ELEKTROLANKINIU BŪDU APVIRINTŲ PAVIRŠIŲ ATSPARUMO DILIMUI Į ĮTVIRTINTĄ ABRAZYVĄ TYRIMAS

Transkriptas

1 ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS Mechanikos katedra Remigijus Skirkus ELEKTROLANKINIU BŪDU APVIRINTŲ PAVIRŠIŲ ATSPARUMO DILIMUI Į ĮTVIRTINTĄ ABRAZYVĄ TYRIMAS Magistrantūros studijų baigiamasis darbas Studijų sritis Studijų kryptis Studijų programa Technologijos mokslai Mechanikos inžinerija Žemės ūkio mechanikos inžinerija Akademija, 2012

2 Baigiamųjų darbų egzaminų vertinimo komisija: (Patvirtinta Rektoriaus įsakymu Nr. 120 Kb) Pirmininkas: Prof. habil.. dr. Bronius Kavolėlis, Europos žemės ūkio inžinierių draugijos narys Nariai: 1. Doc. dr. Rolandas Domeika, Aleksandro Stulginskio universitetas 2. Prof. dr. Gvidonas Labeckas, Aleksandro Stulginskio universitetas 3. Inž. Gintas Saulius Cironka, Lietuvos žemės ūkio konsultavimo tarnyba 4. Inž. Juozas Kalinauskas, AB Lytagra Mokslinis vadovas prof. dr. Vytenis JANKAUSKAS, Aleksandro Stulginskio universitetas Recenzentas doc. dr. Eglė JOTAUTIENĖ, Aleksandro Stulginskio universitetas Katedros vedėjas doc. dr. Eglė JOTAUTIENĖ, Aleksandro Stulginskio universitetas Oponentas doc. dr. Alfredas STAŠELIS, Aleksandro Stulginskio universitetas 2

3 ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS MECHANIKOS KATEDRA Magistrantūros studijų baigiamasis darbas Elektrolankiniu būdu apvirintų paviršių atsparumo dilimui į įtvirtintą abrazyvą tyrimas Autorius: Remigijus Skirkus Vadovas: Vytenis Jankauskas Kalba: lietuvių Darbo apimtis 50 p. Lentelių skaičius 5 Paveikslų skaičius 30 Naudota informacijos šaltinių - 39 Priedų skaičius 1 Santrauka Abrazyviniam dilimui tirti skiriama daug dėmesio todėl, kad tai labiausiai paplitusi ir intensyvi dilimo rūšis, nesunkiai prognozuojama, bet labai nuostolinga. Šiame darbe analizuojamas abrazyvinio dilimo procesas, apžvelgiami būdai didinantys mašinų elementų atsparumą dilimui, bei aprašomi laboratoriniai abrazyvinio dilimo tyrimo modeliai. Šio darbo tikslas ištirti chromo, anglies ir boro kiekio įtaką abrazyviniam dilimui. Darbe atlikti abrazyvinio dilimo į įtvirtintą abrazyvą tyrimai bei aptariami gauti rezultatai. Tyrimams naudoti elektrolankiniu būdu apvirinti Fe C Si Cr Ti B sluoksniai su skirtinga chemine sudėtimi: kintamo anglies kiekio ir pastovaus chromo bei kintamo chromo kiekio ir pastovaus anglies kiekio, lydiniai su boru ir be jo. Atliktais tyrimais nustatyta, kad anglies (1,55 2,62%) ir chromo (1,1 18,7%) kiekis įtakos abrazyviniam dilimui neturi. Kietumo padidinimas iki HRC leidžia sumažinti dilimą 2,4 karto, o į plieno turinčio 0,45% anglies sudėtį įvedus 0,5% boro, nudilimą galima sumažinti 27%. Reikšminiai žodžiai: abrazyvinis dilimas, dilimas į įtvirtintą abrazyvą, apvirinti sluoksniai 3

4 ALEKSANDRAS STULGINSKIS UNIVERSITY FACULTY OF AGRICULTURAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MECHANICS MECHANICAL ENGINEERING Master theses Abrasive wear research of arc welded layers into embedded abrasive Author: Remigijus Skirkus Supervisor: Vytenis Jankauskas Language: Lithuanian Pages 50 p. Tables 5 Pictures 30 Sources of literature - 39 Annexes 1 Summary The research of abrasive wear has big focus, because it is widely spread, intensive wear, easy to forecast, but creates high losses. In this work is described abrasive wear process, looking at ways of increasing wear resistance and described the laboratory abrasion test models. The aim of this study is chromium, carbon and boron content influence on abrasive wear. Was performed abrasive wear into embedded abrasive tests and discusses the results obtained. For investigations are used arc welded Fe - C - Si - Cr - Ti - B surfaces with different chemical composition: variable carbon and stable chromium, chromium content variable with fixed carbon content, alloys with and without boron. Studies showed that carbon (1.55 to 2.62%) and chromium (1.1 to 18.7%) do not affect the abrasive wear. Increased hardness to HRC reduces the wear of 2.4 times. Introduction of 0.5% boron in steel what contains 0.45% carbon, abrasive wear can be reduced by 27%. Keywords: abrasive wear, wear into embedded abrasive, arc welded layers. 4

5 TURINYS ĮVADAS INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ Abrazyvinis dilimas Abrazyvinio dilimo samprata Abrazyvinį dilimą įtakojantys veiksniai Atsparumo abrazyviniam dilimui didinimas terminiu apdirbimu Grūdinimas Termomechaninis plienų apdirbimas Plienų atsparumo abrazyviniam dilimui didinimas termocheminiais būdais Plieno cementavimas Plieno azotinimas Plieno nitrocementavimas ir cianavimas Plieno boravimas Plieno chromavimas Atsparumo abrazyviniam dilimui didinimas apvirinimu Abrazyvinio dilimo laboratoriniai tyrimo metodai Mažo kontaktinio slėgio abrazyvinio dilimo modeliniai tyrimo metodai Didelio kontaktinio slėgio abrazyvinio dilimo modeliniai tyrimo metodai Informacijos šaltinių analizė, apibendrinimas TYRIMŲ PROGRAMA Tyrimų tikslas ir uždaviniai TYRIMŲ METODIKA Tyrimų objektas Įrenginiai ir prietaisai TYRIMŲ REZULTATAI IR JŲ APTARIMAS Atsparumo abrazyviniam dilimui vertinimas masių metodu Atsparumo abrazyviniam dilimui ir paviršiaus geometrijos sąveika IŠVADOS INFORMACIJOS ŠALTINIŲ SĄRAŠAS MOKSLINIO DARBO APROBACIJA PRIEDAI priedas

6 SIMBOLIŲ IR SANTRAUKŲ AIŠKINAMASIS ŽODYNAS Simbolis Simbolio paaiškinimas Matavimo vienetai ASTM G65 Standartas aprašantis abrazyvinio dilimo modelį ASTM G Standartas aprašantis abrazyvinio dilimo modelį ε santykinis atsparumas dilimui A1 A5 mėginiai su kintamu chromo kiekiu B1 B5 mėginiai su kintamu anglies kiekiu C1, C2 mėginiai be boro Hardox 400 plieno žymėjimas SPQ parametras apibūdinantis abrazyvinės dalelės geometrinę formą SEM skenuojantis elektroninis mikroskopas F apkrovos jėga N Ra paviršiaus šiurkštumo rodiklis μm Rz paviršiaus šiurkštumo rodiklis μm 6

7 ĮVADAS Trintis ir dilimas pridaro daug nuostolių visoms pramoninėms valstybėms. Pagrindiniai nuostoliai yra medžiagos ir išlaidos personalui, bei iš to išplaukiančios pasekmės. Tyrėjai ir praktikai abrazyviniam dilimui skiria didžiausią vaidmenį, nes tai viena plačiausiai paplitusių dilimo rūšių. Dėl šios dilimo rūšies 50% visų pramonėje įvykusių detalių gedimų yra būtent dėl abrazyvinio dilimo, nors tai viena iš nesunkiausiai prognozuojamų ir nuspėjamų dilimo rūšių. Abrazyvinis dilimas pastebimas visur, kur yra abrazyvinės dalelės. Abrazyvinė aplinka sutinkama kalnakasybos pramonėje, mašinų gamyboje, kelių tiesimo, statybų sektoriuje bei, be jokios abejonės žemės ūkyje. Ši dilimo rūšis ypač aktuali yra žemės ūkyje, nes dirbant technikai vyrauja abrazyvinis dilimas. Labai daug abrazyvų yra žemės ūkio technikos aplinkoje, todėl abrazyvinis dilimas pasireiškia ne tik toms mašinų detalėms, kurios turi tiesioginį kontaktą su dirva, bet ir kitose mašinų trinties porose. Labiausiai dyla tiesioginį kontaktą su dirva turinčios technikos darbinės dalys: kultivatorių noragėliai, plūgų kaltai ir verstuvės, sėjamųjų diskai ir panašiai. Dylant detalėms keičiasi jų matmenys, konstrukciniai parametrai, ko pasekoje pasikeitus technologiniams parametrams, pasikeičia pasipriešinimas traukai, neišlaikomas darbinis gylis. Mašinų detalių matmenims pasiekus ribinę reikšmę detalės turi būti pakeistos naujomis arba restauruotomis [1]. Dirbant intensyvaus abrazyvinio dilimo sąlygomis išlaidos darbo dalims sudaro ženklius dydžius 2 3 Eur/ha [2]. Konstruktoriai, projektuodami mašinas ir jų darbines dalis, turi numatyti mašinos darbinę aplinką ir atitinkamai parinkti medžiagas. Žymus rusų aviacijos konstruktorius Andrejus Tupolev sakė: Kuo toliau nuo konstruktoriaus darbo vietos aptinkamas nepatikimumas, tuo jis brangesnis [3]. Ši taisyklė galioja ir mašinų dylančiom dalims, tik šios sąnaudos perkeliamos mašinų vartotojams. Trinties ir dilimo problemoms spręsti susiformavo atskira mokslo šaka tribologija. Tai mokslas nagrinėjantis trinties, dilimo, tepimo problemas. Tribologija nagrinėja dviejų kietų kūnų mechaninę sąveiką riedėjimo, slydimo, smūgio metu, bei įvertina kietų kūnų sąveiką ir irimą sąlyčio zonoje. Nors žmonijos patirtis pažystant trinties ir dilimo reiškinius siekia kelis tūkstančius metų, trinties procesas buvo aprašytas XIV amžiaus viduryje, o pats žodis tribologija paminėtas visiškai neseniai. Pirmasis šį terminą pavartojo 1966 metais britų profesorius H. Peter Jost. Jau 1967 metais tribologinės problemos tirtos ir tuometinėje Sovietų Sąjungoje. Šio mokslo suklestėjimą labai paskatino ekonominės priežastys, nes XX amžiaus viduryje britai pirmieji apskaičiavo nuostolius, kuriuos patiria šalies ūkis ir pramonė dėl trinties 7

