ВЛИЯНИЕ ВИДОВ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СПЛАВОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕ ТАЛЕЙ

5.1. КАЧЕСТВО ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА

Прочность и эксплуатационные свойства деталей машин в значительной степени определяются факторами, связанными с процессом плавки и методом получения формы детали. При этом механические свойства стальных и чугунных деталей зависят не только от химического состава металлаи последующей термообработки, но и от способа выплавки стали, структуры и свойств участка слитка, из которого изготовлена деталь. Известно, например, что так называемая кипящая сталь полному раскислению при выплавке не подвергается, слиток отличается значительным количеством газовых пузырей, образующихся в процессе затвердевания и при последующей горячей обработке - прокатке - газовые пузыри, расположенные недалеко от поверхности слитка, могут дать опасный поверхностный дефект волосовины. Особое влияние на служебные свойства отливок оказывают литейные напряжения, являющиеся результатом совместного действия температурных, усадочных и структурных факторов.

Уменьшение прочности отливок под влиянием литейных напря­жений часто имеет место у крупных литейных валов, плит и корпусов с тонкими ребрами, больших шкивов, маховиков и т.д.

Основными мероприятиями по борьбе с литейными напряжениями являются такие, как обеспечение равномерного охлаждения всех частей отливки (путем подвода питателей литников к тонким частям или установления холодильников в толстых частях), изготовление отливки из нескольких частей, высокотемпературный отпуск, нормализация и термическое улучшение (закалка и отпуск) - (табл. 5.1 для стали 35Л).

Таблица 5.1

ВЛИЯНИЕ ВИДОВ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Значительное влияние на механические свойства отливок оказывают различные присадки, вводимые непосредственно в жидкую сталь с целью улучшения (модификации) ее структуры. У стали 30Л, например, после модификации 0,2% Са предел прочности при разрыве повышается с 568 МН/м² до 644 МН/м², а относительное удлинение - с 17 до 22 %.

Для изготовления высоконапряженных зубчатых колес горных машин применяют в основном высокопрочные цементуемые стали 12ХНЗА, 25ХГТ, 18ХГТ, 20X2Н4А. Возможности существенного повышения прочности колес из этих сталей в значительной степени использованы. Это обусловлено недостаточной пластичностью и высокой чувствительностью этих сталей к концентрации напряжений, вызванной неметаллическими включениями.

Известно, что качество стали и сопротивление усталости деталей, при прочих равных условиях, обусловлены количеством неметаллических включений в слитке, пластичностью и анизотропией (различием в разных направлениях) механических свойств. Оптимальное сочетание этих факторов может быть достигнуто на основе применения современных металлургических про­цессов: электрошлакового (ЭШП) или вакуумного дугового переплава стали, рафинирования стали синтетическими шлаками (СШ), применение которых позволяет получить металл высокой чистоты, освободиться от вредных при­месей. Стали, выплавленные этими методами, превосходят обычную сталь по плотности, пластичности и ударной вязкости. Испытания таких сталей показывают, что долговечность зубчатых колес из стали ЭШП в среднем в 7 раз, из стали СШ - в 5 раз превышает этот показатель для серийной стали 20Х2Н4А.

Для придания металлическому слитку желаемой формы применяется обработка давлением: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, горячая или холодная штамповка, выдавливание. С помощью этих способов из слитков получают листы, прутки, трубы, поковки, штамповки - заготовки для деталей. Пластическая деформация металла при этом изменяет их струк­туру и оказывает большое влияние на механические свойства деталей, про­исходит изменение макроструктуры и образование текстуры - определенной ориентации зерен на поверхности. Поэтому существует определенное прави­ло, согласно которому расположение волокон должно в возможно большей степени повторять конфигурацию детали и не «перерезываться» стенками детали.

Так, зубчатые колеса получают правильную ориентировку (без перерезывания волокон) (рис. 5.1, 6) в том случае, если их изготовляют путем ковки осадкой в торец. Если это условие нарушается и волокна направлены попе­рек или вдоль зубьев (рис. 5.1, а), то они могут в эксплуатации отламываться вследствие расслоения между волокнами.

Рис. 5.1. Различное расположение волокон

Особенно благоприятное расположение волокон в ответственных де­талях (шарошках бурильных долот, звездочках, в резьбовых соединениях буровых штанг и т.п.) достигается при горячей или холодной накатке зубьев, резьб, шлицев и т.п. (см. рис. 5.1, 6). У деталей типа валов, осей, штоков, ша­тунов, разрушающихся в результате циклических напряжений изгиба, круче­ния, сжатия-растяжения и т.д., оптимальным является расположение воло­кон вдоль направления максимальных растягивающих напряжений и одно­временно под углом 45° к направлению максимальных касательных напря­жений, т.е. вдоль оси вала.

