8. Материалы валов и осей

Выбор материала и термической обработки валов и осей обусловлен как их собственными критериями работоспособности, так и критериями работоспособнос­ти цапф с опорами, значение последних в случае опор скольжения может быть определяющим [1].

Основными материалами для валов и осей служат углеродистые и легированные стали (табл. 4) ввиду их прочности, высокого значения модуля упругости, способности к упрочнению и легкости получения требуемых цилиндрических заготовок путем прокатки.

Для валов и осей, подчиненных критерию жесткости и не подвергающихся термической обработке, преиму­щественно применяют стали марок Ст5 и Ст6. Для большинства валов применяют термически обрабатыва­емые среднеуглеродистые и легированные стали марок 45,40Х. Для высоконапряженных валов ответственных машин применяют легированные стали марок 40ХН, 40ХН2МА, ЗОХГТ, ЗОХГСА и др. Валы из этих сталей обычно подвергают улучшению, закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке с нагревом ТВЧ и низким отпуском (шлицевые валы).

Для быстроходных валов, вращающихся в подшип­никах скольжения, необходима высокая твердость цапф. Валы в этом случае изготовляют из цементуемых сталей марок 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ или азотируемых сталей марок 40ХН2МА, 38Х2МЮА. Наибольшую износо­стойкость имеют хромированные валы. По опыту автомобилестроения хромирование шеек коленчатых валов увеличивает ресурс до перешлифовывания в 3...5 раз.

Для валов, размеры которых обусловлены критерием жесткости, прочные термически обработанные стали целесообразно применять только в случае необходимос­ти обеспечения долговечности шлицев и других изнаши­ваемых поверхностей.

Для изготовления фасонных валов (коленчатых, с большими фланцами и отверстиями, других тяжелых валов) наряду со сталью применяют высокопрочные чугуны (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны. Меньшая прочность чугунных валов в значи­тельной степени компенсируется более совершенными формами валов (особенно коленчатых), пониженной чувствительностью чугуна к концентрации напряже­ний, меньшей чувствительностью (вследствие меньшего модуля упругости) в многоопорных валах к неточному расположению опор и меньшей дополнительной динамической нагрузкой ввиду повышенной демпфиру­ющей способности.

В качестве заготовок для стальных валов диаметром до 150 мм используют круглый прокат, для валов большего диаметра и фасонных валов – поковки.

Валы подвергают токарной обработке; посадочные поверхности шлифуют. Высоконапряженные валы шлифуют по всей поверхности.

Упрочнения. Большинство валов работает на изгиб и кручение. При таких видах нагружения напряжения в поперечном сечении увеличиваются в направлении к поверхности. На поверхности расположены основные источники концентрации напряжений, обусловленные изменением формы и шероховатостью поверхности, а также взаимодействием с сопряженными деталями.

Таблица 4

Механические характеристики сталей

Марка стали	Диаметр заготовки, мм	Твердость НВ (не менее)	Механические характеристики, МПа					Коэффи- ци­ент
			σв	σт	τт	σ-1	τ-1	ψτ	ψσ
Ст5	Любой	190	520	280	150	220	130	0,06	0
45	≤ 120	240	780	540	290	360	200	0,09	0,1
	≤ 80	270	900	650	650	410	230	0,10	0,1
40Х	≤ 200	240	790	640	380	370	210	0,09	0,15
	≤ 120	270	900	750	450	410	240	0,10	0,15
40ХН	≤ 200	270	920	750	450	420	230	0,10	0,15
20Х	≤ 120	197	650	400	240	310	170	0,07	0,15
I2XH3A	≤ 120	260	950	700	490	430	240	0,10	0,15
18ХГТ	≤ 60	330	1150	950	660	500	280	0,12	0,15

Зарождение усталостных трещин, приводящих к разрушению, начинается, как правило, с поверхности. На поверхности происходит изнашивание.

Поэтому на практике с целью повышения сопротив­ления усталости широко применяют специальные способы обработки поверхности - поверхностные упрочнения. Поверхностные упрочнения более эффективны, чем объемные, которые часто сопровождаются понижением ударной вязкости и повышением чувстви­тельности к концентрации напряжений. Например, поверхностные упрочнения цементацией и закалкой повышают, по сравнению с объемной закалкой до той же твердости, сопротивление усталости на 30...40 % и более.

Повышение предела выносливости и износостой­кости детали вследствие поверхностного упрочнения обусловлено, во-первых, повышением механических свойств металла упрочненного поверхностного слоя и, во-вторых, созданием в нем остаточных сжимающих напряжений. Результирующие напряжения оказывают­ся при этом меньше опасных растягивающих, возникающих от внешней нагрузки, на величину остаточных сжимающих напряжений.

Применяют следующие методы поверхностного упрочнения:

- механические (обкатка роликами, обдувка дробью и др.);

- термические (закалка с нагревом токами высокой частоты);

- химико-термические (цементация, нитроцементация, цианирование, азотирование);

- комбинированные (цементация и нитроцементация с последующей обдувкой дробью, азотирова­ние и обкатка роликами).

Особенно эффективны эти методы для деталей с резкой концентрацией напряжений и для деталей, работающих в условиях коррозии или фреттинг-коррозии.

Механические методы поверхностного упрочнения применимы для большинства металлических материа­лов. Их характеризует малая трудоемкость, возмож­ность обработки в механическом цеху, отсутствие окалины.

Упрочнение поверхностным пластическим дефор­мированием по сравнению стечением, шлифованием, полированием позволяет:

- сохранить целостность волокон и образовать мелкозернистую структуру в поверхностном слое;

-обеспечить минимальные параметры шероховатос­ти поверхности (Ra = 0,1...0,05 мкм и менее), сохраняя ее первоначальную форму.

Обкатка роликами тел вращения может быть выполнена на токарных станках с простейшими приспособлениями. Она предусмотрена стандартами как обязательная для осей и валов машин железнодорожно­го транспорта, применяется практически для всех гребных валов, эффективна для валов самых больших диаметров.

Достигаемое повышение сопротивления усталости валов: на гладких участках – 20...40 %; при особо резкой концентрации напряжений – в 2...3 раза. Обкатка вагонных и локомотивных осей позволяет повысить их предел выносливости в подступичной части и шейках в 2...2,2 раза.

Дробеструйный наклеп, осуществляемый потоком дроби на дробеметных машинах роторного или пневма­тического типа, позволяет упрочнять детали сложных форм любой твердости без опасности продавливания ранее упрочненного поверхностного слоя. В связи с необходимостью специального оборудования имеет основное применение в массовом и серийном производ­ствах.

Применяют также и другие механические методы поверхностного пластического упрочнения: чеканкой, ротационно-ударное шариками, гидродробеструйное, ультразвуковое через сферический инструмент или шарик и др.

Комбинированные методы наиболее эффективны при наличии остаточных растягивающих напряжений в поверхностном слое, снижающих предел выносливости и появившихся в результате неправильной технологии выполнения предыдущей термической, химико-терми­ческой или механической обработок. Остаточные растягивающие напряжения возникают, например, при обрыве поверхностного закаленного слоя в зоне концентрации напряжений, обезуглероживании повер­хности при химико-термической обработке, наличии в слое остаточного аустенита, а также при наличии шлифовочных прижогов.

Дробеструйная обработка, проведенная, например, после цементации, увеличивает остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое до значительных величин (800...1000 МПа) [5]. Глубина залегания и величина остаточных сжимающих напряжений зависят от режимов как химико-термической обработки, так и обдувки дробью (материала и размера дроби, скорости полета дробинок, длительности наклепа, расхода дроби).

Для коленчатых валов тепловозных дизелей, подвер­женных действию значительных переменных напряже­ний и изнашиванию, применяют комбинированное упрочнение: азотирование и обкатку роликами. Азоти­рование повышает износостойкость до пяти раз, а прочность - на 25-30 %. Общее повышение прочности после азотирования и обкатки роликами - в два раза.