книги из ГПНТБ / Каледин Б.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием

детали более хрупкими. Если деталь куется или штам­

определенные эксплуатационные качества будущей го­ товой детали. Если при этом создана неблагоприятная структура, то как бы точно ни были обработаны детали с соответствующей шероховатостью, они будут обладать низкими физико-механическими свойствами.

На контактную выносливость закаленных сталей су­ щественное влияние оказывает направление волокон. Это подтверждается исследованиями [74 197], результаты которых приведены в табл. 30.

Из таблицы видно, что с увеличением угла выхода волокон выносливость образцов снижается. Наименьшей стойкостью обладают образцы, у которых волокна вы­ ходят на поверхность под прямым углом.

Эти выводы были подтверждены и другими работами [154]. Особенно вреден торцовый выход волокон, когда волокна при штамповке перемещаются на рабочую по­ верхность из центральной части проката.

Предварительная термическая обработка позволяет предотвратить образование флокенов, подготовить струк­ туру поверхностных слоев к закалке, снизить твердость для облегчения последующей механической обработки,- В зависимости от марки стали применяют различные режимы ковки и предварительной термической обработ­

ки, обеспечивающие требуемые свойства [145].

После механической обработки большое значение имеет окончательная термическая обработка, которая обеспечивает высокую поверхностную твердость, устало-

Т а б л и ц а 30

Зависимость долговечности образцов из стали ШХ15 от направления волокон

142

стііую и контактную прочность при правильно выбранных режимах обработки. Для различных сталей эти режимы будут разными. Так, например, для сталей 9Х и 9X2 оптимальная температура нагрева под закалку будет равна 890—900 °С, для стали 9Х2МФ — 900—910 °С.

Большую роль играет и температура отпуска. В' за­ каленных низкоотпущешіых сталях всегда сохраняется определенное количество остаточного аустенита, который, обладая хорошей пластичностью, при последующей аб­ разивной обработке деформируется в первую очередь. Это способствует увеличению плотности дислокаций в аустените, что приводит в дальнейшем к образованию трещин в этих зонах.

Поэтому неудачное проведение термических операций приводит к увеличению количества остаточного аустени­ та, способствующего нарушению целостности поверхно­ сти при шлифовании.

Особенно нежелательно наличие остаточного аустени­ та в деталях, работающих в условиях значительных циклических контактных напряжений, так как распад аустенита вызывает изменение размеров деталей и сни­ жение контактной выносливости из-за образования пер­ вичных усталостных трещин.

Как указывалось выше, детали третьей и четвертой групп после окончательной термической обработки под­ вергаются шлифованию или другим отделочным опера­ циям.

Исследованиями П. И. Ящерицына [214], а также исследованиями [41] установлено, что при шлифовании стали ШХ15 и других высоколегированных сталей часто образуются две различные зоны структурного состоя­ ния — слаботравящаяся зона вторичной закалки с аусте­ нитно-мартенситной структурой и нижележащая зона повышенной травимости, состоящая из феррита, аустени­ та и цементита (зона отпуска). Зона отпуска постепенно переходит в основную структуру закаленного металла (мелкоигольчатый мартенсит и равномерно распределен­ ные карбиды). Белый слой распространяется на глубину 5—10 мкм, а зона вторичного отпуска — на 15—25 мкм. Микротвердость (рис. 44) также меняется по глубине. Это объясняется тем, что при шлифовании в результате теплового воздействия и давления может значительно измениться поверхностный слой шлифуемого изделия.

143

Интенсивность этих изменений и глубина их проникнове­ ния в поверхностный слой зависят в основном от режима шлифования, исходной структуры шлифуемой поверхно­ сти и ее химического состава.

Структурные изменения сопровождаются изменением прочности поверхностного слоя и возникновением оста­ точных напряжений, что в свою очередь не может не влиять на долговечность деталей подшипников.

Рис. 44. Изменение микротвердости по глубине шлифованной детали

структурной неоднородностью поверхностного слоя, воз­ никшей вследствие шлифования твердым кругом при большой поперечной подаче. Глубина структурноизмененного слоя непосредственно после шлифования до­ стигала 100 мкм. Вторую группу составили образцы, ко­ торые шлифовались по тому же режиму, что и образцы первой группы, однако при последующем чистовом шли­ фовании и доводке с них был снят слой глубиной около

образцы шлифовались кругом ЭБ80СМ-2К при скорости 32 м/сек и поперечной подаче 0,2 мм/мин. Твердость всех образцов была HRC 62—64, шероховатость — VII.

Структурноизмененный слой значительно снижает сопротивление усталостному выкрашиванию, причем чем больше степень структурной неоднородности, тем значи­ тельней снижение. Если у образцов третьей группы при давлении 230—240 кгс/мм2долговечность составляет 80— 90-10е циклов, то для первой группы она не превышает 10—15-10® циклов. Причиной низкой усталостной проч­ ности и специфического характера разрушения образцов

144

первой группы являются растягивающие остаточные на­ пряжения, возникшие при шлифовании, и пониженная до HRC 52—54 твердость поверхностного слоя.

