Спосіб поверхневого зміцнення металевих виробів

Спосіб поверхневого зміцнення металевих виробів, який містить поверхневе пластичне деформування - віброобробкою, який відрізняється тим, що перед поверхневим пластичним деформуванням - віброобробкою - вводять процес наводнювання в інгібувальному кислотному середовищі. (19) (21) u200804856 (22) 15.04.2008 (24) 10.10.2008 (46) 10.10.2008, Бюл.№ 19, 2008 р. (72) БЕРЕЖНИЦЬКА МАРІЯ ПИЛИПІВНА, U A, БАЛИЦЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ, UA (73) ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМ. Г.В. КАРПЕНКА НАН УКРАЇНИ, U A 3 35857 - віброобробкою, згідно корисної моделі перед поверхневим пластичним деформуванням - віброобробкою вводять процес наводнювання в інгібувальному кислотному середовищі. Суть корисної моделі полягає у покращенні якості поверхневих шарів металевих виробів шляхом попереднього наводнювання у інгібувальному кислотному середовищі і подальшого пластичного деформування поверхні - віброобробкою. Для цього деталі поміщають на 30 хв. у шести нормальний водний розчин сірчаної кислоти з додатком 1,5г/л інгібітора ХОСП-10 [3], а потім здійснюють віброобробку (способом-прототипом). Наводнювання поверхневого шару сприяє процесу пластичного деформування в результаті пониження поверхневої енергії за рахунок адсорбції водню [4]. Тому наводнений метал наклепується краще. При одних і тих же режимах віброобробки покращується якість поверхневого шару збільшується товщина наклепу до 200мкм і він є рівномірніший по довжині зразка з максимумом біля поверхні залишкових напружень стиску, а поверхня має відполірований вигляд (без мікротріщинок). Опір контактній втомі таких виробів підвищується 1,5-2 рази. Не дивлячись на відомість процесів - наводнювання у інгібувальному кислотному середовищі та віброобробки сталі, сумісне їх використання - прийом невідомий ні із аналога, ні із прототипу, дає додатній ефект, обумовлений підвищенням якості поверхневого шару деталі та роботоздатності деталей і згідно цього відповідає критерію „суттєві відмінності”. Корисна модель пояснюється Фіг.1, 2. На Фіг.1a - схема перерізу поверхневого шару виробу після відомого способу обробки. На Фіг.1б - схема перерізу поверхневого шару після пропонованого способу обробки. 1 - зміцнений шар; 2 - основний метал. На Фіг.2 приведені епюри залишкових макронапружень у поверхневих шарах зразків із сталей 40ХН (1,2,3), 40 (4) гартованих та низьковідпущених (HRC 49...51 і 48...50 відповідно) і 20ХНЗА (5) гартованої та високо-відпущеної (HRC 29) після: шліфування (1), відомого (2) та запропонованого способів поверхневого зміцнення (3, 4, 5). Приклад 1 Проводили поверхневе зміцнювання зразків діаметром 10 та 20мм, довжиною 70 та 150мм із сталей 40 та 40ХН (гартованих та низько відпуще 4 них) такими обробками: віброобробкою (відомим способом) та наводнюванням + віброобробкою (запропонованим способом). Всі зразки перед зміцнюванням шліфували. Частину зразків піддавали віброобробці, яку здійснювали у віброустановці з камерою об'ємом 3дм 2 твердосплавними кульками діаметром 8...10мм при безперервній подачі рідини - 3%-го розчину кальцінованої соди. Частота коливань контейнера 46,6Гц, амплітуда коливань 2,0мм. Час обробки 60хв. Др угу частин у зразків піддавали обробці запропонованим способом. Для цього їх попередньо на 30хв. поміщали у 6н. водний розчин сірчаної кислоти з додатком інгібітора 1,5г/л ХОСП-10 (цей інгібітор приведений у [3] є ефективним інгібітором наводнювання і найефективнішим по захисту від корозії), а потім піддавали на 60хв. віброобробці за приведеним вище режимом. На зміцнених зразках досліджували чистоту поверхні (шершавість), товщин у зміцненого шару, розподіл залишкових напружень, контактну довговічність. Порівняльна оцінка показників запропонованого та відомого способів приведена в таблиці. Наводнювання зразків перед пластичним деформуванням поверхні привело до наклепування металу на більшу глибину, ніж за відомим способом (без наводнювання). Товщина зміцненого шару збільшилась у 2 рази. Внаслідок кращого наклепування поверхні зразків зменшилась шершавість. Якщо після віброобробки зразків без наводнювання шершавість