8 ir dilimo procesų. Po britų atliktų skaičiavimų, tyrimus atliko ir kitos didžiosios pasaulio valstybės: JAV, Kanada, Vokietija ir Japonija [4]. Remiantis Vokietijoje atliktais tyrimais nuo 1982 iki 1985 metų nustatyta, kad dėl erozijos ir dilimo nuostoliai siekė 34 mlrd. Vokietijos markių. Panašiu laikotarpiu, t. y metais Kanadoje nuostoliai dėl dilimo sudarė 940 mln. JAV dolerių [4,5]. Iš šių skaičių matome, kad dilimo padaryti nuostoliai yra milžiniški ir būtina imtis atitinkamų priemonių jiems mažinti. Dešimt metų analogiškais tyrimais Vokietijoje, JAV, Kanadoje ir Kinijoje nustatyta, kad tribologija valstybei gali sutaupyti 1 1.4% BVP, o 1000 JAV dolerių investicijos į tribologinius tyrinėjimus per ateinančius dvejus metus gali sutaupyti po JAV dolerių [6] metais Lietuvos BVP siekė 94 milijardus litų, o 1% nuo šios sumos apytikriai sudarytų 940 mln. Lt. Tai rodo, kad dilimo padaryti nuostoliai yra milžiniški ir būtina juos mažinti. 8

9 1. INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ 1.1 Abrazyvinis dilimas Abrazyvinio dilimo samprata Pagrindinė priežastis, dėl kurios žemės ūkio technika praranda darbingumą, trumpėja mašinos tarnavimo laikas yra abrazyvinis dilimas. Mašinų detalių abrazyvinio dilimo problema aprašoma šimtuose publikacijų, tačiau tik nedidelė dalis šių publikacijų davė reikšmingos praktinės naudos mažinant abrazyvinio dilimo problemą. Tai paaiškinama tuo, kad daugeliu atvejų buvo atlikti tik teoriniai analitiniai tyrimai, neatsižvelgiant į realias mašinų detalių eksploatavimo charakteristikas. Kita vertus laboratoriniai eksperimentai buvo atlikti neatsižvelgiant į realias dilimo sąlygas [7]. Abrazyvinėmis dalelėmis vadinamos dirbtinės arba natūralios kilmės dalelės, turinčios pakankamą kietumą bei galinčios paviršių pjauti, rėžti, braižyti. Abrazyviniu dilimo metu kietos dalelės tam tikru greičiu kontaktuodamos su detalės paviršiumi jį pažeidžia. Kontaktuojančios kietos abrazyvinės dalelės gali būti kelių rūšių [8]: a) kietai įtvirtintos abrazyvinės dalelės; b) neįtvirtintos abrazyvinės dalelės; c) laisvosios abrazyvinės dalelės esančios tarp dviejų trinties paviršių; d) laisvosios abrazyvinės dalelės patenkančios ant trinties paviršiaus dujomis arba skysčiu. Dilimu vadinamas kietų kūnų paviršių irimo procesas, kai nuo paviršių atskiriamos medžiagos dalelės ir (arba) liekamųjų deformacijų susidarymas trinties poveikyje. Abrazyvinio dilimo metu didesnio kiečio paviršiaus nelygumai arba atskiros kietos abrazyvinės dalelės nugremžia minkštesnio paviršiaus mikronelygumus bei sluoksnius kontaktavimo zonoje [7]. Abrazyvinį dilimą galima klasifikuoti pagal tai kaip dalelė veikia paviršių (1.1 pav.) [9]. Priklausomai nuo abrazyvinių dalelių ir paviršiaus kristalinės struktūros, dalelės gali įsirėžti į paviršių, pasisukti, o taip pat pasišalinti iš sąlyčio zonos. Judančiai dalelei įsirėžus į paviršių, paviršius yra arba įbrėžiamas arba nupjaunama mikro drožlė. Šį atvejį nagrinėjant mikroskopu, matomas paviršiaus subraižymas. Įprastomis sąlygomis paviršius yra įbrėžiamas perstumiant medžiagą į šonus [9]. Smūginis abrazyvinis dilimas. Kai abrazyvinis dilimas vyksta be smūgio, tada trinties paviršiai yra subraižyti, o įbrėžimų kryptis sutampa su abrazyvų dalelių judėjimo kryptimi. Smūginio abrazyvinio dilimo metu, dėl vietinės plastinės deformacijos susidaro krateris, kurio 9

10 duburį sudaro abrazyvo dalelės kraštai įsiskverbę į medžiagos paviršių. Šių kraterio kraštų kietumas viršija paties metalo kietumą [9]. Abrazyvinis dilimas vyksta dalelėm patekus tarp besitrinančių paviršių. Abrazyvinėms dalelėms patekus tarp trinties paviršių, veikiant apkrovai gali būti spaudžiamos į paviršių arba sutrupinamos į smulkesnes daleles. Šios dalelės rieda išilgai paviršiaus arba slysta juo, taip deformuodamos paviršių. Šios dalelės nėra dilimo produktų dalelės. Abrazyvinės dalelės patenka iš oro kartu su alyva ar kitokiu būdu. Labai pavojingos yra labai kietos ir smulkios dalelės, kurių patekimą į trinties porą sunku sulaikyti filtrais [9]. Dujų ar skysčio sraute esančių abrazyvinių dalelių veikiamo paviršiaus dilimas. Šis dilimas dar vadinamas hidroabrazyviniu dilimu. Yra du abrazyvinių dalelių sąveikos būdai su paviršiumi, priklausantys nuo dalelių veikimo kampo. Pirmas būdas tai tiesus smūgis, kai α = 90 o, o antras įstrižasis smūgis, kai 0 o < α < 90 o. Esant tiesiam smūgiui, matomas aiškus skirtingos masės abrazyvo dalelių daugkartinis įsigilinimas. Įstrižo abrazyvo smūgio metu dalelės palieka aiškiai veikimo kryptimi nukreiptus rėžius [9]. Tyrinėtojas Виноградов В. Н. išskiria šešis abrazyvinio dilimo atvejus (1.1 pav.), kurie tiksliausiai klasifikuoja šią dilimo rūšį. 1.1 pav. Abrazyvinio dilimo schemos [9]: a) slydimas; b) kieti smūgiai; c) riedėjimas; d) laisvi smūgiai; e) hidroabrazyvinis srautas; f) slydimas abrazyvinėje masėje. 10

11 Nereikėtų mikropjovimo laikyti dominuojančiu abrazyvinio dilimo veiksniu. Mikropjovimas yra tik viena iš sudedamųjų šio dilimo būdo dalių. Mikropjovimas tai toks reiškinys kuomet kieta abrazyvinė dalelė brėžia ir pjauna kietą paviršių tam tikrame, pakankamame gylyje. Jei gylis nepakankamas, tuomet yra tik paviršinis kieto kūno deformavimas [8]. Abrazyvo dalelė negalės pažeisti kieto kūno paviršiaus arba jį žalos mažiau, jei dalelė gali judėti į šonus, pasislinkti gilyn į tarpą; dalelė nėra įtvirtinta, o juda laisva trajektorija. Brėžimo ar deformavimo metu laisva dalelė gali pasisukti ir ardymo procesas nutrūksta. Ši dalelė taip pat gali laikinai slysti kietesniu paviršiumi, po to vėl įsigilinti ir palikti po savęs gilią mikroįpjovą. Jei abrazyvo dalelė įtvirtinta, pavyzdžiui kvarco grūdas įtvirtintas akmenyje, tuomet kieto kūno pažeidimo rėžiai, mikroįpjovos bus pakankamai gilios (0, ,02 mm), o trumpuose ruožuose gali siekti ir 0,05...0,5 mm [8]. Remiantis atliktais tyrimais [8], kur buvo tiriamas grynų metalų atsparumas dilimui, nustatyta, kad dilimo intensyvumas tiesiogiai priklauso nuo metalų mikrokietumo. Ši priklausomybė yra tiesialijininė. Taip pat nustatyta, kad lydinių atsparumas dilimui buvo mažesnis už to paties kietumo grynųjų metalų. Termiškai neapdorotų plienų atsparumas dilimui buvo toks pat kaip ir grynųjų metalų. Grūdintų plienų atsparumas dilimui didėja pagal tiesinę lygtį didėjant kietumui. Tyrinėtojas D. N. Garkunovas padarė sekančias išvadas apie metalų dilimą ir abrazyvo kietumą: jei abrazyvinių dalelių kietumas yra ženkliai didesnis už metalo, tuomet dilimas nepriklauso nuo metalo ir abrazyvo kietumų skirtumo; jei abrazyvo dalelių kietumas mažesnis už metalo kietumą, tuomet dilimas priklauso nuo kietumų skirtumo ir ženkliai mažėja, didėjant šiam skirtumui [8]. Mokslininko M. M. Tanenbaumo tyrimų duomenimis metalų atsparumas dilimui stipriai padidėja, kai metalo paviršiaus kietumas 60% viršija abrazyvo kietumą. Toks kietumas dar vadinamas kritiniu [8]. Dilimas realiame dirvožemyje yra dilimo abrazyvo masėje (esant mažam kontaktiniam slėgiui, lengvose dirvose), dilimo į įtvirtintą abrazyvą (esant dideliam kontaktiniam slėgiui, kietose dirvose), smūginio abrazyvinio dilimo (dirva nevienalytė ir nuolat kinta dirvožemio struktūra bei pasitaiko akmenų), hidroabrazyvionio (esant drėgnai, šlapiai dirvai) dilimo derinys. Dilimo intensyvumas ir būdas labai priklauso nuo abrazyvinių dalelių fizikinių mechaninių savybių, ypač nuo kietumo ir atsparumo dilimui, o taip pat nuo pačios dirvos kietumo ir drėgnumo. Silpniausias abrazyvinės savybes turi anglis ir gipsas, stipriausias turi kvarcitai, topazas bei korundas. 1.2 lentelėje pateikiami eksperimentiniai dirvos savybių įvertinimo tyrimai [10]. Atliekant tyrimus etalonu buvo imtas kvarcinis smėlis, kurio dalelių 11

