Современное состояние проблемы повышения износостойкости деталей поверхностным пластическим деформированием

УДК 621.787.4.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Б.И. Бутаков, профессор, д.т.н., В.А. Артюх, аспирант, НГАУ, г. Николаев

Аннотация. Проведен анализ эффективности использования применения поверхностного пластического деформирования (ППД) для повышения износостойкости пар трения. При анализе было выявлено, что на повышение износостойкости деталей ППД в значительной степени влияют стабилизация усилия обкатывания, а также значения оптимальных режимов обкатывания деталей роликами.

Ключевые слова: деформация, износостойкость, упрочняющий, ролик, устройство.

Введение

Проблема повышения сопротивления изнашиванию становится все более актуальной, в связи с интенсификацией работы оборудования. Повышение срока эксплуатации деталей возможно за счет улучшения характеристик шероховатости поверхностного слоя с помощью поверхностного пластического деформирования (ППД).

Цель и постановка задачи

Повышение сопротивления изнашиванию определяет надежность и долговечность деталей машин и механизмов. Повышение срока эксплуатации деталей достигается за счет улучшения характеристик шероховатости поверхностного слоя поверхностной пластической деформацией (ППД).

Совмещение чистового и упрочняющего обкатывания роликами позволяет получить оптимальные характеристики шероховатости обкатанной поверхности и большую глубину упрочненного поверхностного слоя и приводит к повышению как износостойкости деталей, так и их усталостной прочности [1, 2, 3]. Значительное повышение износостойкости установлено также при наклепе чугуна в условиях смешанного трения, где изнашивание изучали при удельном давлении 1,3 МПа и

скорости скольжения 0,2 м/с на машине с возвратно-поступательным движением, что имитирует работу направляющих металлорежущих станков. Образцы наклепывали обкатыванием шариковой головкой. Показано, что при определенной степени деформации износ уменьшается, потом опять растет. Некоторые авторы [4, 5, 7, 8] считают, что повышение износостойкости деталей наклепом происходит в результате усиленной диффузии кислорода воздуха в упрочняемый металл и образования в нем оксидов типа БеО, Бе2О3 и Бе3О4. Такие соединения характерны также для окислительного износа, при котором износостойкость максимальна [4].

Повышение износостойкости пар трения с помощью обкатки их роликами

Рассмотрим более подробно результаты исследований с учетом режимов обкатывания и условий трения. В.В. Иванов проводил исследования на износ на машине трения типа МИ шлифованных и обкатанных образцов диаметром 55 мм и шириной 10 мм. Обкатывание осуществлялось с помощью роликов диаметром 170 мм с профильным радиусом 40 мм и усилием обкатывания от 10 до 20 кН. По его данным при сухом трении в паре чугунным вкладышем при удельном давлении 1,35 МПа обкатанные образцы из стали 45 оказались более износостойкими в

сравнении со шлифованными. При этом увеличение усилия обкатывания приводило к снижению износостойкости, что обуславливает явление перенаклепа. В случае подачи смазки у обкатанных образцов также наблюдается повышение износостойкости на 75% в сравнении со шлифованными [5, 6]. В. С. Рыс-цова исследовала износ обработанных образцов (диаметром 30 мм) из сталей 45 и У 8 при обильной смазке веретенным маслом. Образцы предварительно подвергались отпуску в вакууме. Часть образцов испытали после шлифования, другие - после обкатывания шариком (диаметром, равным 12 мм; при усилии обкатывания - 0,6 кН). Испытания на износ, проведенные на машине типа МИ при удельном давлении 1,2 МПа и скорости 200 об/мин в паре с чугунными колодками, показали, что обкатанные шариком образцы из стали 45 получили износ, приблизительно в 2,5 раза больший в сравнении с износом шлифованных образцов. У обкатанных образцов из стали У8, напротив, износ оказался приблизительно в 2,5 раза ниже, чем у шлифованных; это объясняется тем, что на поверхности образца из стали 45 оказалась высокая волнистость. Е.Г. Коновалов испытал на износ сегментные образцы из углеродных сталей 15; 35; 45 в паре с чугунными цилиндрическими притирами при смазке машинным маслом. Образцы вырезали из втулок, внутренний диаметр которых шлифовали или обкатывали роликом. Изнашивание происходило в течение 6 часов при удельном давлении 10 МПа, скорости скольжения 34,5 м/мин. Обкатанные образцы из всех сталей оказались более износостойкими по сравнению со шлифованными. При этом наибольшую износостойкость (в 2,8 раза выше шлифованных) приобрели образцы из стали 45, а наименьшую - из стали 15. Снижение эффективности обкатывания образцов из малоуглеродистой стали 15, по мнению Е.Г. Коновалова, объясняется ее высокой чувствительностью к перенаклепу, который возник в процессе износа.