була R a =0,63мкм, то з попереднім наводнюванням - 0,28мкм. Поверхня виробу стала ніби відполірованою без мікротріщинок. Пропонований спосіб зміцнювання покращив епюру стискальних залишкових напружень. Напруження збільшились як по величині, так і по глибині залягання, а їх максимум виник біля поверхні (Фіг.2, епюри 2, 3, 4). Залишкові напруження визначали на зразках діаметром 20мм і довжиною 150мм за методикою [5]. Контактна довговічність зміцнених зразків зросла у 1,5 рази. Випробування на контактну втому здійснювали на установці з електронним автоматичним вимикачем для фіксації контактно-втомного викришування. Зразок діаметром 10мм обкатувався між двома навантажувальними дисками діаметром 150мм з притиском 2,0ГПа. В зону контакту дисків та зразка подавали оливу „Індустріальна И-30А”. Таблиця № № пп 1. 2. 3. 4. 5. 6. Матеріал Спосіб обробки Сталь 40 HRC (48...50). Віброобробка (в ідомий спосіб) Сталь 40Х (HRC 49...51). Віброобробка (в ідомий спосіб) Нав однюв ання+в іброобробка (запропонов аний спосіб) Нав однюв ання+в іброобробка (запропонов аний спосіб) Сталь 20ХН3А (HRC 29). Віброобробка (в ідомий спосіб) Нав однюв ання+в іброобробка (запропонов аний спосіб) Шершав ість, мкм Тов щина зміцненого шару, мкм Залишков і напруження біля пов ерхні s Z, МПа Котактна дов гов ічність, 106 циклів 0,63 90 -8,0 5,83 0,28 0,63 0,28 220 75 190 -580 -40 -660 9,14 6,15 9,45 0,32 0,28 115 270 -32 -1005 5 5 35857 Приклад 2 Проводили поверхневе зміцнювання зразків із сталі 20ХНЗА гартованої та високовідпущеної (HRC29) відомим та запропонованим способами. Режими обробки такі ж, що й у попередньому прикладі. Товщина наклепу після віброобробки становила 115мкм, після віброобробки з попереднім наводнюванням - 270мкм. Попереднє наводнювання сталі 20ХНЗА перед віброобробкою суттєво покращало залишковий напружений стан. Якщо залишкові напруження стиску біля поверхні після відомого способу обробки становили 32МПа, то після запропонованого 1005МПа, а глибина їх залягання збільшилась у 2,5 рази. Зміцнені зразки з таким напруженим станом мають найбільшу контактну довговічність. Вона зросла у 2 рази. Таким чином, пропонований спосіб поверхневого зміцнення має суттєві переваги у порівнянні з відомим. По-перше, можна отримати більшу товщину зміцненого шару; по-друге, покращити якість зміцненого шару-утворенням стискальних залишкових напружень з максимумом біля поверхні та більшої величини і зони залягання, зменшенням шершавості поверхні без мікротріщинок та підвищенням опору контактній втомі; по-третє, можна підвищити продуктивність праці за рахунок скорочення технологічного процесу - шліфування, поскільки запропонований спосіб поверхневого зміцнення дає високу чистоту поверхні і не потребує фінішної операції; по-четверте, розширити об Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко 6 ласть застосування зміцнених виробів, де виникає потреба після зміцнення проводити полірування чи шліфування для підгонки особливо точних та відповідальних деталей. Джерела інформації: 1. Вплив методів та режимів поверхневих абразивної обробки на корозійно-електрохімічну поведінку та довговічність сталі Ст.3/О.С.Калахан, М.М.Студент, М.П.Бережницька та інші // Проблеми корозії та проти корозійного захисту матеріалів: В 2-х т. Спецвипуск журналу „Фізико-хімічна механіка матеріалів". - №5. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка ПАН України, 2006. - Т.1. - С.164-171. 2. Бережницкая М.Ф., Грицишин П.М. Формирование остаточных напряжений в поверхностных слоях комплексной обработкой // Физ.-хим. механика материалов. - 1989. - №1. - С.104-105. 3. Свист Е.И. Влияние уровня напряжений на водородную проницаемость стали в условиях ингибированной сернокислотной коррозии // Физ.хим. механика материалов. - 1977. - №1. - С.34-37. 4. Литвин А.К., Ткачев В.И. Явление облегчения деформирования и разрушения металла в присутствии водорода // Физ.-хим. механика материалов. - 1976. - №2. - С.27-34. 5. Бережницька М.П. Визначення залишкових макронапружень у призматичних та циліндричних стержнях // Праці наук. товариства імені Т.Шевченка. - Львів, 2003. - С.10-15. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601