Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

В. В. Ивановым были проведены испытания на машине типа МИ упрочненных накатыванием и не упрочненных образцов — дисков из стали 45 в паре с чугунными (СЧ18-36) колодками. Испытуемые стальные диски вырезались из вала, отдельные участки которого были упрочнены на трехроликовом приспособ­ лении при различных давлениях (диаметр ролика 170 мм, кон­ турный радиус 40 мм). Были испытаны три группы образцов: при сухом трении (без смазки) с давлением 13 кгс/см2; при смазке (три капли масла в начале испытания и по одной капле за каж­ дый последующий час) при том же давлении и при том же режи­ ме смазки, но при увеличенном до 26 кгс/см2 давлении. База ис­ пытаний, по которым судили об износе образцов, составляла для указанных трех групп соответственно 500 оборотов диска,. 700 тыс. оборотов и 1 млн. оборотов. До начала испытаний про­ изводилась тщательная притирка обойм к дискам до полного видимого прилегания поверхностей. В результате опытов было обнаружено значительное увеличение износа при сухом трении упрочненных образцов. При этом особенно большое увеличение износа (более чем в 2 раза) относится к образцам, упрочненным накатыванием при больших нагрузках (3 и 5 кгс). При испы­ таниях со смазкой упрочненные образцы показали сравнительно небольшие преимущества перед шлифованными образцами. По­ ложительный эффект упрочнения накатыванием роликами объ­ ясняется меньшим разупрочняющим действием поверхностно активной среды (эффект Ребиндера) для упрочненных образцов по сравнению со шлифованными.

Экспериментальные данные В. А. Кислика также подтверж­ дают, что износостойкость стали при сухом трении зависит от степени поверхностной пластической деформации: при малых степенях деформации наблюдается уменьшение износа по срав­ нению со шлифованными образцами, при увеличении степени пластической деформации износ интенсивно возрастает.

Ряд исследований был посвящен оценке влияния остаточных напряжений на износостойкость деталей. При этом были полу­ чены расходящиеся между собой данные. По-видимому, можно считать, что остаточные сжимающие напряжения в поверхност­ ных слоях изнашиваемой детали повышают износостойкость, если условия трения не вызывают снятия или перераспределения этих напряжений. При сухом трении вследствие значительного местного нагрева трущихся поверхностей возможно снятие пер­ воначально существовавших остаточных сжимающих напряже­ ний. М. Я. Белкин и др. провели в заводских условиях специаль­ ные исследования по упрочнению рабочих поверхностей накаты­ ванием роликами дисковых ножей для резки тонкого металла. Дисковые ножи диаметром 130 мм и толщиной 5 мм изготовляли из стали 5ХВ2С и подвергали термической обработке на твер­ дость HRC 46—52. Эти ножи выходят из строя в связи с затуп­ лением кромок и износом их при резании металла и скольжении

по обойме. Режущие кромки ножей сопрягаются с некоторым натягом в обойме (0,2—0,3 мм), в связи с этим они преодоле­ вают сопротивление разрезаемого металла и, кроме того, под­ вергаются износу при трении «сталь по стали» (со смазкой).

Упрочняющее накатывание дисков (при разных давлениях на ролик) производили однороликовым приспособлением на то­ карном станке. Результаты испытаний показывают, что упроч­ нение вызывает значительное повышение износостойкости дис­ ков. При этом сопрягаемая не упрочненная поверхность обоймы также изнашивается меньше, если диски упрочнены. При испытаниях установлено, что режим упрочнения накатыванием играет существенную роль — нагрузка на ролик 200 кгс оказа­ лась оптимальной. Было обнаружено также, что в результате упрочнения дисков коэффициент трения также существенно понизился. При анализе изменения твердости упрочненных дисков выявлено, что рюст износостойкости в связи с упрочне­ нием дисков определяется не столько увеличением их твердости (максимально на 12% при Р — 200 кгс), сколько повышением свойств поверхностных слоев.

Благоприятное влияние упрочнения накатыванием было подтверждено при производственных испытаниях дисковых ножей. Результаты производственных наблюдений показали, что упрочненные накатыванием ножи оказались значительно долго­ вечнее, чем такие же ножи без упрочняющей обработки.

Накатывание роликами часто используется для улучшения геометрических свойств поверхности и повышения качества механической обработки. Так, например, при накатывании роликами или шариками, особенно с применением вибронака­ тывания, можно уменьшить шероховатости рабочих поверхно­ стей стальных валов диаметром около 300 мм с исходной твер­ достью НВ 200—240 на два — три класса и уменьшить высоту волны в 2—4 раза. Такая обработка улучшает эксплуатацион­ ные свойства деталей — повышается износостойкость, прочность посадок и контактная жесткость [113].

Упрочнение химико-термическими (термодиффузионными) и комбинированными способами обработки

Химико-термическая (термодиффузионная) обработка по­ зволяет резко изменить качество поверхности стальных деталей машин. Как правило, при диффузии того или иного элемента из внешней среды в поверхностный слой детали и последующей термической обработке повышаются твердость и прочность поверхностного слоя, изменяется его химический состав и воз­ никают остаточные напряжения сжатия.