12 dydis 0,25...0,3 mm, o drėgnumas 2%, tuo tarpu bandomos realios dirvos drėgnis buvo apie 15%. Eksperimento metu į dirvą dar buvo įmaišoma apie 10% žvyro su mm skersmens frakcija. 1.1 Lentelė. Eksperimentinis dirvos savybių vertinimas [7]. Dirvos tipas Smėlis - 10 Lengvas - priesmėlis 10 Sunkus - priesmėlis 10 Lengvas - priemolis 10 Vidutinis - priemolis 10 Sunkus - priemolis 10 Molinga dirva Sunkaus 10 molio dirva - 10 Frakcinė sudėtis, % esant dirvos dalelių dydžiui, mm ,0...0,05 0,05...0,01 0,01...0, Dilimo greitis, mg/s 6,21 6,61 4,80 5,55 4,10 5,00 3,40 4,53 2,26 3,67 1,58 3,35 1,28 3,28 1,24 3,28 0,98 2,66 Dilimo savybių koeficientas 1,75 2,92 2,12 2,45 1,81 2,21 1,50 2,00 1,00 1,62 0,70 1,48 0,57 1,45 0,55 1,43 0,41 1, Abrazyvinį dilimą įtakojantys veiksniai Dirvos drėgnumas didina abrazyvinį dilimą didindamas ir aplinkos agresyvumą. Mokslininkai L. A. Jukstas ir I. R. Kleisas atliko keletą bandymų, su tikslu ištirti dilimo priklausomybes tarp abrazyvo drėgnio, aplinkos agresyvumo bei abrazyvo atakos kampo [8]. Kaip abrazyvą naudojo smėlį, kurio drėgnumą keitė nuo 0 iki 16%, o abrazyvinių dalelių greitį į metalo paviršių buvo keitė nuo 29 iki 82 m/s. Etaloniniu bandiniu buvo pasirinktas plienas C T 3, o kartu su juo buvo tiriami plienai 08X17T, 12X18H9T, 20X13, 45X14H14B2M bei plienas padengtas dilimui atsparia danga СНГН nikelio pagrindu. 12

13 Nudilimas I, mm 3 /kg Nudilimas I, mm 3 /kg Drėgnumas W, % 1.2 pav. Plieno C T 3 dilimo priklausomybė nuo drėgnio ir atakos kampo [8]. Drėgnumas W, % 1.3 pav. Skirtingų metalų dilimo priklausomybė nuo drėgnio (α = 30 o ) [8]. Gauti rezultatai parodė (1.2 pav.), kad dirvos drėgnumui pasiekus vos 1%, dilimas padidėja 1,2... 2,7 karto prie įvairių atakos kampų. Tai paaiškinama tuo, kad didėjant dirvos drėgniui didėja trinties koeficientas. Paveikslas 1.3 rodo, kad dilimui atsparia danga СНГН padengtam paviršiui dirvos drėgnis įtakos beveik neturi. Po laboratorinių bandymų buvo atlikti gamybiniai bandymai dirvoje. Po 8,5 mėn. trukusių darbų labiausiai abrazyvinėse dirvose plienų mėginiai parodė sekančius rezultatus: 13

14 Trinties Trinties koeficientas f plienas padengtas dilimui atsparia danga СНГН dilo 5,1...9,5 karto, plienas 08X17T 3,1...3,4 karto, o plienas 12X18H9T 3,4...4 karto lėčiau nei plienas C T 3. Keičiantis dirvoje drėgniui keičiasi ir trinties koeficientas. Tai matome iš 1.4 paveikslo. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Dirvos drėgnumas drėgnis w a W,, %% 1.4 pav. Trinties koeficiento priklausomybė nuo dirvos drėgnumo. Kaip matome iš paveikslo trinties koeficientas dirvos drėgnumui didėjant nuo 12% iki 30% didėja atitinkamai nuo 0,45 iki 0,75, o toliau didėjant drėgnumui trinties koeficientas pradeda mažėti. Easnt 45% dirvos drėgniui trinties koeficientas sumažėja iki 0, Atsparumo abrazyviniam dilimui didinimas terminiu apdirbimu Grūdinimas Grūdinimas yra terminis apdirbimas didinantis plieno kietumą ir atsparumą dilimui. Grūdinimas susideda iš eilės operacijų. Pirmiausia detalė įkaitinama iki grūdinimo temperatūros, ir laikoma tol kol visa detalė tolygiai įkaista, tuomet staigiai atšaldoma. Grūdinimas - tai ikieutektoidinių plienų įkaitinimas iki C aukštesnės negu A 3 temperatūros, o poeutektoidinių - aukštesnės negu A 1 (1.5 pav.), išlaikymas joje ir aušinimas greičiu, didesniu už kritinį, kad plienas pasidarytų kietas, stiprus ir atsparus dilimui. Tačiau grūdintas plienas yra trapus. Anglinis plienas dažniausiai aušinamas vandenyje, o legiruotasis - alyvoje. Aušinant plieną greičiu, didesniu už kritinį, austenitas virsta martensitu. Martensitas gali susidaryti tik kintant staiga aušinamam austenitui. Nei feritas, nei cementitas, aušinami bet 14

15 kuriuo greičiu, nesikeičia. Todėl plienas grūdinimui turi būti įkaitinamas iki tokios temperatūros, kad plieno struktūroje susidarytų austenito. Įkaitintame poeutektoidiniame pliene, be austenito, dar yra antrinio cementito, kuris, būdamas kietesnis už martensitą, nepablogina grūdinimo kokybės [11]. Grūdinant plienas kaitinamas elektrinėse ir dujinėse krosnyse arba išlydytų druskų voniose. Elektrinėje arba dujinėje krosnyje kaitinama ~1 minutę kiekvienam gaminio storio milimetrui, o voniose - dvigubai trumpiau. Įkaitusio plieno išlaikymo trukmė dažniausiai sudaro apie 20% kaitinimo laiko (legiruotųjų plienų %). 1.5 pav. Plieno optimalių grūdinimo temperatūrų intervalas [12]. Aušinimo greitis grūdinant turi būti toks, kad susidarytų martensitinė struktūra. Įvairios sudėties plienų kritinis aušinimo greitis yra skirtingas. Angliniam plienui šis greitis turi būti didelis, todėl jie aušinami vandenyje. Aušinimo greičiui įtakos turi gaminio judinimas terpėje maišymas. Taip suardoma ištisinė garų plėvelė ir garo burbulėliai greičiau atsiskiria nuo metalo paviršiaus [11]. Aušinimą gali paspartinti vandenyje ištirpintos druskos arba rūgštys (maždaug 10%). Jos neleidžia susidaryti ištisinei garų plėvelei ir paspartina aušimą aukštesnėje temperatūroje. Įvairių aušinimo terpių įtaka aušinimo greičiui parodyta 1.3 lentelėje. Dažniausiai vandeniniai tirpalai paruošiami su 10% NaCl, NaOH arba Na 2 CO 3. Pagrindinis vandens, kaip aušinimo terpės, trūkumas yra tas, kad aušinimo metu susidaro dideli grūdinimo įtempimai. Legiruotieji plienai dažniausiai aušinami alyvoje, nes legiravimo elementai mažina kritinį aušinimo greitį ir didina įgrūdinamumą. Grūdinant alyvoje susidaro daug mažesni grūdinimo įtempimai, gaminiai mažiau 15

16 deformuojasi. Alyva šilumą pašalina lėčiau, todėl angliniai plienai alyvoje grūdinami tik tada, kai gaminių storis yra ne didesnis kaip mm., arba kai jie neturi būti labai kieti. Į alyvą pridėjus įvairių priedų, o ypač sumaišius su vandeniu, galima padidinti aušinimo greitį. 1.2 lentelė. Aušimo greitis įvairiose terpėse [11]. Aušinimo terpė Aušimo greitis C /s temperatūros intervale o C o C Vanduo 18 o C Vanduo 25 o C Vanduo 50 o C Vanduo ir 10% Na 2 CO Vanduo ir 10% NaCl Vanduo ir 10% NaOH Mineralinė alyva o C Transformatorinė alyva Glicerinas Oro sraute Ramus oras 3 1 Grūdinant skirtingą plieną tomis pačiomis sąlygomis, gaunamas nevienodas rezultatas. Tai priklauso nuo plieno cheminės sudėties ir iš dalies nuo jo struktūros. Grūdinimo savybės nusakomos užgrūdinamumu ir įgrūdinamumu. Užgrūdinamumas tai plieno savybė keisti kietumą grūdinant. Užgrūdinamumas priklauso tik nuo anglies kiekio pliene: kuo daugiau pliene anglies, tuo didesnis kietumas gaunamas grūdinant Neanglingasis ir mažaanglis plienas (iki 0,25...0,3% C) vadinamas nesigrūdinančiu, nes grūdinant jo kietumas mažai padidėja. Įgrūdinamumas tai plieno savybė užsigrūdinti iki tam tikro gylio. Įgrūdinamumas daugiausia priklauso nuo to, kiek pliene yra legiravimo elementų. Tai labai svarbi charakteristika, kuri rodo, ar turimų gabaritų detalė užsigrūdina per visą skerspjūvį. Parenkant grūdinimo būdą, atsižvelgiama į grūdinamo plieno sudėtį, gaminio didumą ir formą, norimą gauti rezultatą ir proceso ekonomiškumą. Kuo anglingesnis plienas, tuo žemesnėje temperatūroje susidaro martensitas ir padidėja grūdinimo įtempimai, gaunamas didesnis trapumas. Todėl reikia parinkti "švelnesnį" grūdinimo būdą ir tiksliau laikytis grūdinimo režimo. Yra keletas grūdinimo būdų: paprastasis (vienterpis), dviterpis, laiptinis (grūdinimas karštose terpėse), izoterminis, grūdinimas šaldant, vietinis, grūdinimas su savaiminiu atsileidimu, šviesusis grūdinimas, 16

17 paviršinis grūdinimas. Siekiant, kad detalės būtų atsparios abrazyviniam dilimui aktualiausi yra grūdinimas šaldant ir paviršinis grūdinimo būdai. Smūginio apkrovimo sąlygomis dirbančių detalių skerspjūvis turi būti stiprus ir turėti didelį smūginį tąsumą, o paviršius kietas ir atsparus dilimui. Šiuos reikalavimus galima įvykdyti, taikant paviršinį grūdinimą, kai detalės paviršius staigiai įkaitinamas ir aušinamas, nespėjus įšilti vidiniam sluoksniui. Užsigrūdina tik detalės paviršius, o šerdis lieka tąsi Termomechaninis plienų apdirbimas Termomechaninis plieno apdirbimas susideda iš eilės operacijų. Pirmiausiai plienas yra įkaitinamas, po to plastiškai deformuojamas ir staigiai atšaldomas. Išskiriami du termomechaninio apdirbimo būdai: aukštatemperatūris ir žematemperatūris. Apdirbant plieną tiek aukštatemperatūriu tiek ir žematemperatūriu būdu plienas įkaitinamas iki grūdinimo temperatūros. Aukštatemperatūriu būdu plienas iškart plastiškai deformuojamas 20 30% ir grūdinamas. Žematemperatūriu būdu plienas po įkaitinimo atvėsinamas iki C ir tuomet plastiškai deformuojamas 75 90% ir grūdinamas. Abiem būdais po grūdinimo plienas atleidžiamas žemoje C temperatūroje. Reikia paminėti, kad abiem atvejais nėra rekristalizacijos. Termomechaninis apdirbimas ženkliai padidina plieno stiprumą. Jei po įprasto grūdinimo ir žematemperatūrio atleidimo gauname σ = MPa, tai po aukštatemperatūrio termomechaninio plieno apdirbimo gaunamas σ = MPa, o žematemperatūrio apdirbimo σ = MPa [13]. Didesnio populiarumo sulaukė aukštatemperatūris termomechaninis plieno apdirbimas, nors nusileidžia pasiekiamomis savybėmis žematemperatūriniam, dėka didesnio technologinio pritaikomumo. Be to aukštatemperatūrinis apdirbimas mažina įtrūkimų atsiradimo tikimybę, didina plieno takumo ribą, atsparesnis smūgiams, dilimui, atlaiko didesnes kontaktines apkrovas, plienas tampa atsparesnis trūkimams žemesnėje temperatūroje [13]. Kaip šio plieno apdirbimo būdo pavyzdį galima paminėti vikšrinės važiuoklės plieninį pirštą pagamintą iš plieno 50. Lyginant pirštą užgrūdintą indukciniu būdu su aukštatemperatūriniu termomechaniniu būdu patvarumas padidėja 15%, ilgaamžiškumas padidėja 70%, atsparumas dilimui padidėja 1,4 karto [13]. 1.3 Plienų atsparumo abrazyviniam dilimui didinimas termocheminiais būdais 17

