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.
