РАЗДЕЛ 2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА И ОСНОВНЫЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Материал исследования
В качестве материала при проведении исследований использовали модифицированный магнием (Mg) высокопрочный чугун с шаровидной формой включений графита. Этот чугун разработан для изготовления коленчатых валов тепловозных дизелей типа Д100 мощностью 2200 кВт и имеет следующий химический состав - масс. %: 2,8...3,8 C; 1,8...2,2 Si; 0,5...1,45 Mn; 0,4...0,6 Ni; ? 0,15 Cr; ? 0,1 P; ? 0,025 S; 0,04...0,1 Mg; основа - Fe. Механические свойства материала коленчатых валов по ТУ: ув ? 500 МПа, д ? 1,0 %, НВ 207...302.
Изучали также высокопрочный легированный чугун с шаровидным графитом (масс. %: 3,4...3,9 C; 1,9...2,5 Si; 0,8...1,25 Mn; 0,5...1,0 Ni; 0,2...0,5 Mo; 0,05...0,1 Mg; ? 0,1 Cr; ? 0,05 P; ? 0,02 S; основа - Fe), который применяется для изготовления коленчатых валов транспортных дизелей с повышенной мощностью (до 2950 кВт) типа Д70 и Д80. Механические свойства материала в соответствии с ТУ: ув ? 600 МПа, д ? 1,0 %, НВ 269...321.
Представленные чугуны для изготовления коленчатых валов разработаны на ГП "Завод имени В.А. Малышева" в результате длительных экспериментальных лабораторно-производственных исследований с последующими эксплуатационными испытаниями непосредственно на транспортных дизелях. Проведение данных работ было обусловлено необходимостью обеспечения высоких прочностных характеристик, износостойкости и сопротивления усталости крупных коленчатых валов транспортных дизелей. Заданные значения указанных характеристик не достигались при использовании для литья валов высокопрочных чугунов, регламентируемых ГОСТ.
2.2. Методики проведения исследований
При решении поставленных в работе задач применен комплексный подход с привлечением широкого спектра методов исследования. Использовались как стандартные методы, так и оригинальные, которые будут описаны более подробно. Для исследования структурно-фазового состава и твердости применяли методы металлографического, рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов, электронной микроскопии. При исследовании эксплуатационных характеристик валов использовали оригинальные методики определения напряженного состояния материала, характеристик усталости и износостойкости. Обработку результатов испытаний производили с применением методов математической статистики. Сопротивление усталости и износостойкость упрочненных коленчатых валов оценивали путем эксплуатационных испытаний.
2.2.1. Методики структурных исследований. Исследованиям подвергали высокопрочный чугун с шаровидным графитом в состоянии после ранней выбивки, ППД, локальных упрочняющих термических обработок и комбинированного упрочнения, базирующегося на сочетании локальной термической обработки с последующим ППД.
Изучение состояния поверхности образцов и макроструктуры выполняли с использованием стереоскопического микроскопа МБС-10 при увеличении Ч 8...100. Микроструктуру исследовали с помощью металлографических микроскопов МИМ-7, МИМ-8, "Neophot-21" на поперечных и "косых" шлифах в диапазоне увеличений Ч 100...1000. Шлифы изготавливали на алмазных пастах без применения водных эмульсий. Для выявления микроструктуры применяли химическое травление микрошлифов в 5% растворе азотной кислоты (HNO3) и 4% растворе пикриновой кислоты в этиловом спирте. Фазовый состав упрочненной зоны определяли методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-3. Количество остаточного аустенита оценивали по соотношению интенсивности линий ‹222› г и ‹220› бм. Измерение твердости поверхности производили по методу Виккерса на приборе ТП-7р при нагрузке 490 и 980 Н, а также стандартными методами Бринелля и Роквелла. Микротвердость чугуна измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,98 Н по стандартной методике (ГОСТ 9450-76) на поперечных микрошлифах и непосредственно по поверхности образцов. Абсолютная погрешность при определении микротвердости составляла ± 49 МПа.
2.2.2. Методика микрорентгеноспектральных исследований. Микрорентгеноспектральный анализ образцов с ЭИЛ осуществляли с помощью рентгеновского микроанализатора МАР-3. Определяли наличие и распределение элементов, входящих в состав легирующего электрода, в поверхностных слоях упрочняемых чугунных образцов, а также глубину слоев с измененным химическим составом.
2.2.3. Методика определения триботехнических характеристик (испытания на износостойкость). В работе исследовали влияние вида упрочняющей обработки на триботехнические характеристики высокопрочного чугуна. Испытания на износостойкость выполняли в паре с материалами подшипников: баббитом (Б2), свинцовистой бронзой (БрC30 с приработочным покрытием Pb - Sn - Cu) и алюминиевым сплавом АО20-1. При проведении исследований использовали машину трения СМЦ-2 и специально созданный стенд ИПС-2.
Образцы-втулки Ш 80 мм и длиной 70 мм испытывали по схеме "вал - вкладыш" на стенде ИПС-2 в течение 50 ч. Скорость скольжения составляла 8 м·с-1, нагрузка 500 Н, смазка - масло М14В2. Втулки изготавливали из материала коленчатого вала, кольца - из материала подшипника. В процессе испытаний проводили непрерывное измерение и регистрацию силы трения. Износ образцов определяли методом взвешивания на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. Интенсивность изнашивания образцов рассчитывали по формуле:
, (2.1)
где Q - потеря массы образцов, г; с - плотность материала, г/см3; S - геометрическая площадь контакта, см2; L - путь трения.
Испытания на машине трения СМЦ-2 по схеме "ролик - колодка" осуществляли в течение 10 ч при скорости скольжения 1,3 м·с-1, контактном давлении 5 МПа и смазке маслом М14В2.
Ролики диаметром 50 мм перед испытаниями полировали (параметр шероховатости 0,32...0,16 мкм). Контртелом служили колодки, изготовленные из материала вкладыша. Определяли износостойкость по отношению к контртелу, зависимость коэффициентов трения от нагрузки при ступенчатом нагружении,