CC BY
105
УДК 621.787:621.785
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛОКАЛЬНОГО УПРОЧНЕНИЯ КРУПНЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО
ЧУГУНА
Г.И.Пашкова, начальник лаборатории, ГП «Завод им. В. А. Малышева», г. Харьков
Аннотация. Исследовано влияние локальных упрочняющих обработок на износостойкость и сопротивление усталости крупных коленчатых валов из высокопрочного чугуна. Показано, что сочетание лазерной обработки или электроискрового легирования с последующей обкаткой роликами переходных галтелей позволило увеличить работоспособность валов до ремонта в среднем на 35-40 %.
Ключевые слова: коленчатые валы, лазерная термическая обработка, электроискровое легирование, упрочнение материала, износостойкость.
Введение
Решение одной из основных задач машиностроения - повышение надежности и долговечности машин - тесно связано с проблемой износостойкости поверхностных слоев промышленных материалов. Коленчатый вал является одной из наиболее нагруженных и ответственных деталей тепловозного дизеля и практически определяет ресурс работы всего двигателя. Для изготовления таких валов широко используется высокопрочный чугун с шаровидным графитом [1]. Конструкция и технология изготовления валов должны обеспечивать высокую износостойкость материала при достаточном уровне сопротивления изгибным и крутильным циклическим нагрузкам.
Анализ публикаций
К числу наиболее перспективных методов достижения требуемых триботехнических свойств деталей относятся лазерные упрочняющие технологии и легирование поверхности электроискровым методом (ЭИЛ) [2-5]. Выбор способа упрочнения определяется многими факторами и должен осуществляться на основе анализа фрикционного поверхностного взаимодействия в условиях эксплуатации узла трения [6].
Преимущества лазерной термической обработки (ЛТО): получение высоких физико-механических свойств поверхностных слоев, минимальные деформации деталей, возможность обработки на воздухе без применения охлаждающих сред, простота автоматизации процесса, экологическая чи-
стота - показывают перспективность и целесообразность ее использования в двигателестроении. Однако при упрочнении деталей, долговечность которых лимитируется показателями усталости (например, валы, оси), важно правильно выбрать параметры зоны упрочнения, при которых остаточное напряженное состояние в поверхностном слое детали после лазерной обработки не ухудшает усталостной прочности детали, т. е. процесс лазерной закалки таких деталей должен быть оптимизирован [7].
Эффективным методом повышения служебных характеристик деталей машин является также упрочнение поверхностных слоев электроискровым способом. Данный метод достаточно технологичен, прост в исполнении, не требует специальной предварительной подготовки поверхности. Однако в слое, наращиваемом на основной металл детали, могут формироваться растягивающие напряжения. Кроме того, ЭИЛ имеет и другие недостатки: малая толщина наносимых слоев, сложность получения микрорельефа заданной шероховатости. Поэтому в каждом конкретном случае необходим выбор оптимальных параметров обработки.
Указанные методы упрочнения достаточно исследованы и применяются в промышленности при изготовлении деталей из сталей и легких сплавов. Значительно менее изучено использование их для упрочнения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Цель и постановка задачи
Целью настоящей работы являлось исследование влияния локального поверхностного упрочнения лазерным излучением и электроискровым легированием на работоспособность коленчатых валов транспортных дизелей типов 10Д100 и Д80, изготовленных из высокопрочного чугуна с шаровидной формой включений графита.
Методика исследований
В качестве материала для проведения исследований использовали высокопрочный чугун, модифицированный Mg, следующего химического состава, масс. %: 3,4...3,9 С; 1,9...2,5 Si; 0,8...1,25 Мп; 0,5 .1,0 Ni; 0,2...0,5 Мо; 0,05...0,1 Mg; < 0,1 Сг; < 0,05 Р; < 0,02 S. Основа - Fe. Лазерное термическое упрочнение производилось на валах дизеля типа Д100, отлитых с использованием операции ранней выбивки (НВ 229...268) с пер-лито-ферритной структурой металлической основы (П85, П92 ГОСТ 3443). Валы более мощного дизеля Д80 подвергали нормализации (НВ 241...293, П96) и упрочняли шейки электроискровым легированием.
