Скачиваний:   2
Пользователь:   byrish
Добавлен:   18.10.2015
Размер:   1.1 МБ
СКАЧАТЬ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12. Введение. Постановка задачи

 

 При работе в морской воде вращающихся гребных валов крупнотоннажных морских судов, в них возникают циклические напряжения, приводящие к коррозионно-усталостным повреждениям. Поэтому, учет качества поверхности, его упруго-напряженного и структурно-химического состояния, формирующиеся в результате предшествующей обработки (учет технологической наследственности) или в процессе эксплуатации имеет важное значение.

Основополагающим принципом научно-исследовательской деятельности современной технологии машиностроения является научно-обоснованная комплексная разработка всей цепочки технологических процессов: от промышленного литья, производства и обработки заготовок, сварки до сборки и материаловедческого сопровождения готовых изделий в процессе эксплуатации. На каждом технологическом этапе определяются требования к обеспечению качественного изготовления материалов и изделий, все необходимые методики контроля.

Гребные валы современных крупнотоннажных судов имеют весьма большие габариты (диаметр основного тела 500—800 мм, длина 6—15 м), поэтому заготовки валов изготовляются индивидуально методом ковки из слитков. Для изготовления гребных валов применяются, как правило, мягкие углеродистые стали с временным сопротивлением в пределах 420…540 Мпа.

С увеличением габаритов заготовок возрастает их структурная и химическая неоднородность – формирование микрообластей обогащенных и обедненных легирующими элементами «защищающими» металл от коррозии. Поэтому для изготовления гребных валов применяют углеродистые и низколегированные конструкционные стали в термически улучшенном состоянии, а также малолегированные сплавы на основе титана «псевдо a – сплавы», содержащие вторую b– фазу в объеме до 10…15 % .

В связи с выпуском технических условий на поставку крупногабаритных поковок гребных валов из углеродистой стали (диаметром 500—900 мм) на крупнотоннажных судах новой постройки наиболее часто применяются стали категории прочности КМ-25. В соответствии с изложенным представляют интерес следующие марки конструкционных сталей в соответствии с ГОСТ 8536—57: сталь 35, сталь 45, сталь 20ГС, сталь 35ХНМА и сталь 38ХНМА, рекомендуемая новым стандартом (ГОСТ 8536—68) для изготовления крупных валов повышенных категорий прочности.  Среди сплавов на основе титана наиболее широкое применение в судостроении нашли отечественные марки ВТ-20, ПТ-3В, ВТ6, ПТ-5В.          

Цель данной работы – показать необходимость учета технологической наследственности при изготовлении крупногабаритных гребных валов с целью повышения надежности их работы при эксплуатации в условиях коррозионной усталости.

 

 

13. Учет влияния технологической наследственности для повышения надежности работы крупногабаритных гребных валов

13.1 Понятие технологической наследственности

Технологической наследственностью называется перенесение на готовое изделие в процессе его обработки погрешностей, механических и физико-химических свойств исходной заготовки или свойств и погрешностей, сформировавшихся у заготовки на отдельных операциях изготовления изделия.

Технологическая наследственность зависит не только от вида и режимов обработки, примененных на чистовой операции, Она может проявиться в изменении свойств или потере точности формы готовой детали при ее эксплуатации в результате воздействия тех или иных элементов состояния поверхностного слоя, созданных в поверхностном слое детали при ее черновой обработке.

 Проявление технологической наследственности может привести как к улучшению, так и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей машин. Для целесообразного использования явления технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей (усталостной прочностью, износостойкостью и др.) и режимами обработки заготовок при основных методах их изготовления.

Во многих случаях такие связи можно выявить с помощью математических зависимостей вида: состояние поверхностного слоя. Во многих случаях такие связи можно выявить с помощью математических зависимостей вида: состояние поверхностного слоя функция режима резания, эксплуатационная характеристика — функция состояния поверхностного слоя с их последующим совместным решением и установлением прямой связи (эксплуатационная характеристика — функция режима резания).

 Под технологической наследственностью при механической обработке понимают сохранение обработанным изделием свойств и погрешностей, присущих обрабатываемой заготовке. Например, при точении разнотолщинной литой заготовки без предварительного выравнивания ее толщины получаем разнотолщинную деталь.

Количественно технологическая наследственность характеризуется коэффициентом наследования, указывающим степень изменения определенного свойства заготовки после обработки. Например, коэффициент изменения шероховатости Rz2 после шлифования заготовки, полученной точением и имеющей шероховатость Rz1, будет равен Кt = Rz1/Rz2 , где 1 и 2 — порядковые номера операций.             

Технологическая наследственность может улучшать или снижать эксплуатационные свойства. Поэтому в каждом отдельном случае требуется изучение физических механизмов наследственности для управления ею. Так, наклеп в поверхностном слое жаропрочного сплава после чистовой обработки возрастает, что объясняется суммированием новых дислокации с имевшимися.

Для предотвращения чрезмерного упрочнения поверхности детали, перед ее обработкой необходимо провести предварительную термообработку заготовки с учетом последующей технологической наследственности ее дислокационной структуры.

Значительное влияние состояния поверхностного слоя деталей машин на их основные эксплуатационные свойства, а также вида и режимов механической обработки на отдельные характеристики состояния поверхностного слоя (высоту шероховатости, форму и направление неровностей, микротвердость поверхностного слоя, глубину распространения наклепа, величину, знак и глубину распространения остаточных напряжений) предопределяет зависимость эксплуатационных качеств деталей от технологии их механической обработки.

Ранее было показано, что важные эксплуатационные качества деталей (долговечность, плавность перемещений, длительность сохранения заданных конструктором точности и посадки, прочность, коррозионная стойкость, магнитные свойства, способность к теплопередаче и теплоизлучению и др.) зависят не только от конструктивных форм и точности изготовления деталей, состава и структуры их материала и его механических качеств, но и от отдельных характеристик состояния поверхностного слоя, сформировавшихся в металле в процессе механической обработки.

Изменение видов и режимов механической обработки оказывает воздействие на отдельные характеристики состояния поверхностного слоя, а соответственно и на эксплуатационные свойства деталей. В этом смысле уместно говорить о существовании технологической наследственности состояния поверхностного слоя и определяемых им эксплуатационных свойств деталей от отдельных технологических операций и всего технологического процесса их изготовления. Влияние технологической наследственности следует использовать непосредственно для расчетов режимов резания, обеспечивающих достижение заданных конструктором эксплуатационных характеристик.

В некоторых случаях установление математических зависимостей «режим обработки — характеристика состояния поверхностного слоя — эксплуатационные свойства» осложняется тем, что изменение режима обработки может одновременно вызывать улучшение эксплуатационных свойств и их ухудшение (например, при увеличении глубины шлифования возрастает высота неровностей, что приводит к увеличению износа и одновременно повышается степень наклепа, уменьшающая износ). В подобных случаях зависимости эксплуатационных свойств от режимов резания приобретают экстремальный характер, определяя оптимальные режимы обработки наименьшими (для износа) или наивысшими (для усталостной прочности) значениями эксплуатационных свойств. При этом, для использования технологической наследственности (с целью повышения долговечности деталей или улучшения других эксплуатационных характеристик путем назначения рациональных видов и режимов обработки заготовок) необходимо экспериментально устанавливать прямые зависимости между отдельными эксплуатационными характеристиками и режимами или видами их обработки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Физико-механические свойства сплавов титана

 

Сплавы на основе титана сочетают хорошую коррозионную стойкость, высокий комплекс механических свойств и малую плотность, что делает их перспективными для использования в различных отраслях народного хозяйства. Однако сложность производства полуфабрикатов и изделии (обработка давлением, резанием и др.) и необходимость использования энергоемкого оборудования (для горячей деформации, термической обработки в защитной атмосфере и вакууме) значительно повышает себестоимость готовой продукции из титановых сплавов и ограничивает области их применения. Поэтому повышение конкурентоспособности титановых сплавов по сравнению с традиционными конструкционными материалами возможно только за счет разработки и внедрения новых технологических процессов обработки,   позволяющих одновременно снизить стоимость производства полуфабрикатов и изделий и повысить комплекс их механических и эксплуатационных свойств.

