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

Диффузионное насыщение металлами. Для насыщения по­ верхности деталей металлами с целью увеличения их срока службы в настоящее время наиболее широкое применение наш­ ли такие процессы, как алитирование и диффузионное хроми­ рование. В отдельных случаях насыщение поверхности деталей производят также ниобием, молибденом, вольфрамом и вана­ дием или производят комплексное насыщение, например хромом и алюминием.

Эффективность применения насыщения стали карбидообра­ зующими элементами объясняется тем, что получающийся в этом случае диффузионный слой состоит из карбидов этих элементов, отличающихся высокой твердостью, износостойкостью и эрози­ онной стойкостью. С другой стороны, насыщение поверхности сплавов на нежелезной основе (на основе никеля, молибдена, ниобия) алюминием и хромом сообщает им высокие жаростой­ кость, предел выносливости и способность к сопротивлению термическим ударам. Особенно эффективным является приме­ нение диффузионного хромирования и комплексного насыщения поверхности жаропрочных никелевых сплавов хромом и алюми­ нием (хромоалитирование).

Насыщение хромом позволяет значительно увеличить кор­ розионную стойкость железа и стали в азотной и уксусной кислотах, в среде перекиси водорода и в растворе хлористого натрия. Насыщение вольфрамом и молибденом сообщает кор­ розионную стойкость железу и стали в серной кислоте, насы­ щение марганцем увеличивает стойкость в среде перекиси водорода и хлористого натрия, а насыщение ниобием и ванади­ ем способствует повышению коррозионной стойкости стали в серной кислоте.

Повышение сопротивления усталости цементованных и цианированных деталей дробеструйной обработкой. Практика и ла­ бораторные опыты показывают, что в результате поверхностной пластической деформации удается весьма существенно повысить сопротивление усталости деталей, подвергнутых предварительно

Часть зубчатых колес после цементации и закалки подвергали поверхностному наклепу на дробеструйной установке ДУ-1 по режиму: частота вращения ротора 2900 об/мин, время обработ­ ки 2 мин, диаметр стальной дроби 0,6 мм. Испытания зубьев

зубчатых колес при знакопостоянном изгибе осуществляли на гидравлическом пульсаторе с частотой 460 циклов в минуту на базе ІО6 циклов. Результаты испытаний зубьев, подвергнутых цементации и цементации с последующим дробеструйным на­ клепом, показали пределы выносливости соответственно 26 и 42 кгс/мм2, т. е. повышение выносливости на 62%.

Положительный эффект от поверхностного наклепа цианированных зубчатых колес коробок передач легковых автомобилей ГАЗ отмечает Д. А. Свешников. Зубчатые колеса из стали 40Х по существующей на заводе технологии подвергали цианирова­ нию на глубину около 0,2 мм с твердостью у поверхности НДС 48—56. В эксплуатации наблюдались случаи усталостного разрушения зубьев на коробках передач автомобилей повышен­ ной мощности. Проведенным на заводе исследованием было установлено, что наклеп дробью почти в 2 раза повышает предел выносливости цианированных зубьев при пульсирующем изгибе. Наклеп дробью зубчатых колес не вызвал потери их статиче­ ской прочности, не ухудшил шумовых качеств коробки передач, не изменил сопротивления контактному выкрашиванию и не вызвал существенных изменений их размеров.

Внедрение дробеструйной обработки позволило унифициро­ вать детали и применить зубчатые колеса на легковых автомо­ билях повышенной мощности, обеспечив при этом надежность их в эксплуатации. Двукратное повышение долговечности вслед­ ствие дробеструйного наклепа цементованных зубчатых колес (модуль 2,75) наблюдалось у мотоцикла ИЖ-49 [72]. Зубчатые колеса мотоцикла в серийном производстве изготовляются из стали 12ХН4А и имеют после цементации и закалки с отпуском твердость НДС 60—52. Обработку зубчатых колес производят на дробеструйной установке типа ДУ-1 стальной дробью диа­ метром 0,9—1,0 мм в течение 10—14 мин. Двукратное повыше­ ние срока службы зубчатых колес после дробеструйного накле­ па было установлено при испытании зубьев на переменный изгиб по знакопостоянному циклу с коэффициентом асимметрии 0,5 при максимальном изгибающем напряжении 53 кгс/мм2. По­ ложительное влияние цементации с последующим поверхно­

стным наклепом было отмечено также в ряде других иссле­ дований.

