Термическая обработка валов: влияние на прочность и износостойкость
Содержание
Введение
Термическая обработка представляет собой ключевой технологический процесс при производстве валов, определяющий их эксплуатационные характеристики. Современные методы термической обработки позволяют значительно повысить прочностные свойства и износостойкость валов, что напрямую влияет на надежность и срок службы механизмов, в которых они используются.
В данной статье рассматриваются основные методы термической обработки валов, их влияние на структуру материала и, как следствие, на механические свойства деталей. Особое внимание уделяется количественной оценке изменения параметров прочности и износостойкости в зависимости от выбранных режимов обработки, а также представлены практические примеры применения различных методов термообработки для конкретных типов валов.
Виды термической обработки валов
Закалка
Закалка является одним из наиболее распространенных методов термической обработки валов, позволяющим значительно повысить твердость и прочность материала. Процесс включает нагрев стали до температуры аустенизации (750-900°C в зависимости от марки стали) с последующим быстрым охлаждением.
| Марка стали | Температура закалки, °C | Охлаждающая среда | Достигаемая твердость, HRC |
|---|---|---|---|
| 40Х | 840-860 | Масло | 45-50 |
| 45 | 820-840 | Вода | 48-52 |
| ШХ15 | 840-860 | Масло | 62-65 |
| 30ХГСА | 880-900 | Масло | 48-52 |
Отпуск
Отпуск является обязательной операцией после закалки, направленной на снижение внутренних напряжений, повышение вязкости и регулирование уровня твердости. В зависимости от температуры различают низкий (150-250°C), средний (350-450°C) и высокий (500-650°C) отпуск.
Важно: Для валов, работающих в условиях циклических нагрузок, применение только закалки без последующего отпуска значительно повышает риск хрупкого разрушения из-за высоких внутренних напряжений.
Нормализация
Нормализация включает нагрев стали до температуры на 30-50°C выше точки Ac3 с последующим охлаждением на воздухе. Этот метод обеспечивает однородную мелкозернистую структуру, повышая пластичность при сохранении умеренной прочности. Нормализация часто применяется как предварительная обработка перед закалкой.
Поверхностная закалка
Для валов, подверженных интенсивному износу и контактным нагрузкам, часто применяют методы поверхностной закалки, обеспечивающие высокую твердость поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины:
- Индукционная закалка — метод, основанный на нагреве поверхностного слоя с помощью индуктора с токами высокой частоты;
- Лазерная закалка — обеспечивает локальное упрочнение за счет быстрого нагрева лазерным лучом и самоохлаждения;
- Химико-термическая обработка — включает диффузионное насыщение поверхностного слоя углеродом (цементация), азотом (азотирование) или одновременно углеродом и азотом (нитроцементация).
| Метод поверхностной закалки | Глубина упрочненного слоя, мм | Твердость поверхности, HRC | Особенности применения |
|---|---|---|---|
| Индукционная закалка | 1,5-5,0 | 50-60 | Высокая производительность, минимальные деформации |
| Лазерная закалка | 0,2-1,5 | 58-62 | Локальное упрочнение, минимальные деформации |
| Цементация | 0,8-2,0 | 58-62 | Высокая износостойкость, длительный процесс |
| Азотирование | 0,3-0,6 | 900-1200 HV | Высокая теплостойкость, минимальные деформации |
Влияние на механические свойства
Прочность
Термическая обработка оказывает существенное влияние на предел прочности (σв) и предел текучести (σт) валов. Эффект от различных видов термообработки для стали 40Х проиллюстрирован в следующей таблице:
| Вид термообработки | Предел прочности (σв), МПа | Предел текучести (σт), МПа | Относительное удлинение (δ), % |
|---|---|---|---|
| Отжиг | 700-750 | 420-470 | 17-22 |
| Нормализация | 780-880 | 540-590 | 15-18 |
| Закалка + высокий отпуск | 850-950 | 650-720 | 12-15 |
| Закалка + средний отпуск | 1000-1200 | 800-950 | 9-12 |
| Закалка + низкий отпуск | 1300-1600 | 1100-1300 | 7-10 |
Твердость и износостойкость
Между твердостью и износостойкостью существует прямая корреляция, однако эта зависимость не всегда линейна. Для большинства сталей, применяемых для изготовления валов, оптимальными являются следующие значения твердости:
- Опорные шейки валов: 45-55 HRC;
- Посадочные поверхности под подшипники: 58-62 HRC;
- Шлицевые соединения: 48-54 HRC.