Исследованием [8] установлено, что оптимальным является упрочнение 50-70 % поверхности шейки. Таким образом, применяемое упрочнение - дискретное, т. е. создается рельеф поверхности, представляющий собой сочетание участков различной структуры и твердости.
На первом этапе работы производили исследования влияния ЛТО на износостойкость высокопрочного чугуна и сопротивление усталости отсеков натурных валов. Испытания на износостойкость выполнили в паре с баббитом, свинцовистой бронзой и алюминиевым сплавом А020-1. При проведении исследований использовали стенд ИПС-2. Время испытаний - 50 часов. Скорость скольжения составляла 8 мс-1, смазка - масло М14В2. Для испытаний на стенде втулки изготавливали из специально отлитых образцов, соответствующих по химическому составу коленчатому валу, и подвергали лазерной закалке на глубину 0,7 мм, а кольца - из материала подшипника.
Лазерную термическую обработку поверхности шеек коленчатых валов для испытаний на усталость осуществляли с использованием СО2-лазера на технологической установке непрерывного действия ЛТ1-2 при мощности излучения 2,6...2,9 кВт, скорости осевого перемещения 15 мм-мин-1. и частоте вращения 1,5 мин-1. Упрочнение производили по однозаходной винтовой линии с замыканием колец в начале и конце спирали на расстоянии 4.6 мм от галтелей. Ширина дорожки лазерного упрочнения 5 мм, расстояние между дорожками 5 мм. Глубина закаленного слоя составляла 1,1 мм. Твердость закаленных участков 691...698 HV, незакаленных участков - 229...233
НУ.
На втором этапе исследовали эксплуатационные характеристики коленчатых валов, упрочненных ЭИЛ. Процесс осуществляли на установке, в которой зазор между электродом и деталью сохраняется постоянным, а электрический разряд обеспечивается формированием в цепи импульсов тока, создаваемых генератором. В качестве упрочняющего электрода использовали нержавеющую сталь 12Х18Н10Т. Мощность разряда составляла 1,0 кВт. Толщина упрочненного слоя 50...300 мкм, микротвердость Н20 5...14 ГПа.
Исследование влияния ЭИЛ на триботехнические характеристики высокопрочного чугуна производили путём испытаний на машинах трения СМЦ-2 и СМТ-1. Износостойкость образцов определяли по изменению их массы. Скорость скольжения составляла 1,3 мс-1, контактное давление - 5 МПа, смазка - М14В2. Время испытаний - 10 часов. Ролики перед испытаниями полировали до параметра шероховатости 0,32.0,16 мкм. Контртелом служили колодки, изготовленные из сталеалюми-невой полосы (сталь 10 - алюминиево-оловянный сплав АО 20-1).
Испытания на усталость при изгибе в обоих случаях выполняли на универсальной испытательной машине с гидропульсатором типа МУП-100 по методике, изложенной в работе [9].
Результаты исследований
Результаты испытаний на износ образцов, упрочненных ЛТО, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты испытаний на износостойкость по схеме "вал - вкладыш" в течение 50 ч
Установлено, что лазерная обработка эффективна для повышения износостойкости высокопрочного чугуна и приводит к уменьшению износа как вала, так и вкладыша.
В таблице 2 приведены результаты испытаний на износостойкость образцов, обработанных элек-
Состояние материала коленчатого вала Материал вкладыша Износ вала, мкм Износ вкладыша, г
Ранняя выбивка, отпуск при 680°С Баббит Б2 3,0 0,5095
БрС30 с покрытием (РЬ - Sn -Си) 5,8 1,7508
А020-1 5,4 0,1454
ЛТО, отпуск при 350°С БрС30 с покрытием (РЬ - Sn -Си) 1,1 0,0580
А020-1 1,4 0,0211
троискровым легированием. Полученные данные показывают, что обработка методом ЭИЛ приводит к существенному уменьшению износа ролика в сравнении с нормализованными образцами и снижению коэффициента трения.
