CC BY
66
УДК 621.787:621.891
ВЛИЯНИЕ ГИДРОПРЕССОВАНИЯ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ РЕССОРНО-ПРУЖИННЫХ СТАЛЕЙ
В.К. Лобанов, профессор, д.т.н., Г.И. Пашкова, к. т.н., ГП «Завод имени В.А. Малышева», г. Харьков
Аннотация. Экспериментальными исследованиями показана высокая эффективность применения операции гидропрессования для измельчения зерна, повышения комплекса механических свойств и эксплуатационных характеристик деталей из рессорно-пружинных сталей.
Ключевые слова: упругие элементы, гидропрессование, комбинированное упрочнение, сопротивление усталости.
ВПЛИВ Г1ДРОПРЕСУВАННЯ НА ОП1Р ВТОМ1 РЕСОРНО-ПРУЖИННИХ СТАЛЕЙ
В.К. Лобанов, професор, д.т.н., Г.1. Пашкова, к. т.н., ДП «Завод 1меш В.О. Малишева», м. Харкчв
Анотаця. Експериментальними досл1дженнями показано високу ефективтсть використання операцИ' г1дропресування задля подр1бнення зерна, тдвищення комплексу мехатчних властиво-стей та експлуатащйних характеристик деталей з ресорно-пружинних сталей.
Ключов1 слова: пружт елементи, г1дропресування, комбтоване зм1цнення, отр втом1.
INFLUENCE OF HYDROPRESSING ON FATIGUE RESISTANCE OF SPRING STEELS
V. Lobanov, Professor, Doctor of Technical Science, G. Pashkova, Candidate of Technical Science, State Enterprise «Malyshev Plant», Kharkiv
Abstract. The experimental researches show a high efficiency of hydropressing for grain refining, mechanical properties increasing and service characteristics of the elastic elements made of spring steels.
Key words: elastic elements, hydropressing, combined strengthening, fatigue resistance.
Введение
Повышение долговечности и эксплуатационной надежности деталей и узлов машин является одной из важнейших задач машиностроения. Определяющим фактором при этом служит конструктивная прочность -комплекс показателей, обуславливающих работоспособность материала изделия в определенных условиях эксплуатации [1].
Значительную группу конструкционных материалов составляют рессорно-пружинные
стали, которые должны в зависимости от назначения и условий службы упругих элементов обладать определенным комплексом механических свойств: прочностью в условиях статических, циклических или динамических нагрузок, пластичностью и вязкостью, а также высоким сопротивлением малым деформациям. Эти стали широко используются в машиностроении при изготовлении рессор, пружин, торсионных валов.
Поскольку размер зерна при формировании структуры материала считается одним из
наиболее влиятельных факторов, обуславливающих конструктивную прочность деталей и узлов машин, наиболее эффективным способом ее повышения в современном материаловедении является создание структур с ультрамелким зерном, в том числе нанокри-сталлических.
Анализ публикаций
Изучение литературных источников свидетельствует о том, что существуют различные способы получения мелкозернистых структур, при этом достаточно широкое распространение приобретает метод гидропрессования металлов [2, 3]. Этот метод привлекателен не только в силу ряда технологических преимуществ (безотходность производства, возможность осуществления больших деформаций порядка 40-60 % за один переход без образования трещин и расслоений, улучшение качества поверхности заготовок), но и в связи с повышением свойств изделий, изготовленных таким способом.
Поэтому, несмотря на ряд недостатков указанного процесса, а также трудностей, связанных с отсутствием высокопроизводительного оборудования, несовершенством уплот-нительных узлов и тормозных устройств, гидропрессование получает все большее распространение.
Одной из наиболее важных характеристик сталей, используемых для изготовления упругих элементов, является сопротивление разрушению при циклических нагрузках [4]. В связи с тем, что такие элементы работают в тяжелых температурно-силовых условиях, кроме стандартных испытаний механических свойств необходима информация о влиянии гидропрессования и последующей термической обработки на выносливость рессорно-пружинных сталей. Это позволит научно обосновать применение предложенной схемы для ответственных деталей.
