Перспективные стали для тяжелонагруженных деталей автомобиля Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 621.785.363 (088.8)

В.И. Астащенко, А.И. Швеёв, Т.В. Швеёва, И.Н. Халиков

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЯ

Набережночелнинский институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский)федеральный университет», г. Набережные Челны

Проведены комплексные исследования механических и технологических свойств сталей АЦ40Х2НМАФ и АЦ30Х3НМАФБ. Показаны преимущества новых сталей в части повышения статических и динамических характеристик. Рекомендовано использование таких сталей для изготовления тяжелонагруженных деталей -коленчатых валов и шатунов двигателя. Показана эффективность применения стали 18ХГР для зубчатых колес.

Ключевые слова: термообработка, сталь, деформация, структура, твердость.

В связи с ускоренным развитием техники крайне актуальными встают вопросы повышения надежности и долговечности деталей машин. Особенно возрастает роль такой задачи в настоящее время, так как развитие основных отраслей промышленности идет в направлении повышения нагрузок, температур и использования агрессивных сред, в которых работает деталь. Возможным решением поставленной задачи является разработка, исследование и внедрение новых высокопрочных сталей.

Методика работы

Металлографические исследования выполнены с использованием микроскопов «Эпитип-2» и «Неофот-2» при увеличениях х100 - ><1000*. Загрязненность стали неметаллическими включениями оценивали по ГОСТ 1778-70, размер зерна определяли методом окисления (стали АЦ40Х2НМАФ и АЦ30Х3НМАФБ) и методом цементации (сталь 18ХГР) по ГОСТ 5639-82.

Испытания на растяжения и ударную вязкость проводили на разрывной машине 2Б-20 и маятниковом копре РБ'^30 в соответствии с ГОСТ 1497-61 и ГОСТ 9454-60. Образцы изготавливали из заготовок, отобранных из проката по ГОСТ 7564-73 и прошедших термическую обработку: для сталей АЦ40Х2НМАФ и АЦ30Х3НМАФБ - закалка с температуры 930°С в масло и отпуск при 630°С; для стали 18ХГР - закалка с 860°С в воду и отпуск при 200°С с охлаждением на воздухе. Для определения твердости применяли приборы ТШ-2М и ТК-2М, а микротвердости - прибор «Дуримет». Усталостная прочность на изгиб коленчатых валов оценивалась путем нагружения щеки переменным изгибающим моментом, а на кручение - путем нагружения шатунной шейки переменным крутящим моментом. Испытания шатунов проводили по знакопеременному циклу нагружения с воспроизведением гидродинамики в подшипнике скольжения кривошипной головки при растягивающем напряжении от 4 до 8 тн и двойной амплитуде цикла от 14 до 24 тн. Обрабатываемость резанием оценивалась в лабораторных и производственных условиях на автоматических

© Астащенко В.И., Швеёв А.И., Швеёва Т.В., Халиков И.Н., 2013.

линиях при механической обработке заготовок коленчатого вала, шатунов и зубчатых колес двигателя и мостов автомобиля.

Результаты исследования

В табл. 1 представлено содержание химических элементов в стали АЦ40Х2НМАФ, выплавленной в мартеновской печи, обработанной синтетическим шлаком и прокатанной на квадрат 154±2 мм на Серовском металлургическом заводе; и в стали АЦ30Х3НМАФБ, выплавленной и прокатанной на круг 70 мм в ПО «Ижсталь». Эти марки стали упрочнены за счет легирования азотом, ванадием и ниобием.

Таблица 1

Химический состав сталей

Сталь Содержание химических элементов, %

C & № Mn Mo V P S №

АЦ40Х2НМАФ 0,37 0,20 2,12 0,72 0,45 0,11 0,11 0,025 0,007 -

АЦ30Х3НМАФБ 0,31 0,24 2,54 0,74 0,40 0,20 0,07 0,021 0,011 0,03

В состоянии поставки загрязненность стали АЦ40Х2НМАФ оксидами и сульфидами не превышала 2,5 балла, а стали АЦ30Х3НМАФБ - оксидами не более 3 балла, сульфидами -2 балла и нитридами - 1 балл. Механические свойства термически обработанной стали находятся на высоком уровне и выше, нежели чем у серийно используемых сталей 42ХМФА и 40ХН2МА для коленчатых валов и шатунов двигателя (табл. 2).

