книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

вой скоростью; это вызывает изменение формы и размеров де­ талей.

Нестабильность структуры сталей, применяющихся для изго­ товления деталей машин, сводится к следующим возможным из­ менениям. В структуре углеродистых сталей с содержанием бо­ лее 0,6% С, а в легированных и высоколегированных сталях и при меньшем содержании углерода после закалки может сохра­ няться некоторое количество остаточного аустенита (от 2—3 до 10—15% и выше). Если этот аустенит не устранен последующи­ ми термическими операциями или не переведен в высокоста­ бильную структуру, со временем может происходить его посте­ пенное самопроизвольное частичное превращение в мартенсит — структуру большего удельного объема. Это ведет к увеличению линейных размеров детали. Содержание остаточного аустенита после закалки может возрастать в результате перегрева, а так­ же в случае применения горячих охлаждающих сред (хотя по­ следний метод закалки предпочтительнее, так как значительно понижает термические внутренние напряжения).

В закаленной и не полностью отпущенной стали частично со­ храняется структура закалки — тетрагональный мартенсит. В дальнейшем возможно медленное превращение его в кубиче­ ский мартенсит, с обособлением высокодисперсных карбидов. Это приводит к уменьшению удельного объема и линейных раз­ меров.

В закаленных и не полностью состаренных алюминиевых сплавах может продолжаться медленный диффузионный про­ цесс старения, состоящий из двух стадий: постепенного выделе­ ния из пересыщенного метастабильного (неустойчивого) твер­ дого раствора высокодисперсных частиц новых фаз (в основном интерметаллических соединений) и диффузного укрупнения этих частиц, что приводит к изменению размеров и формы де­ талей.

Основные закономерности изменения структуры и внутрен­ них напряжений в деталях. При обычных температурах самопро­ извольные изменения структуры (переход к более устойчивым формам) нередко могут продолжаться годами (вследствие малой подвижности атомов металлов). Процессы носят харак­ тер медленно затухающих. Ход этих изменений можно резко ускорить и получить более стабильные формы структуры, а сле­ довательно, и более стабильные размеры с помощью нагрева деталей.

При одинаковых условиях внешнего воздействия на деталь (при ее механической и термической обработке и сборке) оста­ точные внутренние напряжения обнаруживают следующую за­ висимость от свойств материала детали: понижаются с уменьше­ нием модуля упругости, предела текучести, коэффициента усадки (при литье), коэффициента линейного расширения, ре­ лаксационной стойкости, теплостойкости, температуры рекри­

сталлизации, а также с увеличением прокаливаемости, при на­ личии фазовых превращений, с уменьшением различия в удель­ ных объемах твердого раствора и выделяющихся из него при охлаждении вторичных фаз.

При одном и том же материале детали остаточные внутрен­ ние напряжения изменяются в зависимости от металлургическо­ го цикла изготовления. У литых деталей остаточные напряже­ ния уменьшаются с увеличением податливости материала формы, применяющейся для заливки жидкого металла, напри­ мер, при заливке в земляную форму — ниже, чем при заливке в металлическую; они могут быть понижены путем выбора ра­ ционального способа заливки и питания формы во время затвер­ девания. Остаточные напряжения снижаются с уменьшением температурных перепадов, возникающих в массе детали при на­ греве и охлаждении, поэтому слишком большая разница в тол­ щине разных элементов детали оказывает неблагоприятное вли­ яние на уровень внутренних напряжений.

При применении упрочняющей термической обработки (за­ калки) напряжения снижаются по мере уменьшения скорости охлаждения, в особенности в интервале критических температур (например, для сталей в интервале мартенситного превраще­ ния). Переход к более мягкой охлаждающей среде существенно снижает внутренние напряжения (например, в некоторых изде­ лиях при переходе от воды к маслу в 4—6 раз, от воды к воздуху — до 10 раз, от масла к горячим средам в 3—4 раза

ит. д.).

Врезультате перегрева обрабатываемого изделия (и вообще в связи с ростом зерна) остаточные напряжения повышаются.

Наиболее значительными являются закалочные напряжения, они могут превышать первичные (усадочные) напряжения от механического наклепа до 20—25 раз.

Остаточные напряжения вследствие обработки деталей реза­ нием на станках в среднем невысоки по сравнению с закалоч­ ными и литейными; для механического наклепа всегда харак­ терно наличие значительных случайных отклонений от среднего

это относится к операциям строгания и фрезерования.