Цель и постановка задачи
Исходя из изложенного, целью настоящей работы являлось исследование влияния гидропрессования и последующей термической обработки на сопротивление усталости рес-сорно-пружинных сталей, применяемых для изготовления упругих элементов машин.
Методика исследований
В качестве материала для проведения исследований использовали легированные рессор-но-пружинные стали: 60С2А, 50ХФА, 45ХН2МФА.
Для изготовления образцов и реальных деталей взяты горячекатаные прутки, перед гидропрессованием для повышения пластичности заготовки рессорно-пружинных сталей подвергали отпуску при температуре 700720 °С в течение 3-4 часов и медленно охлаждали вместе с печью.
Гидростатическое прессование заготовок осуществлялось на установке вертикального типа, размещенной на гидравлическом прессе ПД 476 усилием 1600 кН. В качестве среды для передачи давления использовали веретенное масло.
Продеформированные заготовки контролировали на наличие дефектов ультразвуковым и магнитным методами и подвергали отпуску при температуре 300-400 °С в течение 1,52 часов.
Окончательная обработка производилась по стандартной технологии, принятой для рес-сорно-пружинных сталей: температура нагрева под закалку 870 °С, отпуск при 420460 °С (в зависимости от марки стали) в течение 1,5-2 часов. С целью защиты от обезуглероживания поверхность образцов перед термообработкой покрывали электролитической медью.
На основании предварительных исследований установлено, что основным технологическим параметром, обеспечивающим наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств материала, является степень деформации е в области 30-40 %.
Исследование микроструктуры, определение механических свойств проводили по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 14959-79 и ГОСТ 1497-84.
Испытания на усталость образцов выполняли на машинах типа МУИ-6000 по схеме симметричного изгиба с вращением (ГОСТ 25.502-79). База испытаний составляла 107 циклов нагружения.
Вестник ХНАДУ, вып. 51, 2010
145
Для испытаний на усталость рессор привода нагнетателя ДВС использовали универсальную испытательную машину УМП-02. Режим испытаний выбирался из условия наибольших нагрузок, действующих на рессору при пуске реального двигателя. На стенде рессора нагружалась по симметричному циклу крутящим моментом с амплитудным значением, равным 2200 Нм.
Результаты исследований
Проведенными исследованиями установлено, что с повышением степени деформации при гидропрессовании до 40 % происходит рост значений временного сопротивления предела текучести и истинного сопротивления разрушению при некотором снижении пластических характеристик. Стабилизирующий отпуск гидропрессованного металла, проведенный перед закалкой, позволяет получить значительное (~ в 1,1 раза) повышение характеристик прочности без снижения пластичности (табл. 1).
Таблица 1 Влияние вида обработки на механические свойства образцов из стали 60С2А
Ударная вязкость с возрастанием степени деформации меняется немонотонно. При малых деформациях (10-15 %) наблюдается некоторое снижение ее значений, затем имеет место интенсивный рост этой величины. Увеличение значений ударной вязкости одновременно с упрочнением связано, очевидно, с залечиванием дефектов, которое при малых деформациях осуществляется непол-
но. Такой эффект отмечается при деформации в присутствии сжимающих напряжений, создаваемых средами высокого давления.
Анализ изменения твердости показал, что с увеличением степени деформации уровень твердости растет, а характер ее распределения по сечению меняется незначительно.
Аналогичные результаты получены для образцов из сталей 50ХФА и 45ХН2МФА.
Металлографические исследования показали, что после закалки структура предварительно отожженных и гидропрессованных образцов представляет собой мелкоигольчатый мартенсит. Определение размеров зерна после закалки и низкого отпуска показало их измельчение для гидропрессованных образцов. При этом микроструктура гидропрессованной стали после окончательной термообработки отличается большей фрагментацией мартенситных кристаллов и более высокой дисперсностью карбидов.
Испытаниями на усталость образцов из стали 60С2А установлено, что применение гидропрессования с последующим деформационным старением перед окончательной термической обработкой приводит к повышению предела выносливости на 12-15 % по сравнению с типовой обработкой, включающей отжиг и окончательную термообработку.