Таблица 2

Механические свойства сталей

Сталь Показатели свойств

оВ, Н/мм2 оТ, Н/мм2 5, % % НВ

Дж/см2

АЦ30Х3НМАФБ 1210 1080 12,5 56 110 334

шатуны (1000) (850) (12) (55) (100) (287)

АЦ40Х2НМАФ 1110 1030 12,5 54,0 88 321

коленчатый вал (850) (730) (12) (42) (80) (255)

Примечание. В скобках указаны минимальные значения свойств в состоянии поставки для стали 40ХН2МА (шатуны) по ГОСТ 4543-71 и для стали 42ХМФА (коленчатый вал) по ТУ 14-1-5520-2005.

В процессе изготовления поковок, предусматривающего индукционный нагрев заготовок до температуры 1260±20°С, пластическую деформацию и термическую обработку, установлена технологичность сталей с нитридванадиевым упрочнением на данных стадиях обработки. Оптимальный уровень прочностных и пластических свойств сталей получен в результате термической обработки поковок, включающей аустенизацию при температуре 930±20°С, закалку в масло и отпуск при 630±20°С с последующим охлаждением в масло. Более высокая температура (930°С) нагрева сталей под закалку по отношению к сталям 42ХМФА и 40ХН2МА (860°С) объясняется механизмом нитридванадиевого упрочнения. Однако такое повышение температуры может привести к уменьшению межремонтных периодов термических агрегатов и снижению стойкости жаропрочных материалов.

Механическая обработка заготовок шатуна в количестве 1000 шт. на автоматической линии показала высокую технологичность стали АЦ30Х3НМАФБ на различных операциях резания. Твердость заготовок находилась в пределах 255-302 НВ, а микроструктура соответствовала сорбиту отпуска (табл. 3).

Анализ обрабатываемости заготовок коленчатого вала показал, что основной лимитирующей стадией процесса резания являются операции глубокого сверления,

характеризуемые показателем Ь/Б >3 (Ь - длина отверстия, Б - диаметр сверла). Затруднение при механической обработке выражалось в налипании материала заготовок на режущий инструмент и образованием плохо удаляемой стружки из зоны резания, что служило причиной поломки сверл 05,5 ^10,0 мм. Учитывая взаимосвязь обрабатываемости резанием со свойствами материала, параметрами режима резания и конструктивных особенностей инструмента, исследована возможность улучшения обрабатываемости на операциях сверления заготовок из комплексно легированной термоулучшаемой стали АЦ40Х2НМАФ. Установлено, что оптимальными параметрами при сверлении заготовок из новой стали являются:

• для сверл 0 5,5 мм и 0 5,7 мм - подача 0,1 мм/об при скорости 660 об/мин,

• для сверл 0 8,5 мм и 0 8,7 мм - подача 0,17 мм/об при скорости 400 об/мин,

• для сверл 09,0 мм и 010,0 мм - подача 0,15 мм/об при скорости 360 об/мин.

Основное внимание при опытно-промышленном апробировании уделено показателям

служебных свойств деталей - их усталостной прочности. Стендовые испытания деталей из опытной стали показали, что пределы выносливости коленчатых валов составляют: на изгиб - 1000кг-м, на кручение - 900 кг-м, что превышает эти показатели свойств для применяемой в настоящее время стали 42ХМФА (900 и 800 кг-м соответственно).

Интерес представляют результаты усталостных испытаний шатунов, что объясняется дополнительной разработкой новой технологии термической обработки стали АЦ30Х3НМАФБ, структура и твердость деталей указаны в табл. 3.

Таблица 3

Свойства стали АЦ30Х3НМАФБ после термической обработки

Режим термообработки Структура Твердость, НВ

Т °С х ауст ^ Охлаждающая среда Т °С х отп ^ Охлаждающая среда

940 Воздух 650 Воздух Сорбит 285

930 Масло 650 Масло Сорбит 302

930 Воздух 705 Масло Сорбит 278

950 (температура окончания штамповки) Воздух (2-5°С/с) на конвейере 705 Воздух Сорбит + Феррит 255

Видно, что во всех случаях в стали формируется сорбитная структура. Незначительное снижение твердости наблюдается у деталей, термическая обработка которых включала реализацию ковочного тепла заготовок. Результаты стендовых испытаний деталей показали, что предел усталости всех опытно-промышленных деталей составил на сжатие 6 тн при двойной амплитуде цикла 24 тн, что на 50% превышает аналогичные показатели деталей, изготовленных из стали 40ХН2МА. Следует также отметить, что наличие дробенаклепа поверхности деталей дополнительно повышает выносливость шатунов, что подтверждено металлографическими исследованиями, изучением микротвердости поверхности и усталостными испытаниями.

