Россия
УДК 621.83 Механизмы. Передачи (механические). Кулачковые механизмы. Направляющие
Работа посвящена выбору методов определения материалов, применяемых для изготовления роликовинтовой передачи в рамках импортозамещения. Использовались современные методы исследования – оптическая и растровая электронная микроскопия, измерения микротвердости с применением автоматического микротвердомера. В результате измерения микротвердости материала роликовинтовой передачи было получено ее увеличение от 779HV в центре до 835 HV на зубьях детали. На основе проведенных металлографических исследований получена микроструктура мелкоигольчатого мартенсита с ярко выраженными цепочками карбидов хрома, молибдена, ванадия с микротвердостью 1200…1500 HV. При использовании микрорентгеноспектрального анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN LYRA 3 с системой микроанализа Ultim MAX была получена информация о точечном химическом составе материала образца, наблюдались следы выпадения карбидов из матрицы с низкими вязко-пластичными свойствами. Даны рекомендации о подходящих отечественных материалах-аналогах. Результаты исследований могут быть использованы в конструктивных решениях по проектированию и модернизации машин и механизмов.
ролик, роликовинтовая передача, линейный привод, микротвердость, химический состав, микроструктура
Введение
Роликовинтовая передача – это механизм, использующийся для преобразования вращения входного вала в возвратно-поступательное движение выходного звена, например, штока. Она состоит из роликов, которые расположены между двумя резьбовыми поверхностями выполняющими, по своей сути роль винта и гайки. За счет замены скольжения качением достигается значительное снижение сил трения при сохранении высокой нагрузочной способности. Такая особенность роликовинтовых передач позволила использовать их в линейных электромеханических приводах (рис. 1), которые приходят на смену классическим гидро- и пневмоприводам [1]. Основными преимуществами электромеханических приводов являются: повышение качества позиционирования, повышение энергоэффективности, снижение эксплуатационных расходов, отсутствие утечек рабочей жидкости, повышение надежности за счет уменьшения количества компонентов системы [2].
К областям применения роликовинтовых передач и приводов на их основе относятся: машиностроение, например, робототехника, высокоточные станки с числовым программным управлением, электрическая строительная техника, авиационная и космическая промышленность, энергетика и др. [4 – 5].
Ограничением для увеличения объема применения роликовинтовых передач является сложность технологического процесса их производства, с учетом сложной формы поверхностей тел качения и высоких требований к характеристикам используемого материала. Для обеспечения максимального ресурса изделия необходимо достижение высокой твердости и низкой шероховатости поверхностей трения. Обеспечение данных показателей обычно достигается термической обработкой с последующей обработкой шлифованием. Существуют различные методы термообработки заготовок, например, объемная закалка, закалка токами высокой частоты, цементация, азотирование и др. Известна научная работа, выполненная компанией «Диаконт», в которой рассматривается применение азотирования для изготовления элементов роликовинтовой передачи [6]. Азотирование поверхности подходит для усовершенствования технических параметров углеродистых и легированных сталей, содержащих углерод в концентрации 0,3…0,5 % включительно [7]. Получаемая микроструктура поверхностного слоя изделия, насыщенная азотом, содержит растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высокую микротвёрдость, но и высокую хрупкость поверхностного слоя, что снижает качество и производительность обработки
[8, 9]. Кроме того, это длительная и дорогостоящая операция.
Также в отечественной промышленности активно применялись приводы зарубежного производства, выпускаемые компанией Exlar. Привод, частью которого являлась данная передача, применялся в системе регулирования паровой турбины. Учитывая, что поставка зарубежной продукции в текущей политико-экономической ситуации не представляется возможной, актуально и целесообразно изучить и перенять подходящий опыт зарубежных коллег в части выбора материалов и методов термообработки компонентов роликовинтовых передач.
Таким образом целью исследования является выбор материала для изготовления роликов планетарной роликовинтовой передачи.
Материалы и методы
Объектом исследования являлся материал ролика (рис. 2), использовавшегося в планетарной роликовинтовой передаче, произведенный компанией Exlar. В работе был рассмотрен материал сталь с содержанием углерода около 1 %.
