Исследование внутренних напряжений корпуса шестеренного насоса типа НШ-У восстановленного пластическим деформированием и упрочненного МДО

Анализ литературных данных показал, что внутренние напряжения оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства деталей. Внутренние напряжения сжимающего типа увеличивают усталостные характеристики деталей, тогда как растягивающие резко их снижают [1].

Внутренние напряжения в детали, восстановленной пластической деформацией, до и после упрочнения, а также в упрочняющем покрытии определяли с помощью портативного рентгеновского дифрактометра ДРП-3. Для проведения исследований использовали продольно распиленный восстановленный обжатием корпус шестеренного насоса НШ-32У-2. Пластическое деформирование корпуса осуществляли в специальной лепестковой пресс-форме на гидравлическом 100тонном прессе (рис. 1). Для этого корпус нагревали в электропечи с терморегулятором до температуры 480...500°С и выдерживали в течение 30...40 мин. После чего его устанавливали в блок матриц при верхнем положении ползуна пресса. При движении ползуна вниз пуансон вводится в корпус насоса, а при нажатии верхней плиты на лепестки пресс-формы они перемещаются вниз по внутренней конической поверхности корпуса пресс-формы и тем самым обжимают корпус насоса. При движении ползуна вверх пуансон выводится из корпуса насоса. Выталкиватель выталкивает лепестки из корпуса пресс-формы вместе с обжатым корпусом насоса. Обжатие заканчивали при температуре не ниже 440ºС, иначе резко снижалась пластичность сплава. После обжатия деталь подвергали термической обработке. Корпус помещали в печь и выдерживали 15…30 мин при температуре 520...535°С, а затем закаливали в воде, нагретой до температуры 50...80°С. Закаленный корпус подвергали отпуску в течение 1,5 ч при температуре 240...250°С. Далее проводили механическую обработку детали температура которой не превышала 50оС. Затем осуществляли упрочнение МДО на режимах: плотность тока – 20…25 А/дм2, продолжительность оксидирования – 2 ч, температура электролита – 20ºС; состав электролита: КОН – 3 г/л, Na2Si03 – 14 г/л, остальное дистиллированная вода. После чего сформированное покрытие стравливали 48%-ным раствором фтористоводородной (плавиковой) кислоты [7…15].

Рисунок 1 – Схема обжатия корпуса шестеренного насоса НШ-32У-2:

1 – станина пресса; 2 – корпус пресс-формы; 3 – лепестки пресс-формы; 4 – корпус насоса; 5 – внутренний пуансон; 6 – верхняя плита; 7 – основание пресс-формы; 8 – выталкиватель

Для исследования внутренних напряжений восстановленной детали использовали портативный рентгеновский дифрактометр серии ДРП, который является прибором третьего поколения данной серии (рис. 2). Он создан на основании многолетнего опыта работы, накопленного в Московском государственном институте стали и сплавов в области неразрушающего контроля изделий из кристаллических материалов. За счет особенностей своей конструкции дифрактометр ДРП-3 обеспечивает возможность определения остаточных и действующих внутренних напряжений в деталях и конструкциях различного назначения при их изготовлении, эксплуатации и ремонте. ДРП-3 позволяет последовательно определять напряжения в заданных направлениях (метод "синус квадрат пси"), а также сумму главных напряжений в поверхностном слое металла деталей и конструкций. В состав ДРП-3 входит гониометр, блок управления и компьютер типа Notebook. Определение напряжений рентгеновским методом основано на явлении дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке материала детали или конструкции. Рентгеновский дифракционный метод является единственным прямым методом определения напряжений.

В реальных поликристаллических металлах и сплавах, исключая литое состояние с большим размером зерна, в формировании дифракционного пика участвует от 100 до 10000 зерен. Для различных металлов и сплавов поверхностный слой, который формирует дифракционный пик, имеет глубину от 5 до 250 мкм.

Контроль соответствия угловых положений пиков их истинному положению осуществляется по Государственному стандартному образцу периода решетки. Оперативная проверка истинности получаемых данных осуществляется при проведении исследований по техническому стандартному образцу, который не имеет остаточных напряжений.

Рисунок 2 – Общий вид дифрактометра ДРП-3

Настройка гониометра для выполнения условий точной фокусировки производится с помощью лазерного устройства установки фокуса. Точность определения положения пика (угла дифракции) составляет 0,01 градуса/канал, 190 каналов/градус. Точность определения значений остаточных напряжений составляет

Результаты измерения остаточных внутренних напряжений восстановленного корпуса НШ-32У-2 в продольном направлении показали, что в измеряемых зонах присутствуют напряжения сжимающего типа, которые составляют -20…-50 МПа (рис. 3). Установлено, что при формировании покрытия способом МДО остаточные внутренние напряжения в детали изменяются от -20 до -60 МПа. Очевидно, это связано с температурным воздействием, которое оказывают микродуговые разряды на металл при оксидировании. Остаточные напряжения в самом покрытии являются сжимающими и составляют -310 МПа, что объясняется соответствующим фазовым составом покрытия, исследования которого проводились в работах [2, 3, 4]. Анализ научных работ, посвященных изучению влияния внутренних напряжений на долговечность деталей, показал, что получающиеся после упрочнения МДО напряжения сжатия в покрытии должны повысить износостойкость изделий [5, 6].

Рисунок 3 – Средние значения измеренных остаточных внутренних напряжений в корпусе насоса НШ-32У-2, восстановленного пластическим деформированием и упрочненного МДО