Экспериментами, выполненными в Белорусском институте механизации сельского хозяйства, при трении с подачей масла, было установлено снижение износа обкатанных образцов из сталей 15; 35; 45 и 45Г2 в сравнении со шлифованными. Наибольшую износостойкость получили образцы, обкатанные с усилием, которое обеспечивает создание минимальной шероховатости.

Учитывая наличие противоречивых данных, были проведены специальные опыты по изучению влияния обкатывания торообразным роликом на износостойкость пар трения [7]. При трении скольжения образцы из нормализованной стали 45 испытывались на износ в паре с вкладышем из серого чугуна марки СЧ 18-36, а образцы из закаленной стали 40Х - в паре с бронзовым вкладышем. Испытания происходили на машине трения МИ в течение восьми часов с обильной смазкой. Образцы диаметром 40 мм обкатывались роликом при разном давлении обкатывания. Для сравнения испытали также шлифованные образцы. Испытания показали, что упрочнение обкатыванием является надежным средством увеличения износостойкости деталей. Невзирая на высокое удельное давление при скольжении (образцы из стали 45 испытали при давлении 10 МПа, а образцы из стали 40Х -при давлении 2,5 и 5,0 МПа), износ после обкатывания по сравнению с износом после шлифования сократился для стали 45 на 26%, а для стали 40Х - на 37%. Наивысшую износостойкость в обоих случаях приобрели образцы, обкатанные при оптимальном давлении в контакте (от 150 до 200 МПа). Превышение этого давления делает поверхность уже менее износостойкой. Например, увеличение давления при обкатывании образцов из стали 45 от 220 до 240 МПа привело к некоторому увеличению износа.

Изучение состояния поверхностного слоя закаленных образцов показало его структурную неоднородность, что является следствием дефектов шлифования. В результате обкатывания разброс твердости значительно сокращается и это свидетельствует о создании более однородного (в структурном отношении) поверхностного слоя. Это обстоятельство стоит считать одним из основных факторов повышения износостойкости.

Повышение износостойкости у обкатанных закаленных образцов установлено также В.А. Сологубом, И.И. Сухановым и др. В.А. Сологуб испытывал образцы из легированной стали 5ХВ2С в паре с обоймой из стали Р18 на машине трения типа МИ при давлении 5,0 МПа со смазкой. Им получено повышение износостойкости в результате обкатывания. Оптимальной, с точки зрения износостойкости, оказалась сила обкатывания, равная 2,0 кН (при диаметре ролика 50 мм и его профильном радиусе 8 мм). По-

вышение износостойкости характеризуется более высокой структурной однородностью и наличием остаточных сжимающих напряжений, образованных при обкатывании. Исследование износостойкости направляющих блоков штампов из стали ШХ15, термически обработанных до твердости ИЯС 62-64, проведено при обратно-поступательном перемещении с частотой 230 ход/мин [8, 9]. Износ направляющих, упрочненных обкатыванием вибрирующим шариком (с частотой 18 - 24 кГц), в сравнении с износом шлифованных, снижается в 2 - 4,7 раза.

А.С. Венжега испытывал шлифованные и обкатанные образцы из стали 9Х, закаленные токами высокой частоты. Обкатывание осуществлялось роликом с профильным радиусом 4,5 мм с усилием обкатывания от 0,5 до

4.0 кН. Наибольшая износостойкость, в 2,5 раза выше чем для шлифованных, установлена у образцов, обкатанных с усилием

2.0 кН. Этому усилию соответствовало и наибольшее увеличение твердости. Увеличение износостойкости А. С. Венжега связывает с повышением структурной однородности поверхностного слоя и наличием в нем остаточных сжимающих напряжений. Была испытана также партия обкатанных роликом валков 12-валкового стана. Обкатанные валки при прокатке латуни оказались на 38% долговечнее шлифованных. Испытания на износостойкость при трении качения проводили на машине МИ-1М. Исследовали образцы из сталей 14Х2НЗМА и ШХ15 диаметром 40 мм и шириной 10 мм. Верхние образцы были изготовлены в идентичных условиях из тех же материалов. У нижних образцов, изготовленных при разных режимах, был разный поверхностный слой.

