Технологічне забезпечення якості та експлуатаційних властивостей виробів параметрами імпульсної фрикційної обробки

При фрикційному зміцненні сталей залежність шорсткості зміцненої поверхні від параметрів зміцнення аналогічна як і при зміцненні чавуну.

Фрикційне зміцнення використовується як фінішна операція і тому точності виготовлення поверхонь приділяється особлива увага. У зоні контакту проходить так звана усадка металу за рахунок оплавлення і виносу металу із зони фрикційного контакту та знімання нерівностей поверхні, отриманих на попередній операції. На величину усадки металу суттєво впливають температурно-силові параметри, які виникають у зоні контакту та фізико-механічні властивості зміцнюваних деталей. Зі збільшенням t усадка металу монотонно зростає. При збільшенні t > 0, 5 мм величина усадки металу починає різко зростати і погіршується шорсткість обробленої поверхні, товщина зміцненого шару зростає незначно. При збільшенні S навпаки – усадка металу зменшується. При зміцненні попередньо шліфованих деталей попередня термічна обробка практично не впливає на величину усадки металу. Зі збільшенням параметра шорсткості усадка металу зростає. Чим твердіший і чим більші пружні властивості вихідного металу, який зміцнюється, тим менше режими зміцнення впливають на величину усадки металу. При зміцненні сталевих загартованих і низьковідпущених зразків усадка металу не перевищувала 0, 03 мм, а нормалізованих – не більше 0, 05 мм.

У четвертому розділі представлені експериментальні результати впливу параметрів фрикційного зміцнення на формування зміцненого шару та його мікротвердості, перерозподіл хімічних елементів, залишкові напруження та фазовий стан.

При фрикційному зміцненні висококонцентрований потік енергії створюється за рахунок тертя зміцнювального інструмента по оброблюваній деталі. При цьому відбувається одночасне швидкісне зсувне деформування. Швидкість нагріву досягає 105-106 К/с. За короткий час поверхневі шари металу нагріваються до температур вище точки фазових перетворень (Ас3). Так як товщина нагрітого шару невелика, то його охолодження відбувається з великими швидкостями за рахунок відводу тепла вглибину металу. Таке охолодження приблизно у 103 рази вище, ніж при звичайному гартуванні. У результаті такого охолодження фіксується стан, при якому із твердого розчину ще не встигають виділитися окремі фази або це виділення не встигло повністю завершитися. Вміст вуглецю в мартенситі значно більший концентрації, яка відповідає точці мартенситного перетворення. У поверхневому шарі формується специфічний структурно-напружений стан металу – білий шар, структурою якого є високодисперсний мартенсит, залишковий аустеніт і дуже дисперсні карбіди.

Найбільший вплив на процеси формування білого шару при фрикційному зміцненні відіграє технологічне середовище. При застосуванні МХО-64а макромолекули та частинки полімеру, які входять у її склад, попадаючи в зону зміцнення, деструктурують по головних зв’язках і утворюють вільні радикали. Фрагменти розірваних макромолекул утворюють на ювенільних поверхнях зміцненого металу хімічні зв’язки. Особливістю деструкції полімерів є те, що при високих температурах проходить ланцюгова деполімеризація привитих фрагментів полімерів і утворюється сітка ненасичених вуглецевих зв’язків та атомарний вуглець. Вуглець, який виділився при цьому, дифундує у поверхневі шари деталі й утворює хімічні з’єднання. Крім цього, при деполімеризації полімеру виділяється активний водень. Проходить розкладання технологічного середовища на іони вуглецю, водню, кисню, азоту, хлору та інших хімічних елементів, адсорбція їх на ювенільних поверхнях оброблюваної деталі та масоперенос у поверхневий шар металу. При цьому вони послаблюють міжатомну взаємодію, внаслідок зміни електронної структури металу, зменшують модуль пружності, тим самим полегшують протікання пластичної деформації. Відбувається пластифікування поверхневого шару, посилюються зсувні процеси, захоплюються великі об’єми металу. Те, що збільшення зсувної деформації, при інших рівних умовах, приводить до збільшення товщини зміцненого шару й пониження тангенціальної складової сили зміцнення Рz, яка затрачається, власне, на тертя, показали досліди із застосуванням зміцнюваного інструмента-диска з нарізаними поперечними пазами на робочій поверхні. При вході в контакт країв паза у поверхневому шарі оброблюваної деталі виникають ударні зсувні деформації.

При фрикційному зміцненні наводнених зразків із загартованої і низьковідпущеної (ГНВ) сталі У8А товщина білого шару суттєво зростає й складає  = 290-320 мкм. При зміцненні на таких самих режимах звичайних, не наводнених зразків товщина зміцненого шару складала лише  = 200-220 мкм (рис. 6). Зросла також і мікротвердість. Так, мікротвердість білого шару отриманого на наводнених зразках становила Н = 10, 3 ГПа проти Н = 9, 7 ГПа, отриманої при зміцненні звичайних, не наводнених зразків.

Водень, який знаходиться у поверхневому шарі металу, сприяє утворенню якісного, суцільного білого шару більшої товщини та твердості у порівнянні зі фрикційним зміцненням звичайних, не наводнених зразків. Тому, для покращання ефективності фрикційного зміцнення, досягнення зміцненого шару більшої товщини та твердості варто використовувати технологічні середовища, які в процесі роботи можуть розкладатися й виділяти активний водень.

Мікротвердість білого шару, отриманого на сірому чавуні СЧ 20 після фрикційного зміцнення з використанням мінерального мастила найменша. Використання МХО-64а збільшує не тільки товщину зміцненого шару, але і його мікротвердість до Н = 9, 1 ГПа. При фрикційному зміцненні інструментом-диском із нарізаними поперечними значення мікротвердості білого шару і його товщини досягають найбільших значень.

Товщина білого шару, отриманого при фрикційному зміцненні сталі 45 із застосуванням як технологічне середовище мінерального мастила складає  = 130-140 мкм, а із застосуванням МХО-64а – збільшується до  = 200-220 мкм, мікротвердість білого шару також вища у порівнянні із застосуванням мінерального мастила і складає H