Еще в большей степени преимущества такой схемы реализуются при использовании ППД (наклеп дробью, обкатка роликами). Так, если после типовой обработки наклеп поверхности дробью повышает предел выносливости на 17 % по сравнению с тем же состоянием без ППД, то при использовании гидропрессования прирост о_1 за счет ППД составляет уже 21 %.
Для стали 50ХФА, обработанной по оптимальному режиму и обкатанной роликами с усилием 2100 Н, происходит повышение предела выносливости на 110 МПа по сравнению с типовым режимом и той же степенью деформации. После оптимальной обработки предел выносливости достигает 810 МПа.
Одним из факторов, обеспечивающих повышение сопротивления усталости образцов, подвергнутых гидропрессованию, является
Вариант обработки Механические свойства
Ов, МПа °0,2, МПа £, % V, % кси, Дж/см2
Закалка, отпуск 1610 1400 7 22 24
Гидропрессование, закалка, отпуск 1650 1490 6 20 23
Гидропрессование, деформационное старение, закалка, отпуск 1720 1540 9 25 27
снижение локальных пиковых напряжений у структурных концентраторов по объему материала в связи с фрагментацией структуры и более равномерным распределением карбидов.
Полученные положительные результаты исследований позволили реализовать разработанную схему при изготовлении реальных деталей, в частности, рессор привода нагнетателя ДВС из стали 45ХН2МФА. Результаты испытаний на усталость рессор привода нагнетателя, изготовленных по типовой и опытной технологии, приведены в табл. 2.
Таблица 2 Результаты сравнительных испытаний на усталость типовых и опытных рессор
Анализ полученных значений показывает, что применение гидропрессования обеспечивает повышение долговечности деталей в 2,78 раза.
Апробирована также схема изготовления цилиндрических пружин из сталей 60С2А и 50ХФА с применением гидропрессования заготовок со степенью деформации 35 %. Пружины, установленные в узле упругой муфты ДВС, отработали в условиях полигонных испытаний сверх гарантийного срока порядка 2000 часов.
Таким образом, применение гидропрессования и последующей термической обработки открывает новые возможности для повышения надежности и долговечности изделий из
рессорно-пружинных сталей, работающих в тяжелых температурно-силовых условиях.
Выводы
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что способ упрочнения, включающий гидропрессование и оптимальную термическую обработку, обеспечивает не только рост прочностных характеристик материала при практическом сохранении уровня пластичности, но и приводит к повышению сопротивления усталости образцов и натурных деталей.
Результаты проведенной работы показывают целесообразность применения комбинированного способа упрочнения, включающего гидропрессование с последующим деформационным старением, окончательную термическую обработку и ППД, для повышения работоспособности изделий из рессорно-пружинных сталей.
Литература
1. Дяченко С. С. Матерiалознавство : тдруч-
ник / С.С. Дяченко, 1.В. Дощечкша, А.О. Мовлян, Е.1. Плешаков. - Харюв : ХНАДУ, 2007. - 440 с.
2. Береснев Б.И. Физические основы и прак-
тическое применение гидроэкструзии / Б.И. Береснев, К.И. Езерский, Е.В. Трушин. - М. : Машиностроение, 1981. -239 с.
3. Дьяченко С. С. Гидропрессование как ма-
лоотходный способ изготовления изделий с улучшенными свойствами / С.С. Дьяченко, Н.Г. Александров, В.А. Зо-лотько. - Харьков: «Основа» при ХГУ, 1991. - 105 с.
4. Решетов Д.Н. Работоспособность и надеж-
ность деталей машин / Д.Н. Решетов. -М. : Высшая школа, 1989. - 206 с.
Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.
Вариант Но- Количество циклов на-гружения до разрушения Среднее
изготовления рессоры мер рессоры количество циклов до разрушения
1 631 000
2 639 000
3 890 000
Типовой 4 920 000 942 857
5 1 000 000
6 1 042 000
7 1 478 000
1 оп 2 067 000
Опытный 2 оп 2 798 000 2 622 000
3 оп 3 000 000*
* - без разрушения