18 Termocheminiu apdorojimu vadinamas įkaitinto metalo paviršinių sluoksnių difuzinis įsotinimas įvairiais cheminiais elementais. Pavyzdžiui, plieninių detalių paviršinis sluoksnis įsotinamas C, N, Al, Cr, Si, B ir kt. Pagrindinis termocheminio apdorojimo tikslas yra pakeisti metalo paviršinių sluoksnių cheminę sudėtį, struktūrą ir savybes, tuo padidinant detalių paviršiaus kietumą bei pasipriešinimą dilimui, jų patvarumo ribą, korozinį atsparumą ir pan. Išskirtinos trys pagrindinės termocheminio apdorojimo procesų stadijos [12]: 1. Aktyvių, difunduojančių atomų išsiskyrimas iš įsotinančios terpės. 2. Metalo aktyviųjų atomų adsorbavimas. 3. Adsorbuotų atomų difuzija į metalą. Termocheminiam apdorojimui būtina sąlyga - įsotinamojo elemento tirpumas pagrindiniame metale. Po difuzinio įsotinimo (kartais prieš įsotinimą) metalai apdorojami termiškai. Labiausiai paplitę termocheminio apdorojimo būdai yra cementavimas (įanglinimas), azotinimas (įsotinimas azotu), cianavimas ir nitrocementavimas (abiem atvejais įsotinama C ir N). Rečiau taikomi difuzinio metalizavimo procesai: įsotinimas Al, Cr ir kt [12] Plieno cementavimas Plieno cementavimas, dar vadinamas įanglinimu tai plieno detalių paviršinio sluoksnio difuzinis įsotinimas anglimi. Cementuojama, kai detalės paviršius turi būti kietas, atsparus dilimui, o šerdis minkšta ir tąsi. Cementuotos detalės turi didesnę patvarumo riba sukant ir lenkiant, atsparesnės kontaktiniam dėvėjimuisi. Cementuojamas mažaanglis (C < 0,3%), dažniausiai legiruotas, plienas. Jų paviršiniai sluoksniai įsotinami anglimi iki 0,9 1,0%. Po terminio apdorojimo (grūdinimo ir žemo atleidimo) detalės paviršiaus kietumas būna HRC, šerdies HRC [12]. Cementuojamos mechaniškai apdorotos detalės, palikus µm užlaida šlifavimui. Paviršiai, kurių nereikia įanglinti, galvaniniu būdu padengiami µm vario sluoksniu arba užtepami specialiais glaistais. Vienas iš plūgų ir kitų žemės ūkio mašinų gamintojų Överum taip pat naudoją šį technologinį metodą padidinti dylančių dalių atsparumą abrazyviniam dilimui [14] Plieno azotinimas Plienų azotinimas - tai detalių paviršinių sluoksnių difuzinis įsotinimas azotu. Azotinimas padidina detalių paviršiaus kietumą, pasipriešinimą dilimui, patvarumo ribą sukant ir lenkiant bei korozinį atsparumą ore, vandenyje, vandens garuose ir pan. Azotintas sluoksnis kietesnis už cementuotą ( HV ir HV atitinkamai). Labai svarbu, kad azotintas 18

19 sluoksnis išlaiko kietumą iki C (cementuotas - iki C). Tai įgalina sustiprinti ir tokias detales, kurios dirba aukštesnėje temperatūroje, pvz., cilindrų gilzės, turbinų velenai ir panašiai [12]. Prieš azotinimą plienai termiškai gerinami, atliekant grūdinimą ir aukštąjį atleidimą. Atleidimo temperatūra aukšta C. Ji būtinai turi viršyti azotinimo temperatūrą. Prieš azotinimą detalės turi būti maksimaliai apdorotos mechaniškai, įskaitant ir šlifavimą. Leistinas tik lengvas galutinis įazotintu detalių šlifavimas ir poliravimas. Azotinimo procesas, lyginant su cementavimu, žymiai ilgesnis. Įsotintas sluoksnis yra plonesnis ir trapesnis už cementuotą, blogiau priešinasi kontaktiniams įtempimams. Todėl azotinimas netinka krumpliaračių krumplių paviršių sustiprinimui. Azotinimo procesas dažnai vadinamas nitravimu. Dažniausiai jis taikomas vidutinio anglingumo konstrukcinio legiruoto plieno sustiprinimui. Tačiau azotinimu gali būti stiprinamas ir įrankinis štampų plienas, ketaus detalės, titano lydinių gaminiai. Azotavimas padidina plieno stiprumą, atsparumą dilimui bei korozijai. Azotintų plienų atsparumas dilimui yra nuo 1,5 iki 4 kartų didesnis už cementuotus, cianuotus ar grūdintus plienus [12]. Azotavimas dažniausiai naudojamas smulkiagabaritėms detalėm stiprinti Plieno nitrocementavimas ir cianavimas Plieno nitrocementavimas ir cianavimas- tai plieninių detalių paviršinių sluoksnių įsotinimas anglies ir azoto atomais. Tai padidina detalių paviršiaus kietumą, jo pasipriešinimą dilimui, jų patvarumo ribą ir šiek tiek korozinį atsparumą. Nitrocementavimas atliekamas dujinio cementavimo krosnyse į cementavimo dujas pridedant amoniako. Nitrocementavimo temperatūra šiek tiek žemesnė už cementavimo C. Tokioje temperatūroje paviršiniame sluoksnyje gaunama optimali (1,0 1,65%) C ir N koncentracija. Azotas intensyvina anglies difuzijos procesus pliene, todėl nitrocementuojant sluoksnis greičiau įsianglina. Paprastai nitrocementavimo trukmė 4 10 valandų. Per šį laiką azotu įsotinamas 0,2 0,8 mm gylis. Baigus įsotinimą, detalės grūdinamos ir atleidžiamos C temperatūroje. Po terminio apdorojimo paviršiaus kietumas HRC. Detalės šerdyje dažniausiai susidaro sorbitinė arba trostitinė struktūra. Jos kietumas HRC. Cianavimas atliekamas skystoje terpėje - išlydytose druskose, turinčiuose CN grupę. Dažniausiai tam naudojamas natrio cianatas NaCN. Cianatai yra nuodingi, jų lydymosi temperatūra yra žema, todėl cianavimo temperatūroje jos intensyviai garuoja. Lydymosi 19

20 temperatūrai pakelti ir vonių garavimui sumažinti cianatai maišomi su kitomis druskomis NaCl, BaCl 2, Na 2 CO 3. Cianuojant C temperatūroje per 1 val. gaunamas ~ 0,3 mm storio įsotintas sluoksnis. Detalės grūdinamos betarpiškai cianavimo temperatūroje. Atleidžiamos C temperatūroje. Paviršiaus kietumas po terminio apdorojimo HRC [12]. Lyginant su cementuotu, cianuotas sluoksnis yra atsparesnis dilimui ir labiau padidina plieno patvarumo ribą. Dažniausiai taikomas smulkių detalių sustiprinimui. Jo trūkumai: brangios druskos, toksiškumas, aplinkos teršimas Plieno boravimas Plieno boravimas tai paviršinio plieno sluoksnio difuzinis įsotinimas boru. Boru plienas termochemiškai apdirbamas siekiant padidinti atsparumą dilimui, korozijai kambario bei didesnėse nei kambario temperatūrose. Boro sluoksnį sudaro boridų zona ir pereinamas sluoksnis kieto boro tirpalo geležyje. Plienas gali būti boruojamas skystoje, miltelinėje ir dujinėje terpėje. Boravimo temperatūra yra nuo 600 o C iki 1050 o C, o trukmė nuo 2 iki 8 valandų. Priklausomai nuo boravimo laiko, terpės ir temperatūros gaunamas iki 0,4 mm storio sluoksnis [15] (1.6 paveikslas). Po boravimo detalės yra atleidžiamos ir grūdinamos, tačiau mechaniškai neapdirbamos. Gaunamas iki 2000 HV paviršiaus kietumas [13]. Šiuo termocheminiu būdu padidinamas plieno paviršiaus kietumas. Taip pat boruotas sluoksnis pasižymi dideliu spalviniu stabilumu, t. y. net aukštesnėje temperatūroje paviršiaus spalva nesikeičia. Didelis boridų kietumas išsilaiko net kaitinant iki 700 o C temperatūros. Tai leidžia naudoti boruotas detales dirbančias aukštesnėse temperatūrose. Boruoti plienai yra atsparesni slydimo trinčiai, abrazyviniam ir hidroabrazyviniam dilimui, fretinginei korozijai tiek normaliose temperatūrose tiek aukštesnėse, tiek vakuume tiek ir įvairiose korozinėse terpėse. Boruoto plieno 45 atsparumas sausos slydimo trinties sąlygomis 4 6 kartus didesnis nei tokio pat cementuoto plieno [13]. 20