Титан и его сплавы занимают одно из ведущих мест среди конструкционных материалов. Уникальное сочетание высокой удельной прочности и вязкости разрушения, коррозионной стойкости, немагнитности и высокой температуры плавления - определили их широкое применение в различных областях машиностроения. Однако титан имеет и свои специфические особенности, к которым, прежде всего, относится его полиморфизм и высокая чувствительность низкотемпературной  модификации к концентраторам напряжений, что, вероятно, обусловлено анизотропией ее ГПУ-решетки и, следовательно, анизотропией упругих и диффузионных свойств, а также, низкой теплопроводностью. Известно, что внутренние напряжения в металлах, вызванные градиентом температуры, пропорциональны отношению коэффициента термического расширения к теплопроводности. Для Ti,Hf,Zr (с ГПУ-решеткой), эти отношения оказываются на порядок выше, чем  в меди (с ГЦК) или молибдене (с ОЦК-решеткой).

   На текущем этапе, проблема создания материалов из титановых сплавов с заданными свойствами успешно решается благодаря трудам ведущих организаций страны в этой области: ВИАМа, ВИЛСа, МГТУа, МГАТУа, ИМЕТа, ЦНИИ КМ Прометей, ЦНИИМа. По вопросам теории и технологии термической обработки, деформирования, общим вопросам металловедения, свойствам титановых сплавов опубликовано значительное количество статей и монографий, свидетельствующих о сложности и разнообразии фазовых и структурных превращений. Это обусловлено, прежде всего, большим количеством метастабильных фаз, образующихся при нагреве и последующем охлаждении. Многие вопросы, связанные с механизмом и кинетикой a«b - превращения, образованием и распадом метастабильных фаз, по-прежнему остаются дискуссионными.

Во многих работах намеренно отклоняется вопрос об особенностях структурообразования и фазовых превращений в условиях металлургического передела (прокатки, ковки, штамповки и др.) промышленных сплавов титана, особенно крупногабаритных. Тем не менее, известно, что большая пластическая деформация в силу низкой теплопроводности титана, вызывает температурную и деформационную неоднородность по сечению полуфабрикатов. Это обусловливает возникновение концентрационной неоднородности и развитие структурно-фазовых превращений в объеме деформированных заготовок. Такая структура усиливает разброс результатов механических испытаний.

Таким образом, металлургический передел сплавов на основе титана, обладающих наряду с их уникальными положительными физико-механическими свойствами и специфическими: низкой теплопроводностью, анизотропией кристаллической решетки, а также анизотропии упругих и диффузионных свойств - безусловно налагает свой отпечаток на структурно-фазовые превращения. Поэтому при создании современных конструкционных титановых материалов с заданными свойствами, видимо, необходимо использовать комплексный подход с учетом всех производственных факторов и специфических особенностей самого двухфазного сплава: учет температурно-временных, температурно-деформационных, кристаллогеометрических факторов, влияющих на структурно-фазовое состояние сплава.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Влияние габаритов, циклических напряжений и морской воды на коррозионно-усталостную прочность материала гребного вала

 

2.3.1 Влияние масштабного фактора

 

Ввиду того, что гребные валы крупнотоннажных судов имеют размеры, значительно превышающие размеры образцов, применяемых для лабораторных исследований, для суждения о прочности гребного вала в местах посадки ступицы или облицовки чрезвычайно важно знать закономерности изменения характеристик выносливости в связи с абсолютными размерами.

Образцы с насажанными втулками значительно чувствительнее к масштабному эффекту по сравнению с гладкими образцами или образцами с острыми надрезами. Поэтому при исследованиях прочности осей автомобильного и железнодорожного транспорта, часто разрушавшихся в зонах посадки колесных дисков, существовала тенденция испытывать образцы и модели осей возможно большего размера, часто даже в натуральную величину. Обобщение результатов испытаний различных   авторов   позволило С. В. Серенсену и независимо от него Леру построить  предположительную диаграмму эффективных коэффициентов концентрации при напрессовке в зависимости от диаметра оси (вала)[26]. Учет масштабного эффекта с помощью подобной зависимости эффективных коэффициентов концентрации рекомендуется справочными пособиями по расчету и конструированию валов и осей. В последние годы зависимости усталостной прочности валов с насажанными деталями от абсолютных размеров уделяется  большое внимание японскими исследователями и, в частности, применительно к усталостной прочности гребных валов.

 На рис.1 произведено сопоставление   абсолютных значений пределов выносливости в зависимости от диаметра вала при изгибе образцов с насажанными втулками по результатам испытаний различных авторов. Несмотря на значительный разброс экспериментальных точек, обусловленный различиями примененных схем испытаний, материалов образцов и втулок, геометрических параметров втулок, способов формирования соединений, величины натяга, качества подготовки поверхностей под насадку, все же отчетливо выявляется общая зависимость усталостной прочности от диаметра образца с насажанной деталью.

Произведенное сопоставление показывает, что влияние масштабного фактора на предел выносливости образцов валов с напрессованными втулками проявляется незначительно при размерах валов от 150 мм и выше. В связи с этим при определении допускаемых напряжений в гребных валах несомненную ценность представляют усталостные испытания крупногабаритных образцов, проведенные Ходжером, Нейфертом и Робинсоном [26].

 

 

Содержание(вал)

Рис.1 Зависимость ограниченного предела усталости при изгибе стальных образцов  с  насажанными деталями от диаметра вала

Многие исследователи, отмечая сложность процесса разрушения при циклическом нагружении и одновременном действии фретинга (трения), просто констатируют, что снижение усталостной прочности объясняется совместным действием факторов концентрации напряжений и явлений контактного трения, не анализируя при этом каждый из факторов и не рассматривая физики и механики процессов зарождения трещин.

Анализ натурных повреждений гребных валов, экспериментальных данных по испытаниям образцов на усталость в контакте с сопряженными деталями, в том числе новых данных, полученных авторами, позволяет уточнить существовавшие представления о механизме разрушения валов с насаженными деталями.

Прежде всего, подтверждается несостоятельность гипотезы том, что при действии фретинга усталостное разрушение в воздушной атмосфере приобретает коррозионно-усталостный характер и можно, якобы, предполагать эквивалентность влияния фретинг-коррозии и жидкой коррозионно-агрессивной среды. Металлографические исследования и анализ изломов образцов, испытанных насадками в воздухе, показали, что развивающиеся трещины имею де типично усталостную природу без признаков коррозионно-усталостного разрушения. При испытаниях в аргоне и вакууме было обнаружено, что и в нейтральной среде, т. е. при чрезвычайно ограниченном химическом взаимодействии металла с окружающей средой, происходит значительное снижение сопротивляемости стального образца циклическим нагрузкам под влиянием  контактного воздействия сопряженной детали.                

Наконец, если бы химическим процессам принадлежала решающая роль в снижении выносливости образцов с насадками, то масштабный эффект должен был бы проявляться так, как это имеет место в коррозионной среде, т. е. выносливость стали повышалась бы и при увеличении диаметра. На самом же деле увеличение абсолютных размеров образцов при испытаниях с насадками ведет к снижению выносливости как для углеродистой, так и для легированной стали. Таким же образом проявляется масштабный эффект при испытаниях образцов в воздухе с геометрическими концентраторами напряжений.                                  

