УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ИЗНОС ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Заявляемая полезная модель относится к области  исследования сопротивления износу или истиранию материалов, а именно к устройствам, предназначенным для определения физических свойств, в частности изностостойкости сплавов, покрытий и иных материалов, механически нагружаемых при высоких температурах в условиях горячей объемной штамповки.
Известно, что металлы, которые эксплуатируются длительное время при высоких температурах, обычно теряют прочность, в результате чего появляются термические усталостные трещины. Термоудары, вызванные циклическими термическими напряжениями, наблюдаются у инструментов и штампов для ковки и горячей обработки. При высоких температурах работают прокатные ролики, штампы, ножи гильотин, пуансоны, матрицы для горячей обработки металла и т.п.
Из предшествующего уровня техники известна испытательная установка для определения высокотемпературного износа, в которой в качестве горячего штампа используют рабочую часть испытуемого образца, имеющего форму усеченного конуса и сопрягаемого с торцовой поверхностью заготовки, выполняющей функцию штампуемой детали, нагретой до температуры 650÷900°С (Куниловский В.В., Крутиков В.К. Литые штампы для горячего объемного деформирования. – Л.: Машиностроение, 1987. – 126 с.).
Сущность известного технического решения заключается в том, что после проведения определенного количества циклов испытаний, на каждом из которых выполняют замену заготовки, происходит износ конической поверхности испытуемого образца, замер которой позволяет оценить износостойкость материала, из которого он изготовлен.
Недостатки данной установки обусловлены сложностью воспроизведения в ней реальных натурных условий испытаний.
При осуществлении натурной горячей объемной штамповки для предотвращения хрупкого разрушения в поверхностных слоях рабочая часть испытуемого образца в виде усеченного конуса, выполняющего функцию горячего штампа, должна быть предварительно нагрета до температуры 250÷300°С (Поздняк Л.А., Скрынченко Ю.М., Тишаев С.И. Штамповые стали. – М.: Металлургия, 1980. – 244 с.). В аналоге не применяют предварительный нагрев испытуемого образца, в результате чего происходит быстрая передача тепла.
Помимо этого, в данной установке испытуемый образец жестко связан с пуансоном штампа, масса которого значительно больше. Известно, что при проектировании горячих штампов масса нагружаемой (рабочей) части испытуемого образца, примерно в 10 раз меньше, чем общая масса падающих на нее частей штампа (Титов Ю. А., Титов А. Ю. Проектирование штампов. – Ульяновск: УлГТУ, 2012. – 116 с.). Для того чтобы выполнить предусмотренное требование, касающееся обязательного предварительного нагрева испытуемого образца, в данном решении необходимо производить нагрев всего массива пуансона, что, в свою очередь, приводит к значительному увеличению энергетических затрат. По этой причине в известной установке образец перед началом испытаний предварительно не нагревают, в результате чего условия лабораторного нагружения значительно отличаются от условий натурного нагружения, что, соответственно, получению недостоверных данных.
Кроме того, основная нагрузка распределена по всей рабочей поверхности усеченного конуса, которая параллельна торцовой поверхности заготовки. Для ускорения испытаний и выявления характерных дефектов необходимо зону нагружения локализовать.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является установка для испытания стойкости против высокотемпературного износа, состоящая из основания в виде массивного упора, на котором расположена сменная нижняя вставка, оснащенная подставкой и, по меньшей мере, одним поперечным выступом, имеющим в сечении форму зуба. Нижняя вставка выполняет функцию горячего штампа, на котором в горизонтальном направлении размещают испытуемый образец, имеющий цилиндрическую форму. При испытаниях один конец цилиндра располагают на подставке, второй, являющийся нагружаемой частью, размещают на выступе в виде зуба, стенки которого имеют различный угол наклона, благодаря чему обеспечивается локализация напряжений в начале пологой грани, где и происходит максимальный износ. Для повторения испытаний и экономии материала на нижней вставке симметрично первому может быть выполнен второй такой выступ в виде зуба. После проведения испытаний на первом зубе можно повернуть образец на 180° и повторить эксперимент уже с опиранием на второй зуб.
Перед началом испытаний образец нагревают до температуры 900÷1100°С, а нижнюю вставку – до температуры 250÷300°С (Foster, J., Cullen, C., Fitzpatrick, S., Payne G., Hall L., Marashi J. Remanufacture of hot forging tools and dies using laser metal deposition with powder and a hard-facing alloy Stellite 21. Journal of Remanufacturing, 9, 2019 – 189–203 с.).
Недостатком прототипа является высокая теплоотдача, обусловленная передачей и отводом тепла по сопрягаемым поверхностям от нагретой перед испытанием нижней вставки всему массиву основания – упору. Поэтому для достижения и поддержания температуры нижней вставки заданной величины требуются значительные энергетические и временные затраты, что снижает эффективность устройства.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в снижении теплоотдачи по сопрягаемым поверхностям элементов конструкции с одновременным предотвращением возникновения термических усталостных дефектов в виде трещин, износа.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для испытаний на износ при высокотемпературном нагружении, включающая основание в виде массивного упора, на котором размещена съемная нижняя вставка, оснащенная, по меньшей мере, одним поперечным выступом, имеющим в сечении форму зуба, на который опирается нагружаемая часть испытуемого образца, согласно полезной модели стенки зуба имеют разный угол наклона, а боковая и сопрягаемая с упором поверхности нижней вставки выполнены профильными с образованием вертикальных и горизонтальных граней, при этом соотношение площади контакта вертикальных и горизонтальных граней с сопрягаемой поверхностью упора составляет соответственно 11-12% и 22-44%.
Предлагаемая к защите полезная модель поясняется чертежом, где фигура – общий вид устройства для испытаний на износ при высокотемпературном нагружении с выделением вертикальных граней.
