технология то

На рис. 46 приведена схема установки для закалки зубьев крупномодульных шестерен. В промышленности используют установки типа УЗШ–1, АЗШ–3, разработанные ВНИИ АвтогенМаш. Эти установки позволяют закаливать шестерни диаметром до 1,5 м (АЗШ–3) и даже до 4 м при длине зуба до 450 мм (УЗШ–1).

Рис. 46. Схема установки для газопламенной поверхностной закалки крупномодульных шестерен:

1 – шестерня, 2 – горелка, 3 – верхний упор, 4 – нижний упор, 5 – золотниковый воздухораспределитель; А – горелка в момент гашения пламени, Б – горелка в начале закалки

Глава 12. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Подшипники качения являются одним из основных элементов большинства машин и механизмов. Подшипники характеризуются грузоподъёмностью, долговечностью и надёжностью, точностью изготовления, частотой вращения, массой, уровнем шума и другими параметрами.

Втабл. 31 приведены марки сталей, используемых при изготовлении деталей подшипников.

Всоответствии с условиями работы, характеризующимися сложным комплексом возникающих в металле напряжений, подшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью и контактной выносливостью, а также высокой вязкостью и прочностью, определяющими способность детали противостоять значительным статическим и динамическим нагрузкам.

Износостойкость является наиболее важной характеристикой стали, так как при работе подшипника имеет место трение от проскальзывания деталей при наличии значительных контактных переменных нагрузок.

С увеличением твердости возрастает сопротивление износу. Среди множества факторов, снижающих долговечность подшипниковой стали, наиболее опасными считаются неметаллические включения, так как детали подшипников работают с точечным линейным контактом рабочих поверхностей.

Страница

81

Таблица 31

Перечень основных сталей, применяемых для изготовления деталей подшипников

	Характеристика сталей	Марка стали	ГОСТ	Основное назначение
			или ТУ	металла
	Высокоуглеродистые	ШХ15	ГОСТ 801–78	Кольца сечением до 10 мм;
	легированные стали для	ШХ15СГ		ролики диаметром до 20 мм;
	деталей, упрочняемых	ШХ20СГ		шарики всех размеров
			ГОСТ 801–78	Кольца сечением свыше 10 мм;
	насквозь на высокую
				кольца диаметром свыше 200 мм;
	твёрдость путём закалки
				ролики диаметром свыше 20 мм
	с низким отпуском.
			ГОСТ 801–78	Кольца сечением свыше 35 мм;
	Низкоуглеродистые леги–	15Г1	ТУ 14–1–2247–77	ролики диаметром свыше 55 мм
				Кольца карданных подшипников
	рованные стали для	18ХГТ	ГОСТ 4543–71	Наружные кольца массовых
	деталей упрочняемых	20Х2Н4А	ГОСТ 4543–71	подшипников
	цементацией
				Кольца и ролики крупногабаритных
				подшипников
	Высокоуглеродистая сталь	ШХ4	ГОСТ 801–78	Кольца сечением 14–20 мм, ролики
				диаметром более 20 мм
	регламентированной
	прокаливаемости для
	деталей, упрочняемых
	объёмно–поверхностной
	закалкой

Неблагоприятное действие включений на усталостные свойства стали зависит от их количества, величины, природы и распределения в металле (главным образом от доли оксидных включений). Контактная выносливосгь подшипниковой стали уменьшается с повышением содержания в металле кислорода. Макроструктура подшипниковой стали должна отвечать ГОСТ 801–78.

Карбидная неоднородность (карбидная ликвация, карбидная сетка, структурная полосчатость) снижает контактную выносливость. Для тяжелонагруженных деталей с целью уменьшения загрязненности неметаллическими включениями, получения более плотного и химически однородного металла сталь ШХ15 дополнительно подвергают электрошлаковому переплаву (ЭШП). Применение металла электрошлакового переплава позволило повысить долговечность подшипников в 1,5–2 раза. Реже используют вакуумно-дуговой переплав (ВДП). Когда требуется особенно высокая чистота металла, применяют последовательно два переплава; сначала электрошлаковый, затем вакуумно-дуговой.

С учетом того, что прокаливаемость стандартной стали ШХ15 ограничена и толщина стенки кольца со сквозной прокаливаемостью не превышает практически 10 мм, а диаметр ролика 20 мм, для больших сечений используют сталь

Страница

82

ШХ15СГ с повышенным содержанием марганца (0,9 – 1,2%) и кремния (0,40 – 0,65 %).

Для колец сечением свыше 35 мм и роликов диаметром свыше 55 мм применяют сталь ШХ20СГ, содержание марганца в которой увеличено до 1,40–1,7 %, а

кремния до 0,55–0,85 % .

12.1 Термическая обработка поковок деталей подшипника

Для обеспечения хорошей обрабатываемости резанием и подготовки структуры к закалке после горячей деформации производится отжиг поковок из сталей ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ на зернистый цементит (перлит) различной степени дисперсности, оцениваемой по шкалам ГОСТ 801–78.

Наилучшая микроструктура для последующей термической обработки и обрабатываемости резанием – однородный мелкозернистый цементит (перлит). Структура стали после отжигa оказывает большое влияние на выбор режимов при закалке, поэтому разница в cтруктуpe между поковками должна быть минимальной, что может быть обеспечено соблюдением тепловых режимов как при ковке, так и при отжиге поковок.

Режим отжига состоит в нагреве до 800 ОС, выдержки, охлаждении до 730 ОС, выдержки и охлаждении с печью до 600 ОС и далее на воздухе. При отжиге поковки можно нагревать с любой скоростью. Для равномерного нагрева всей садки рекомендуется при температуре 700–730 ОС давать выдержку. Выдержка при температуре отжига должна быть достаточной для превращения перлита в аустенит и для выравнивания температуры по всему объему садки, обычно 3 – 4 ч.