В точных изделиях для постоянства их размеров иногда мо­ гут быть допущены довольно значительные остаточные напря­ жения, уровень которых в стабилизированных деталях не дол­ жен превышать 20—40% предела текучести материала. Пре­ дельно допустимая величина остаточных напряжений внутри указанного интервала при данном материале определяется преж­ де всего формой детали. Например, для сложных отливок из серого чугуна величина остаточных внутренних напряжений не должна превышать 2—3 кгс/мм2, для фасонного стального литья

4—5 кгс/мм2. При одних и тех же условиях обработки отклоне­ ния в химическом составе материала (в пределах, допускаемых ГОСТом) в некоторых случаях могут вызывать заметные коле­ бания величины внутренних напряжений (на несколько десятков процентов).

Направление возможного медленного изменения размеров не полностью стабилизированной детали при хранении или в экс­ плуатации зависит от хода и соотношения интенсивностей раз­ нородных процессов изменения структуры и релаксации внут­ ренних напряжений, от массы и формы детали. В некоторых случаях при неполной стабилизации структуры направление из­ менения отдельных размеров с течением времени может изме­ ниться на обратное, как это наблюдается, например, у алюми­ ниевых сплавов.

В остальных деталях содержание остаточного аустенита не­ велико, основным источником нестабильности является старение мартенсита, поэтому размеры таких деталей со временем чаще уменьшаются. Последнее нередко встречается у измерительных инструментов и шарикоподшипников, обработанных холодом по­ сле закалки. Размеры закаленных деталей из конструкционных углеродистых сталей со временем чаще увеличиваются, закален­ ных деталей из нержавеющих сталей — уменьшаются. Размеры деталей из упрочненных алюминиевых сплавов при вылежива­ нии чаще увеличиваются.

Основные методы стабилизации структуры и уменьшения внутренних напряжений. Основные операции литья, обработки давлением и упрочняющей термической обработки, обработки резанием и сборки создают структурную неустойчивость и уве­ личивают напряженность материала деталей; отпуск, старение, обработка холодом повышают стабильность структуры и умень­ шают напряжения. Для обеспечения постоянства размеров гото­ вых деталей и сборочных единиц предпочтительны такие виды и режимы обработки, которые вызывают меньшие остаточные напряжения и приводят к меньшей неустойчивости структур. Не­ обходимо особо отметить важность правильного выбора режи­ мов упрочняющих термических операций, так как в некоторых случаях высокие закалочные напряжения не удается свести к минимуму, даже после завершения всего цикла стабилизирую­ щей обработки (остаточные напряжения в закаленной детали иногда могут превышать напряжения в незакаленной детали в 10 раз и более).

Для понижения уровня внутренних напряжений и увеличе­ ния стабильности структуры во всех возможных случаях реко­ мендуется применять ступенчатую или изотермическую закалку в горячих средах (расплавленные соли, нагретое масло). Необ­ ходимо, однако, иметь в виду, что закалка сталей в горячих сре­ дах может приводить к существенному увеличению содержания остаточного аустенита. Поэтому во избежание последующего

изменения размеров вследствие самопроизвольного аустенито­ мартенситного превращения необходимо принимать меры для устранения или стабилизации остаточного аустенита.

Основным средством стабилизации структуры и уменьшения внутренних напряжений является отпуск, применяющийся как для закаленных, так и для термически неупрочненных, но накле­ панных при механической обработке деталей. Вследствие нагре­ ва при отпуске увеличивается подвижность атомов металла, облегчается их перегруппировка в более устойчивые фазы, по­ нижается сопротивление микродеформации, которая способству­ ет разрядке напряжений второго рода. Наиболее выгодно про­ изводить отпуск детали при высшей допустимой температуре нагрева, так как эффективность отпуска быстро возрастает с по­ вышением температуры. Продолжительность выдержки имеет значительно меньшее значение. Так, например, отпуск стали в те­ чение 15 мин при температуре 450° С примерно эквивалентен отпуску в течение 10 ч при температуре 300° С; отпуск при тем­ пературе 650° С в течение 15 ч — отпуску в течение 150 ч при температуре 550° С.

Наиболее высокая степень стабилизации структуры стали и снятия внутренних напряжений может быть достигнута путем нагрева до температур, близких к нижней критической темпера­

тивным. При температуре отпуска 150—200°С заметное снятие внутренних напряжений наблюдается только при их значитель­ ной первоначальной величине. Эффективность отпуска при низ­ ких температурах не может быть существенно повышена в ре­ зультате продолжительности выдержки, так как наступающая через определенный период времени практическая стабилизация напряженного состояния делает продолжение отпуска бесполез­ ным. Таким образом, при стабилизирующем отпуске в интервале температур 150—400° С нет необходимости применять выдержки более 10—15 ч.

Нормализация или полный отжиг при температурах выше критической (обычно в интервале 750—900° С) целесообразны в качестве подготовительных операций для общего улучшения структуры (перед основной термической или механической об­ работкой) .

