Разработка технологии и опыт производства шаровых пальцев грузового автомобиля из экономно-легированной стали

Полный текст

Введение

Рулевой механизм любого транспортного средства является одним из наиболее ответственных и высоконагруженных узлов. Передняя ось автомобиля входит в состав такого механизма, и все ее детали испытывают в эксплуатации разнообразные виды нагрузок – от ударно-силовых и износа в процессе трения – до статических, циклических, температурных и других воздействий. Среди многообразия деталей, входящих в рулевой механизм, большой интерес представляет шаровой палец, который во многих случаях, в стране и за рубежом, изготавливают из цементуемой хромоникелевой стали типа 12ХН3А. Такое решение обосновано необходимостью получения высокой прочности и износостойкости поверхностного цементованного слоя детали в сочетании с высокими пластическими характеристиками металла основы детали. Формирование указанных свойств в деталях достигается путем их упрочнения по специальной технологии, которая включает цементацию при 920±10˚С, подстуживание и выдержку при 650˚С до завершения превращения аустенита в перлит, последующий нагрев до 870±10˚С, закалку в масло и отпуск при 180±10˚С [3-5]. Данная технология весьма трудоемкая, энергозатратная и требует использования специализированных термических агрегатов [3, 13]. Поэтому изыскание новых технических и технологических решений по рациональному выбору стали и упрочняющей обработки тяжелонагруженных и ответственных деталей автомобиля является важной задачей в машиностроении.

Цель работы – исследование и обоснование экономно-легированной стали для шаровых пальцев грузового автомобиля.

Объект исследования – шаровой палец рулевого управления автомобиля «КАМАЗ».

Предмет исследования – структура и свойства шаровых пальцев после тепловой обработки на различных этапах металлопередела.

Материалы и методы исследования. Для изготовления шаровых пальцев использовали сталь 40Х прямого восстановления (40Х-ПВ), выплавляемую из металлизированных окатышей на Оскольском электрометаллургическом комбинате (ОЭМК). Сталь такого способа производства по отношению к стали 40Х обычной выплавки обладает более стабильным составом по содержанию основных и сопутствующих химических элементов, а также меньшим содержанием вредных примесей – серы и фосфора [5]. Определение содержания химических элементов в сталях проводили в соответствии с действующими стандартами, используя приборы «Spectrolab» «Искролайн-100» и анализатор серы и углерода GS-800. По результатам контроля 125 плавок стали 40Х-ПВ установлено, что колебания концентрации углерода, хрома, марганца и кремния составляли, соответственно, 1,16; 1,10; 1,50 и 1,88 раз, что значительно меньше, чем в стали 40Х, полученные при исследовании 204 плавок. Согласно ТУ 14-1-5414-2001, содержание химических элементов в стали 40Х-ПВ должно быть в пределах: углерод – 0,36-0,44 %; хром – 0,8-1,10 %; марганец – 0,5-0,8 %; кремний – 0,17-0,37 %; сера – не более 0,012 % и фосфор – не более 0,015 %. Чистота стали 40Х-ПВ по фосфору и сере в несколько раз превосходит сталь 40Х традиционной выплавки, в которой максимальное содержание каждого из этих элементов составляет до 0,035 %.

Для металлографических исследований использовали микроскопы «Неофот-21» и Olympus GX51 с программным обеспечением SIAMS-800. Выявление текстуры деформированного металла и дефектов металлургического характера проводили после горячего травления проката и полуфабрикатов деталей.

Охлаждающую способность закалочных сред определяли в соответствии с ISO 9950-2015 с помощью термозонда из никелевого сплава [10].

Измерение твердости проводили на приборах ТР 5006М, ТШ-2М, ТК-2М и микротвердомерах ПМТ-3 и Дюримет.

Закаливаемость и прокаливаемость стали изучали методом пробных закалок образцов Ø30х120мм [6].