21 1.6 pav. Boruoto plieno sluoksniai [16]. Atsparumas abrazyviniam dilimui boruoto plieno 45 ir chromuoto plieno 45, tomis pačiomis sąlygomis yra beveik vienodas. Dvifazis plieno 45 boravimas padidina jo atsparumą abrazyviniam dilimui 3,5 6 kartus, o vienfazis plieno boravimas padidina jo atsparumą 2 3 kartus. Boruojant plieno kietumas padidėja 20 30%. Lyginant boruotas plienines detales su neboruotom, boruotos detalės 2 10 kartų ilgaamžiškesnės [13]. Lyginant paprastų, legiruotų, grūdintų ir boruotų plienų atsparumą abrazyviniam dilimui buvo atlikti laboratoriniai bandymai su Х4 Б [17] mašina. Tirti plienas 40 ir legiruotieji plienai 27СГ, 30ХГСА, 27СГТ, 40ХСА. Bandymai parodė, kad nei termiškai, nei chemiškai neapdirbtų plienų atsparumas abrazyviniam dilimui mažai kuo skyrėsi vieni nuo kitų. Grūdinimas vidutiniškai tik 1,3 karto padidino atsparumą dilimui, o boravimas plieno 40 atsparumą abrazyviniam dilimui padidino apie 10 kartų, o legiruotųjų plienų apie 7 kartus [15]. Atlikti gamybiniai vikšrinės važiuoklės pirštų bandymai [15] parodė, kad boruotų pirštų vidutinis nudilimas siekė 2,5 mm, o standartinių, iš plieno Г13, nudilimas buvo 3,82 mm. Tai parodo ženklią boravimo įtaką atsparumui abrazyviniam dilimui Plieno chromavimas Chromavimo metu plieno paviršius yra difuzinis įsotinamas chromu. Chromuojama o C temperatūroje. Paviršinio legiravimo dėka yra pasiekiamas aukštas temperatūrinis atsparumas (iki 800 o C), didelis korozinis atsparumas, padidėja kietumas ir atsparumas dilimui. 21

22 Įsotinimas chromu priklauso nuo anglies koncentracijos pliene. Chromuojant geležį ir mažaanglį plieną suformuojamas 0,05 0,15 mm chromo sluoksnis. Chromuojant plienus kurio sudėtyje yra daugiau kaip 0,4% anglies susiformuoja 0,01 0,03 mm chromo karbidų sluoksnis. Plienai chromuojami dujinėse, miltelinėse aplinkose bei druskos tirpaluose. Chromavimo trukmė yra nuo 1 iki 12 valandų. Chromuotas sluoksnis ant mažaanglio plieno yra nedidelis HV tesiekia MPa. Tačiau karbidinis sluoksnis ant plienų kuriuose anglies daugiau kaip 0,2% turi didelį kietumą HV MPa. Chromuoti plienai turintys karbidinį chromo sluoksnį yra labai atsparūs dilimui. Šią savybę galima dar padidinti didinant anglies kiekį pliene. Kaip pavyzdį galima palyginti chromuotą plieną 65 su plienu ШХ15. Bandyme į įtvirtintą abrazyvą chromuotas plienas 4 kartus atsparesnis abrazyviniam dilimui nei nechromuotas [7]. Po chromavimo plienas dar gali papildomai būti apdirbamas termiškai. 1.4 Atsparumo abrazyviniam dilimui didinimas apvirinimu Nemažai pramonės mašinų, o taip pat ir žemės ūkio mašinų darbingumui atstatyti ar padidinti išeikvojama daug piniginių lėšų. Dyla žemės dirbimo mašinų kaltai, noragai, žemės kasimo mašinų kaušai ir dantys, buldozerių ir greiderių peiliai. Minėtų darbo dalių nudilimas siekia kartais ir kelias dešimtis kilogramų bei kelias dešimtis milimetrų. Todėl šių dalių stiprinimui naudoti cheminį terminį apdirbimą būtų netikslinga ir neefektyvu, nes šiais būdais stiprinami tik detalių paviršiai, o ir stiprinimas tesiekia vos kelias milimetro dalis ar vieną milimetrą. Tokių detalių stiprinimui tikslinga naudoti terminį metalų apdirbimą t. y. grūdinimą. Tačiau sudilusios detalės turi būti keičiamos naujomis, o tai didina vartotojo išlaidas. Siekiant šiuos kaštus sumažinti nudilusių detalių darbingumas gali būti atstatomas jas apvirinant elektrolankiniu būdu. Taip yra atkuriama ne tik detalės geometrija, tačiau gali būti pagerintos ir atsparumo abrazyviniam dilimui savybės. Elektrolankinis apvirinimas gali būti taikomas ir naujų detalių gamyboje. Atsparumo dilimui savybės gerinamos apvirinant plienus elektrodais turinčiais Cr, C, B, Mn, Mo, Ti, W ir kitų legiruojančių elementų. Sukurta daug atsparių dilimui medžiagų, tačiau daugeliu atvejų norėta tik padidinti metalų kietumą. Tai ne visada yra teisinga. Taip pat nemaža dalis šių medžiagų turi daug legiruojančių elementų, net daugiau nei 50%, o tai neigiamai atsiliepia šių medžiagų kainai. Aplydant gaunami labai kieti iki 60 HRC ir kietesni sluoksniai, kurie jau vien dėl didelio kietumo yra atsparesni dilimui, lyginant su pagrindiniu metalu. 22

23 Apvirinimo medžiagų legiravimo sistemos yra įvairios: Fe C Cr, Fe C Mn, Fe C W, Fe C Cr Mn, Fe C Cr B, Fe C Cr Mo, Fe C Cr W V ir kitos. Anglies ir kitų legiruojančių elementų kiekiai sluoksniuose: C 0,3...4,8 %; Cr %; Mn 0,5...15%; B 0,1...6% [18]. Atlikti tyrimai tiek Lietuvoje tiek ir užsienyje [19] parodė, kad apvirinus, atsparumą abrazyviniam dilimui galima padidinti iki 9,7 karto esant mažam kontaktiniam slėgiui. Atlikus apvirintų Fe C Cr Nb Mo W - B lydiniais kaltų gamybinius bandymus nustatyta, kad apvirinti kaltai dyla 35% (pagal masę) lėčiau už naujus ir trumpėja iki šešių kartų lėčiau [20]. Prie mažų apkrovų tiriant pagal G65 metodą (0,42 MPa) lėčiausiai abrazyvinėje aplinkoje dilo anglingi (nuo 2,1 iki 2,9%) su gausiu chromo kiekiu (nuo 22 iki 26%) legiruoti apvirinto plieno sluoksniai [21]. Gamybiniai bandymai, t. y. bandymai realiomis darbo sąlygomis tirti apvirinti plūgų kaltai, parodė, kad atsparumą dilimui galima padidinti iki 6 kartų [22]. Šiais bandymais taip pat nustatyta, jog norint maksimaliai prailginti kaltų tarnavimo amžių reikia maksimaliai padidinti apvirinamą paviršių plotą, o vien briaunų apvirinimas ryškesnių rezultatų neduoda. Daugelyje technikos sričių yra daug detalių, kurios gali būti pagamintos tik suvirinimu, naudojant šiluminę ar mechaninę energiją. Suvirinimas yra standus ir neišardomas sujungimo būdas, todėl puikiai tinka kaušų dantims, noragams, kaltams ir kitoms dylančioms dalims atnaujinti. Taip pat šis atnaujinimo būdas turi pranašumų neardomoms stambiagabaritėms detalėms atstatyti, kaip pavyzdžiui kaušo privirintiems dantims atnaujinti, tuo pačiu pagerinant atsparumo abrazyviniam dilimui savybes. Vienas iš šios technologijos privalumų yra paprastumas. O paprastumas atitinkamai reiškia ir sąlyginai mažesnę kainą. Prieš aplydant elektrolankiniu būdu, tereikia gerai nuvalyti pagrindinį, aplydomą metalą. Svarbus yra ir pačių elektrodų parinkimas, kad aplydytas sluoksnis taptų tvirtas ir atsparus abrazyviniam dilimui. Aplydžius netinkamos cheminės sudėties metalu galima gauti priešingą atvejį ir atsparumą dilimui tik sumažinti. 1.5 Abrazyvinio dilimo laboratoriniai tyrimo metodai Kuriant naujas medžiagas pirmiausiai yra atliekami laboratoriniai dilimo bandymai, nes tai pigiausias ir trumpiausias kelias gauti informaciją apie atsparumą dilimui. Kitas kelias gauti dilimo tyrimus yra gamybiniai, tačiau juos atlikti yra sudėtinga, jie brangūs, nes kartais reikia tirti didelių gabaritų detales, kurias vėliau sunku pasverti, išmatuoti. Sekanti gamybinių bandymų problema yra laiko sąnaudos, kadangi šiuose bandymuose jos gali siekti ir kelis tūkstančius valandų. Be to, bandymams įtakos gali turėti ir klimatinės sąlygos. 23

24 Dauguma laboratorinių bandymų atlieka kompanijos gaminančios detales, kurios šiuos duomenis kaupia daugelį metų ir reikalui esant panaudoja. Tačiau šie duomenys labai retai yra prieinami plačiai visuomenei, nes tai yra kompanijos paslaptis. Laboratoriniai bandymai pilnai negali pakeisti gamybinių bandymų, tačiau parinkus tinkamą bandymo modelį gaunami pakankamai išsamūs ir patikimi rezultatai. Modelinius tyrimus iš principo galima suskirstyti į dvi rūšis: didelio kontaktinio slėgio ir mažo kontaktinio slėgio dilimo bandymus [23]. Esant dideliam kontaktiniam slėgiui abrazyvinės dalelės yra traiškomos ir metalo paviršiuje lieka ryškūs abrazyvinių dalelių rėžiai, nes vyksta mikropjovimas, o mažam slėgiui po kontakto su metalo paviršiumi, dalelės lieka sveikos, nes dilimas vyksta nuovarginio deformavimo būdu Mažo kontaktinio slėgio abrazyvinio dilimo modeliniai tyrimo metodai Vienas iš pagrindinių ir tikriausiai plačiausiai taikomų mažo kontaktinio slėgio modelinių tyrimo metodų yra ASTM G65 standartu aprašomas tyrimo modelis [1,20,23 26]. Principinė bandymo schema pavaizduota 1.7 paveiksle. Šis metodas naudojamas įvairių medžiagų atsparumui abrazyviniam dilimui palyginti. Pavyzdžiui, medžiaga, kuri dėvisi perpus mažiau, nei kita medžiaga bandymo metu, tikriausiai nebus dukart stipresnė realiomis darbo sąlygomis, kadangi bandymai turi tendenciją padidinti skirtumus. 1.7 pav. Pagal standartą ASTM - G65-04 atliekamo abrazyvinio dilimo tyrimo įrenginio schema [27]: 1 darbo ratas; 2 abrazyvo tiekimo kanalas; 3 mėginys; 4 apkrova; 5 kvarcinis smėlis. 24

