Методика испытания сталей на абразивную износостойкость

При низких температурах интенсивность изнашивания деталей в абразивной среде резко возрастает, поэтому они более продолжительное время работают в режиме повышенных нагрузок. Как показали настоящие исследования, в зимний период эксплуатации землеройных машин наряду с существенным снижением срока службы режущих органов вследствие их износа, увеличивается и число их поломок. В связи с этим, при повышении долговечности деталей машин, работающих в абразивной среде при низких температурах, необходимо учитывать не только их износостойкость, но и изменение свойств материалов (охрупчивание) при понижении температуры, вызывающих хрупкие поломки деталей. В данной работе предлагается метод повышения износостойкости деталей, работающих при низких температурах путем их армирования. Сущность метода (на примере ножа бульдозера) заключается в следующем. Рабочая поверхность ножа, контактирующая с грунтом, армируется вставками-штырями из износостойкой инструментальной стали.

Вставки-штыри цилиндрической формы из износостойких материалов запрессовываются в отверстия по осевой линии интенсивно изнашивающейся поверхности ножа, закрепленного к отвалу бульдозера. Передняя грань ножа защищается износостойкой наплавкой. Нож изготавливается из обычных углеродистых сталей, обладающих высокой вязкостью, а это существенно снижает вероятность хрупких поломок. Разработанный способ повышения износостойкости не требует специального оборудования и может быть осуществлен при наличии обычной мастерской на предприятии, имеющей прессовое оборудование небольшой мощности. Расход дорогостоящей инструментальной, или другой износостойкой стали на изготовление одного ножа бульдозера составляет порядка 6-8 кг.

Экспериментальную проверку способа повышения износостойкости армированием ножей бульдозеров проводили с применением сталей Р12 и Х8М2Ф, показавших наибольшую износостойкость при лабораторных испытаниях. С целью ускорения производственных испытаний и более точной оценки скорости изнашивания исследуемых материалов в грунтах, конструкция экспериментальных ножей бульдозера была несколько изменена. К стандартному ножу бульдозера, крепились пластины размером 100х65х20

мм, изготовленные из сталей Р12 и Х8М2Ф. В качестве эталонов сравнения использовались такие же пластины из стали Ст.5 и стали Ст.5 с наплавкой, поскольку именно эти стали рекомендуются для изготовления стандартных ножей бульдозеров. При этом сущность физических процессов, происходящих в зоне контакта режущего органа с грунтом, не изменилась. Износ измерялся через каждые 10-12 часов работы машины инструментами, обеспечивающими точность ± 0, 05 мм.

Анализ полученных результатов испытаний показал, что скорость изнашивания пластин из инструментальных сталей Р12 и Х8М2Ф в 4-5 раз меньше скорости изнашивания пластин из стали Ст.5 с наплавкой, рекомендуемой ГОСТом для изготовления ножей бульдозеров. Это обусловлено, прежде всего, тем, что интенсивно изнашивающаяся поверхность ножа (задняя) наплавкой не защищена, а защищена передняя часть, по которой скользит разрыхленный грунт. В процессе работы такого ножа характерно наличие двух схем взаимодействия режущего органа с грунтом: зона взаимодействия износостойких пластин с грунтом и зона взаимодействия основного материала стандартного ножа с грунтом. В зоне контакта износостойких пластин или вставок-штырей реализуется схема изнашивания о закрепленные абразивные частицы, поскольку пластины или вставки-штыри непосредственно контактируют с мерзлым грунтом. Основной материал ножа контактирует с грунтом через прослойку разрыхленного грунта. Интенсивность изнашивания закрепленными абразивными частицами выше, чем свободными. Поэтому, примерно через 20-25 часов работы машины происходит выравнивание процессов изнашивания износостойких пластин из инструментальных сталей и основного материала ножа. При дальнейшей эксплуатации ножа изнашивание его происходит равномерно, но с меньшей интенсивностью, чем и достигается существенное увеличение долговечности. Выполненные расчеты показали, что при предельно допустимой величине износа ножа по его длине (30 мм по стандарту) и полученных скоростях изнашивания, срок его службы может составить 2500-3000 часов, что примерно в 5-6 раз больше долговечности стандартных ножей бульдозеров.

© Карабарин Д. А., 2012

УДК 621.891.001.57

Д. А. Карабарин Научный руководитель - Г. Ф. Тарасов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЯ СТАЛЕЙ НА АБРАЗИВНУЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

Изложены принципы подхода к испытаниям материалов на абразивную износостойкость. Методика испытаний матариалов. Рассмотрены особенности испытаний материалов при низких температурах.

