Анализ структуры упрочненного поверхностного слоя стальных образцов после ударной электромеханической обработки

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

УДК 621.9.047

Анализ структуры упрочненного поверхностного слоя стальных образцов после ударной электромеханической обработки

М. М. Матлин, Н. Г. Дудкина

Современные комбинированные и совмещенные методы поверхностного упрочнения деталей машин являются эффективными технологиями, позволяющими наиболее полно реализовать потенциал механических и эксплуатационных характеристик материала благодаря формированию в его поверхностном слое специфических структурно-фазовых состояний. Одним из таких методов является электромеханическая обработка (ЭМО) [1, 2]. Она основана на использовании различных по своей природе процессов — теплового и деформационного, совмещенных в зоне обработки и оказывающих взаимное влияние друг на друга. На рис. 1 представлена блок-схема возможных сочетаний теплового и силового воздействий в ходе ЭМО, которые реализуются при использовании постоянного или переменного тока,

поверхностного статического или импульсного пластического деформирования (ППД), синхронного или асинхронного приложения ударных и электрических (тепловых).

В работе исследуются особенности тонкой структуры упрочненного поверхностного слоя стальных деталей, полученной при использовании электромеханической обработки с динамическим (ударным) приложением деформирующего усилия. Предлагаемый метод электромеханической обработки заключается в одновременном пропускании электрического тока через зону контакта инструмента с деталью и дополнительном воздействии ударных силовых импульсов, синхронных с импульсами электрического тока с длительностью и частотой, равной длительности и частоте импульсов электрического тока (рис. 2) [3].

Рис. 1. Схема комбинирования теплового и деформационного воздействий при ЭМО+ППД

Рис. 2. Схема установки для ЭМО с ударным приложением деформирующего усилия:

1 — блок управления; 2 — управляющий контур трансформатора; 3 — рабочая обмотка силового трансформатора; 4 — генератор импульсов; 5 — динамометрический корпус приспособления; 6 — деформирующий электрод-инструмент; 7 — обрабатываемая деталь; 8 — стол станка

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

ММАШШО!

В момент приложения ударного импульса плотность тока, а следовательно, и температура нагрева максимальны. Такое изменение способа подвода энергии в зону обработки сопровождается существенным повышением скорости тепловых и деформационных процессов, создаются условия для увеличения количества энергии динамического воздействия, затрачиваемого на пластическую деформацию, по сравнению с традиционным методом ЭМО со статическим действием контактной нагрузки.

Исследования проводили на плоских образцах — пластинах толщиной 10-15 мм из нормализованной стали 45, подвергнутых ЭМО с однократным (точечным) приложением температурно-силового импульса. Ударное (динамическое) нагружение осуществляли по схеме (рис. 2), с использованием установки РЦС-403У4 для автоматического регулирования времени и последовательности операций сварки, обеспечивающей синхронное включение тока с его плавным регулированием и установкой различных выдержек времени. Плотность тока ] варьировала от 300 до 400 А/мм2. Длительность импульса электри-

ческого тока устанавливали равной длительности ударного импульса ти = 10-4 с. Величину усилия ударного деформирования Р при ЭМО варьировали от 1000 до 2000 Н.

Измерение микротвердости по локальным объемам поверхностного слоя проводили на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 1 Н. Расстояние между отпечатками составляло 30 мкм. Металлографический анализ микроструктуры поверхности упрочненных образцов проводился на микроскопе МИМ-3 при увеличении х100.

Проведенные исследования микротвердости и металлографический анализ поверхностного слоя, полученного при однократном воздействии совмещенных импульсов, показали, что большой импульс энергии и связанные с ним тепловые эффекты приводят к неоднородности свойств в поверхностных и приповерхностных слоях исследуемых сталей. На рис. 3, а, б показана микроструктура стали 45 после динамической электромеханической обработки с различными усилиями ударного импульса. В поверхностных слоях всех сталей наблюдается зона белого слоя. На рис. 3, а белый слой формируется на поверхности об-

а)

б)

