10. Химико-термическая обработка (азотирование)

Наиболее распространенным методом упрочнения чугунных коленчатых валов является химико-термический (азотирова­ние), обеспечивающий повышение предела выносливости и из­носостойкости.

Предел выносливости образцов в результате азотирования повышается со 165 до 355 МПа. Однако горячая правка азоти­рованных образцов, которая применяется при изготовлении ва­лов, снижает предел выносливости с 355 до 235 МПа.

Снижение предела выносливости правленых коленчатых ва­лов объясняется тем, что в процессе правки на поверхности коленчатого вала, в особенности в местах концентрации на­пряжений (галтелях), могут возникать остаточные растягива­ющие напряжения, а также микротрещины.

При выборе режима азотирования валов необходимо учи­тывать следующее: глубину слоя, поверхностную твердость, а также распределение ее по глубине слоя, хрупкость азотиро­ванного слоя, допускаемую деформацию и коробление вала. Эти характеристики азотированных коленчатых валов зависят от химического состава чугуна перед обработкой состояния по­верхности, температуры и допустимой продолжительности про­цесса азотирования, степени диссоциации аммиака и ряда дру­гих факторов.

Общая глубина азотированного слоя (рис. 19, а), а также его твердость (рис. 19, б) в значительной степени зависят от легирующих элементов [8].

Продолжительность процесса азотирования и температура печи не всегда оказывают положительное влияние на глубину и твердость азотированного слоя. Так, чрезмерное повышение температуры азотирования приводит к снижению поверхност- 50

Рис. 19. Влияние легирующих элементов на общую глубину (а) и твер­дость (б) азотированного слоя при ?=550°С, т=24 ч: 1 — Si; 2 —. Мп;

3 — Сг; 4 — Мо; 5 — Ni; 6 — W

ной твердости, но более высокая температура дает более глу­бокий азотированный слой, за одно и то же время продолжи­тельности процесса приводит к постепенному замедлению воз­растания глубины азотированного слоя.

Повышение температуры азотирования резко увеличивает также скорость диффузии атомов азота. Однако повышение температуры азотирования вызывает увеличение коробления и деформации детали. Стремление азотированного слоя увели­чить свой объем встречает сопротивление неразрывно связан­ной со слоем сердцевины. В результате взаимодействия обе­их частей сечения возникает напряженное состояние, кото­рое характеризуется сжатием азотированного слоя и растя­жением сердцевины, что и вызывает деформацию деталей.

Помимо деформации, возможно и коробление азотированных деталей, возникающее из-за неправильной укладки деталей при их загрузке в печь (провисание длинных деталей), несиммет­ричной формы и разнотолщинности стенок деталей, несиммет­ричной защиты от азотирования поверхностей, обусловленных конструкцией детали, и нарушения защитной пленки (пробоя азотирования).

Для снижения деформации при азотировании деталей ре­комендуется максимально повышать отношение площади сече­ния деталей к периметру азотированного слоя. Это может быть достигнуто путем защиты нерабочих поверхностей от азотиро­вания и рациональным размещением азотированного слоя. Де­формации могут быть снижены также уменьшением техноло­гической глубины азотированного слоя и установления наи­меньших припусков на азотируемых поверхностях.

Снижение деформации и коробления при азотировании мо­жет быть достигнуто и технологическими мероприятиями: азоти­рованием деталей на глубину ближе к нижнему пределу зада­ваемой технологами глубины слоя, понижением температуры азотирования, повышением степени диссоциации аммиака. Од­нако чрезмерное увеличение степени диссоциации аммиака вы­зывается рядом других дефектов азотированной поверхности: уменьшением и равномерным распределением внутренних на­пряжений перед азотированием, что достигается замедлением охлаждения после отпуска, равномерным съемом металла пе­ред азотированием, введением стабилизирующего отпуска; за­нижением температуры отпуска, которая должна быть на 40—70°С выше температуры азотирования, при выдержке, до­статочной для завершения превращений, протекающих в серд­цевине деталей при их азотировании.

Существенным недостатком азотирования, как указывалось выше, является длительность процесса. Для ускорения этого процесса предлагаются следующие пути:

состав газа в печи на всем протяжении процесса азотирова­ния должен поддерживаться оптимальным: атомы азота долж­ны достаточно активно подводиться к поверхности азотируе­мой детали, а водород должен быстрее отводиться от нее; необ­ходимо также добиваться, чтобы диссоциация аммиака проис­ходила не по всему объему печи, а только на поверхности азоти­руемых деталей;

на азотируемой поверхности не должно быть никаких пле­нок химических соединений, грязи, жира и других веществ, препятствующих диффузии азота в металл. Вместе с тем по­верхность должна адсорбировать атомы азота;

ускорение процесса азотирования на небольшую глубину (0,2—0,3 мм) можно достичь путем активизации газовой фазы на азотируемой поверхности. Для глубины более 0,3 мм про­должительность азотирования будет определяться главным об­разом скоростью диффузии азота. Чтобы ускорить нарастание глубины азотированного слоя, надо повышать температуру про­цесса, но это уменьшает твердость поверхности. Следователь­но, для достижения глубины азотированного слоя более 0,3 мм наиболее рациональным способом сокращения продолжитель­ности процесса является способ комбинированных режимов азотирования.

