книги из ГПНТБ / Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом

Точность измерения на вертикальном оптиметре со­ ставляет ± 1 мкм, точность взвешивания на аналитиче­ ских весах АДВ-200 — ±0,1 мг. Для сравнения пред­ положим, что образец за определенный промежуток вре­ мени износился на 1 мкм, в этом случае вес изношенного

0,000785 см3). При линейном измерении износа образца на оптиметре ошибка замера составляет 100%, а воз­ можная наибольшая ошибка взвешивания составит лишь 3,2%. Кроме того, износ при установившемся режиме работы является прямолинейной функцией пути, поэто­ му, применив весовой метод оценки износа, время испы­ таний можно значительно сократить, сохранив при этом высокую точность замеров.

Измерение температуры за время испытаний осу­ ществлялось хромель-копелевой термопарой, спай кото­ рой зажимался в отверстии контртела, просверленном на расстоянии 0,1 мм от поверхности. Свободные концы термопары были выведены к клеммам универсального по­ тенциометра постоянного тока типа УПЛ-60-2 класса 0,02; ГОСТ 9245-59. Потенциометр позволял компенса­ ционным методом измерять с высокой точностью элект­ родвижущую силу, возникающую в спае '. Испытания проводились при температуре окружающей среды 291— 293 °К.

Перед установкой образца и колодки на машину они промывались в авиационном бензине. Затем в течение получаса просушивались при температуре 323—333 °К и после охлаждения до комнатной температуры взвешива­ лись по методу Менделеева до трехкратного совпадения показаний оптической шкалы весов. Аналогичным обра-1

1 В качестве нуль-прибора был использован зеркальный гальва­ нометр тип № 8.

40

Глава III

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ОБКАТЫВАНИЯ

НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ

1. Обработка деталей машин наклепом

Надежность п долговечность эксплуатируемых машин определяются главным образом износостойкостью и усталостной прочностью их деталей. Оба эти параметра зависят от физико-механических и физико-химических свойств поверхностного слоя. Необходимость повышения износных п прочностных характеристик поверхност­ ных слоев вызвала развитие ряда методов их упрочне­ ния. В первую очередь к ним относятся технологические процессы механической, химико-термической, термомехаиической и термической обработки, а также покрытие поверхностей твердыми сплавами, металлами, полиме­ рами и т. д. Каждый из этих способов имеет своп поло­ жительные и отрицательные стороны.

В последнее время па предприятиях страны и за ру­ бежом находит широкое применение обработка поверх­ ностен трепня наклепом [9, 63—65, 93, 95, 130. 172]. Метод холодного поверхностного пластического дефор­ мирования дает возможность получить заданные меха­ нические свойства и шероховатость поверхности, требуе­ мые условиями эксплуатации, обрабатывать детали сложной конфигурации, механизировать и автоматизи­ ровать технологический процесс [71, 72, 94, 122, 169]. В промышленности для создания наклепа в поверхност­ ных слоях деталей машин применяются обдувка метал­ лической дробью, обкатывание наружных и раскатыва­ ние внутренних цилиндрических поверхностей роликами или шариками, выглаживание, обработка поверхности центробежно-ударным инструментом, гидроабразивная обработка и другие способы [120, 128, 170].

Обработка деталей дробью широко применяется на предприятиях автотракторной промышленности.

42

Минский, Московский, Горьковский автомобильные за­ воды упрочняют обдувкой дробью полуоси, цапфы пово­ ротных кулаков, рессоры, пружины, шестерни и др. Вол­ гоградский и Челябинский заводы обрабатывают дробью шестерни бортредукторов, всевозможные пружины и мелкие детали. Обдувка дробью создает в поверхностном слое наклеп на глубину до 10 мм. Она применяется чаще всего для рассредоточения остаточных напряжений, а не для повышения износостойкости, так как не дает достаточно высокого класса чистоты поверхности.

При обработке внутренних цилиндрических поверх­ ностей применяются роликовые или шариковые раскат­ ки разных конструкций, которые широко освещены в тех­ нической литературе [115, 146, 168].

