Технологические способы повышения циклической прочности.

Металлургические факторы.

Большое влияние на циклическую прочность оказывает технология выплавки стали. Спокойные стали (раскисленные алюми­нием) имеют более высокие пределы выносливости, чем кипящие (раскисленные Мn и Si). Повышенной циклической прочностью обладают стали вакуумной плавки, а также полученные методами электронно­лучевого и плазменного переплава или электродугового переплава под слоем синтетического шлака.

Термообработка.

Упрочняющая термообработка повышает предел вы­носливости примерно пропорционально увеличению показателей стати­ческой прочности. Наибольший эффект дает закалка с низким отпуском, увеличивающая предел выносливости в 2-2,5 раза по сравнению с нетермообработанной сталью.

Высокую циклическую прочность обеспечивает изотермическая закалка на бейнит, а также термомеханическая обработка (особенно НТМО).

При поверхностной закалке (обработка ТВЧ, газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементация, нитроцементация, азотирование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (мартенсит при цемен­тации и закалке ТВЧ, нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверх­ностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двуосные (а в цилиндрических деталях — трехосные) напряжения сжатия. В ниже­лежащих слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, име­ющие небольшую величину вследствие незначительности сечения терми­чески обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины.

Создание предварительных напряжений сжатия уменьшает коэффициент амплитуды и смещает средние напряжения циклов в область сжатия, что повышает предел выносливости.

Повышенная поверхностная твердость, достигаемая термической и химико-термической обработкой, кроме того, предупреждает потерю прочности в результате износа, случайных царапин и повреждений. Такой же результат, как цементация, дает закалка сталей пониженной прокаливаемости (ПП), например сталей типа 55 ПП. При охлаждении с 800°С в 10% растворе NaCl, поверхностью слой закаливается на мартенсит (HRC 58 -62) на глубину 1 — 1,5 мм. Сердцевина приобретет сорбитную структуру (HRC 30 — 35). Способ выгодно отличается от цементации производитель­ностью и дешевизной и обеспечивает более мелкое зерно, чем цементация

Оптимальные для циклической прочности толщины слоя при цементации 0,4-0,8 мм, нитроцементации и азотировании 0,3-0,5 мм, обработке ТВЧ и газовой закалке 2—4 мм.

Рис. 6.5. Поверхностная закалка:

I — неправильная, II —правильная; а -зуб; 6 — шейка коленчатого вала

Упрочняющая обработка должна охватывать все участки поверхности с концентраторами напряжений (рис. 6.5, II). При неполной обработке (рис. 6.5, I) на границах обработанных и необработанных зон возникают скачки напряжений, снижающие прочность.

Газовая закалка зубьев шестерен по всему контуру, включая основание впадины, повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1,85 раз (с 260 до 480 МПа). Закалка же только рабочей поверхности зубьев, напротив, снижает прочность по сравнению с исходной в 0,8 раза.

Из перечисленных выше способов наиболее эффективно азотирова­ние, которое практически полностью устраняет влияние концентраторов напряжений. Азотирование почти не вызывает изме­нения формы и размеров деталей. Это позволяет во многих случаях устранить заключительное шлифование и сопутствующие ему дефекты, снижающие прочность. Кроме того, азотированный слой обладает повышенной коррозионной и термостойкостью. Твердость и упрочняю­щий эффект в противоположность обычной термообработке сохраняются до высоких температур (500-600°С). Сочетание этих качеств делает азотирование ценным спо­собом обработки деталей, работающих при повышенных температурах и подвергаю­щихся высоким циклическим нагрузкам и износу (коленчатые валы, тяжелонагруженные зубчатые колеса). Из-за сложности защиты отдельных участков от насыщения азотом, а также во избежание скачков напряжений на переходных участках детали обычно азотируют кругом.

Качество обработки.

Поверхности деталей, работающих при высоких циклических нагрузках, следует обрабатывать с максимальной, экономи­чески приемлемой шероховатостью. Отделочные операции (полирование, притирка, суперфиниширование) способствуют повышению усталостной прочности, особенно у деталей из прочных и твердых материалов.

Шлифование на обычных режимах (скорость резания 30 - 50 м/с) вызы­вает серьезные повреждения поверхностного слоя. Наиболее частые дефекты шлифованных поверхностей — микротрещины и прижоги — резко снижают циклическую прочность.

Для циклически нагруженных деталей применяют микрошлифо­вание — шлифование мелкозернистыми кругами при небольших скоростях резания (3—5 м/с) и ленточное шлифование (лентами, шаржированными абразивными микропорошками). В отличие от шлифования абразивными кругами, при котором происходит срезание и вырыв зерен, при ленточ­ном шлифовании преобладают процессы сглаживания и пластической деформации микронеровностей.