Предельно допустимая температура нагрева для отпуска определяется требуемым комплексом механических устройств, а в случае неупрочняемых материалов — только условием со­ хранения светлой или чистой (неокисленной) поверхности дета­ ли. При достаточной продолжительности отпуска его темпера­ тура практически определяет уровень остаточных внутренних напряжений. Например, в разных изделиях из конструкционной стали после выдержки в течение 20 ч при температуре 600° С

хранения, в то время как размеры контрольных дестабилизиро­ ванных деталей увеличиваются в продолжение всего периода проверочных измерений. Скорость охлаждения деталей после отпуска должна быть минимальной.

При стабилизации алюминиевых сплавов необходимо иметь в виду, что температура их плавления находится значительно ни­ же температуры плавления стали, а следовательно, соответствен­ но снижаются области температур отжига, отпуска и старения. Обычно применяющееся кратковременное искусственное старе­ ние алюминиевых сплавов при температурах 150 и 175° С недо­ статочно способствует стабилизации структуры и снятию внут­ ренних напряжений. Старение для стабилизации размеров алю­ миниевых и магниевых сплавов желательно производить при более высоких температурах — не ниже 200° С, желательно око­ ло 290° С.

Существенное влияние на стабилизацию структуры сплава Д16 оказывает искусственное старение при температуре 180° С в течение 8 ч. Увеличение продолжительности выдержки до 12—■ 18 ч не изменяет эффекта. Весьма хорошие результаты дает обработка сплава холодом в сочетании с последующим нагре­

обработка холодом.

Эффективное влияние обработки холодом на уменьшение ос­ таточных напряжений алюминиевых и магниевых сплавов объ­ ясняется, по-видимому, тем, что при охлаждении при температу­ ре ниже нуля в деталях возникают термические напряжения, которые в сумме с ранее имевшимися остаточными начинают превосходить предел упругости (или текучести) сплава. Избы­ точная часть напряжения снимается путем пластической дефор­ мации, и при возвращении к комнатной температуре уровень остаточных напряжений оказывается пониженным по сравнению с первоначальным. Никаких структурных изменений в сплавах в результате обработки холодом не происходит. Механические свойства сплавов не изменяются.

Режим обработки холодом алюминиевых и магниевых спла­ вов следующий: охлаждение до температуры —50—100° С, на­ грев до температуры 100° С и затем до температуры обычного отжига. Эффективность обработки холодом тем больше, чем

выше первоначальные внутренние напряжения, чем более слож­ на форма детали и чем ниже температура при охлаждении.

В реальных деталях из сплавов АЛ2 и АЛ9 охлаждение до температуры —70° С приводит к снижению внутренних напря­ жений на 20—40% в зависимости от величины начального на­ пряжения и формы детали. Основное значение при обработке холодом имеет первый цикл охлаждения. Дополнительное сни­ жение напряжений после второго цикла обычно не превышает нескольких процентов. Третий цикл практически почти не меняет величину остаточных напряжений. Поэтому при стабилизирую­ щей обработке алюминиевых и магниевых сплавов с применени­ ем охлаждения ниже нуля (так называемой циклической обра­ ботки) практически достаточно одного — двух циклов охлажде­ ния и нагрева. При отрицательной температуре длительной выдержки деталей из легких сплавов (более 1 ч) не требуется. Скорость охлаждения до отрицательной температуры также практически не сказывается на эффективности циклической об­ работки. Нагрев при циклической обработке должен быть по возможности более высоким. Для сплавов в термически упроч­ ненном состоянии он ограничивается температурой искусствен­ ного старения. Для неупрочняемых сплавов температура нагре­ ва должна соответствовать температуре обычного отжига, т. е. 260—300° С.

Обработка холодом стальных деталей необходима в том слу­ чае, если они изготовлены из закаленных сталей, содержащих в структуре остаточный аустенит. Существуют данные о благо­ приятном влиянии на стали с остаточным аустенитом многократ­ ных (например, шестикратных) охлаждений ниже нуля с про­ межуточным отпуском. Смысл такой обработки (для изделий особенно высокой степени точности) может заключаться в обес­ печении полного превращения остаточного аустенита, так как глубокое охлаждение, как правило, все же не приведет к окон­ чательному устранению этой фазы из структуры закаленной стали. Применение обработки холодом для деталей из стали

вотожженном состоянии или из закаленной, но не содержащей

вструктуре остаточного аустенита, нецелесообразно.