Учитывая, что структура исходных поковок неодинакова (разная температура окончания ковки, скорость охлаждения и пр.) скорость охлаждения поковок, ориентировочно, должна быть в пределах 15 – 20 ОС/ч для садок массой более 3 т, 20 – 25 ОС/ч для садок массой 0,5 – 3 т, 25 – 30 ОС/ч для садок массой менее 0,5 т. Эти скорости необходимы лишь в интервале температур распада аустенита – до 650 – 550 ОС. Далее охлаждение производится на воздухе.

Для отжига могут использоваться или шахтные электропечи, или, что предпочтительнее, конвейерные, или толкательные проходные печи, в которых распределение мощности по длине печи позволяет обеспечить сохранение оптимального режима и достаточно высокую производительность. Ориентировочно режим отжига представлен в табл. 32.

Твердость стали ШХ15 после отжига находится в пределах НВ 207 – 179, а для сталей ШХ15СГ и ШХ20СГ составляет НВ 217 – 179.

При отжиге возможно образование следующих дефектов: пластинчатого перлита, неоднородного крупнозернистого перлита, карбидной сетки.

Пластинчатый перлит образуется в случае недогрева или малой выдержки, когда не прошла полная сфероидизация перлита и структура имеет вид мелких тонких пластин среди мелкозернистого перлита (структура исправляется повторным отжигом), или вследствие перегрева при отжиге, тогда она имеет вид круп-

Страница

83

ных пластин на фоне крупных глобулей неоднородного зернистого перлита (исправляется нормализацией при 900–920 ОС и последующим отжигом)

Неоднородный кpупнозернистый перлит образуется при очень медленном нагреве или многократном отжиге (исправляется нормализацией и отжигом).

Карбидная сетка при отжиге не образуется, а переходит из исходной структуры, т. е. после ковки (негрубая карбидная сетка исправляется нормализацией).

Таблица 32

Режим отжига поковок из сталей ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ

Оборудование	Температура, ОС	Время, ч
ТО–300	Нагрев до 800	2,0–2,5
	Выдержка при 800	1,5–2,5
	Охлаждение:
	до 710	1,5–2,5
	от 730 до 680	3,0–3,5
	от 680 до 600–650	2,0–3,0
	Дальнейшее охлаждение на воздухе	–
ДТА–600	Нагрев до 800±10	5,0–6,0
	Выдержка при 800±10	3,0–4,0
	Охлаждение до 600–650	5,0–6,0

Примечание. Критические точки: ШХ15 – АС1 = 735 –765 ОС. АСМ= 900 ОС

и ШХ15СГ – АС1 =725–760 ОС.

12.2.Нормализация и ускоренный отжиг поковок стали ШХ15

Втех случаях, когда деталям подшипников требуется высокая твердость после закалки и повышенного отпуска (200 – 250 ОС), вместо обычного отжига проводят нормализацию и ускоренный отжиг. В этом случае обработка производится последовательно в двух печах периодического действия. В первой камере

(печи) поковки, расположенные в один ряд или стопками небольшой высоты, нагреваются до температуры 900 – 920 ОС, выдерживаются 40–60 мин, а затем ох-

лаждаются па воздухе струёй сжатого воздуха или водяным туманом (со скоростью не менее 50 ОС/мин) до 650 ОС (до потемнения поковки). После окончания

превращения аустенита в перлит поковки передаются во вторую камеру (печь) на ускоренный отжиг. Температура ускоренного отжига 780–800 ОС, охлаждение вместе с печью до 650 ОС со скоростью 50 – 100 ОС/ч, а затем на воздухе. Продолжительность пребывания поковок в 1 камере составляет 1,5 – 2,0 ч, во 2–й –

2,5 – 3,0 ч.

Твердость поковок после нормализации и ускоренного отжига НВ 241 –207. Микроструктура представляет собой мелкозернистый, точечный и сорбитообразный перлит.

Страница

84

12.3. Термическая обработка деталей подшипников

Для достижения высокой твердости предала упругости при сжатии, износостойкости и контактной выносливости детали подшипника из сталей ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ подвергают закалке и низкому отпуску.

Ниже дается описание технологии закалки и отпуска колец, шариков и роликов.

12.3.1. Термическая обработка колец

На поверхности колец перед закалкой не должно быть глубоких токарных рисок, вмятин, ожогов и ржавчины, а галтели колец должны иметь плавные переходы. Кроме того, кольца, подвергающиеся нагреву в защитной атмосфepe, должны быть чистыми и сухими без следов масла и эмульсии. Нагрев колец под закалку производится в методических конвейерных, рольганговых, камерных электропечах сопротивления и печах с пульсирующим подом, в основном с применением эндотермической защитной атмосферы, а нагрев крупногабаритных колец диаметром свыше 500 мм – в шахтных печах.

Температура нагрева под закалку устанавливается в зависимости от исходной структуры и закалочной среды, но она должна быть такой, чтобы концентрация углерода в твердом растворе после закалки была в пределах 0,55–0,65 % при общем содержании ею в стали 1,0–1,1 %. В табл. 33 приведены рекомендуемые температуры нагрева под закалку колец.

Таблица 33 Ориентировочные температуры нагрева и выдержка при закалке колец из стали ШХ15, ШХ15СГ. ШХ20СГ

	Толщина	Температура			Толщина	Температура
Марка	стенки	нагрева, °С	Выдержка,	Марка	стенки	нагрева, °С	Выдержка,
стали	кольца,		мин	стали	кольца,		мин
	мм				мм
ШХ15	3–5	830–850	23–35	ШХ15СГ	25–30	835–840	73–85
	5–8	815–855	35–45		30–35	840–815	85–100
	8–10	840– 860	45–55	ШХ20СГ	35–45	820–830	110– 1 10
ШХ15СГ	10–15	820–83O	45–55		45–55	830–840	140–170
	15–20	825–836	55–65		65–65	835–845	170–190
	20–25	835–810	60–75

При нагреве колец в соляных ваннах предварительно при температуре 100– 200 ОС проводится сушка колец. Кольца нагревают до температуры 820– 860 ОС в электродной соляной ванне смесью солей BaCl2 (75–80 %), NaCl (20–25 %). Дли-

Страница

85

тельность нагрева сокращается в 2–3 раза по сравнению с данными, приведенными в табл. 33.

