автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности формирования структуры и свойств триботехнических слоев на инструментальных сталях при электрогидроимпульсной обработке

тульский государственный технический УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БЕЛЯМ Василий Борисович

закономерности формирования структуры и свойств триботехнических слоев на инструкентальных сталях при злектрогидроимпулшюй обработке

05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени /

кандидата технических наук

Тула - 1994

Работа выполнена в Тульском государственном техническом университете и в Тульском тешен артиллерийском инженерном орденов Ленина и Октябрьской Революции училище им.Тульского пролетариата.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Власов В.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Колачев Б.А. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Наумов Г.И.

Ведущее предприятие - машиностроительный'завод "Штамп"

им. Б.Л.Ванникова.

Защита состоится "26"апреля 1994г- в 14.00 час. в 9-м корпусе , ауд. 101, на заседании специализированного совета К 0SS. 47.02 Тульского государственного технического университета по адресу: 300600, -г.Тула, проспект Ленина, Q2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "24" марта 1994 ,г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент .

——'Гончаренко И.А.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАМПЫ

Актуальность работы. Повышение долговечности штампового инструмента (ШИ) является одной из пажнейиих задач металлообработки. В последние годы проблема увеличения срока службы холодна-высадочных штампов все теснее связывается с поверхностной прочностью инструментальных материалов, технологический выход которой определяете" созданием упрочненных триботехнических слоев или различных функциональных покрытий.

Объектом исследования в настоящей работе являются холодно-Емса-дочные штампы, условия работы которых усложняются воздействием импульсных нагрузок и реверсивным характером трения на рабочих Поверхностях инструмента. В связи с этим рассмотрение вопросов их работоспособности невозможно без всестороннего изучения механизмов поверхностной повреждаемости с учетом тонких элементов структуры и физико-механического состояния контактирующих поверхностей.

Ведущую роль в повреждаемости холодно-высадочного инструмента играют адгезионные механизмы изнашивания, кинетика которых предопределяется в первую очередь субструктурой триботехнического поверхностного слоя. С другой стороны, импульсные методы высокоэнергетической обработки, в первую очередь электрогидроимпульсные способы, позволяют в перспективе-в широких пределах варьировать характеристиками тонкой структуры и, в том числе, плотностью дислокаций'и типом их построений.

В связи с вышеуказанным, изучение закономерностей формирования > структуры и свойств поверхностных слоев инструментальных сталей при электрогидроимлульсном. упрочнении (ЭГИ-упрочнение) и легировании (ЭГИ-легирование) является актуальной задачей теории и практики металловедения. Решение этой задачи позволило бы сформировать структурные критерии оценки эффективности технологического способа упрочнения и обосновать направления и области наиболее рационального использования ШИ.с различной структурой триботехнического слоя.

Автор защищает:

1. 'Принцип разделения термического-' и силового воздействия на поверхность материалов при ЭГИ-обработке и введение в качестве технологического критериального энергетического параметра - мощности воздействия канава подводного .электрического разряда.

■2. Результаты экспериментальных исследований субструктуры и. физических характеристик упрочненных поверхностных слоев сталей УЮА и Х12МФ в энергетических зонах "силовых" и "термических" разрядов ЗГ'И-упрочнения на обрабатываемую поверхность.

3. Карты изнашивания уп-очненных и легированных поверхностных

слоев сталей с различными типами субструктур и степенью структурной гетерогенности.

4. Эмпирические зависимости для количественной оценки- адгезионных свойств упрочненных сталей и износостойкости покрытий при различных механизмах поверхностного, триботехнического разрушения.'

' 5. Рекомендации по рациональным'режимам упрочнения и легироват ния инструмента для холодной штамповки из сталей У10Д и Х12МФ.'

, Цель работы... Установление закономерностей формирования струк-турйо- физического комплекса свойств поверхностных слоев, сталей У10А и Х12№ при электрогидрошпульской обработке в различных термосило- . вых условиях воздействия' канала подводного электрического разряда, а также оценка их износостойкости и адгезионных характеристик.

, Общая методика исследований■• Экспериментальные исследования структуры и свойств поверхностных слоев основываются на металлографическом, электронномикроскопическом, дюрометрическом и рентгенографическом методах, а также нз анализе акустического' "излучения при проведении триботехяических испытаний. Моделирование процессов изнашивания и износостойкая оптимизация характеристик субструктуры упрочненных поверхностей осуществлялась на ЭВМ ЕС-1841 с применением специально разработанных программ.

Научная новизна. .

Теоретически й экспериментально обоснована' различная роль термического й силового воздействия подводного электрического разряда . (ЭГИ-метод) в структуро'образовании поверхностных слоев при упрочнении высокоуглеродистых сталей на различных режимах ЗГИ-обработки.

Проведен системный количественный анализ физических и технологических свойств упрочненных поверхностных слоев сталей У10А и Х12Ш с различными типами субструктуры;

На оснсве метода акустического излучения'.получены эмпирические модельные оценки адгезионных свойств упрочненных и легированных хромом и молибденом с,лоев на инструментальных сталях с различными типами субструктур триботехнического слоя.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Ог^еде-лены триботехничёски нежелательные .области 'эксплуатации ЭГИ-упроч-ненных и ЭГИ-'легированных хромом и молибденом инструментальных сталей в координатах "нагрузка - скорость скольжения", 'в которых действуют преимущественно адгезионные механизмы поверхностной повревдае-мости. ' ' ..