К настоящему времени имеется, на наш взгляд, достаточно количество экспериментальных данных, которые не позволяют считать и механический износ первопричиной усталостного разрушения валов с насадками. Так, еще опытами Варлоу-Девиса было показано, что уменьшение поперечного сечения образца и поверхностные каверны в результате предварительного фретинга привели к потере усталостной  прочности всего на 18%  у легированной стали и на 13% у углеродистой, тогда как при испытаниях на усталость образцов с насаженными втулками выносливость падает на 40-70% и более [26].

Феннер и Филд  получили гораздо меньший эффект снижения усталостной прочности при пульсирующем растяжении образцов из алюминиевого сплава в случае применения зажимов из абразивного материала по сравнению с зажимами из мягкого алюминиевого сплава, несмотря на то, что поверхностный износ и количество размельченных продуктов фретинга были намного больше в первом случае[26]. Даже под микроскопом невозможно было обнаружить углубление, которое могло бы стать источником повышенной концентрации напряжений.                                

Филлипс установил, что усталостные трещины при лабораторных испытаниях образцов с насадками и в натурных условиях часто начинаются не в местах наибольших углублений, а вблизи края  поврежденной поверхности[26]. Случаи возникновения трещин не по дорожке трения, а вблизи нее отмечались и в работе Степанова[26].

Усталостная прочность не имеет прямого отношения к размерам повреждений от фретинг-коррозии или износа. Так, увеличение натяга уменьшает в большинстве случаев степень поверхностной пораженности образца, но не приводит к увеличению усталостной прочности.

Необоснованность концепции Кюнеля о преобладающем действии ступицы как надреза отмечена в исследовании  и др. В. В. Кулешов доказывает, что взгляды Кюнеля неправильно отражают физику и механику явления [26].

Наиболее правильной представляется отмеченная А.В.Рябченковым и О. Н. Муравкиным возможность проявления влияния фретинга на усталостную прочность через поверхностные усталостные трещины, образующиеся при циклическом трении [26].

Опыты Феннера и Филда показали, что, несмотря на видимые повреждения поверхности, выносливость образцов, которые предварительно испытывали в течение некоторого числа циклов с зажимами, а затем без зажимов, мало отличается от выносливости идентичных образцов без зажимов, если не достигнута критическая стадия испытаний [26]. После достижения критической стадии дальнейшее нагружение приведет к разрушению образцов при одинаковой долговечности независимо от того, будут, сняты зажимы или нет.

Феннер и Филд считают, что поверхностные микротрещины образуются в процессе повторной сварки (схватывания) и смещения поверхностей при фретинге, а при достижении критической стадии испытаний поверхностные усталостные трещины распространяются в область материала образца, расположенную вне зоны влияния зажимов [26].

Решающая роль поверхностных микротрещин, вызванных циклическим относительным скользящим движением малой амплитуды на границе между двумя твердыми телами, прижатыми друг к другу, в снижении усталостной прочности подтверждается, экспериментами Коллинза, показывающими, что уровень снижения усталостной прочности зависит не только от длительности и интенсивности процесса фреттинга, но и от напряженного состояния, созданного на дне поверхностных микротрещин.

Проведенные авторами исследования дают возможность предложить следующее объяснение механизма разрушения образцов (валов)  насаженными деталями при циклических нагрузках.

 Фактическая площадь соприкосновения сопряженных поверхностей зависит от их микрорельефа, обусловленного, в свою очередь, способом обработки поверхности, свойств материала и величины контактного давления. Даже хорошо пригнанные поверхности соприкасаются лишь в отдельных точках или контактных пятнах. Так по данным, фактическая площадь соприкасания в бесшпоночном коническом соединении со средним диаметром 200 мм даже при шлифованных поверхностях и прессовой посадке составляет не более 30%. Поэтому передача циклической нагрузки путем трения осуществляется не всей поверхностью соединения, а отдельными сопрягаемыми участками (контактными пятнами).

Можно полагать, что усталостная прочность образца с насаженной деталью определяется уровнем локальных переменных напряжений, концентрирующихся у края контактного пятна при приложении к образцу циклической нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.2 Влияние коррозионной усталости

 

Гребные валы современных крупнотоннажных судов имеют весьма большие габариты (диаметр основного тела 500—800 мм, длина 6—15 м), поэтому заготовки валов изготовляются индивидуально методом ковки из слитков. Применение же стального проката ограничено диаметром 150—200 мм.

В зарубежном судостроении для изготовления гребных валов торговых судов применяются, как правило, мягкие углеродистые стали с временным сопротивлением в пределах 420…540 Мпа.

Для применения более прочных сталей требуется специальное разрешение соответствующего классификационного общества. Для изготовления гребных валов военных кораблей, ледоколов и других применяют низколегированные конструкционные стали в термически улучшенном состоянии. В отечественном судостроении до недавнего времени применение сталей повышенной прочности не ограничивалось, а марка стали по заданной конструктором категории прочности выбиралась заводом-изготовителем поковок (ГОСТ 8536—57). Применение же углеродистых сталей для изготовления крупногабаритных гребных валов искусственно сдерживалось, так как в стандарте на заготовки судовых валов отсутствовали гарантированные нормы для поковок из углеродистой стали диаметром более 500 мм. В связи с этим гребные валы для отечественных крупнотоннажных транспортных судов изготовлялись из легированных конструкционных сталей категорий прочности КТ-36 и КМ-25.

В связи с выпуском технических условий на поставку крупногабаритных поковок гребных валов из углеродистой стали (диаметром 500—900 мм) на крупнотоннажных судах новой постройки наиболее часто применяется сталь 35 категории прочности КМ-25. В соответствии с изложенным представляют интерес следующие марки конструкционных сталей: сталь 35, сталь 20ГС, сталь 35ХНМА и сталь 38ХНМА, рекомендуемая новым стандартом (ГОСТ 8536—68) для изготовления крупных валов повышенных категорий прочности.            

В качестве сред, моделирующих морскую воду при проведении лабораторных коррозионных испытаний, различными исследователями наиболее часто применяется 3%-ный раствор хлористого натрия в пресной водопроводной воде либо синтетическая морская вода, близкая по содержанию основных солей к воде океанского состава.

Специальные сравнительные коррозионно-усталостные испытания образцов из стали 35 в синтетической воде составов Черного моря и Мирового океана, а также в 3%-ном растворе NaCl показали достаточно близкое совпадение значений долговечности для всех исследованных коррозионных сред в широком интервале рабочих напряжений.

  При конструировании изделия на заданный срок службы необходимо располагать данными по усталостной долговечности конструкционных материалов при задаваемом напряжении на базе, соответствующей сроку службы по числу циклов изменения напряжений. Гребной вал современного крупнотоннажного судна только в течение одного года эксплуатации совершает 30—40 млн. оборотов. Даже если считать, что в течение одного оборота происходит всего одна циклическая смена напряжений, то за 20—25лет эксплуатации судна вал наработает 6—10 • 108 циклов. Совершенно ясно, что получить усталостные характеристики материалов на такой базе в лабораторных условиях практически невозможно. При нагружении испытуемого образца с частотой 300 циклов в минуту только для получения одной экспериментальной точки на базе 10е циклов потребовалось бы 240 суток непрерывной работы испытательной установки.

Отсутствие достаточного количества усталостных машин и высокая стоимость испытаний вынуждают исследователей проводить испытания на ограниченной базе. Поэтому характеристики выносливости конструкционных сталей определялись в атмосфере воздуха на базе 10 • 10е циклов, а в 3%-ном растворе поваренной соли — на базе 50 • 10е циклов.