25 Pagal standartą darbo rato medžiaga parenkama adekvati modeliuojamai trinties porai, apkrova F keičiama nuo 45 iki 130 N, darbo ratas sukamas 200 min -1 dažniu (v = 2,4 m/s). Dilimas intensyvinamas g/min debitu į trinties paviršių tiekiant kvarcinį smėlį. Medžiagos nudilimo variacijos koeficientas tarp dviejų ar daugiau bandymų neturi viršyti 7 % [27]. Įrenginiui dirbant tarp mėginio paviršiaus ir darbo rato patekę smėlio grūdeliai mėginio paviršiumi slysta, rieda, deformuoja ir pjauna mėginio paviršių. Taip imituojamos kelios tyrimo schemos vienu metu. Tyrimo trūkumas yra tas, kad kontakto plotas keičia tyrimo sąlygas. Tai yra, dylant padidėja paviršių kontakto plotas tarp guminio rato ir bandinių Didelio kontaktinio slėgio abrazyvinio dilimo modeliniai tyrimo metodai Strypo ant būgno abrazyvinio dėvėjimosi tyrimo būdas priskiriamas prie didelių apkrovų, abrazyvinio dilimo tyrimo būdų. Vienas bandinio galo paviršius juda abrazyviniu popieriumi, šlifuodamas bandinio medžiagą ir traiškydamas įtvirtintas abrazyvo daleles. Piršto - būgno abrazyvinio dilimo tyrimų įranga buvo pradėta kurti mokslininko Robino 1910 metais [17]. Šios mašinos veikimas buvo panašus į patefono veikimą, kai piršto funkcija buvo panaši į patefono adatos funkciją, o abrazyvinis popierius sukosi kaip patefono plokštelė. Tačiau pirštas judėjo viena ir ta pačia trajektorija. Mokslininkas Chruščiovas patobulino tyrimo mašiną, pirštą priversdamas judėti spiralės trajektorija, tai leido pirštui slysti vis nauju abrazyvinio popieriaus paviršiumi (1.9 pav.). Klimaksas Molibdenas sukūrė piršto ant stalo tyrimo mašiną. Šiuo atveju judėjo stalas, tai suteikė pirštui pastovų judėjimo greitį. Naudojant darbinius Klimakso mašinos parametrus, Mutonas, Melburno tyrimų laboratorijoje sukūrė piršto ant būgno abrazyvinio dėvėjimosi mašiną, kurioje judamas stalas buvo pakeistas sukamuoju būgnu. Albany tyrimo centre piršto ant būgno mašina labai panaši į Melburno mašiną, išskyrus kelis nežymius pakeitimus [28]. Principinė bandymo schema pavaizduota 1.8 paveiksle. 25

26 Pavara Svoris Elektros variklis Mėginys Grandininė pavara Sukimosi kryptis Abrazyvinis būgnas 1.8 pav. Principinė piršto ant būgno tyrimo mašinos schema [29]. Kaip matome iš 1.8 paveikslo čia vyksta dilimas į įtvirtintas abrazyvines daleles. Būtent toks dilimo būdas yra pats agresyviausias, nes abrazyvinė dalelė yra įtvirtinta ir slysdama per mėginį, jį gali tik įrėžti ir negali pasisukti, taip sumažindama agresyvumą ar nutraukdama mikropjovimą. Be abejo abrazyvinės dalelės, jei mėginys pakankamai atsparus dilimui, gali būti traiškomos. Šis tyrimo metodas gali būti aprašomas ASTM G (2007) standartu [30]. Literatūroje [19,31] taip pat sutinkamas ir kitas populiarus tyrimo metodas į įtvirtintas abrazyvines daleles tai pirštas - diskas tyrimas. Šis tyrimas taip pat yra reglamentuotas ASTM standartu G99 05 (2010) [32]. Piršto - disko principinė schema pavaizduota 1.9 paveiksle. 1.9 pav. Piršto - disko principinė bandymo schema: 1 abrazyvinė medžiaga, 2 mėginys, 3 laikiklis, 4 apkrova, 5 sraigtas, 6 sraigtinė pavara, 7 eigos ribotuvas, 8 smeigė, 9 horizontalus diskas [19]. Ant disko pritvirtintas abrazyvinis popierius. Diskas sukasi, o pirštas, dėl sraigtinės pavaros juda spiralės forma ir taip mėginys slysta vis nauja trajektorija. Šios schemos trūkumas yra tas, kad pirštui artėjant link centro keičiasi mėginio linijinis greitis, todėl bandymas vyksta keičiantis greičiui. Šio trūkumo neturi piršto ant būgno tyrimo schema, nes būgnas sukasi pastoviu greičiu. 26

27 1.6 Informacijos šaltinių analizė, apibendrinimas 1. Abrazyvinis dilimas yra labiausiai paplitusi, lengvai prognozuojama ir daug nuostolių daranti dilimo rūšis. 2. Abrazyviniam dilimui mažinti yra sukurta daug įvairių technologinių ir konstrukcinių priemonių, tačiau nemaža dalis iš jų yra brangios ir sudėtingos. 3. Abrazyviniam dilimui tirti yra sukurta laboratoriniai tyrimų metodai, kurie pakankamai tiksliai nustato dilimo dydžius. 4. Apvirintiems sluoksniams mažai žinoma anglies, chromo ir boro įtaka į įtvirtintą abrazyvą dilimo sąlygomis. 27

28 2. TYRIMŲ PROGRAMA 2.1 Tyrimų tikslas ir uždaviniai Darbo tikslas atlikti abrazyvinio dilimo į įtvirtintą abrazyvą tyrimus su skirtingos sudėties Fe C Si Cr Ti B apvirintais sluoksniais ir nustatyti lydinių sudėties įtaką abrazyviniam dilimui. Darbo tikslui pasiekti numatyti sekantys uždaviniai: 1. Nustatyti anglies kiekio įtaką apvirintų sluoksnių kietumui; 2. Nustatyti lydinių kietumo įtaką abrazyviniam dilimui; 3. Nustatyti chromo ir anglies kiekio įtaką abrazyviniam dilimui; 4. Nustatyti boro įtaką abrazyviniam dilimui; 5. Nustatyti apvirinto sluoksnio minimalų legiravimą, teikiantį aukštą atsparumą dilimui. 28

29 3. TYRIMŲ METODIKA 3.1 Tyrimų objektas Mėginių apvirinimui naudoti elektrodai su glaiste esančiais legiruojančiais elementais Fe C Cr B. Apvirintų ir mechaniškai apdirbtų sluoksnių kietumas pateikiamas 3.1 lentelėje. 3.1 lentelė. Mėginių cheminė sudėtis. Mėginys Cheminė sluoksnių sudėtis, % C Si Mn Cr Ni Ti B Kiti Fe Kietieji sluoksniai su C pastoviu, Fe ir Cr kiekiai kintami Kietumas, HRC A A A A A Kietieji sluoksniai su C kiekiu kintamu, Cr kiekis pastovus B B B B B Etaloninis plienas Hardox 400 Hardox 0,15 0,7 1,6 0,3 0,25-0,004-96,75 37 Kiti kietieji sluoksniai C1 0,62 0,35 1,03 3,6 0,04 0, C2 0,44 2,28 0,67 7,4 0,07 0, Kiti elementai - P+S+Mo+Cu+Al+Ni+V+Nb+Co+W+As Mėginiai (nuo A1 iki A5) apvirinti elektrodais su kintamu chromo kiekiu, išlaikant pastovų anglies kiekį. Tačiau kaip matome anglies kiekis mažėjant chromo kiekiui taip pat mažėja, tai galima paaiškinti ribotu elementų perėjimu iš glaisto į formuojamą dangą dėl kintamo chromo kiekio. Mėginiai (nuo B1 iki B5) turi kintamą anglies kiekį, o chromas ir kiti elementai išlaikyti pastovūs. Mėginių dydis 20 x 15 x 5 mm. 29

30 3.2 Įrenginiai ir prietaisai Tyrimams pasirinktas piršto ant būgno bandymų metodas, nes juo galima tirti abrazyvinį dilimą esant didelėms apkrovoms, bei gaunamų rezultatų sklaida yra nedidelė ir siekia tik 5 7% legiruotiesiems metalams [28]. Principinė bandymo schema pavaizduota 3.1 paveiksle. F 3.1 pav. Principinė bandymo schema: 1 mėginys, 2 abrazyviniu popieriumi dengtas velenas, F prispaudimo jėga, S pastūmos kryptis. 3.2 pav. Tekinimo staklės JET 1640 ZX. Tyrimas atliktas tekinimo staklėmis JET 1640 ZX. Sukonstruotas mėginių tvirtinimo įtaisas tvirtinamas staklių įrankių laikiklyje. Abrazyviniu popieriumi dengto veleno skersmuo 87 mm, mėginio apkrova 28 N. Tyrimas atliktas išilgine 0,55 mm/aps pastūma, esant 60 min -1 veleno sūkiams (1,0 km/h linijinis greitis, dilimo kelias 99 m). 30

31 pav. Dilimo į įtvirtintą abrazyvą tyrimo įtaisas: 1 būgnas, 2 mėginys, 3 tvirtinimo įtaisas. 3.3 paveiksle matome, abrazyviniu popieriumi dengtą veleną, kurio skersmuo 87 mm. Mėginys apkraunamas 28 N apkrova. Tyrimas atliktas išilgine 0,55 mm/aps pastūma, esant 60 min -1 veleno sūkiams (1,0 km/h linijinis greitis, dilimo kelias 99 m) 3.4 paveikslas. Didesnį greitį modeliuoti yra netikslinga, nes dėl abrazyvinio popieriaus storio netolygumo, atsiradus inercinėms jėgoms, mėginys pradeda virpėti, ir taip gaunamas ne dilimas į įtvirtintą abrazyvą, o smūginio abrazyvinio dilimo tyrimas. Kiekvienam mėginiui tirti naudotas naujas abrazyvinio popieriaus lapas, pagamintas Olympus Abrasives Co (Graikija), tipas KX167, grūdėtumas P100 (vidutinis abrazyvo dalelių dydis 160 μm), abrazyvas Al 2 O 3. Toks abrazyvinio popieriaus grūdėtumas parinktas žinant, kad abrazyvo dalelėms esant didesnėms už 100 μm, dilimo intensyvumas nekinta. 3.4 pav. Įtaisas vykdant bandymą. Dilimas vertintas masių metodu, t.y. sveriant mėginius prieš ir po bandymo. Mėginiai sverti svarstyklėmis KERN EG 420-3NM (maksimalus sveriamas svoris 420 g, padalos vertė 0,001 g) (3.5 paveikslas). Mėginių kietumas matuotas kietmačiu TK 2M. 31

32 Kiekvienos apvirintos medžiagos mėginys bandytas tris kartus. Nudilimo variacija yra 4,7 13,4% intervale, kas rodo patikimą dilimo tyrimų rezultatą. Dilę paviršiai analizuoti skenuojančiu elektroniniu mikroskopu Quanta 200 FEG (SEM) (3.8 paveikslas). 3.5 pav. Svarstyklės KERN EG 420-3NM. 3.6 pav. Mėginys po bandymo. Eksperimentiniams tyrimams naudotų kaladėlių svoris prieš bandymus kito nuo 11 iki 17 gramų. Mėginių dilimo pėdsakam vertinti buvo naudojamas profilografas MahrSurf XR 20 (3.7 paveikslas). 32