Чеканка осуществляется бойками, наносящими по по­ верхности многочисленные удары. К сожалению, этот способ упрочнения имеет низкую производительность труда.

Сущность обработки поверхностей при помощи цент­ робежно-ударного инструмента заключается в нанесении многочисленных ударов по поверхности за счет центро­ бежной силы [49].

При выборе того или иного способа упрочнения исходят из условий эксплуатации детален или целей, поставленных исследованиями.

Обкатывание роликами и шариками наружных или внутренних поверхностей производится на стандартном оборудовании с помощью приспособлений [100, 156]. Ро­ ликовые и многороликовые приспособления могут быть механического, пневматического или гидравлического действия.

Упрочненный слой при обкатывании роликом наруж­ ных поверхностей может достигать нескольких милли­ метров. Этот способ применяется при обкатывании галтелей, коленчатых валов автотракторных п судовых двигателей, при обработке деталей паровых турбин, прессов, деталей паровозов [97]. При этом достигается высокая степень чистоты и повышение несущей способ­ ности поверхности. Обкатывание и раскатывание ци­ линдрических поверхностей нашло широкое применение во всех отраслях отечественного и зарубежного машино­ строения. Обработке наружных поверхностей тел враще­ ния посвящен ряд работ Е. Г. Коновалова, И. В. Кудряв­

43

цева, Л. Д. Папшева. Исследования И. В. Кудрявцева в большей своей части связаны с повышением усталост­ ной прочности, несущей способности и долговечности де­ талей машин, обработанных различными методами по­

ние технологических факторов обкатывания на характер упрочнения поверхностных слоев, приспособления и обо­ рудование, в работах [3, 6, 27, 30] рассматривается влияние обкатывания па чистоту поверхности и износо­ стойкость.

А. Г. Косиловой [76] проведены исследования по вы­ явлению влияния давления ролика, скорости и подачи при обкатывании на чистоту поверхности образцов из сталей марок 55, 65, 1112. Усилие на ролики создавалось от 0,2 до 2,1 кН, скорость — от 0,041 до 0,83 м/с, подача от 0,1 до 0,64 мм/об. Обкатывание производилось с чис­ лом проходов ролика от двух до восьми, ролик имел ци­ линдрический поясок, равный 3 мм. Повышение чистоты поверхности отмечено при усилии на ролик от 0,2 до 0,9 кН, дальнейшее повышение усилия не вызывало улуч­ шения чистоты. Для ролика с цилиндрическим пояском

И. В. Кудрявцев [92, 96] отмечает, что при подачах до 0,31 мм/об предел выносливости обкатанных образцов повышается, от 0,31 до 0,63 мм/об падает, а при подаче свыше 0,63 мм/об падение идет очень быстро. Подача оказывает влияние па степень наклепа и шероховатость поверхности. Опыты ЦНИИТМАШ проводились при 5= 0,25 мм/об.

М. А. Елизаветин [50] считает, что обкатывание ро­ ликом с цилиндрическим пояском нужно проводить при подачах 0,4—0,8 мм/об, но не более половины ширины пояска ролика. В. О. Войшко [31] указывает, что давле­ ние в зоне контакта должно быть ниже того, при котором

44

z, т — показатель степени (зависит от материала и чис­ ленного значения своего основания).

Это выражение связывает поверхностную твердость

сдавлением, но не дает характеристики давлению.

В.Н. Калачников [60], используя картину распреде­ ления напряжений при контактных нагрузках, вывел формулу, по которой определил оптимальное давление ролика при обкатывании:

Исследователи считают, что при радиусном профиле рабочей части ролика по мере уменьшения радиуса уве­ личивается при одном и том же давлении глубина на­ клепа и ухудшается шероховатость поверхности. Диа­ метр ролика в пределах 50—100 мм мало влияет на ха­ рактеристики упрочнения [166].