Д^ны рекомендации по рациональным режимам ВГИ-обработки высокоуглеродистых инструментальных сталей У10А и Х12МФ, обеспечивающие наилучшие кинетические характеристики изнашивания,в ' триботехнически ■оптимальных- областях усталостных'механизмов поверхностного рагруше-

ния.

Сконструирована машина, позволяющая с большей достоверностью проводить испытания на изнашивание применительно к работе холодно- Еысадочного ШИ (A.c. 1664012 СССР, МКИ G01N3/56). Данное изобретение использовало в опытном производстве ПО "Заря" (г.Николаев) при аттестации материалов На износостойкость.

Результаты использованы в разработках ИИПТ АН Украины при исследовании упрочняющих разрядно-импульсных технологий. Организационно-технические преимущества от полученного внедрения заключаются в сокращении сроков экспериментальных исследований по выбору энергетических технологических параметров установок для ЭГЛ-обработки и замене традиционных технологий упрочнения на более эффективные, основанных на воздействии високознергетических источников.

Выданные рекомендации по режимам ЭТИ-обработки инструмента для холодной штамповки позволили'повысить износостойкость ШИ, снизить потребность в нестандартной штамповой ое.,астке, а также в покупном ШИ. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы по ценам до 1991 г. на ПО "Заря" (г.Николаев) составил 74,6 тис.рублей, в АО "Киреевский ЗЛМК" (г.Киреевс.к) и на машиностроительном заводе "Штамп" им.Б.Л.Ванникова (г.Тула) - 772 тыс.рублей и 380,5 тыс..рублей соответственно.

Апробация работы. "Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии" '(г.Новокузнецк, 1991 г), на Y Всесоюзной научно-технической конференции "Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности" (г.Николаев, 1092 г.), на межрегиональной научно-технической конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической 1 химико-термической обработки деталей машин и инструмента" (г.Пенза, 199Q г.), на межреспубликанской научно-технической конференции 'Повышение качества изготовления деталей машин методами отделоч-ю-упрочняющей обработки " (г.Пенза, 1991 г.), на XX11-XXY науч-ю-технических конференциях Пензенского ВАИУ (г.Пенза, 1988, 1989, 1990, 1991 гг ), на Y1-1X научно-технических конференциях Тульского ЗАЛУ (г.'Тула, 1988, 1990, 1992, 1993 гг).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных >аб от.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит m введения, пяти разделов*5, общих выводов и приложения, изложена [а 152 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок, 29 таб-1иц, описок использованных источников из 124 наименований.

2. основное содержание диссертации

Цель работы и анализ состояния вопроса определили основные задачи исследования: ...

- разработать математическую модель формирования поверхностных слоев на сталях о учетом вклада термического• и силового■•факторов воздействия канала подводного электрическогоразряда на обрабатывав-• мую поверхность;

- установить влияние основных технологических • параметров' ЭГИ-обработки (напряжение, емкость конденсаторной' батарей ' К меж- ' электродное расстояние) на структуру'и-свойства упрочненных слоев, сформированных в различных энергетических технологических областях;

- разработать критерии адгезионной прочности различных трибо-технических слоев на рслове параметров субструктуры и выдать ..рекомендации по рациональным режимац- ЭГИ-'упрочнения сталей У10А И-Х12КФ;

• оценить влшще легирования, ст-лей хромом и молибденом на критерии 'субструктурного упрочнения'в различных энергетических технологических областях и разработать рекомендации по рациональным ре-, эшмам ЗГИ-легирования 'Инструментальных сталей этими соединениями;

' - проверить выдаваемые рекомендации па ЭГИ:.упррчнению и ЭГЙ-легированию холодно-выездного ШИ в производственных условиях.

2.1. Материалы и методики исследований.

С целыо комплексного решения поставленных в настоящей работе задач" по изучению 'структуры, технологических и эксплуатационных свойств инструментальных сталей после НИИ-упрочнения и 5ГМ-легирбва-ния, а.также оптимизации режимов ЭГЙО-в ¡качестве базовых материалов для исследований -были выбраны широко применяемые для изготовления холодно-высадочного, ШИ;стали.У10А и Х12Ш>. •. '.•_'

Выбор легирующих- материалов' хроМа. и -.молибдена для операции ЬГИ-легирования диктовался требованиями получения на поверхности в " ' процессе упрочнения ' антифрикционных твердых слоев, рекомендуемых' трибологамй для открытых' пар-трения . -' ',- • .'■.'

ДЛя проведения экспериментальных исследований структуры и износостойкости применяли следующие методики: металлографию,- дюрометри-ческий и,'рентгеноструктурный анализы, электронномикроскопический' .анализ упрочненных слоев на репликах,'а также триботехнические испы-. таш'' с применением метода .акустического излучения. -

и) Консультантом во разделу "Закономерности формирования струк- . туры и свойств ЗГИ-упрпч(1ен(шх и ЭГИ-легйрованных трйботехнических слоев" яблялся к.ф.-м.н., доцент Л.М.Нечаев.