Большое значение расположение волокон имеет для деталей, разрушающихся вследствие контактной усталости металла. Так, контактная уста­лостная прочность у роликов подшипников с продольным расположением волокон в 3-5 раз выше, чем у таких же роликов с поперечным (перпендику­лярно оси) расположением волокон.

5.2. ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ НА СВОЙСТВА ДЕТАЛИ

Опыт эксплуатации машин подтверждает, что основными факторами, определяющими долговечность машин, являются не только механические свойства материала, из которого изготовлены детали, но и качество поверх­ностного слоя (см. гл. 4, § 4). В процессе механической обработки со сняти­ем стружки происходят физические процессы, которые существенно изме­няют свойства поверхностного слоя. Качество поверхностного слоя детали может характеризоваться геометрическими факторами и физико-механическими свойствами. К геометрическим факторам относятся: макро­геометрия, волнистость и шероховатость, направление штрихов; к физико-механическим - твердость, тонкая кристаллическая структура, наклеп, оста­точные напряжения. Причинами появления неровностей на поверхности об­рабатываемой детали являются: неравномерность самого процесса резания, дисбаланс вращающихся элементов (деталь, патрон и т.п.), копирование неровностей на режущей кромке инструмента и ее движения, оставляющие на поверхности остаточные гребешки, и др.

Геометрические параметры, образующиеся после срезания стружки, оказывают большое влияние на износостойкость, выносливость, сопротив­ление ударным нагрузкам, коррозионную усталость. Впадины микронеров­ностей являются концентраторами напряжений, причем тем больше, чем глубже впадина t и меньше ее радиус r:

, где a - коэффициент концентрации напряжения для процессов механической обработки составляет 1,5¸2,5 . На рис. 5.2 показано влияние величины шероховатости и направления штрихов на износ. С увеличением волнистости эксплуатационные свойства сопряженных деталей ухудша­ются, так как площадь приле­гания поверхностей друг к дру­гу уменьшается, увеличивают­ся контактные напряжения.

Влияние геометрических параметров на усталостную прочность деталей машин осо­бо ощутимо для высококачест­венных сталей. Чем прочнее материал, тем больше сказыва­ется вредное влияние шерохо­ватости на предел выносливости (рис. 5.3).

Однако фактор шерохо­ватости не всегда оказывает преобладающее влияние на предел выносливости детали. Так, дробеструйная обработка детали (см. рис. 5.3, кривая 4), не улучшая чистоту, существенно повышает предел выносливости. Это объясняется по­явлением при дробеструйной обработке наклепа поверхностного слоя, при котором твердость металла в наружных слоях может повыситься в 1,5 раза. При механической обработке в процессе срезания стружки также мо­жет создаваться наклепанный слой глубиной до 0,5мм, который может вли­ять на усталостную прочность детали (рис. 5.4), т.е., управляя процессом резания, можно влиять и на прочность обработанной детали. Как видно из рис. 5.4, с величины переднего угла g=-30° фактор шероховатости уже не влия­ет на предел выносливости. Таким образом, в некоторых случаях отпадает необ­ходимость в чистовых отделочных процессах.

Например, грубо обработанные точением торсионные валики дают в два раза пониженную усталостную прочность по сравнению с полированными. Обточка этих валиков резцом с g=- 30° приве­ла к тому, что их прочность стала выше прочности полированных валиков.

Анализ напряженного со­стояния металла впереди резца дает возможность установить, что в поверхностном слое обработан­ной поверхности, в зави симости от направления силы резания, могут образовываться как сжи­мающие, так и растягивающие остаточные напряжения (рис. 5.5). Если остаточные напряжения сжатия, складываясь с опасными растягиваю­щими рабочими напряжениями (рис. 4.7), понижают их и за счет этого повышают усталостную прочность валов, например, в 2-3 раза, то остаточные напряжения растяжения могут привести к преж­девременному отказу детали.

Действие остаточных напря­жений следует рассматривать со­вместно с наклепом, так как эти два явления неразрывно сопутствуют один другому.