Пластическое деформирование цементованного и закаленно­ го слоя с целью дополнительного повышения предела выносли­ вости и поверхностной твердости может быть осуществлено и путем обкатывания деталей роликами или шариками. Практи­ ческое применение обкатки роликами для упрочнения цементо­ ванных деталей затрудняется в связи с тяжелыми условиями,

вкоторых работают обкатывающие ролики. Это вынуждает применять ролики из твердых сплавов или с наплавками, а при использовании стальных роликов приходится часто заменять их

всвязи с интенсивным износом.

Во многих случаях ответственные детали после цементации и термической обработки подвергают шлифованию. Шлифова­ ние может вызвать в тонких поверхностных слоях детали значи­ тельные остаточные растягивающие напряжения. Применение после шлифования обкатки роликами цементованных образцов резко улучшает распределение остаточных напряжений и повы­ шает предел выносливости.

На основании проведенных исследований и практического опыта можно заключить, что в результате химико-термической обработки (цементации или цианирования) предел выносливо­ сти деталей значительно повышается. Это особенно характерно для деталей с концентраторами напряжений. Наибольшее практическое применение поверхностный наклеп нашел для це­ ментованных зубчатых колес, где в результате этой операции несущая способность повышалась в 2 раза, а долговечность в несколько раз.

Для поверхностного пластического деформирования цемен­ тованных деталей могут быть использованы методы дробеструй­ ного наклепа и обкатка роликами. Особенно эффективен метод поверхностного наклепа цементованных или цианированных деталей, предел выносливости которых понижен в связи с после­ дующим шлифованием. Поверхностный наклеп может быть использован для устранения полюсных разрушений цементован­ ных зубьев зубчатых колес. Повышение предела выносливости цементованных или цианированных деталей при применении поверхностного наклепа объясняется благоприятным изменени­ ем эпюр остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей.

Упрочнение наклепом поверхностно-закаленных деталей. Особенностью поверхностной закалки является малая продол­ жительность нагрева, в результате чего получаемое изделием тепло не успевает распространиться на значительную глубину. Поэтому закалке подвергается только поверхностный слой изде­ лия, а сердцевина остается незакаленной и сохраняет свои первоначальные свойства.

Широкое распространение в машиностроении получила поверхностная закалка с индукционным нагревом. Она находит

остаточные сжимающие напряжения. Неравномерный нагрев детали и связанные с этим пластические деформации вызывают в поверхностных слоях остаточные растягивающие напряжения. Эти два указанных фактора приводят к сложным распределе­ ниям остаточных напряжений в поверхностно-закаленных деталях. При этом особенно ответственные поверхностные зоны

/ — образцы без поверхностной за­ калки; 2 — образцы с поверхност­ ной закалкой в а глубину 1,2 мм

деталей могут приобретать как сжимающие остаточные напря­ жения, так и растягивающие.

При закалке гладких, плоских или наружных цилиндриче­ ских поверхностей в поверхностных слоях возникают остаточные сжимающие напряжения, т. е. в этих случаях преобладает структурный фактор. Однако при закалке вогнутых поверхно­ стей закаленный слой приобретает иногда остаточные растяги­ вающие напряжения.

В соответствии с характером распределения остаточных напряжений определится и эффективность последующего уп­ рочнения наклепом для поверхностно-закаленных деталей. Если в результате поверхностной закалки возникают высокие оста­ точные сжимающие напряжения, то следующее упрочнение детали наклепом сравнительно мало повышает предел вынос­ ливости. Наоборот, в тех случаях, когда поверхностная закалка приводит к образованию растягивающих остаточных напряже­

ний, применение поверхностного наклепа может быть по­ лезным.

На рис. 98 приведены эффективные коэффициенты концен­ трации напряжений ßK для надрезанных образцов, не прошед­ ших и прошедших поверхностную закалку. Эффективный коэффициент концентрации напряжений резко снижается у образцов, прошедших поверхностную закалку, и для неглубо­ ких надрезов (h = 0,4 мм) близок к единице.

Сравнительно менее эффективной оказалась поверхностная закалка образцов, ослабленных поперечными отверстиями. У образцов этой группы повысился предел выносливости в ре-