Цементация. Цементацию применяют для упрочнения мел­ ких и крупных зубчатых колес, кулачковых шайб, распредели­

тельных и других валов, пальцев поршней, тарелок клапана и прочих деталей. Практически глубина диффузии углерода для различных деталей колеблется от 0,5 до 2,0 мм, а концентрация углерода в слое не превышает 1,2%. Эффект упрочнения зависит от марки стали, глубины слоя и содержания углерода в цемен­ тованном слое, прочности, вязкости и твердости сердцевины, а также от величины сжимающих напряжений в поверхностном слое.

Для достижений максимальной эффективности упрочнения деталей, работающих в условиях статических и динамических нагрузок, рекомендуется содержание углерода в цементованном слое поддерживать в пределах 0,80—1,05%. В случае примене­ ния сталей с 0,27—0,34% С глубину цементованного слоя сле­ дует назначать в пределах 0,5—0,7 мм. Для цементуемых сталей, содержащих 0,17—0,24% С, глубину цементованного слоя принимают от 1,0 до 1,25 мм. Прц этом следует иметь в виду, что сопротивление усталости деталей машин без концен­ траторов напряжений при малых глубинах слоя зависит от прочности сердцевины, при больших — от прочности поверх­ ностного слоя. В этом случае повышение глубины упрочненного слоя оказывается полезным только до 10—20% радиуса детали. При глубине слоя меньше этих значений сопротивление устало­ сти повышается с увеличением прочности сердцевины. При на­ личии на поверхности деталей концентраторов напряжений сопротивление усталости повышается с увеличением остаточных напряжений сжатия, а глубина слоя должна быть очень малой (1—2% радиуса детали). Главным фактором, вызывающим увеличение предела выносливости при химико-термических методах обработки деталей, являются остаточные напряжения, возникающие в материале детали в процессе упрочнения. При поверхностной закалке т. в. ч. главное влияние на повышение предела выносливости и долговечности оказывает изменение механических характеристик материала поверхностного слоя.

Веще большей степени это относится к упрочнению наклепом. Для определения оптимальной относительной глубины уп­

рочненного слоя гладких деталей существует зависимость [1]

ностного слоя и сердцевины.

Оптимальная глубина определяет максимальное упрочнение. Поэтому если на основании расчета по этой формуле она

окажется меньше либо равной нулю, то упрочнение поверхност­ ного слоя может привести к снижению предела выносливости и долговечности детали. Может оказаться, что большая эффек­ тивность химико-термических методов упрочнения, выявленная на тщательно обработанных лабораторных образцах, не под­ твердится на реальных деталях с грубообработанной поверх­ ностью.

Химико-термические методы поверхностного упрочнения можно рекомендовать для повышения предела выносливости,

Рис. 95. Изменение усталостной прочности поверхностно-упрочнен­ ных деталей:

1 — г л а д к и е д е т а л и ; 2 — д е та л и с к о н ц е н тр а ц и е й н а п р я ж е н и й

долговечности деталей с тщательной обработкой поверхности. Например, азотирование стали 18ХНВА дает повышение преде­ ла выносливости и долговечности деталей при чистоте обработки поверхности не ниже 7-го класса и для предела прочности мате­ риала сердцевины детали не выше 80 кгс/мм2. При большем значении предела прочности материала сердцевины детали и более грубой обработке поверхности такого утверждения сде­ лать нельзя. В этом случае при азотировании возможно сниже­ ние предела выносливости и долговечности деталей. Сравнение различных методов упрочнения показывает преимущество поверхностной закалки. Данный метод применим для деталей, изготовленных из материалов повышенной прочности, и имеет меньшие ограничения в отношении шероховатости поверхности.

Оптимальная глубина упрочнения зависит от величины коэффициента концентрации напряжения. Чем больше коэффи­ циент концентрации напряжений, тем меньше оптимальная глубина упрочнения (рис. 95). Оптимальную глубину упрочне­ ния детали с концентрацией напряжений, характеризуемых ко­ эффициентом а, можно определить по формуле

Коэффициент с для каждого варианта упрочнения должен определяться экспериментально. Если он известен, то по этой формуле для каждого конкретного случая определяются опти­ мальные режимы упрочнения.

Азотирование. Насыщение поверхности детали азотом приво­ дит к изменению структуры и создает в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия. В результате изменения хими­ ческого состава, высокой твердости слоя и высоких остаточных напряжений в нем резко повышаются коррозионная стойкость, износостойкость и предел выносливости азотированных сталь­ ных деталей.

В практике азотирование применяется для получения высо­ кой твердости, хорошего сопротивления износу, усталостным разрушениям и для повышения коррозионной стойкости деталей машин, работающих на воздухе, в воде и паровоздушной атмосфере. При азотировании для повышения твердости обычно применяются стали типа 38ХМЮА, содержащие алюминий.