Эмпирическая зависимость относительной износостойкости (ε) от твердости (HRC) для конструкционных сталей:
ε = 0,2 × HRC - 5,5 (при HRC > 35)
Сопротивление усталости
Для валов, работающих в условиях циклических нагрузок, ключевым параметром является предел выносливости (σ-1). Термическая обработка может значительно повысить этот показатель, однако при этом необходимо учитывать возможное снижение пластичности и вязкости.
Ориентировочная зависимость предела выносливости от предела прочности для конструкционных сталей:
σ-1 ≈ (0,40-0,45) × σв - для нормализованных сталей
σ-1 ≈ (0,35-0,40) × σв - для закаленных и отпущенных сталей
Примечание: Поверхностная закалка значительно повышает предел выносливости валов из-за формирования благоприятных сжимающих напряжений в поверхностном слое. Прирост может составлять 30-50% по сравнению с объемной закалкой.
Расчетные примеры и формулы
Расчет глубины закаленного слоя при индукционной закалке
Глубина проникновения тока высокой частоты (Δ) и, соответственно, глубина закаленного слоя зависит от частоты тока и электромагнитных свойств материала:
Δ = 503 × √(ρ / (μ × f)) [мм]
где:
ρ - удельное электрическое сопротивление материала, Ом·мм²/м
μ - относительная магнитная проницаемость материала
f - частота тока, Гц
Пример расчета: Для стали 45 при ρ = 0,18 Ом·мм²/м, μ = 100 и частоте f = 2500 Гц:
Δ = 503 × √(0,18 / (100 × 2500)) = 503 × 0,00268 ≈ 1,35 мм
Расчет твердости после закалки
Твердость стали после закалки (HRC) можно оценить по формуле И.П. Голякевича для углеродистых и низколегированных сталей:
HRC = 60 × %C × (1 - 0,005 × Dк)
где:
%C - содержание углерода в стали в процентах
Dк - критический диаметр прокаливаемости, мм
Пример расчета: Для стали 40Х (%C = 0,4) с критическим диаметром прокаливаемости Dк = 15 мм:
HRC = 60 × 0,4 × (1 - 0,005 × 15) = 24 × 0,925 ≈ 22,2 HRC
Расчет предела выносливости вала
Фактический предел выносливости (σ-1) вала с учетом технологических и конструктивных факторов определяется по формуле:
σ-1 = σ-1д × Kσ × KF × Kv × Kd
где:
σ-1д - предел выносливости гладкого образца, МПа
Kσ - коэффициент, учитывающий состояние поверхности
KF - коэффициент, учитывающий влияние формы вала
Kv - коэффициент, учитывающий влияние размера
Kd - коэффициент влияния технологии обработки
| Вид термообработки | Kd | Примечание |
|---|---|---|
| Нормализация | 1,0 | Базовое значение |
| Улучшение (закалка + высокий отпуск) | 1,2-1,4 | Зависит от марки стали |
| Поверхностная закалка ТВЧ | 1,5-1,8 | При глубине слоя 2-4 мм |
| Цементация + закалка | 1,8-2,2 | При глубине слоя 1-2 мм |
Практические примеры применения
Валы редукторов
Оптимальной термической обработкой для валов редукторов среднего размера из стали 40Х является улучшение (закалка + высокий отпуск) с достижением твердости 28-32 HRC. Для повышения износостойкости посадочных мест и шлицевых участков применяют локальную поверхностную закалку ТВЧ до твердости 48-55 HRC.
Результаты испытаний: Применение комбинированной термообработки (улучшение + поверхностная закалка) позволяет увеличить срок службы валов редукторов в 1,8-2,2 раза по сравнению с базовым вариантом улучшения.
Прецизионные валы станков
Для прецизионных валов станков из стали ШХ15 применяется закалка до твердости 62-64 HRC с последующим низким отпуском (160-180°C). Это обеспечивает высокую износостойкость и минимальные деформации в процессе эксплуатации. Критически важно контролировать остаточные напряжения после термообработки, т.к. они могут вызывать искривление валов в процессе окончательной шлифовки.
| Параметр | До обработки | После термообработки | Изменение, % |
|---|---|---|---|
| Твердость, HRC | 18-22 | 62-64 | +190 |
| Износостойкость, отн. ед. | 1,0 | 8,5-9,2 | +820 |
| Допуск на отклонение диаметра, мкм | ±25 | ±5 | -80 |
| Шероховатость Ra, мкм | 1,6-2,5 | 0,16-0,32 | -85 |
Коленчатые валы двигателей
Для коленчатых валов автомобильных двигателей из стали 45 или 42ХМФА применяют комбинированную термообработку: нормализацию или улучшение всей детали с последующей поверхностной закалкой шеек. Наиболее эффективным методом упрочнения является индукционная закалка до твердости 52-58 HRC на глубину 2-4 мм.
