Исследование микрорельефа стали 12Х18Н10Т после ультразвуковой упрочняющей обработки с использованием маркеров

ду деталями по кромкам за счет искусственного изменения формы поверхностей («поднутрение» и конусность). Предложен метод управляемой выверки для обеспечения заданных теоретических параметров кромок. Для полной реализации метода необходимо сопряжение с программами расчета силовых и тепловых деформаций, а также разработка программного обеспечения для выполнения расчетов вследствие необходимости определения параметров большого числа кромок деталей, входящих в узел. Необходимо также обеспечить сопряжение разработанной методики с методикой размерного анализа конструкций и технологических процессов. Потребуется разработка специальной методики фиксации на чертеже детали требуемых параметров предыскажения. Все это говорит о там, что предлагаемая методика на данной стадии реализации может быть принята только в качестве опытно-исследовательской, требующей экспериментальной проверки.

Выводы и заключение

Предлагаемая методика теоретически обеспечивает возможность получения идеальной формы поверхностей деталей и их взаимного расположения после сборки и в условиях эксплуатации. Это позволит повысить эксплуатационные свойства высокоточных узлов.

Список литературы

1. Дальский А. М., Кулешова З. Г. Сборки высокоточных соединений в машиностроении. М.: Машиностроение, 1988. 302 с.

2. Масягин В. Б. Технологическое обеспечение точности узлов из осесимметричных деталей с учетом тепловых и других эксплуатационных деформаций // Проблемы машиностроения и металлообработки: сб. тр.; под ред. В. А. Наумова и В. В. Евстифеева. Омск: ОмПИ, 1992. С. 92-94.

3. Якушев А. И., Воронцов Л. Я., Федотов Н. М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Машиностроение, 1986. 352 с.

4. Ляндон Ю. Н. Функциональная взаимозаменяемость в машиностроении. М.: Машиностроение, 1967. 219 с.

5. Масягин В. Б., Выговский В. Ф. Размерный анализ конструкции машины (при осесимметричной форме деталей) и технологии ее изготовления // Известия вузов. Машиностроение. 1988. № 3. С. 102-106.

6. Масягин В. Б. Развитие размерного анализа на основе применения кромочной модели деталей типа тел вращения // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. 2009. № 3(83). С. 52-56.

7. Масягин В. Б., Мухолзоев А. В. Особенности применения понятия кромки при размерном анализе // Современные проблемы теории машин / НОЦ "МС". Норт-Чарлстон: GreateSpace, 2016. № 4(1). С. 172-175.

УДК 621.787

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА СТАЛИ 12Х18Н10Т ПОСЛЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАРКЕРОВ

А. А. Федоров, Д. А. Полонянкин, А. И. Блесман, Д. В. Постников

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-1-108-113

Аннотация - В статье рассматривается влияние микроструктуры аустенитной нержавеющей стали на регулярность микрорельефа деталей, сформированного методом ультразвуковой упрочняющей обработки на предварительно подготовленных точением (Ra = 2,15 мкм) и шлифованием (Ra = 0,36 мкм) поверхностях образцов. Применение разработанной методики исследования влияния микроструктуры на локальную нерегулярность микрорельефа стали 12Х18Н10Т позволило установить отсутствие существенного влияния двойников и границ зерен аустенитной стали на формирование нерегулярного микрорельефа. Наиболее вероятными причинами образования областей с нерегулярным микрорельефом можно считать конструктивные особенности динамического технологического модуля и качество подготовки исходной поверхности перед ультразвуковой упрочняющей обработкой.

Ключевые слова: ультразвуковая упрочняющая обработка, регулярный микрорельеф, аустенитная нержавеющая сталь, маркер

I. Введение

Ультразвуковая упрочняющая обработка (УУО) является одним из эффективных методов повышения прочности и износостойкости тяжелонагруженных поверхностей трения за счет создания на обработанной поверхности регулярного микрорельефа (текстурирования поверхности микроямочками), нанокристаллизации приповерхностного слоя и создания остаточных напряжений сжатия, положительно влияющих на усталостную прочность.