Образцы из стали 14Х2НЗМА после цементации и термической обработки шлифовали. Часть образцов была испытана непосредственно после шлифования, а другие перед испытанием обкатывались при разном давлении. Твердость образцов перед обкатыванием составляла ИЯС 58-59. Образцы из стали ШХ15 (ИЯС 61-62) после закалки и отпуска обрабатывали по трем вариантам: подвергали шлифованию, шлифованию

с последующим полированием и шлифованию с последующим обкатыванием шариком диаметром 10 мм.

При испытаниях нагрузка на нижний образец осуществлялась прижатием к нему ролика с помощью тарируемой пружины. Контактное давление составляло 85 МПа. Во время изнашивания образец вращался со скоростью 416 об/мин.

Износостойкость образцов оценивали путем взвешивания образцов на аналитических весах. Исследуемый образец окунали в ванночку с моторным маслом. Длительность испытания образцов из стали ШХ15 составляла 32 часа, а из стали 14Х2НЗМА - 8 часов. Наибольший износ получили образцы после шлифования по применяемой на заводах технологии. У образцов, обкатанных после шлифования, износ снизился на 32 - 57%. Повышение давления при обкатывании обеспечивает более высокую износостойкость. Так, у образцов со стали 14Х2НЗМА, обкатанных при давлении 150 МПа, износ в сравнении со шлифованными снизился на 32%, а обкатанных при давлении 280 МПа - на 51%.

Выводы

1. Наибольшую износостойкость показали образцы, обкатанные при давлении 200 МПа. Увеличение давления до 300 МПа приводит к некоторому снижению эффективности обкатывания. Очевидно, это связано с перена-клепом, следствием которого является некоторое снижение твердости поверхностного слоя и остаточных сжимающих напряжений. Необходимо подчеркнуть, что разброс микротвердости обкатанных образцов незначительный в сравнении с разбросом микротвердости шлифованных образцов.

2. Повышение износостойкости пар трения после обкатки их роликами, невзирая на сложность физических и химических процессов, происходит за счет увеличения несущей поверхности в контакте пар трения, а также увеличения радиусов закругления профиля.

3. Повышение эффекта износостойкости наклепанного поверхностного слоя, как видно из обзора, объясняется остаточными сжимающими напряжениями, которые возникают в результате пластической деформации. Предыдущее упрочнение деталей препятствует сварке-схватыванию, при трении за счет устранения пластической деформации поверхностного слоя детали.

Литература

1. Папшев Д. Д. Упрочнение деталей обкат-

кой шариками. - М.: Машиностроение, 1968. - 132 с.

2. Бабей Ю.И., Бутаков Б.И., Сысоев В.Г.

Поверхностное упрочнение металлов. -К.: Наукова думка, 1995. - 256 с.

3. Бутаков Б.И. Усовершенствование про-

цесса чистового обкатывания деталей роликами / Вестник машиностроения. -1984. - № 7. - С. 50 - 53.

4. Шнейдер Ю.Г. Чистовая обработка метал-

лов давлением. - М.: Машиностроение, 1963. - 272 с.

5. Балтер М. А. Упрочнение деталей машин. -

М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.

6. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка дета-

лей поверхностным пластическим де-

формированием. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.

7. Коновалов Е.Г. Основы новых способов

металлообработки. - Минск: Изд-во АН БССР, 1961. - 185 с.

8. Браславский В.М. Технология обкатки

крупных деталей роликами. - 2-е изд. -М.: Машиностроение, 1975. - 160 с.

9. Школьник Л.М., Шахов В.И. Технология и

приспособления для упрочнения и отделки деталей накатыванием. - М.: Машиностроение, 1964. - 184 с.

Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 18 июня 2009 г.