При обкатывании роликом с цилиндрическим пояском: происходит как бы два процесса: заходная часть ролика осуществляет процесс волочения, а цилиндрический уча­ сток рабочей части — процесс обкатывания. При умень­ шении подачи процесс приближается к чистому обкаты­

происходит как за счет приложенного к ролику усилия,, так и за счет дополнительной деформации сдвигов.

Ролик с. цилиндрическим пояском обеспечивает луч­ шую чистоту поверхности. Увеличение ширины цилиндри­ ческого пояска и радиуса закругления заборной части ро­ лика улучшает чистоту поверхности и уменьшает харак­ теристики упрочнения.

На шероховатость поверхности и характеристики упрочнения оказывает влияние, число проходов, которое в свою очередь зависит от приспособления (одно-, двух-,

45

трехроликовое), величины подачи, усилия, размеров и формы роликов. Поэтому в некоторых работах прини­ мается «приведенное» число проходов:

производстве не применяют «приведенное» число прохо­ дов, а пользуются обычным отсчетом ввиду его просто­ ты и удобства. Обстоятельные и разносторонние иссле­ дования Е. Г. Коновалова и его учеников создали пред­ посылки для разработки теоретических основ упрочне­ ния широкой номенклатуры деталей поверхностным наклепом [49].

Таким образом, на основании анализа некоторых работ можно заключить, что технологическими факто­ рами, влияющими на характеристики упрочнения по­ верхности, ее шероховатость и геометрический микропрофиль, являются усилие обкатки, продольная подача, скорость, число проходов инструмента, его форма и раз­ меры. Достаточно точного расчета для определения ре­ жимов обкатывания не существует, они выбираются экспериментально. Большинство работ по данному во­ просу посвящено в основном изучению влияния техноло­ гических режимов обкатывания на циклическую проч­ ность деталей. В них не рассматривается или рассматри­ вается вскользь влияние характеристик упрочнения, ■остаточных напряжений, шероховатости поверхности иа ее износостойкость при трении скольжения в различных условиях работы деталей.2

2. Наклеп и его природа

Металлы и технические сплавы имеют поликристал­ лическое строение. Разноориентированные зерна за счет механических и молекулярных сил образуют прочное соединение. Поверхность поликристаллического металла представляет собой скопление связанных переходным слоем кристаллитов и их обломков с различной ориента­ цией.

4 6

Известно, что механические свойства металла зави­ сят от величины молекулярных сил в кристаллической решетке. Фактическая прочность металла или сплава в десятки и сотни раз меньше теоретического значения сил междуатомного сцепления. Современная физика объяс­ няет этот факт наличием в кристаллической решетке ряда несовершенств (дефектов). Несовершенства внутри реальных кристаллов играют важную роль в процессе деформации. Реальные кристаллы, кроме атомов основ­ ного металла, содержат большое количество атомов примесей. Занимая определенные места в междуузлиях кристаллической решетки, атомы под действием темпе­ ратуры и напряжений способны перемещаться, т. е. дис­ лоцироваться.

Холодная пластическая деформация (сдвиговая) происходит путем смещения (скольжения) отдельных частей кристаллитов друг относительно друга по плоско­ стям и направлениям, наиболее густо заполненным ато­ мами. Вдоль этих плоскостей п направлений сопротив­ ление сдвигу, которым обладает кристаллическая ре­ шетка. минимально. Ориентировка их зависит в основном

г. п. у. металлов — по {000} и (2110) [99— 101].

При обработке деталей поверхностным наклепом раз­ витие процесса пластической деформации протекает не сразу, ей предшествует упругая деформация, распро­ страняющаяся со скоростью звука. Но и в первой фазе при упругой деформации возможны частичные переме­ щения зерен и межкристаллическая деформация. Под действием деформирующей силы происходит аккумули­ рование энергии деформации и совершается работа,, эквивалентная теплоте плавления данного материала [106]. Дальнейший процесс пластической деформации в основном протекает путем скольжения, т. е. перемеще­ ния отдельных частей кристаллов по определенным пло­ скостям. Начало процесса обусловлено наличием крити­ ческих сдвигающих напряжений.