Рассматривая процесс резания как процесс, влияющий на качество поверхностного слоя, создающий определенные физико-механические свойст­ва этого слоя, необходимо представлять, что процесс резания изменяет свой­ства тонкого поверхностного слоя от 0,05 до 0,25 мм. Такие слои могут вли­ять на ограниченную номенклатуру некрупных деталей с особыми требова­ниями к качеству поверхностного слоя. Для крупных деталей, когда требует­ся упрочнить поверхностный слой 0,5¸5 мм, разработаны и применяются специальные методы упрочнения, которые описаны ниже.

Рис. 5.5. Влияние геометрии резца: s_сж, s_раст – остаточные напряжения сжатия и растяжения соответственно, h – расстояние от поверхности в глубь детали

5.3 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ

Термическая обработка металлов и сплавов - один из самых эффектив­ных и распространенных методов улучшения их свойств. В основе процессов термической обработки лежит явление полиморфизма - существования од­ного и того же металла в различных кристаллических формах. Полиморфные превращения происходят, как правило, при нагреве или охлаждении до оп­ределенных температур (так называемых критических точек) и вызывают образование структур с теми или иными свойствами. Изменяя температуру нагрева (или охлаждения), выдержку при этой температуре и скорость по­следующего охлаждения, можно либо приблизиться к равновесному струк­турному состоянию, либо зафиксировать соответствующие метастабильные структуры.

Механические характеристики неупрочненных металлических мате­риалов настолько далеки от требований современного машиностроения, а эффективность упрочнений настолько велика, что все детали, подчиненные критериям прочности и износа, должны упрочняться. Как метод упрочнения наиболее широкое распространение в практике получила закалка в сочета­нии с отпуском для снятия остаточных закалочных напряжений и приведе­ния структуры металла в равновесное состояние. Закалка повышает проч­ность углеродистых сталей в 1,5-2 раза. Существует объемная закалка дета­лей, при которой термической обработке (закалке и отпуску) подвергается весь объем металла детали, и поверхностная закалка, при которой термической обработке подвергаются отдельные элементы (зубья шестерен, шлицы и т.п.) или поверхностные слои (шейки валов, зубьев крупных шестерен и т.п.). Объемной закалке подвергаются некрупные детали, равномерно нагруженные, сравнительно простые по конфигурации. Для уменьшения зака­лочных напряжений в деталях, которые могут привести к появлению закалочных трещин, применяются специальные способы закалки (рис. 5.6): пре­рывистая (кривая 2), ступенчатая (кривая 3), изотермическая (кривая 4), за­калка с подстуживанием (кривая 5).

Рис. 5.6. Варианты охлаждения при закалке стали:

1 - обычная, 2 - прерывистая, 3 - ступенчатая, 4 - изотермическая,

5 - подстуживание, 6 - высокотемпературная обработка, 7 - низкотемпературная термомеханическая обработка

Конечным процессом термической обработки является отпуск. Разли­чают низкий отпуск (150-200°), средний (300-450°) и высокий (500-650°). Низкий отпуск обеспечивает максимальную твердость в поверхностном слое (HRc 59-63) и применяется для деталей, от которых требуется высокая изно­состойкость (подшипники, зубчатые колёса, пальцы, рабочий инструмент и др.). При среднем отпуске достигается твердость НRс 44-54, он применяется для деталей, которые наряду с высокой прочностью и упругостью должны обладать достаточной вязкостью (рессоро-пружинные стали, звездочки и др.) Высокому отпуску подвергают главным образом детали, работающие при знакопеременных нагрузках (валы, шатуны и др.).

Для крупных деталей, когда необходимо закалить отдельные быстроизнашивающиеся или особо нагруженные элементы, при необходимости со­хранить вязкую сердцевину элемента, применяют поверхностную закалку с нагревом поверхности газовым пламенем или токами высокой (или про­мышленной) частоты.

Поверхностной закалке с нагревом газовым пламенем подвергаются детали из средне- и высокоуглеродистых сталей и чугунов (серого, модифицированного, легированного и ковкого, в которых содержание связанного углерода находится в пределах 0,4-0,85 %). Детали нагревают специальными горелками до закалочной температуры на глубину 1-6мм и быстро охлажда­ют. Этот способ закалки наиболее эффективен и целесообразен при местном упрочнении главным образом крупных деталей в индивидуальном и мелко­серийном производстве. К преимуществам этого метода относится простота оборудования и легкость выполнения операции закалки.

Выполнение этой операции может производиться непрерывным или циклическим методом. При циклическом методе можно производить закалку цилиндрических деталей: шеек коленчатых валов, роликов и шестерен небольшого диаметра, шеек крупных валов, зубьев крупных колес с m>24 и плоских деталей больших размеров: листов погрузочных машин и ковшей экскаваторов, направляющих элементов станин горных машин и т.п. Часто такую закалку можно осуществить на месте сборки машины.