Большое число исследователей в своих работах [1-7, 9, 10] показали, что УУО улучшает физико-механические и триботехнические характеристики, а также усталостную прочность различных деталей и узлов трения, в том числе и благодаря наличию регулярного микрорельефа, состоящего из выступов и впадин (микроямочек). Синонимы для словосочетания «регулярный микрорельеф», употребляемые в научной литературе -«поверхности, текстурированные микроямочками» или «наногофрированные поверхности».

Рис. 1. Частично регулярный микрорельеф, сформированный методом УУО, РЭМ, ><10000

Существенной проблемой для УУО является получение полностью регулярных микрорельефов (то есть таких, у которых размеры всех ямочек одинаковы и по диаметру и по глубине и расположены на одинаковых расстояниях). Вероятно такие, полностью регулярные, микрорельефы будут иметь лучшие триботехнические характеристики по сравнению с частично регулярными (не полностью регулярными).

В настоящее время многие исследователи [1-9], как и наш исследовательский коллектив, имеют затруднения с получением полностью регулярного микрорельефа методом УУО (рис. 1).

Из рис. 1 можно заметить, что ямки (впадины) имеют различную форму, размеры и глубину. Выступы (валики), разделяющие между собой ямки, также имеют разные размеры и угол наклона относительно горизонтальной линии. Хотя обработка этой поверхности выполнялась при неизменных режимах.

По нашему мнению на разнообразие картины микрорельефа поверхности после УУО оказывает влияние ряд факторов, главными из которых являются:

1) жесткость конструкции динамического технологического модуля, который производит удары по поверхности с УЗ частотой;

2) качество подготовки исходной поверхности перед УУО (точеная, шлифованная, полированная);

3) физико-механические характеристики обрабатываемого материала (микроструктура, твердость, напряженное состояние).

Целью данного исследования является изучение влияния микроструктуры нержавеющей стали 12Х18Н10Т на формирование нерегулярного микрорельефа при УУО.

II. Методология

В качестве образцов для исследования были выбраны валики диаметром 25,5 мм, обточенные (Яа = 2,15 мкм) и шлифованные (Яа=0,36 мкм) из коррозионностойкой, высоколегированной стали аустенитного класса 12Х18Н10Т. Содержание основных элементов в марке стали 12Х18Н10Т: С = 0,12 %; Сг = 18,64 %; N1 = 10,1 %; Т = 0,54 %.

УУО образцов производилась сферическим индентором с радиусом сферы 3 мм из твердого сплава ВК8. Для генерации ударов по поверхности образца использовался динамический технологический модуль ДТМ-07 на базе магнитострикционного преобразователя ПМС15А-18. Режимы обработки: частота колебаний ультразвукового инструмента/= 18 кГц, амплитуда = 50 мкм, статическая нагрузка Рст = 20 Н, относительная скорость перемещения ультразвукового инструмента и образца V = 2 м/мин, продольная подача инструмента 5 = 0,05 мм/об.

Для оценки влияния микроструктуры на локальную нерегулярность микрорельефа возникает необходимость нанесения специальной метки (маркера) на поверхность рядом с исследуемой областью для удобства ее поиска после удаления микрорельефа полированием. Наиболее распространенным способом нанесения меток является ионное травление сфокусированным ионным пучком, который часто совмещен с растровым электронным микроскопом. В качестве альтернативы применения дорогостоящего метода ионного травления для нанесения маркеров может использоваться проволочная электроэрозионная обработка (рис. 2).

Рис. 2. Электроэрозионные маркеры

Разработанная нами методика исследования влияния микроструктуры на локальную нерегулярность микрорельефа состоит из следующих операций:

1. Изготовление электроэрозионного маркера методом проволочной электроэрозионной обработки.

