Повышение износостойкости стальных поверхностей путем лазерной обработки

УДК 621.785.54

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПУТЕМ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

А.Л. Любченко, профессор, д.т.н., ГП «Завод Малышева», Л.С. Липовецкий, директор, Госуд. центр «СТЭМ», Д.Б. Глушкова,

доцент, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Исследована износостойкость в условиях адгезионно-деформационного и абразивного механизмов изнашивания стали, подверженной упрочнению методами лазерной закалки и лазерной химико-термической обработки - борирования. Получены зависимости характеристик износостойкости от твердости упрочненного слоя и глубины упрочненной поверхности.

Ключевые слова: лазерная обработка, износ, коэффициент трения, лазерное химико-термическое борирование.

Введение

Весьма актуальным является повышение износостойкости трущихся поверхностей. При этом важным фактором в этом направлении является снижение коэффициента трения.

Известно, что снижению коэффициента трения способствует создание гетерогенной структуры. Поэтому при выборе метода повышения износостойкости стальных поверхностей следует учитывать это обстоятельство.

Цель и постановка задачи

Из исследованных методов прочненения поверхности наиболее оптимальным оказалась лазерная обработка, поскольку высокоскоростная закалка позволяет получить зоны упрочнения, обладающие повышенной твердостью.

Целью работы было изучение влияния лазерной термической обработки на износостойкость стальной поверхности путем определения количества продуктов изнашивания и скорости абразивного изнашивания, установления параметров, характеризующих потерю веса образцов при абразивном изнашивании.

Методика и результаты исследований

Исследовали триботехнические характеристики стали с гетерогенной структурой полученной лазерной обработкой. Образцы из стали 40Х, подвергнутой улучшению и имевшей твердость НRC

21-23, обрабатывали лазерным излучением на установке «Квант 16».

Исследования износостойкости проводили на машине СМц-2 по схеме ролик-колодочка. Контроллером служил ролик, изготовленный из стали ШХ 15 и имевший твердость НRС 59-61.

Проведенные испытания показали, что создание лазерной обработкой гетерогенной структуры на поверхности стали приводит к снижению коэффициента трения и повышению несущей способности пары.

Максимальная нагрузка заедания была получена при 60% относительной площади упрочненной поверхности. Это явление можно объяснить выполнением правила Шарпи для стальных поверхностей, обработанных лазерным излучением.

Исследования количества продуктов изнашивания производилась методом гашения сцинтиляци-ей по ГОСТ 23.206-89. В процессе ступенчатого нагружения производились замеры интенсивности свечения смазочного масла под воздействием ионизирующего источника. При постоянном давлении отбор проб масла производился через 10 мин в течении 50 мин.

Установлено, что при нагружении происходит увеличение моментов трения и количества продуктов изнашивания. Затем с течением времени в результате приработки износ и коэффициент трения снижаются и стабилизируются. При последующем нагружении происходят процессы увеличения момента трения и износа с постепенным их уменьшением и стабилизацией.

Исследование суммарного износа (за 50 мин) при ступенчатом нагружении показало, что для относительной упрочненной площади 30% наблюдается снижение количества продуктов изнашивания ролика и колодочки в смазочном масле при увеличении нагрузки.

Для 60% относительной упрочненной площади при небольших давлениях в паре наблюдается снижение количества продуктов изнашивания ролика и колодочки в смазочном масле при увеличении нагрузки.

При давлении 4,5 МПа можно отметить резкое повышение износа пары трения. При дальнейшем (рис. 1) нагружении количество продуктов изнашивания снижается.

V , мг/м

о!-----

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Кз

Рис. 1. Влияние удельного давления на количество продуктов изнашивания при твердости зон упрочнения: а - 9500 МПа; б - 12900 МПа; в - 16800 МПа; г - 18900 МПа

Возможно, большой износ пары при нагрузках, не превышающих нагрузку заедания, вызван процессами пластической деформации и поворотным протеканием процессов приработки с образованием вторичных структур, после чего при повышенных нагрузках условия смазки улучшаются, трение и изнашивание снижаются.

Наименьшее количество продуктов изнашивания было зафиксировано при 90% относительной упрочненной площади. Для этого случая, исходя из максимальной нагрузки заедания, был найден оптимум по твердости зон лазерного упрочнения. Он составил 16800 МПа.

С целью изучения стойкости гетерогенных структур к абразивному изнашиванию производились испытания на машине Х-45. Трение образцов диаметром 10 мм производилось об абразивную шкурку зернистостью М20.

