CC BY
70Термоциклическая обработка деталей гусеничных тракторов
Малинен П.А.1 Казачков О.В.
Петрозаводский государственный университет
Рассматриваются возможности внедрения термоциклической обработки с целью повышения надежности и долговечности ряда деталей гусеничных тракторов ОТЗ.
Ключевые слова: термическая обработка, термоциклическая обработка, надежность и работоспособность деталей, мелкозернистая мартенситная структура, прочность, ударная вязкость.
В результате исследований причин отказов деталей тракторов АО"ОТЗ", проведенных в лаборатории материаловедения ПетрГУ, было установлено, что до 40 процентов отказов деталей связано с недостатками в технологии их изготовления, включая термическую обработку.
В наиболее тяжелых условиях работы находятся детали ходовой системы гусеничных тракторов: опорные катки, ведущие и направляющие колеса, звенья гусениц, пальцы звеньев и др. В процессе эксплуатации эти детали подвергаются интенсивному абразивному износу. Износостойкость деталей зависит как от материала, так и от технологии термической обработки. Повышение долговечности деталей ходовой системы определяется выбором более износостойких материалов и применением прогрессивных технологических процессов термического упрочнения.
Актуальной проблемой является повышение износостойкости звеньев гусениц, изготовляемых из легированной стали 35ГТФЛ или 110Г13Л ГОСТ2176-
77.
Отказы по гусеницам являются систематическими. Имеются случаи, когда наработка гусеницы до отказа составляет около 400 м.-ч.
Основной причиной отказов звеньев гусениц является износ шарниров, а также их хрупкое разрушение
[I]. Причина хрупкого разрушения заключается в низком качестве отливок: наличие пор, раковин,
рыхлости металла, крупных неметаллических включений по границам аустенитного зерна.
Большей надежностью и долговечностью обладают звенья гусениц из стали 110Г13Л, модифицированной хромом,титаном, бором и окислами цериевой группы
1 Авторы, соответственно, доценты кафедры технологии металлов и ремонта О П.А.Малинен, О.В.Казачков, 1996
[2]. Высокомарганцовистая сталь сочетает в себе высокую вязкость и износостойкость с повышенным пределом выносливости.
Отказы пальцев гусеницы происходят в основном вследствие износа, смятия и излома (рис.1 а,б). Палец изготавливается из калиброванной стали марки ЗЗХС диаметром 22 мм, допускается замена на сталь 27СГ и 50. Поверхность пальца подвергается закалке ТВЧ на глубину 4.. 6 мм. Твердость на поверхности и на глубине 3,5 мм должна быть соответственно НЯСэ>50 и НЯСэ>42. Разрушение пальца, представленного на рис. 1а, связано с нарушением режима закалки ТВЧ, а именно недогрева. На это указывает структура поверхностного слоя - троостит Вместо требуемого мартенсита отпуска (рис.2а). Структура сердцевины - сорбит с избыточным ферритом (рис.26), что также снижает механические свойства детали. Важной задачей является контроль качества термообработки данных деталей. В настоящее время на заводе разработан и изготовляется автоматический станок для индукционной закалки пальцев из стали 50, что должно существенно сократить брак при термообработке.
Важное значение имеет проблема повышения работоспособности ведущих колес. Ведущее колесо 55А-32-001 представляет отливку из стали 45Л ГОСТ977-75. Сердцевина колеса имеет твердость НВ156...241. Рабочие поверхности зубьев и впадин подвергаются поверхностной закалке ТВЧ на глубину 6 мм до твердости НВ>460.
Основной причиной отказа ведущего колеса является износ зубьев по боковым поверхностям из-за их низкой твердости (НЯС32...38). Одно из отказавших колес показано на рис.4.
Закалку ТВЧ ведут на специальных станках конструкции Волгоградского НИИТМаша. Особенность технологического процесса закалки колес на этих станках - регулируемая скорость охлаждения венца, а именно повышенная скорость охлаждения в интервале температур 900,..500°С и пониженная в интервале 500... 100°С.
Важной задачей является повышение надежности вкладыша 55-33-064 (рис.За).
Вкладыш изготавливается из стали 45 ГОСТ 1050-74 и должен иметь твердость НВ 241 ...285.
Опорный выступ вкладыша подвергается закалке ТВЧ до твердости'НЯСэ>52 на глубину 2 . 4мм. Наиболее частой причиной отказа вкладыша является износ и выкрашивание опорного выступа (рис.36). Разрушение происходит вследствие малой глубины закаленного слоя.