Испытания на изнашивание осуществляли при одностороннем и реверсивном трении. Использовали серийную машину трения СМТ-1 с дора-5откой конструкции крепления образца, а такяе специально изготовленную оригинальную мазвину, позволяющую приводить В движение обрааец с высоким, ускорением за счет применения злектрогидроимпудьсного генератора ударник волн. Для диагностики и анализа кинетики ■ процессов адгезионного схватывания при трении применяли метод, основанный на анализе а1Л1литудно-частотной характеристики . сигналов акустического излучения.

Операции Э№упрочнения и ЭГИ-легирования проводили на специальной установке. Отличительной особенностью ее конструкции является различный порядок подключения конденсаторов в батарею, что позволило варьировать длительностью воздействия плазмы подводного электрического разряда на поверхностный слой статей и гарантированно ограничивать энергетический диапазон воздействия.

.' Предварительная структурная оптимизация ЭГИ-процесса показала, что величину запасенной энергии конденсаторов целесообразно изменять в пределах от 3 до 10 кДж, .напряжение разрядного.контура в интервале 10...35 кВ. Емкость разрядного' контура составляла б...10 мк®, Мех-электродное расстояние регулировалось в диапазоне 3...15 мм, причем верхний предел предопределялся, трудностью обработки некоторых участков сложнопрофйльнои штамповой оснастки.

2.2. Закономерности формирования структуры и свойств

ЭТИ- упрочненных и ЭГИ-легированных триботехничесих слоев

В данном разделе рассматриваются результаты исследования структуры, геометрических и' физических характеристик поверхностных слоев сталей после ЭГИ-упрочнения и ЭГИ-дегировапия при различных- режимах, а таете параметры напряженного-состояния поверхностных слоев.

• Разработана математическая модель формирования упрочненных слоев на сталях при контактной ЭГИО и -На ее основе количественно оценены критерии термическрго -упрочнения и силового воздействия на поверхность.-С Использованием модед-ьных-подходов проведен анализ изменения мощности электрического разряда при различных комбинациях технологических параметров- ЭГИ-обработкик на основании которого определены энергетические области гак называемых "быстрых" или "силовых" и "медленных" или-''термических" разрядов, в. которых превалируют соответственно силовой и термический факторы ег "¡действия.

Численная реализация этой модели была использована для расчетов характеристик подводного электроразряда,- а также, оценки термического и силового воздействия плаз». подводного электрического разряда на

материал.

Выявлено, что при тепловом взаимодействий плазмы с металлической поверхностью, для получений термомодифицированного слоя значительной толщины ~200 мкы требуется сравнительно большее время.. Указанным требованиям удовлетворяют "термические1' режимы разряда: сравнительно невысокие напряжения, большие емкости конденсатора и повышенная индуктивность paзpiяднoгo контура. Наиболее характерный пример таких режимов: напряжение менее. 15 кВ, емкость около 20...50 мкФ, межвлектроДное расстояние от б до 10мм й" индуктивность ~10... 20мкГн.

Установлено, Что в то время как термическое воздействие протекает при любых режимах, в том числе й таких, при которых не наблюдается плавление поверхностного слоя, силовое упрочнение, напротив, становится возможным лишь в том случае, если механические напряжения в материале превышают его предел текучести; Для того, чтобы давление плазмы достигло таких значений., требуется так называемый "силовой" электроразряд, реализуемый при высоких напряжениях на накопительной емкости и минимальной индуктивности разрядного контура. При такол режиме давление плазмы нарастает очень быстро, причем его максимальные значения сохраняются з течение короткого-промежутка времени.-

Расчеты, выполненные согласно разработанной модели пркайали, что требуемые для упрочнения стали механические напряжения достигаются при начальном напряжении разряда свыше 25 КВ и. минимальной индуктивности контура.' Фактор емкости конденсатора оказывается некритичным, .поскольку требуемые большие давления плааМы формируются I канале ва время менее 1 мкс и поддерживаются в течение первых нескольких микросекунд процесса. .

Разработанные модельные представления о. процессе позволили систематизировать режимы.ЭГИО по их характеру воздействия на обрабатываемую поверхность (рис. 1).

С|) в №

& £

Эона'"силовых"} разрядов N^<100 МВт

Зона "термических" разрядов Ыв>Ю0 МВт

Межэлекгродное расстояние 1к - 5...1

15мм

10

30 50 70 мкф

Емкость контура

Рис .Л. Области различных- энергетических-режимов ЭГИ-упрочнения

В зоне так называемых "силовых" разрядов, где реализуются мощ-юсти воздействия. Мв до 400 МВт, поверхностные слои материала испы-гывзют преобладающее силовое воздействие со стороны канала подводного электрического рзврядз-. В то же время обработка в области "термических" разрядов при мощностях Nß более 100 МВт обусловливает зтруктураобразоиание поверхностных слоев согласно термическим механизмам. ' .