В качестве охлаждающей среды используется масло с температурой 30–60 ОС. Все масла перед употреблением должны осушаться в течение 20–24 ч при при температуре 120–150 ОС. Не реже двух раз в неделю должен проводиться контроль масла в закалочных баках на наличие воды, и при обнаружении воды масло или бракуется, или регенерируется путем отстоя при температуре 70–90 О С.

Для уменьшения закалочной деформации и избежания образования трооститовых пятен кольца диаметром от 150 до 1500 мм охлаждаются в процессе закалки до 150–200 ОС на вращающихся валках с окружной скоростью 1,5–3,0 м/с, а далее в спокойном масле.

Закалка тонкостенных упорных колец диаметром более 150 мм производится в прессах пли штампах.

По окончании закалки кольца подвергают стабилизирующему охлаждению в двухзонных моечных машинах водой или водно–содовым раствором с температурой 40–50 ОС в первой зоне и 15–20 ОС во второй. Во избежание образования трещин кольца в моечную машину должны поступать с температурой не более 75 ОС. В случае использования однозонной машины, температура воды или раствора

которой 15–20 ОС, кольца в моечную машину поступают с температурой не более

50 ОС.

Отпуск закаленных и охлажденных до +20 ОС колец производится в электропечах сопротивления с циркуляцией воздухом, в калориферных печах или масляных ваннах (не позднее, чем через 3 ч в случае применения печей периодического действия). Температура отпуска для стали ШХ15 должна быть 150–165 ОС, сталей ШХ15СГ и ШХ20СГ – 160–175 ОС с выдержкой в ваннах не менее 2 ч и в печах не менее 3 ч. Выдержка при отпуске массивных и крупногабаритных деталей соответственно увеличивается.

12.3.2. Термическая обработка шариков и роликов.

Требования к качеству поверхности шариков и роликов до закалки и после закалки и при отпуске аналогичны требованиям при термической обработке колец.

Нагрев под закалку шариков диаметром до 50 мм производится в муфельных печах, шариков диаметром большего размера – в соляных ваннах или на противнях в карусельных, конвейерных или рольганговых печах.

Мелкие шарики диаметром до 12 мм закаливаются в масле, шарики всех остальных размеров – в водных растворах. Для предотвращения мягких поверхностных трооститовых пятен, наличие которых обусловлено образованием на поверхности шариков паровой рубашки, в воду добавляется 3,5–5 % соды, а также широко применяется механическое удаление паровой рубашки путем перекатывания шариков диаметром от 50 мм и выше в качающемся или вращающемся устройстве или перемещения шариков меньшего размера (диаметром от 12 до 50 мм) по вертикально расположенному в виде винтовой линии устройству, удлиняюще-

Страница

86

му путь движения шариков (ГПЗ-1). В зону охлаждения дополнительно направляются интенсивные потоки водно-содового раствора.

Шарики диаметром более 80 мм нагревают в соляной ванне и охлаждают в 10 %-ном водном растворе NaCl.

Нагрев роликов под закалку (табл. 34) производится в муфельных печах, в печах с пульсирующем подом или рольганговых печах. Охлаждающая среда – масло 30–60 ОС.

Таблица 34 Ориентировочные температуры нагрева и выдержка при закалке роликов из сталей ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ

Марка стали	Диаметр ролика,	Температура нагрева, ОС	Выдержка, мин
ШХ15	3–5	835–845	25–30
	5–10	810–850	25–30
	10–15	840–850	30–35
	15–20	860–870	35–40
ШХ15СГ	22–30	830–840	40–60
	30–40	840–850	50–60
	40–50	860–855	60–70
ШХ20СГ	50–60	820–830	70–80
	60–801	830–840	80–80
	80–90	840–845	90–100
	90–100	845–850	100–110

Закалке в горячие среды подвергают также тонкостенные кольца для избежания коробления, которое может возникнуть даже под собственным весом при неаккуратной выгрузке из печи. Применение закалочной среды с повышенной температурой позволяет снизить перепад температуры и замедлить скорость охлаждения при мартенситном превращении, что приводит к одновременному превращению по всему объему закаливаемой детали, вследствие чего уменьшаются напряжения и возможная деформация. Для этой цели на практике чаще всего используют масло с температурой 100–120 ОС.

12.4. Контроль качества термической обработки хромистой стали.

Контроль качества термической обработки проводится путем измерения твердости, осмотра излома и исследования микроструктуры.

Контроль твердости колец и тел качения проводится по методике Роквелла и Супер–Роквелла путем вдавливания алмазного конуса в испытуемую поверхность при нагрузках 150, 60 и 30 кгс.

Страница

87

Твердость колец измеряют по плоской торцовой поверхности. При измерении твердости по Роквеллу с нагрузкой 150 кгс минимальная ширина торца кольца должна быть 2,3 мм, при нагрузке 60 кгс – 1,5 мм и при нагрузке 30 кгс (Супер– Роквелл) – 1,1 мм.

Твердость тел качения диаметром 4,76 мм и более контролируется при нагрузке 150 кгс, тел качения диаметром от 2,5 до 4,5 мм по Роквеллу при нагрузке 60 кгс и тел качения диаметром от 2,0 до 2,4 мм – при нагрузке 30 кгс.

Твердость тел качения диаметром менее 2 мм контролируется по методу Викерса. Твердость цилиндрических роликов проверяется по плоским и выпуклым торцам или поверхности качения, твердость сферических (бочкообразных) роликов – по выпуклым торцам, твердость витых роликов – по цилиндрическим поверхностям, а твердость шариков – по сферическим поверхностям.

Описание микроструктуры подшипниковых сталей дано в табл. 35. Карбидная сетка не должна превышать 3–й балл (ГОСТ 801–78).