Изучению сопротивляемости конструкционных сталей одновременному воздействию циклических нагрузок и коррозионной среды посвящен ряд исследований, в результате которых установлены основные закономерности коррозионно-усталостного процесса. Однако большинство лабораторных испытаний проводилось на образцах малого диаметра (5—12 мм). В то же время в работах, опубликованных ранее, было показано, что влияние масштабного фактора на коррозионно-усталостную прочность сталей количественно и качественно изменяется в зависимости от базы циклического воздействия и агрессивности окружающей среды. Так, если при малых базах испытания предел усталости выше у гладких образцов меньшего размера, то при больших базах усталостная прочность конструкционной стали в коррозионно-агрессивной среде тем выше, чем больше диаметр образца.

Поэтому применительно к гребным валам значительный интерес представляет изучение предельных напряжений, которые могут выдерживать без разрушения крупногабаритные образцы на большой базе испытаний в коррозионной среде, моделирующей морскую воду.

Нельзя рассматривать, конечно, как нормальное явление работу конструкционной стали гребного вала в контакте с морской водой. Чтобы не допустить такого контакта, предусматриваются все меры гидрозащиты от сплошных бронзовых облицовок и уплотнительных колец до заполнения всех внутренних полостей техническим жиром. Но поскольку случаи проникновения морской воды через уплотнительные устройства и разрушенную гидроизоляцию далеко не единичны, проведение дорогостоящих коррозионно-усталостных испытаний с целью установления работоспособности гребных валов в условиях, близких к аварийным, эксплуатационным представляется не только целесообразным, но и необходимым.

На основании имеющихся к настоящему времени сведений по коррозионно-усталостным испытаниям конструкционных сталей качественную картину изменения выносливости гладких образцов из конструкционной стали в морской воде в зависимости от базы циклического воздействия и диаметра можно представить следующей схемой (рис.2).

Содержание(вал)

Рис.2 Схема изменения коррозионно-усталостной прочности конструкционной стали в зависимости от длительности испытания и диаметра    образца

 

При малых базах циклического воздействия наблюдается обычное отрицательное влияние масштабного фактора, что объясняется малой ролью коррозионных процессов при малой длительности испытания. С увеличением базы испытаний влияние коррозионно-агрессивного фактора усиливается, причем тем больше, чем меньше диаметр образца, поскольку у малых образцов больше отношение ослабленного коррозией поверхностного слоя к неослабленному сечению. Поэтому у больших образцов темп падения

циклической прочности с увеличением числа циклов (превышающий вначале темп падения прочности малых образцов) постепенно замедляется и на некоторой базе происходит пересечение кривых усталостной прочности образцов малого и большого размеров. В результате оказывается, что в зависимости от уровня рабочих напряжений более выносливым может оказаться образец любого размера. При самых высоких напряжениях (Содержание(вал)на рис.2) больше всего циклов выдерживает образец самого малого диаметра, при некотором напряжении Содержание(вал) самыми выносливыми будут образцы средних диаметров и, наконец, при низких напряжениях Содержание(вал), чем меньше диаметр образца, тем скорее разрушится он в коррозионной среде.

Такая зависимость коррозионно-усталостной прочности показывает неправильность оценки сопротивляемости разрушению натурных валов по результатам лабораторных испытаний малых образцов. Сложившееся мнение о возможности коррозионно-усталостного разрушения вала при любых самых малых циклических нагрузках основано лишь на испытаниях образцов малого диаметра и не подтверждается результатами испытаний крупногабаритных образцов.

    Обобщение результатов проведенных исследований показывает, что при длительном циклическом нагружении в коррозионной среде разные конструкционные стали независимо от марки, состава, способа изготовления (ковка, прокат), термической обработки обладают примерно одинаковой несущей способностью, т. е. преимущества легированных сталей повышенных категорий прочности в этих условиях не реализуются. Поэтому, если при проектировании гребного вала допускается возможность его работы в контакте с морской водой, величину допускаемых напряжений при применении сталей повышенной прочности не следует увеличивать по сравнению с мягкой сталью категорий прочности КП или КМ-25. Это означает, что независимо от марки применяемой стали и ее статической прочности для обеспечения равной долговечности необходимо устанавливать вал одинакового поперечного сечения. Следовательно, в таких условиях применение более дорогих легированных сталей становится практически бесполезным и экономически невыгодным. Необходимо отметить, что данное суждение нашло отражение в новых Правилах Регистра СССР. В расчетной формуле диаметра гребного вала исключен поправочный коэффициент, допускавший ранее повышенный уровень напряжений для более прочных сталей. Наилучшим способом реализации преимуществ высокопрочных сталей является надежная защита гребного вала от контакта с морской водой.

Содержание(вал)

Рис.3 Сравнительная диаграмма коррозионной стойкости титана и некоторых сплавов в неподвижной синтетической морской воде (длительность испытания 83 дня)

 

Как видно из рис.3 коррозионная стойкость сплавов титана в синтетической воде в 15 раз превышает углеродистые стали и спец. стали, в 4 раза сплавы на основе меди.

В тех случаях, когда конструкция гидроизоляции допускает возможность проникновения воды к стальной поверхности, рекомендуется с целью повышения сопротивляемости стали коррозионно-усталостному разрушению производить упрочняющую обработку поверхности, создающую остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое. Одним из наиболее эффективных методов упрочнения применительно к крупногабаритным гребным валам считается обкатка поверхности вала роликами. При этом существует мнение, что применение обкатки дает возможность реализовать преимущества высокопрочных сталей и в коррозионной среде.               

 

Исходя из изложенного литературного обзора, можно сделать следующие выводы.

1. Усталостная прочность конструкционных сталей, применяемых для изготовления гребных валов крупнотоннажных судов, при (воздействии коррозионно-агрессивной среды на большой базе испытаний (более 50*106 циклов) практически не зависит от уровня прочности и предела выносливости в воздухе. Поэтому, если конструкция гидроизоляции и  гидроуплотнений гребного вала допускает возможность его работы в контакте с морской водой, то допускаемые напряжения при применении сталей повышенных категорий прочности (КТ-36) не следует увеличивать по сравнению с мягкой сталью (КМ-25).

2. Уровень коррозионно-усталостной прочности конструкционных сталей, определяемый при испытании крупногабаритных образцов, на достаточно большой базе выше получаемого при испытании образцов меньшего размера.

3. Чувствительность к надрезу конструкционных сталей возрастает с увеличением их прочности. При наличии в конструкции геометрических концентраторов напряжений предельной остроты стали повышенных категорий прочности практически не имеют преимуществ перед мягкой углеродистой сталью.

14. При наличии острых концентраторов усталостная прочность крупно габаритных стальных валов в обычных атмосферных условиях может быть значительно ниже их усталостной прочности в морской воде. Снижение отрицательной роли острых концентраторов в результате воздействия коррозионно-агрессивной среды может сохраниться до значительной базы циклического воздействия, соизмеримой со временем работы гребных валов в условиях эксплуатации.

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Технологические меры повышения долговечности гребных валов

2.4.1 Характеристики технологических методов упрочнения поверхности

Существуют стандартные технологические методы упрочнения поверхностей деталей машин: упрочнение пластическим деформированием, закалкой, цементацией, азотированием и цианированием (табл.1).

Таблица№ 1.

Характеристики технологических методов обработки поверхностного слоя

Методы обработки и способы нанесения покрытий

Твердость или степень упрочнения

Толщина модифицированного слоя, мкм

Максимальные напряжения, МПа

Шероховатость, Ra, мкм

Назначение и условия обработки

 

1. Упрочнение поверхностным пластическим наклепом

 

Обработка дробью (стальными шариками диаметром 0,5…1,5 мм)

50…55 HRC,

 

упрочнен 20…50%

 

200...700

 

200…750

 

16…2,5

Повышение усталостной прочности

 

 

Роликовая обработка

 

100..15000

 

500…700

 

1,25..0,04

Повышение усталостной прочности и износостойкости

 

2. Поверхностная термическая обработка

 

Поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

для сталей > 0,4% С

 

40…70 HRC,

 

200…

…10.000

 

300…800

не изменяется

 

Повышение усталостной прочности и износостойкости

 

Закалка с нагревом газовым пламенем

40…70 HRC,

500…

…10.000

 

300…800

ухудшается

 

3. Химико-термическая обработка

 

Цементация

2 СО Û СО2 + Сатомарн

окись углерода Û углекисл. газ

900…950°С, 10…20 ч., +

т/о (закалка + н.о.)