Размер образца определялся исходя из того, что минимальный диаметр зоны упрочнения составляет 1,1 мм. Давление торцевой поверхности образца на шкурку составляло 0,141 МПа. Износ определялся по потере веса образца.

В результате проведенных исследований установлено, что основными параметрами, определяющими потерю веса образца при абразивном изнашивании, являются относительная площадь упрочненной поверхности К, и твердость зон упрочнения.

Изменение скорости изнашивания в зависимости от относительной площади упрочненной поверхности показано на рис. 2.

0,24 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04

0 2 4 6 8 10 Р, МПа

Рис. 2. Влияние относительной площади упрочнения на скорость абразивного изнашивания при твердости зон упрочнения: а - 9500 МПа; б - 12900 МПа; в - 16800 МПа

Увеличение относительной площади упрочненной поверхности приводит к повышению износостойкости, так как изнашиванию подвергаются в основном более мягкие зоны.

Повышение твердости упрочненных зон приводит к увеличению износостойкости. На рис. 3 показано изменение скорости изнашивания при различной твердости образцов. Относительная площадь упрочненной поверхности К3 равна 1,0

Уи, мг/м

1,0

0,5

5000 10000 15000 20000 Н 1 00 , МПа

Рис. 3. Влияние твердости поверхности на скорость абразивного изнашивания

В качестве эталона при испытаниях использованы образцы чистого алюминия. Для сравнения испытывали образцы стали 40Х в улучшенном состоянии и после закалки с низким отпуском.

Ун , мг/м

а

Г

0,2 0,4 0,6 0,8 1,

в

1/б

Ту V

а

Ъ

уМ

40Х^ ЛТО ЛХТО

Закалк

Дополнительное упрочнение обеспечивает совмещение борирования с лазерной обработкой, так называемое лазерное химико-термическое бори-рование

Выводы

Таким образом, наличие упрочненных зон повышает несущую способность пар трения.

Лазерная обработка может быть рекомендована для деталей, работающих при повышенных нагрузках.

При абразивном механизме изнашивания необходимо стремиться к максимальной относительной

упрочненной площади и наибольшей твердости упрочненных зон.

В наибольшей степени повышает износостойкость исследованной стали 40Х лазерное химико-термическое борирование.

Этот метод упрочнения был опробован для повышения износостойкости высокоточных прецизионных деталей топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания, газораспределительного механизма и дал положительные результаты.

Литература

1. Кидин И.Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1991. - 375 с.

Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНА-

ДУ.

Статья поступила в редакцию 25 июля 2006 г.

УДК 669.018.8+621.78

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВАЛИКОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ ТРАКТОРА

И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ, В.О. Костик, доцент, к.т.н., НТУ «ХПИ»

Аннотация. Рассмотрен вопрос замены нитроцементации валиков поверхностной закалкой, что позволит существенно сократить обработки, повысить продуктивность, улучшить условия труда, увеличить долговечность изделий, получить значительный экономический эффект.

Ключевые слова: валики, трение, износостойкость, нитроцементация, индукционная закалка, микроструктура, твердость.

Введение

Экономия металла, сокращение энергозатрат, обеспечение экологической чистоты процессов обработки, повышение качества и долговечности металлопродукции - важнейшие задачи современного машиностроения. Их решение может быть достигнуто как за счет создания новых, так и, в первую очередь, за счет совершенствования существующих технологий изготовления деталей машин, чему и посвящено данное исследование.

Анализ публикаций

Как известно, поверхностная закалка изделий с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) обладает целым рядом технологических преимуществ: резкое сокращение времени процесса обработки и повышение производительности, отсутствие окисления и коробления изделий, возможность механизации и автоматизации процесса, улучшение экологии и культуры производства. Наряду с этим такой вид обработки обеспечивает существенное повышение эксплуатационных свойств и долговечности обрабатываемых деталей.

В настоящее время в автомобиле- и тракторостроении объем деталей, упрочняемых поверхностной закалкой с нагревом ТВЧ, превышает 60 % от общей массы упрочняемых деталей [1, 2].

Цель и постановка задачи

Цель данной работы - повысить долговечность и обеспечить необходимый ресурс валиков переключения передач. Задача данного исследования - изучить возможность замены химико-термической обработки на индукционное поверхностное упрочнение деталей, эксплуатирующихся в условиях трения, интенсивного износа, значительных удельных нагрузок.

Методика и результаты исследования

В процессе эксплуатации валик при переключении скоростей перемещается вдоль оси и стопорится фиксатором, который входит в зацепление с валиком в лунке (рис. 1). На участке сопряжения боковой поверхности лунки с фиксатором действуют значительные контактные давления. Такие условия работы обусловливают необходимость получения высокой твердости на сопряженных поверхностях.