в) в, мкм 900

800 700 600 500 400 300 200 100 0

Г^ЯЯ

I. ^

% ------

УМ1Ш1

50

200

400

г) в, мкм 1300

1100

900

700

500

300

100 0

150

300

450

600 к, мкм

10500-11000

10000-10500

9 500- 10 000

9 000- 9 500

а 8 500- 9 000

ш 8 000- 8 500

7 500- 8 000

7 000- 7 500

6 500- 7 000

6 000- 6 500

5 500- 6 000

5 000- 5 500

4 500- 5 000

4 000- 4 500

3 500- 4 000

3 000- 3 500

2 500- 3 000

2 000- 2 500

600 750 к, мкм

Рис. 3. Структура (а, б) и микротвердость (в, г) поверхностного слоя стали 45, упрочненой ЭМО с ударным приложением деформирующего усилия: а, в — усилие удара Р = 1000 Н; б, г — Р = 2000 Н; в — расстояние по ширине образца, к — расстояние по толщине образца

Н М11а

ШШДБРАБОТКА

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

разца, а на рис. 3, б — в приповерхностной области, которая резко переходит в основную структуру стали с четко выраженной границей между упрочненными и неупрочненными объемами металла. Это объясняется различным сочетанием деформационного и теплового воздействий на обрабатываемую поверхность: при режиме Р = 2000 Н, ] = 300 А/мм2 выделяется такое количество тепла, которое не успевает перейти в тело детали, и нагрев поверхностного слоя превышает пороговое значение. В результате возникновения большого количества теплоты происходит отпуск закаленной на белый слой стали.

Экстремальные условия, создаваемые в зоне обработки при импульсном температурно-силовом воздействии в ходе ЭМО с ударом, приводят к возникновению в материале термодинамически неравновесных структур, обусловленных сочетанием дисперсных и мета-стабильных фаз, повышенной субструктурной и концентрационной неоднородностью, ростом несовершенств кристаллического строения. Подобные эффекты становятся причиной повышенной микротвердости белого слоя, упрочненного ЭМО с ударом.

Результаты определения микротвердости по глубине упрочненного поверхностного слоя показаны на рис. 3, в, г. Установлено, что микротвердость и глубина упрочненного слоя в значительной степени зависят от режимов обработки (плотности тока ] и ударного усилия Р). В приповерхностных объемах микротвердость стали 45 Н^ = 9...11 ГПа, а глубина упрочненного слоя достигает 1,0—1,5 мм.

Таким образом, дополнительное воздействие ударными импульсами, синхронными с импульсами электрического тока при ЭМО, позволяет увеличить интенсивность процесса высокотемпературной деформации и выявить

возможность дополнительного упрочнения металла. Твердость в поверхностных и приповерхностных слоях возрастает до 30 %. При этом высокие скорости и температуры протекающих процессов способствуют фиксации указанных упрочненных структур на большей глубине поверхностного слоя, данного эффекта невозможно достичь при традиционной статической ЭМО. Результаты приведенных исследований свидетельствуют, что ударное электромеханическое упрочнение обладает высокими потенциальными возможностями для формирования ряда поверхностных структур благодаря воздействию импульсов заданной формы, амплитуды и продолжительности, синхронного или асинхронного приложения ударных и электрических (тепловых) импульсов на обрабатываемую поверхность. Таким образом, применение совмещенных высокоэнергетических процессов при ударной электромеханической обработке позволяет в широких пределах решать задачу управления качеством поверхностного слоя деталей.

Литература

1. Аскинази Б. М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. Л.: Машиностроение, 1989. 196 с.

2. Багмутов В. П., Паршев С. Н., Дудкина Н. Г. и др. Электромеханическая обработка: технологические и физические основы, свойства, реализация. Новосибирск: Наука, 2003. 318 с.

3. Патент № 2168552 Российская Федерация. С21Б7/04, С21Б8/00, В24В39/00. Способ обработки деталей поверхностным пластическим деформированием / Н. Г. Дудкина, А. В. Федоров, С. Ю. Свитачев; заявитель и патентообладатель Волгоградский государственный технический университет; заявл. 10.01.2000; опубл. 10.06.2001. № 2000100553/02. Бюл. 16.