– газовая (углеводороды)

– твердая

(древесный уголь, пасты)

– жидкая (керосин)

 

58…62 HRC,

 

100...2000

 

400…800

 

не изменяется

Повышение износостойкости

сталей 0,1…0,3 %С

 

 

 

 

 

Науглероживание до 1%

 

Азотирование

 

2 NН3 ® 2 Nатомарн + 3 Н2

аммиак

500…600°С, 20…60 ч.

30 HRC (чист. Fe)

120 HRC (легир ст Al, Cr, Mo, V)

 

10...650

 

400…800

не изменяется

Повышение износостойкости

– т/о (улучшение)

–механ. обработка

– азотирование

–тонкое шлифован.

 

Методы обработки и способы нанесения покрытий

Твердость или степень упрочнения

Толщина модифицированного слоя, мкм

Максимальные напряжения, МПа

Шероховатость, Ra, мкм

Назначение и условия обработки

 

Газовое цианирование

(нитроцементация)

2 NН3 ® 2 Nатомарн + 3 Н2

25% аммиака + 75% цементующего газа  ®  Сатомарн

800…850°С, до 5 ч.

т/о (закалка + н.о.)

55…57 HRC,

400...500

400…800

не изменяется

Повышение износостойкости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.2 Характеристики технологических методов защиты поверхности

 

На долговечность гребного вала в значительной степени оказывают влияние технологические факторы. Недостаточная чистота, риски, царапины, надрезы, плохое прилегание сопрягаемых поверхностей ступицы и облицовки с валом приводят к снижению усталостной прочности гребных валов. В особенности тщательность обработки вала должна соблюдаться в районе подступичной части, под концом кормовой облицовки, а также между торцами ступицы и  облицовки. Чистота поверхности конуса должна быть 7 кл., а в промежутке между торцами ступицы и облицовки 8кл. - 9кл.

Уменьшение фреттинга под ступицей со стороны большого основания конуса можно достигнуть за счет увеличения площади контакта между ступицей и валом. Чем больше площадь прилегания, тем меньше будут напряжения в пятнах контакта и тем меньше будет возможность возникновения усталостных трещин у границ пятен. По нашему мнению, для гребных валов диаметром более 400 мм прилегание ступицы и вала в районе большого основания конуса на длине 200—300 мм должно быть не менее четырех пятен на площади 25х25 мм.

Как показали исследования, усталостная прочность валов с напрессовками может быть значительно повышена применением в сопряжении лаковых пленок. Весьма благоприятно сказывается на прочности вала сочетание упрочняющей накатки подступичной части с лаковым покрытием. В работе для получения лаковой  пленки  использовали клей (лак) ВДУ-3 и эластомер ГЭН-150, которые обеспечивают создание прочной пленки с хорошей адгезией к металлу. Были испытаны в составе прессовых соединений при круговом изгибе образцы диаметром  60, 90 и 178 мм.

 При изготовлении образцов диаметром 30 мм посадочную поверхность обезжиривали ацетоном и покрывали лаком ВДУ-3 с помощью кисточки. После полимеризации первого слоя в течение 30 мин при температуре 100-120°С и остывания образца наносили второй слой с последующей полимеризацией при температуре 140—150° С в течение часа. При изготовлении образцов, имеющих покрытие с присадкой дисульфид-молибдена, посадочную поверхность образца покрывали пастой, состоящей из 65% растворенного лака ВДУ-3 и 25% тонко измельченного порошка дисульфид-молибдена, Лаковые покрытия наносили на образцы диаметром 90 и 178 мм методом напыления на токарном станке краскораспылителем марки КР-10.

В качестве растворителя лака ВДУ-3 применяли специальный состав: 50% ацетона, 35% бутил ацетата и 15% толуола. На каждые 10 весовых единиц сухого лака ВДУ-3 брали 90 весовых единиц растворителя. Для растворения эластомера ГЭН-150 использовали состав: 50% ацетона и 50%. бутил ацетата. На 95 весовых единиц растворителя брали 5 весовых единиц ГЭН-150. Поверхность вала перед нанесением покрытия тщательно обезжиривали бензолом и  ацетоном. После нанесения лаковой пленки производили полимеризацию нагревали деталь до температуры 150—160°С с выдержкой при этой температуре 40—60 мин.

Анализ опытных данных и исследования поверхности испытанных образцов позволили  сделать выводы, что применение лаковых покрытий обеспечивает повышение усталостной прочности по  излому в зоне напрессованных деталей при диаметре образца 30 мм на 18—20%, 90 мм на 30—32% и 180 мм на 40%.. Было также замечено, что у образцов с лаковым покрытием резко снижалось выделение продуктов фретинг-коррозии; повреждения от фретинга были  значительно меньше как по величине площади, так и по глубине.

У образцов с нанесением в зоне сопряжения лакового покрытия с присадкой дисульфид молибдена после 14 • 106 циклов нагружений при расчетном напряжении 13 кгс/мм2 произошла самопроизвольная распрессовка образца, что явилось, очевидно, следствием снижения коэффициента трения при применении дисульфид молибдена.

Еще более эффективное повышение прочности валов в зоне напрессовок дает упрочняющая обкатка с последующим лаковым покрытием. Были испытаны  образцы диаметром 30 мм с упрочняющей накаткой подступичной поверхности, с накаткой и с лаковым покрытием. Для сравнения проведены также усталостные испытания контрольных образцов (обычная напрессовка) и образцов с лаковой пленкой. Проведенные испытания на базе 300 млн. циклов позволили сделать вывод, что применение лаковой пленки для образцов, упрочненных накаткой, обеспечивает дополнительное повышение усталостной прочности примерно на 20%. При этом предел выносливости накатанных образцов с лаковой пленкой составил 18,5 кгс/мм, накатанных — 15,5 кгс/Содержание(вал), с лаковой пленной — 12,7 кгс/мм2 и контрольных — 10,3 кгс/мм2.

Валопровод судов типа «Бежица» подвержен крутильным колебаниям, вследствие чего конуса гребных валов весьма часто имеют повреждения из-за фретинг-коррозии. Во избежание этого на теплоходе «Брянский рабочий» под руководством ЦНИИТС была занесена лаковая пленка ГЭН-150 на конус гребного вала диаметром 510 мм. Поверхность конуса вала перед нанесением пленки была очищена и тщательно обезжирена ацетоном и спиртом. Эласто-мер ГЭН-150 наносили на конус вала при его вращении со скоростью 12,5 об/мин, краскораспылителем марки С-765 с диаметром сопла 1,8 мм. Состав наносили в четыре слоя с промежуточной сушкой в течение 10—15 мин. Полимеризацию пленки производили при температуре 160°С с помощью переносной электронагревательной печи, которую подключали через трансформатор ТСД-1000 при силе тока 1000А  и напряжении 75 В. Поверхность пленки была ровной и глянцевой. Толщина ее, измеренная прибором ИТП-1, составила 25—27 мкм. Гребной винт был насажен на вал, и судно находится в эксплуатации до очередного освидетельствования.