Износостойкость материалов при взаимодействии с абразивными частицами зависит от механических свойств, формирующихся непосредственно в момент

разрушения. Определить эти свойства практически невозможно, поскольку сами условия разрушения неизвестны. В связи с этим износостойкость сопос-

Секция « Технология производства ракетно-космической техники»

тавляют с исходными механическими характеристиками, которые предопределяют поведение материалов в процессе изнаши-вания, примером чего может служить прямая пропорциональная зависимость износостойкости (е) от твердости (Нм) для чистых металлов и отожженных сталей.

Все существующие методы испытаний материалов на изнашивание в зависимости от степени фиксации абразивных частиц можно подразделить на три вида: закрепленным, полузакрепленныи и свободным абразивом [1; 2]. При каждом методе испытаний схема взаимодействия материала и абразива определяется характером прилагаемой нагрузки: трение, удар и трение с ударом, которая является промежуточной, характеризующей разрушение изнашиваемой поверхности абразивными частицами за счет скольжения и удара одновременно.

Наибольшее распространение получил метод испытаний на изнашивание о закрепленный абразив, особенно применительно к деталям, работающим в абразивной среде при низких температурах. Кроме того, в ряде научных исследований установлен одинаковый порядок расположения кривых износостойкости для материалов, испытанных о закрепленный абразив и деталей машин при низких температурах.

Поэтому при исследовании износостойкости, применительно к режущим органам землеройных машин, работающих при низких температурах, необходимо использовать схему взаимодействия сталей с фиксированными абразивными частицами. Поэтому выбор базовой методики для исследования износостойкости сталей производился на основе анализа существующих методов испытаний о закрепленные абразивные частицы.

В качестве базовой в данной работе принята методика испытаний, с применением установки типа УАМ (универсальная абразивная машина). На этой установке пред-ставляется возможным проводить испытания на изнашивание при трении и ударе о шлифовальную шкурку при температурах до минус 70 °С.

В качестве критерия оценки износостойкости материалов использовалась относи-тельная износостойкость, что позволяет сравнивать по износостойкости материалы, имею-щие различную плотность. Изменение физико-механических свойств при понижении тем-пературы учитывалось введением эталонного материала (сплав АМг-2), который не изменяет своих свойств до минус 70 °С. Он позволяет учитывать не только неоднород-ность шлифовальной шкурки, но и изменение ее изнашивающей способности при низких температурах. При испытаниях материалов, применительно к деталям машин, подвергаю-щихся изнашиванию при нормальных температурах, в качестве эталона следует приме-нять материал из которого иготовлена деталь, требующая повышения износостойкости.

Из исследованных сталей изготавливались образцы размером 10x10x55 мм без надреза по ГОСТ 945491. Исследованиям износостойкости сталей предшествовали их испытания на ударную вязкость, а затем одна половинка образца испытывалась на износостойкость при трении, а вторая - при ударе о закреп-

ленную абразивную поверх-ность. Один и тот же образец изнашивался в диапазоне температур от плюс 20 до минус 60 °С. Испытания проводились в специальной термокамере типа ТКСИ- 01/70, в которой размещались установка типа УАМ, и испытуемые образцы. Перед испытаниями образцы выдерживались при заданной температуре не менее 10-15 мин., для полного их охлаждения по всему объему. С целью обеспечения абсолютной идентичности условий изнашивания образца и эталона, их испытания проводились одновременно. Для этого на испытательной установке предусматривалось две державки: в одной закреплялся образец из испытуемого материала, а в другой - эталон (АМг-2).

Путь трения, для испытаний исследуемых сталей, принят 10 м и выбирался из условия получения величины износа, достаточной для его оценки с минимально возможной погрешностью. Из этих же условий выбрано количество ударов в опыте - 1500.

Критерием выбора скорости скольжения и частоты ударов является температура в зоне контакта образца и шлифовальной шкурки. Ее необходимо сохранить равной температуре окружающей среды, для того, чтобы в процессе исследования представлялось возможным оценить влияние понижения температуры на износостойкость материалов. Исходя из изложенного скорость скольжения принята 0,15 м/с, которая принята на основе измерения температуры на поверхности образца в момент трения. Для эксперимента были взяты образцы из сплава АМг-2 (эталон), в которые встраивались термопары (хромель-копель) на расстоянии 0,5 мм от поверхности трения.

В условиях удара об абразивную поверхность возрастание температуры в зоне контакта ограничивается малым временем взаимодействия образца и абразива. Поэтому на основании конструктивных особенностей установки частота ударов при испытанииях сталей принята 96-112 уд/мин.

Выбор нагрузки производился по результатам испытаний группы сталей на шлифовальных шкурках зернистостью 12М при температурах плюс 20 и минус 60 °С, что позволило оценить ее влияние на характер зависимости «износ - нагрузка». Величина износа определялась по потере массы взвешиванием, с последующим пересчетом в объемные единицы. По результатам испытаний выбрана нагрузка 3,6 кГ/см2, обеспечи-вающая сопоставимость результатов испытаний в зоне одинакового влияния нагрузки на износ для всех материалов при понижении температуры до минус 60 °С и получения минимально необходимого износа на пути трения 10 м.

