CC BY
56
УДК 537.228
ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
МАЛОЙ МОЩНОСТИ
В.Г. Шилко, М.А. Анисенкова, Н.В. Волкова
Рассматриваются аспекты выбора конструкционных материалов для изготовления активных частей электрических машин малой мощности
Ключевые слова: вибродвигатель, триботехника, упрочняющие покрытия, конструкционные материалы
За последние десятилетия область применения электрических машин малой мощности и электроприводов на их базе значительно расширилась. Вместе с тем в значительной мере повысились требования к аппаратуре и приборам разного вида и назначения в части быстродействия, массогабаритных показателей, способности работать в широком диапазоне температур, при повышенном уровне радиации.
Вследствие этого возросла потребность в практическом разрешении задачи в части повышения прочности, жесткости и
износостойкости контактирующих материалов в активной зоне вибродвигателя. При этом не теряет актуальности проблема снижения потерь на трение в последующих звеньях механизмов с повышением нагрузочной способности их элементов и расширением рабочего температурного диапазона.
Решение данной задачи проводиться двумя путями: рациональным выбором конструкционных материалов с требуемыми прочностными характеристиками; обработкой рабочих
поверхностей деталей и узлов, в том числе нанесением специальных упрочняющих покрытий, а также использованием различного вида смазочных материалов: жидких, консистентных, твердых.
Рассмотрим свойства различного вида покрытий, в том числе упрочняющих, антифрикционных для изготовления вибродвигателя с косыми соударениями и низкочастотным вибровозбудителем.
Ротор и преобразователь колебаний, активные части двигателя (АЧ) — ответственные элементы механической, иногда и магнитной системы.
Элементы АЧ, особенно в зоне контакта вибродвигателя должны быть прочными и жесткими, обладать высокой сопротивляемостью усталостным разрушениям, а в ряде случаев — высокими антикоррозионными свойствами, немагнитностью. Повышенные требования к точности и надежности вибродвигателей
Шилко Вячеслав Григорьевич - ООО «НПП «ЭКАР», ведущий инженер, тел. (473) 262-23-04 Анисенкова Мария Александровна - ООО «НПП «ЭКАР», инженер, тел. (473) 262-23-04
Волкова Наталья Владимировна - ВИВТ, канд. физ.-мат. наук, тел. (473) 272-76-74
обусловливают необходимость не только получения, но и сохранения геометрической формы АЧ при хранении и в эксплуатации. Следовательно, материалы для изготовления должны обладать хорошей релаксационной стойкостью.
Особое внимание при проектировании и изготовлении АЧ вибродвигателя малой мощности следует уделять выбору материала и технологии изготовления валов в частности технологии, упрочняющей и стабилизирующей термической обработки.
В зависимости от назначения вибродвигателя для изготовления АЧ применяют углеродистые и малолегированные конструкционные, а также нержавеющие стали, поскольку они обладают наиболее хорошим сочетанием пластичности и вязкости.
Малонагруженные АЧ вибродвигателей неответственного назначения можно изготовлять из углеродистых сталей, применяемых без термической обработки. Механические свойства этих сталей невысоки, однако они дешевы и недефицитны. Для снятия напряжений и получения более однородной и мелкозернистой структуры эти стали могут быть подвергнуты нормализации или отжигу. Для получения повышенной прочности отдельных участков, производят локальную упрочняющую термическую обработку — закалку с отпуском. Наиболее производительны в этом случае, особенно при массовом выпуске, соляные ванны и установки для нагрева ТВЧ.
Более прочными и надежными в эксплуатации, являются валы из высококачественных углеродистых и легированных конструкционных сталей. Самые распространенные из них — среднеуглеродистые стали 40, 45, 50, 38ХА. 40Х, ЗОХГСА, 35ХГСА, используемые в термически упрочненном или улучшенном состояниях, и малоуглеродистые стали 20, 15Х, 20Х, 12ХНЗА, подвергаемые цементации для повышения твердости и износостойкости поверхностных слоев при высокой вязкости сердцевины.
Выбор термической обработки — упрочнение или улучшение — определяется нагруженностыо в рабочей зоне, т. е. величиной действующих напряжений. Упрочнение (закалка с отпуском на высокую твердость, обычно более 35 ИИс) приводит к получению мелкодисперсной структуры металла
— троостита отпуска. Металл с такой структурой характеризуется высокими прочностными свойствами при несколько пониженных пластичности и вязкости. Такой термоообработке целесообразно подвергать длинные валы малых сечений (диаметр < 3-5 мм, длина > 10 диаметров) для повышенной жесткости.