Азотирование чугунных коленчатых валов тепловозных ди­зелей 14Д40, 11Д45 и 5Д49, освоенное производственным объ­единением «Коломенский завод», выполняется при соблюдении следующих технологических требований:

для получения высоких механических свойств сердцевины и наименьших внутренних напряжений отливки коленчатых валов подвергают термической обработке;

отливки коленчатых валов из высокопрочного чугуна с гло­булярным графитом нормализуют путем загрузки их в печь при температуре не более 300°С с последующим повышением

52

ее в течение 15 ч до температуры (890±10)°С и выдержкой в течение 7—8 ч.

Коленчатые валы, прошедшие нормализацию, охлаждают вместе с подиной тремя мощными вентиляторами, работающи­ми одновременно в течение 2—2,5 ч, а затем на воздухе в те­чение 6 ч.

После нормализации производится отпуск в той же печи, которая загружается при температуре не более 300°С. Нагрев печи до температуры 590—600°С длится не менее 6—7 ч, с по­следующей выдержкой в течение 8 ч.

Охлаждение печи с валами ведется до температуры 300°С и заканчивается на выдвинутой открытой подине. Затем валы подвергают химической обработке и снова термически обраба­тывают (стабилизация).

Для стабилизации валы снова загружают в печь при темпе­ратуре до 100°С с дальнейшим повышением ее до 600—630°С и выдерживают в течение 12 ч, а затем охлаждают до темпе­ратуры 300°С. Темп охлаждения до 600°С должен быть не более 80°С в 1 ч. Дальнейшее охлаждение валов происходит на воз­духе.

Валы, прошедшие стабилизацию, второй раз механически обрабатывают с сохранением припуска на всех шейках под азо­тирование, равного 0,5 мм на диаметр.

Азотирование выполняется в печи при горизонтальном по­ложении одновременно пяти коленчатых валов. Загружают печь при температуре 100—200°С с постепенным (50—60°С в 1 ч) повышением температуры до 550—560°С. При этой температу­ре валы выдерживают в течение 30—35 ч при диссоциации ам­миака 25—40%. В дальнейшем температуру постепенно подни­мают до 570—580°С и коленчатые валы выдерживают в тече­ние 110—125 ч при диссоциации аммиака 35—65%. При дости­жении заданной выдержки печь с валами охлаждается до тем­пературы 400—450°С, а затем подина откатывается и валы ох­лаждаются под кожухом до температуры 200°С, после чего их охлаждение заканчивается на открытом воздухе.

Изложенный процесс термической обработки и азотирова­ния коленчатого вала, выполняемый без его вращения, т. е. в неподвижном состоянии, приводит к значительному короблению вала — до 0,6—0,8 мм, что вызывает необходимость его прав­ки, которую выполняют при нагреве до температуры 480— 500°С с выдержкой в течение 2—3 ч. Число таких правок до­стигает двух-трех, а в отдельных случаях пяти. Достигнув в результате правки общей кривизны вала 0,3 мм, его шлифу­ют, а затем полируют.

Принятая технология изготовления чугунных коленчатых валов приводит к тому, что в готовом коленчатом валу глубина азотированного слоя на отдельных коренных и шатунных шей­ках становится не менее 0,4 мм при разнотолщинности этого

53

слоя, колеблющегося от 0,4 до 0,8 мм, а следовательно, и к значительному разбросу твердости азотированных рабочих по­верхностей одной шейки.

Износостойкость азотированных коленчатых валов значи­тельно повышает их долговечность в эксплуатации. Этот про­цесс поверхностного упрочнения является наиболее эффектив­ным, так как он создает упрочненный слой по всей поверхно­сти, в том числе на поверхности трения и на участках ва­ла, ослабленных конструктивными концентраторами напря­жений.