"' V

__I

Рис. 1. Эскиз сопряженных поверхностей лунка валика - фиксатор

Валик изготавливается из стали 20Х, фиксатор -из стали 20. Для обеспечения износостойкости и сопротивления контактным нагрузкам рабочие

поверхности лунки валика и фиксатора подвергаются химико-термической обработке - нитроце-ментации и цементации соответственно.

Технологический процесс обработки деталей (рис. 2) сложный (состоит из 9 операций) и длительный (~ 20 часов).

Ресурс валиков по требованиям завода составляет 8000 мото-часов, а фактически при активном использовании деталь работает не более 5000, а чаще менее 2000 часов.

Выбраковка основной массы деталей производится по причине значительного износа и разрушения в местах контакта фиксатора и валика (боковые поверхности и края лунки) и смятия между лунками (рис.3). Также наблюдается износ цилиндрической поверхности валика при передвижении его вдоль оси в корпусе коробки передач.

Для выяснения причин низкой долговечности валиков после ХТО был проведен металлографический анализ деталей.

Рис. 3. Вид вышедшего из строя валика переключения передач

Установлено, что непосредственно после цементации твердость рабочих поверхностей (58...61 HRC) соответствовала требованиям ТУ. Однако при исследовании обнаружено существенное различие (~ в 2 раза) глубины упрочненного слоя по диаметру валиков и по их длине как для одного и того же валика, так и от детали к детали

Рис. 2. Технологический цикл обработки валиков с использованием нитроцементации

На заводе используется широкая номенклатура валиков, диаметр которых соответствует 22,6 мм, а длина меняется от 192 до 319 мм. Закалка после нитроцементации деталей с большим отношением длины к диаметру приводит к короблению, особенно если они погружаются в охлажденную среду не вертикально. Это требует, несмотря на операцию рихтовки, значительного съема металла при шлифовке. В результате механической обработки удаляются наиболее твердые поверхностные слои, которые обеспечиваются нитроцементацией.

По-видимому, именно значительным съемом металла при шлифовке обусловлен большой разброс допускаемых по ТУ значений твердости (от 63 до 42 HRC). Это приводит к тому, что валик эксплуатируется с существенно более низкой твердостью поверхности, что и обусловливает интенсивный износ рабочего слоя.

Анализируя изложенное представляется рациональным заменить ХТО поверхностной индукционной закалкой, использовав для валиков вместо стали 20Х среднеуглеродистую сталь (45 или 40Х), приобретающую после закалки требуемую твердость.

Кроме указанных выше преимуществ, индукционная закалка обеспечивает:

- стабильность упрочненного слоя как по глубине, так и по твердости;

- сокращение времени процесса обработки детали до 30-60 с;

- получение более мелкого зерна в поверхностном слое, что улучшает комплекс механических характеристик;

- благоприятную эпюру остаточных сжимающих напряжений, что способствует повышению надежности деталей в эксплуатации;

- значительное уменьшение тепловложения, поскольку нагревается всего около 5 % общего объема металла детали, что приводит к снижению затрат электроэнергии.

Таким образом, замена ХТО поверхностной закалкой оправдана как с точки зрения улучшения эксплуатационных характеристик, так и из экономических и экологических соображений.

Трудность использования индукционной закалки в данном случае заключается в том, что наличие лунок искажает распределение электромагнитного поля, а, следовательно, теплового потока в детали. Различается также и интенсивность отвода тепла от выступа и впадины. В результате закаленный слой может оказаться неравномерным.

Следует отметить, что валики по количеству лунок (2 или 3) и их расположению неидентичны. На одних лунки удалены друг от друга на 3-5 мм, на других же разнесены на расстояния от 14 до 48 мм. Расположение лунок от торца валиков колеблется от 3 до 78 мм. Эти обстоятельства по-

Таблица 1 Параметры обработки

требовали отработки параметров процесса для каждого отдельного случая.

Валики изготавливали из стали 40Х. Ставилась задача обеспечить глубину закаленного слоя рабочих поверхностей не менее 2 мм с твердостью на поверхности 56-58 HRC. Поскольку фиксатор при эксплуатации не касается дна лунки, допускалось наличие незакаленного слоя на расстоянии от дна лунок не более 5 мм.

Для исследований были выбраны наиболее нагруженные валики с неблагоприятным для закалки ТВЧ расположением лунок на очень близком расстоянии (~ 3 мм) друг от друга (рис. 1).

Поверхностное упрочнение деталей производили на высокочастотной установке с питанием от генератора с частотой 8000 Гц и максимальной мощностью 100 КВт.