Эффективность поверхностной закалки шеек коленчатого вала по результатам стендовых испытаний:
- Увеличение ресурса до появления микротрещин: в 2,3-2,6 раза;
- Снижение интенсивности изнашивания: в 3,5-4,2 раза;
- Повышение контактной выносливости: в 1,8-2,1 раза.
Рекомендуемые режимы обработки
На основе анализа эксплуатационных условий и требований к механическим свойствам можно сформулировать следующие рекомендации по термической обработке валов различного назначения:
| Тип вала | Материал | Рекомендуемая термообработка | Целевые свойства |
|---|---|---|---|
| Валы общего назначения | Сталь 45, 40Х | Улучшение (закалка 840-860°C в масле + отпуск 550-600°C) | HB 220-260, σв = 750-850 МПа |
| Высоконагруженные валы | 40ХН, 30ХГСА | Улучшение + поверхностная закалка посадочных мест | Сердцевина: HB 240-280 Поверхность: HRC 50-55 |
| Прецизионные валы | ШХ15, 8ХФ | Закалка 840-860°C в масле + низкий отпуск 160-180°C | HRC 60-64, высокая размерная стабильность |
| Шлицевые валы | 40Х, 38ХМА | Улучшение + цементация шлицевой части | Сердцевина: HB 250-280 Поверхность шлицев: HRC 56-62 |
| Тяжелонагруженные валы | 38ХН3МФА | Двойная закалка + средний отпуск | HRC 38-44, высокая прочность и вязкость |
Контроль качества термообработки
Для обеспечения заданных механических свойств валов после термической обработки проводят следующие виды контроля:
Контроль твердости
Измерение твердости является обязательной операцией контроля валов после термообработки. В зависимости от размеров детали и требуемой точности могут применяться следующие методы:
- Метод Роквелла (HRC) — для измерения высокой твердости (более 20 HRC);
- Метод Бринелля (HB) — для измерения средней твердости (до 450 HB);
- Метод Виккерса (HV) — для прецизионных измерений, в том числе на малых участках.
Металлографический анализ
Для контрольных образцов-свидетелей проводят металлографический анализ для оценки структуры материала после термообработки. Ключевыми параметрами являются:
- Размер зерна аустенита;
- Количество и распределение остаточного аустенита;
- Структура и дисперсность мартенсита;
- Наличие структурных неоднородностей.
Допустимый уровень остаточного аустенита: Для прецизионных валов доля остаточного аустенита не должна превышать 10%, так как его присутствие в большем количестве может приводить к нестабильности размеров при эксплуатации.
Измерение остаточных напряжений
Для валов ответственного назначения проводят контроль уровня остаточных напряжений после термической обработки. Наиболее распространенными методами являются:
- Метод рентгеновской дифрактометрии;
- Метод магнитной анизотропии;
- Метод измерения деформаций при локальном удалении слоя материала.
Заключение
Правильно подобранные режимы термической обработки позволяют многократно повысить эксплуатационные характеристики валов, что напрямую влияет на надежность, долговечность и эффективность механизмов, в которых они используются. Выбор метода термообработки должен осуществляться на основе комплексного анализа условий эксплуатации, требуемых механических свойств и экономической целесообразности.
Современные технологии, такие как индукционная и лазерная закалка, позволяют получать оптимальное сочетание свойств: высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины, что обеспечивает высокую сопротивляемость как износу, так и усталостным разрушениям.
Применение комбинированных режимов термообработки с использованием предварительного улучшения и последующего поверхностного упрочнения является наиболее эффективным способом повышения эксплуатационных характеристик валов, работающих в условиях высоких нагрузок и интенсивного износа.
Источники
- Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. — М.: Металлургия, 2020. — 456 с.
- Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 2019. — 528 с.
- Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 2018. — 480 с.
- Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вяткин С.А. Марочник сталей и сплавов. — М.: Машиностроение, 2021. — 640 с.
- ГОСТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия.
- ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и не является руководством к действию. Приведенные данные и расчеты могут требовать корректировки с учетом конкретных условий эксплуатации изделий. Авторы не несут ответственности за возможные ошибки и неточности. Перед применением описанных методов термической обработки необходимо провести соответствующие расчеты и испытания для конкретных условий производства и эксплуатации.
Купить валы по выгодной цене
Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий выбор валов. Выберите необходимые компоненты для вашего проекта и приобретите их у нас с гарантией качества и надежной доставкой.
Заказать сейчасВы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.