2. Исследование образца методом РЭМ (предметный столик устанавливается таким образом, чтобы край образца был ориентирован горизонтально (рис. 3а)). Вершина полуокружности маркера принимается за начало отсчета системы координат.

3. Микрофотографирование методом РЭМ участка нерегулярности микрорельефа вблизи начала отсчета.

4. Выбор системы координат XOY с последующим расчетом положения участка с нерегулярным микрорельефом (рис. 3б) с использованием масштабной линейки.

5. Запрессовка образца.

6. Шлифование плоскости, параллельной плоскости шлифа на плоскошлифовальном станке.

7. Ручная полировка плоскости образца до удаления микрорельефа (при этом контроль толщины снимаемого слоя осуществляется микрометром).

8. Травление образца.

9. Исследование микроструктуры «области интереса» методом световой микроскопии или РЭМ, с целью установления причин образования нерегулярности микрорельефа.

Исследование морфологии поверхностей обточенных и шлифованных образцов после УУО проводилось методом растровой электронной микроскопии на приборе JEOL JCM-5700 в режиме высокого вакуума. Тип сигнала - вторичные электроны (SEI). Параметр SpotSize (размер пятна) - 50-60, величина ускоряющего напряжения 20 кВ, увеличение от 50 до 10000 крат.

Рис. 3. Электроэрозионные маркеры, РЭМ: а) выравнивание края образца, б) положение системы координат и участков с регулярным (указан белыми стрелками) и нерегулярным (указан черными стрелками) микрорельефом

III. Результаты и их обсуждение Исследование микроструктуры образцов стали 12Х18Н10Т показало, что размер зерна варьируется в диапазоне от 20 до 40 мкм. Сопоставление расстояния между ямочками с размерами зерна (рис. 4) позволяет сделать вывод о том, что ультразвуковой инструмент при однократном прохождении любого зерна, наносит по нему от 20 до 40 ударов, формируя регулярный микрорельеф, состоящий из выступов и впадин (микроямочек). Из рис. 4 видно, что в зависимости от размера зерна, каждая 20-я - 40-я ямочка может приходиться точно на границу зерен или двойника. Попадание центра шарика прикрепленного к ультразвуковому инструменту и наносящего удары по поверхности, вероятно, может привести к отклонениям от регулярности расположения микроямочек, т.к. деформируемость материала в области границ зерен может отличаться от деформируемости материала в центре зерна.

Рис. 4. Сопоставление размера зерна с расстояниями между ямочками

Исследование с использованием разработанной методики образцов, подвергнутых УУО и содержащих области с нарушением регулярности микрорельефа (рис. 5), позволяет сделать вывод о том, что границы зерен и двойники не оказывают существенного влияния на регулярность микрорельефа предварительно обточенных и шлифованных поверхностей.

а) б)

Рис. 5. Поверхность образцов, подвергнутых УУО. Черными стрелками указаны области с явным нарушением регулярности микрорельефа. РЭМ, ><5000

IV. Выводы и заключение

Для областей со значительным скоплением границ зерен характерна высокая степень регулярность микрорельефа и, наоборот, под участками с явным нарушением регулярности микрорельефа (рис. 5а, 5б) в некоторых случаях располагались ряды крупных зерен (35-40 мкм) с небольшим количеством границ и двойников.

Необходимо отметить, что предварительно шлифованные образцы содержат меньшее количество участков с нарушением регулярности микрорельефа по сравнению с образцами, подвергнутыми предварительному точению. Предварительная подготовка поверхности перед УУО рассматривались нами ранее в работе [11].

Опираясь на вышеприведенные исследования можно сделать следующий вывод о том, что границы зерен и двойники в аустенитной стали 12Х18Н10Т не оказывают существенного влияния на формирования регулярного микрорельефа. Высокая поверхностная концентрация границ зерен и двойников не способствует образованию областей с нерегулярным расположением микроямочек. Таким образом, к наиболее вероятным причинам образования областей с нерегулярным микрорельефом относятся конструктивные особенности динамического технологического модуля, который производит удары по поверхности с УЗ частотой, а также качество предварительной подготовки поверхности перед УУО. Шлифование поверхности в качестве метода ее предварительной подготовки оказывает сравнительно большее влияние на степень регулярности микрорельефа стали 12Х18Н10Т после УУО по сравнению с точением.