На надежность деталей и машин оказывает влияние чередо­ вание механических, термических и сборочных операций. Вред­ ное влияние остаточных внутренних напряжений на постоянство размеров деталей проявляется особенно резко, если их распре­ деление в массе металла нарушается операциями механической обработки. Например, при механической обработке деталей из алюминиевых сплавов коробление может возникать даже при низком начальном уровне внутренних напряжений (около 2— 3 кгс/мм2). При изготовлении точных деталей, как правило, не­ обходимо чередование операций механической обработки и опе­ раций термической стабилизации размеров, чтобы возникающие при обработке напряжения не накапливались, а снимались по

мере появления. Кратность такого чередования, т. е. число про­ межуточных термических операций, зависит от требуемой степе­ ни постоянства размеров, габаритных размеров и сложности формы детали (в том числе в массе сопряженных элементов), а также от соотношений между поверхностью и массой изделия, между всей поверхностью и той ее частью, которая подвергается механической обработке (чем больше последняя, тем больше относительная роль наклепа, т. е. больше возникает причин для коробления детали). Применяемые в практике сложные комби­ нации термических операций, чередующихся с механической обработкой, оправдываются в тех случаях, когда механические свойства материала или качество поверхности готовых деталей не допускают продолжительного высокотемпературного отжига с очень медленным охлаждением нагретых деталей до комнатной температуры.

Наряду с описанными способами стабилизации геометриче­ ских и физико-механических свойств деталей в практике широко используются вибрационно-термическая стабилизационная обра­ ботка и другие способы [69].

Следовательно, для устранения структурной неоднородности и внутренних остаточных напряжений при проектировании тех­ нологических процессов для конкретных изделий с учетом допу­ ска на нестабильность геометрических размеров и физико-меха­ нических свойств деталей машин необходимо выбрать оптималь­ ное чередование операций формообразования деталей. Последо­ вательность и чередование операций зависят от жесткости дета­ ли, допуска на нестабильность размеров и материала заготовки.

Применительно к определенному изделию практически эта задача решается в следующей последовательности: детали клас­ сифицируют по категориям жесткости (табл. 30) ; для каждой категории жесткости устанавливают коэффициент продолжи­ тельности выдержки при операциях стабилизирующей обработ­ ки, например, для категории жесткости — 0,5—0,6 высокая, по­ вышенная — 0,75; средняя — 1,0; малая — 1,25; все детали раз­ бивают на три категории по значениям допуска на нестабиль­ ность главных размеров детали; с учетом жесткости, допуска на нестабильность и материала заготовки разрабатывают режимы термостабилизации и схему комплексных типовых процессов из­ готовления деталей (схема 4).

На схеме 4 в горизонтальных графах перечислены основные формообразующие операции, в вертикальных графах — терми­ ческие операции упрочняющей и стабилизирующей обработок. Точка означает выполнение соответствующей операции. Линия, соединяющая точки, указывает чередование операций — меж­ операционное движение заготовок.

Чередование операций и способ предварительной обработки поверхностей оказывают влияние на механизм формирования поверхностного слоя, на физическое состояние слоев металла и

крогеометрии и упрочнение поверхностного слоя. Структурные изменения поверхностного слоя при этом в значительном диапа­ зоне режимов обработки не имеют места.

Схема Ч

Очистка и консервация деталей

В процессе изготовления деталей с целью повышения надеж­ ности и сохраняемости их необходимо тщательно очищать от окалины и всевозможных жировых и других загрязнений. Для защиты от коррозии в процессе производства и при последую­ щем хранении детали часто подвергают консервации.

В практике находят применение различные способы и уста­ новки для выполнения процессов очистки и консервации деталей. Ультразвуковой метод очистки деталей является наиболее эф­

фективным.

На рис. 134 показана ванна УЗВ-15 для ультразвуковой очистки деталей от жировых, лакокрасочных покрытий и смол.

В дно ванны 5 из нержавеющей стали встроен магнитострикционный преобразователь 4 (ПМС-6М), который является источ­ ником ультразвуковых колебаний частотой около 20 кГц. Ванна заключена в звукоизоляционный кожух. Под крышкой кожуха вдоль длинной стороны ванны установлен бортовой отсос 9, ко­ торый выходным отверстием 6 соединяется с вентиляционной системой цеха. По змеевику 7 пропускается холодная или горя­

хлорированных органических растворителей ограничивается их высокой токсичностью. Обычно очистку деталей в органических растворителях ведут последовательно в двух или трех ультра­ звуковых ваннах. Продолжительность операции (в зависимо­ сти от формы и загрязненности деталей) составляет 2—5 мин.

При применении водных растворов щелочей и синтетических поверхностно-активных веществ обычно очистку ведут в одной ультразвуковой ванне. Для очистки стальных деталей наиболее

раствор, содержащий 3—5 г/л тринатрийфосфата, 3—5 г/л каль­ цинированной соды и 3 г/л ОП-7 или ОП-Ю, нагретый до тем­ пературы 50—55° С. При очистке полированных поверхностей