Влияние характеристик порошковых материалов и деталей на прочность прессовых соединений

На правах рукописи

Дебеева Светлана Александровна

ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ НА прочность ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

05.16.06 «Порошковая металлургия и композиционные материалы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель:	кандидат технических наук, профессор Бабец Николай Васильевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Люлько Валерий Григорьевич кандидат технических наук, главный технолог ОАО «Росграфит» Яицкий Дмитрий Леонидович
Ведущая организация:	Карачаево-Черкесская государственная техническая академия, г. Черкесск

Защита состоится 24 декабря 2009г. на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу:

346428, Ростовская область, г.Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Автореферат разослан «___» ноября 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент Устименко В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение объема производства порошковых конструкционных материалов для комбинированных изделий типа «компактная деталь порошковая деталь» требует более полного изучения изменения их свойств и структуры в зависимости от технологических параметров в процессе получения прессовых соединений.

В отличие от компактных в процессе получения сопряжения порошковые стали подвергаются не только упругим, но и квазипластическим деформациям. Для обеспечения прочности соединения «компактная деталь порошковая деталь» необходимо задавать оптимальные значения натягов конкретно для каждого типоразмера изделий, используемых для обеспечения неподвижного соединения наружной поверхности втулки с обоймой (запрессовка) или внутренней (втулка на валу) с достаточной прочностью.

Проблема разрушения пористых деталей при формировании прессового соединения, а также недостаточная его прочность, может быть довольно успешно решена при разработке надежных методов прочностных расчетов, позволяющих заранее определить зарождение трещин в теле порошковой детали, описывать процессы их развития, причины, влияющие на их возникновение с учетом технологических и эксплуатационных характеристик.

Таким образом, изучение напряженно-деформированного состояния прессовых соединений пористых деталей с компактными, в зависимости от способа сборки и геометрических параметров при формировании натяга, даст возможность получить эффективные пути повышения прочности данного вида соединений.

Настоящая работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой кафедры материаловедения и технологии материалов Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) № 1.8.05 «Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов. Фундаментальное исследование» (2005-2009 гг.).

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение качества и надежности прессового соединения деталей из порошковых материалов различных типоразмеров с компактными на основе использования современных методов исследования и моделирования процесса сборки узлов прессовых соединений.

Для реализации данной цели поставлены следующие основные задачи:

1. Установить закономерности влияния пористости, величины натяга, химического состава, а также условий сборки на прочность соединения «компактный вал порошковая втулка» с учетом различной толщины стенки.
2. Выявить экспериментальные зависимости напряженно-деформированного состояния прессовых соединений «компактная деталь порошковая деталь» в зависимости от масштабного фактора и разносопротивляемости растяжению и сжатию пористого тела.
3. Определить особенности распределения напряжений и пористости по толщине стенки втулки в зависимости от натяга и химического состава с использованием современных методов компьютерного моделирования.
4. Разработать технологические рекомендации по практическому применению материалов различного химического состава и пористости, используемых в сопряжениях «компактная деталь порошковая деталь» с учетом относительного натяга.

Научная новизна.

1. Выявлена переходная зона от сжимающих напряжений к растягивающим по сечению втулки. В отличие от ранее проводимого качественного описания вида действующих внутренних напряжений установлено, что переходная зона смещается вглубь сечения при увеличении толщины стенки пористой втулки, величины натяга и пористости, сопровождающихся увеличением уплотненного слоя, что приводит к росту упругих деформаций и повышению прочности соединения.
2. Определено влияние технологических факторов на формирование и качество прессовых соединений «компактный вал – втулка из порошкового материала». В отличие от ранее выполненных работ установлено, что:

- увеличение количества связанного углерода приводит, благодаря увеличению прочности материала на основе железного порошка, к возрастанию прочности соединения в целом. Наличие несвязанного углерода приводит к уменьшению контактного трения и, следовательно, прочности соединения;

- увеличение относительной величины натяга N/S приводит к сужению зоны пластических деформаций втулки, локализующейся вблизи поверхности вала, росту ее плотности, увеличению контактных напряжений и прочности соединения;

- увеличение пористости приводит к возрастанию растягивающих напряжений, ослаблению металлического каркаса, что вызывает разуплотнение поверхностных слоев и дальнейший разрыв втулки.

3. Разработана математическая модель, описывающая влияние натяга и толщины стенки втулки в прессовых соединениях «компактная деталь - порошковая деталь», отличающаяся тем, что в модели учтена пористость порошковой детали.

Практическая ценность. На основе полученных результатов исследования напряженно-деформированного состояния пористого материала предложена номограмма определения качества соединения компактных деталей с пористыми в зависимости от толщины стенки пористой детали.

Разработаны рекомендации по назначению натягов при сборке ступиц колес и роторов датчиков АВС автомобиля «КамАЗ» пяти наименований.

Личный вклад автора. Все основные результаты, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Достоверность результатов подтверждается использованием современных аттестованных методик исследования и оборудования, а также большого количества экспериментальных образцов, применением статистических методов обработки данных и результатами промышленного внедрения.