Поскольку в этом случае термической обработке подвергают почти окончательно изготовленные АЧ, имеющие по отдельным поверхностям небольшие припуски на доводочные операции (шлифование), закалку необходимо производить в защитных средах. АЧ из малолегированных и углеродистых конструкционных сталей можно обрабатывать в любых средах, обеспечивающих получение чистой поверхности[1]; АЧ из нержавеющих сталей рекомендуется обрабатывать в вакууме, атмосферах типа Н2—N и в нейтральной атмосфере (аргон)[2].
При закалке и отпуске возможно искривление оси АЧ. Для уменьшения коробления их подвешивают или устанавливают в специальные приспособления типа этажерок для фиксации в вертикальном положении. Наиболее удобное оборудование для термического упрочнения валов
— шахтные печи с контролируемой атмосферой.
Уменьшению коробления деталей АЧ при термическом упрочнении способствует правильная обработка металла перед закалкой: отжиг,
нормализация или улучшение заготовок.
Для сохранения чистой поверхности следует использовать в качестве закалочных сред расплавы щелочей или светлокалящие сорта закалочных масел (индустриальное 12, авиационное МС-17, МС-20 и др.).
Термическое улучшение вызывает меньшее, чем упрочнение, повышение предела прочности и предела текучести сталей. Получаемый в результате улучшения металл с равномерной мелкозернистой перлитной или сорбитной структурой характеризуется высокими прочностными и пластическими свойствами, а также хорошей обрабатываемостью резанием. В отличие от термического упрочнения валов, термическому улучшению обычно подвергают заготовки деталей, что позволяет в большинстве случаев обойтись без контролируемых атмосфер и сократить объем контрольных операций, исключив контроль внешнего вида, размеров и биения.
Термическая обработка цементируемых АЧ сложнее и длительнее упрочнения и улучшения. Она включает цементацию, двойную закалку или нормализацию, закалку и отпуск. После полной обработки структура цементованного слоя должна представлять мелкоигольчатый или
скрытокристаллический мартенсит с мелкими глобулями карбидов и небольшим количеством остаточного аустенита. Такая структура слоя в сочетании с сорбитной структурой сердцевины обеспечивает высокую усталостную прочность при
изгибе и кручении, ударную выносливость и усталостную контактную прочность.
Наиболее надежной, производительной и экономичной является газовая цементация в шахтных печах серии Ц. На заводах электротехнической промышленности этот процесс еще не получил повсеместного распространения. Цементация в твердом карбюризаторе, удлиняет термическую обработку, требует повышенного расхода металла на ящики для цементации, ухудшает условия труда на термических участках.
Лучшими конструкционными материалами для АЧ вибродвигателей являются стали 40Х, 38ХА, ЗОХГСА.
Однако, обладая хорошими механическими свойствами, эти стали имеют низкую коррозионную стойкость и неприменимы без специальной зашиты для ряда. В таких случаях для изготовления ферромагнитных АЧ обычно используют нержавеющие стали мартенситного класса (20X13, 30X13, 40X13, 14Х17Н2, 95X18), а для немагнитных
— стали аустенитного класса (12X18H9, 12x18шт, НН-3, ННЗФ) или другие с интерметаллидным и карбидным упрочнением.
Аустенитные стали типа 12Х18Н9 имеют недостаток — низкий предел упругости и невысокую релаксационную стойкость. Новые высокопрочные аустенитные стати с
интерметаллидным и карбидным упрочнением НН-3Б, НН-ЗФ и др. обладают в 2—2,5 раза большим пределом текучести, но несколько худшей коррозионной стойкостью и обрабатываемостью резанием, чем стали типа 12Х18Н9. Эти стали используют в закаленном (аустенизированном) состоянии, а в отдельных случаях — после закалки и дисперсионного твердения. Чтобы судить о возможности использования высокопрочных аустенитных сталей для АЧ, необходимы дополнительные исследования.
В последнее время распространение получила хромо-никелевая сталь переходного (мартенситно-аустенитного) класса 14Х16Н6. Ее коррозионные свойства выше, чем у сталей с 12% хрома; она сочетает высокую прочность и пластичность, сваривается в любом состоянии, что важно при изготовлении конструктивов АЧ составных валов. Высокие прочностные свойства стали 14Х16Н6 достигаются закалкой, обработкой холодом (для более полного протекания мартенситного превращения) и отпуском. Сталь склонна к изменению размеров после упрочняющей термической обработки, поэтому термическому упрочнению (до твердости 34—41 ИИС) подвергают заготовки валов, а после накатки, шлифования и нарезания резьбы производят стабилизирующий отпуск.
