Разработка технологии и опыт производства шаровых пальцев грузового автомобиля из экономно-легированной стали
- Авторы: Астащенко В.И.1, Пуртова Е.В.2, Швеева Т.В.1, Пуртов А.В.3
-
Учреждения:
- Казанский (Приволжский) федеральный университет
- ООО «ЗАВОД «ПРОФТЕРМО»
- ПАО «КАМАЗ»
- Выпуск: № 4 (2023)
- Страницы: 133-140
- Раздел: НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
- Статья опубликована: 01.12.2023
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/635203
- DOI: https://doi.org/10.18822/byusu202304133-140
- ID: 635203
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Предмет исследования: структура и свойства шаровых пальцев после тепловой обработки на различных этапах металлопередела.
Цель работы: исследование и обоснование экономно-легированной стали для шаровых пальцев грузового автомобиля.
Объект исследования: шаровой палец рулевого управления автомобиля «КАМАЗ».
Методы исследования: для изготовления шаровых пальцев использовали сталь 40Х прямого восстановления (40Х-ПВ), выплавляемая из металлизированных окатышей на Оскольском электрометаллургическом комбинате (ОЭМК). Определение содержания химических элементов в сталях проводили в соответствии с действующими стандартами, используя приборы «Spectrolab» «Искролайн-100» и анализатор серы и углерода GS-800.
Основные результаты исследования: на основе исследований обосновано применение стали 40Х прямого восстановления для шаровых пальцев грузового автомобиля. Разработаны технологии пластической деформации и термической обработки полуфабрикатов, обеспечивающие получение заданной текстуры и структуры сорбита отпуска. Для объемной закалки заготовок вместо масла МЗМ-16 предложена, обоснована и внедрена закалочная среда на основе водорастворимого полимера. Рекомендуемое решение, внедренное для шаровых пальцев автомобиля КАМАЗ, позволило получить экономический эффект более 2 млн руб. и снизить трудоемкость при их изготовлении.
Ключевые слова
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: Vср – средняя скорость охлаждения, ˚С/с; Hв (Hм) – 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.
32,5% |
15% |
25% |
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
- Для изготовления шаровых пальцев рулевого управления грузового автомобиля предложена, обоснована и внедрена сталь 40Х прямого восстановления (40Х-ПВ) взамен цементуемой стали 12ХН3А.
- 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.
- 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.
- 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 ЧелныЕлена Викторовна Пуртова
ООО «ЗАВОД «ПРОФТЕРМО»
Email: elena.v.purtova@gmail.com
начальник лаборатории металлографического и спектрального анализа
Россия, Набережные ЧелныТатьяна Владимировна Швеева
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Email: asttv@mail.ru
кандидат технических наук, доцент, доцент Набережночелнинского института
Россия, Набережные ЧелныАлексей Владимирович Пуртов
ПАО «КАМАЗ»
Email: aleksey.purtov@kamaz.ru
Директор департамента – главный конструктор цифровых систем проектирования
Россия, Набережные ЧелныСписок литературы
- Астащенко, В. И. Контроль качества и наследственность строения стали при технологи-ческом металлопеределе: монография / В. И. Астащенко, А. И. Швеев, Т. В. Швеева. – М. : Academia, 2011. – 239с. – Текст: непосредственный.
- Астащенко, В. И. Эфффективность закалки термоулучшаемых сталей в водных раство-рах полимеров / В. И. Астащенко, А. И. Швеев, Т. В. Швеева. – Текст : непосредствен-ный // Черные металлы. – 2020. – №4. – С. 47–53.
- Глинер, Р. Е. Введение в технологию поверхностного упрочнения металла: учебное по-собие / Р. Е. Глинер, В. И. Астащенко. – Москва: Вологда: Инфа-Инженерия, 2022 – 326 с. – ISBN 978-5-9729-1038-0 – Текст : непосредственный.
- Зинченко, В. М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки / В. М. Зинченко. – М. : Издательство МВТУ, 2001. – 303 с. – Текст : непо-средственный.
- Кальнер, В. Д. Чистота шихты и свойства конструкционной углеродистой стали / В. Д. Кальнер, С. А. Юрасов, В. В. Медведев, А. В. Сайкин. – Текст : непосредственный // Ав-томобильная промышленность. – 1987. – № 4. – С. 33–35.
- Качанов, Н. Н. Прокаливаемость стали / Н. Н. Качанов. – М. : Металлургия, 1978. – 192 с. – Текст : непосредственный.
- Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей: Спра-вочник / Под общей ред. В. Д. Кальнера. – М. : Машиностроение, 1984. – 463с. – Текст : непосредственный.
- Люты, В. Закалочные среды / В. Люты ; под ред. С. В. Масленкова ; пер. с польского. – Челябинск : Металлургия, 1990. – 192 с. – Текст : непосредственный.
- Малинкина, Е. И. Образование трещин при термической обработке стальных изделий / Е. И. Малинкина. – М. : Машиностроение, 1965.- 173с. – Текст : непосредственный.
- Международный стандарт ISO9950-1995 Промышленные закалочные масла. Определе-ние характеристик охлаждения. Метод испытания зондом из никелевого сплава. Пере-вод с немецкого,1 995. – 9 с. – Текст : непосредственный.
- Меськин, B. C. Основы легирования стали / B. C. Меськин. – М. : Металлургия, 1964. – 684 с. – Текст : непосредственный.
- Михлюк, А. И. Новый подход объемно-поверхностной закалке тяжелонагруженных зуб-чатых деталей мобильных машин / А. И. Михлюк. – Текст : непосредственный // Литье и металлургия. – 2010. – № 1(54). – С. 131–139.
- Термическая обработка в машиностроении: Справочник / Под ред. Ю. М. Лахтина. – М. : Машиностроение, 1980. – 783 с. – Текст: непосредственный.
- Фиргер, И. В. Термическая обработка сплавов: Справочник / И. В. Фиргер. – Л. : Маши-ностроение, Ленинградское отделение, 1982. – 304с. – Текст : непосредственный.
- Шепеляковский, К. З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индук-ционном нагреве / К. З. Шепеляковский. – М. : Машиностроение, 1972. – 288 с. – Текст : непосредственный.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)