Таблица 35 Описание микроструктуры сталей ШХ15, ШХ15ГС после термической обработки

Баллы	Описание микроструктуры	Характеристика качества
		термической обработки
1	Скрытокристаллический мартенсит и	Удовлетворительная
	избыточные карбиды	термическая обработка
2	Неравномернотравящийся скрытокри–	То же
	сталлический мартенсит и избыточные
	карбиды
3	Скрыто– и мелкоигольчатый мартенсит	»
	и избыточные карбиды
4	Мелкоигольчатый мартенсит и	»
	избыточные карбиды
5–10	Скрытокристаллический мартенсит,	Недостаточный нагрев и
	участки троостита различной величины и	охлаждение
	избыточные карбиды
11	Мелко– и среднеигольчатый мартенсит	Небольшой перегрев
	и избыточные карбиды
12	Средне– н крупноигольчатый мартенсит	Перегрев
	и избыточные карбиды
13	Крупноигольчатый мартенсит и	Значительный перегрев
	избыточные карбиды

Излом стали ШХ15 и ШХ15СГ контролируется с целью определения по ею виду качества термической обработки и выявления дефектов карбидной сетки, пережога в процессе ковки и штамповки:

1) при закалке на нижнем пределе излом матово–серый, фарфоровидный, тонкой зернистости, слегка волокнистый;

Страница

88

2)при удовлетворительной закалке излом матово–серый, фарфоровидный, шелковистый;

3)при закалке на верхнем пределе излом серый с тонкой зернистостью;

4)при закалке с пережогом излом серый, зернистый и крупнозернистый с блестками; у незакалившейся стали излом темно–серый, крупнозернистый и мелкозернистый с блестками, волокнистый.

12.5. Технология цементации и термической обработки подшипников из сталей 18ХГТ и 15Г1

Наружные кольца из стали 18ХГТ подвергают цементации после холодной штамповки (механической обработке подвергаются лишь торцы колец), а затем закалке и низкотемпературному отпуску.

Цементация колец с наружным диаметром менее 60 мм осуществляется в печах с вращающейся ретортой при температуре 960 ОС в течение 7 ч, подача природного или городского газа 1 м3/ч. Толщина цементованного слоя 1,1–1,7 мм.

Кольца диаметром свыше 60 мм цементуются в толкательных муфельных печах Ц160 или ЦТПА с укладкой на штыревых кассетах при температуре 960ОС в течение 12 ч. подача природного или городского газа 5–6 м3/ч, толщина цементованного слоя 1,4–2,0 мм. По окончании цементации кольца охлаждаются на воздухе.

Нагрев под закалку колец диаметром менее 60 мм производится в электропечах с пульсирующим подом при температуре 820 ОС в течение 25–35 мин, охлаждение в масле с температурой 30–60 ОС.

Кольца диаметром свыше 60 мм нагревают ТВЧ. Нагретое до 860 ОС в течение 3 мин. кольцо по наклонному желобу подается на стол пресса, затем калибруется коническим пуансоном до заданного чертежом размера и по второму на-

клонному желобу поступает в закалочный бак с маслом, температура которого

30–60 ОС.

Отпуск производится в конвейерной отпускной печи с принудительной циркуляцией воздуха при температуре 150–170 ОС в течение 4–5 ч. После чего проводится промывка и низкотемпературный отпуск при 150 ОС. Общий цикл обработки составляет 11–12 ч. Толщина цементованного слоя 1,0–1,4 мм.

12.5.1. Контроль качества термической обработки.

Твердость на поверхности колец из стали 18ХГТ должна быть не ниже HRC 60 (отпуск при 170° С) или HRC 61 (отпуск при 150° С), твердость сердцевины не ниже HRC 30, а из стали 15Г1 – HRC 61–65.

Микроструктура цементованного слоя на стали 18ХГТ скрыто- и мелкоигольчатый мартенсит, переходящий по мере уменьшения содержания углерода в мелкоигольчатый и игольчатый мартенсит. Замкнутая карбидная сетка в цементованном слое не допускается. Микроструктура цементованного слоя на стали 15Г1

– игольчатый мартенсит и остаточный аустенит, но допускаются небольшие участки троостита.

Страница

89

Глава 13. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРУЖИН И РЕССОР

13.1. Условия работы пружин и рессор. Требования к пружинным сталям

Пружины и рессоры являются упругими элементами разнообразных машин, механизмов и приборов, предназначенных для создания, восприятия или гашения ударов, колебаний, сотрясений, а также для привода подвижных частей или для измерения усилий.

Разнообразие видов пружин, применяемых в современной технике, весьма велико. По характеру работы различают:

–пружины, работающие на сжатие, растяжение, кручение;

–специальные пружины, воспринимающие комбинированную нагрузку, в основном изгиб.

По форме пружины делятся на винтовые, спиральные, тарельчатые и др. Различные типы пружин могут эксплуатироваться при статическом прило-

жении нагрузки (например, постоянно сжатые), при динамических нагрузках (буферные пружины) в многократных динамических нагрузках с большим числом циклов нагружения различной частоты (пружины клапанов двигателей).

Основной рабочей характеристикой пружин является их жесткость, т. е. способность деформироваться на определенный размер при заданных нагрузках. Величина и постоянство рабочих характеристик, а также отсутствие поломок и изменения размеров (проседание, растяжение) характеризуют качество пружин.

Некоторые виды пружин и рессор представлены на рис. 47.

а		б		в		г		д

е		ж		з		и

Рис.47. Различные виды пружин:

а – пружина сжатия цилиндрическая; б – пружина сжатия коническая из проволоки круглого сечения; в – пружина сжатия телескопическая из заготовки прямоугольного сечения; г – пружина растяжения цилиндрическая; д – пружина кручения; е – пружина спиральная плоская; ж – пакет тарельчатых пружин; з – пружина изгиба пластинчатая; и – листовая рессора.

Страница

91

Наибольшее распространение в технике имеют винтовые пружины. Крупные винтовые пружины изготавливают из прутков диаметром более 12 мм, средние – из проволоки или прутков диаметром 1,5–12 мм. Мелкие пружины изготавливают из проволоки диаметром 0,2 –1,5 мм.