С целью уменьшения фретинг-коррозии между бронзовой облицовкой и валом, создания условий для гашения вибрационных и динамических нагрузок И. А. Елин считает перспективным замену горячей насадки облицовки на валу формированием соединения с помощью клеевой полимерной композиции. В 1962 г. таким образом была осуществлена насадка облицовки на гребной вал буксира «Шахтер». В 1965 г. были опубликованы данные об опытной насадке бронзовой облицовки на стальной вал диаметром 300 мм, длиной 2,8 м с помощью клеевой композиции на основе эпоксидной смолы Araldit SW-404 (режим отверждения: 20—25е С в течение      4-5 ч). Насадка облицовки на вал производилась с зазором 1,5—2,5 мм, который заполнялся клеевой полимерной ком позицией под высоким давлением, благодаря которому обеспечивался необходимый натяг облицовки на валу. Такой метод насадки облицовок на гребные валы позволяет производить механическую обработку сопрягаемых поверхностей с точностью ±0,5 мм, обеспечивает дополнительную защиту вала от коррозии, а также исключает необходимость применения больших нагревательных устройств для горячей насадки или мощных прессов для напрессовки.

Таблица№2

Характеристики металлизации поверхности

Методы обработки и способы нанесения покрытий

Твердость или степень упрочнения

Толщина модифицированного слоя, мкм

Максимальные напряжения, МПа

Шероховатость, Ra, мкм

Назначение и условия обработки

Алитирование

твердое (950-1000°С, 4-10 ч.)

Al, AlFe, хлористый аммоний

(порошок)

жидкое (750-800°С, 1…1,5 ч)

Al + (7…8%)Fe (расплав)

газовое (1000°С, 2 ч.)

AlСl3 ® Al + ­Сl2

хлористый алюминий

 

 

50 HRC,

 

100...2000

 

200…300

 

300…400

 

ухудшается

 

 

Повышение износостойкости, сопротивление эрозии, коррозии, жаростойкости

Хромирование

65% – CrFe (феррохром)

   30% – глинозем

5% – хлористый аммоний

CrСl2 ® Cr + ­Сl2

хлористый хром

Твердое (1050…1150°С, 12-15 ч.)

Т/О (Зак.+Н.О.)    –

 

100…200HV

 

20…25

HRC,

 

125…130

 HRC,

 

20...200

 

 

ухудшается

Силицирование

(950…1050°С, 2 ч.)

через печь пропускают пары хлористого кремния

SiСl4 ® Si + ­2Сl2

30 HRC,

100…125HV

50...200

 

не изменяется

Борирование

(930…950°С, 2…6 ч.)

из расплава буры  Na 2В4О7

200 HRC, 225…325HV

1...350

 

не изменяется

4. Ионно-лучевая обработка

Ионное легирование (имплантация)

 

0,01…10

 

не изменяется

Повышение сопротивления коррозии, эрозии, усталости, износостойкости

5. Лазерная обработка

Термообработка

 

10..1000

 

ухудшается

 

2.4.3 Роликовая и шариковая обработка гребных валов

 

Одним из наиболее эффективных и технологически доступных средств повышения циклической прочности и надежности гребных валов является холодная обкатка поверхности. Наряду с упрочнением накатывание улучшает качество поверхности и износоустойчивость. Расходы на накатывание не идут ни в какое сравнение с технико-экономическим эффектом повышения эксплуатационной долговечности и надежности обкатанных деталей.       

Обкатыванием роликами и шариками пользуются не только для упрочнения поверхностного слоя, но и для улучшения шероховатости и геометрической формы поверхностей. Пластическая деформация осуществляется путем обкатывания обрабатываемой поверхности деформирующим элементом (роликом или шариком).

Существующие способы можно классифицировать по принципу действия инструмента — обкатывание инструментом непрерывного и ударного (импульсного) действия. Инструмент первого типа обеспечивает постоянный контакт с обрабатываемой поверхностью, при статическом характере приложенной к нему нагрузки; сжимаемый металл течет в направлении подачи инструмента. При работе инструмента ударного действия отсутствует постоянный контакт между ним и обрабатываемой поверхностью, о которую он ударяется и от которой отскакивает.

По конструкции инструмент непрерывного действия можно разделить на два вида: бессепараторный, при котором деформирующие элементы (шарики, ролики) вращаются только вокруг своей оси; сепараторный, когда рабочие ролики изготовляют цельными и помещают в гнездах специального сепаратора, где они могут совершать более сложные движения.

В судовом машиностроении применяют в основном бессепараторный инструмент: он более дешевый и позволяет обкатывать поверхности, различные по размерам и форме.

Рабочее усилие обкатывания может создаваться механическими (пружины, винты), пневматическими, гидравлическими или комбинированными устройствами.

Механические устройства не требуют специального питания и потому являются более простыми, однако недостаточная стабильность величины рабочего усилия обкатки, особенно при обкатывании конических и фасонных поверхностей, снижает эффективность этих устройств.

Обкатывание одним роликом применяют для упрочнения поверхностных слоев крупных жестких деталей, способных воспринимать значительные радиальные нагрузки (например, гребных и коленчатых валов). Для менее жестких деталей лучше пользоваться обкатками с двумя или тремя роликами.

Сепараторные обкатки выполняются преимущественно много роликовыми. В качестве деформирующего элемента могут служить и шарики.

Рассмотрим основные параметры упрочняющего обкатывания бессепараторным инструментом.

Форму и размер ролика выбирают в зависимости от назначения операции. Материал ролика—стали ХВГ, Р18, У10А и др. с твердостью НRС 60—65.

Из применяемой конфигурации роликов (рис.7) для упрочняющего обкатывания предпочтительны ролики со сферическим контуром (рис.7,б), основной параметр которых — профильный  радиус Содержание(вал) существенно влияние  на характеристики наклепа. С  уменьшением Содержание(вал)заданные значения степени наклепа и остаточных напряжений обеспечиваются при меньших усилиях  обкатывания. Уменьшение диаметра роликов повышает также степень и глубину наклепа, однако, при этом может увеличиться шероховатость обрабатываемой поверхности.

Содержание(вал)Основным параметром режима является усилие обкатывания, чрезмерное повышение которого может вызвать снижение остаточных сжимающих напряжений или перенаклеп, разрушающий поверхностный слой. Вместе с тем малое усилие обкатывания понижает производительность и может не обеспечить заданных свойств поверхностного слоя.

 

Рис.7 Конфигурация роликов для обкатывания: а — с цилиндрическим пояском; б — со сферическим контуром; в — со специальным контуром.

 

Глубину наклепанного слоя металла при обкатывании стальных деталей роликами можно приближенно определить по формуле:

 

Содержание(вал)

 

где Содержание(вал)– глубина наклепанного слоя, мм; Р– усилие обкатывания, Н (кгс); Содержание(вал)– предел текучести материала детали, МПа (кгс/мм2).

Для крупных валов разработана методика, согласно которой за единицу принято условное усилие Содержание(вал), обеспечивающее глубину пластически деформированного слоя, равную 0,025 диаметра вала.

Это усилие рассчитывают по формуле:

Содержание(вал)

где D– диаметр упрочняемой поверхности вала, мм.

Для обеспечения необходимого и достаточного упрочнения рабочее усилие обкатывания Р принимают в пределах от 1,5 до 3,0 Содержание(вал). Увеличение Р свыше 3,0 Содержание(вал)может привести к перенаклепу и к снижению сжимающего напряжения. Кроме того, рабочее усилие ограничено наибольшим радиальным усилием, допускаемым прочностью и жесткостью слабого звена станка.

Продольная подача и скорость обкатывания (скорость вращения детали) незначительно влияют на свойства поверхностного слоя. При увеличении подачи сверх определенного предела (порядка 0,6—0,8 мм/об} сжимающие напряжения начинают постепенно уменьшаться.

Увеличение скорости обкатывания сверх 0,5 м/с (30 м/мин) также несколько снижает сжимающие напряжения. При обработке крупных деталей наибольшая скорость: обкатывания не должна превышать 0,83—1,33 м/с (60—80 м/мин), чтобы исключен был нагрев поверхности, который может снизить упрочняющий эффект обкатывания.