Характер и износ трущихся поверхностей азотированного коленчатого вала, так же как и неупрочненного вала, в боль­шой степени определяются условиями смазки. Были проведе­ны исследования для определения оптимальных гидродинами­ческих характеристик в масляном слое подшипников азотиро­ванного коленчатого вала дизеля 11Д45. Исследования прово­дились при номинальном режиме работы дизеля (Ne = 2200 кВт, л = 750 об/мин). Исходя из конструкции подшипников дизеля 11Д45 и режима его работы были выбраны параметры под­шипников, которые приведены ниже. За исходные значения ра­диальных зазоров подшипников были взяты нижние пределы установочных зазоров, реализуемые при сборке узла коленча­тый вал—подшипник. Температура масляного слоя принята средней из температур масла на входе в дизель и на выходе из подшипника, а коэффициент динамической вязкости выби­рался по вязкостно-температурной характеристике масла М12Б [4]. Форма трущихся поверхностей шеек вала и подшипников была принята цилиндрической.

Подшипники коленчатого вала	коренные	латунные
Радиус шейки вала, мм	125	82,5
Ширина рабочей части бесканавочного
вкладыша, мм	73	94
Ширина рабочей части вкладыша с канав­
кой, мм	43	54
Радиальный зазор, мм	0,125	0,100
Окружная скорость, м/с	9,82	6,48
Коэффициент динамической вязкости, Па • с	2,59	2,59
Давление подачи масла, МПа	0,25	0,25

Для определения гидродинамических характеристик под­шипников были выбраны следующие значения относительных эксцентриситетов х, равных отношению абсолютных эксцентри­ситетов вала к радиальным зазорам в подшипниках: для ко­ренных — 0,984; 0,944; 0,904; 0,840; для шатунных — 0,976; 0,936; 0,888; 0,840, что при значениях радиальных зазоров в подшипниках, приведенных выше, соответствует наименьшим толщинам масляного слоя h_mi„, равным для коренных подшип­ников 2,0; 7,0; 12,0; 20,0 мкм, для шатунных — 2,4; 6,4; 11,2;

16,0 мкм.

Параметры	Материал подшипника
	А09-2	Бр.СЗО
Износ шейки вала из высокопрочного чугуна, мг/100 ч:	77,5	85,3
неазотированного
азотированного	49,2	63,07
Износ подшипника:	52,48	62,5
с неазотированным валом
с азотированным валом	37,96	54,30
Давление, вызывающее задир, МПа:	19,3	17,6
неазотированного чугуна
азотированного чугуна	24,4	21,5

Полученные значения толщин масляного слоя в коренных и шатунных подшипниках азотированного коленчатого вала ди­зеля 11Д45 обеспечивают в установившемся режиме жидкост­ное трение. Такие условия смазки трущихся пар, а также повы­шенная их износостойкость способствуют значительному повы­шению надежности работы этого узла в эксплуатации.

Азотирование существенно снижает износ не только шеек вала, но и его подшипников, т. е. азотированные шейки имеют преимущество в антифрикционных свойствах (табл. 14).

Расстояние от поверхности азотироданного слоя о,мкн

Рис. 20. Изменение твердости и из­носа по глубине азотированного слоя в высокопрочном чугуне:

1 — твердость азотированного слоя; 2 — изиос при работе с подшипниками из Бр. СЗО; 3 — износ при работе с под­шипниками из сплава А09-2

При исследовании микротвердости и износостойкости азо­тированных образцов шеек вала по мере постепенного износа их поверхностного слоя (рис. 20) было выявлено изменение свойств трущейся поверхности. Твердость азотированного слоя при износе сначала резко, а затем постепенно падает и на рас­стоянии от поверхности 580—620 мкм приближается к твердо­сти неупрочненного слоя. При исходной толщине азотирован­ного слоя на высокопрочном чугуне около 400 мкм ощути­мый эффект износостойкости отмечается на глубине до 250—350 мкм.

Измерения радиального из­носа шеек натурного коленча­того вала, выполненные с при­менением метода вырезанных лунок, показали, что средний износ за пробег тепловоза 650 тыс. км составляет 9,8 мкм при интервале значений от 6,8 до 14,0 мкм, а средний диамет­ральный износ — 14,1 мкм при интервале от 10,9 до 23,6 мкм.

У пятой шейки (наиболее на­груженной) наибольший ради­альный износ равен 9,8 мкм.

Рис. 21. Кривые предела выносливо­сти коленчатых валов дизеля 11Д45: J — азотированные валы; 2 — неазоти- рованные валы

Такой разброс величин ра­диального и диаметрального износов на различных валах и даже на одном вале за одина­ковый пробег тепловоза объяс­няется, очевидно, тем, что глу­бина азотированного слоя на отдельных шейках, как отме­чалось ранее, колеблется в пределах от 0,4 до 0,8 мм.