В большинстве пружин материал работает на кручение, поэтому для расчета пружин используют модуль сдвига материала. Для оценки качества пружинных материалов используют испытания на растяжение.

При правильном выборе типоразмера пружин и рессор в соответствии с величиной и характером эксплуатационных нагрузок на их долговечность и надежность влияют следующие факторы:

1)Химический состав и структурное состояние стали после термической обработки, а также его изменение в процессе нагружения.

2)Металлургическое качество стали (содержание неметаллических включений, неоднородность состава и структуры).

3)Качество поверхности проката (листа, полосы, ленты, проволоки). Наличие дефектов поверхности, играющих роль концентраторов напряжений в готовых пружинах и рессорах.

4)Наличие и глубина обезуглероженного слоя.

5)Напряженное состояние, определяемое характером распределения и величиной внутренних остаточных напряжений.

Стали для пружин и рессор представляют собой специальную группу конструкционных сталей с характерным комплексом свойств, важнейшим из которых является сопротивление малым пластическим деформациям. Оно характери-

зуется условным пределом упругости, отвечающим появлению остаточной деформация 10-3–10-4 %. Величина предела упругости определяет предельные напряжения, которые не должны быть превышены в упругих элементах в процессе эксплуатации. Также к материалам пружин и рессор предъявляются требования:

– высокая релаксационная стойкость;

– наличие некоторой минимальной вязкости и прочности;

– высокий предел усталости;

– технологическая пластичность при горячей и холодной пластической деформации.

По назначению рессорно-пружинные стали классифицируются на:

– стали общего назначения, используемые в качестве конструкционных материалов для работы в обычных атмосферных условиях;

– стали специального назначения для изготовления упругих элементов, работающих в особых условиях (коррозионно- и теплостойкие).

Основными способами упрочнения пружинных сталей являются:

1)Холодная пластическая деформация с последующим низкотемпературным нагревом (обработка “наклеп–отжиг”).

2)Закалка на мартенсит с последующим отпуском.

3)Закалка на пересыщенный твердый раствор с последующим старением.

4)Термомеханическая обработка.

5)Комбинированные обработки.

Страница

92

13.2. Термическая обработка пружин из сталей общего назначения, упрочняемых холодной пластической деформацией с последующим отпуском

Преимуществом таких пружин является простота и экономичность технологического процесса их изготовления наряду с высоким комплексом свойств, обеспечивающих длительную надежную эксплуатацию. Отсутствие закалки позволяет получить высокую точность конфигурации и размеров пружин при почти полном отсутствии поверхностного обезуглероживания и окисления, резко снижающих усталостную прочность.

Для изготовления пружин используют термически обработанную на заданный уровень прочности или холоднодеформированную, предварительно термически обработанную (обычно патентированную) проволоку или ленту. Ввиду невысокой пластичности обработанных на высокую прочность сталей из них изготавливают пружины несложной конфигурации.

Закаленная и отпущенная пружинная проволока или лента изготавливается из углеродистых (68А, У7А–У12А) и легированных сталей (65ГА, 68ГА, 50ХФА, 60С2А, 70С2ХА). Лента по уровню прочности поставляется по трем группам: 1П, 2П и 3П. С увеличением номера группы выше уровень прочности, но меньше вязкость ленты, определяемая по числу переменных гибов.

Пружины, изготовленные из термически обработанной ленты, подвергают отпуску при 240–250 ОС в течение 1 ч для уменьшения внутренних напряжений и дополнительного распада остаточного аустенита. Нагрев проводят в электрических печах в воздушной среде с тем, чтобы по плоскостям среза при вырубке произошло образование тонкой окисной пленки (колоризация), которая несколько улучшает коррозионную стойкость пружин.

В большинстве случаев материалом для изготовления пружин служит проволока или лента, полученная путем холодной пластической деформации (волочением, прокаткой) заготовок с предварительно подготовленной исходной структурой. Основным предварительной термической обработки является патентирование. Полученная при этом структура тонкопластинчатого перлита позволяет выполнять холодную деформацию с высокими степенями обжатия. Сталь существенно упрочняется, сохраняя пластичность и вязкость, достаточную для навивки пружин в холодном состоянии.

Упрочнение при деформационном наклепе зависит как от состава стали и ее структуры, так и от степени деформации. Высокие пружинные свойства достигаются после деформации с большими степенями обжатия и поэтому могут быть получены на проволоке и ленте небольших сечений (диаметром или толщиной до

6–8 мм).

Наиболее высокопрочную проволоку изготовляют из сталей У7А, У8А, У9А; проволоку с повышенной прочностью – из стали 65Г. Чем выше содержание углерода в стали, тем выше прочность после патентирования и последующей холодной деформации.

Страница

93

Технологический процесс изготовления мелких и средних пружин включает следующие операции: холодную навивку, правку, обрубку лишних витков, заточку и шлифование торцов, термическую обработку, обжатие до соприкосновения витков, испытание пружин и проверку размеров, нанесение антикоррозионных покрытий и проверку их качества, а также окончательный контроль.

Термическая обработка пружин заключается в их отпуске. В результате отпуска повышаются предел упругости, релаксационная стойкость, усталостная прочность, снижаются остаточные напряжения и остаточная деформация пружин при нагружении, стабилизируются форма пружин и их силовые характеристики.

Режимы отпуска пружин после навивки колеблются в широких пределах. Ввиду того, что процессы при отпуске являются термически активируемыми, более низкой температуре должна соответствовать более продолжительная выдержка. Наиболее часто отпуск выполняют при температурах 175–250 ОС.

Для отпуска используют печи-ванны с горячим маслом или расплавом солей. Недостатком расплавов солей является образование солевой рубашки вокруг витков, для удаления которой необходима тщательная промывка, например, в горячем содовом растворе. Можно выполнять отпуск и в электропечах со встроенными вентиляторами для интенсивной циркуляции атмосферы, обеспечивающей равномерность низкотемпературного нагрева садки.