Особое значение приобретают вопросы выбора сталей для зубчатых колес. Шестерни ведущих мостов грузовых автомобилей испытывают в эксплуатации целый спектр изменяющихся статических и динамических нагрузок. Широко применяемые стали, такие как 20ХГНМТА, 25ХГТ и другие [1], приводят к преждевременному выходу из строя деталей из-за поломки зубьев. Одной из причин низкой стойкости шестерен служит высокая твердость в сердцевине детали, оцениваемая, согласно нормативным документам, на расстоянии 2/3 от вершины зуба по его осевой линии.

В подтверждение изложенному убедительно свидетельствуют и результаты стендовых испытаний деталей с различной твердостью в сердцевине зуба шестерни (табл. 4).

Таблица 4

Влияние твердости сердцевины зуба шестерни на стойкость при стендовых испытаниях (сталь 20ХГНМТА)

№ п/п Прокаливаемость ПНЕС 9 Твердость, ИЯС Глубина* цементованного слоя Стойкость детали, ч

поверхности сердцевины

1 43,5 61,5 44,0 1,20 2,55

2 39,0 61,5-62,0 36,0 1,15 4,10

Примечание. * Глубина цементованного слоя определена во впадине зуба - наиболее опасном сечении.

Ключевое влияние на этот показатель свойств, безусловно, оказывает прокаливаемость стали. Очевидно, чем выше прокаливаемость и меньше геометрические параметры изделия, тем выше твердость в сердцевине детали. Установлено, что твердость в сердцевине зуба шестерен с модулем 5 мм после ХТО на 8-10 ИЯС выше, чем твердость определенная на рекомендуемом расстоянии 9 мм от охлаждаемого торца стандартного образца по ГОСТ 5657-69 (рис. 1). Только на шестернях с модулем более 8,0 мм достигается аналогичная величина твердости, что и прокаливаемость стали на указанном расстоянии от торца образца [2].

Рис. 1. Частота (%) распределения твердости сердцевины зуба шестерен с различным модулем

после ХТО. Сталь 20ХГНМТА. Количество партий деталей - 85 шт:

яс

о - исходное состояние стали (П—); А - модуль т=5 мм; □ - модуль т=8.7 мм

Данные результаты свидетельствуют о необходимости регламентирования прокаливаемости стали на различном расстоянии от охлаждаемого торца образца с учетом масштабного фактора детали. Для шестерен первоочередным условием является модуль зуба.

В настоящее время успешно завершено испытание экономнолегированной стали марки 18ХГР, для мелко- и крупномодульных шестерен коробки передач и главных мостов автомобиля «КАМАЗ». К новой стале предъявляются требования по химсоставу и прокаливаемости (табл. 5, 6). Как показали исследования, механические свойства стали превышают значения, предусмотренные для стали 20ХГНМТА (табл. 7), которые достигаются за счет одновременного модифицирования сплава бором и алюминием. Опытная

сталь выплавляется на Оскольском электрометаллургическом комбинате и прокатавыается на 090 мм из непрерывно-литой заготовки сечением 360*300 мм (степень деформации составила более 6,0).

Таблица 5

Химический состав сталей

Сталь Содержание химических элементов, %

С 81 Мп Сг N1 Мо Т1 (В) А1 8 Р

20ХГНМТА 0,180,23 0,170,37 0,8 -1,10 0,8-1,1 0,8-1,1 0,2-0,3 0,030,09 - < 0,025 < 0,025

18ХГР* 0,140,20 0,150,40 1,101,35 1,11,35 0,150,30 0,040,12 0,002 (0,0010,003) 0,020,05 0,0200,035 < 0,025

Примечание. *Суммарное содержание Mn, Сг, № и Mo должно быть от 2,5 до 3,05%.

Таблица 6

Прокаливаемость сталей

Сталь Твердость (НЯС) на расстоянии от закаленного торца, мм НТД

5 9 10 15 25 40 50

20ХГНМТА - 30-40 - 24-38 - < 25 - ТУ 14-1-5509-2005

18ХГР 37-43 - 33-39 - 25-31 - > 22 ТУ 14-1-5561-2008

Таблица 7

Механические свойства сталей

Сталь ов, Н/мм2 оТ, Н/мм2 5, % % КСи, Дж/см2 НВ

20ХГНМТА >1300 > 1100 > 11 > 50 > 78 -

18ХГР * 1485 1350 13,5 59 94,5 363

Примечание.* Химический состав плавки: С-0,18%; 81-0,28%; Мп -1,21%; Сг -1,22%; № - 0,26%; Мо - 0,09%; В -0,002%; 8 - 0,029% и Р - 0,018%.