Авторы выражают благодарность Омскому государственному техническому университету за финансовую поддержку данного исследования. Работа выполнена в рамках НИР № 17033В.

Список литературы

1. Gujba A. K., C. Ye M. M. Effect of Ultrasonic Nanocrystalline Surface Modification on the Water Droplet Erosion Performance of Ti-6Al-4V // Surface & Coatings Technology. 2016. 307. Р. 157-170. URL: http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.08.054 (дата обращения: 20.06.2017).

2. Amanov A., Cho I. S., Pyoun Y. S., Lee, C. S., Park I. G. Micro-dimpled surface by ultrasonic nanocrystal surface modification and its tribological effects // Wear. 2012. 286-287. Р. 136-144. URL: http://doi.org/10.1016/j.wear.2011.06.001

3. Amanov A., Pyoun Y. S., Cho I. S., Lee C. S., Park I. G. The Evaluation of the Micro-Tracks and Micro-Dimples on the Tribological Characteristics of Thrust Ball Bearings / Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2011. № 11(1). Р. 701-705. URL: https://doi.org/10.1166/jnn.2011.3289

4. Amanov A., Sasaki S., Pyun Y. S. Frictional behavior of duplex nano-corrugated and nanostructured Cu alloy produced by UNSM // Procedia Engineering. 2013. № 68. Р. 491-496. URL: http://doi. org/10.1016/j .proeng. 2013.12.211

5. Cherif, A., Pyoun, Y., & Scholtes, B. Effects of ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) on residual stress state and fatigue strength of AISI 304 // Journal of Materials Engineering and Performance. 2010. № 19(2), Р. 282-286. URL: http://doi.org/10.1007/s11665-009-9445-3

6. Cho I. S., Amanov A., Kwak D. H., Jeong B. J., Park I. G. (2015). The influence of surface modification techniques on fretting wear of Al-Si alloy prepared by gravity die casting // Materials & Design. 2015. № 65. Р. 401-409. URL: http://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.09.036

7. Lesyk D. A., Martinez S., Dzhemelinskyy V. V., Lamikiz A., Mordyuk B. N., Prokopenko G. I. (2015). Surface microrelief and hardness of laser hardened and ultrasonically peened AISI D2 tool steel // Surface and Coatings Technology 2015. № 278. Р. 108-120. URL: http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.07.049

8. Panin A. V., Kazachenok M. S., Kozelskaya A. I., Hairullin R. R., Sinyakova E. A. (2015). Mechanisms of surface roughening of commercial purity titanium during ultrasonic impact treatment // Materials Science and Engineering: A. 2015. № 647. Р. 43-50. URL: http://doi.org/10.1016/j.msea.2015.08.086

9. Pyun Y. S., & Kayumov R. (2012). The Concepts and Properties of Nano-Skin Materials and Components Created By Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification // International Journal of Modern Physics: Conference Series 2012. № 6. Р. 527-533. URL: http://doi.org/10.1142/S2010194512003728

10. Wu B., Zhang J., Zhang L., Pyoun Y. S., Murakami R. I. (2014). Effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on surface and fatigue properties of quenching and tempering S45C steel // Applied Surface Science. 2014. № 321 . Р. 318-330. URL: http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.09.068

11. Fedorov A. A., Polonyankin D. A., Blesman A. I., Postnikov D. V., Linovsky A. V., Bobkov N. V. (2017). Influence of ultrasonic impact treatment and morphology of solid lubricant particles on its attachment to surfaces with different roughness // In AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1876. Р. 20065). URL: http://doi.org/10.1063/L4998885