Если структурноизмененный слой после предвари­ тельного шлифования состоит из зоны вторичной закал­ ки, а глубже лежит выеокоотпущенный слой, переходя­ щий постепенно в основную структуру, и если при чи­ стовом шлифовании и доводке удалить зону вторичной закалки, то оставшийся выеокоотпущенный слой с микро­ твердостью 500—550 кге/мм2 (HRC 50) резко снижает контактную долговечность. В частности, при глубине этого слоя 150—200 мкм и удельном давлении 255 кге/мм2 долговечность падает по сравнению с образцами без из­ мененного слоя в несколько десятков раз.

Такое снижение долговечности образцов с изменен­ ным поверхностным слоем вызывают растягивающие остаточные напряжения, возникающие в этом слое при шлифовании. Пониженная твердость поверхностного слоя играет, как считают авторы работы [42], несравнен­ но меньшую роль.

Следует, однако, отметить, что если контактное дав­ ление может вызвать пластическую деформацию поверх­ ностного слоя, то отрицательное действие растягивающих остаточных напряжений после шлифования может быть ослаблено из-за возникновения остаточных сжимающих напряжений при пластической деформации поверхност­ ных слоев.

Выкрашивание происходит обычно на тех участках, где был прижог при шлифовании.

В работе [58] изучался фазовый состав поверхност­ ного слоя деталей, прошедших различную механическую обработку. Результаты фазового анализа приведены в табл. 31.

Как видно из таблицы, наибольшее количество оста­ точного аустенита имеют детали со шлифованными по­ верхностями.

Выше уже отмечалось, что большое количество оста­ точного аустенита ухудшает эксплуатационные свойства деталей, поэтому на финишных операциях (при тонком шлифовании, полировании или суперфинише) нужно удалять белый слой.

Однако, на наш взгляд, наиболее радикальным сред­ ством против отрицательного влияния шлифования на

эксплуатационные свойства деталей является применение в качестве отделочных операций поверхностного пласти­ ческого деформирования.

На контактную выносливость деталей оказывает большое влияние не только физико-механическое и па-

пряженное состояние поверхностного слоя, но и исходная шероховатость. В работе [214] приведены результаты испытаний на долговечность цилиндрических образцов из стали ШХ15 твердостью HRC 61—62, обработанных раз­ личными способами. После механической обработки все

146

образцы закаливались, шлифовались, а некоторые из них полировались абразивной шкуркой, чтобы получить одинаковую шероховатость, соответствующую 10-му классу (табл. 32),

Испытания проводились при нагрузке 150 кг в тече­ ние 12 час.

Таким образом, на усталостную прочность оказывают влияние не только последняя операция, но и предыду­ щие, т. е. необходимо учитывать технологическую на­ следственность при проектировании технологического процесса.

3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

НА КОНТАКТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Недостаточная изученность природы контактного раз­ рушения не позволяет дать однозначного ответа на во­ прос, что является определяющим в контактной выносли­ вости: твердость, остаточные напряжения, шерохова­ тость поверхности или ее структурное состояние.

Поэтому в оценке влияния различных способов по­ верхностного пластического деформирования на контакт­ ную выносливость среди исследователей нет единого мнения.

Та' часть исследователей, которая отрицает положи­ тельное влияние поверхностного пластического дефор­ мирования па повышение контактной усталости, указы­ вает на то, что как при трении качения, так и при обра­ ботке ППД в поверхностном слое происходит наклеп металла и возникают остаточные напряжения сжатия.

Остаточные напряжения сжатия, создаваемые обка­ тыванием и раскатыванием, суммируются с возникаю­ щими в процессе работы деталей напряжениями того же знака, что в конечном итоге приводит к быстрому раз­ рушению поверхности деталей, т. е. к снижению ее кон­ тактной выносливости. Этот логичный на первый взгляд вывод получил экспериментальное обоснование [179]. Так, при изучении влияния обкатывания роликом на контактную усталость высокоуглеродистой (0,82%; С) бандажной стали выяснилось, что нагрузка на ролик, равная 50 кгс, не изменяет контактной выносливости при

испытании образцов без проскальзывания, а нагрузка 100 кгс заметно снижает ее. На основании этих резуль­ татов Троицкий [179] не рекомендует применять обка­ тывание как средство упрочнения поверхностей катания бандажей, колес, роликов и подобных им деталей. Этого же мнения придерживаются и Л. М. Школьник и В. И. Шахов [200].

Однако данные, полученные другими исследователя­ ми [30], приводят к иным выводам.

Особенно большой вклад в изучение влияния обкат­ ки шариком на контактную выносливость внесли работы

Д.Д. Папшева и его учеников [136, 138].

Д.Д. Папшев проводил испытания на машине МИ-1М образцов из сталей 14Х2НЗМА и ШХ15 диаметром 40 мм и длиной 10 мм при трении качения [139]. Часть образ­ цов из стали 14Х2НЗМА после цементации и термиче­ ской обработки (HRC 58—59) шлифовали, а остальные обкатывались шариком диаметром 10 мм. Твердость об­ разцов из стали ШХ15 перед обкаткой составляла HRC

61—62.