Азотирование для повышения твердости применяют там, где к деталям предъявляются особые требования в отношении износостойкости и предела выносливости, например, в произ­ водстве дизельной аппаратуры, измерительного инструмента, гильз цилиндров, зубчатых колес, коленчатых валов, шпинделей

счем и возрастает предел выносливости азотированных деталей. Значительное увеличение глубины азотированного слоя связано

спонижением остаточных напряжений сжатия в нем и может вызвать понижение предела выносливости.

Влияние глубины азотированного слоя на предел выносливо­

резко повышают предел выносливости стальных деталей с кон­ центраторами напряжений, если упрочненный слой непрерывно проходит и по опасным зонам (галтели, отверстия, шпоночные пазы, места проходов отверстий и др.). Применение местного предохранения от азотирования или цементации или удаление упрочненного слоя в местах концентрации напряжений приведет к тому, что в результате химико-термической обработки упроч­ нения не будет.

Пластическая деформация после азотирования в зонах кон­ центрации напряжений является недопустимой (даже если она не приводит к разрушению слоя), так как она уменьшает остаточные напряжения сжатия, поэтому правку деталей после

азотирования применять не следует. В целях повышения вяз­ кости и прочности азотированного слоя, необходимых для полу­ чения хорошего сопротивления усталостным напряжениям, твердость слоя стальных деталей должна быть в пределах ЯѴ650—700, а для повышения износостойкости (при отсутствии силовых нагрузок) НѴ 900—1100.

В связи с широким применением высокопрочного чугуна представляет интерес использование азотирования для упроч­ нения деталей, отлитых из высокопрочного чугуна. Установлено,

1 — до азотирования; 2 — после азо­ тирования в течение 40 ч; 3 — после азотирования в течение 60 ч; 4 — при ложном азотировании

что твердость азотированного слоя чугуна марки ВЧ60-2 может быть получена в пределах НѴ 650—1150, а предел выносливости азотированных образцов диаметром 50 мм повышается по срав­ нению с неазотированными на 60—90% (рис. 96).

Упрочнение азотированием нержавеющих сталей типа 25Х18Н8В2 резко повышает износостойкость при температурах до 600° С, при этом коэффициент трения при работе без смазки снижается с 0,7 до 0,1.

Цианирование. Этим методом наиболее часто упрочняют де­ тали из среднеуглеродистых сталей, а также режущий инстру­ мент из быстрорежущей стали. Вид цианирования и температур­ ный режим, а также состав ванн выбирают в зависимости от требуемой глубины и твердости слоя и материала детали. Глубина слоя для деталей, работающих в условиях переменных нагрузок, не должна превышать 5—10% величины радиуса деталей, а твердость должна находиться в пределах НѴ 700— 800. Повышение глубины слоя сверх указанных пределов может привести к отрицательным результатам.

Процесс низкотемпературного цианирования получил при­ менение для упрочнения инструмента после окончательной обработки и закалки. Стойкость цианированных режущих ин­ струментов, изготовленных из быстрорежущих и углеродистых сталей (фрезы, метчики, сверла, зенкеры), увеличивается на 100—200%. Глубина цианированного слоя для режущего инстру­ мента обычно находится в пределах 0,01—0,06 мм, а твердость слоя HRC 69—72. С увеличением твердости растет хрупкость слоя, поэтому процесс цианирования не для всех инструментов

о„,'Кгс/мм2

10 мм из мягкой углеродистой ста­ ли после цианирования на различ­ ную глубину h (кривая/) и це­ ментации (кривая 2)

дает одинаковый эффект упрочнения. Нецелесообразно цианировать инструменты небольших размеров (сверла диаметром до 8 мм, метчики с шагом резьбы до 1,5 мм).

Цементация или цианирование стали с последующей закал­ кой вызывает значительное повышение предела выносливости деталей. Для цементованных и цианированных образцов из мягкой углеродистой стали характерными являются результаты усталостных испытаний, проведенных в ЦНИИТМАШе (рис. 97).

Исследования проводили на консольных цилиндрических образцах диаметром 10 мм, которые испытывали на переменный изгиб при вращении. Аналогичное повышение сопротивления усталости в результате цементации обнаруживают и детали из специальных легированных сталей.

Для цементуемых и цианированных стальных деталей харак­ терно наличие остаточных напряжений, вызванных структурны­ ми превращениями и объемными изменениями при закалке. В цементованных слоях образуются более или менее значитель­ ные сжимающие остаточные напряжения, распространяющиеся на глубину, превышающую зону закалки и переходную зону. При этом роль остаточных напряжений тем больше, чем больше концентрация напряжений в деталях. Однако максимум оста­ точных сжимающих напряжений в цементованных или циани­ рованных деталях располагается не у самой поверхности, а на некоторой глубине. У самой поверхности таких деталей наблюдается уменьшение сжимающих напряжений, а в ряде случаев они даже переходят в растягивающие.