Совершенствование технологии изготовления стальных изделий с концентраторами напряжений с применением поверхностных ресурсосберегающих методов упрочнения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Пуртова Елена Викторовна

• Пуртова Елена Викторовна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Пуртова Елена Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ

1.1 Общие сведения о концентрации и концентраторах напряжения

1.2 Конструктивные решения нейтрализации концентраторов напряжений

1.3 Металлургическое качество - основа надежности и долговечности деталей с концентраторами напряжений

1.4 Выбор технологии изготовления деталей с концентраторами напряжений

1.5 Конструкция шарового шарнира и эксплуатационные нагрузки

шарового пальца

Выводы по первой главе

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Материалы исследования

2.2 Методы исследования

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ ШАРОВЫХ ПАЛЬЦЕВ МЕТОДОМ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

3.1 Химико-термическая обработка шарового пальца

3.2 Стендовые испытания

3.3 Расчет усилия разрушения

3.4 Расчет статической и усталостной прочности

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЕРХНОСТНОМУ УПРОЧНЕНИЮ ШАРОВЫХ ПАЛЬЦЕВ

4.1 Требования, предъявляемые к шаровому пальцу

4.2 Закалка с нагрева ТВ

4.3 Обоснование выбора марки стали

4.4 Выбор охлаждающей жидкости

4.5 Обоснование выбора технологии

4.6 Расчет усилия разрушения и коэффициента запаса прочности

4.7 Стендовые испытания шарового пальца

Выводы по четвертой главе

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ШАРОВЫХ

ПАЛЬЦЕВ

Выводы по пятой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

DRI - Direct Reduced Iron;

HBI - Hot Briquetted Iron;

ОПЗ - объемно-поверхностная закалка;

1111 - пониженная прокаливаемость;

ППД - поверхностное пластическое деформирование;

ГСО - государственные стандартные образцы;

ПКП - поперечно-клиновая прокатка

ТВЧ - токи высокой частоты;

ХТО - химико-термическая обработка;

ФКС - феррито-карбидная смесь;

КАМАЗ - Камский автомобильный завод;

40Х-ПВ - сталь 40Х прямого восстановления;

ТОСОЛ-К - закалочная жидкость марки «Тосол-К» («К» — «КАМАЗ»); ТОСОЛ-ОИЗ - закалочная жидкость марки «Тосол-ОИЗ» («ОИЗ» — «охлаждающая и закалочная»;

МЗМ-16 - маловязкое химически стойкое минеральное масло для закалки металлических изделий.

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие техники неразрывно связано с изысканием и разработкой новых материалов и эффективных ресурсосберегающих технологий обработки на всех стадиях преобразования металла в деталь. По прогнозам большинства экспертов, в текущем столетии и на обозримый период времени сталь будет доминировать, как основной конструкционный материал. Этот статус стали будет сохранен, так как постоянно возрастают требования к эксплуатационной долговечности и надежности деталей машин и механизмов, в том числе и при работе в районах Сибири и Крайнего Севера. Особая значимость в машиностроительном производстве отводится упрочняющим технологиям, направленных на изменение в нужном направлении структурного состояния металла, как на поверхности, так и по сечению изделия. Учитывая, что в подавляющем числе случаев разрушение начинается с поверхности, то ключевое внимание специалистов должно быть уделено формированию структуры и свойств в поверхностном слое с учетом нейтрализации присутствующих концентраторов напряжений. Таковыми могут быть концентраторы конструктивного исполнения в виде сопряжения между отдельными элементами радиусы перехода и уклоны, отверстия, пазы, резьба и т.д., а также металлургического (ликвационные проявления, пористость, неоднородность) и технологического (риски, подрезы, зажимы, обезуглероженный слой, прижоги и т.д.) характера. К достаточно эффективным способам поверхностного упрочнения относятся химико-термическая обработка и закалка с нагрева ТВЧ. Однако и при использовании данных технологий обязательным условием является необходимость учета и нейтрализации различных эффектов концентраторов напряжений, которые служат причиной зарождения усталостных трещин.

Шаровые механизмы любого транспортного средства испытывают в эксплуатации значительные статистические, динамические и циклические нагрузки и являются наиболее ответственными узлами подвески и рулевого

управления. К наиболее нагруженным элементам шарового шарнира относится палец, от эксплуатационной стойкости и долговечности которого зависит безаварийная и безотказная эксплуатация автомобиля. Палец испытывает разнообразные виды нагрузок, в том числе и знакопеременные.

В конструктивном исполнении шаровой палец имеет два концентратора напряжений, а именно, резьбовой участок детали и галтель - по радиусу перехода от сферической к стержневой конусной части. Из вышеизложенного следует, что работы, направленные на обоснованность выбора материала для шарового пальца, а также технологий упрочняющей обработки полуфабрикатов и деталей является важной и актуальной научно-технической задачей, направленной на обеспечение надежности и долговечности в эксплуатации деталей машин и механизмов.

Большой вклад в развитие теоретических и практических исследований в области химико-термической обработки стали внесли Козловский И.С., Сагарадзе В.С., Ворошнин Л.Г., Рахштадт А.Г., Кальнер В.Д., Зинченко В.М. и др. ученые. Изучение технологии и оборудование для индукционного нагрева стальных изделий и систем спрейерного охлаждения посвящено большое количество работ, выполняемых в различных научных школах. Можно отметить результаты работ авторов Натанзона Е.И., Головина Г.О., Шепеляковского К.З., Глинера Р.Е., Зимина Н.В., Михлюка А.И. и др. Исследованию охлаждающих сред на основе водорастворимых полимеров и структурных изменений в сталях при их закалке посвящены труды отечественных и зарубежных ученых, среди которых можно отметить Петраша Л.В., Люты В., Майсурадзе М.В., Чукина М.В., Suttie N.R., Seifert W. и др.

Аналитический обзор литературных и интернет-источников, патентные исследования и анализ публикаций в научных изданиях показал недостаточность сведений по разработке инновационных технологий химико-термической обработки деталей из хромоникелевых сталей, а также по поверхностному упрочнению деталей с конструктивными концентраторами

напряжений с использованием индукционного нагрева и спрейерного охлаждения. Дополнительно установлено, что имеется незначительное количество работ, посвященных подготовке структурного состояния в стальных полуфабрикатах перед их механической обработкой и последующим поверхностным упрочнением деталей с нагрева токами высокой частоты.

Вышеизложенные проблемы позволили сформулировать цель работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии изготовления стальных изделий с концентраторами напряжений с применением поверхностных ресурсосберегающих методов упрочнения»

Цель работы

Разработка и обоснование конструкторско-технологических решений по поверхностному упрочнению шаровых пальцев автомобиля с конструктивными концентраторами напряжений.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены задачи:

1. Исследовать состав и свойства стали 12ХН3А, разработать ресурсосберегающую технологию химико-термической обработки шаровых пальцев.

2. Исследовать и обосновать состав и свойства стали 40Х прямого восстановления (40Х-ПВ) и предложить технологию изготовления шаровых пальцев с заданной текстурой деформации.

3. Исследовать физико-механические свойства, склонность к трещинообразованию и сопротивляемость к хрупкому разрушению термоулучшенной стали 40Х-ПВ прошедшей закалку в различных средах.

4. Разработать и обосновать способ термической обработки полуфабрикатов шаровых пальцев, обеспечивающий формирование однородной и заданной микроструктуры стали по сечению детали.

5. Провести расчеты и обосновать технологические решения по локальному упрочнению поверхности и мест концентрации напряжений шаровых пальцев из стали 40Х-ПВ для достижения высоких прочностных характеристик деталей.

6. Предложить и обосновать способ определения прочности поверхностно-упрочненных стальных изделий с конструктивными

концентраторами напряжений на основе применения компьютерно -математического анализа.