Выявлено,' что при ЭГИ-упрочненпи инструментальных сталей формируются двй типа'структур. В зоне "силовых" разрядов в триботехничес--;их слоях формируются неупорядоченные с'убструктуры с хаотичными дислокационными нагромождениями в форме так называемого "леса". В то же зремя в зоне "термических"-разрядов в Них фиксируются упорядоченные структуры с полигональными дислокационными построениями.

Электрогидроимпу'льсное воздействие "практически при любых технологических параметрах упрочнения приводит к формированию на поверх-■юсти упрочняемых сталей химически нетравя ихся "белых" слоев. Тол-цина "-белых" слоев изменяется неравнозначно по мере возрастания энергетического фактора. В области "силовых" разрядов слой нарастает замедленно, в то время как температурные режимы обработки в значительной степени активируют геометрическую перестройку поверхностных сло-эв. Так,'-в зоне "сиговых" разрядов, толщина "белого" слоя возрастает :о скоростью не более 7-Ю-2 мкм/МВт, в т.о'время ка-! в области "термических" разрядов . скорость '■ нарастания слоя . достигает - (2...5)•10"1мкм/МВт. .Микротвердость на поверхности в силоЬой энергетической области, -возрастает по -Пере увеличения мощности Nq от 8000 цо 1?ОООМПа, и, наоборот, уменьшается до -ШСО-МПа для более толстых 'белых" слоев; полученных в термической энергетической зоне обработки. Показано, что повышение мйкротв-ердости сопряжено с уменьшением содержания в структуре фазы'остаточного аустенита. Taii в зоне "термических" разрядов количество этой фазы возрастает до 20%.

- ' Установлено, что эффективная плотность дислокаций р и остаточные технологические макронапряжения бвн непрерывно возрастают по мере- увеличения мощности- обработки. Диапазон изменения параметра р доставляет при этом от --1D1.1 до -Ю1г см_г, а напряжения растяжения звн изменяются от нуля до -80Ö МПа-для обеих исследуемых сталей, вровень'растягивающих Внутренних напряжений бвн, фиксируемых'в "бе-пых" слоях достаточно высок, достигает- ~500... 700 МПа и незакономерно изменяется при варьировании технологических параметров ЭГЛ-упрочнения. Концентрационные локальные шшррнапряжешга' в "белых" слоях изменяются практически синхронно с 6ßrt~характеристикой, и аналогичным же образом • реагируют на воздействие силового или термического фактора упрочнения.

Как показывают зависимости для относительного уширения ренете- ■ новской линии "Да(В2ц/В11о)-Мв". характер распределения а-фазы мартенсита будет различным в классифицированных энергетических зонах (рис. 2). При условии, что Нв<100 МВт величина Дз составляет -1,В...2,2, что свидетельствует ' о неупорядоченных топографических построениях дислокаций в форме так называемого дислокационного "леса", Последнее желательно с триботехническихвоззрений, так как в этом случае минимизируются адгезионные механизмы изнашивания материалов при трении скольжения. Энергетической зоне при N£¡>100 МВт-соответствуют большие значения параметра Дв и это объясняется ■ формированием упорядоченных субструктурных построений в виде дислокационных полигональных стенок. Подобная дислокационная топография облегчает микродеформацию при взаимодействии трущихся материалов и активизирует и*, адгезионные взаимодействия.

0211

¿10----

Вио

2,5 2,0 1,5

'50 100 . 150 ' Нв, МВт £50

Рис. 2. Изменение соотношения физического уширения линий до в различных энергетических зонах 5Г.И-упрочнения

Показано, что ЭГИО в значительной степени изменяет состав Г-аустенита и <*-мартенсита в "белых" слоях. Степень тетрагональное™ обеих фаз упрочненных' инструментальных сталей По мере перехода от технологической области "силовых" раарядбв к "термическим" уменьшается от ,036 до ~1,024. Это соответствует снижению'концентрации углег~да в мартенсите от ЧЗ,В-.До ^0,5. ..0,6%. Последнее•• нужно принимать во внимание при назначении в качестве финишной после ЭГИ-упроч-нения операции отпуска..

Определено, что наиболее чувствительными к мощности ЭГИтвоздействия субструктурними характеристиками являются, микроискакения

йс1/с! и размер субструктурных фрагментов Онкь- Причем характеристика М/сЗ' аппроксимируется кривой о перегибом на стыке энергетических технологических областей обработки выпуклостью вверх, в то время как для параметра Онкь она вогнута.

• Установлено, что "белые" слои на сталях У10А и Х12Щ> обладают повышенными антиадгезионными свойствами, причем в различной степени в зависимости от их субструктурного состояния. Показано, что ЭГИ-уп-рочнение в 'области "силовых'.' разрядов, создающее триботехнические злой с неупорядоченной дислокационной структурой, в наибольшей степени нибелирует эффекты адгезии. Получена эмпирическая зависимость цля амплитуды акустической эмиссии Лди. нормирующая адгезионные свойства и учитывающая физическое ушрение рентгеновских линий, косвенно характеризующее тип дислокационных построений:

^АИ ** 1°АЙ • О'кЧ (1).

