Как дробеструйное упрочнение влияет на усталость

Что на самом деле меняет дробеструйное упрочнение

Дробеструйное упрочнение — это не операция очистки, и путаница с абразивной очисткой является самой частой причиной того, что упрочнённая деталь всё равно выходит из строя. Абразивная очистка режет: угловатая частица срезает окалину и оставляет шероховатую, но чистую поверхность. Удар при дробеструйной обработке работает иначе. Небольшая сферическая дробь пластически деформирует неглубокий объём металла, растягивая поверхностный слой в стороны. Этот растянутый слой сдерживается упругим материалом, лежащим под ним, поэтому после отрыва дроби окружающий материал сжимает его и оставляет в состоянии сжатия.

Если эти удары повторяются, отдельные отпечатки сливаются в сплошной слой остаточных сжимающих напряжений глубиной примерно от 0,1 до 0,5 мм в зависимости от размера дроби, интенсивности и твёрдости основного материала. Пик сжатия обычно находится чуть ниже наружной поверхности, а не на ней, и уравновешивается растягивающим напряжением меньшей величины в глубине сечения. Металл при этом не снимается, а поверхность в итоге получается более гладкой, чем после абразивной очистки, в области Ra от 3,2 до 12,5 мкм.

Тот же удар делает ещё две вещи. Он упрочняет слой, повышая твёрдость поверхности на 10–30 процентов у большинства металлов, а на цементированной стали может превращать остаточный аустенит поверхности в мартензит, добавляя ещё от 0,5 до 2 HRC. Работу по усталости выполняют именно остаточные напряжения.

Как это превращается в ресурс усталости

Трещина усталости почти всегда зарождается на свободной поверхности, где циклическое растягивающее напряжение максимально, а материал наименее стеснён. Остаточные сжимающие напряжения работают ровно против этого. На диаграмме Гуда рабочая точка смещается в сторону сжатия, а допустимое знакопеременное напряжение растёт.

Опубликованные значения достаточно велики, чтобы планировать по ним. Пружина сжатия из углеродистой стали EN 10270-1 DH, работающая между приведёнными напряжениями 104 и 727 МПа, рискует усталостным разрушением вскоре после 100 000 циклов; после дробеструйной обработки расчётный ресурс превышает 10 миллионов циклов. Исследование комитета SAE по проектированию и оценке усталости сообщало, что обычные сварные швы разрушались на 250 000 циклах, тогда как упрочнённые швы выдерживали более 2,5 миллиона. Для цементированных и закалённых зубчатых колёс интенсивное дробеструйное упрочнение, по сообщениям, повышало предел усталости при изгибе более чем на 30 процентов, а в отдельных случаях на 50–100 процентов.

Определяет это не одна настройка, и именно здесь производство чаще всего ошибается. Исследования стали AISI 4140 при вращающем изгибе показали, что ресурс усталости растёт с покрытием не монотонно. При 37 МПа лучший результат получился при покрытии 1000 процентов, прирост 797 процентов, тогда как при 44 МПа оптимум смещался к 400 процентам. При 1500 процентах ресурс падал на 33 процента по сравнению с случаем 1000 процентов. Шероховатость росла с Ra 0,20 до 6,15 мкм, а твёрдость — с 199 до 343 HV по мере роста покрытия от 100 до 1500 процентов, и остаточное напряжение достигало максимума -294 МПа при 100 процентах покрытия, но доходило до -503 МПа при 1500 процентах, ценой перераспределения напряжений и появления растягивающих участков вблизи поверхности. Больше упрочнения дало больше сжатия и меньше ресурс. Сжимающий слой со временем релаксирует и при повышенной рабочей температуре, поэтому выигрыш наиболее полно охарактеризован для деталей, работающих заметно ниже области ползучести.

Интенсивность и покрытие: две цифры на чертеже

Процесс дробеструйного упрочнения задаётся двумя независимыми параметрами, и их путаница — верный способ получить поверхность, которая выглядит правильно, а работает плохо.