Склонность стали к образованию трещин при закалке оценивалась на дисковых образцах с канавкой из стали У10А по методике, рекомендуемой А.П. Гуляевым и Е.И. Малинкиной [9]. Выявление трещин на образцах проводили магнитно-люминесцентным методом.

Для определения размера зерна в стали использовали метод окисления в соответствии с ГОСТ 5639-82. Стендовые испытания на изгиб шаровых пальцев выполняли на сервогидравлической машине MTS322.31. Термическую обработку полуфабрикатов, деталей и образцов проводили с использованием лабораторных и промышленных печей, а для нагрева ТВЧ – установку мод. 18SIA (Италия).

Результаты и обсуждение

Инновационным направлением в решении поставленной цели является применение высококачественной стали прямого восстановления. При выборе марки стали должны учитываться технические, технологические, экономические и экологические особенности при ее переделе в машиностроительном производстве. Сталь должна обладать рациональным легированием, иметь широкое применение (недефицитность) в промышленности, обладать технологичностью в производственном цикле изготовления деталей с применением общедоступного и традиционного оборудования, обеспечивать достижение заданных функциональных свойств в изделиях при экономичном расходе топливно-энергетических ресурсов в технологиях металлопередела. В работе для изготовления шаровых пальцев грузового автомобиля «КАМАЗ» взамен стали 12ХН3А предложена сталь 40Х прямого восстановления (40Х-ПВ), которая более чем в 2 раза дешевле указанной хромоникелевой стали. При производстве такой стали в переплавляемой шихте отсутствует металлолом, что исключает присутствие в ней многих химических элементов, наследуемых из лома [5]. Эти элементы: медь, олово, сурьма, мышьяк и др. – даже в малых количествах оказывают непредсказуемое, а в отдельных случаях – и неблагоприятное влияние на механические свойства стали [11].

Нормативная циклическая долговечность шарового пальца (более 1 млн циклов при размахе нагрузки 90кН) обеспечивается на цементованных деталях из стали 12ХН3А при соблюдении следующих технических требований: глубина поверхностно-упрочненного слоя 1,5-3,5 мм, твердость поверхности – 56-62HRC и сердцевины – 241-285НВ. Кроме того, требованиями оговаривается наличие свободного феррита в структуре материала, который, за исключением сферической части пальца, недопустим.

Для достижения такого комплекса свойств на шаровых пальцах из экономно-легированной стали 40Х-ПВ разработаны, обоснованы и внедрены технологии производственного цикла изготовления полуфабрикатов и деталей.

В качестве первоочередной стадии на этапе изготовления полуфабрикатов шаровых пальцев реализована поперечно-клиновая прокатка металла заготовок, нагретых до 1200±20˚С, которая обеспечила получение не только их геометрических параметров, но и создала благоприятную текстуру деформации по конфигурации детали (рис. 1). За счет такого формирования волокнистого строения в детали, несомненно, получено преимущество по механическим свойствам шарового пальца перед другими видами распределения волокон в металлоизделиях [1].

 

Рисунок 1 – Макростроение (а) и микроструктура (б) шарового пальца после поперечно-клиновой прокатки

 

Достаточно высокие требования предъявляются к термической обработке полуфабрикатов из стали 40Х-ПВ, которая должна обеспечить получение микроструктуры сорбита при отсутствии зерен феррита и твердости в пределах 285-320НВ.

При данном структурном состоянии и твердости полуфабрикатов в указанных пределах обеспечивается их удовлетворительная обрабатываемость резанием на операциях точения и накатки резьбы. Кроме того, однородная структура в виде сорбита отпуска является благоприятным условием для последующей упрочняющей технологии, включающей скоростной нагрев (например, ТВЧ) поверхности детали и ограниченность по времени фазовых процессов превращения в этих слоях. Получение структуры сорбита отпуска по всему сечению детали возможно только в том случае, если после закалки в стальных полуфабрикатах было мартенситное или троостомартенситное состояние.

Как показали экспериментальные исследования, при закалке в масло шаровых пальцев из стали 40Х-ПВ в структуре наряду с мартенситом присутствуют и структурные составляющие феррито-перлитного строения.