Научная новизна

1. Установлено, что высокие прочностные свойства осевых деталей с концентраторами напряжений (типа галтели) достигаются при использовании стали прямого восстановления с заданной текстурой деформации с последующим двухэтапным упрочнением, включающим термическое улучшение с реализацией объемной закалки полуфабрикатов в водном растворе полимера и спрейерную закалку поверхности после локального нагрева токами высокой частоты нагруженных участков детали с зонами концентраторов напряжений.

2. Выявлена температурная зависимость роста зерна аустенита при нагреве хромоникелевой стали и разработана эффективная технология упрочнения деталей, обеспечивающая высокую скорость насыщения поверхности изделий при химико-термической обработке и формирование заданного (мелкозернистого) структурного строения по сечению детали с концентраторами напряжений.

3. Разработана методика определения усилия, вызывающего разрушение поверхностно-упрочненных стальных изделий, в которой учитывается вклад в прочностные свойства детали упрочненного слоя и материала основы (сердцевины) изделия, что заключается в определении площади упрочненного слоя и сердцевины, установлении твердости сердцевины и функциональной зависимости изменения твердости по сечению упрочненного слоя с последующим ее интегрированием, где в качестве интегрирующей величины выступает глубина упрочненного слоя (патент № 2758685 Российской Федерации МПК G 01 N 3/40 Способ определения прочности материалов).

4. Разработано, научно обосновано и реализовано технологическое решение по поверхностному упрочнению шаровых пальцев с конструктивными концентраторами напряжений и устройство для его

осуществления, позволяющее увеличить циклическую стойкость деталей в 2,5 раза (патент №109812 Российской Федерации Б16С11/06 Палец шарнира).

На защиту выносятся:

- ресурсосберегающая технология ХТО деталей из хромоникелевых сталей;

- результаты исследования структуры и свойств стали 40Х-ПВ после закалки в различных средах и последующего высокотемпературного отпуска;

- технологические решения и результаты исследования структуры и свойств деталей из стали 12ХН3А и 40Х-ПВ, упрочненных по различным технологическим схемам;

- результаты экспериментальной проверки и промышленного апробирования разработанных технологий упрочнения шаровых пальцев грузового автомобиля;

- способ определения прочности поверхностно упрочненных стальных изделий.

Научная значимость и практическая ценность работы

1. Разработана технология химико-термической обработки деталей из стали 12ХН3А включающая насыщение при 880 °С в газовой атмосфере с добавками МН3 с использованием общедоступных термических агрегатов обеспечивающая высокую скорость насыщения поверхности деталей углеродом и формирование мелкозернистого строения по всему сечению изделия.

2. Разработан и внедрен технологический процесс термического улучшения деталей из предложенной стали 40Х-ПВ с реализацией синтетической охлаждающей среды для закалки полуфабрикатов взамен минерального масла МЗМ-16.

3. Реализована технология горячей пластической деформации металлозаготовок при изготовлении шаровых пальцев с созданием благоприятной текстуры деформации по конфигурации детали.

4. Разработана и внедрена технология скоростного нагрева и спрейерной закалки раствором полимера шаровой части, конического стержня и зоны их сопряжения обеспечивающая формирование заданных свойств и структуры в шаровых пальцах из стали 40Х-ПВ.

5. Предложена и внедрена новая конструкция индуктора и система спрейерного охлаждения для поверхностной закалки шаровых пальцев автомобиля.

6. Разработана и рекомендована к применению методика определения прочности стальных изделий с поверхностно упрочненным слоем, базирующаяся на применении компьютерно-математического анализа.

Достоверность полученных результатов

Высокая степень достоверности результатов обеспечивалась корректным использованием аттестованного, поверенного оборудования и приборов, теоретических положений, методов и методик исследований, соответствующих действующим стандартам.

Принятые решения в работе подтверждаются:

- комплексным исследованием структуры, свойств и других характеристик материалов с применением стандартных и апробированных методов контроля и испытаний;

- корректностью выбора исходных допущений и ограничений при расчетно-экспериментальных исследованиях и обоснованиях прочностных характеристик стальных изделий;

- согласованностью теоретических и экспериментальных данных, подтвержденных результатами длительного производственного опыта;

- повторяемостью результатов при разносторонних исследованиях с использованием поверенного и лицензионного оборудования.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы были изложены и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: «Международная научно-техническая конференция «Пром-Инжиниринг» г.

Москва, 2018», «IX Международная научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2018» (МНТК «ИМТОМ - 2018») г. Казань, 2018», «4-я, 5-я и 7-я Международные научно-практические конференции «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении», ПНИПУ, г. Пермь, 2019, 2021, 2023», «6-я Международная научно-практическая конференция «Наука и образование: проблемы и тенденции развития», ИЦИПТ, г. Уфа, 2019», « XII и XIII Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Камские чтения», НЧИ(ф) КФУ, г. Набережные Челны, 2020 и 2021».

Публикации

По результатам исследований опубликованы шестнадцать печатных работ из которых пять научных статей в зарубежных и отечественных изданиях, входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования (ВАК, Scopus и Web of Science) и в журнале, включенном ВАК в перечень рецензируемых научных изданий, получены два патента: на полезную модель и на изобретение.

Личный вклад автора заключается в выполнении информационно-аналитического обзора по теме работы, выборе цели и постановке задач исследования, в проведении экспериментальной части диссертации, в анализе полученных результатов, промышленном апробировании разработанных технических решений и внедрении их в действующем производстве, подготовке статей и заявок на получение патентов.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 123 наименование отечественных и зарубежных авторов, 6 приложений. Диссертация изложена на 126 страницах, содержит 66 рисунков и 25 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ

1.1 Общие сведения о концентрации и концентраторах напряжений

Среди деталей современного машиностроения можно выделить достаточно обширную группу изделий с конструктивными особенностями в виде резких изменений формы. В процессе эксплуатации в местах таких изменений возникают местные напряжения, величина которых значительно превышает номинальные. Это явление называется концентрацией напряжений, а места их возникновения - концентраторами напряжений [21, 50].

Самые известные концентраторы напряжений:

- шпоночный паз вала;

- резьба крепежного изделия;

- корень зуба шестерни;

- отверстия;

- галтель шарового пальца и т.д.

Виды концентраторов напряжений:

- конструктивные, обусловленные геометрическими параметрами изделия: галтель, паз, отверстие, резьба, шлицы, зубья и т.д.;

- металлургические, образовавшиеся на разных этапах металлургического передела: раковины, поры, ликвации, волосовины, риски, неметаллические включения, обезуглероженный слой;

- технологические, образовавшиеся на различных этапах технологической цепочки: трещины, зажимы, риски, царапины, шероховатость, остаточные напряжения после правки, шлифовки, обезуглероженный слой, «пятнистая» твердость, структурные особенности после химико-термической обработки и т.д.;

- эксплуатационные, возникающие в процессе использования изделия: износ, коррозия, вмятина, перегруз и т.д.

Суммарное влияние различных видов концентраторов напряжений приводит к ускоренному появлению дефектов в поверхностном слое, микротрещин, которые являются причиной усталостного разрушения деталей в процессе эксплуатации. На характер и величину напряженного состояния, вызванного концентрацией напряжений, оказывают влияние следующие основные факторы: вид концентратора, геометрические размеры детали, состояние поверхностного слоя, химический состав материала, макро- и микроструктура, характер нагружения изделия в эксплуатации. Ослабить влияние концентраторов напряжения возможно наиболее традиционными методами: увеличением размеров сечения, переносом концентраторов в менее нагруженное место, скруглением углов и т.д. Из-за конструктивных особенностей детали или технологических ограничений не всегда возможно уменьшить влияние концентраторов напряжения вышеизложенным способом. В таких случаях применяется упрочнение поверхности, как способ снижения концентрации напряжений.