Таблица 3
Результаты испытаний на усталость коленчатых
Испытания на усталость коленчатых валов с шейками, упрочненными ЛТО и ЭИЛ, результаты которых представлены в таблице 3, свидетельствуют о том, что исследованные варианты локального упрочнения приводят к некоторому снижению пределов ограниченной выносливости по сравнению со значениями этой характеристики для вариантов, принятых в качестве исходных. Упрочнение обкаткой роликами переходных галтелей валов обеспечивает увеличение значений предела выносливости в 1,8 - 2,3 раза.
Выводы
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что локальное поверхностное упрочнение методами ЛТО и ЭИЛ является эффективным для повышения износостойкости шеек коленчатых валов, изготовленных из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Однако применение указанных методов снижает сопротивление усталости.
Использование сочетания локальных упрочняющих обработок приповерхностных объемов материала с упрочнением обкаткой роликами переходных галтелей от шейки к щекам приводит к
повышению предела ограниченной выносливости и увеличению значений долговечности валов при перегрузках.
Результаты исследований использованы при изготовлении чугунных коленчатых валов тепловозных дизелей типов 10Д100М и Д80. Полученные закономерности подтверждены эксплуатационными испытаниями. Работоспособность валов до ремонта увеличилась в среднем на 35-40%.
Литература
1. Высокопрочный чугун с шаровидным графи-
том / под ред. М.В. Волощенко. - Киев: Нау-кова думка, 1974. - 203 с.
2. Коваленко В.С., Головко Л.Ф., Черненко В.С.
Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера. - К: Техшка, 1990. - 192 с.
3. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки
материалов. - М.: Машиностроение, 1989. -304 с.
4. Лукичев Б.Н., Белобрагин Ю.А., Щербина В.И.
Повышение эффективности поверхностного упрочнения при электроискровом легировании деталей машин. // Электронная обработка материалов. - 1987. - № 4. - С. 22-25.
5. Самсонов Г.В., Верхотуров А.Д., Бовкун Г.А.,
Сычёв В.С. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - Киев: Нау-кова думка, 1976. - 220 с.
6. Алисин В.В. Лазерные и газотермические по-
крытия для повышения надёжности узлов трения. // Трибология и надёжность машин. - М.: Наука, 1990. - С. 89-93.
7. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. По-
верхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. - М.: Машиностроение, 1988. - 239 с.
8. Любченко А.П., Пашкова Г.И. Влияние лазер-
ной обработки и обкатки роликами на сопротивление усталости высокопрочного чугуна // Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш. - 2005. - № 1. - С. 90-93.
9. Лобанов В.К., Пашкова Г.И. Оптимизация ис-
пытаний на усталость коленчатых валов транспортных дизелей // Мехашка та машинобудування. - 2004. - № 1. - С. 32-35.
Рецензент: Полянский А.С., докт. техн. наук, профессор ХНАДУ
Статья поступила в редакцию 2006 г.
Таблица 2
Результаты испытаний на износостойкость по схеме "ролик - колодка" в течение 10 ч
Способ упрочнения образцов Износ ролика, г х 104 Износ колодки, г х 104 Коэффициент трения
Нормализация 27 40 0,033
Нормализация, ЭИЛ 8 14 0,030
валов из высокопрочного чугуна
№ п/п Способ упрочнения Предел выносливости, МПа
1 Ранняя выбивка, отпуск при 680±20°С 90
2 Нормализация при 900±20°С 80
3 ЛТО 70% поверхности шеек на глубину 1,1 мм 73
4 ЛТО, обкатка галтелей 171
5 Нормализация, ЭИЛ 91
6 Нормализация, ЭИЛ, обкатка галтелей 167
