Структурный анализ материала зубчатых колес Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.4.016:621.831

А.И. Долматов, А.А. Колос

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

«ХАИ», Украина

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МАТЕРИАЛА ЗУБЧАТЫХ

КОЛЕС

Аннотация: Рассмотрены методы структурного анализа материала зубчатых колес. Предложена зависимость дефектов от качества обработки материала. Рассмотрены методы контроля зубчатых колес.

С2рук2ура, макроскоп, ческ, й анал, з, м, кроскоп, ческ, й анал, з, поверэнос2ный слой, дефек2, кон2роль

Введение.

1 Постановка задачи исследования

Структурные методы изучения металлов, прежде всего методы микроскопического анализа очень широко применяют для исследования. Главное преимущество их заключается в том, что между структурой металла и его свойствами в большинстве случаев существует достаточно надёжная качественная зависимость. Это позволяет по данным микроанализа (а часто и макроанализа) не только узнать, в каком направлении изменяются механические, физические или химические свойства при тех или иных изменениях в структуре, но и объяснить причины этих различий в свойствах. Более того, по данным, получаемым этими методами, возможно, указывать пути наиболее эффективного улучшения структуры, а следовательно, и свойств и прогнозировать эксплуатационную надежность изделий.

Достаточно, например, указать, что получение в конструкционных сталях более мелкого зерна, наблюдаемое в микроскопе, позволяет значительно повысить сопротивление хрупкому разрушению. С другой стороны, образование в структуре частиц химических соединений(например,карбидов или интерметаллидов в стали) повышает в определенных пределах прочностные свойства. Вместе с тем образование большого числа и довольно крупных частиц новой фазы (в частности, тех же карбидов в стали), также отчетливо наблюдаемых в микроскопе, снижает вязкость и способствует развитию хрупкого разрушения.

Физические и химические методы, позволяющие судить о превращениях, протекающих в тех или иных металлических сплавах, существенно

дополняют данные структурного исследования. Они позволяют определить изменение состояния металлов, которые не удается отметить структурными методами (в частности, когда превращения, протекающие в них, приводят к изменению электронной структуры атомов металлов). Измерение электрического сопротивления позволит указать природу образующихся новых фаз в металле, т.д.

Свойства металла, металлических сплавов определяют физические свойства (коэффициент теплового расширения, плотности, магнитной проницаемости и др.) и ряда химических свойств (стойкости против коррозии в разных агрессивных средах и т.д.).

Технологический метод определяет технологические свойства детали, изготавливаемой ковкой, штамповкой, обработкой резанием.

Таким образом, выше перечисленные методы используются в комплексе, и дают информацию о структуре, превращениях и свойствах.

Выявление дефектов, нарушающих сплошность металла, методами структурного анализа.

2 Изложение основного материала с обоснованием полученных результатов.

Макроанализ излома металла позволяет установить многие особенности строения, причин хрупкого или вязкого разрушения.

По форме различают тип излома :

- ровный, блестящий;

- с выступами или чашечкой.

Хрупкое разрушение - это разрушение, которое произошло без видимой пластической деформации. При вязком разрушении пластическая деформация видима.

© А.И. Долматов, А.А. Колос 2006 г.

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006

61

Анализ строения излома более полно характеризует поведение металла при разрушении. По этому признаку различают излом:

- зернистый излом;

- матовый или волокнистый;

- смешанный;

- по флокенам.

Выявление дефектов, нарушающих сплошность металла, методом макроанализа:

- усадочная рыхлость, газовые пузыри, пустоты и трещины, образовавшиеся в литом металле;

- трещины, возникающие при обработке давлением или термической обработке в катанном или кованом металле.

Для выявления этих дефектов в заготовках применяют - темплеты, изготовляемые в поперечных сечениях.

Дефекты, нарушающие сплошность стали, определяют реактивами глубокого и поверхностного травления. Реактивы глубокого травления используют для макроанализа отливок и поковок.

Реактив для глубокого травления состоит из: HCl, HNO3, К2СГ2О7, воды. Реактив для глубокого травления воздействует на поверхность стали. Агрессивное действие концентрированных кислот и их смесей неодинаково на отдельных участках металла; оно больше на участках с более развитой и активной поверхностью, т.е. с порами, раковинами, трещинами и концентраторами напряжений, а также на участках, неоднородных по составу и структуре вследствие ликвации. Поэтому после травления макрошлиф стали, имеющий такие дефекты, получает избирательно протравленную поверхность, на которой видны трещины и пористость.