Для металлографических исследований материала, ролик был разрезан электроэрозионным методом на две части вдоль оси. Первый образец (половина детали) использовался для измерения геометрических параметров образца. Второй образец – для изготовления шлифов, измерения микротвердости, определения содержания углерода и точечного химического состава материала. Для проведения металлографических исследований образцы материала были химически протравлены 4 % раствором азотной кислоты в спирте. Анализ условного размера зерна был проведен по стандартной методике ASTM E1382 – 97, ASTM E112.
Для более точного определения содержания углерода в образце материала был проведен общий анализ путем сжигания пробы материала. Содержание углерода 1,08 %, содержание серы 0,0004 %.
Для определения микротвердости материала использовался автоматический микротвердомер FM–300. Микрорентгеноспектральный анализ проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN LYRA 3 с системой микроанализа Ultim MAX.
Эксперимент
В результате измерения микротвердости образца материала получено распределение микротвердости, среднее значение по образцу равно 779 HV, а вблизи зубчатой части ролика микротвердость выше и в среднем составляет 835 HV, (рис. 3, табл. 1).
При проведении микрорентгеноспектрального анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN LYRA 3 с системой микроанализа Ultim MAX была получена информация о точечном химическом составе материала образца. Химический состав однороден по всему образцу, дополнительно исследованы выступающие рельефные карбиды и черные включения (табл. 4). Были проведены исследования черных включений на поверхности образца, которые при выпадении образуют каверны, края неровные в мелких трещинах, это может говорить о том, что карбиды выпали из матрицы мелкоигольчатого мартенсита, который обладает высокой твердостью и слабыми вязкими свойствами, т. е. матрица не может удержать карбиды.
Обсуждение результатов
Опираясь на результаты, полученные при исследовании зарубежного образца, можно сделать вывод о целесообразности применения отечественного материала с аналогичными химическим составом и свойствами.
Исходя из микроструктуры материала образца и полученной микротвердости, можем рассмотреть сталь инструментальную быстрорежущую марки Р18. Основное свойство этой стали высокая теплостойкость, которая обеспечивается введением вольфрама и других карбидообразующих элементов-хрома, молибдена, ванадия. В результате легирования инструменты из таких сталей сохраняют высокую твердость, допускают более производительные режимы резания, чем из углеродистых и низко легированных сталей. Микроструктура быстрорежущей стали марки Р18 после окончательной термической обработки может быть следующей (рис. 6, а, б): мартенсит отпуска и первичные карбиды [10]. После выдержки при температуре 1230 ℃ в течение 2 мин, охлаждении в воде, отпуске при 500 ℃ два раза по 1 ч, охлаждении в воде, получается твердость 841HV.
При этом в микроструктуре несколько крупных частиц расположены цепочками. Температура отпуска лежит в районе вторичного твердения. Очень мелкодисперсные выделения вызывают потемнение структуры. Расположение карбидов ванадия указывает на ориентацию исходных мартенситных игл. Карбиды ванадия настолько мелки, что невозможно судить об их форме. Светлые и круглые частицы соответствуют карбидам типа Ме6С. Для уменьшения карбидной неоднородности и улучшения эксплуатационной стойкости материалов рекомендовано использование порошковых технологий.
При сравнении химического состава исследуемого материала (содержание углерода 1,08 %), со справочными данными было выявлено, что ближайшими из широко применимых аналогов могут быть подшипниковые стали (табл. 5). Микроструктура материала исследованного образца аналогична микроструктуре шарикоподшипниковой стали ШХ15 после закалки с низким отпуском (рис. 6, в), с микроструктурой, состоящей из мартенсита игольчатого с частицами карбидов [10].
Так близким материалом, имеющим структуру мелкоигольчатого мартенсита с включениями карбидов, является подшипниковая сталь ШХ15, для которой характерны высокая твердость, износостойкость, сопротивление контактной усталости в сочетании с хорошей вязкостью после сложной термической обработки (закалка с температуры
840…860 ℃ в масло, нагретое до 60 ℃, отпуск при 150…170 ℃). Эти выгодные нам свойства позволяют рекомендовать сталь ШХ15 в качестве аналога зарубежного материала ролика.