Число проходов следует принимать не более двух-трех. Обкатывание длинных изделий желательно выполнять за один проход. Большее число проходов применяют для повышения чистоты, а также при обкатывании маложестких деталей.

При чистовом обкатывании пластически деформируют только тонкий поверхностный слой, толщина которого примерно равна высоте шероховатостей, оставшихся после механической обработки (или немного превышает ее). Гребешки неровностей сминаются и затекают в смежные впадины. Весьма эффективно совмещение упрочняющего и чистового обкатывания.

Е. С. Рейнбергом предложена методика определения основных параметров обкатки судовых гребных валов [26]. Из большого числа параметров обкатки (размеры обкатываемого вала, размеры ролика, давление на ролик, подача ролика, скорость накатывания и число проходов) наибольшее влияние на повышение циклической прочности вала оказывает величина давления обкатки. Это давление вызывает наклеп, повышение твердости поверхностного слоя и остаточные напряжения сжатия. Существенное влияние на глубину наклепа, а также на величину

 остаточных напряжений у поверхности оказывают размеры упрочняющего ролика (его диаметр и профильный радиус).

В исследовании была установлена зависимость между режимом обкатки роликами и глубиной упрочненного слоя, поверхностной твердостью и остаточными напряжениями при обкатке крупногабаритных судовых валов, изготовленных из материала S25C, S35С и S45С. Результаты усталостных испытаний образцов подтвердили наличие упрочненного слоя. В результате обкатки вала диаметром 300 мм (сталь S25С) при нагрузке на ролик 8т (500 кгс/Содержание(вал)), окружной скорости 122 мм/сек, и скорости подачи 3 мм/мин глубина упрочненного слоя достигает 25 мм и изменяется от 230 единиц на поверхности до 155 единиц по Виккерсу на глубине 25 мм. С увеличением числа проходов твердость и глубина упрочненного слоя увеличиваются незначительно. Влияние величины нагрузки на ролики при обкатке на глубину упрочненного слоя и поверхностную твердость видно из рис.4. Исследование проводилось на образцах диаметром 300 мм (сталь S25С) и диаметром 280 мм (сталь S45С). Окружная скорость вращения вала составляла 122 мм/сек, скорость подачи — 3 мм/мин.  Из рис.4 максимальная глубина упрочненного слоя отмечается при нагрузке на ролики 10 т; эта нагрузка и считается оптимальной.     

Содержание(вал)

                                    

рис.4 Зависимость твердости и глубины упрочнения поверхностного слоя от нагрузки на ролики

 

На рис.5 показано влияние скорости подачи роликов на поверхностную твердость, глубину упрочненного слоя и уменьшение  диаметра образца в случае, когда нагрузка на ролики увеличивалась от 0 до 8 т, а промежуточные проходы проводились при нагрузках 4 и 6 г. Скорость обкатки при этом была постоянной и составляла 59 мм/сек. Из рисунка видно, что поверхностная твердость и глубина упрочненного слоя быстро увеличиваются, если скорость подачи составляет менее 4 мм/мин.

Содержание(вал)Рис.5 Влияние скорости подачи роликов на поверхностную твердость, глубину упрочненного слоя и уменьшение диаметра образца вала

 

 

 

Величина нагрузки на ролики влияет на твердость и глубину упрочненного слоя. Образцы диаметром 280 мм (сталь S45С) были обкатаны при следующих режимах: 0 – 2 – 4 т, 0 – 4 – 6 т; 0 – 4 – 6 – 8 т; окружная скорость составляла 59 мм/сек, а скорость подачи 0,483 – 10,160мм/мин.

 

 

 

 

Содержание(вал)

 

 

 

 

 

 

Рис.6 Влияние скорости подачи роликов на поверхностную твердость, глубину упрочненного слоя и уменьшение диаметра  образца при различных режимах обкатки (—0,488мм/мин; — — — 5,080 мм/мин; — • — 7,016 мм/мин)

 

Из рис.6 видно, что скорость подачи имеет большое значение в том случае, если нагрузка на ролики достигает значительной величины.

Произведены усталостные испытания обкатных образцов валов, с насадками и без них на изгиб при вращении. Образцы изготавливали из отожженной кованой стали S25C. Режим обкатки следующий:0 – 2, 0 – 2,7т.

Окружная скорость 67 мм/сек., скорость подачи 3,17 мм/сек. Расчетный натяг прессовой посадки составлял 1,3/1000. Результаты испытаний представлены на рис. 82. Предел усталости не упрочненного образца с насадкой составлял 15,5 кгс/мм2 (кривая 1), а предел усталости обкатанного, равный 23,5 кгс/мм2 (кривая 3), оказался даже несколько выше не упрочненного гладкого образца (22 кгс/мм2, кривая 2). Предел выносливости гладкого обкатанного образца достиг 26 кгс/мм2 (кривая 4).

Для выявления эффективности упрочнения при увеличении диаметра подступичной части вала были проведены испытания накатанных и не накатанных образцов диаметром 184 мм из стали 35. Упрочнение накаткой производили на трех роликовом приспособлении с диаметром ролика 200 мм и профильным радиусом 8 мм: при давлении на ролик 1500 кг. После накатки образцы обтачивали до кл.6. Припуск под накатку и окончательную обработку составлял 0,6 мм на диаметр. Глубина упрочненного слоя при исследовании косого шлифа составила 7,5 мм (0,04d). Способ формирования ступиц и осей — тепловой с натягом 0,2 мм.

Результаты усталостных испытаний показали, что предел усталости образцов осей диаметром 184 мм, упрочненных накаткой, составил 15,8 кгс/мм2 против 6 кгс/мм2 для не упрочненных осей.

Упрочняющий ролик диаметром 228,6 мм с профильным радиусом R=38,1мм движется по одной стороне вала с нагрузкой, необходимой для производства требуемой глубины холодной обработки (максимальная нагрузка составляет 18858 кгс), а сглаживающий ролик такого же диаметра и с профильным радиусом R=101,6 мм движется по другой. Гидравлический поршень, передающий усилие на упрочняющий ролик, стопорится от вращения и удерживает ось ролика строго параллельно оси вала. Каждый ролик устанавливается на двух роликовых подшипниках  и изготавливается из инструментальной стали следующего состава (%): углерод 0,95— 1,0, хром 5,25, ванадий 0,50, молибден 1,15 (не ниже). Ролики упрочняются до 57—58 единиц по Роквеллу нагреванием до температуры 954—10103 С; охлаждением на воздухе и выдержкой в течение 2 ч. при температуре 538° С; охлаждением на воздухе и выдержкой в течение 2 ч при температуре 510° С, затем полным охлаждением на воздухе.

Операция обкатывания совершается за один проход роликов вдоль оси вала при подаче, равной около 1,588 мм/об, и вращении вала со скоростью 18,3 м/мин. Максимальная скорость подачи не должна превышать половины ширины контактной поверхности упрочняющего ролика. Скорость вращения вала ограничивается скоростью пластической деформации, и при обкатке не должно наблюдаться «прыганья» — вибрации роликов, так как на поверхности вала могут появляться микроскопические трещины. При скорости 18,3 м/мин трещин на валу не наблюдалось.

На валу, подвергаемом обкатке, оставляют припуск 0,127— 0,254 мм, если же вал после обкатки протачивается, припуск составляет 0,32 мм. Операция обкатывания уменьшает диаметр вала на 0,0254—0,0508 мм. Нагрузка на ролик прилагается постепенно на расстоянии 50 мм по валу перед зоной обкатывания и уменьшается до нуля на таком же расстоянии за ней. Обкатка конус начинается на валу, направление должно быть от большого конуса к малому. При обкатке может применяться качественное машинное масло. Длина упрочненной поверхности должна быть: для гребного вала, размещенного в дейдвудной трубе, один диаметр вала по длине или не менее чем 457 мм в нос от носового торца конуса вала; для гребного вала, расположенного в кронштейне, — то же, что и для предыдущего вала, плюс 305 мм в корму от носового конца кормовой облицовки. Для уменьшения влияния фретинга рекомендуется также обкатку производить под концами облицовок и под ступицей.