По мере увеличения деформации скольжение рас­ пространяется и на менее благоприятные ориентирован­ ные системы. В кристаллите начинает действовать не-

47

зультат одновременного смещения одной части кристал­ лита относительно другой и перемещения в кристаллите особого рода дефектов, несовершенств, получивших на­ звание дислокаций [81, 125].

Характерно, что энергия искажений кристаллической решетки аккумулируется неравномерно, она сосредото­ чена в основном в тончайших слоях у плоскостей сдвига, охватывающих 2—3% общего числа атоіѵюв [145]. На­ ступает ориентация кристаллитов по кристаллографиче­ ским направлениям. Эта ориентировка получила назва­ ние текстуры.

Несмотря на широкое применение поверхностного упрочнения металлов холодным пластическим деформи­ рованием, природа наклепа до сих пор остается не со­ всем ясной [1. 28, 113, 165]. Механизм пластической де­ формации и сопровождающие ее структурные изменения рассмотрены в ряде монографий и обзоров [12, 34, 114]. Для объяснения физической природы наклепа и меха­ низма упрочнения выдвинут ряд гипотез, однако наи­ большее распространение получила теория дислокаций [4, 41, 124].

Некоторые авторы считают, что рациональные методы создания поверхностного наклепа и его действие на эксплуатационные свойства детали в основном связаны с изменением усталостной прочности, причиной повыше­ ния которой являются благоприятные изменения напря­ жений в поверхностных слоях. Остаточные внутренние напряжения сжатия максимальны на поверхности, они уменьшаются постепенно до полного равновесия с напря­

остаточных сжимающих напряжений тем, что эти напря­ жения создают асимметрию цикла, средним значением которого является напряжение сжатия. В этих случаях выносливость стали повышается, зарождение и развитие трещин усталости происходит медленнее. Кроме повыше­ ния предела усталости, происходит снижение, чувстви­ тельности поверхности к локализации остаточных напря­ жений, как и напряжений от внешних усилий, около над­ резов.

4 8

Развитие теории дислокаций облегчило объяснение природы пластической деформации металлов. Предпо­ лагалось ранее, что пластическая деформация кристал­ лов металла является результатом сдвига по плоскостям скольжения одной части кристалла по отношению к дру­ гой, что все атомы сдвигаемой части перемещаются од­ новременно в направлении сдвига и при этом не про­ исходит нарушения в правильности строения кристалли­ ческой решетки.

Исходя из дислокационной теории пластической де­ формации, малая величина скалывающих напряжений в реальных кристаллах объясняется тем, что процесс де­ формации таких кристаллов из-за несовершенства их ре­ шетки развивается не одновременно по всему кристаллу, а последовательно, в результате перемещения дислока­ ций. Согласно статической теории, в металле всегда име­ ется определенное количество дислокаций, движение ко­ торых начинается при сколь угодно малых напряже­ ниях [2].

Наклеп можно объяснить убылью числа дислокаций по мере дальнейшего развития процесса, если бы не было искажения решетки кристалла, не возрастала его энергия и не увеличивалась плотность дислокаций. Число дислокаций в литом металле или сплаве обычно лежит в пределах ІО4—ІО7 на 1 см2. В пластически деформиро­ ванном металле плотность значительно возрастает: для умеренно деформированного металла составляет ІО11, для сильно деформированного — ІО13. В некоторых случаях можно довести плотность до ІО19 на 1 см2. Плотность дислокаций после прекращения действия деформирую­ щей силы несколько снижается, однако имеет более вы­ сокие значения, чем в недеформированном металле.

Исследования в области физики металлов показыва­ ют, что в основе пластической деформации лежит меха­ низм движения дислокационных петель, генерированных источниками Франка — Рида.

Упрочнение стали при наклепе, согласно теории дис­ локаций, объясняется концентрацией дислокаций около линии сдвигов. Так как дислокации окружены полями упругих напряжений, то для последующей пластической деформации необходимо значительно большее напряже­ ние, чем в неупрочненном металле. Это связано с необ­ ходимостью преодолеть при продвижении дислокаций