Основным и весьма эффективным направлением в обеспечении бездиффузионного превращения при закалке многих сталей является использование для этой цели закалочных сред с большей охлаждающей способностью, чем у масел. Такому показателю свойств отвечают среды на основе водорастворимых полимеров [2, 8]. При выборе синтетических закалочных сред необходимо выполнение ряда условий. А именно, – кроме сквозной закалки по сечению изделия она не должна вызывать его трещинообразование, должна быть пожаробезопасной, технологичной в эксплуатации и экологичной.

В таблице 1 представлены результаты по интенсивности охлаждения в различных температурных интервалах воды, масла МЗМ-16 и водных растворов с различным содержанием полимера – полиэтиленгликоля. Видно, что наиболее благоприятным свойством по охлаждающей способности, в сравнении с маслом, обладает закалочная среда, содержащая 32,5 % полимера в воде. Такая среда, как показали исследования, обеспечивает высокую закаливаемость стали 40Х (табл. 2) и исключается образование трещин (рис. 2) на дисковых образцах с канавкой их стали У10, как наиболее представительной стали для такой оценки свойств [9].

 

Таблица 1

Скорость и интенсивность охлаждения водных растворов полимеров в различных температурных интервалах

Закалочная среда, % полимера	Интенсивность охлаждения в интервале температур
	800-300˚С			800-650˚С			650-300˚С			300-100˚С
	Vср	Hв	Hм	Vср	Hв	Hм	Vср	Hв	Hм	Vср	Hв	Hм
0 (вода)	342	1,0	4,9	268	1,0	6,8	417	1,0	4,2	530	1,0	9,4
5,0	268	0,78	3,8	260	0,9	6,6	276	0,66	2,7	238	0,45	4,2
15,0	226	0,66	3,2	225	0,84	5,7	228	0,53	2,3	207	0,39	3,7
32,5	185	0,54	2,7	196	0,73	5,0	175	0,42	1,7	140	0,26	2,5
50,0	54	0,16	0,78	48	0,18	1,2	61	0,14	0,6	60	0,11	1,07
масло МЗМ-16	69	0,22	1,0	39	0,15	1,0	100	0,24	1,0	56	0,105	1,0

Примечание: V_{ср –} средняя скорость охлаждения, ˚С/с; H_в (H_м) – интенсивность охлаждения по отношению к воде (маслу), количество раз.

 

Таблица 2

Твердость стали 40Х-ПВ при закалке образцов Ø30х120мм в различных средах

Место контроля твердости	Содержание полимера в воде, %					Закалка в масле
	0(вода)	5	15	25	32,5
Поверхность, HRC	56//56	56/56	56/54	56/54	56/53	52/52
Сердцевина, HRC	52/56	56/56	54/50	54/50	53/48	47/46

Примечание: в числителе температура среды 20 ºС, в знаменателе 50 ºС.

 

Рисунок 2 – Влияние температуры закалки и концентрации полимера в растворе на образование трещин в дисковых образцах с канавкой из стали У10

 

После термической обработки, включающей печной нагрев и выдержку при 860 ºС, закалку в водном растворе полимера и отпуск при 550 ºС в течение трех часов с последующим охлаждением в воде, по всему сечению полуфабрикатов шарового пальца достигнута структура сорбита отпуска с твердостью в пределах 285-320НВ, трещины на изделиях отсутствуют.

Ключевые показатели свойств деталям придаются в результате их поверхностного упрочнения после нагрева ТВЧ [12-15]. Учитывая скоростной нагрев и неизбежность нагрева поверхности деталей до более высокой температуры, чем при печном нагреве, в работе выполнены исследования и установлена температурная зависимость роста зерна в стали 40Х-ПВ (рис. 3). Видно, что в случае печного нагрева интенсивный рост зерна в стали наблюдается при температуре 920˚С, а в случае нагрева токами высокой частоты – при 1000˚С. Эти сведения указывают на сохранение мелкозернистого строения стали в сердцевине изделия, которое было сформировано при термической обработке полуфабрикатов, и получение мелкого зерна в поверхностном упрочненном слое после закалки с нагрева ТВЧ.