Полученные экспериментальные данные с учетом требований, предъявляемых к методике исследования износостойкости материалов при низких температурах, позволили установить режимы и условия испытаний инструментальных сталей при двух схемах изнашивания. По разработанной методике можно проводить исследования износостой-кости различных материалов (конструкционных сталей, наплавок, твердых сплавов и др.) и сопоставлять полученные результаты между собой.

Библиографические ссылки

1. Виноградов В. Н., Сорокин Г. М. Износостойкость сталей и сплавов : учеб. пособие. М. : Нефть и газ. 1994. 415 с.

2. Чулкин С. Г. Анализ современных представлений и подходов при оценке износостойкости и долговеч-

ности материалов в различных условиях внешнего трения // Трение, износ, смазка. 1999. Т. 1. №2. С. 47-51.

© Карабарин Д. А., 2012

УДК 621.9.048.4

С. Н. Карпенюк, Е. О. Пономарёва Научный руководитель - Н. А. Амельченко Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ В ДЕТАЛЯХ ИЗ ТИТАНОВЫХ И ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Рассмотрена возможность формообразования глубоких отверстий малых диаметров в деталях из жаропрочных и титановых сплавов на станке типа «супердрель» с применением трубчатых медных электрод-инструментов.

В современном машиностроении, нефтяной и газовой промышленности, ракетостроении, при создании военной техники и в других областях применяются детали с отверстиями, глубина которых превышает более пяти диаметров. Такие отверстия считаются глубокими [1].

Формообразование глубоких отверстий является достаточно трудоемким процессом и связано с применением специального технологического оборудования и режущего инструмента. В качестве обрабатываемых материалов могут быть использованы стали с разным содержанием легирующих элементов, а также упрочненные материалы с твердостью 42-46НЯС, чугун, жаропрочные и титановые сплавы, чистый алюминий и другие материалы.

Кроме того, в машиностроении серьезные проблемы возникают при формообразовании отверстий малых диаметров (0,2^2,0 мм). Сверла из быстрорежущих сталей марки Р6М5 в процессе обработки имеют значительный износ режущей кромки. При обработке жаропрочных сталей и титановых сплавов их применение практически нецелесообразно.

В последнее время при обработке отверстий малого диаметра широко используются микросверла, изготовленные из твердых наноструктурных материалов состава карбид вольфрама ^С) и кобальт (Со) [2]. Преимуществом наноструктурных материалов является возможность формирования трехмерных контактов между частицами размером 30-40 нм из разных фаз ^С и Со) при очень высокой прочности. Однако массовое производство таких материалов только начинает развиваться и связано с большими затратами финансовых средств и сложностью технологий их получения.

На производстве при изготовлении газотурбинных двигателей (ГТД) широкое применение находят электрофизические методы обработки, в частности электроэрозионная (ЭЭО) и электроимпульсная. Это обусловлено несколькими причинами:

- обработка отверстий малых диаметров, часто расположенных под углом к оси детали, с применени-

ем мерного инструмента является не технологичной и практически невозможна;

- по своим физико-механическим свойствам современные конструкционные жаропрочные материалы приближаются к свойствам инструментальных материалов, при этом стойкость режущего инструмента, применяемого для обработки подобных деталей, достаточно низкая;

- возможность получения элементов поверхностей деталей, для которых традиционные методы обработки неприменимы.

Наиболее характерным примером разработанной технологии при обработке деталей ГТД из жаропрочных и титановых сплавов является применение струйной электроэрозионной обработки. Суть струйной ЭЭО заключается в обработке глубоких отверстий трубчатым электрод-инструментом (ЭИ), через который под высоким давлением прокачивается охлаждающий компонент. В качестве рабочего компонента используются диэлектрические жидкости на водной основе или на основе углеводородного сырья. Это позволяет получать наряду с высокой производительностью хорошее качество обработанной поверхности.

Для подтверждения теоретических аспектов эффективности применения процесса проведены исследования по отработке режимов ЭЭО на образцах из титановых и жаропрочных сплавов на специальном электроэрозионном станке с ЧПУ типа «супердрель».

На первом этапе методом подбора электрических параметров, влияющих на электроэрозионный процесс, в соответствии с рекомендациями [3], проведена оптимизация режимов ЭЭО с целью установления зависимости между производительностью обработки и износом полого вращающегося электрод-инструмента. Параллельно с этим для сравнительной оценки проводили обработку отверстий такого же диаметра с применением традиционного метода на электроэрозионном станке. В качестве инструмента использовали стержневой электрод из вольфрама. Состояние поверхности электродов оценивали визу-