1.2 Конструктивные решения нейтрализации концентраторов

напряжений

С целью обеспечения долговечности и надежности изделий, еще на этапе их проектирования, применяются конструктивные методы решений. Выявляются зоны с высоким коэффициентом концентрации напряжений и рассчитывается долговечность изделий с целью прогнозирования их жизненного цикла в эксплуатации. В работе [4] приведен пример влияния радиуса галтели шаровой опоры (рис.1.1) на её долговечность. По результатам стендовых испытаний авторами выявлена следующая зависимость:

^ = 5+0,Жг где N - долговечность, RГ - радиус галтели, мм.

Расчет коэффициента концентрации для ступенчатых цилиндрических деталей ведется по известной формуле [4]:

1

«= 1 +

N

а _

0,62—+5,8(1~+^Т) +0,2-

' t ' <£лз ' Г t\3

з

w3

d D-d ,

где a = -; t = ——; D,a - диаметры ступеней, мм.

Очевидно, что снизить коэффициент концентрации напряжений можно увеличением радиуса галтели, что в свою очередь приведет к повышению долговечности изделия. Аналогично на этапе проектирования расчитываются детали с другими видами концентраторов напряжений (со шпоночными пазами, резьбой, отверстиями и т.д.).

Рисунок 1.1 - Схема нагружения шаровой опоры: 1- шаровая опора, 2 - болт крепежный, 3 - накладка, 4 - труба, 5 - кольцевая опора, 6 - прямоугольная опора

1.3

Металлургическое качество - основа надежности и долговечности деталей с концентраторами напряжений

1.3.1 Марка стали

Выбор марки стали для деталей с концентраторами напряжений должен базироваться на обеспечении их прочности, надежности, долговечности и экономии металла [8]. Для выбора марки стали в первую очередь необходимо знать характер действующих в эксплуатации нагрузок. Если деталь испытывает равномерные по сечению напряжения растяжения и сжатия, то химический состав стали должен обеспечивать сквозную прокаливаемость в процессе термической обработки.

Степень легирования стали увеличивается в зависимости от диаметра сечения стали. Чем больше диаметр, тем более легированная должна быть сталь. Зависимость прокаливаемости от критического диаметра Dк (95% мартенсита) показана в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Зависимость прокаливаемости от критического диаметра Dк

Марка стали Dк, мм, при закаливании

в воде в масле

40 10 5

40Х 30 20

40ХН 50 35

40ХНМ 100 75

В случае изгибающих и крутящих нагрузок, действующих на деталь, прокаливаемость не будет иметь решающее значение при выборе марки стали. В таком случае выбор будет за цементуемыми углеродистыми и легированными сталями, с содержанием углерода около 0,2%, за азотируемыми легированными сталями с содержанием углерода 0,4% и за углеродистыми и

низколегированными сталями для поверхностной закалки с содержанием углерода 0,4-0,5%.

Как правило, детали испытывают сложнонапряженное состояние, при котором сердцевина испытывает меньшие нагрузки по сравнению с поверхностью. В таком случае важным моментом является прочность сердцевины. В таблице 1.2 приведены структура и свойства сердцевины детали диаметром 20 мм после цементации, закалки и низкого отпуска.

Таблица 1.2 - Структура и свойства сердцевины детали разных марок сталей

Сталь Структура Предел прочности, МПа

20 феррит + перлит 300

20Х бейнит 700

18ХГТ мартенсит 1000

Легирующие элементы в стали увеличивают прокаливаемость, что приводит к получению высоких прочностных характеристик и к её удорожанию, поэтому наиболее целесообразно применение легированных сталей для деталей крупного сечения [53]. Такие легирующие элементы, как молибден и никель, считаются наиболее дорогими и дефицитными, увеличивающими прокаливаемость наравне с хромом и марганцем. Никель в свою очередь снижает порог хладноломкости, что позволяет использовать такую сталь в условиях Крайнего Севера, а молибден устраняет охрупчивание в процессе высокотемпературного отпуска.

1.3.2 Неметаллические включения

При выборе марки стали немаловажную роль играет ее металлургическое качество, которое влияет на конструктивную прочность изделий. По статистике 34,7% разрушений стальных деталей происходит по причинам, связанным с качеством металла [43]. Металлургическое качество

стали зависит непосредственно от способа производства и от дальнейшего передела. Наиболее важным показателем качества стали является содержание в ней вредных примесей, таких как сера и фосфор [85, 115]. С повышением чистоты металла затрудняется распространение трещин и увеличивается сопротивление хрупкому разрушению [52]. В таблице 1.3 показано предельно допустимое содержание серы и фосфора для разных категорий качества стали [110]. Наиболее обогащена примесями осевая зона слитка, что является следствием зональной ликвации. Примеси могут присутствовать в стали как в виде легкоплавких эвтектик типа Fe - FeS, так и в виде твердых частиц в расплаве [20].

Таблица 1.3 - Предельно допустимое содержание серы и фосфора для разных категорий качества стали

Категория качества Фосфор, % Сера, %

Обыкновенного качества 0,040 0,050

Качественная 0,035 0,035

Высококачественная 0,025 0,025

Особовысококачественная 0,025 0,015

Сера находится в стали в виде сульфидов (сульфид железа и сульфид марганца), которые очень пластичные и в процессе горячей деформации в процессе прокатки вытягиваются в строчки. Сульфиды резко снижают пластичность и вязкость стали и являются причиной анизотропии свойств в продольном и поперечном направлении [71]. С увеличением содержания серы в стали резко уменьшается ударная вязкость, что связано с большим количеством удлиненных сульфидных включений и приводит к ускоренному образованию трещин и разрушению детали. При содержании серы ~0,01% в низкоуглеродистой стали наблюдается максимальное охрупчивание стали (Т50), при меньших и больших содержаниях серы температура хладноломкости понижается [107].

Фосфор образует сегрегации по границам зерен стали и вызывает охрупчивание границ даже при незначительном его содержании ~0,0004%. Механизм межзеренного охрупчивания стали под влиянием фосфора

проявляется при хладноломкости, водородной, отпускной и тепловой хрупкости. Температура хладноломкости повышается от 20 до 40% при увеличении концентрации фосфора на 0,01% [36]. Вредное влияние фосфора усиливается при увеличении размера зерна и при повышении содержания углерода в стали. При увеличении объемного содержания углерода в стали с 0,007% до 0,03% хрупкость границ зерен сильно возрастает [37].

Аналогично фосфору другие примеси в стали такие как, олово, сурьма и мышьяк, охрупчивают границы зерен стали, образуя зернограничные сегрегации, но в меньшей степени. Суммарное содержание всех вредных примесей не должно превышать 0,015% для стали с пределом прочности 1700 МПа и 0,005% - с пределом прочности 2100-2300 МПа.

1.3.3 Способы выплавки и разливки стали

При выборе марки стали для производства изделий с концентраторами напряжений необходимо учитывать способ ее выплавки и разливки. Стали качественные и высококачественные выплавляются в мартеновских и электродуговых печах, а особовысококачественные получают вакуумно-дуговым и электрошлаковым переплавом [1]. Важную роль в производстве стали играет исходное сырье. Наиболее перспективным направлением в сталеплавильном производстве всего мира является технология прямого восстановление железа из железной руды [93]. Применение технологии позволяет получить сырье для выплавки особовысококачественной стали (в основном, в электродуговых печах) в виде металлизированных окатышей DRI (Direct Reduced Iron) и горячебрикетированного железа HBI (Hot Briquetted Iron). Металлизированное DRI-HBI сырье обладает следующими основными свойствами:

- уровень металлизации составляет от 85 до 98%;

- низкое содержание примесей серы и фосфора, а также других остаточных элементов (медь, хром, олово, молибден, свинец и др.).