 

Рисунок 3 – Температурная зависимость роста зерна в сталях 12ХН3А, 40Х и 40Х-ПВ при различных условиях нагрева. В скобках – время выдержки; V – скорость нагрева

 

В результате спрейерной закалки шаровых пальцев на поверхности детали формируется упрочненный слой с твердостью 56-62HRC и микроструктурой мелкоигольчатого мартенсита. Учитывая конфигурацию детали и наличие на ней концентраторов напряжений в виде галтели, резьбы и зоны контакта с сопрягаемой сошкой рулевого управления, а также условие нагруженности детали в эксплуатации, упрочнение выполняется по сферической части, галтели и конусному участку (рис. 4).

 

Рисунок 4 – Эскиз шарового пальца с поверхностным упрочнением с нагрева ТВЧ

 

Глубина упрочненного слоя по конфигурации детали колеблется от 1,5 до 3,2 мм, что обеспечивает циклическую долговечность детали более 1 млн циклов при размахе нагрузки 90кН (табл. 3). При этом твердость металла основы детали сохраняется на уровне 285-320НВ, полученной в процессе термического улучшения полуфабрикатов шаровых пальцев. Следует также заметить, что после поверхностной закалки детали подвергаются самоотпуску.

 

Таблица 3

Циклическая стойкость шаровых пальцев по результатам испытаний

Параметр	Значение
Размах нагрузки, кН	100	95	93	92	90
Наработка до разрушения, циклы	138 000	500 000	490 000	1,06 ·106	2,23·106
Место разрушения	По конической части	По галтели	По конической части	По конической части	Без разрушения

 

Стендовые усталостные испытания на изгиб показали, что детали имеют циклическую долговечность, более чем в 2 раза превышающую работоспособность в эксплуатации деталей из стали 12ХН3А. При этом материальные затраты при изготовлении деталей из стали 40Х-ПВ снижаются в ~2,5 раза.

Заключение и выводы

1. Для изготовления шаровых пальцев рулевого управления грузового автомобиля предложена, обоснована и внедрена сталь 40Х прямого восстановления (40Х-ПВ) взамен цементуемой стали 12ХН3А.
2. Для полуфабрикатов шарового пальца из экономнолегированной стали разработана технология термического улучшения с применением при закалке водного раствора полимера, которая обеспечивает получение твердости в пределах 285-320НВ и микроструктуры сорбита отпуска по всему сечению изделия.
3. Для придания высоких эксплуатационных свойств изделиям детали на завершающем этапе производства подвергают поверхностной закалке с нагрева ТВЧ. После упрочнения поверхностный слой толщиной 1,5-3,2 мм приобретает твердость 56-62HRC и структуру мартенсита при сохранении структуры и твердости сердцевины изделия, сформированных в полуфабрикатах.
4. Внедрение стали 40Х-ПВ для шаровых пальцев взамен стали 12ХН3А позволило сэкономить материальные затраты и энергетические ресурсы, а также снизить трудоемкость изготовления деталей.

Об авторах

Владимир Иванович Астащенко

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: astvi-52@mail.ru

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры материалов, технологий и качества Набережночелнинского института

Россия, Набережные Челны

Елена Викторовна Пуртова

ООО «ЗАВОД «ПРОФТЕРМО»

Email: elena.v.purtova@gmail.com

начальник лаборатории металлографического и спектрального анализа

Россия, Набережные Челны

Татьяна Владимировна Швеева

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: asttv@mail.ru

кандидат технических наук, доцент, доцент Набережночелнинского института

Россия, Набережные Челны

Алексей Владимирович Пуртов

ПАО «КАМАЗ»

Email: aleksey.purtov@kamaz.ru

Директор департамента – главный конструктор цифровых систем проектирования

Россия, Набережные Челны

Список литературы

Дополнительные файлы