Russian Federation
UDK 621.83 Механизмы. Передачи (механические). Кулачковые механизмы. Направляющие
The paper is devoted to the selection of methods for determining the materials used for the manufacture of roller drive in the framework of import substitution. Modern research methods were used such as optical and scanning electron microscopy, microhardness measurements using an automatic microhardness tester. As a result of measuring the microhardness of the roller drive material, the authors obtained an increase from 779HV in the center to 835HV on the teeth of the part. Based on metallographic studies, the microstructure of fine-needled martensite with well-defined chains of chromium, molybdenum, and vanadium carbides with a microhardness of 1200…1500 HV has been obtained. In case of microrentgenospectral analysis using a TESCAN LYRA 3 scanning electron microscope with the Ultim MAX microanalysis system, information was obtained on the point chemical composition of the sample material, traces of precipitation of carbides from a matrix with low visco-plastic properties were observed. Recommendations are given on suitable domestic analog materials. The research results can be used in constructive solutions for the design and modernization of machines and mechanisms.
roller, roller drive, linear actuator, microhardness, chemical composition, microstructure
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. Aleksanin S.A. et al. Prospects for the development of technology and the market for drive solutions: where is the drive heading // Modern control technologies. 2013. No. 11 (35). P. 1–12.
2. Uvarov M.M., Magdiev R.R. Algorithm for developing the technology for manufacturing a roller-screw transmission part on a Swiss-type lathe // Metalworking. 2014. No. 4 (82). P. 45–49.
3. Electromechanical drives [Electronic resource] URL: https://szd-e.ru/elektromekhanicheskie-privody-emp/ (accessed 06.10.2024).
4. Industry – Exlar [Electronic resource] URL: https://www.cw-actuation.com/en-gb/industries (date of access 06.10.2024).
5. Roller screw drives SKF catalog [Electronic resource] URL: https://avsnab.ru/uploads/manufacturer_document/file/699/RVP_SKF.pdf (date of access 06.10.2024).
6. Ivanenko A.O., Tulkova I.A., Uvarov M.M. Technological features of nitriding of threaded surfaces of critical parts of an electromechanical drive // Bulletin of higher educational institutions. Instrument engineering. 2018. Vol. 61. No. 4. P. 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. Vol. 72. Pp. 1455–1463.
8. Kuksenova L.I., Alekseeva M.S., Kozlov D.A. Dependence of performance indicators of nitrided steels on the structural state of the surface layer // Science intensive technologies in mechanical engineering. 2023. No. 3 (141). Pp. 23–37. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-23-37. EDN BRVZVU.
9. Petrova L.G., Belashova I.S. Gas-cyclic processes of chemical-thermal treatment: regulation of the structure of the nitrided layer in iron and steels // Science intensive technologies in mechanical engineering. 2024. No. 7 (157). P. 3–14. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2024-3-14. EDN SOPPKT.
10. Atlas of microstructures of ferrous and non-ferrous metals and alloys: a teaching aid for university students of the group of specialties 74 06 Agroengineering / BSATU, Department of Metal Technology; [compiled by: A. A. Andrushevich et al.]. Minsk, 2012. 97 p.
11. High-speed tool steel [Electronic resource] URL: https://markmet.ru/strukturi-stalei/386 (date of access 10/21/2024).