где » 20 мВ соответствует нулевым кстактным нагрузкам при тре-^ии скольжения бк-О. Найдено количественное соответствие меэду адге-зионным-а^ и интегральным рентгеновским параметрами ДО:

; ' а«з - 0,3 + 0,6 (А01 -1,4) (2)

1ля текущей характеристики АО; упрочненного сдоя.

С целью дальнейшего повышения антифрикционных свойств сталей 5ыло изучено технологическое направление их поверхностного легирова-1ия хромом и молибденом. .'".-

Установлено, что для сталей У10А и Х12М$ после ЭТИ-легирования юдибденом и хромом формируются слои глубиной 60...80 мкм' и микро-'вердостыо от 11500 до 13000 МПа. Независимо от режима ЭГИ-легирова-шя образуется один тип покрытия- - закристаллизовавшийся слой Леги-)ующегр материала на'частично п'одплавленной при мощностях Ыа>100 МВт ¡тальной подложке. ■ -.'••'

Структура зоны термического влияния, находящаяся под покрытием »стоит.из тетрагонального мартенсита и. остаточного аустенита в. ко-жчестве от 10 до '<Ш. Слои на сталях У10А и Х12МФ после зги-легиро-¡ания находятся в ненапряженном состоянии или испытывают умеренное >астадение. Изменения параметров тонкой структуры свидетельствуют о юльшем улрочняюш-эм эффекте при ЭТИ-легировании, чем при ЭГИ-упроч-[ении. Это выражаэтся в более.высоких уровнях микроискажений решетки иртенсита и высокой платности дислокаций, достигаемых в том числе 1а счет протекания диффузионных процессов на основе легирующих эле-1ентов.

Установлено, что для энергетической области "силовых" разрядов арактерны тонкие покрытия из хрома и молибдена без заметной гетеро-енности'их структуры. В то же время большие мощности ЭГЙО обуслов-

ливают образование, толстых двухслойных покрытий,• внутренняя вена которых отличается значительной структурной 'макрогетёрогенностью в форме пустот и включений матричных фаз. •

Получены регрессионные уравнения для следующих характеристик гетерогенности: среднестатистического размера макродефектов 0 и расстояния между ними с1: \

CD.il)' - Ко + К^2 + к2и + К3СЭ +• К4С + К51кЭ + К61к2 + К71к, (ЗУ в зависимости от технологических характеристик обработки-: и и С - соответственно напряжение ц емкость'разрядного контура, 1к -- межзлектродное расстояние. В таблица приведены определенные в результате статистической обработки йначения коэффициентов' К0---К7 уравнения (3).

Таблица

Значения коэффициентов Ко-. .К?'в уравнении '(,3)

I- С5 э н Р о . о ам н Ь о ш я и га о ар ЙР Коэффициенты >4 ^ О о К И В й

Ко Ка к2 Кз к4 к5 К6 •К?

И -0,90 -З^ЧО"3 0,39 2,1' "Ю-4 1,7-10~2 -0,4В 3,37 зо-

(1 4, £4 0,?8 0',.23 • 0 - 0 1,30 25

Ьолученные зависимости-по характеристикам гетерогенности позволили оценить с использованием моделей изнашивания износостойкие свойства покрытий и проводить оптимизацию' технологических 'режимов обработки. ■ .

.2.3. Триботехнические свойства сталей

после ЭТИ-упрочнения и легирования

. В данном разделе рассматриваются механизмы и кинетика процессов изнашивания ЗГИ-упрочненных и ЭГИ-легированных- сталей, ■имеющих различную структуру трибогехнических слоев. . '

Фрактографичес.кие и рентгенографические исследования при трении скольжения показали, что в общем случае возможна реализация следующих механизмов поверхностной повреждаемости: усталостного разрушения и адгезии,, а также изнашивания, за счет разрушения трибохимичес-ких пленок. ...

Для ЭГМ-упрочненных в энергетической области "термических" разрядов слоев, когда формируются упорядоченные субструктуры с относительно низкими уровнями плотности дислокаций и мйкроискажений, на

контактирующих поверхностях при трении сначала развивается усталостная повреждаемость. Фрикционные площадки на контактной поверхности содержат микротрещины характерного многоциклового разрушения. Ужесточение режимов трения для одних и тех же по структуре "белых" слоев активирует адгезионные процессы.

1 2 Уск, м/с 3

контртело-сталь 40ХСН2МА

•т---"белые" слои с упорядоченной субструктурой

(зона "термичесих1' разрядов)^

- "белые" Лгои с неупорядоченной субструктурой

(зона "силовых" разрядов);

Рис. 3. Карта механизмов изнашивания

•Для режимов ЭГИ-упрочнения в области "силовых" разрядов, когда усиливаются'.аффекты дробления и разупорядочения субструктуры, эффекты адгезии при трении заметно нивелируются. Однако, характер перехода механизмов от усталостного к адгезионному сохраняется. При повышении контактной нагрувки для обоих типов субструктур, наблюдается формирование на труидохся поверхностях трйботехнических пленок, и в •тем большей степени, чем жестче условия трения.