Апробация работы. Работа выполнялась в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) на кафедрах « Основы конструирования машин» и «Материаловедение и технология материалов». Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7-й международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия» (Минск, Беларусь, 2006 г.); на международной научно-технической конференции «Эффективные технологические процессы в металлургии, машиностроении и станкоинструментальной промышленности» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); на ежегодных научно-технических конференциях ЮРГТУ(НПИ) (2004-2009 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ (1 статья в ведущем рецензируемом научном журнале, включенном в перечень ВАК РФ, одна статья без соавторов).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, изложена на 157 страницах, включая 58 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 131 наименования и приложения на 6 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, отражены ее актуальность, основные направления и практическое значение, определены цель и задачи исследований.

В первой главе на основе обзора литературных источников рассмотрены различные виды получения прессовых соединений пористых материалов с учетом трения, износостойкости, а также влияния нагрева при сборке в сравнении с компактными. Для достижения требуемой прочности и эксплуатационной надежности прессового соединения необходимо обеспечить, прежде всего, достаточный уровень радиальных упругих деформаций. Неравномерность степени деформации компактного материала зависит от величины контактного трения, формы и соотношений размеров объекта деформации, формы и размера инструмента в зоне деформации. Ранее А.Я. Артамоновым, Д.А.Богословской, Б.А. Наумчевым было показано, что при использовании в сборке порошковых материалов необходимо учитывать наличие пористости, которая при прочих равных условиях оказывает первостепенное влияние на величину допусков при назначении посадки с натягом сопрягаемых порошковых и компактных деталей.

Деформация пористых тел имеет существенные отличия в сравнении с компактными. Это обусловлено, прежде всего, наличием исходной и изменяющейся в процессе деформации пористости заготовки (Ю.Г. Дорофеев, А.Я. Красовский, В.Д. Кальнер, Е.В. Перельман, Г.Г. Сердюк, М.Б. Штерн и др.). Уплотнение происходит не только за счет деформации самих частиц, но и за счет их перемещения в поры, что приводит к изменению объема деформируемого тела.

Прочность прессовых сопряжений зависит от величины натяга, состояния материала сопрягаемых деталей, метода осуществления прессовых посадок, геометрических параметров (толщины стенки и длины охватывающей детали), величины шероховатости сопрягаемых материалов, погрешности форм деталей. Появление напряжений упругого сжатия на поверхности детали (втулки), противолежащей к их контактной поверхности, приводит к повышению нагрузочной способности пористого порошкового материала, поскольку, он весьма чувствителен к схеме и характеру действующих нагрузок.

Анализ литературных данных показал, что перспективы использования деталей различных типоразмеров, получаемых методами порошковой металлургии в процессе образования прессовых соединений с компактными, требуют более полного изучения изменения их свойств и структуры. Также, в литературе отсутствуют данные о величине объемных изменений пористых деталей и рекомендации по выбору допусков для порошковых деталей с учетом масштабного фактора, обеспечивающие необходимую прочность соединения с компактными.

Вторая глава представляет характеристики используемых материалов, описание технологического и исследовательского оборудования, методики проведения экспериментов.

В качестве основных материалов для исследуемых образцов использовали железный порошок марки ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86), графит карандашный ГК-3 (ГОСТ 17022-81), стеарат цинка марки С (ТУ 6-09-17-316-96). Технология изготовления образцов втулок с наружным диаметром 48 мм, высотой 15 мм и внутренними диаметрами 24; 28; 32; 36; 40; 44 мм включала двустороннее статическое холодное прессование (СХП) в стальных пресс-формах на гидравлическом прессе ПГ-125 и спекание в печи в среде диссоциированного аммиака при температуре 1150 0С, время спекания 2,0 ч. Компактные валы и обоймы изготавливались из стали 20 Х (ГОСТ 4543-71 ) (закалка + средний отпуск, HRC 40…45). Угол заходного конуса вала составлял 80. Эксперименты включали напрессовку и запрессовку спеченных образцов на компактные валы и в обоймы с различной пористостью и величиной натяга N0 = 0,2…0,8 мм с последующей распрессовкой. Для исследования остаточных напряжений (ОН) применялся механический метод исследования ОН в напряженных кольцевых объектах, предложенный Н.Н. Давиденковым. Модуль упругости кольцевых порошковых объектов исследовали путем возбуждения изгибных колебаний и определения резонансной частоты. Оценка напряжений проводилась на портативном рентгеновском дифрактометре серии ДРП «РИКОР»*. Для расчета периода решетки, проводилась съемка образцов на дифрактометре ДРОН-3 в Со-К излучении. Снятие слоев материала осуществлялось с помощью электролитического травления. Содержание углерода в исследуемых образцах определяли с помощью газоанализатора ГОУ-1. Металлографические исследования проводили на микроскопе «Neophot-21». Микротвердость материала измеряли на микротвердомере ПМТ-3.

