Матеріали для виготовлення колінчастих та прокатних валів

Литі колінчасті вали мають переваги в порівнянні з валами з кованої сталі. Вони забезпечують економію металу, зниження трудомісткості, скорочення технологічного циклу. Великі можливості є щодо вдосконалення конструкції литого валу.

Сплави, що застосовуються для колінчастих валів, можна розділити на графіт, що містять у своїй структурі (чавуни, графітизована сталь) і не містять графіт (вуглецева і легована сталі). Сплави першої групи більш зносостійкі. Поточність виробничого процесу легше здійснювати під час виготовлення чавунних валів.

Перлитний ковкий чавун як матеріал для виготовлення колінчастих валів займає в закордонному виробництві друге місце після сталі. Це пояснюється, зокрема, прискореним відпалом ковкого чавуну за рахунок добавки до рідкого чавуну вісмуту та бору. Для прокатних валів та гальмівних барабанів чавун з кулястим графітом не має великих переваг перед іншими чавунами внаслідок зниженої теплопровідності.

Сталі для валків холодної прокатки 9X2, 9Х2МФ та інші мають високу опірність сухому тертю. Для валків гарячої прокатки використовують сталі 60ХН, 55Х та ін.

Якщо за «1» прийняти вартість валу, виготовленого з високоякісного чавуну з пластинчастим графітом без термообробки, вартість валу з перлитного ковкого чавуну буде 2,5…3,0; з чавуну з кулястим графітом без термообробки - 1,25, а з термообробкою - 1,5; з вуглецевої сталі - 2,5; з легованої хромистої сталі - 2,8; з графітизованої сталі - 3,0 ... 3,3; із низьковуглецевої легованої сталі з нітроцементацією-2,9…3,2.

Схеми установок для випробувань на гідроабразивне зношування:

а - машина ПВ-12М: 1 - електродвигун; 2-диск ротора; 3 - конічний бак;4 - гвинтовий механізм; б - машина УГИ-8М із затискними дисками: 1 - електродвигун потужністю 1,5 кВт; 2 - захисний диск; 3 - затискний диск; 4 - гумовий диск; 5 - диск із зразками; б - стягуючі болти; 7 - втулки для кріплення зразків; 8 - зразки, що випробовуються; 9 - гідроабразивна емульсія (суміш води з піском)

Вуглецева сталь поступається чавунам з кулястим графітом:

при майже однакових механічних властивостях сталі та чавуну плавка та розливання чавуну простіше;
у чавунах утворюється менше тріщин;
зносостійкість валів, виготовлених із чавуну без термообробки, не нижче, ніж валів із вуглецевої сталі, шийки яких загартовані ТВЧ.

Графітизована сталь, у структурі якої є включення графіту, за властивостями близька до чавуну з кулястим графітом, володіючи, проте, вищими механічними властивостями. З модифікованих чавунів з пластинчастим графітом, що мають менший модуль пружності, можна виготовляти колінчасті вали, менш чутливі до порушення правильності осьової лінії, ніж сталеві вали. Цим чавунам властиві високі динамічні характеристики матеріалу.

Чавун з кулястим графітом і металевою основою із пластинчастого або зернистого перліту — найпоширеніший матеріал для виготовлення колінчастих валів двигунів автомобілів, тракторів, комбайнів, тепловозів та ін.

Основною операцією термообробки колінчастих валів є старіння.

Різноманітність умов роботи пар тертя та явища фрикційної анізотропії ускладнюють вибір оптимальних зносостійких структур та ливарних сплавів, що забезпечують надійну та тривалу роботу деталей машин та механізмів. Проте теоретичні та експериментальні роботи, виконані в Білорусі та за кордоном, дозволяютьобґрунтувати загальні рекомендації щодо вибору зносостійких матеріалів для ряду деталей та конкретних випадків експлуатації та розробити більш зносостійкі вироби.

Для неприроблених поверхонь питоме навантаження нелінійно впливає на зношування, причому більшою мірою для поверхонь з малою площею контакту. Зношування у разі сухого тертя часто відбувається при високих температурах, що вимагає надання фрикційним сплавам підвищеної термічної стійкості.

Високу зносостійкість при сухому терті мають чавуни ЧГ6СЗШ, ЧГ7Х4, ЧХ28Д2, ЧН19ХЗШ, ЧЮ22Ш та ін., що випускаються для виливків зі спеціальними властивостями відповідно до вимог ГОСТ 7769-82. У виливках з легованого чавуну з кулястим графітом включення його повинні бути кулястої форми. Допускаються включення пластинчастої та вермікулярної форми – не більше 20 % від загальної кількості. Високохромисті чавуни ЧХ22С, ЧХ23Н і 4Х28Д2 піддають термічній обробці для зняття внутрішніх напруг у виливках.

Литі деталі для роботи при ударно-абразивному та гідроабразивному зносі. Такі деталі виготовляють з економнолегованих питних вуглецевих і марганцевих сталей та хромистого чавуну ЧХ16М2. Це зносостійкі литі деталі гідромашин, що перекачують абразивні суміші; футерування дробарок, ковзанки та інші деталі вугле- та рудорозмольних млинів; ковші піскометів; склізи, тічки та лопатки дробометних імпелерів; менш відповідальні деталі з низьколегованих чавунів та сталей, що піддаються нормалізації за режимами, наведеними в таблиці.

Високу ударну в'язкість (не менше 2 Дж/см 2 ) мають чавуни ЧНП20Д2Ш та ЧН19ХЗШ, які використовуються для виготовлення деталей насосів, гідротурбін, випускних колекторів. У економнолегованих стапів 30XMЛ та 30XHMЛ вона більше 30 Дж/см 2 . Для виплавки економно-легованих молібденом і нікелем ливарних сталей на БМЗ використовуються суміщена технологія плавки, що включає завантаження в 100-тонні печі ДСПБ-1200 нікельвмісних (ГІАП-16) і алюмомонибденкобальтових (АКМ) каталізаторів з металоутворюючих на них з суміші з вапном. У таблиці наведено хімічні склади та механічні властивості серійних та дослідних ливарних сталей. Склади шихти для виплавки сталей наведено в таблиці.

Поєднана технологія виплавки сталі типу 30XHMЛ забезпечує необхідний рівень легування нікелем і молібденом за досить високого ступеня їх засвоєння (78 і 89% відповідно). Легування вуглецевої сталі нікелем та молібденом забезпечує необхідну холодостійкість сталей у виливках великовантажних автомобілів «БЕЛАЗ».