Для обеспечения удовлетворительной обрабатываемости резанием заготовок на автоматических линиях они после горячей объемной штамповки подвергаются изотермическому отжигу (рис. 2). После термической обработки в стальных заготовках стабильно формируется феррито-перлитная структура, а величина твердости находится в пределах 163-197 НВ. Обязательным условием при выборе параметров отжига является необходимость ускоренно-прерывистого циклического охлаждения заготовок с температуры аустенитизации до температуры максимальной скорости перлитного превращения [3] и проведение изотермической выдержки со ступенчатым понижением температуры от 680 до 600°С [4].

Важным условием для сталей подвергаемым горячим видам обработки является размер аустенитного зерна, который влияет на усталостную прочность деталей. Известно, что при крупнозернистом строении усталостная прочность на изгиб в ножке зуба снижается на 25%, а на кручение - на 40%. Для стали 18ХГР температурная зависимость показала, что порог роста зерна в ней находится при температуре 940°С и выше. Данная информация свидетельствует об ограничении температуры аустенитизации при отжиге заготовок и температуры насыщения деталей при цементации в процессе химико-термической обработки.

ГС

Л + (100-150РС

УскорЕнно-прерыЬистое охл-е

Ауситнитизщия

680°С

-\660°С

' 16W°C

--| 600°с

Пактужибаше

\

Зона изотермических выдержек

\

\

Высокие показатели свойств достигнуты на цементованного шестернях: твердость поверхности 59-62 ИКС; эффективная глубина насыщения (до 610 НУ) составила 0,7^0,8 мм; количество остаточного аустенита в упрочненном слое не превышало 25%; содержание углерода на расстоянии 0,1 мм от поверхности составляло 0,7-0,85%; твердость в сердцевине - 37-38 ИЯС; величина зерна - 7-8 балл; динамическая сила разрушения зуба с модулем 8,7 мм превысила 54 кН при норме не ниже 49 кН.

1. Высокие показатели механических свойств сталей АЦ40Х2НМАФ и АЦ30Х3НМАФБ, полученные при статических и динамических испытаниях, позволяют рекомендовать их для изготовления тяжелонагруженных деталей - коленчатых валов и шатунов автомобиля.

2. Экономнолегированная цементуемая сталь 18ХГР показала высокую технологичность, обладает необходимым уровнем механических свойств и с успехом может применяться для шестерен грузовых автомобилей.

3. Установлена возможность закалки на воздухе шатунов из стали АЦ30Х3НМАФБ, с температуры окончания штамповки (~950°С) с обеспечением высокого уровня её свойств после высокого отпуска.

1. Лахтин Ю.М. Термическая обработка в машиностроении: справочник / Ю.М. Лахтина; под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта. - М.: Машиностроение, 1980. - 783 с.

2. Астащенко, В.И. Технологические методы управления структурообразованием стали при производстве деталей машин / В.И. Астащенко, В.Г. Шибаков. - М.: Academia, 2006. - 328 с.

3. Пат. № 1301856 Российская Федерация, МКИ3 С21Д V78. Способ термической обработки заготовок / Астащенко В. И., Янцен Г. И., Ивановский С. В.; заявитель и патентообладатель Камское объединение по производству большегрузных автомобилей. - №4015708/22-02; заявл. 14.11.85.

Выводы

Библиографический список

4. Пат. №1534067 Российская Федерация, МКИ3 С21Д 1/26. Способ термической обработки заготовок/ Астащенко В. И., Янцен Г. И. [и др.]; заявитель и патентообладатель Камское объединение по производству большегрузных автомобилей.-№4438814/23-02; заявл. 08.06.88; опубл. 07.01.90 Б.И. №1.

Дата поступления в редакцию 20.06.2013

V.I. Astashchenko, A.I. Shveev, T.V. Shveeva, I.N. Halikov

PERSPECTIVE BECAME FOR THE TYAZHELONAGRUZHENNYKH

OF DETAILS OF THE CAR

Naberezhnochelninsky Institute (branch)Kazan (Volga) Federal University,

Naberezhnye Chelny

Complex researches of mechanical and technological properties of steels AC40H2NMAF and AC30H3NMAFB are carried out. Advantages of new steels and a part of increase static and dynamic characteristics are shown. Use of such steels for manufacturing of hard loaded details-cranked of shaft and engine rods is recommended. Efficiency of application of a steel 18HGR for cogwheels is shown.

Key words: thermal processing, steel, deformation, structure, hardness.