Analysis of microstructure of surface layer of a hole while deforming drawing in lubricants

Abstract

The influence of applied lubricants on formation of a surface layer microstructure while deforming drawing for various materials and technological parameters is considered in this article.

Full Text

Формирование микроструктуры поверхностного слоя, как показали исследования авторов [Кузнецов А.М., Кузнецов В.А., Проскуряков Ю.Г., Розенберг А.М., Розенберг О.А. и др.], оказывают существенное влияние на эксплуатационные качества (износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость и др.). Исследование влияния основных технологических параметров (натяга, толщины стенки, обрабатываемого материала, исходной шероховатости поверхности) на микроструктуру поверхностного слоя изучалось для различных условий обработки на образцах из стали 20, 45, 40Х, 12ХН3А с различными толщинами стенок, величинами суммарного натяга и натяга на деформирующий элемент одноэлементным инструментом как одно, так и многоцикловой обработкой с применением сульфофрезола или металло-плакирующей смазки (МПС.) В процессе обработки поверхностный слой обрабатываемой детали подвергается неоднородной пластической деформации, которая уменьшается по глубине заготовки. Пластическая деформация сопровождается определенными структурными изменениями в поверхностном слое обрабатываемого материала, а в некоторых случаях происходит дробление зерен на фрагменты и блоки с образованием мозаичной структуры, и они ориентируются в направлении деформации, образуя при определенных условиях текстуру. Текстура по анизотропии приближается к монокристаллам, из-за чего может выдерживать значительные статические и циклические нагрузки, но при этом весьма чувствительно к напряжениям сдвига [1, 2 и др.]. В поверхностном слое при пластической деформации увеличиваются все характеристики сопротивления деформирования, снижается пластичность, повышаются твердость и хрупкость. Процесс деформирующего протягивания является высокопроизводительным процессом механической обработки, позволяющим получать заданные физико-механические свойства деталей в широком диапазоне с учетом условий эксплуатации. Например, зная схему нагружения деталей в процессе эксплуатации можно создать такой текстурированный слой, который обеспечивает максимальную износостойкость детали в процессе эксплуатации. При деформирующем протягивании немалую роль играет и применяемая смазка, так как при обработке в зоне контакта возникают большие силы трения скольжения. Поэтому правильный выбор смазки уменьшает силы трения, адгезионное схватывание металла инструмента и заготовки, облегчает упругое и пластическое деформирование обрабатываемого металла. В данном эксперименте использовались МПС и для сравнения традиционная смазка - сульфофрезол. В процессе обработки МПС образует неразрывную, металлоплакирующую, самовосстанавливающуюся, экранирующую пленку, частично воспринимающую на себя сдвиговые деформации, что облегчает условия упругой и пластической деформации металла в радиальном направлении. Из анализа микроструктуры поверхностных слоев металла в отверстиях втулок из ст.45, обработанных с натягами а = 0,2; 0,4; 0,8 мм видно, что протягивание с натягом а = 0,2 мм приводит почти к полному сглаживанию микронеровностей. Однако при а = 0,2 мм в обеих условиях смазки заметных изменений структуры не происходит. При обработке с натягом а=0,4 и 0,8 мм изменения структуры поверхностного слоя обнаруживаеются при протягивании с сульфофрезолом (граничное трение), которое выражается в незначительном изменении зерен и их наклоне в направлении движения инструмента. При обработке с МПС существенных изменений не происходит, что объясняется меньшим коэффициентом трения у МПС и меньшими сдвиговыми деформациями. Из этих же фотографий видно, что с увеличением натяга степень деформированности зерен, а также глубина измененного структурного слоя увеличивается для обоих условий смазки, только для МПС менее интенсивно. Изменение зерен на более мелкие фрагменты практически неощутимо. Протягивание с натягом а = 0,4 ¸ 0,8 мм не приводит к полному сглаживанию оставшихся после предварительной обработки гребешков микронеровностей ,что подтверждает наличие остаточных упруго-пластических деформаций. Характер изменения микроструктуры в зависимости от суммарного натяга и количества циклов обработки примерно тот же, что и при одноэлементной обработке. Из анализа фотографий микроструктуры поверхностных слоев металла в отверстиях втулок из ст. 45, обработанных с суммарным натягом åа = 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 мм и соответственно количестве циклов обработки n =2, 3, 4, 5, 9 деформирующих элементов. При этом глубина измененного структурного слоя при равенстве степени деформации тем больше, чем меньше натяг на деформирующий элемент и больше количество циклов обработки. Данный вывод одинаков как для обработки с сульфофрезолом, так и с МПС. При многоцикловой обработке характер изменения микроструктуры для обоих условий смазки примерно одинаков, так при увеличении числа циклов обработки зерна, расположенные в поверхностном слое металла, начинают измельчаться, а затем с увеличением числа циклов обработки и суммарного натяга появляется их наклон в сторону движения инструмента. При обработке в среде сульфофрезола на n = 3 проходе и åа = 0,5 мм обнаруживается незначительное измельчение зерен, на n = 5 проходе и åа = 0,6 мм появляются первые признаки текстурирования – наклон зерен и при n = 6 и åа =0,7 мм на поверхности появляется шелушение (перенаклеп). При обработке в среде МПС процесс текстурирования идет менее интенсивно, так лишь на n = 5 проходе и åа = 0,5 мм обнаруживается измельчение зерен, на n = 7 и åа = 0,75 мм наклон зерен становится более четким, и на n = 9 и åа = 0,8 мм начинается шелушение. Следует также отметить, что при равенстве числа циклов деформаций степень изменения микроструктуры поверхностных слоев и глубины залегания этих изменений будет больше при большем натяге на деформирующий элемент, а следовательно, большем суммарном натяге. Причиной увеличения степени структурных изменений является трение деформирующих элементов об обрабатываемую поверхность, и чем большему числу циклов деформаций и трения подвергается обрабатываемая поверхность, тем больше вытягиваются зерна поверхностного слоя в сторону действия силы трения. Таким образом, в процессе пластической деформации, происходящей при протягивании отверстия деформирующими протяжками, поверхностные слои металла претерпевают структурные изменения, выражающиеся в образовании текстуры, а в некоторых случаях и в дроблении зерен. Упрочненный поверхностный слой имеет повышенную твердость по сравнению с твердостью сердцевины. Наиболее существенные влияния на структурные изменения и упрочнения оказывают натяг на деформирующий элемент, толщина стенки и исходная твердость обрабатываемого материала. Выводы При обработке с МПС в режиме избирательного переноса изменения микроструктуры поверхностных слоев металла происходят менее интенсивно, чем при обработке с сульфофрезолом и выражаются в некоторых случаях лишь в дроблении зерен. Следовательно, образование текстуры в поверхностных слоях связано с деформациями сдвига (а при обработке с МПС они меньше), предопределяемыми характером трения, а дробление зерен – деформацией растяжения (утонения) стенки заготовки, обусловливаемой величиной натяга деформирующего протягивания.