Учитывая, что деталь длинная, нагрев осуществлялся непрерывно-последовательно и равномерно. Для этого валик вращался в поле индуктора, который перемещался снизу вверх с определенной скоростью, последовательно нагревая один участок поверхности за другим. Деталь охлаждалась водой также непрерывно-последовательно с помощью душирующего устройства.

После поверхностной закалки определяли глубину закаленного слоя и твердость на цилиндрической части валика и на вершинах выступов, также изучали микроструктуру в продольном и поперечном сечении детали.

Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 1.

Здесь Dи - диаметр индуктора; иг, /г - напряжение и сила тока генератора генератора соответственно; т - время нагрева; V - скорость движения индуктора, Р - мощность генератора, ро -удельная мощность индуктора.

Сопоставление твердости с макро- и микроструктурой валиков позволило установить, что обработка по режиму 1 (мощность 17 КВт) вообще не приводит к превращению в поверхностных слоях, и твердость остается на исходном уровне. При обработке по режиму 2, несмотря на увеличение мощности до 23 КВт, имеет место недогрев, карбиды не успевают растворится в аустените. Это приводит к низким значениям твердости и большому ее разбросу. Обработка по режиму 3 за счет снижения скорости движения индуктора при той же мощности обеспечивает более полное насыщение аустенита углеродом. Однако и в этом случае на поверхности наряду с мартенситом с твердостью 50-52 HRC присутствуют участки с трооститной структурой (твердость 42-45 HRC). Таким образом, и этот режим нельзя считать удовлетворительным. и твердость закаленной поверхности

Режим Параметры обработки Твер-

D„, мм иг, кВ 1г , А т, с V, мм/с P, кВт ре, кВт/см2 дость HRC

1 470 60 60 5,0 17 0,53 20...23

2 70 550 70 60 5,0 23 0,72 35...48

3 550 70 65 4,5 23 0,60 42.52

610 110 47 6,6 34 1,05 38.45

4 50 800 130 75 4,2 57 1,79 57.58

610 110 58 5,5 34 1,05 57.58

5

6

Обращает на себя внимание, что после обработки по режимам 2 и 3 упрочненный слой неравномерен, имеет размытые границы, что свидетельствует о значительном рассеянии электромагнитного поля. Для получения более концентрированного потока энергии, как известно, следует уменьшить зазор между индуктором и деталью. Поэтому следующая серия экспериментов была проведена с индуктором D = 50 мм (режимы 4-6). При этом была увеличена мощность индуктора.

Из таблицы видно, что высокие значения твердости получились после обработки по режиму 5. Однако в данном случае произошла сквозная закалка выступов и образование в сердцевине валиков участков троосто-мартенситной структуры с твердостью 48-52 HRC. Это может привести к хрупкому разрушению.

Наилучшие результаты получились при обработке по режиму 6, который обеспечил относительно однородный по толщине упрочненный слой (~ 2,2 мм на цилиндрической части и 3,5 мм на выступах) и высокую равномерную твердость. Этот режим рекомендуется для обработки валиков.

Можно ожидать еще лучших показателей при уменьшении диаметра индуктора до 40 мм. По известным литературным данным [3] для деталей диаметром менее 50 мм зазор между индуктором и деталью должен быть в пределах 2-5 мм, что приведет к повышению электрического КПД и более концентрированному потоку энергии.

Использование индукционной закалки взамен нитроцементации сократит технологический цикл обработки деталей с 9 (рис. 2) до 3 (рис. 4) операций. При этом значительно уменьшится общая длительность процесса обработки валиков.

Рис. 4. Технологический цикл обработки валиков с использованием индукционной закалки

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения закалки ТВЧ взамен нитроцементации для валиков при объеме 3500 шт. составит около 70000 грн.

Выводы

Проведенные эксперименты показали возможность и эффективность упрочнения валиков переключения передач индукционной закалкой взамен нитроцементации. Определены параметры индукционной

обработки,обеспечивающей получение требуемой структуры и твёрдости изделий.

Использование индукционной закалки позволит существенно сократить технологический цикл, повысить в 4-5 раз производительность обработки, уменьшить затраты электроэнергии, улучшить условия труда и экологическую обстановку.

Литература

1. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей ма-

шин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. - М.: Машиностроение, 1972. - 288 с.

2. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Техно-

логия термической обработки. - М.: Металлургия, 1984. - 424 с.

3. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для

индукционного нагрева. - Ленинград: Энергия, 1974. - 264 с.

Рецензент: А.С. Полянский, д. т. н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 2 июня 2006 г.