В качестве заключительной операции целесообразно применять поли­рование под давлением, которое благоприятно воздействует на структуру поверхностного слоя. Под действием давления и теплоты, выделяющейся при трении, происходит смыкание кристаллитов, разобщен­ных действием предшествующей механической обработки. Поверхностный слой уплотняется. Острые кромки микронеровностей сглаживаются, а впа­дины и микро трещины затягиваются. Увеличение гладкости поверхности повышает коррозионную стойкость.

На полированной поверхности легче обнаружить дефекты поверхност­ного слоя (флокены, волосовины, закалочные трещины и др.).

Ввиду этого ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках, полируют кругом, а не только по посадочным поверх­ностям и поверхностям трения.

Силовое полирование осуществляют под давлением 10 — 20 МПа при­тирами — колодками из бронзы или чугуна, рабочую поверхность которых шаржируют микропорошками из абразивных материалов (карборунда, карбида бора, боразона). Для самой тонкой доводки применяют мягкие притиры (баббит, древесину, кожу, замшу, фетр) с полировочными пастами типа ГОИ. Окончательную отделку ведут без абразивов, только с керо­синовой или лигроиновой смазкой.

Трущиеся поверхности для увеличения износо- и коррозионностойкости полируют с коллоидальным графитом или дисульфидом молибдена.

Упрочнение поверхностной пластической деформацией.

Один из главных способов повышения циклической прочности — поверхностная пластическая деформация (ППД). т. е. наклеп поверхностного слоя на глубину s = 0,2 - 0,8 мм с целью создания в нем остаточных напряжений сжатия.

При наклепе поверхностный слой расплющивается. Если бы он мог свободно удлиняться, то отделился бы от основного металла. Но удлинению препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные (у цилиндрических деталей - трехосные) напряжения сжатия, а в толще основного металла — незначительные реактивные напряжения растяжения.

У стальных деталей, подвергнутых поверхностной закалке с низким отпуском, напряжения сжатия возникают также в результате происходя­щего при наклепе превращения остаточного аустенита в мелкоигольчатый мартенсит деформации. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напря­жения сжатия уменьшают, а при достаточно большой величине полностью погашают их.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком стальных закаленных шариков (диаметром 0,5 — 1,5 мм), создаваемым пневматическими или центробежными дробеметами. Дробе­струйной обработке можно подвергать фасонные поверхности. Качество поверхности при наклепе несколько снижается (на 1—2 класса по сравнению с исходной), вследствие чего точные поверхности необходимо после наклепа подвергать финишным операциям.

Поверхности вращения упрочняют обкатыванием стальными за­каленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким расчетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для сталей 5000-6000 МПа по Герцу).

Для ориентировочного расчета силы прижатия можно пользоваться формулой ,

где D — диаметр вала, мм; — предел текучести материала, МПа; В — рабочая ширина ролика, мм; a = D_р /D — отношение диаметра катающего ролика к диаметру обкатываемого вала.

Ширина ролика при обкатывании валов диаметром 60 — 120 мм В= 10 - 20 мм. Рабочую поверхность ролика бомбинируют, кромки скруг­ляют галтелями

R = 1 - 2 мм. Шероховатость рабочей поверхности ролика R_а = 0,05-0,025 мкм. Окружная скорость вала 10 - 20 м/мин. Продольная подача s = (0,05- 0,1)В мм/об (в среднем 0,5 - 1 мм/об). Число проходов 2-3.

С целью уменьшения давления на ролик применяют виброобка­тывание (ролику сообщают колебания в радиальном направлении с помощью пневматического или электромагнитного вибратора).

Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установлен­ными во вращающемся патроне. Заготовке придают движения продольной и поперечной подачи. При правильно выбранном режиме обкатывания остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 800 — 1000 МПа. Глубина упрочненного слоя 0,2-0,5 мм.

В противоположность дробеструйной обработке обкатывание улучшает качество поверхности.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предвари­тельно шлифованной и полированной поверхности закругленным (R_сф= 2 — 3 мм) алмазным резцом при скорости 50 — 400 м/мин, подаче 0,02 — 0,1 мм/об и радиальном усилии на резце ~ 200 Н. Процесс приме­ним как для пластичных материалов, так и для термообработанных до высокой твердости (закалка ТВЧ, азотирование). При выглаживании поверхностный слой уплотняется на глубину 0,3—0,5 мм; в нем возникают высокие (1000 — 2500 МПа) остаточные напряжения сжатия. Качество поверхности улучшается – микрорельеф становится более плавным. Стенки отверстий упрочняют с помощью раскатывания, калибрования шариками и дорнования (протягивания уплотняющими прошивками).

Внутренние полости сложной конфигурации упрочняют струйно-абразивным полированием (полирование струёй воды или масла со взвешенными зернами абразивного материала).