Подобные незначительные диаметральные износы и ма­лая овальность коренных и шатунных шеек азотированных коленчатых валов не вызыва­ют необходимость их перешли- фовывания на протяжении длительной работы, что способству­ет малому износу подшипников и редкой их замене. Таким об­разом, азотированные коленчатые валы способствуют созданию

тепловозных дизелей с применением более форсированных режи­мов их работы, т. е. с увеличенным давлением сгорания топли­ва в цилиндре и повышенными нагрузками на коленчатый вал и его подшипники.

Проведенные усталостные испытания натурных отрезков коленчатого вала при изгибе, изменяющемся по симметрично­му циклу при базе испытаний 30 • 10⁶ циклов, показали (рис. 21), что предел выносливости, отнесенный к среднему сечению шатунной шейки, равен 62 МПа. Для неазотирован- ных валов этот показатель не превышает 47 МПа. Следова­тельно, азотирование коленчатых валов, изготовленных из вы­сокопрочного чугуна с глобулярным графитом ВПЧ 60-2, позволило повысить предел выносливости их на 32°/о

[Ю].

Незначительное повышение предела выносливости чугунных коленчатых валов на форсированных тепловозных дизелях не всегда обеспечивает высокую их надежность. Так, поломки ко­ленчатых валов в эксплуатации из-за усталостного разру­шения (трещины), проходящие по щекам через галтели, до­стигают 14% числа валов, поступающих в капитальный ре­монт.

Для упрочнения коленчатых валов был применен комбини­рованный метод упрочнения — азотирования и накатывания (метод пластической деформации галтелей накатыванием ро­ликами). Такое комбинированное упрочнение выполняется дву­мя способами.

Первый способ. Перед азотированием коленчатого вала его галтели накатываются роликами по режиму, изложенному вы­ше. Остаточные сжимающие напряжения в галтелях вала, воз­никшие в процессе накатывания, частично снимаются в процес­се нагрева вала при азотировании, но при этом в азотирован­ном слое формируются остаточные сжимающие напряжения за счет химико-термической обработки. По величине и глубине за­легания эти напряжения значительно уступают напряжениям, возникающим в процессе накатывания. Поэтому для увеличе­ния остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях галтелей коленчатых валов выполняется повторное накатывание галтелей после азотирования с таким же режимом, как и при первом накатывании.

Проведенные исследования микроструктуры азотированно­го слоя с двойным накатыванием, а также предела выносли­вости таких образцов показали, что в азотированном слое тре­щин нет. В тонком поверхностном азотированном слое (0,02 мм) в виде е-фазы при накатке возникают сдвиги металла и он от­слаивается от основной азотированной поверхности. Так как углубление галтели не подвергается шлифованию и не входит в соприкосновение с подшипником, то оставшиеся на галтели отдельные участки е-фазы не смогут отразиться на работе под­шипника, т. е. не приведут к ухудшению работы пары трения подшипник — коленчатый вал.

Эксплуатация партии коленчатых валов с комбинирован­ным упрочнением подтвердила целесообразность применения такого вида упрочнения.

Предел выносливости образцов, прошедших комбинирован­ное упрочнение, повысился на 69% против образцов, не под­вергавшихся какому-либо упрочнению. Это подтверждается ис­следованиями [8], показывающими положительное влияние остаточных напряжений сжатия, существующих в азотирован­ном слое (рис. 22).

В большинстве случаев сочетание остаточных напряжений, возникающих в результате азотирования, и напряжений от из­гиба таково, что суммарные наибольшие напряжения растяже­ния возникают за пределами азотированного слоя. Такое распо­ложение очага разрушения снижает вредное влияние дефектов поверхности в виде рисок, раковин и др. Вместе с тем по мере роста глубины азотированного слоя напряжения сжатия в нем уменьшаются, что связано с появлением е-фазы. При больших количествах е-фазы на поверхности детали могут быть не сжи­мающие, а растягивающие напряжения, что и снижает ее пре­дел выносливости.

Второй способ. Коленчатый вал, предназначенный для азо­тирования, должен иметь обработанные галтели с припуском, толщина которого превышает толщину азотированного слоя. На поверхности припуска рекомендуется наносить специальные

Рис. 22. Эпюры напряжений при ис­пытании на предел выносливости изгибом азотированных образцов:

1 — распределение напряжений, вызван­ных изгибающим моментом; 2 — рас­пределение остаточных напряжений; 3 — результирующая эпюра напряжений

защитные покрытия от азотирования, что будет способствовать улучшению окончательной обрабатываемости галтели. Профиль припуска должен обеспечивать после его удаления механиче­ским путем создание разделительных (неупрочненных) зон между границами азотированного и неазотированного слоев шириной 1—5 мм. Предел выносливости коленчатых валов, прошедших упрочнение по второму способу, также значительно возрастает.