Для упрочняемых углеродистых и легированных сталей очень важен выбор диапазона твердости, косвенно характеризующей не только технологические свойства (обрабатываемость резанием), но и пластические и прочностные, а для
нержавеющих сталей — и коррозионную стойкость. Здесь требования практически не унифицированы, что вызывает разнообразие не только условий изготовления, но и их свойств. В то же время этот вопрос важен, поскольку чрезмерное повышение твердости может вызвать хрупкое разрушение вследствие их малой пластичности, а низкая твердость — недостаточную жесткость роторного узла. Хрупкие разрушения деталей АЧ из стали 95X18 (ИИС>50) при ударном нагружении отмечались на некоторых предприятиях [3], и в настоящее время для упрочняемых деталей принята твердость 36-42 ИИС. Повышенная хрупкость при обработке на максимальную твердость характерна для сталей мартенситного класса 30X13, 40X13, 14Х17Н2. Поэтому при выборе диапазона твердости следует избегать величин, близких к максимально достигаемым для данных сталей, несмотря на то, что технологически получение деталей с такой твердостью трудностей не представляет и достигается низким отпуском (при температуре 150—200°) закаленных деталей.
Многие предприятия используют стали мартенситного класса после улучшения — закалки с отпуском на твердость 25—35 ИИС. В этом состоянии нержавеющие стали обладают более низкой коррозионной стойкостью и прочностью, чем после закалки и низкого отпуска. Нержавеющие стали с тонкодисперсной сорбитной структурой, как и углеродистые, хорошо обрабатываются резанием и обладают высокими механическими свойствами, но меньшей по сравнению со сталями с мартенситной структурой, коррозионной стойкостью [4].
Следует отметить, что термическая обработка не может быть эффективной при плохом или неполном контроле процессов и качества изделий. Наиболее оперативный метод — контроль твердости. При этом твердость, задаваемая техническими требованиями чертежа и фактически измеренная, должна, выражена в одних и тех же единицах (по Виккерсу, по Роквеллу) в зависимости от диаметра вала.
Механические свойства (сВ, о0>2, 5, аН), как правило не определяются, кроме случаев, когда обрабатывается технологический процесс или нагруженные элементы АЧ.
ООО «НПП «ЭКАР» (г. Воронеж)
Воронежский институт высоких технологий
После термической обработки обычно увеличивается биение деталей — в 1,5—2 раза. Для предотвращения или уменьшения деформаций необходимо термически обрабатывать в вертикальном положении; кроме того на деталях следует предусматривать технологические припуски на доводку, выполняемую для уменьшения биения до требуемого уровня.
Детали, изготовляемые по второму классу точности, следует подвергать также специальной стабилизирующей обработке (стабилизирующий отпуск, циклическая термическая обработка: 2—3 цикла обработки холодом с последующим отпуском и т. д.).
Легированные стали следует применять только в термически обработанном виде, в других случаях их использование экономически не оправдано. Однако для большинства вибродвигателей малой мощности специального назначения стоимость материала валов вследствие их малых габаритных размеров играет второстепенную роль. Поэтому их предпочтительнее изготовлять из легированных термически упрочняемых или улучшаемых сталей, поскольку увеличение надежности работы автоматических систем с двигателями малой мощности может дать огромный экономический эффект.
Статья подготовлена по материалам научноисследовательского проекта «Исследование кинематических и электромагнитных схем высокомоментного вибропривода», в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Литература
1. Рустем С. А. Оборудование термических цехов -Москва «Машиностроение», 1978.
2. Справочник по машиностроительным
материалам, т. 3, Специальные стали - Москва
«Машиностроение», 1968.
3. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника), под ред. А.В. Чичинадзе - Москва «Машиностроение», 2003.
4. Химушин Ф. Ф. Нержавеющие стали - Москва «Металлургия», 1967.
THE CHOICE OF CONSTRUCTIONAL MATERIALS FOR ELECTRIC ENGINES
OF LOW POWER
V.G. Shilko, М.А. Anisenkova, N.V. Volkova
The aspects of selection the structural materials for active parts of low-powered electric engines are considered
Key words: vibrating engine, tribotechnics, strengthening coverings, constructional materials