Исходя из химического состава исследованного образца, в качестве материала – заменителя могут быть использованы сталь инструментальная легированная 9Х5ВФ и сталь инструментальная штамповая Х6ВФ. При сравнении микроструктуры материала образца с упомянутыми сталями при оценке карбидной неоднородности отожженных образцов стали видим соответствие со шкалой 2
ГОСТ 5950-2000, т. е. слабо выраженная полосчатость, тонкие строчки карбидов. Эти стали подходят по твердости и механическим свойствам, используются для изготовления ножей, инструмента для холодной деформации.
Заключение
Таким образом, в результате использования металлофизических методов аттестации металлических материалов предложены подходы к решению проблемы выбора отечественных материалов для изготовления ролика роликовинтовой передачи в рамках импортозамещения.
Применялись экспериментальный и аналитический методы выбора материалов с требуемыми характеристиками. При выборе материала были использованы заданные нами определенные требования к самому материалу. Затем эти требования мы сравнили со свойствами материалов, известными из литературных источников или полученными в результате испытаний. В итоге были отобраны материалы, удовлетворяющие всем сформулированным требованиям.
В результате исследования получили следующие критерии: химический состав исследуемого материала (содержание углерода 1,08 %, что сразу исключает применение азотирования), микроструктуру материала образца (мелкоигольчатый мартенсит с включениями карбидов), а также микротвердость (среднее значение 779 HV, вблизи зубчатой части ролика микротвердость составляет 835 HV). Для дальнейшей разработки изготовления роликов роликовинтовой передачи были выбраны наиболее перспективные следующие отечественные материалы: после соответствующей термической обработки требуемые свойства могут показать быстрорежущая сталь Р18, подшипниковая сталь ШХ15, инструментальная легированная сталь 9Х5ВФ и инструментальная штамповая сталь Х6ВФ.
Практическая значимость работы состоит в предложенном методе подбора отечественного материала вместо зарубежного с подходящими по микротвердости, микроструктуре, химическому составу и свойствам. Материалы статьи будут полезными в области машиностроения, например, в электрической строительной технике, авиационной и космической промышленности, энергетике и др.
1. Алексанин С.А. и др. Перспективы развития технологии и рынка приводных решений: куда движется привод // Современные технологии управления. 2013. №. 11 (35). С. 1–12.
2. Уваров М.М., Магдиев Р.Р. Алгоритм отработки технологии изготовления детали роликовинтовой передачи на токарном автомате «Швейцарского» типа // Металлообработка. 2014. №. 4 (82). С. 45–49.
3. Электромеханические приводы [Электронный ресурс] URL: https://szd-e.ru/elektromekhanicheskie-privody-emp/ (дата обращения 06.10.2024).
4. Промышленность – Exlar [Электронный ресурс] URL: https://www.cw-actuation.com/en-gb/industries (дата обращения 06.10.2024).
5. Роликовинтовые передачи SKF каталог [Электронный ресурс] URL: https://avsnab.ru/uploads/manufacturer_document/file/699/РВП_SKF.pdf (дата обращения 06.10.2024).
6. Иваненко А.О., Тулькова И.А., Уваров М.М. Технологические особенности азотирования резьбовых поверхностей ответственных деталей электромеханического привода // Известия высших учебных заведении. Приборостроение. 2018. Т. 61. №. 4. С. 360–367.
7. Husson R. et al. Consideration of residual stress and geometry during heat treatment to decrease shaft bending //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Т. 72. С. 1455–1463.
8. Куксенова Л.И., Алексеева М.С., Козлов Д.А. Зависимость показателей эксплуатационных свойств азотированных сталей от структурного состояния поверхностного слоя // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. № 3 (141). С. 23–37. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-23-37. EDN BRVZVU.
9. Петрова Л.Г., Белашова И.С. Газоциклические процессы химико-термической обработки: регулирование строения азотированного слоя в железе и сталях // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2024. № 7 (157). С. 3–14. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2024-3-14. EDN SOPPKT.
10. Атлас микроструктур черных и цветных металлов и сплавов: учебное наглядное пособие для студентов вузов группы специальностей 74 06 Агроинженерия / БГАТУ, Кафедра технологии металлов; [сост.: А. А. Андрушевич и др.]. Минск, 2012. 97 с.
11. Сталь инструментальная быстрорежущая [Электронный ресурс] URL: https://markmet.ru/strukturi-stalei/386 (дата обращения 21.10.2024).
