Перевести страницу
0
Корзина пуста

Машиностроительное предприятие - цех металлообработки, станочные работы любой сложности

Термомеханическая обработка цементованных деталей

Для улучшения качеств износостойкости и противодействию факторов усталости металла при контактном нагружении деталей машин зарекомендовали себя следующие виды химико-термической обработки: классическая цементация и нитроцементация. Повышающиеся требования к прочности изделий, растущие нагрузки в процессе работы приводят к тому, что зачастую детали, прошедшие процесс цементации, разрушаются, не выдерживая должного срока эксплуатации.
Исследование влияния ВТМО на прочность высокоуглеродистых сталей показало, что этот вид обработки может привести к дополнительному упрочнению и цементованного слоя деталей машин. С целью сохранения высокой твердости поверхности, определяющей уровень контактной прочности, после закалки цементованных деталей необходимо применять низкий отпуск (120 – 180°С), при котором максимально реализуется упрочняющее влияние, особенно на вязкость разрушения, процесса ВТМО.
Для повышения износостойкости цементованных деталей рекомендован процесс термомеханической обработки. Заготовки (ролики диаметром 41 мм) после цементации подвергают поверхностному индукционному нагреву (tауст = 900°С), деформации (tдеф = 820°С) обкаткой роликом с постоянным усилием (Робк = 850 Н), закалке и отпуску (tотп = 200°С; Ƭотп = 60 мин). Представленная технология гарантирует повышение износоустойчивость, но упрочнение воздействует только на внешний слой, что не допускает использование этого метода для упрочнения деталей с высокой нагрузкой, работающих в среде огромных контактных нагрузок.
Для повышения борьбы с усталостью металла при воздействии контактных нагрузках цементованных изделий по типу осей, роликов, пальцев выработан процесс ВТМО, основанный на глубинном индукционном нагреве, и применении в качестве оборудования устройств для винтового протягивания.
Исследование проводили на трубчатых цилиндрических заготовках диаметром 45 мм с отверстием диаметром 20 мм (модель поршневого пальца мощного дизеля) и сплошных заготовках диаметром 32 мм. Заготовки перед цементацией имели припуск под последующую деформацию. Заготовки изготовляли из стали 20Х2Н4А.
Высокотемпературную термическую и механическую обработку цементованных деталей проводили на устройстве винтового протягивания по плану: нормализация, индукционный нагрев, выдержка в индукторе, непрерывно систематическая деформация при назначенной температуре и процесс закалка в воде в спрейере.
Нормализация ликвидирует цементитную сетку в цементованном слое, дробит зерно в сердцевине и увеличивает ее механические качества. Сквозной индукционный нагрев делает возможным получения необходимой прочности сердцевины, увеличения глубины упрочненного слоя при деформации в процессе ВТМО.
Сквозной нагрев заготовки на установке ЛЗ-67В обеспечивался выбором передаваемой мощности и скоростью осевого перемещения изделия. Температура нагрева и деформации контролировалась оптическим пирометром ОППИР-017 и поддерживалась с помощью специальной фотопирометрической приставки с потенциометром ЭПП-09.
При проведении ВТМО необходимо было обеспечить сквозной нагрев заготовки до заданной температуры и получить структуру цементованного слоя, аналогичную структуре цементованного слоя после процесса закалки по серийной технологии.
Для выбора оптимального варианта обработки предварительно были исследованы следующие режимы ВТМО: температура аустенитизации 820 – 900°С (с интервалом в 20°С); скорость нагрева 10, 100°С/с; выдержки при температуре аустенитизации 0, 60, 120, 240, 360 с; степень деформации по площади поперечного сечения заготовки 5, 10%; скорость осевого протягивания при деформации 0,04 м/с и 0,08 м/с.
Условием анализа технологических параметров выступали улучшенные качества цементованного слоя изделия, функционирующих в условиях повышенных поверхностных напряжений в точках контакта (до 2700 МПа): твердость не менее НRС 60; размер слоя цементации 1,3 – 1,6 мм, твердость в сердцевине НRС 35 – 43, карбидная сетка и остаточный аустенит не выше 3-го балла.
Этим критериям удовлетворял следующий режим: температура аустенитизации 840 – 860°С; скорость нагрева 10°С/с; выдержка при температуре аустенитизации 60 с, степень деформации 5 – 10%.
С достижением нагрева температуры до 840 – 860°С и выдержке до 120°С достигается требуемая равномерность твердого раствора по углероду. Повышение изотермической выдержки за пределы 120°С приводит к росту количества рудиментарного аустенита в цементованной прослойке после процесса закалки.
Твердость поверхности для трубчатых заготовок после ВТМО, методом традиционной закалки и обработки холодом схожи и равняется НRС 61 – 62. Распространение микротвердости в глубину цементованного слоя почти, что одинаково. Незначительное увеличение поверхностной твердости удалось добиться на сплошных образцах (Ø 32 мм). Поверхностная твердость образцов после классической закалки без метода обработки холодом составляла НRС 61,5, а с методом обработки холодом – НRС 63. Твердость после метода закалки с использованием ТВЧ и метода обработки холодом составляла НRС 64–65, а после ВТМО с различными степенями деформации – НRС 63–65.
Для оценки эксплуатационных характеристик цементованных деталей после ВТМО проведены контактноусталостные испытания на трехроликовой машине образцов, подвергнутых обработке по следующим режимам:

  1. tауст = 860°С; Ƭ = 30 с; λ = 10%;
  2.  tауст = 840°С; Ƭ = 60 с; λ = 5%.

Замеры проводили на роликах, вырезанных из заготовок. За начальную степень повреждения рабочих плоскостей испытываемых роликов принято возникновение на рабочей поверхности 50 крошечных раковин (или выкрашиваний), это число подсчитывалось при повторяющихся осмотрах роликов.
Результаты стендовых испытаний роликов-образцов (d = 45 мм; dотв = 20 мм; b = 8 мм; r = 0,5 мм) приведены в табл. 1.


ОбработкаЧисло циклов до разрушения при контактных напряжениях, МПа
150020002500
Обычная закалка ВТМО1,5 х 10^68 x 10^55 x 10^5
tауст = 860°С; Ƭ = 30 с; λ = 10%;3,4 х 10^61,63 x 10^68,2 x 10^6
tауст = 840°С; Ƭ = 60 с; λ = 5%.5 x 10^63 x 10^61,7  x 10^6

Таблица 1. Циклическая долговечность образцов при испытании на усталость с контактным нагружением.


Во время испытания было установлено, что циклическая долговечная прочность пальцев, прошедших ВТМО по рекомендованным режимам, увеличивается в 2 – 3 раза по отношению с циклической долговечной прочности пробных образцов, произведенных по стандартной технологии. Предел выносливости на базе 5 х 10^6 циклов возрастает в 1,5 – 2 раза.
Характер ломкости образцов, обработанных по разнохарактерных режимам, также отличается. На изделиях, подвергнутых массовой обработке, выкрашивания глубже и распределены в виде цепочки, а в образцах после ВТМО выкрашивания не так глубоко.
По результатам стендовых испытаний произведена экспериментальная серия поршневых пальцев, которые были опробованы в дизеле. Положительный результат от ВТМО засвидетельствован и в этих условиях. Ход осмотра дизеля после отведенного срока работы выявил, что ни на одном из пальцев, подвергнутых процессу ВТМО, не было разрушений поверхности, в то время как пальцы после обычной закалки имели выкрашивания на поверхности и следы продавливания цементованного слоя.