33 3.7 pav. Profilografas MahrSurf XR pav. Skenuojantis elektroninis mikroskopas Quanta 200 FEG. Dilimo pėdsako profilis matuotas statmenai dilimo krypčiai. Rezultatas vertintas standartiniais šiurkštumo parametrais Ra ir Rz, o taip pat pagal atliktus matavimus išmatuoti nelygumų viršūnių kampai. 33

34 Nudilimas I, g 4. TYRIMŲ REZULTATAI IR JŲ APTARIMAS 4.1 Atsparumo abrazyviniam dilimui vertinimas masių metodu Vienas dažniausiai ir plačiausiai taikomas dilimui vertinti yra masių metodas. Sveriant mėginį prieš ir po bandymo yra įvertinamas nudilimo dydis. Naudojant šį metodą negalima nustatyti ar metalas yra atsparus dilimui absoliutine reikšme, tačiau galima gauti patikimus palyginamuosius rezultatus. Rezultatų tikslumas priklauso nuo pačių svarstyklių tikslumo ir bandymų skaičiaus gausos. Kuo rezultatų sklaida didesnė, tuo yra reikalingesnis bandymų skaičiaus didinimas. Jei tos pačios medžiagos nudilimo sklaida yra ne didesnė nei 7 10%, rezultato sklaida laikoma priimtina [27] ir bandymų skaičiaus didinti nereikia. Šiame darbe taip pat naudotas masių metodas. Su kiekviena medžiaga atlikta po tris bandymus t. y. kiekvienai medžiagai atlikti trys atskiri dilimo bandymai. Rezultatų palyginimui atlikti tyrimai su plienu Hardox 400. Etalonu pasirinktas šis plienas, nes iš jo gaminamos įvairių pramonės šakų mašinų dylančios dalys [33]. Hardox 400 tai mažaanglis (C 0,14%), boru mikrolegiruotas plienas, kuris yra populiarus dėl savo gero suvirinamumo, atsparumo abrazyviniam dilimui bei gero šalto apdirbimo (lankstus, plastiškas plienas) [33]. Atlikti apvirintų mėginių abrazyvinio dilimo į įtvirtintą abrazyvą tyrimai (4.1 paveikslas) parodė, kad visų apvirintų sluoksnių nudilimo rezultatai yra labai panašūs. 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Hardox A1 A2 A3 A4 A5 B1 B2 B3 B4 B5 C1 C2 Mėginio numeris 4.1 pav. Mėginių nudilimas bandant. 34

35 Kietumas H, HRC Visi mėginiai išskyrus vieną t.y. B5 dilo vidutiniškai 2,4 karto mažiau nei etaloninis Hardox 400 plienas. Didelis mėginio B5 dilimas paaiškinamas tuo, kad jame yra labai mažas anglies kiekis tik 0,15% bei mėginio kietumas buvo pats mažiausias, mažesnis net už etalono kietumą. Mažiausiai dilo mėginys A4, tik 0,236 g. Pastebima labai aiški anglies kiekio įtaka abrazyviniam dilimui, nes anglies kiekiui padidėjus nuo 0,15% iki 0,45%, dilimas lyginant B5 (0,15% C) su B4 (0,15% C) sumažėja 3,2 karto. Šį reiškinį taip pat galima paaiškinti ir apvirinto lydinio mikrokietumo kitimu, nes B4 kietumas lyginant su B5, didėjant anglies kiekiui, padidėjo nuo 35 HRC iki 45 HRC. Toliau didėjant anglies kiekiui (nuo 0,45% iki 2,92%) kietumas didėjo (4.2 pav.), tačiau ne taip sparčiai didėjo atsparumas abrazyviniam dilimui (4.1 pav.). Geriausiai anglies kiekio įtaką kietumui aprašo logaritminė funkcija (4.2 pav.) H = 8,05ln(C) + 50,5 R² = 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 Anglies kiekis, % 4.2 pav. B1 B5 mėginių anglies kiekio įtaka kietumui. Lydinyje anglies kiekiui pasiekus 0,45% ir toliau didėjant, atsparumas abrazyviniam dilimui kinta mažai ir matomas sąryšis su kietumu (4.3 pav.). 4.3 paveiksle nudilimas vertintas santykiniu atsparumu dilimui, kuris lygus etalono ir aplydyto paviršiaus nudilimo santykiui: (1) čia I Hardox etalono boru mikrolegiruoto plieno nudilimas, I apl.pav. aplydyto paviršiaus nudilimas. Duomenyse (4.3 pav.) matome, kad lydiniuose su pastoviu Cr kiekiu, kietumui pasiekus 45 HRC, atsparumas abrazyviniam dilimui išlieka beveik stabilus ir keičiasi labai mažai, nors kietumas didėja iki 61 HRC. 35

36 Santykinis atsparumas dilimui ε 3,0 ε = 2,92ln(H) - 9,29 R² = 0,737 2,0 1,0 0, Kietumas H, HRC 4.3 pav. B1 B5 lydinių santykinis atsparumas dilimui. Pastarajame paveiksle matome, kad anglies kiekiui lydinyje viršijus 0,5% santykinio atsparumo dilimui kietumas neįtakojo. Tai galima paaiškinti geležies - anglies lydinio struktūra. Pliene anglis yra ne gryna, bet cheminis jos junginys geležies karbidas Fe 3 C. Šis struktūros elementas yra kietas ir trapus. Anglies kiekiui pasiekus 0,5% ribą susidaro feritinė perlitinė struktūra, kuri kaip rodo atlikti tyrimai tiesiogiai įtakoja atsparumą abrazyviniam dilimui [19,20,22,24]. Toliau didėjant anglies kiekiui susidaro perlitinė ir dar toliau, kai C virš 1,6% - perlitinė cementitinė lydinio struktūra. Esminę įtaką šiame lydinyje turi perlitai, nes tik jiems susiformavus atsparumas dilimui sumažėja 2,4 karto. Anglies kiekiui viršijus 1,6% ribą tarp perlito grūdelių formuojasi juostinis cementitas. Kuo cementito dalis didesnė, tuo plienas kietesnis bet trapesnis. Šis ryšys paaiškina didėjantį kietumą (4.2 pav.), bet nedidėjantį atsparumą abrazyviniam dilimui, nes lydinys yra trapus. Taip pat reiškinį, kad didėjant kietumui dilimas nemažėja (4.3 pav.) galima paaiškinti ir tuo, kad lydinyje esantis silicis trukdo tam tikram anglies kiekiui jungtis į cementitą Fe 3 C ir tuomet anglis išsiskiria plokštelių pavidalo grafitu [34]. Lydiniai A1 A5 su stabiliai kintamu chromo kiekiu nuo 1,1 iki 18,7%. Kintantis chromo kiekis apvirinant įtakojo kintamą anglies pernešimą iš glaisto į apvirintą sluoksnį ( %). Anksčiau atlikti tyrimai [7,35,36] rodo, kad anglies kiekiui lydinyje Fe C Cr B 0,5%, dilimas ženkliai mažėja ir stabilizuojasi. Todėl mėginiuose (A1 A5) esantis C kiekis nuo 1,55 iki 2,62 % esminio poveikio rezultatui negali turėti. Tačiau šiuose lydiniuose mikrokietumo kitimą (4.4 pav.) nulėmė ne chromo kiekio variacija, bet būtent anglies kiekio kitimas. 4.4 paveiksle matyti, kad A1 A5 lydinių mikrokietumas kito labai panašiai kaip ir B1 B5 lydiniuose su analogišku anglies kiekiu. 36

37 Nudilimas I, g Kietumas H, HRC H = 6,97C + 42,4 R² = 0, ,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 Anglies kiekis, % 4.4 pav. A1 A5 mėginių anglies kiekio įtaka kietumui. A1 A5 lydinių nudilimas buvo labai panašus, tačiau buvo 2,3 2,7 karto mažesnis už etalono Hardox 400 nudilimą, kas rodo aukštą atsparumą abrazyviniam dilimui. Rezultatų kitimui įtakos turėjo tik šių lydinių kietumo kitimas (4.5 pav.). 0,30 0,20 0,10 I = -0,003H + 0,419 R² = 0,75 0, Kietumas H, HRC 4.5 pav. A1 A5 mėginių kietumo įtaka abrazyviniam dilimui. Didėjant aplydyto paviršiaus kietumui, didėjo ir jo atsparumas abrazyviniam dilimui į įtvirtintą abrazyvą. Šiame tiriamajame darbe nustatyta, kad dilimo į įtvirtiną abrazyvą sąlygomis (esant dideliam kontaktiniam slėgiui) chromo kiekis dilimui reikšmingesnės įtakos neturi ir dilimas, didėjant chromo kiekiui, beveik nekinta. Atlikti papildomi bandymai su labai panašios cheminės sudėties mėginiais C1 ir C2 (4.1 lentelė), kuriuose nėra boro parodė, kad šis elementas turi didelės įtakos agresyvaus abrazyvinio dilimo sąlygomis. 37

38 4.1 lentelė. Mėginių su kintamu C ir Cr kiekiu dilimo rezultatai. Mėginys Cheminiai elementai, % Kietumas, Nudilimas, H M /H A C Cr B HRC g A1 2,37 18,7 0, ,266 0,49 A2 2, , ,242 0,63 A3 1,88 8,1 0, ,260 0,48 A4 1,6 4,4 0, ,236 0,56 A5 1,55 1,1 0, ,270 0,45 B1 2,92 14,1 0, ,253 0,61 B2 2,05 15,7 0, ,284 0,49 B3 1,12 14,5 0, ,290 0,45 B4 0, , ,260 0,38 B5 0,15 15,5 0, ,833 0,29 C1 0,62 3, ,335 0,38 C2 0,44 7, ,354 0,44 Hardox 0,15 1,4 0, ,633 0,31 Aplydyti sluoksniai C1 ir C2 dilo vidutiniškai 30% daugiau nei mėginiai turintys apie 0,5% boro. Tai parodo reikšmingą šio elemento įtaką dilimui. Boras kaip atskiras elementas didesnės įtakos neturėtų, tačiau junginyje su kitais elementais (C, Fe, Cr, Ti) jo reikšmė tampa didelė. Boras šiuo atveju galėjo sudaryti junginius su Ti, Cr, Fe kadangi buvo pakankami pastarųjų kiekiai. Karbidų susidarymą liudija mikrošlifo vaizdai (4.6 pav.). 4.6 pav. A2 ir A3 mėginių mikrošlifo vaizdas ( 850). Elementų junginiai su boru vadinami boridais. CrB 2, TiB 2 boridai yra labai kieti (22 34 GPa) [37], todėl galėjo turėti ženklios įtakos atsparumui abrazyviniam dilimui. Taip pat boras galėjo jungtis ir su anglimi [7] sudarydamas labai kietą karbidą (B 4 C 38 GPa), kai tuo tarpu abrazyvo (Al 2 O 3 ) kietumas 11,7 GPa. Nors kietumas dažniausiai įvardijamas kaip viena iš pagrindinių atsparumo dilimui savybių, tai nėra visiškai teisinga. Vykstant dilimui vieną kūną ardo kitas kūnas. Taigi šioje 38