В третьей главе представлены результаты исследований оценки качества соединения порошковой втулки различной толщины с компактными деталями. Известно, что прочность соединения с натягом обеспечивается упругими напряжениями, возникающими при прессовых посадках. Изменение пористости по сечению детали и механических свойств металлической матрицы материала приводит к изменению ее упругих характеристик. Качество прессового сопряжения при этом оценивается коэффициентом прочности соединения К нп(зп)= Ррп/Рнп(Рзп). Усилия напрессовки (запрессовки) Рнп(Рзп) и распрессовки Ррп возрастают по мере увеличения содержания углерода, увеличения толщины и натяга, уменьшения пористости. Максимальное усилие Рнп = 64 кН наблюдается у втулок, напрессованных на компактный вал с натягом 0,8 мм, толщиной стенки S = 12 мм и содержанием углерода 0,6 %.

При всех натягах и толщинах стенки втулки с увеличением пористости от 10 % до 25 %, усилия напрессовки Рнп и коэффициент прочности соединения Кнп уменьшаются, за исключением втулок с толщиной стенки S = 2 мм которые при П = 25 % и N0 > 0,4 мм разрушаются. Увеличение натяга приводит к росту тангенциальных составляющих усилия напрессовки. Величины напряжений, возникающих под их действием, определяются с ростом пористости увеличивающейся степенью деформации. Она приводит к упрочнению материала, причем чем выше содержание углерода С, тем упрочнение больше. При достижении критических значений напряжений ( > *) втулки малой толщины разрушаются. Зависимости Кнп = f (N ; S ; C), имеют сложный характер с наличием экстремальных значений Кнп(рис.1).

Минимальное значение Кнп наблюдается при N = 0,2 мм, S = 2-4 мм, C = 0%, независимо от пористости втулок, и максимальное в интервале N = 0,6-0,8 мм; S = 8-12 мм, C = 0,6 %.

По результатам трехфакторных экспериментов, оценивающих влияние натяга, толщины стенки, содержания углерода и пористости на прочность соединения, влияние пористости признано статистически не значимым. Коэффициент прессового соединения в зависимости от толщины стенки S и натяга N описывается математической моделью

. (1)

Коэффициент прессового соединения в зависимости от содержания углерода C и натяга N описывается математической моделью

. (2)

Из уравнений регрессии видно, что основное влияние на качество прессового соединения оказывает натяг. Это объясняется тем, что величина натяга в большей степени определяет объем уплотненного слоя, прилегающего к приконтактной зоне, что приводит к росту упругих деформаций, обеспечивающих прочность соединения.

Характер изменения размеров при запрессовке пористых втулок в стальные обоймы отличается. В отличие от напрессовки, внутренняя поверхность втулки в данном случае является неконтактной. При запрессовке порошковой пористой втулки в стальную обойму наблюдается уменьшение внутреннего диаметра, которое составляет 25-54 % и 4-10 % с толщинами стенки до и свыше 6мм, соответственно. Из этого следует, что усилия запрессовки расходуются, главным образом, на общую деформацию объема всей втулки, что приводит к недостаточному уплотнению поверхностного слоя образца и ослаблению прочности сопряжения его с обоймой. В большей мере это касается тонкостенных образцов. Прочность соединения при малых натягах (0,2-0,4 мм) для толстостенных порошковых втулок с пористостью 10-15 % выше (Кзп = 0,70), чем у более пористых образцов (Кзп = 0,60). Оценка изменения размеров втулок и расчет пластических и упругих деформаций показали, что и при напрессовке и при запрессовке с увеличением натяга деформации, как по наружному, так и по внутреннему диаметру возрастают. Отмеченные закономерности связаны, естественно, с наличием пористости в порошковом материале.

При напрессовке с уменьшением толщины стенки втулки пластические деформации по наружному Dпл и по внутреннему dпл диаметрам увеличиваются при одинаковом значении пористости и при всех значениях натяга. Использование втулок большого диаметра при малых толщинах стенок характеризуется неоднородной деформацией между центральными и периферийными объемами пористого материала. В центре кольцевого сечения пластическая деформация меньше, а на участках, близким к кромкам больше. У толстостенных образцов (S = 8-12 мм) пластические деформации по наружному диаметру очень малы по сравнению с деформациями, полученными на внутренних поверхностях втулки. Перемещаясь от внутреннего диаметра к наружному, пластические деформации постепенно рассеиваются и толщины образца достаточно для того, чтобы погасить процесс деформирования, не затрагивая внешних объемов образца, свободных от напрессовки. По результатам экспериментов построены математические модели, описывающие влияние факторов варьирования на пластические и упругие деформации.

При запрессовке характер распределения пластических деформаций в зависимости от натяга аналогичен напрессовке и имеет практически прямолинейную зависимость, увеличение деформации прямо пропорционально натягу.

Величины упругих а, следовательно, и пластических деформаций при одинаковом химическом составе и постоянной пористости определяется объемом уплотненного материала, участвующего в общей деформации, который зависит от размеров сопрягаемых порошковых изделий, т.е. от масштабного фактора. В качестве масштабного фактора использовали величину относительного натяга N/S, где N натяг, мм; S толщина стенки втулки, мм.