Благодаря этим свойствам сталь, выплавляемая из этого сырья, получается очень высокого качества. Немаловажно, что металлизированное сырье однородно по химическому составу, это позволяет получать стали с узкими пределами по содержанию химических элементов, следовательно, и наиболее точно выдерживать температурный режим термической обработки [117]. Благодаря этому возможно управлять свойствами стали, приближать их к верхнему пределу, уменьшить вероятность образования дефектов термической обработки (закалочных трещин и короблений), обусловленных неправильным выбором режимов.

Качество стали зависит и от ее разливки. Существует два основных способа разливки стали: в изложницы и непрерывная разливка. Слиток, медленно затвердевший в изложнице, обладает химической неоднородностью за счет образования в процессе охлаждения столбчатых кристаллов (дендритов) - дендритная ликвация и вследствие скоплений примесей углерода и легирующих элементов в определенных участках слитка -зональная ликвация [15]. Дендритная и зональная ликвации снижают механические свойства слитка от его поверхности к сердцевине [113].

Присутствующие в слитке неметаллические включения распределяются крайне неравномерно - максимальное количество сосредоточено у поверхности, в зоне столбчатых кристаллов, но размеры этих частиц малы и их объемная доля составляет всего 0,08-0,09%. Максимальная объемная доля неметаллических включений в зоне перехода от столбчатых кристаллов к крупным равноосным примерно 0,25% [18]. Сульфиды, оксиды, фосфиды и др. неметаллические включения образуют ликвационный квадрат или круг, в зависимости от формы слитка [14]. Чем больше содержание серы и фосфора в стали, и чем больше сечение слитка, тем более резко проявляется ликвационный квадрат [42]. Наибольшую опасность представляет собой выход ликвационного квадрата в наиболее нагруженные участки изделия, в зоны концентрации напряжений. Авторами [4] представлено фото макротемплета разрушенной в процессе эксплуатации шестерни (рис. 1.2).

Причина разрушения детали - ликвационный квадрат, выходящий к основанию зубьев.

Рисунок 1.2 - Ликвационный квадрат в разрушенной шестерне

Слитки, полученные методом непрерывной разливки, отличаются большей химической однородностью, чем в изложницах [14], вследствие направленного затвердевания и непрерывного питания при усадке, они имеют плотное строение и мелкозернистую структуру. Выход годных заготовок составляет от 96 до 98% [17]. В центральной части слитка по всей его длине присутствует зона осевой усадочной пористости, для устранения которой при дальнейшей горячей прокатке необходимы высокие степени обжатия [82, 106]. Существует неоднозначное мнение исследователей по вопросу выбора степени обжатия в процессе горячей пластической деформации. Большинство из них отмечают, что для получения удовлетворительных механических свойств изделий по ГОСТ степень обжатия должна быть меньше, чем для полного разрушения дендритной структуры. При прокатке непрерывных слитков из углеродистой стали достаточно четырехкратной вытяжки, а из легированной девятикратной [101,116].

Характерными дефектами макроструктуры непрерывнолитых заготовок являются ликвационные полоски и трещины (рис.1.3) [54]. Причины их возникновения следующие:

- химический состав (наличие повышенного содержания ликвирующих элементов);

-режимы кристаллизации и пластической деформации отливок.

Ликвационные полоски являются концентраторами напряжений и являются причиной преждевременного разрушения деталей, работающих в условиях динамического, статического и циклического нагружения.

Рисунок 1.3 - Ликвационные полоски в непрерывнолитой заготовке

При выявлении ликвационных полосок и трещин в непрерывнолитой заготовке необходимо провести их оценку [33]. Если протяженность полосок не превышает 10% радиуса заготовки или половины стороны квадрата, а также степень их развития не более 1 балла, то при дальнейшей пластической деформации 6 - 8 крат, заготовка может быть использована для изготовления изделий, нагруженных в процессе эксплуатации.

От выбора технологической схемы изготовления изделий зависят их физико-механические свойства. В таблице 1.4 представлены данные по механическим свойствам изделий из стали 40Х, изготовленных по разным технологическим схемам [116].

1.4 Выбор технологии изготовления деталей с концентраторами напряжений

Таблица 1.4 - Механические свойства изделий из стали 40Х

Вид заготовки Механические свойства изделия

бв, МПа бо,2, МПа б-1, МПа кси, МДж/м2 5, % V, %

Отливка 620 290 186 55 11 20

Сортовой прокат 690 320 303 75 20 52

Поковка из литой заготовки 685 320 260 75,5 17,6 36

Поковка из проката 866 455 379 83 20,9 54

1.4.1 Пластическое деформирование

Наиболее высокий уровень механических свойств достигается применением в технологическом цикле горячего пластического деформирования за счет изменения макро- и микроструктуры стали. В процессе горячей деформации в слитках формируется волокнистое строение вследствие чередования деформированных осей дендритов и междендритных промежутков, неметаллические включения вытягиваются в строчки, ориентированные вдоль направления течения металла [39]. Механические свойства деформированного слитка анизотропны, более высокие в продольном направлении, чем в поперечном. В слитке до горячей деформации анизотропия отсутствует, после даже небольшой степени деформации механические свойства улучшаются во всех направлениях, а при степени деформации более двух все механические свойства, кроме прочности, сильно увеличиваются в продольном направлении и уменьшаются в поперечном. Неметаллические включения, вытянутые в строчки, сильно понижают ударную вязкость в поперечном направлении.

Для деталей с концентраторами напряжений направление волокна имеет очень важное значение. Распределение волокна должно полностью повторять конфигурацию изделий. Волокно не должно быть перерезанным, его

направление должно быть перпендикулярно касательным напряжениям и продольно нормальным напряжениям, действующим на деталь [75].

В работе [65] исследовано влияние волокнистого строения макроструктуры шарового пальца на контактную износостойкость поверхности и на его эксплуатационную стойкость. По сравнению с применяемыми в настоящее время способами изготовления шаровых пальцев, где с помощью механической обработки галтели перерезаются волокна макроструктуры, предложенный автором метод холодной поперечно-клиновой прокатки (рис. 1.4) позволяет увеличить износостойкость и повысить эксплуатационные характеристики, тем самым увеличивая срок службы детали в 2-4 раза.

Рисунок 1.4 - Схема поперечно-клиновой прокатки галтели шарового пальца

На сегодняшний день существуют разные способы пластического изменения формы заготовок: прокатка, объемная штамповка, ковка, экструзия и другие [83]. Примерно три четверти всех обрабатываемых давлением полуфабрикатов получают прокаткой, т.к. этот процесс является наиболее производительным и многовариантным. Основные способы прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пуртова Елена Викторовна, 2024 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алифанов, А.В. Актуальные проблемы прочности: монография. В 2-х т., Т.1 / А.В. Алифанов, В.А. Андреев, А.А. Антанович и др.; под.ред. В.В. Рубаника. - Витебск: УО «ВГТУ», 2018. - 423 с.

2. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учеб. Для студентов вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 646 с.

3. Астащенко, В.И. Контроль качества и наследственность строения стали при технологическом металлопеределе/ В.И. Астащенко, А.И. Швеев, Т.В. Швеева. -М.: Academia , 2011. — 239c.

4. Астащенко, В.И. Нейтрализация концентраторов напряжений в деталях машин / В.И. Астащенко, Н.Н. Западнова, Т.В. Швеева, Г.Ф. Мухаметзянова // Вестник КГТУ им. Туполева, 2016, №4. - С. 62-67.

5. Астащенко, В.И. О роли закалочных сред на этапах термической обработки металлоизделий / В.И. Астащенко, О.К. Абдулллина, Е.А. Западнова // Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли: Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием, 8-10 августа 2018 г.: Материалы конференции. Материалы докладов. Казань: Том 2. - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2018. - С. 3-5.