При термической обработке деталей с применением нагрева токами высокой и промышленной частоты цикл ее значительно сокращается. Про­цесс приспособлен для автоматизации, управления и контроля параметров, поверхностный закаленный слой получается более твердым, чем при закалке с нагревом в печи или газовыми горелками.

По условиям нагрева различают одновременный метод закалки, когда индуктор охватывает всю нагреваемую поверхность, и непрерывно-последовательную закалку, когда в процессе нагрева деталь и индуктор все время перемещаются относительно друг друга. Одновременный метод применяют, как правило, для закалки мелких деталей и деталей с небольшой поверхностью (звездочек, зубчатых колес небольшого модуля и т.п.), непре­рывно-последовательный - для закалки длинных и тонких деталей (валов, осей, штанг и т.п.) или крупных деталей (для колес с m>6). Применение уп­рочнения трубных буровых штанг с нагревом ТВЧ обоих концов заготовки на специальной полуавтоматической установке обеспечивает высокую про­изводительность (35 штанг в час) и повышает эксплуатационную стойкость штанг в 4-4,5 раза. Закалка с нагревом ТВЧ успешно используется для уп­рочнения внутренних поверхностей отверстий (в т.ч. глубоких отверстий бо­лее 11 мм). Внутренние поверхности цилиндров закаливают в воде отпуска­нием индуктора внутрь с зазором »1мм. При включении индуктора вода ме­жду индуктором и стенкой детали быстро испаряется, а стенка нагревается до температуры закалки. При выключении тока или продвижении индуктора вдоль оси вода заливает и закаливает нагретую поверхность.

На Уралмашзаводе для непрерывно-последовательной закалки валов и валов-шестерен длиной до 6000 мм, при закаливаемой части до 3100 мм, диа­метром до 800 мм, весом до 10 т изготовлен специальный станок, снабжен­ный гидравлическим приводом для движения индуктора со скоростью до 20 мм/сек. Изготовлен также станок для закалки зубчатых колес с модулем 10-500 мм, диаметром 300-5000 мм, весом до 15 т. Разработан и внедрен полу­автомат для поверхностного упрочнения глубинно-насосных штанг, на кото­ром можно упрочнять детали до 8 м и диаметром до 300 мм. Создана уста­новка для последовательной закалки валов и корпусов турбодувов диамет­ром 100-265 мм и длиной до 12 м, шестипозиционный полуавтомат для уп­рочнения деталей замков и приводных концов к бурильным трубам, на кото­ром могут обрабатываться детали диаметром 140-215 мм, длиной до 500 мм при производительности 8-10 деталей в час.

В последние годы появился метод термической обработки (термомеханическое упрочнение), совмещающий преимущества упрочнения пласти­ческой деформацией металла с термическим упрочнением - закалкой. Проч­ность легированных сталей при этом может быть повышена в 5-6 раз. Характерно большое внимание к этому упрочнению в США. При этом может применяться пластическая деформация при высокой температуре - ВТМО[1] - для углеродистых и легированных сталей (см. рис. 5.6, кри­вая 6) и низкотемпературная пластическая деформация с термоупрочнением (см, рис. 5.6, кривая 7). В первом случае трудностью является проведение пластической деформации (на прессе) заготовки, нагретой до высокой тем­пературы. А второй способ применим только для легированных сталей при устойчивом аустените. И тот и другой способы пока применяются для дета­лей простой формы (лента, пластины, трубки и т.п.), но практика показыва­ет, что при этом долговечность детали повышается в 2,5-3 раза по сравне­нию с закалкой ТВЧ.

К термическому упрочнению деталей относится и химико-термическая
обработка, которая в результате совместного действия температуры и актив­
ной внешней среды позволяет изменять химический состав поверхностных
слоев металла с целью повышения служебных свойств деталей машин. В основе химико-термической обработки поверхностей деталей лежит способ­ность поверхностного слоя изменять свойства при насыщении углеродом, азотом, бором, кремнием, хромом и другими элементами. Азотирование (на­сыщение азотом) обеспечивает особо высокую поверхностную твердость, износостойкость и сопротивление заеданиям, а также значительное повыше­ние прочности (особенно при больших общих циклах нагружений), но чув­ствительна к ударным нагрузкам. Зубья шестерен после азотирования в свя­зи с минимальным короблением после этой обработки можно не шлифовать, что способствует применению азотирования для колес с внутренними зубьями и других, для которых шлифование трудно осуществимо. Наибольшее применение этот метод получил для упрочнения поверхностей деталей ма­шин, работающих в условиях трения и знакопеременных нагрузок изгиба (шейки валов, седла клапанов, толкатели двигателей внутреннего сгорания, шестерни, гильзы цилиндров, трущиеся пазы насосов и компрессоров). Так, азотирование рабочих поверхностей втулок грязевых насосов в 4 раза повы­шает их стойкость.