Полезная модель содержит основание в виде массивного упора 1, на котором размещают съемную нижнюю вставку 2, оснащенную, по меньшей мере, одним поперечным выступом 3, имеющим форму зуба. Боковая и сопрягаемая с упором поверхность вставки выполнены профильными с образованием вертикальных 4 и горизонтальных 5 граней. При этом площадь контакта вертикальных граней с сопрягаемой поверхностью упора составляет 11-22% от общей площади вертикальной поверхности упора, сопрягаемой с вставкой, а площадь контакта горизонтальных граней – 22-44%.
Соотношения площадей контактных поверхностей нижней вставки и упора установлено следующим образом.
При горячем деформировании нагрузки, действующие на испытуемый образец, например, биллет (круглый пруток, полученный путем ковки, прокатки или выдавливанием), должны превышать прочность металла, из которого изготовлен образец, при температуре его деформирования, которая находится в интервале 800-1250°С (Ковка и штамповка: Справочник в 4 т. / Т. 1 Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / Под ред. Е.И. Семенова. – М.: Машиностроение, 1985. – 568 с).
σ
в
При этой температуре прочность сталей [] составляет 15-25 МПа (Ковка и штамповка: Справочник в 4 т. / Т. 1 Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / Под ред. Е.И. Семенова. – М.: Машиностроение, 1985. – 568 с.; Куниловский В.В., Крутиков В.К. Литые штампы для горячего объемного деформирования. – Л.: Машиностроение, 1987. – 126 с.; Кушнарев, А.В., Разработка научных основ и внедрение современной технологии производства железнодорожных колес с высокими эксплуатационными характеристиками: Дис. докт. тех. наук: – Екатеринбург, 2014. – 403 с.).
σ
σ
см
02
При горячем (высокотемпературном) нагружении штампового инструмента не должно быть превышено допускаемое сопротивление смятию [], то есть критическое нормальное напряжение, вызывающее пластическую деформацию выше допустимого уровня, величину которого связывают с допустимым пределом текучести [], который, в свою очередь, соответствует нагрузкам, при которых начинаются пластические деформации, в соответствии с уравнением
σ
σ
см
02
[] ≈ 2[] (1)
(Куниловский В.В., Крутиков В.К. Литые штампы для горячего объемного деформирования. – Л.: Машиностроение, 1987. – 126 с.).
σ
02
В заявляемом устройстве нижнюю вставку, выполняющую функцию штампового инструмента, предварительно нагревают до 250-300°С. При такой температуре предел текучести для штамповых сталей [] составляет 115-125 МПа (Поздняк Л.А., Скрынченко Ю.М., Тишаев С.И. Штамповые стали. – М.: Металлургия, 1980. – 244 с).
σ
σ
в
см
В испытаниях, условия которых соответствуют горячей штамповке, за счет уменьшения сечения поверхностей контакта «вставка-упор» можно получить соотношения предела прочности сталей при температуре деформирования [] к допускаемому сопротивлению смятию [].
σ
σ
в
см
При этом данные соотношения [] / [] находятся в диапазоне 22-44%.
Причем такое соотношение необходимо выполнить на контактных поверхностях горизонтальных граней и сопрягаемых с ними участках поверхности упора, где действуют нормальные нагрузки.
На вертикальных поверхностях контакта нагрузки обусловлены силой трения. Если принять коэффициент трения равным 0,5, что соответствует условиям горячей штамповки углеродистой стали в интервале температур 800-1200°С без смазочного материала (Ковка и штамповка: Справочник в 4 т. / Т. 1 Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / Под ред. Е.И. Семенова. – М.: Машиностроение, 1985. – 568 с.), то интервал соотношений указанных площадей составит 11-22%.
Были проведены сравнительные испытания на износ при высокотемпературном нагружении с использованием съемных нижних вставок, выполненных в соответствии с  прототипом (базовый вариант) и предлагаемым техническим решением.
При этом согласно конструктивному решению ближайшего аналога контактная поверхность нижней вставки полностью совпадает с площадью сопрягаемой поверхности упора. Параметры контактной поверхности нижней вставки, согласно предлагаемому решению, определяли в соответствии с заявленными диапазонами соотношений 11-22%  и 22-44% соответственно.
Обе сравниваемые нижние вставки перед испытаниями предварительно нагревали до температуры 300°C, после чего подвергали многократному нагружению, состоящему из 100 циклов. В качестве испытуемого образца был использован образец в виде цилиндра, который был нагрет до температуры 1050°С.
В результате проведенных сравнительных испытаний было установлено, что при применении конструкции согласно прототипа нижняя вставка охлаждается до допустимых по условиям испытаний значений, равных 250°C, в течение 10-15 секунд, что позволяет провести без дополнительного ее нагрева только 1-2 цикла испытаний.
При выполнении испытаний устройства с нижней вставкой по предлагаемому техническому решению охлаждение вставки до допустимых по условиям испытаний значений, равных 250°C, происходит за 80-90 секунд, что обеспечивает проведение без дополнительного нагрева еще 10-12 циклов испытаний.
Помимо этого, после завершения испытаний, состоящих из 100 циклов нагружения нижней вставки по предложенному техническому решению, на торцах граней в местах контакта «вставка-упор» дефекты в виде трещин или износа отсутствовали.
Таким образом, в отличие от прототипа в предложенном техническом решении за счет изменения площади контакта поверхности «вставка-упор» обеспечивается уменьшение теплоотвода в упор при одновременном сохранении эксплуатационных характеристик,  конструктивных элементов в условиях высокотемпературного нагружения, например, таких, как прочность. При этом условия проведения испытаний в лабораторных условиях максимально приближены к натурным, соответствующим работе установки в условиях горячей объемной штамповки.