6. Астащенко, В.И. Применение закалочной жидкости «Тосол-К» для объемной закалки сталей / В.И. Астащенко, Н.П. Ионкина, Г.И. Янсен и др. // Металловедение и термическая обработка, 1982, №6. - С. 5-8.

7. Бадиков, К.А. Анализ надежности рулевого управления автобусов/ К.А. Бадиков, М.В. Полуэктов, Т.А. Сторчилова // Мир транспорта и технических машин, 2015, №2 (49) (апрель-июнь). - С. 3-10.

8. Балашев, А.Б. Применение закалки ТВЧ и поверхностного пластического деформирования для повышения контактной выносливости /

А.Б. Балашев, Т.Е. Мечикян // Металловедение и термическая обработка, 1981, №7 - С. 58-60.

9. Балтер, М.А. Упрочнение деталей машин. / М.А. Балтер. - М.: Машиностроение, 1968. - 196 с.

10. Белоус М.В., Черепин В.Т., Васильева М.А. Превращения при отпуске стали. -М.: Металлургия, 1973. - 232 с.

11. Богомолова, Н.А. Практическая металлография: Учебник для технических училищ / Н.А. Богомолова. - М.: Высшая школа, 1978. - 272 с.

12. Болховитинов, Н.Ф. Металловедение и термическая обработка: 6-е изд., перераб. и доп. / Н.Ф. Болховитинов. - М.: Машгиз, 1965. -503 с.

13. Бухарин, Н.А. Конструкция, нагрузочные режимы, рабочие процессы, прочность агрегатов автомобиля: учебное пособие для вузов / Н.А. Бухарин, В.С. Прозоров, М.М. Щукин. - Л.: Машиностроение, 1973. - 504 с.

14. Виноград, М.И. Включения в стали и ее свойства / М.И. Виноград. - М.: Гос. Научн.-техн. изд. лит. по черн. и цв. мет., 1963. - 253 с.

15. Ворона, Е.А. Некоторые особенности раскисления шлаковой ванны при ЭШП металлизированного сырья / Е.А. Ворона, И.В. Чуманов // Вестник ЮУрГУ. -2011. - №14 - С. 45-47.

16. Гальпер, Р.Р Контактная прочность зубчатых передач с поверхностным упрочнением. / Р.Р. Гальпер. - Л.: Машгиз, 1964. - 23 с.

17. Голиков, И.Н. Перспективы развития технологии черной металлургии: Научные предпосылки / И.Н. Голиков и др. - М.: Металлургия, 1973. - 224 с.

18. Голиков, И.Н. Дендритная ликвация в стали / И.Н. Голиков. - М.: Гос. Научн.-техн. изд. лит. по черн. и цв. мет., 1958. - 207 с.

19. Головин, Г.Ф. Высокочастотная термическая обработка: Вопросы металловедения и технологии / Г.Ф Головин, М.М. Замятнин. - Л.: Машиностроение, 1990. - 239 с.

20. Гольштейн, М.И. Специальные стали / М.И. Гольштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. -М.: МИСИС, 1994. - 408 с.

21. Горшков А.Г. Сопротивление материалов: Учебн. пос. 2-е изд. испр. / А.Г. Горшков, В.Н. Трошин, В.И. Шалашилин. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 544 с.

22. ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. - М.: Издательство стандартов, 1993 - 34 с.

23. ГОСТ 4543-2016 Металлопродукция из конструкционной легированной стали Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 2016.-59 с.

24. ГОСТ 9012-59 Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю. - М.: Стандартинформ, 2007. - 39 с.

25. ГОСТ 9013-59 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001. - 10 с.

26. ГОСТ 7564-97. Прокат. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний. -Минск: Межгосуд. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1977. - 12 с.

27. ГОСТ 21014-88 Прокат черных металлов. Термины и определения дефектов поверхности. -М.: Изд-во стандартов, 1988. - 62 с.

28. ГОСТ 5639-82 Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. - 5 с.

29. ГОСТ 10243-75. Сталь. Метод контроля макроструктуры. -М.: Изд-во стандартов, 1970. - 26 с.

30. ГОСТ 1778-70 (ИСО 4967-79) Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений. -М.: Изд-во стандартов, 1970. -24 с.

31. ГОСТ 8233-56 Сталь. Эталоны микроструктуры. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 12 с.

32. ГОСТ Р 53835-2010 Автомобильные транспортные средства. Элементы рулевого привода и направляющего аппарата подвески. Технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2010. -16 с.

33. ГОСТ Р 58228-2018 Заготовка стальная непрерывнолитая. Методы контроля и оценки макроструктуры. -М.: Стандартинформ, 2018. - 53 с.

34. ГОСТ Р 54153-2010 Сталь. Метод атомно-эмиссионного спектрального анализа. -М.: Стандартинформ, 2012. - 32 с.

35. ГОСТ Р 52433-2005 Шарниры шаровые Технические требования и методы испытаний. -М.: Стандартинформ, 2008.-8с.

36. Гудремон, Э. Специальные стали: в 2-х т., Т.1 / Э. Гудремон -М.: Металлургия, 1966. - 734 с.

37. Гуляев, А.П. Чистая сталь / А.П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1975. -184 с.

38. Гуляев, А.П. Металловедение: Учебн. пос. 5-е перераб. изд. / А.П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1978. - 648 с.

39. Дальский, А.М. Технология конструкционных материалов: учеб. для студ. машиностр. спец. вузов / А.М. Дальский, Т.М. Барсуков, Л.Н. Бухаркин и др. - М.: Машиностроение, 2004. - 512 с.

40. Дальский, A.M. Технологическое формирование показателей качества деталей машин / A.M. Дальский // Технологические основы обеспечения качества машин.- М.: Машиностроение, 1990.- С. 212 -234.

41. Демкин, М.Б. Качество поверхности и контакт деталей машин / М.Б. Демкин, Э.В. Рыжов М.: Машиностроение, 1981.- 244 с.

42. Дефекты стали. Справ. изд. / Под ред. С.М. Новокщеновой, М.И. Виноград. - М.: Металлургия, 1984. -199 с.

43. Жуков, Э.Л. Технология машиностроения: В 2 кн. Кн.1 Основы технологии машиностроения: Учеб. пособ. для вузов / Э.Л. Жуков, И.И Кобзарь, С.Л. Мурашкин и др. - М.: Высшая школа, 2003. - 278 с.

44. Зинченко, В.М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки / В.М. Зинченко. -М.: Издательство МВТУ, 2001. - 303 с.

45. Зинченко, В.М. Интенсификация процесса цементации стали / В.М. Зинченко, Г.И. Янцен, В.И. Астащенко // Автомобильная промышленность, 1986, №7. - С. 30-31.

46. Зинченко, В.М., Новые способы газовой цементации и нитроцементации / Б.Г. Георгиевская, В.В. Кузнецов, В.А. Оловянишников // МиТОМ. 1984. -№10. - С. 26-29.

47. Зинченко, В.М. Повышение и стабилизация прочностных свойств и долговечности цементованных и нитроцементованных зубчатых колес / В.М. Зинченко // МиТОМ. -1987.-№10.-С. 26-29.

48. Иванов, Ю.Ф. Исследование влияния скорости охлаждения на параметры структуры стали 38ХНЗМФА/ Ю.Ф. Иванов, Э.В. Козлов // Изв. вузов. Черная металлургия. -1991. №6. - С. 50-51.

49. Иванов, Ю.Ф. Объемная и поверхностная закалка конструкционной стали морфологический анализ структуры/ Ю.Ф. Иванов, Э.В. Козлов // Изв. вузов. Физика. - 2002. - №3. -С. 5-23.

50. Ицкович, Г.М. Сопротивление материалов/ Г.М. Ицкович. - М.: Высшая школа, 1966. - 512 с.

51. ИТ 37.180.252-13 Инструкция технологическая. Определение качества закаленного слоя после термообработки с использованием индукционного нагрева.