Существуют и другие методы химико-термической обработки деталей: борирование - создающее тонкий слой высокой твердости, цианирование и нитроцементация - насыщение углеродом и азотом, силицирование - насы­щение кремнием для повышения коррозионной стойкости, сульфидирование - насыщение серой для предотвращения задиров и как способ ускорения приработки, сульфоцианирование - для деталей, у которых затруднена смаз­ка. Все эти методы предназначены для повышения срока службы деталей, что замедляет старение машин.

5.4. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НАКЛЕПОМ

Значительный эффект повышения долговечности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок и имеющих концентраторы напряжений, места прессовых посадок, а также работающих в коррозионных средах, дос­тигается за счет поверхностного наклепа, получающегося в результате пла­стической деформации поверхностных слоев деталей. Пластическая дефор­мация металла повышает прочность и твердость поверхностного слоя (наклеп) и, кроме этого, создает в наружных слоях весьма благоприятные для циклических нагрузок остаточные напряжения сжатия (см. рис. 4.6).

Существует много различных видов поверхностного упрочнения (рис. 5.7). Один из самых распространенных видов - дробеструйная обработка - пластическое деформирование поверхностного слоя под действием кинети­ческой энергии потока дроби, создаваемой или воздушной струей (см. рис. 5.7, а), или центробежной силой (см. рис. 5.7, б). Этот метод широко приме­няется для пружин, рессор, зубчатых колес, шатунов, штанг, буровых шаро­шек и др. деталей. Он повышает ресурс пружин и рессор почти в 10 раз, а зубчатых колес - в 5-14 раз.

Ротационно-ударный наклеп шариками (см. рис. 5.7, в) осуществляют с помощью вращающихся оправок-упрочнителей, в профильных канавках которых помещаются шарики, которые имеют возможность после удара об упрочняемую поверхность утапливаться в пределах радиального натяга. Этот вид упрочнения дает очень чистую поверхность и применим для уп­рочнения тонкостенных деталей. Испытания направляющих втулок пневмо-молотков, обработанных центробежно-шариковым методом, показывают, что их износ в 2 раза меньше по сравнению с обработкой развертыванием.

Рис. 5.7. Виды поверхностного упрочнения

Одним из самых простых методов упрочнения наклепом является обкатывание упрочняемой поверхности роликами и шариками (см. рис. 5.7, г, д), при котором не требуется специального оборудования, а эффект от уп­рочнения весьма значителен. Этот метод широко применяется на многих за­водах. В табл. 5.2 представлены различные схемы упрочнения деталей гор­ных машин, осуществляемые на Уралмаше. Долговечность таких деталей увеличивается в 2-4 раза. Обкатывание роликом поверхностей труб разве­дочного бурения приводит к повышению их стойкости в эксплуатационных условиях в 3 раза по сравнению с трубами, обработанными шлифованием. Разработаны приспособления и режимы упрочнения обкаткой крупных зубь­ев шестерен: так, бортовые шестерни экскаватора ЭКГ-4,6 (m=26 мм) при этом увеличивают долговечность в 3-4 раза, конические шестерни привода конусных дробилок (m=30 мм) - до 10 раз. Горные машины, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях под воздействием абразивных сред, требуют иногда глубокого слоя упрочнения, который не может быть получен при рассмотренных выше методах. В этом случае может применяться чеканка обработанной поверхности (см. рис. 5.7, е, ж), при которой глубина упрочнения может достигать 35 мм. Наклеп при этом получается с помощью пневматических молотков или специальных приспособлений, установленных на обычные универсальные станки (токарные, строгальные, фрезерные). Применение чеканки для упрочнения ступенчатых валов обеспечивает равнопрочность их элементов и в 1,5-2 раза повышает несущую способность валов.Таким методом могут упрочняться зубчатые колеса, шлицевые соеди­нения, сварные швы, крупные резьбы. Так, упрочнение резьбы валов конус­ных дробилок позволяет увеличить предел выносливости на 50%, упрочнение корня шпицев полуосей экскаваторов ЭКГ-5 увеличивает долговечность этих деталей в 2 раза.

Таблица 5.2