Интенсивность измеряют на образцах Альмена: плоских пластинках из холоднокатаной пружинной стали SAE 1070 твёрдостью от 44 до 50 HRC, трёх типов, различающихся толщиной: A — 1,29 мм, N — 0,79 мм и C — 2,39 мм. Образец зажимают, обрабатывают по одной стороне, освобождают, а высоту дуги, которую он принимает, считывают на измерителе. Показания записывают как высоту дуги и тип образца: 0,012A означает 0,012 дюйма на образце A, при этом одно деление на образце C соответствует примерно 3,5 делениям на образце A. Формально интенсивность — это высота дуги в точке насыщения, которую SAE J443 определяет как время экспозиции, после которого удвоение времени добавляет к высоте дуги не более 10 процентов.

Покрытие — это доля фактически обработанной площади целевой поверхности. Это не мера интенсивности, и оно растёт не линейно со временем экспозиции: последние проценты непокрытой поверхности требуют непропорционально долгого времени, поэтому покрытие и считают экспоненциальной величиной. По отраслевой конвенции измеренные 98 процентов покрытия считаются полным покрытием, а требование 200 процентов означает удвоенное по сравнению с полным покрытием время экспозиции, что даёт запас против непрогнанных участков. Контроль ведут по флуоресцентному трассеру, наносимому перед обработкой и осматриваемому затем в ультрафиолете, где обработанные участки видно отчётливо.

Оба параметра задаются вместе. Типичные значения интенсивности составляют 0,008–0,014A для автомобильных витых и клапанных пружин и 0,012–0,020A для рессор грузовых автомобилей и прицепов. Производители оборудования указывают ту же величину в метрической высоте дуги: для обработки зубьев конических колёс обычны 0,38–0,50 ммA, а покрытие 200 процентов набирается за 45–60 секунд на одну партию. Когда приёмкой служит остаточное напряжение, а не высота дуги, опубликованные спецификации задают -500 МПа на глубине 0,02 мм ниже дна зуба и -950 МПа на глубине от 0,02 до 0,06 мм.

Где упрочнение ломается и что должна решать машина

• Переупрочнение — выход за квалифицированное окно покрытия повышает шероховатость, зарождает поверхностные микротрещины и способен отнять ресурс усталости, даже если измеренное сжимающее напряжение продолжает расти.
• Недостаточное упрочнение — неполное покрытие оставляет неоднородное поле сжимающих напряжений, и трещины зарождаются рано в нетронутых зонах.
• Разрушенная и овальная дробь в потоке — расколотые частицы не упрочняют, а режут. Классификация по гравитации отделяет по плотности, отделение по форме убирает несферичные частицы, а MIL-S-13165B задаёт максимальную долю недопустимых частиц.
• Плывущий запас дроби — по мере удаления пыли и битой дроби рабочая популяция должна пополняться автоматически, иначе фактическая интенсивность на детали за смену уходит от квалифицированного значения.
• Загрязнение железом — стальная дробь оставляет свободное железо на алюминии, нержавеющей стали и титане. Для этих материалов нужна стеклянная или керамическая дробь, и машина, гоняющая один материал по смешанной номенклатуре, рано или поздно что-нибудь загрязнит.
• Размер дроби против скругления дна зуба — диаметр дроби не должен превышать примерно половины радиуса скругления дна зуба, иначе отпечаток перестаёт соответствовать геометрии, заложенной в расчёт напряжений.
• Релаксация при эксплуатации — остаточные сжимающие напряжения снимаются со временем при повышенной температуре, поэтому квалификацию процесса и рабочую температуру нужно рассматривать вместе.

Всё это машина обязана обеспечить, и отличия от линии абразивной очистки вполне конкретны. Сепарация абразивов обычно выполняется трёхступенчатой: воздушная отмывка уносит пыль и фракции 0,1–0,2 мм, циклон забирает частицы 0,05–0,1 мм и снижает нагрузку на фильтр, а вибросито калибрует то, что возвращается на колесо. Пылеудаление остаётся отдельной функцией по отношению к сепарации абразива, и пыль от дробеструйной обработки представляет собой мелкую металлическую взвесь, которую тоже надо уловить. Такт задаёт экспозиция, а не длина камеры, поэтому цикл покрытия 200 процентов продолжительностью 45–60 секунд на партию определяет весь ритм линии. И образец Альмена должен находиться там, где расположена критическая поверхность, а значит оснастка и способ подачи детали становятся частью квалификации процесса. SIRDA Machinery строит непрерывные линии дробеструйной очистки и упрочнения под это время экспозиции, эту цепочку сепарации и тот такт, который у вас реально работает.