52. Карпов, Л.П. Профилактика разрушений и новые технологии термообработки / Л.П. Карпов. - М.: Машиностроение, 2003. - 252 с.

53. Качанов, H.H. Прокаливаемость стали / H.H. Качанов М.: Металлургия, 1978. - 192 с.

54. Ковалева, И.А. Исследование дефектов непрерывнолитой заготовки диаметром 200мм и причин их образования в условиях ОАО «БМЗ» / И.А. Ковалева, Н.А. Ходосовская, И.А. Гузова, А.В. Демин // Литье и металлургия, 2012, №3(66). - С.59-62.

55. Когаев, В.П. Расчет деталей машин и конструкций на прочность и долговечность / В.П. Когаев, Н.А. Махутов, А.П. Гусенков. -М. Машиностроение, 1985. - 224 с.

56. Кожевникова, Г.В. Технологические параметры поперечно-клиновой прокатки заготовки пальца шарового / Г.В. Кожевникова // Современные технологии металлообработки: материалы междунар. научн.-техн. конф. - Минск, 2005. - С. 195-199.

57. Козловский, И.С. Повышение усталостной прочности деталей машин поверхностной обработкой/ И.С. Козловский // Пути повышения прочности цементуемых сталей для автомобильных шестерен. - М.: Машгиз, 1951. - С. 136-150.

58. Козловский, И.С. Химико-термическая обработка шестерен. / И.С. Козловский. - М.: Машиностроение, 1970. - 232 с.

59. Козловский, И.С. Критерии оценки качества и основы рационального выбора цементуемых и нитроцементуемых сталей / И.С. Козловский, В.А. Оловянишников, В.М. Зинченко // МиТОМ. -1981. №3. - С. 2-9.

60. Кокорин, В.Н. Специальные способы обработки металлов давлением: учебное пособие / В.Н. Кокорин, Ю.А. Титов, В.Н. Таловеров, Л.В. Федорова. - Ульяновск: УлГТУ, 2006. - 36 с.

61. Колмогоров, В.Л. Напряжения, деформации, разрушение / В.Л. Колмогоров. - М.: Металлургия, 1970. -230 с.

62. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей: Справочник /Под общей ред. В.Д. Кальнера.-М.: Машиностроение, 1984. - 463 с.

63. Кугультинов, С. Д. Технология обработки конструкционных материалов / С. Д. Кугутдинов, А. К. Ковальчук, И. И. Портнов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 672 с.

64. Кудрявцев, И.В. Методы поверхностного упрочнения деталей машин / И.В. Кудрявцев. М.М. Саверин, А.В. Рябченков. - М.: Машгиз, 1949.

- 222 с.

65. Лавриненко, В.Ю. Технологические особенности изготовления шаровых пальцев с повышенной эксплуатационной стойкостью / В.Ю. Лавриненко // Материалы Второй Всероссийской конференции метизников «Метизное производство для российской автомобильной промышленности».

- М., Метизы, 2005 - С. 44-51.

66. Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. / Ю.М. Лахтин. - М.: Металлургия, 1977. - 407 с.

67. Лысак, Л.И. Физические основы термической обработки стали. / Л.И. Лысак, Б.И. Николин. - Киев: техника, 1975. - 303 с.

68. Любарский, И.М. Повышение износоустойчивости тяжелонагруженных шестерен. / И.М. Любарский. - М.: Машиностроение, 1965. - 132 с.

69. Макаров, В.Ф. Повышение надежности и качества изделий на основе снижения влияния локальных технологических концентраторов напряжений в обрабатываемых деталях / В.Ф. Макаров, С.П. Никитин, М.В. Песин, А.С Горбунов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2017, том 2. - С. 216-221.

70. Малинкина, Е.И. Образование трещин при термической обработке стальных изделий / Е.И. Малинкина. М: Машиностроение, 1965. - 173 с.

71. Малиночка, Я.Н. Сульфиды в сталях и чугунах / Я.Н. Малиночка, Г.З. Ковальчук. - М.: Металлургия, 1988. - 248 с.

72. Маслакова, Л.П. Применение обработки металлов давлением в автотракторостроении: учебное пособие / Л.П. Маслакова, Д.С. Фатюхин.-М.: МАДИ (ГТУ), 2003. - 195 с.

73. Масленков, С.Б. Энциклопедический справочник термиста-технолога: в 3-х т., Т.3/ С.Б. Масленков, А.И. Ляпунов, В.М. Зинченко, Б.К. Ушаков. - М.: Наука и технологии, 2004. - 704 с.

74. Металловедение и термическая обработка: справ, изд. в Зх томах, том 1. Методы испытаний и исследования / под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

75. Металлография железа. Т.3. Кристаллизация и деформация сталей (с атласом микрофотографий): Пер. с англ. / Под ред. Ф.Н. Тавадзе. - М.: Металлургия, 1972. - 236 с.

76. Меськин, B.C. Основы легирования стали./ B.C. Меськин. М.: Металлургия, 1964. - 684 с.

77. Морозов, В.И. Наклеп дробью тяжелонагруженных зубчатых колес / В.И. Морозов, Н.Б. Шубина. - М.: Машиностроение, 1972. - 104 с.

78. Моталин, А. А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. / А. А. Моталин. Киев: Техшка, 1971. - 144 с.

79. Минкевич, А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов / А.Н. Минкевич. - М.: Машиностроение, 1965. - 491 с.

80. Михлюк, А.И. Новый подход объемно-поверхностной закалке тяжелонагруженных зубчатых деталей мобильных машин/ А.И. Михлюк // Литье и металлургия. - 2010. - №1(54) - С. 131-139.

81. Нахимов, Д.М. Остаточные напряжения после цементации и нитроцементации стали / Д.М. Нахимов, А.Я. Новикова // Металловедение и термическая обработка. - 1968. - №7 - С. 22-26.

82. Неучев, А.Л. Применение стали непрерывной разливки в кузнечном производстве. / А.Л. Неучев // Кузн.-штамп. пр-во. -1986. - №11. -С. 21-22.

83. Новиков, И.И. Металловедение: учеб. в 2-х т., Т.1 / Новиков И.И., Золоторевский В.С., Портной В.К. [и др.]; под. общ. ред. В.С. Золоторецкого. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2014. - 496 с.

84. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов/ И.И. Новиков. М.: Металлургия, 1974. - 400 с.

85. Non-metallic inclusions in steels - origin and control/ by Andre Costa e Silva, Journal of Materials Research and Technology . - 2018. №7(3). - Р. 283299.

86. Орлов, П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн.1. Изд. 2-е, перераб. и доп. / П.И. Орлов. - М.: Машиностроение, 1997. - 623 с.

87. ОСТ 37.001.056-74 Методы измерения толщины цементованного слоя деталей.- М.: Изд-во стандартов, 1976. - 6 с.

88. ОСТ 37.001.060-74 Методы измерения толщины слоя поверхностной закалки деталей. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 5 с.

89. Пат. 109812 Российская Федерация, МПК F16C 11/06. Палец шарнира / С.М. Ключников, В.Г. Козлов, Е.В. Пуртова, Н.В. Гришина (Россия); заявитель ООО «НПО «Ростар». - № 2011113289/11 ; заявл. 06.04.2011 ; опубл. 27.10.2011, Бюл. №30. - 2 с.

90. Пат. 2758685 Российская Федерация, СПК G01№3/40 (2021.05) Способ определения прочности материалов / В.И. Астащенко, Г.Ф Мухаметзянова, Т.В. Швеёва, И.Р. Мухаметзянов, Е.В. Пуртова, Д.Н. Пермяков; заявитель и патентообладатель ФГАО ВО КФУ. -№2020140586; заявл. 08.12.2020 ; опубл. 01.11.2021, Бюл. №31. - 8 с.