Анализ полученных . данных по взаимообусловленности амплитуд акустической эмиссии При трений скольжения и топографии соответствующих поверхностей позволил разработать кар^у механизмов изнашивания .различных по структуре ЭГИ-упрочненных слоев (рис. 3). При этом за ■критическую была принятд амплитуда эмиссии ^400 мВ.

' Усталостный механизм лове-хностной повреждаемости "белых" слоев наблюдается 'в диапазоне контактных давлений бк До 3... 4 МПа и .• ски-

ростей скольжения \ск до 2,5 м/с для обоих типов субструктур. Дальнейшее повышение нагрузки обусловливает активирование в зоне трения адгезионных процессов. Положение границ):! на карте, разделяющей адгезионную и усталостную области, зависит.от типа субструктуры поверхностных слоев. Слои с упорядоченной структурой характеризуются большей областью адгезионных механизмов изнашивания. В случае неупорядоченных . структур - граница между диаграммными областями смещается в сторону больших значений "6к-\'ск"-параметров.

• Фрактографические исследования Изношенных ЭГИ-легированных поверхностей показали, что механизмы,их изнашивания предопределяются структурным типом сформированного покрытия. Если на поверхности ста-' лей формируются сплошные покрытия из легирующего материала, то превалирующим механизмом изнашивания будет усталостный, а пуи более "жестких" режимах трения, когда контактные давления превышают 5 МПа, а скорость скольжения составляет ^1,5 ц/с',, возможно совмещение усталостного механизма с трибохимическим разрыхлением. ■ В обоих случаях поверхность имеет фракгографию с характерными микрогрешдаами. Акустическая эмиссия при трении ЭГИ-легированных образцов нестабильна, а амплитуда, как правило, не превышает 100...200 мВ. В случае, когда формируются гетерогенные легированные покрытия, для "жестких" режимов трения характерно развитие процессов адгезионного взаимодействия трущихся поверхностей, что подтверждается возрастанием Интегрального уровня амплитуд акустических сигналов- до 300...500 мВ.

При испытаниях ЭГИ-упрочненных образцов в условиях реверсивного трения обнаружена неоднородность механизмов изнашивания По трущейся поверхности. В реверсных и предреверсных зонах, которым соответствуют релимы резкого разгона и торможения, проявляется превалирующее адгезионное разрушение "белых" слоев. Это подтверждается "кратернй-ми" вырывами на поверхности трения- На участках движения, где скорости относительного перемещения стационарны, ЗГИ-упрочненный сдой изнашивается по адгезионному и усталостному- механизму с некоторым преобладанием последнего.

Показано, что в общем виде математическая аппроксимация кинетических процессов в'зоне реверса может быть отражена зависимостью вида: ' . _ ' :

. Д1рЗ - ПЧ? • ЫрЧ'. . (4) "' •

где Д1рз - линевдыи износ в реверснои'зоне,.- % - число циклов-воздействия; шй и пк - параметрические -коэффициенты, отражающие ;тип структ-ры слоя. . •

Проведенный анализ параметрических коэффициентов показал,- чтя максимальная ' износостойкость наблюдается в зоне реверса у ЭПЬлегированных слабогетерогенных покрытий- "Белые" слой-показываю? более

¡иэкую износостойкость по сравнению с легированными покрытиями, что [аиболее Выражено при повышенных нагрузках.

Сопоставительный анализ' кинетических зависимостей изнашивания дя упрочненных сталей- У10Á и Х12Ш? позволил рекомендовать в качестве рациональных два режймр ЗГИ-обработки й' "силовой" области разря-,ов: для "жестких" режимов изнашивания мощность воздействия Nb*-50 Вт и для более "мягких" режимов трения упрочнение при Nb~200 МВт. роцесс легирования "осуществляли на режимах,•'соответствующих техно-огической области "термических" разрядов,

С использованием разработанных на кафедре металловедения Тул-остехуниверситета физических моделей изнашиваний'.высокопрочных' ге-ерогён'ных материалов, полученных 'экспериментальных результатов по нутреНним макронапр'яжениям Я поверхностных слоях, а также рассчи-анных согласно уравнению (3) характеристик структурной гетероген-ости была.оценена .Износостойкость хромовых и молибденовых покрытий а сталях.' Полученные. рэЗулът&ш показали-достаточно хорошую, сходность (в пределах до 50£) с экспериментальными кинетическими реали-ациями, Это' позволило, сделать вывод о возможности модельных оценок риботехцических свойств ' ЭГИ-покр'ытий на основе сведений об их трукТурной гетерогенности. .

'2.4. Производственные испытания штампового инструмента упрочненного ЭГИгтехнологиями

■ С целью проверки выданных,рекомендаций по повышению долговеч-зсти инструмента для холодной'штамповки были проведены ресурсные зпытания ряда деталей инструмёнтально-шгампового производства, ' зк-тлуатационная стойкость которых определяется иацосостойкостью рабо-1Х кромок. Выбор. ШИ для ЭГИ-оСработки осуществлялся исходя Из. необ-здимости уменьшения степени адгезионного изнааивания контактирующих абочих кромок инструмента и обрабатываемого материала.