В последние годы для подготовки исходной структуры наряду с патентированием все более широко используют нормализацию, изотермическую закалку на нижний бейнит, закалку со скоростным электроотпуском.

13.3. Термическая обработка пружин из сталей общего назначения, упрочняемых закалкой с отпуском

Для изготовления пружин, упрочняемых последующей закалкой с отпуском, используют холоднодеформированную отожженную проволоку или ленту, горячекатаный или холоднокатаный сортовой прокат или катанку. В исходном состоянии указанные полуфабрикаты не характеризуются высокой прочностью, но имеют повышенную пластичность, позволяющую изготавливать пружины сложной конфигурации. Крупные пружины изготавливают с использованием горячей деформации.

Технологический процесс изготовления пружин горячей деформацией в общем случае включает следующие операции: отрезку заготовок, оттяжку или вальцовку концов заготовок в горячем состоянии (950–1150 ОС), навивку или штамповку в горячем состоянии (800–1000 ОС), обрубку концов, заточку и шлифование торцов пружин (при необходимости), термическую обработку, гидропескоструйную обработку (иногда наклеп дробью), испытание пружин и проверку размеров.

Основным видом термической обработки пружин является закалка с отпуском. Закалка должна обеспечить получение в структуре мартенсита без участков троостита и с минимальным количеством остаточного аустенита. Остаточный аустенит обладает пониженным пределом упругости, а его возможное превращение

Страница

94

в мартенсит вызывает понижение релаксационной стойкости и склонность к замедленному разрушению. В связи с этим целесообразно после закалки проводить обработку холодом.

Для снижения склонности к хрупкому разрушению и температуры вязко– хрупкого перехода необходимо стремиться к получению при нагреве под закалку мелкозернистого аустенита и к снижению уровня внутренних напряжений при закалке.

Для предупреждения поверхностного окисления и обезуглероживания нагрев пружин, особенно малой толщины, следует проводить в защитной атмосфере или вакууме. Нагрев в соляных ваннах обеспечивает получение чистой поверхности, но может вызвать поверхностные повреждения, снижающие усталостную прочность, что недопустимо для пружин ответственного назначения.

Окончательные свойства определяются условиями отпуска. Режимы отпуска следует выбирать с учетом назначения и условий нагружения упругих элементов в эксплуатации. Для большинства пружин отпуск проводят при температурах, обеспечивающих высокие значения предела упругости: углеродистые стали – 200–250 ОС; легированные – 300–350 ОС.

Во избежание нежелательных изменений в структуре (коагуляция карбидов и др.) режим отпуска должен быть строго регламентирован по температуре в продолжительности.

Для пружин, работающих в условиях динамического нагружения, для которых возникновение внезапных или замедленных хрупких разрушений особенно опасно, определяющее значение для выбора режима отпуска приобретает также уровень пластичности и сопротивление хрупкому разрушению. В связи с этим температура отпуска повышается выше той, которая соответствует наибольшему пределу упругости.

Более высокие пределы упругости, вязкости и усталостная прочность достигаются при изотермической закалке пружинных сталей с получением структуры нижнего бейнита, что объясняется иной субструктурой, в которой отсутствует двойникованный мартенсит. А дополнительный отпуск этих сталей при температурах, близких к температуре образования нижнего бейнита еще в большей степени повышает пружинные свойства сталей. Указанный процесс назван двойной изотермической закалкой. Следует отметить, что присутствие верхнего бейнита недопустимо, так как ухудшает весь комплекс свойств.

При выполнении закалки и отпуска пружин необходимо предусматривать меры по уменьшению их деформации. Последующая правка упругих элементов

нежелательна, так как вызывает появление остаточных напряжений	и
ухудшение свойств.

Меры по уменьшению деформации разрабатываются применительно к конкретным видам и типоразмерам пружин. При можно использовать такие приемы, как равномерную укладку пружин в печь; приспособления, фиксирующие форму и размеры пружин при нагреве и охлаждении (рис. 48); отпуск на оправках. Эффективным средством уменьшения деформации является изотермическая закалка.

Страница

95

Рис. 48. Приспособление для закалки пружин сжатия: 1 – пружина; 2 - оправка

Режимы термической обработки и механические свойства некоторых пружинных сталей приведены в табл. 36.

Таблица 36 Режимы термической обработки и механические свойства (минимальные)

рессорно-пружинных сталей общего назначения.

	Критические точки,			Режим закалки и отпуска			Механические свойства
Марка		ОС
стали	АС1		АС3	tзак, ОС	закалоч-	tотп, ОС	σ0,2,	σВ,	δ,	ψ,
					ная среда		МПа	МПа	%	%
65	727		782	840	масло	470	800	1000	10	35
85	730		–	820	»	470	1000	1150	8	30
У10А	730		–	770–810	»	300–420	–	–	–	–
65Г	–		–	830	»	470	800	1000	8	30
55С2	775		840	870	»	470	1200	1300	6	30
60С2	750		820	870	»	470	1200	1300	6	25
50ХГ	750		775	850	»	470	1200	1300	7	35
50ХГР	750		790	850	»	470	1200	1300	7	35
50ХФА	–		–	850	»	470	1100	1300	8	35
60С2Н2А	–		–	870	»	470	1350	1500	8	30
70С3А	–		–	850	»	470	1500	1700	6	25

Страница

96

13.4. Технология термической обработки рессор

По конструкции и условиям работы рессоры транспортных устройств представляют отдельную группу упругих элементов. Рессорные листы должны обладать высоким сопротивлением статическим и циклическим нагрузкам, фрет- тинг–усталости, просадке и истиранию. Преобладающим видом нагружения является циклический изгиб.

Экспериментальные данные показывают, что химический состав рессорных сталей (кроме содержания углерода) оказывает незначительное (в пределах 10–15 %) влияние на характеристики циклической прочности. Основная цель легирования рессорных сталей заключается в обеспечении полной прокаливаемости рессорных листов. При этом используют дешевые и недефицитные легирующие элементы, увеличивающие прокаливаемость стали.