91. Пенегин, С.В. О механизме разрушения материала под действием контактной циклической нагрузки. / С.В. Пенегин, В.М. Гудзенко // Прочности материалов при циклических нагрузках. - М.: Наука, 1967. — C. 133-139.

92. Подзей, A.B. Технологические остаточные напряжения. / A.B. Подзей, A.M. Сулима, М.И. Евстигнеев, Г.З .Серебренников. - М.: Машиностроение, 1973. - 216 с.

93. Покровская, Н.Г. Современные высокопрочные конструкционные стали для изделий авиационной техники / Н.Г. Покровская, А.Ф. Петраков, А.Б. Шалькевич // МиТОМ. - 2002. - №12. - С. 23 - 26.

94. Проников А.С. Надежность машин. / А.С. Проников. - М.: Машиностроение, 1978. - 590 с.

95. Пуртова, Е.В. Инновационные решения по повышению надежности в эксплуатации деталей с концентраторами напряжений / Е.В. Пуртова, В.И. Астащенко, А.В. Пуртов // Технология металлов. М.-2021. - №27. - C. 42-49.

96. Пуртова Е.В. Разработка технологии и опыт производства шаровых пальцев грузового автомобиля из экономнолегированной стали / Е.В. Пуртова, В.И. Астащенко, Т.В. Швеева, А.В. Пуртов // Вестник Югорского государственного университета. - 2023. - №4. - С. 133-140.

97. Раймпель, Й Шасси автомобиля. Конструкции подвесок: Пер. с нем. / Под ред. А.А. Гальбрейха. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

98. Раймпель, Й Шасси автомобиля. Рулевое управление: Пер. с нем./ Под ред. А.А. Гальбрейха. - М.: Машиностроение, 1987. - 232 с.

99. Раузин, Я.Г. Термическая обработка хромистой стали. Изд. 4-е, перераб. и доп. / Я.Г. Раузин. - М.: Машиностроение, 1978. - 277 с.

100. Решетов ,Д.Н. Надежность машин: учеб. пособие для вузов /Д.Н. Решетов, А.С. Иванов, В.З. Фадеев. - М.: Высшая школа, 1988. - 237 с.

101. Рутес, В.С. Непрерывная разливка стали в сортовые заготовки/ В.С. Рутес, Н.Н. Гуглин, Д.П. Евтеев и др. - М.: Металлургия, 1967. - 144 с.

102. Сагарадзе, B.C. Повышение надежности цементуемых деталей /

B.C. Сагарадзе М.: Машиностроение, 1975.- 216 с.

103. Серенсен, C.B. Несущая способность и расчет деталей на прочность. / C.B. Серенсен, В.П. Кочаев, В.М. Штейнцерович. М.: Машиностроение, 1975. - 113 с.

104. Серенсен, С.В. Сопротивление усталости в связи с упрочнением и конструктивными факторами. / С.В. Серенсен // Повышение усталостной прочности деталей машин поверхностной обработкой. - М.: Машгиз, 1952. -

C. 5-28.

105. Сильман, Г.И. Триботехническое материаловедение и триботехнология: учеб. для студентов вузов/ Г.И. Сильман, О.А. Горленко. -М.: Машиностроение, 2006. - 347 с.

106. Сладкоштеев, В.Т. Непрерывная разливка стали на радиальных установках / В.Т. Сладкоштеев, Р.В. Потанин, О.Н. Суладзе, В.С. Рутес. - М.: Металлургия, 1974. -288 с.

107. Spitzig, W.A. Influence of sulfide inclusions and perlite content on the mechanical properties of hot-rolled carbon steel / W.A. Spitzig, R.J. Sober // Met.Trans.A. - 1981. - V.12A. - №2. - P. 281.

108. Степанова, Т.Ю. Технология поверхностного упрочнения деталей машин: Учебн. пос. / Т.Ю. Степанова; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2019. - 64 с.

109. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин./ А.Г. Суслов М.: Машиностроение, 2000.- 320 с.

110. Таран, А.В. Влияние степени чистоты конструкционных сталей на сопротивление хрупкому разрушению / А.В. Таран, В.Н. Зикеев, А.П. Гуляев // Изв. АН СССР, Металлы. - 1971. - №1 - С. 119-122.

111. Тарасов, А.М. Технология упрочнения шаровых пальцев из углеродистой стали / А.М. Тарасов, Р.Е. Глинер // Автомобильная промышленность. -1966. - №8. - С. 37-39.

112. Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы международной научно-технической конференции (1719 октября 2018 г.) в 2 ч. - Петропавловск-Камчатский : Издательство КамчатГТУ. -2019. - Ч. 2. - 2019. - С. 114.

113. The elasticity, extensibility, and tensile strength of iron and steel : with 9 lithographic plates / by Knut Styffe : translated from the Swedish, with an original appendix by Christer P. Sandberg : with a preface by John Percy. - John Murray, 1869. - 171 p.

114. The metallography and heat treatment of iron and steel / by Albert Sauveur ; 2 edition (7 thousand) with revised chapter 1. - 2 edition (7 thousand). -Published by Sauveur and Boylston, 1918. - 486 p.

115. Thornton PA: 'Influence of nonmetallic inclusions on mechanical properties of steel-review', J. Mater. Sci.. - 1971. -№ 6(4). - P. 347-356.

116. Тихонов, А.К. Влияние технологического передела на прочность изделий / А.К. Тихонов // Металлургия машиностроения, 2019, .№1. - С. 13-19.

117. Трахимович, В.И. Использование железа прямого восстановления при выплавке стали / В.И. Трахимович, А.Г. Шалимов. - М.: Металлургия, 1982. - 248 с.

118. ТУ 14-1-5414-2001 Прокат горячекатаный, обточенный и горячекалиброванный круглый из углеродистой и легированной стали прямого восстановления. Технические условия.

119. Ферроуз Дж. Фрактография и атлас фрактограмм: Справочное издание / Перевод с англ. Шур. Е.А. под ред. Бернштейна М.Л. -М.: Металлургия, 1982. - 489 с.

120. Швеева, Т.В. Особенности химико-термической обработки хромо-никелевых сталей/ Т.В.Швеева, В.И. Астащенко, А.И. Швеев, Е.В. Пуртова // Материалы VIII Международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2017» (МНТК «ИМТОМ-2017»). Ч. 1. - Казань. - 2017. - С. 171175.

121. Шепеляковский, К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве / К.З. Шепеляковский. - М.: Машиностроение, 1972. - 288с.

122. Шибаков, В.Г. Технологическое обеспечение качества деформируемых стальных изделий / В.Г. Шибаков, Т.В. Швеева, В.И. Астащенко, А.И. Швеев // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. - Выпуск 42. -Украина, Донецк: ДонНТУ. - 2011. - С. 294-300.

123. Щукин, В.Я. Основы пеперечно-клиновой прокатки / В. Я. Щукин - Минск: Наука и техника, 1986 - 223 с.

Патент на изобретение

Приложение Б Патент на полезную модель

Палец шарнира

Авторы патента:

Ключников Сергей Михайлович (RU) Козлов Виталий Григорьевич (RU) Пуртова Елена Викторовна (RU) Гришина Наталья Валерьевна (RU)

F16C11/06 - шаровые шарниры; прочие шарниры, имеющие более чем одну степень свободы углового перемещения, например универсальные шарниры (для передачи вращательного движения F16D 3/00; опоры для аппаратов с шаровым шарниром F16M 11/14)

1. Палец шарнира, состоящий из сферической головки и хвостовика комбинированной формы, отличающийся тем, что палец выполнен из стали, полученной прямым восстановлением, с содержанием углерода 0,36-0,45%, кремния 0,10-0,40%, марганца 0,5-0,9%, хрома 0,7-1,2%, при этом часть поверхности пальца дополнительно упрочнена.