Кроме того отдельные участки металла в результате особенностей состава, влияния примесей и превращений могут иметь значительные напряжения (в том числе особенно опасные растягивающие напряжения). Микроанализ выявляет и эти участки, которые обладают резко пониженными и неудовлетворительными механическими свойствами, в которых в процессе последующей обработки могут возникнуть трещины.

Реактив для поверхностного травления выявляет сравнительно крупную пористость, и характер ликвации и фигуры течения металла, но они не могут заменить реактивов глубокого травления для определения флокенов, трещин, рыхлости и пор, не выходящих непосредственно на поверхность металла.[3]

Способ обработки металла влияет на его структуру и свойства. Микроанализом определяют влияние пластической деформации на его структуру.

Микроструктура стали показывает распределение неметаллических включений в стали. Эти вклю-

чения проявляются после травления шлифа. Вытянутыми оказываются не только неметаллические включения, но и участки перлита и феррита, т.к. на процессе вторичной кристаллизации в твердом состоянии оказывали зародышевое действие вытянутые неметаллические включения. Макроанализ не обнаруживает этого вида полосчатости, называемой вторичной. Ударная вязкость образцов стали поперек волокна является более высокой, чем ударная вязкость при испытании вдоль волокна.

Далее, микроанализ позволяет определить, подвергался ли сплав холодной деформации. Можно отчетливо видеть изменение формы и размера зерна, вызванное рекристаллизацией.

При помощи микроанализа можно установить, в равновесном или в неравновесном состоянии находится сплав, и во многих случаях определить, какой термической обработке он подвергался. Сталь, нагретая до более высокой температуры, из-за крупного зерна обладает меньшей пластичностью и прочностью. Рост зерна стали, происходящий при высоком нагреве, вызывает также увеличение размеров кристаллов мартенсита, образующихся в процессе охлаждения.

Микроструктура позволяет также судить о том, была ли достаточной скорость охлаждения при закалке сплава.

В промышленности широко применяют процессы, изменяющие состав поверхностного слоя стали путем насыщения его углеродом (цементация), азотом (азотирование) или металлами (диффузионная металлизация). В зависимости от глубины насыщенного слоя и концентрации соответствующих элементов в этом слое изменяются свойства стали. Микроанализ позволят определить глубину такого диффузионного слоя и примерно концентрацию в нем насыщенного элемента.

Микроанализ широко применяют для установления причин разрушения деталей при эксплуатации. В таких случаях также имеет значение правильный выбор места, из которого вырезают образец. Обычно образцы вырезают вблизи места разрушения и в отдалении от него, для того чтобы можно было определить наличие каких-либо отклонений в строении металла. Кроме того, изучается структура в продольном и поперечном направлениях. Определены следующие виды дефектов зубчатых колес:

(табл. 1) [3]

При ремонте зубчатых колес осуществляют контроль:

1. Контроль формы и размеров детали;

2. Магнитный контроль деталей;

3. Контроль зацепления шестерен.

Контроль формы и размеров детали - позволяет выявить несоответствия чертежу и техническим требованиям.

Таблица 1

Виды дефектов зубчатых колес

Дефекты Причина дефекта Следствие дефекта

Разрушение Методы, режимы обработки детали (качество поверхностного слоя детали, физико-механические свойства, макро-, микроструктура металла, остаточные напряжения). Структурно-фазовое изменение в металле.

Усталостное (осповидное) изнашивание То же Выкрашивание поверхностного слоя

Абразивное изнашивание То же Микросрезание поверхностного слоя

Фреттинг-коррозия То же Язвинки и продукты коррозии

Приработка Методы, режимы обработки детали (качество поверхностного слоя детали, сборки зацепления) Изменение размеров, состояния поверхностного слоя

Наклеп То же Изменение структуры, свойств металла (микротвердость поверхностного слоя)

Заедание зубьев Методы, режимы обработки детали (термообработка (закалка), физико-химические свойства металла) Адгезионный отрыв

Механические повреждения торцов Методы, режимы обработки детали (качество поверхностного слоя детали, качество сборки зацепления) Дефекты поверхностного слоя (царапины, риски)

Коррозионное разрушение Методы, режимы обработки детали (качество поверхностного слоя детали, физико-химические свойства металла) Физико-химические процессы в металле (ржавление). Разрушение поверхностного слоя.