Для изготовления рессор ГОСТ 14959–79 предусматривает 25 марок стали. В производстве автомобильных рессор используют в основном стали 60С2 (55С2), 60ХГС, 50ХГ (50ХГА) и в меньшей степени (для рессор легковых автомобилей) стали 50ХГФА и 50ХФА. Рядом работ показана перспективность стали 55ХГР,

содержащей 0,001–0,003 % В.

Основными технологическими характеристиками рессорных сталей являются склонность к перегреву и обезуглероживанию.

Действующий в настоящее время на большинстве заводов технологический процесс производства листовых автомобильных рессор включает рубку горячекатаных полос на мерные заготовки, доделочные операции (выдавливание фиксирующих кнопок, пробивку отверстий для стягивающих болтов, отгибку концов, загибку ушек), термическую обработку, в процессе которой проводят гибку полос, дробеструйный наклеп (двухсторонний или, по крайней мере, со стороны вогнутой поверхности), осадку и контроль. Доделочные (заготовительные) операции проводят при местном нагреве отдельных участков рессорных листов в щелевых газовых нагревательных устройствах или индукционным способом.

Принципиальная технологическая схема линии для комплектной термической обработки рессорных листов приведена на рис. 49.

Рис.49. Технологическая схема линии для термической обработки рессорных листов:

1 – конвейерная печь для нагрева под закалку; 2 – конвейер закалочной печи; 3 – гибозакалочный барабан; 4 – транспортер закалочного бака; 5 – отпускная печь; 6 – конвейер отпускной печи; 7 – водяной бак; 8 – масляный бак

Страница

97

Для нагрева под закалку используют газовые или мазутные печи, а также электропечи. Для повышения производительности линий используют форсированный нагрев, предусматривающий значительный перепад температур между печью и нагреваемым металлом.

С учетом допустимых пределов температур нагрева при практически возможной точности поддержания температуры в печи и скорости прохождения конвейера через печь температуру печи поддерживают в пределах 980–1000 ОС для листов из стали 60С2 и в пределах 880–900 ОС из стали 50ХГ. При этом длительность нагрева листов толщиной 6–10 мм под закалку выбирают в интервале 10–25 мин.

Нагретые листы укладывают в гибозакалочный штамп, установленный на многопозиционном (на 8–12 позиций) барабане. Штамп закрывают и этим обеспечивают гибку листа; барабан поворачивается, погружая лист в закалочное мас-

ло. Для предотвращения деформации		листов длительность их	охлаждения в
штампе должна составлять 40–60 с. Из закалочного штампа листы			попадают на
транспортер,	перемещающий их из масляного бака к отпускной печи.
Отпуск	листов осуществляется	в конвейерной электропечи с укладкой
листов на ребро перпендикулярно		направлению движения конвейера. Темпе-

ратура отпуска для сталей 60С2 и 60ХГ соответствует 450–480 ОС. Учитывая высокую плотность укладки листов на конвейере и перепад температур между зоной расположения термопар и металлом, температуру в печи поддерживают выше заданной температуры металла на 100–150 ОС; длительность отпуска 45–50 мин. После отпуска листы охлаждаются в воде (в душевом устройстве), что позволяет ускорить технологический цикл, а также способствует устранению склонности к отпускной хрупкости второго рода.

Листы подвергают двойной закалке и отпуску. Первую (предварительную сквозную) закалку выполняют для упрочнения сердцевины листа и подготовки исходной структуры с тем, чтобы при второй (поверхностной) закалке с использованием скоростного индукционного нагрева получить поверхностный закаленный слов на глубину 0,15–0,2 от толщины листа с очень мелким зерном аустенита (14–15 балл по ГОСТ 5639–82). При поверхностном нагреве для второй закалки сердцевину листа отпускают на твердость НRС 38–40.

Наличие столь мелкого зерна в сочетании с высокими остаточными напряжениями сжатия в поверхностном закаленном слое с твердостью HRС 58–59 и упрочнением сердцевины на твердость HRС 38–40 обеспечивает высокое сопротивление листов статическим и циклическим нагрузкам.

В автоматической линии для термической обработки по новому методу рессорные листы толщиной 18 мм из стали 60С2 перемещаются через ряд последовательно расположенных индукторов и спрейеров. В линии осуществляется также выдавливание центрирующих кнопок и гибка листов.

Использование нового метода позволило повысить долговечность рессор, уменьшить их металлоемкость, полностью автоматизировать процесс термической обработки.

Страница

98

13.5. Термомеханическая обработка рессор и пружин

Настоящее время имеется большое число работ, свидетельствующее о благотворном влиянии ТМО на свойства рессорно-пружинных сталей.

13.5.1. Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО)

При ВТМО рессорных сталей температуру аустенитизации принимают на 100–150 ОС выше АС3, степень деформации 25–60 % при одновременном обжатии и до 70 % при дробной деформации. Оптимальные режимы ВТМО выбирают эмпирически для каждого изделия. В результате ВТМО достигается возрастание статической и усталостной (в том числе и малоцикловой) прочности, сопротивления разрушению, пластичности и ударной вязкости; понижение температуры порога хладноломкости, устранение обратимой отпускной хрупкости и уменьшение водородного охрупчивания при нанесении гальванических антикоррозионных покрытий.

Повышение комплекса свойств при ВТМО установлено для широкого круга пружинных сталей с различной степенью легирования: кремнистых (55С2, 60С2), хромомарганцевых (50ХГА), сталей марок 50ХФА, 45ХН2МФА и др. Наибольшая эффективность от ВТМО достигнута на сталях, содержащих карбидообразующие элементы – хром, ванадий, молибден, цирконий, ниобий и т. п. (стали марок 50ХМФ, 50Х5СМЗФ и др.).

При ВТМО возможно использование различных схем деформации (прокаткой, волочением, экструзией, штамповкой), но ввиду анизотропии упрочнения необходимо, чтобы направление, в котором достигнуто максимальное упрочнение совпадало с направлением действия максимальных напряжений при эксплуатации, т. е. схемы главных напряжений при ВТМО и в эксплуатации должны быть близки.