2. Палец по п.1, отличающийся тем, что сферическая головка и хвостовик объединены галтелью.

3. Палец по п.1, отличающийся тем, что хвостовик состоит из конического и цилиндрического участков.

4. Палец по пп.1-3, отличающийся тем, что упрочнение поверхности пальца производится термоулучшением на заданную твердость (прочность) и упрочнением закалкой токами высокой частоты поверхности сферы, галтели и конического участка хвостовика.

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и может быть использована как в подвеске автомобиля, так и в рулевом механизме автомобиля.

Известно шаровое шарнирное соединение, содержащее корпус и установленный в нем через вкладыш шаровой палец, состоящий из сферической головки, коническо-цилиндрического хвостовика и резьбовой части. Шаровой палец имеет покрытие на основе никеля и бора, нанесенное на поверхность пальца электрохимическим осаждением (патент РФ на ПМ №RU 159922, МПК7 F16C 1/06, 2000 г.).

В настоящее время именно в автомобилестроении наблюдается тенденция к постоянному увеличению усилий, приходящихся на подобные шарниры. Повышение нагрузок на шарниры предъявляет особые требования к ним. Наиболее ответственным в шаровых шарнирах является шаровой палец. К шаровому пальцу предъявляются высокие требования статической прочности и циклической долговечности, износостойкости.

При изготовлении шаровых пальцев используются цементуемые и термоулучшаемые стали, как, например, 12ХН3А с твердостью на шаровой головке 56-62 HRC.

Шаровые пальцы, изготовленные из стали 12ХН3А с технологией термообработки цементацией статическую прочность и циклическую долговечность, в том числе при низких температурах.

Была поставлена задача, улучшить прочностные характеристики шарового пальца.

Поставленная задача решается тем, что в качестве материала для изготовления пальца шарнира, состоящего из сферической головки и хвостовика комбинированной формы, применяется сталь с содержанием углерода 0,36-0,45%, кремния 0,10-0,40%, марганца 0,5-0,9%, хрома 0,7-1,2% полученная прямым восстановлением из металлизированных окатышей, при этом часть поверхности пальца упрочнена.

Термоулучшение (закалка, отпуск) шарового пальца на заданную твердость, получение структуры однородного сорбита обеспечивает оптимальное сочетание прочности и вязкости.

Поверхностное упрочнение токами высокой частоты сферической головки, галтели и конусного участка хвостовика обеспечивает дополнительное повышение статической прочности и циклической долговечности.

Технический результат, а именно создание надежного, долговечного шарового пальца достигается за счет использования в его конструкции высококачественной стали прямого восстановления с заданным содержанием легирующих элементов и термической обработкой поверхности пальца.

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, технических решений, включающих в себя существенные признаки, используемые в заявляемом техническом решении не выявлено. И заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники, что подтверждает соответствие заявляемого технического решения условию «новизна».

Полезная модель поясняется чертежом.

Палец шарнира состоит из сферической головки 1 и хвостовика, имеющего комбинированную форму. Хвостовик состоит из конического участка 2 и цилиндрического резьбового участка 3. Сферическая головка 1 и конический участок 2 хвостовика, объединены галтелью 4.

Палец шарнира изготовлен из стали ТУ 14-1-5414-2001 40Х ПВ, полученной прямым восстановлением с содержанием углерода 0,36^0,44%, кремния 0,17^0,37%, марганца 0,5^0,8%, хрома 0,8^1,10%.

Счаль, полученная прямым восстановлением обладает повышенной вязкостью, особенно при низких температурах, особой чистотой металла по содержанию вредных примесей - серы, фосфора, и газам - азота, кислорода, и остаточных элементов, кроме того она обладает высокой пластичностью при горячей деформации (на 10 -20% выше по сравнению со сталью, полученной другим методом) и высокой технологичностью при термообработке, достигаемой за счет суженных пределов химического состава и прокаливаемости. Марка стали может быть и иной, но содержание легирующих элементов должно соответствовать указанным пределам.

Существенные преимущества - использование данной стали позволяет получить высокие результаты и значительно улучшить прочностные и вязкие характеристики, в том числе при отрицательных температурах.

Технологически палец может быть изготовлен несколькими способами формообразования. Одним из способов изготовления пальца является поперечно -клиновая прокатка. Использование указанной марки стали позволяет получать изделия этим способом высокого качества, т.к. материал обладает высокой пластичностью при горячем деформировании.

К шаровому пальцу предъявляются высокие требования по нагрузкам, соответствующим пределу текучести и прочности, в том числе при низких температурах (хладостойкость) и отсутствие хрупкого разрушения.

Повышение прочностных характеристик шарового пальца достигается термоулучшением с закалкой на полимерную закалочную жидкость и отпуском на заданную твердость (прочность).

Для повышения циклической долговечности поверхность сферы, галтели и конического участка хвостовика подвергается упрочняющей термической обработке -закалке токами высокой частоты.

Стендовые испытания пальца шарнира показали, что при использовании всех отличительных признаков достигнуто увеличение нагрузки по пределу текучести при статических испытаниях в 1,4 раза, по пределу прочности в 1,4 раза при температуре +20°С и -60°С в сравнении шаровыми пальцами, изготовленными из ст. 12ХН3А. Технический результат достигнут, создана конструкция пальца шарнира, обладающая повышенной долговечностью и надежностью.

Палец шарнира может быть изготовлен в условиях мелкосерийного, серийного и крупносерийного производства с использованием известного оборудования, оснастки, материалов и технологии. Формула полезной модели

1. Палец шарнира, состоящий из сферической головки и хвостовика комбинированной формы, отличающийся тем, что палец выполнен из стали, полученной прямым восстановлением, с содержанием углерода 0,36^0,45%, кремния 0,10^0,40%, марганца 0,5^0,9%, хрома 0,7^1,2%, при этом часть поверхности пальца дополнительно упрочнена.

2. Палец по п.1, отличающийся тем, что сферическая головка и хвостовик объединены галтелью.

3. Палец по п.1, отличающийся тем, что хвостовик состоит из конического и цилиндрического участков.

4. Палец по пп.1-3, отличающийся тем, что упрочнение поверхности пальца производится термоулучшением на заданную твердость (прочность) и упрочнением закалкой токами высокой частоты поверхности сферы, галтели и конического участка хвостовика.

ТВЧ М.2...3.5 ННС 56...62

Чертеж шарового пальца 350-3414032

-хГ

и

<и я

Я

4) ^

О

ч

а. С

я и л

ч

ее

с

о и о ю о л

(Я

3

к

4 О Си

н

X

о X

ев н а

ее

ЬЙ

Место замера тбердасти поберхности закаленного слоя 56.62 ЛИГ

7-5 Место замера твердости сердцевины 255-315 Ж/0

Место замера твердости поберхности 269.315 НВ

№п/п Обозначение /, мм

1 350-3ш032 3

2 350-ЗШ32-10 4

3 350-ЗШ32-20 3

350-ЗШ32-225 3

5 350-2906032-05 3

6 350-2906032-26 3

Л 1.5.3.2

1. Предварительная термообработка- улучшение.

2.1- Зона переходной тбердасти, Ь-толщино закаленного слоя мм.

3. П Т2. ТЗ. и. Т6. Т7 - точки измерения толщины закаленного слоя, по микроструктуре. Толщина слоя 1.5-3.2 мм.

4. " Место замеры толщины закаленного слоя б точке Т2.

5. Т5 - точка измерения толщины закаленного слоя по микроструктуре -основной метод.

- контроль до нормированной тбердости Ь80 Н\г прободить 1 раз б неделю. Толщина слоя 1.5.3.2 мм

6. В точке Т1 допускается уменьшение глубины слоя ТВЧ до 0.8 мм. не менее.

Приложение Д Акт внедрения патента на полезную модель

Акт внедрения патента на изобретение