" Исходя из условий эксплуатации деталей., .испытывающих малые тех-5логическиё нагру.зки, признано целесообразным применение ЙГИ-упроч-?ния. Это предопределяет необходимость формирования■ субструктуры юя с минимальным, энергосодержанием (максимальный ''усталостный" ре-'рс). Достигается: это при'ЗГИ-обработке на "силовых" режимах и tta-шетре 1« - Юмм.. Однако, малые размеры, рабочих кромок деталей зат-'дияют "прицеливание" электроД'а-анода, что может-привести-к eumeno качества слоя. Этого можно избежать только ограничением 1(<-пара-?тра-до минимального значения 5 мм. Условия эксплуатации. ШИ, испы-шающего более высокие технологические нагрузки, Определяют в ка-¡стве метода его 'упрочнения ЭГИ-легирование. Для проведения ЭГИ-ле-

гирования необходимо было электроискровым методом сформировать предварительный слой толщине,'; Емм легирующего материала в виде дорожки шириной около 1,5...2 мм.

После ЭГИУ обработанную поверхность подвергали шлифовке с целью удаления застывших капель расплава и уменьшения шероховатости и волнистости поверхности..

Комплекс производственных испытаний подтвердил эффективность использования ЗГИ-обработки для4упрочнения и легирования холодно-высадочных штампов. Износостойкость ИМ, который работает при усилиях штамповки до 2000 МПа, повышается в 3...5 раз. Линейный износ рабочих кромок партии упрочненных деталей Ш за требуемый ресурс (количество штамповок до полного изнашивания) составил 10...30% от критического уровня износа. Максимальная'износостойкость при нагрузках до 2000 МПа связана с высоким сопротивлением "белых" слоев адгезии при трс-нии скольжения. Однако, при повышенных нагрузках от 2500 до 3000 МПа, когда ЭГИ-слои изнашиваются более" интенсивно, выигрыш'в ресурсе незначителен и составляет от 10% до 202 и в этом случае эффективным является поверхностное легирование. На основании результатов испытаний отмечается также удовлетворительная коррозионная стойкость упрочненных и легированных инструментальных сталей.

3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия' канала подводного электрического разряда с обрабатываемой стальной поверхностью и определены две энергетические технологические области, в котсрых превалируют соответственно силовой и термический факторы воздействия на материал.

2. На основании представленной модели получены численные значения основных факторов канала в каждой из энергетических областей,. а также оценены критерии термического и силового упрочнения поверхности.

3. При ЭГИ-упрочнении высокоуглеродистых сталей формируются "белые'-1 слои с двумя типами структур: в области "силовых" разрядов при мощностях воздействия до 100 МВт - неупорядоченные структуры с хаотичными дислокационными нагромождениями в форме так называемого "леса"; в области "термических" разрядов при мощностях воздействия 100...250 МВт - упорядоченные структуры с полигональными дислокационный. . построениями. На основании анализа характеристик субструктуры обоих типов "белых" слоев получен критерий, нормируемый относительным физическим уширением рентгеновской линии.

4. В энергетической области при мощностях воздействия злектри-

ческого подводного разряда до 100 МВт толщина "белого" слоя возрастает со скоростью не более 7-10'2 мкм/МВт, в то время как в зоне мощностей воздействия разрядов от 100 до 2Б0 МВт скорость нарастания слой достигает . .-Б)• Ю-1 мкм/МВт.. Микротвердость на поверхности выие при обработке в "силовой" энергетической. области и достигает значения 12000 МПа И, наоборот, уменьшается до 8000...9000 МПа для "белых" слоев, получаемых в "термической" области разрядов.

■ 5. Критерием усталостной И адгезионной прочности является обобщенный параметр > построенный на дислокационных моделях формир ^ания т.риботкхнического слоя. -Определены Количественные соотношения между методической характеристикой - относительным физическим уширением рентгеновских лйний Зги/ЗНо и мопдаостЬю воздействия канала для различных типов дислокационных' построений в трйботехническш слое.

' &: Упрочнение сталей в '!силовой" области разрядов,' создающее триботехнические слои с неупорядоченными дислокационными структурами, в наибольшей степени нивелирует адгезионные взаимодействия. Получено количественное соотношение между амплитудой акустической эмиссии,, нормирующей адгезионные свойства, и относительным физическим уширением рентгеновских линий, . характеризующим тип дислокационных построений.

■ 7, При легировании хромом и молибденом на поверхности формируются различные по структуре покрытия с высокой до 13000 МПа микротвердостью. Для' области "силовых" разрядов характерны тонкие покрытия, в то же время большие мощности воздействия на поверхность обусловливают образование относительно толстых двухслойны;, покрытий, 1 внутренняя зона которых отличается значительной структурной гетерогенностью. ■ Получены регрессионные уравнения, определяющие характеристики гетерогенности слоев в зависимости от технологических режимов ЭТИ-легирования.

8. Определены и построенные карты для адгезионного-и усталостного. видов изнашивания "белых" слоев с различными типами субструктур. В'зависимости от скеростей скольжения и контактных нагрузок при трении установлены зоны триботехиической повреждаемости слоев с различными дислокационными построениями.