Важным преимуществом ВТМО, расширяющим область ее применения, является наследование субструктуры, созданной этой обработкой, даже после повторной закалки.

Перспективным методом обработки пружинных сталей является дополнительное упрочнение холодной пластической деформацией, осуществляемой после ВТМО.

В результате окончательного отпуска при 250 ОС сохраняются прочностные характеристики стали и повышается ее пластичность.

13.5.2. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО)

Она позволяет получить высокий комплекс пружинных свойств на углеродистых (У7А) и легированных сталях (70С2ХА и др.), что связано как с наследованием мартенситом дислокационной структуры деформированного аустенита, так и с развитием бейнитного превращения в процессе пластической деформации. Наиболее сильно после НТМО возрастает предел упругости. Эффект упрочнения

Страница

99

при НТМО, как правило выше, чем при ВТМО. С точки зрения практического выполнения НТМО является более сложной обработкой.

Свойства стали после НТМО, особенно предел упругости и релаксационная стойкость, могут быть повышены в еще большей степени путем холодной пластической деформации с обжатием 10 % и старения.

Стабильность субструктуры и устойчивость упрочнения при нагреве стали после НТМО значительно меньше, чем после ВТМО. Повторная закалка почти полностью снимает эффект НТМО.

Недостатком НТМО является то, что рост упрочнения часто сопровождается снижением пластичности, повышением чувствительности к концентраторам напряжений.

13.6. Влияние качества поверхности, обезуглероживания и поверхностной обработки на свойства упругих элементов

Обезуглероженный слой практически всегда присутствует на поверхности рессор и пружин. Он образуется на всех стадиях технологического передела, производимых с нагревом стали (при прокатке, волочении и др.). В соответствии с ГОСТ 14959–79 допускается глубина обезуглероженного слоя для всех сталей до 2 % толщины проката (при сечении до 8 мм) и до 1,5 % (при сечении свыше 8 мм); для сталей, легированных кремнием, глубина этого слоя на 0,5 % выше. Нагрев стали для формообразования упругих элементов и их термической обработки вызывает дальнейшее увеличение глубины слоя и степени обезуглероживания.

Поверхностное обезуглероживание ухудшает прочность при статическом и многоцикловом нагружении и релаксационную стойкость, т. е. основные характеристики, определяющие долговечность упругих элементов в эксплуатации.

Отрицательное влияние обезуглероживания на сопротивление многоцикловой усталости связано как с изменением состава и свойств металла в наиболее нагруженных поверхностных слоях, так и с возникновением там остаточных растягивающих напряжений, облегчающих распространение усталостной трещины.

Обезуглероженный слой может оказать и положительное действие, несколько повышая сопротивление стали коррозионному разрушению, сопротивление разрушению при ударных нагрузках, малоцикловой усталости, особенно при наличии на поверхности острых концентраторов напряжений. Однако в связи с неконтролируемостью процессов обезуглероживания, указанное положительное влияние обезуглероженного слоя не удается практически использовать.

Мерами уменьшения отрицательных последствий поверхностного обезуглероживания являются использование скоростного нагрева, защитных покрытий, контролируемых и науглероживающих атмосфер, зачистка проката, применение поверхностного упрочнения, особенно поверхностного пластического деформирования (наклепа дробью). Экономически оправдан и другой путь – модификация химического состава стали за счет легирования ее сильными карбидообразующи-

Страница

100

ми элементами (например сталь марки 55С2ГФ для крупных винтовых пружин). За счет связывания углерода в карбиды и уменьшения его диффузионной подвижности возможно уменьшение обезуглероживания на всех стадиях металлургических и машиностроительных переделов.

Упругие элементы из сталей общего назначения имеют низкую коррозионную стойкость, что не позволяет использовать их в агрессивных средах. Для предупреждения коррозии, вызывающей снижение механических свойств, широко используют гальванические покрытия металлами (хромирование, кадмированне, цинкование и др.). При их нанесении неизбежно происходит наводороживание и при этом повышается хрупкость пружин. С целью обезводороживания пружины после нанесения гальванических покрытий подвергают низкому отпуску при 150– 250 ОС. Продолжительность выдержки при отпуске зависит от типа покрытий и составляет от 2 ч (после хромирования) до 12 ч (после кадмирования). Лучше проводить отпуск в вакууме 1,33–0,13 Па.

Кроме металлических покрытий используют также оксидирование и фосфатированне. При этом охрупчивания и снижения механических свойств не происходит, однако невысокая коррозионная стойкость обеспечивает эксплуатацию пружин лишь в атмосферных условиях.

13.7. Контроль качества упругих элементов

Контроль качества наиболее распространенных в технике винтовых цилиндрических пружин включает следующие операции:

1)Наружный осмотр. На поверхности пружин не допускаются трещины, риски, волосовины и другие грубые дефекты. Для контроля ответственных пружин используют магнитную или люминесцентную дефектоскопию.

2)Испытания под рабочей нагрузкой. Определяется высота пружины при минимальной и максимальной рабочих нагрузках.

3)Динамические испытания. Эти испытания выполняют на копрах под ударами свободно падающей бабы. Качество пружин оценивается наружным осмотром и измерением свободной высоты.

4)Испытания длительной нагрузкой (заневоливание). Они характеризуют релаксационную стойкость пружин. Их применяют для особо ответственных пружин, эксплуатируемых при динамических и циклических нагрузках. Заневоливание выполняют путем выдержки пружин в сжатом состоянии в течение определенного времени при комнатной или повышенной температурах. Длительное заневоливание (в течение не менее 12 ч) применяют для пружин, поломка которых может вызвать аварию механизма. При выдержке под нагрузкой в пружине происходит релаксация напряжений, проявляющаяся в осадке пружин; при последующей эксплуатации осадка пружин увеличивается незначительно. Заневоливание обычно проводят при напряжениях на 10 % выше рабочих напряжений в готовой пружине.

Страница

101