Кавитационный износ То же Физико-химические процессы в металле. Наклеп поверхностного слоя.

Магнитный контроль деталей - позволяет выявить в деталях трещины и др. пороки, нарушающие целостность и однородность материала у поверхности.

Контроль зацепления шестерен - позволяет определить качество зацепления (по характеру отпечатков краски на сопряженных поверхностях, по величине зазоров, на легкость и плавность движения, отсутствие несвойственного им шума). [2]

Контроль зубчатых передач.

При производстве зубчатых колес осуществляют три вида контроля :

1. Профилактический контроль;

2. Текущий контроль;

3. Приемочный контроль.

Профилактический контроль - включает в себя

контроль средств производства:

- станка - геометрический и кинематический;

инструмента - нового и после заточки;

- приспособления - вне станка и на станке;

- заготовки - после её обработки, на станке -перед выполнением технологических операций обработки изделия, с целью обеспечения требуемой точности изготовления зубчатых колёс.

Этот вид контроля особенно эффективен при производстве зубчатых колес, поскольку имеется тесная связь между точностью средств производства и точностью готового изделия.

Цель текущего контроля в зуборезном производстве - выявление погрешностей процесса изготовления по результатам измерения зубчатых колес или контроль окончания технологических операций или же наладки технологического процесса и управления ходом обработки.

Цель приемочного контроля - оценка соответствия точности изделия требованиям, определяе-

¡ББЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006 # 6у —

мым его назначением, и выделение негодной продукции. Приемочный контроль содержит кинематический, геометрический, вибрационный, акустический.

Пример комплексов показателей точности для трех видов контроля зубчатых колёс, используемых в скоростных и кинематических цепях:

- кинематическая точность,

- плавность работы,

- контакта зуба,

- бокового зазора,

- подбор пар по шуму.[1]

Чистота и твердость поверхности характеризуют ее качество. Определение чистоты и твёрдости (микротвердости) на образцах, обработка которых произведена по технологии, применяемой для деталей, служит эффективным средством контроля технологии изготовления и ремонта.

Микротвердость измеряют на наружной поверхности, в сечениях детали, в сечениях образцов. Определение микротвердости позволяет выяснить степень и глубину наклепа и др. изменений.

Контроль чистоты поверхности деталей необходим, т.к. прочность и долговечность деталей снижаются с уменьшением чистоты поверхности.

4 Выводы исследований в данном направлении

Определенные виды дефектов зубчатых колес обусловлены способом обработки металла.

Методы и режимы изготовления, обработки, ремонта влияют на свойства детали:

качество поверхностного слоя (шероховатость, твердость);

физико-механические свойства (пластичность, прочность, выносливость);

макро-, микроструктуру материала;

остаточные напряжения в материале.

Для увеличения ресурса работы зубчатых передач необходимо исследовать влияние остаточ-

ных напряжений обработанной резанием детали. Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.- М.: Машиностроение, 1972. - 510 с.

2. Пономарев А.Д., Конончук Н.И., Авчинников Б.Е., Фролов В.П. Ремонт авиационных двигателей. - Изд. ВВИА им. проф. Н.ЕЖуковского, 1955. - 240 с.

3. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. -М.: Химия, 1970. - 640 с.

4. Геллер Ю.А. Рахштадт А.Г. Материаловедение.-М.: Металлургия, 1975. - С. 7 - 85.

5. Справочник металлиста. Справочник. Т. 1 - 3. Под ред. А.Н. Малова. - М.: Машиностроение, 1977.

6. Производство зубчатых колес. Справочник. Под ред. Б.А. Тайца. - М.: Машиностроение, 1975. -708 с.

7. Охрименко Я.М. Технология кузнечно-штампо-вочного производства. - М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.

Поступила в редакцию 31.06.06 г.

Рецензент: д-р техн. наук, проф., Борисевич В.К. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского, «ХАИ», Харьков.

Анота^я: Розглянут'1 методи структурного анал1зу матер1ал1в зубчатих колес. Досл1д-жена залежн1сть дефект1в вд якост1 обробки матер1ал1в.

Abstract: The method of structure analysiss of a stuff of dentate sprockets are reviewed. The relation of defects to quality to processing of a stuff is investigated.