Контактное давление составляло 85 кгс/мм2, скорость вращения—416 об/мин, продолжительность испытаний для ШХ15 составляла 32 час, а для стали 14Х2НЗМА — 8 час. Результаты испытаний приведены в табл. 33.

Наибольшую долговечность показали образцы, обка­ танные при давлении 280 кгс/мм2. При превышении этого давления долговечность уменьшалась.

148

Резкое повышение контактной выносливости упроч­ ненных образцов из стали ШХ15 (HRC 64—67) при об­ катке шариком, вибрирующим с ультразвуковой часто­ той, было установлено в работе [127]. Износ этих образцов уменьшился в 1,6—4,6 раза по сравнению со шлифованными.

По данным В. К. Лазаренко и Г. А. Прейс, у образ­ цов из сталей 45, 37XH3A, 20Х, 40Х, 12ХНЗА и ШХ15, подвергнутых дробеструйному наклепу, относительная долговечность возросла от 25 до 116% [107].

А. С. Венжега [32] испытывал шлифованные и обка­ танные образцы из стали 9Х, закаленные т.в.ч. Обкаты­ вание производилось роликом с профильным радиусом 4,5 мм с усилием от 50 до 400 кгс. Наибольшая стойкость (в 2,5 раза выше шлифованных) установлена у образцов, обкатанных с усилием 200 кгс. Этой нагрузке соответст­ вовало и наибольшее увеличение твердости. Увеличение долговечности А. С. Венжега связывает с повышением структурной однородности поверхностного слоя и нали­ чием в нем остаточных напряжений сжатия.

Таким образом, при оптимальных режимах обкатыва­ ния можно существенно повысить контактную усталост­ ную прочность деталей.

Предварительный равномерный наклеп верхнего слоя повышает предел текучести и увеличивает сопротивле­ ние пластическим деформациям, происходящим при ка­ чении деталей, что увеличивает износостойкость при качении.

Так, например, по данным работы [135], долговеч­

роликовых дорожек лап долота, изготовленных из стали 14Х2НЗМА, позволило повысить твердость дорожек до HRC 60—65 и уменьшить их износ примерно в два раза по сравнению со средним износом шлифованных доро­ жек [135].

Обкатка беговых дорожек наружных и внутренних колец шарикоподшипников № 409 диаметром 4,7 мм со средним давлением в контакте 230 кгс/мм2 привела к увеличению долговечности подшипников в 5,9 раза [139].

149

Обкатка рабочих поверхностей внутренних колец ро­ ликовых подшипников типа 321612 также повысила их долговечность в 2,5—4 раза по сравнению с подшипни­ ками, изготовленными по серийной технологии.

Положительные результаты получены при обкатке шариком роликов подшипников из сталей 55СМА и ШХ15 (давление 140—270 кгс/мм2, подача 0,1 мм/об, скорость 630 об/мин за один проход). Износ таких роликов снизился на 48% по сравнению с износом шли­ фованных роликов [72].

Приведенные данные говорят о широких возможно­ стях упрочнения обкаткой тел качения, являющейся ре­ зервом повышения контактной выносливости в машино­ строении.

150

Однако в указанных работах не приведены данные о дисперсии значений долговечности испытываемых образ­ цов и деталей, что не позволяет судить о существенном повышении средней стойкости деталей, обработанных ППД, по сравнению с другими способами обработки, так

бежно-шарикового упрочнения на контактную выносли­ вость подшипников.

Установлено, что пластическая деформация между шариком и желобом кольца подшипника начинается уже при контактных напряжениях 15 000 кгс/см2 и составляет 0,1 мкм на деталях, имеющих поверхность V. 11. Вместе с тем кратковременное приложение нагрузок, соответст­ вующих 80 000 кгс/см2, при скорости удара до 7,9 м/сек не противоречит законам сжатия упругих тел. Следова­ тельно, можно подобрать такой режим удара, при кото­ ром пластическая деформация будет происходить в тон­ чайшем поверхностном слое металла, а многократное приложение напряжений удара вызовет накопление оста­ точных напряжений сжатия.

Экспериментальная проверка высказанных предполо­ жений производилась на рабочих поверхностях колец шарикоподшипников № 410 центробежно-роликовым упрочнением. Наибольшую стойкость роликов обеспечи­ вал режим, характеризовавшийся порогом зацепления (натягом) /г= 0,02 см, окружной скоростью VÄ = 34 м/сек и фактической скоростью соударения Ѵ=3,54 м/сек. Чис­ ло ударов в секунду п = 900. Если обозначить через S m площадь обрабатываемой поверхности, то коэффициент f = '£S/Sm будет характеризовать степень накопления микропластических деформаций (2.S — приведенная пло­ щадка — сумма, образовавшаяся за время обработки контактных площадей эллипса давления; 'ES = Sn, где S — площадь эллипса давления, а п — число ударов).

При каждом значении f обрабатывалось по пять ко­ лец. Окружная скорость упрочняемого кольца составля­ ла 167 м/мин.

Эксперименты показали, что упрочнение наклепом повышает поверхностную твердость во всех случаях на две единицы по HRC.

151