 45-47.

Одержано 15.11.2010

Вільчек А.І., Сидоренко М.В., Шевченко С.Н. Дослідження впливу типу масла на контактну витривалість цементувальних сталей

Отримано характеристики контактної витривалості сталей 12Х2НВФА і 13Х3НВМ2Ф при різних видах хіміко-термічної обробки і різних типах масел.

Ключові слова: контактна витривалість, цементовувані сталі, цементація, масло.

Vil’chek О., Sidorenko M., Shevchenko S. Research of oil type effect on contact resistance of case-hardened steels

Data of contact resistance of 12Х2НВФА and 13Х3НВМ2Ф steels under various kinds of chemicothermal processing and different types of oils are obtained.

Key words: contact resistance, case-hardened steels, cementation, oil.

УДК 669-14 Канд. техн. наук В. А. Федьков1, А. В. Федьков2, Є. И. Меняйло1, В. И. Минакова1

1 Национальный технический университет, 2 ОАО «Запорожсталь»;

г. Запорожье

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЧУГУНОВ ОТХОДАМИ ТИТАНОМАГНИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА

Изучена, разработана и предложена рациональная экономичновыгодная технология эффективного модифицирования чугунов, позволившая повысить механические и специальные свойства чугунов.

Ключевые слова: модифицирование, чугун, пластинчатый графит, структура, сплав, износостойкость, отходы.

По принятой на отечественных титано-магниевых предприятиях технологии хлорирования титановых шлаков образуется 0,2-0,3 тонны твердых хлоридных отходов (пыли, отработанных расплавов) на каждую тонну получаемого тетрахлорида титана. В отработанных отходах содержатся элементы, которые могут быть хорошими раскислителями, модификаторами, микролегирующими элементами для всех литейных сплавов.

С хлоридными отходами безвозвратно теряются эти ценные элементы и 15-20 % хлора от общего количества, расходуемого на хлорирование при производстве титана и магния.

Эти отходы на предприятиях не перерабатываются и не применяются и как вредные выбросы транспортируются в отвалы как в твердом, так и жидком виде, при этом происходит загрязнение ценной земли и окружающей среды.

Научно-исследовательским и проектным институтом титана (г. Запорожье) разработана схема магниетермического восстановления хлоридных отходов, позволившая получить из них два основных продукта: полиметаллические порошки-полимодификаторы (ПМ) и хлормагниевые соли-хлориды (ХЛ).

В качестве исходного сырья для получения этих товарных продуктов использовали хлоридные твердые отходы Запорожского (ЗТМК, Украина) и Березниковского (БТМК, Россия) титано-магниевых комбинатов (таблица 1).

Химический состав полимодификаторов (ПМ) -(таблица 2) зависит от химического состава хлоридных отходов - ХЛ и соответствует нумерации таблицы 1.

Анализ состава полимодификаторов (ПМ) (таблица 2) и хлоридных отходов (ХЛ) - (таблица 1) показал, что наличие в них нитридо- и карбидообразующих элементов (титана, ванадия, хрома, ниобия, марганца, тантала и др.) должно положительно отразиться на прочностных показателях литейных сплавов за счет легирования и модифицирования твердого раствора, а присутствие поверхностно активных элементов, таких как алюминий, магний, кальций, калий, натрий и хлор, положительно скажется на показателях пластичности, вязкости и содержания газов в металле.

В связи с вышеизложенным представляло большой интерес изучение влияния полимодификаторов (ПМ) и хлоридных отходов (ХЛ) на свойства серого чугуна (СЧ18) и износостойкого высокохромистого чугуна (250Х25Т).

Опытно-промышленные плавки проводили в условиях литейного цеха Запорожского огнеупорного завода в дуговой печи емкостью 0,5 т (ДСП-0,5) с основной футеровкой. Хлоридные отходы и полиметаллические порошки задавали на дно ковша, прогретого до (600-700) °С, в виде кусков полимодификато-ров-ПМ и хлоридов-ХЛ или брикетов ПМ и хлоридов (ХЛ), при этом в ковше удалялась вся влага из ПМ и хлоридов (ХЛ).

© В. А. Федьков, А. В. Федьков, Є. И. Меняйло, В. И. Минакова, 2011