39 Santykinis atsparumas dilimui sistemoje yra tik du kūnai. Dilimas labai priklauso ne tiesiogiai nuo vieno paviršiaus ar kūno kietumo, o nuo jų kietumo skirtumo. Tarkime jei ardomojo kūno kietumas 40 HRC, o ardančiojo kūno tik 35 HRC, tuomet bus ardomas ne tas kūnas kuris yra ardomojo vaidmenyje, nes jo kietumas didesnis už ardančiojo. Iš šio pavyzdžio matoma, kad dilimas priklauso ne nuo vieno kūno kietumo, bet nuo sąveikaujančiųjų kūnų kietumų skirtumo. Teiginys, jog kuo paviršius kietesnis tuo jis atsparesnis dilimui netinkamas, nes jei jis viršija abrazyvo kietumą, tuomet dilimas nevyksta ir tolimesnis kietumo didinimas didesnio efekto neduoda [38]. Pateiktame grafike (4.7 pav.) matome metalo ir abrazyvo kietumų santykių (H M /H A ) įtaką dilimo atsparumui. Grafikas rodo, kad esant H M /H A santykiui didesniam už vienetą (1,1 H M /H A 1,3), atsparumas dilimui ženkliai išauga ir artėja į begalybę, o esant šiam santykiui intervale (0,2 H M /H A 0,8), didėja nežymiai. Pastovaus kietumo medžiagoms Minkštų fazių arba nepilnai sukietintų medžiagų abrazyvinio dilimo riba H M /H A 4.7 pav. Metalo ir abrazyvo kietumų santykių įtaka dilimo atsparumui [38]. Atliktuose tyrimuose apvirintų sluoksnių ir abrazyvo (Al 2 O 3, 11,7 GPa) kietumo santykis kito nuo 0,29 iki 0,61 (4.1 lentelė). Todėl 4.6 pav. paaiškina santykinai nedidelį dilimo pokytį kintant apvirinto sluoksnio kietumui ir didelius etaloninės medžiagos (Hardox 400) nudilimus, nes H Hardox 400 / H A = 0,31. 39

40 4.2 Atsparumo abrazyviniam dilimui ir paviršiaus geometrijos sąveika Atlikus abrazyvinio dilimo į įtvirtintą abrazyvą dilimo bandymus pastebėta, kad dilimo pėdsakas mėginių paviršiuje yra nevienodas. Išmatavus mėginių šiurkštumą nustatyta, kad lydiniuose A1 A5 ryšio tarp chromo kiekio ir šiurkštumo nėra (4.2 lentelė). Lydiniuose su kintamu anglies kiekiu B1 B5 nustatytas sąryšis tarp nudilimo ir šiurkštumo Ra (4.8 pav.). Nudilimas padidėja nuo 0,259 g iki 0,833 g, o paviršių šiurkštumas Ra padidėjo nuo 1,97 μm iki 2,68 μm. Mėginiuose A1 A5 šiurkštumas Ra kito nuo 1,8 μm iki 2,52 μm. 4.2 lentelė. Mėginių dilimo rezultatų vertinimas geometriniais parametrais. Mėginys Kietumas, HRC Nudilimas, g Šiurkštumas Ra, μm Vidutinis nelygumų kampas, laipsniais SPQ A1 54 0,266 2,03 29,3 0,791 A2 62 0,242 1,91 35,3 0,807 A3 53 0,260 2,51 29,4 0,791 A4 58 0,236 2,52 33,5 0,802 A5 51 0,270 1,81 35,7 0,808 B1 61 0,253 1,97 30,9 0,795 B2 54 0,284 2,46 27,4 0,786 B3 51 0,290 2,05 34,2 0,804 B4 45 0,260 1,87 35,6 0,808 B5 35 0,833 2,68 26,2 0,783 Hardox 37 0,633 2,41 29,9 0,793 40

41 Nudilimas I, g Nudilimas I, g 1 0,8 I = 0,026e 1,16Ra R² = 0,64 0,6 0,4 0,2 0 1,70 1,90 2,10 2,30 2,50 2,70 Šiurkštumas Ra, μm 4.8 pav. B1 B5 mėginių nudilimo įtaka šiurkštumui. Eksponentės lygtimi galima apibūdinti 64% B1 B5 mėginių nudilimo ir šiurkštumo Ra sąryšį. Didėjant nudilimui didėjo ir šiurkštumas Ra. Labiausiai dilusio mėginio B5 šiurkštumas Ra siekė 2,7 μm. Mažiausiai dilusio B1, šiurkštumas Ra buvo 1,9 μm. Vertinant paviršiaus nelygumus buvo išmatuoti mėginių dilimo pėdsako nelygumų viršūnių kampai. Gautų reikšmių duomenys pateikti 4.2 lentelėje. Iš šių reikšmių matome, kad A1 A5 mėginių su kintamu chromo kiekiu (1,1 18,7%) vidutinis viršūnių kampas nuo 29,3 o padidėjo iki 35,7 o, tačiau ryšio tarp kampo, chromo kiekio, nudilimo ir kietumo nėra. Mėginiams B1 B5 su kintamu anglies kiekiu (0,15 2,92%) nustatyta silpna, logaritmine funkcija aprašoma, priklausomybė (4.9 pav.). 1 0,8 I = -1,24ln(φ) + 4,64 R² = 0,44 0,6 0,4 0,2 0 25,0 27,0 29,0 31,0 33,0 35,0 37,0 Vidutinis nelygumų kampas φ, lapsniais 4.9 pav. B1 B5 mėginių nudilimo įtaka vidutiniam viršūnių nelygumų kampui. 41

42 Iš 4.9 paveikslo matome, kad esant didžiausiam nudilimui vidutinis nelygumų kampas buvo santykinai mažesnis už kitus ir lygus 26,2 o. Nudilimui kintant nuo 0,253 g iki 0,290 g nelygumų kampas kito nuo 27,4 o iki 35,6 o. Analizuojant abrazyvinio dilimo ir paviršiaus geometrijos sąveiką negalima nepaminėti ir pačių abrazyvinių dalelių abrazyvumo, nes tik nuo pačių dalelių priklauso koks paviršiaus ardymas bus. Kuo dalelė bukesnė ir glotnesnė tuo labiau vyrauja mikrodeformacinis, nuovarginis paviršiaus ardymas. Kuo dalelė kampuotesnė ir turi daugiau aštrių briaunų, tuo labiau vyraus paviršiaus ardymas mikropjovimu. Abrazyvinės dalelės abrazyvumas literatūroje apibūdinamas SV arba SPQ parametru [38,39]. SPQ parametras dalelės paviršių vertina nelygumų formos požiūriu [38,39]: čia n matuotų nelygumų skaičius pasirinktame atstume; φ i išmatuotas i tojo nelygumo viršūnės kampas. Šiame darbe buvo išmatuoti nelygumų įdubos kampai, nes abrazyvinės dalelės briaunos kampas lygus suardyto paviršiaus įdubos kampui ir pagal juos apskaičiuotas parametras SPQ (4.2 lentelė). Kuo paviršiaus nelygumai aštresni, tuo SPQ reikšmė yra artimesnė vienetui. Iš gautų reikšmių matosi, kad parametras SPQ svyravo ganėtinai siaurame intervale tiek A1 A5 sluoksniams, tiek B1 B5 sluoksniams. Lydiniams su kintamu chromo sluoksniu (A1 A5) SPQ reikšmė kito nuo 0,791 iki 0,808, kas sudaro tik 2,1% maksimalią rezultato sklaidą. Lydiniams su kintamu anglies kiekiu (B1 B5) SPQ parametras kito nuo 0,783 iki 0,808, o tai atitinkamai būtų tik 3,1% rezultato sklaida. SPQ reikšmės mažą kitimą, galima paaiškinti tuo, kad kaip abrazyvas buvo naudojamas vienas ir tas pats abrazyvinis popierius, kuriame vyravo tos pačios kilmės ir to paties abrazyvinių dalelių briaunų aštrumas. Abrazyvinių dalelių briaunų geometriją apibūdinančiam parametrui įtakos neturėjo nei anglies, nei chromo kiekiai, nei aplydyto sluoksnio kietumas. Tai parodo svarbią abrazyvinio dilimo agresyvumo priežastį. Pateiktose (4.10 pav.) profilogramose matosi, kad nėra ryškaus skirtumo tarp daug ir mažai chromo turinčių lydinių. 42

43 Paviršiaus profilis, μm Paviršiaus profilis, μm 0,02 0,01 0-0,01-0,02 0,0 0,8 1,5 2,3 3,0 3,8 4,5 5,3 Ilgis, mm a) 0-0,01-0,02-0,03-0,04 0,0 0,8 1,5 2,3 3,0 3,8 4,5 5,3 Ilgis, mm b) 4.10 pav. Kintamo chromo kiekio lydinių profilogramos: a) A1 lydinio; b) A5 lydinio. 43

44 Paviršiaus profilis, μm Paviršiaus profilis, μm 0,01 0,00-0,01-0,02-0,03 0,0 0,8 1,5 2,3 3,0 3,8 4,5 5,3 Ilgis, mm a) 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0,0 0,8 1,5 2,3 3,0 3,8 4,5 5,3 Ilgis, mm b) 4.11 pav. Kintamo anglies kiekio lydinių profilogramose: a) B1 lydinys; b) B5 lydinys. Skirtumas profilogramose taip pat neįžvelgiamas ir kintamo anglies kiekio lydiniuose B1 B5. Dilimo paviršių vaizdai gauti su skenuojančiu elektronų mikroskopu pateikti 4.12 paveiksle. 44

45 a) b) c) d) 4.12 pav. Dilusių paviršių SEM vaizdai ( 2000): a mėginys A1; b mėginys A5; c mėginys B1; d mėginys B paveikslas patvirtina apie agresyvaus ir didelio kontaktinio slėgio dilimo pėdsakus. Kaip matyti iš SEM vaizdų vyravo kryptingas metalų ardymas mikropjovimu, o tai liudija apie didelį abrazyvo ir apvirintų sluoksnių kietumų skirtumas. Kaip jau minėta anksčiau šis santykis kito nuo 0,29 iki 0,63. Visuose dilusiuose paviršiuose tik nedideli paviršiaus fragmentai yra nutrupėję. Sluoksniai su mažiausiu anglies kiekiu B5 dilimas turi specifinį paviršiaus suardymą, didžiausią šiurkštumą. Tai paaiškinama mažu kietumu ir didesniu už kitų sluoksnių tąsumu. Taip pat šiame sluoksnyje dėl mažo anglies kiekio nebuvo arba buvo mažai boro (B 4 C) ir geležies (Fe 3 C) karbidų. 45