Научная статья на тему 'Термоциклическая обработка деталей гусеничных тракторов'

Термоциклическая обработка деталей гусеничных тракторов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
1461
73
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Resources and Technology
ВАК
AGRIS
Ключевые слова
термическая обработка / термоциклическая обработка / надежность и работоспособность деталей / мелкозернистая мартенситная структура / прочность / ударная вязкость

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Малинен П. А., Казачков О. В.

Рассматриваются возможности внедрения термоциклической обработки с целью повышения надежности и долговечности ряда деталей гусеничных тракторов ОТЗ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Термоциклическая обработка деталей гусеничных тракторов»

Термоциклическая 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.