Механизм усталостной ■ повреждаемости для "белых" слоев с неупорядоченной, субструктурой реализуется в диапазоне контактных нагрузок до 3...4 МПа и скоростей скольжения до ^2.5 м/с. Формирование упорядоченных субструктур сужает зону- Усталостных механизмов на карте иэ-нашигания.' ' •' '" ' '."

Определены основные принципы 'структурной триботехиической ста- -билизации 'сталей и вданы рекомендации по рациональной .эксплуатации 5ГМ-упрочненного шгашогюго инструмента. .

9.'Установлены основные кинетические закономерности и получены эмпирические уравнения для скорости изнашивания различных по дислокационной структуре "Белых" слоев и легированных покрытий и определены их параметры для случаев одностороннего трения без смазочно-ох-лаждающей жидкости.

10. На основании комплекса проведенных производственных испытаний упрочненного и легированного хромом и молибденом холодно-выездного штампового инструмента показано, что наибольший эффект от использования ЗГЙ-технологии проявляется в том случае,, если инструмент эксплуатируется при удельных нагрузках не более 2000 МПа. Стойкость в этом случае повышается до 3...Б .раз. Детали инструМентально-штам-пового производства, испытывающее технологические нагрузки 2.500.. . ЗООО МПа, обнаружили увеличение ресурса работы тальку до 20%.

Внедрение в серийное производство' оптимальных вариантов ЭГИ-уп-рочнения и ЗГИ-легирования деталей кнетрументально-штаыпового производства позволило повысить износостойкость . штампового инструмента, снизить потребность в нестандартной штамповой оснастке, а также в покупном штамповом инструменте. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы .составил по ценам 1991 года на ГО "Заря" (г.Николаев) 74,6 тыс. рублей, в АО "Киреевский 'ЗЛМК" (г.Кире-евск)' 772 тыс. рублей и на машиностроительном заводе "Штамп" им. Б.Л.Ванникова (г.Гула) 380,5 ты. рублей.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Баранов В.В., Беляев В.Б., Власов В.М. Субструктура и адгезионные свойства стали 38ХНЭШ>А после электрогидроимпульсной обработки // Физико-химическая механика материалов, - 1982, N 6 -С. 70-73.

2. Власов В.М., Мельниченко Н.В., Беляев В.Б. Триботехническш анализ структур стали УЮА после электрогидроимпульсного упрочненш // Трение и износ. - 1993, N 5 - С. 123-126.

3. A.c. 1664012 СССР, МКИ G01N3/B6/ - 1991, Баранов В.В., Беляев В.В., Власов В.М., Поздеев В.А. - 4 с.: ил.

■4. Баранов В.В., Беляев В.Б., Еелобрагина Т.А. Структурообразо вание при поверхностном модифицировании конструкционных сталей с помощью высоковольтных электрических разрядов в жидкости// Тез. . -докл межрег. науч.-техн. конф.: Новые материалы и ресурсосберегающие тех нологии термической и химико-термической обработки деталей машин. : инструмента. - Пенза, 1090, - с.-50-61.

5. Беляев В.Б., Баранов В.В. Электрогидроимпульс.ное легировани деталей технологической оснастки // Тез.. дога. Всесоюзн. науч.-тех-н

энф.: Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и имико^термической обработки в машиностроёнии и металлургии. - Ново-узнецк, 1991. - С. 49-50.

6. Баранов В. В., Беляев В.В., Нечаев Ji.M., Власов В.М. Эаконо-ерности формирования структуры после воздействия плазмы высоковольного подводного электроразряда // Тез.докл. межресп. науч.-техн. онф.: Повышение качества изготовления деталей машин методами отде-очно'-упрочняющей обработки. -Пенза, 1991. - С. Б.

7. Варанов В.В., Беляев В.Б., Нечаев Л.М., Власов В.М. Влияние лектрогидроИмпульсного легирования на структуру инструментальных талей после импульсного воздействия // Тез.докл. Y Всесоюзн. на-ч.-техн. конф-j Электрический разряд в жидкости и его применение в ромышленности. - Николаев, 1992. - С. 145.

8. Баранов В.В., Беляев В.В. Устройство для исследования напаивания твердых тел // Науч.-техн. сборник N 6. - Тула.: ТВАИУ, 989; С. 36-3?.

9. Баранов В.В., Беляев В.Б. Об исследовании разрушения упроченных поверхностей при трении с помощью метода акустической эмиссии / Науч.-техн.' сборник N 7. - Тула.: ТВАИУ, 1990. С. 67-69.

10. Беляев В.Б. Структурообразование поверхностных.слоев при онтактном электрогидроимпульсном упрочнении высокотвердыми соедине-иями // Науч.-техн. сб. N 8. - Тула.: ТВАИУ, 1091. С. 71-73.

подписано к печати 21.(13.94. формат бумаги 60г64 I/I6. Бумага типогр. )i 2.0фое.т.печ. Усл.печ.л.1,1.Уч.-изд.л.1,0. Гирак 100 экз. Заказ й 236.

пэдапо в Тульском государственной технической университете. Тула,ул.Болдивд,151, Отпечатано на ротапринте в ТулГТУ.