С целью повышения надежности вкладыша рекомендуется использовать вместо углеродистой стали 45 легированную сталь 40Х ГОСТ 4541-71.
Рис. I. Обпшй вид отказавших пальцев: а - смятие п изгиб пальца б- излом пальца
Рис. 2. Микроструктура пальца:
а - поверхностный слой, х200 б - сердцевина. х200
Рис. 3. Вид вкладыша после отказа: а - общий вид
б - выкрашивание опорного выступа
Рис. 4. Вид ведущего колеса после отказа
Резюмируя изложенные факты, можно сделать следующие выводы:
1. В наиболее сложных условиях эксплуатации находятся детали ходовой системы тракторов ОТЗ. В основном они подвергаются интенсивному абразивному износу.
2. Самым распространенным материалом для изготовления деталей является литая или горячекатаная углеродистая сталь 40 и 45.
3. Типичной термической обработкой, которую проходит большинство деталей, является объемная термообработка - закалка+высокий отпуск и следующая за ней закалка ТВЧ на глубину 2...4 мм.
4. Надежность рассматриваемых деталей тракторов недостаточна и во многом зависит от выбора материала и выполняемой термообработки.
5. В целях повышения надежности деталей необходимо решить вопрос об использовании легированных сталей перлитного класса типа 40Х и применении новых методов упрочнения, основанных на предварительном измельчении зерна перед окончательной термообработкой, в частности термоциклической обработкой (ТЦО).
Разновидностью ТЦО является способ, приводящий к повышению износостойкости стали путем обеспечения мелкозернистой мартенситно-аустенитной структуры [4].
Такая обработка состоит в 3...4-кратном ускоренном нагреве (150...180°/мин) сталей до температуры выше точки Асі и охлаждении ниже точки Ап (в предварительных циклах на воздухе, в заключительном цикле -в масле). Предлагаемый режим отличается от известных способов [6] тем, что с целью повышения износостойкости стали охлаждение на заключительном цикле выполняют ступенчато в начале на воздухе до температуры 630...650°С, а затем в охлаждающей среде с более высокой скоростью охлаждения (например, для легированной стали 40Х в масле с температурой 80...90"С).
Охлаждение в двух средах на последнем цикле предлагаемой термообработки позволяет получить оптимальную износостойкую структуру - мелкозернистую с равномерным распределением остаточного аустенита. Регулирование температуры охлаждающей среды позволяет сохранить в структуре оптимальное количество аустенита и не допустить возникновения внутренних термических напряжений. При меньшей температуре среды в детали возможно появление внутренних напряжений, приводящих к появлению микродефектов, а при более высоких температурах содержание аустенита в структуре больше оптимального количества. Количество циклов принимают равным 3...4. Высокоскоростной нагрев со скоростью 150... 180 град/мин обеспечивает возникновение напряженного состояния по границам зерен ( явление термонаклепа), способствующего повышению трещиностойкости материала.
Повышение износостойкости в результате применения предлагаемого способа термоциклической обработки связано с деформационной обработкой стали в период многократных нагревов и охлаждений материала, действующих как гермоудары. В результате происходит дробление структурного зерна и измельчение карбидных образований, возникающих в межграничной зоне. Создается мелкодисперсная мартенситная структура с равномерным распределением остаточного аустенита, хорошо работающая на износ. Данный способ можно рекомендовать при изготовлении сопряженных пар трения, работающих в условиях повышенного абразивного износа.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВНЕДРЕНИЮ ТЦО
ДЕТАЛЕЙ
Для изготовления деталей тракторов наиболее широко используются углеродистые стали типа 45 и легированная типа 40Х в литом или в горячекатаном состояниях.
Важной задачей является повышение надежности и работоспособности ответственных деталей, в особенности ходовой системы гусеничных тракторов. Одним из путей решения этой задачи является перевод конструкционного материала на новый уровень конструктивной прочности: повышение вязкости разрушения, износостойкости, ударной вязкости, снижение порога хладноломкости и т.д.
Перспективным и прогрессивным направлением в развитии термической обработки можно считать термоциклический способ. ТЦО отличается от традиционных термообработок температурно-временными параметрами, а именно температурой нагрева, скоростью нагрева, количеством термоциклов, скоростью охлаждения на промежуточных и окончательном термоцикле. Все эти параметры существенно влияют на конечный результат.
Применительно к улучшаемым конструкционным сталям рекомендуется использовать среднетемпературную термоциклическую маятниковую обработку (СТЦО). Такая обработка состоит в ускоренном многократном нагреве в печи до температур на 30...50°С выше точки Аа и охлаждении до температур ниже точки Ап на воздухе как на промежуточных, так и на заключительном термоцикле [6]. Известно положительное влияние СТЦО на структуру и свойства стали. Основным результатом такой обработки является получение мелкозернистой структуры в сочетании с зернограничным упрочнением .
Разновидностью СТЦО является обработка, состоящая в многократном ускоренном нагреве до температур выше Ас| с промежуточным охлаждением ниже Ап на воздухе и прерывистым охлаждением в заключительном термоцикле вначале на воздухе и далее в охлаждающей среде [4,5]. Наибольший эффект данная обработка дает при использовании легированных сталей типа 40Х. Такую обработку можно рекомендовать как для легированных, так и для углеродистых сталей на стадии предварительной обработки, на-
пример, в сочетании с закалкой ТВЧ, а также вместо традиционных термообработок - нормализации и улучшения.
Основные параметры ТЦО: для углеродистой стали 45 - Тнагр= 800°±10(,С. Тохл= 600°±10°С, п = 5...6; Тпечи = 950“±50°С, охлаждающая среда на заключительном термоцикле - вода; для легированной стали 40Х - Тнагр= 830°+10°С; Тохл= 6401|±10()С; п=3...4; Тпечи= 950°±50°С, охлаждающая среда - масло при i=80...90“C.
По данной схеме нами была проведена термоциклическая обработка поковок вкладыша 55-33-064 в муфельной печи. Поковки подвергались пятикратному нагреву до 800°±10(,С в печи, предварительно нагретой до 900°С, с промежуточным охлаждением до температуры 600°± 10()С и окончательным прерывистым охлаждением вначале на воздухе до температуры 600°±10°С, а затем быстром охлаждением в воде до комнатной температуры. Исследовалось влияние ТЦО на механические свойства углеродистой стали 45 следующего химического состава (массовая доля элементов): С=0,46%, Mn=0,6%, Сг=0,10%, S=0,03%. Время нагревов и охлаждений на каждом термоцикле контролировалось с помощью хромель-алюмелевой термопары, зачеканенной в боковую поверхность поковки. Термообработкой вкладыша, принятой на заводе, является улучшение - закалка 860(|±20°С в масле и высокий отпуск 550°± 10°С. В целях повышения износостойкости поверхность опорного выступа вкладыша подвергается закалке ТВЧ с низким отпуском.
Исследования микроструктуры и механических свойств стали после ТЦО показали, что микроструктура состоит из мелкозернистого (балл 10-11) псевдоперлита с зернистой и пластинчатой формой цементита. По результатам механических испытаний на разрыв и ударный изгиб образцов, вырезанных из поковок,было установлено,что ТЦО по сравнению с улучшением существенно повышает пластичность и ударную вязкость. Так, относительное удлинение увеличивается с 19 до 25 %, относительное сужение с 52 до 62%, ударная вязкость с 67 до 121 Дж/см. т.е. примерно в 2 раза. Твердость стали при ТЦО снизилась с НВ 241 до НВ 207, т.е. на 16%.
Таким образом, структурно-чувствительные характеристики механических свойств - ударная вязкость, относительное остаточное удлинение и сужение в процессе ТЦО увеличиваются,что обеспечивает повышение надежности и работоспособности материала детали.
Итоги выполненной работы свидетельствуют о значительном преимуществе ТЦО по сравнению с обычной объемной термообработкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Исследование отказов деталей лесозаготовительных машин: Отчет о НИР // ПГУ: Руководитель П.А.Малинен. Петрозаводск. 1987. 116с.
2. Халдеев В.В, Семенов В.М., Мошкин Н.Ф., Учу-ваткин Ф.Н. Сопротивление усталости сталей для звеньев гусениц трелевочных тракторов // Основные направления экономики и рационального использования металла в автотракторостроении: Тезисы докладов. Челябинск: 1984. С.97.
3. Пути повышения надежности лесных машин при проектировании, изготовлении и эксплуатации: Отчет о НИР // ПГУ: Руководитель А.В.Питухин. Петрозаводск. 1993. 58с.
4. Патент N2024627 МКИ С21Д 1/78. Способ термоциклической обработки стальных деталей / О.В.Казачков // Изобретения, 1994. N23, С.92.
5. Малинен П.А., Казачков О.В. Новые перспективы термоциклической обработки // Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов: Тезисы докладов. СПб; Белгород: 1995. С.68.
6. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. М.: Машиностроение, 1989. 255 с.