 

3. Результаты проведенных исследований

3.1 Материалы и методика исследований

В качестве материала, при изготовлении гребных валов большого сечения был выбран коррозионно-стойкий титановый сплав ПТ-5В (Ti-6Al-2V-1Mo), разработанный в ЦНИИ КМ «Прометей».

Исследуемый материал относится к высокопрочным псевдо-a-сплавам с повышенным содержанием второй фазовой составляющей (b-фазы 10 -15%). Сплав обладает довольно хорошими технологическими свойствами при металлургическом переделе, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Полное полиморфное превращение в b-состояние         (ОЦК – решётка) сплав достигает при температуре 1030 - 1050°С. В ходе резкого охлаждения (закалки) при температуре 900°С происходит мартенситное превращение. По своим теплофизическим параметрам исследуемый сплав можно отнести к категории материалов с низкой плотностью (высокой удельной прочностью), низкой теплопроводностью, низкой энергией дефектов упаковки. Как известно из литературы, такие материалы подвергаются сильному деформационному упрочнению. А последующие релаксационные отжиги вызывают разупрочнение в значительной мере за счёт процессов рекристаллизации, что обусловлено малой вероятностью прохождения полигонизационных процессов.

Существующие на сегодня способы термомеханической обработки (ТМО) металла из сплава данного класса изложены в ряде книг, статей. Обычно горячая деформация (ковка, прокатка, штамповка) осуществляется в b или a+b области с последующим низкотемпературным отжигом. Термомеханическая обработка, предлагаемая на (a+b) – сплавах с содержанием второй фазовой составляющей 5 - 20 об ¤ %. Такие режимы, как правило, позволяют получить оптимальный комплекс механических свойств, повысить сопротивление усталости, относительное удлинение, сужение при сохранении достаточно высокого уровня прочности.

Таблица№3

Химический состав сплавов титана

Сплав

Al

V

Мо

Fe

Si

O

C

N

H

ПТ-5В

6.51

1.42

0.86

0.10

0.03

0.10

0.10

0.02

0.003

ВТ6

5.3 – 6.8

3.5 – 5.3

0.30

0.10

0.20

0.10

0.05

0.015

 

Таблица№4

Механические свойства сплава ПТ-5В (пруток)

Содержание(вал), МПа

Содержание(вал), МПа

HRC

Содержание(вал), %

Содержание(вал), %

КСU, Дж/Содержание(вал)

Содержание(вал)(N=10Содержание(вал))

930 - 1080

>834

30-40

>10

>20

30

>520

 

С увеличением габаритов заготовок возрастает их структурная и химическая неоднородность. Для их уменьшения и повышения прочности была предложена опытная технология.

С целью улучшения макроструктуры металла была изготовлена опытная партия заготовок по схеме отличающейся от традиционной (слиток - пруток), а именно, была выполнена промежуточная горячая ковка (слябингование) по схеме (слиток – сляб - пруток). Изменение технологических условий производства заготовок, а следовательно, структурно-химические изменения, в качестве технологической наследственности, могли отразиться на эксплуатационных свойствах изготовленного гребного вала.( рис.8)

Содержание(вал)

 

Рис.8 Технологические схемы производства и структурно-химические особенности строения материала заготовок гребных валов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Результаты малоцикловых испытаний в морской воде

 

 

 В данной работе малоцикловые испытания в 3% растворе NaCl выполняли на цилиндрических образцах диаметром 8мм с кольцевым надрезом глубиной 1мм и радиусом в дне надреза Содержание(вал), рис.9.  Испытания проводили на растяжение при пульсирующем положительном цикле нагружения (Содержание(вал)) с частотой 2 – 3 цикла/минут. На рис.10 представлены результаты малоцикловых испытаний в морской воде.

Содержание(вал)

 

Рис. 9 Схема вырезки образца из заготовки

 

 

Амплитуда приложенного напряжения Содержание(вал) сохранялась от цикла к циклу и составляла 70 и 80% от предела текучести материала. Содержание(вал). На графике представлены кривые распределения числа циклов до разрушения при различных амплитудах напряжения. Статистический анализ полученных совокупностей измерений дал следующие результаты (таблица №5).

 

 

 

 

Таблица №5.

Результаты измерений малоцикловой долговечности образцов

Приложенное напряжение

Число измерений, n

Среднее значение,Содержание(вал)

Дисперсия,Содержание(вал)

Основное отклонение, Содержание(вал)

Коэффициент вариации, Содержание(вал)

0,7Содержание(вал)

56

2147

313,931

560

0,26

0,8Содержание(вал)

56

1014

92,475

304

0,30

Содержание(вал)

 

1132(53%)

221,456 (71%)

256(46%)

0,04(13%)

                                         

Содержание(вал)

     Увеличение амплитуды приложенного напряжения от 0,7Содержание(вал) до 0,8Содержание(вал) ведет к увеличению среднего значения малоцикловой долговечности на 53% от 2147 до 1014 циклов соответственно, к уменьшению дисперсии распределения на 71% и среднего отклонения на 46%. Однако коэффициент вариации меняется незначительно (от 0,26 до 0,3) при увеличении амплитуды напряжения. Из приведенной на рис.10 кривой видно, что при напряжении 0,7Содержание(вал) 

Pис.10 Распределение малоцикловой долговечности образцов сплава      ПТ - 5В

 

малоцикловая долговечность меняется в диапазоне от 1600 до 2800 циклов, тогда как при 0,8Содержание(вал) разброс значений сокращается: число циклов до разрушения меняется в пределах от 700 до 1300 циклов.

Таким образом, с уменьшением уровня приложенного напряжения, увеличивался разброс значений числа циклов до разрушения, наряду с одновременным возрастанием среднего их значения.

3.3 
Анализ выпадов образцов испытанных на коррозионную усталость

 

      На изломах образцов с низкими значениями числа циклов до разрушения (рис.11а) зона коррозионного охрупчивания занимала большую часть поверхности и выходила на край образца (рис.11в). Цветное электрохимическое окрашивание металла образцов непосредственно под изломом позволило выявить в местах коррозионного охрупчивания наличие структурно и кристаллографически выделенных узких микрообластей. Такие микрообласти представляли собой моноколонии пластин мягкой aa-фазы другой легированности, вызывающие изменение их электрохимического потенциала и ослабление коррозионной стойкости.

Содержание(вал)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание(вал)

 Рис.11 Характерные изломы (а,б) и схемы разрушения (в,г) малоцикловых образцов, испытанных в 3% растворе NaCl с низкими (N=269) (а.в) и высокими (N=1885) (б,г) значениями числа циклов до разрушения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На изломах образцов с высокими значениями числа циклов до разрушения (рис.11б) зона коррозионного охрупчивания или совсем отсутствовала, или имела место, но располагалась в средней части излома (рис.11г). Цветное электрохимическое окрашивание образцов выявило отсутствие узких микрообластей.

 

 

На (рис.11д) представлены фотографии, полученные с помощью метода цветного электролитического окрашивания.

На поверхности приготовленного шлифа непосредственно под изломом были выявлены микрообъемы обогащенные Al и обеднённые V, Mo, в которых гексагональные оси (ГО) ориентированы перпендикулярно поверхности шлифа в плоскости базиса и имели желтую окраску. Размер таких областей составлял 0,375х3,93мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

39

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика