Глава 5. Технологические методы повышения

ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

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 металла и 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

Термическая обработка	в, МН/м2	т, Н/м2	, %	, %	ак, МДж/м2
Литой образец	612	237	8,5	7,9	0,245
Отжиг при 950 °С	543	267	22,6	38,1	0,578
Нормализация при 950 °С	536	253	21,7	37,5	0,618
Улучшение (закалка с 850 °С и отпуск при 600 °С)	667	451	22,0	54,0	1,03

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.