WPYW KULOWANIA NA RÓNE MATERIAY

Layout
26.07.2005
13:33 Uhr
10
D R U G I
STALE O WYSOKIEJ WYTRZYMA¸OÂCI
Napr´˝enia w∏asne Êciskajàce wytworzone w procesie kulowania sà wartoÊcià procentowà
wytrzyma∏oÊci na rozciàganie i ten procent wzrasta wraz ze wzrostem wytrzyma∏oÊci (twardoÊci).
Metale o wi´kszej wytrzyma∏oÊci/twardoÊci sà bardziej kruche i wra˝liwe na powstawanie karbów
powierzchniowych. Sk∏onnoÊci te mogà byç z∏agodzone poprzez zastosowanie technologii
kulowania, pozwalajàcej
na u˝ycie metali
o wysokiej
wytrzyma∏oÊci tam,
gdzie ∏atwo
o powstawanie
Kulowane g∏adkie lub z karbem
uszkodzeƒ. Podwozia
samolotów dzi´ki
kulowaniu mogà
Niekulowane z karbem (typowa
Niekulowane g∏adkie
przenosiç napr´˝enia
powierzchnia po obróbce
(polerowane)
skrawaniem)
o wartoÊci 2068 MPa.
Na rys. 2-1
przedstawiono
zale˝noÊç pomi´dzy
kulowaniem, a u˝yciem
materia∏ów o wysokiej
wytrzyma∏oÊci.
Bez kulowania
Wytrzyma∏oÊç na rozciàganie & twardoÊç (HRC)
optymalne w∏aÊciwoÊci
zm´czeniowe
Rys. 2-1 Wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa w funkcji wytrzyma∏oÊci
skrawanych cz´Êci
na rozciàganie i twardoÊci
stalowych sà osiàgane
przy twardoÊci ok.
30 HRC. Przy wy˝szej wytrzyma∏oÊci materia∏u obni˝a si´ jego wytrzyma∏oÊç zm´czeniowà ze
wzgl´du na wra˝liwoÊç na dzia∏anie karbu i kruchoÊç. Po wytworzeniu napr´˝eƒ Êciskajàcych
wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa wzrasta proporcjonalnie do wzrostu wytrzyma∏oÊci. Przy twardoÊci
52 HRC wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa kulowanej próbki wynosi 993 MPa, tj. ponad dwukrotnie
wi´cej ni˝ wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa niekulowanej, g∏adkiej próbki [2.3].
Wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa po 2 milionach cykli
WP¸YW KULOWANIA NA RÓ˚NE MATERIA¸Y
R O Z D Z I A ¸
Seite 10
Typowym przyk∏adem wykorzystywania materia∏ów o wysokiej wytrzyma∏oÊci i wzrostu w∏aÊciwoÊci
zm´czeniowych, wynikajàcych z kulowania, sà klucze udarowe i narz´dzia udarowe. Ponadto
wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa kulowanych cz´Êci nie ulega pogorszeniu w wyniku p∏ytkich zadrapaƒ,
które mogà byç szkodliwe dla niekulowanych stali o wysokiej wytrzyma∏oÊci [2.2.].
26.07.2005
13:33 Uhr
Seite 11
R O Z D Z I A ¸
Naw´glanie i w´gloazotowanie to procesy obróbki cieplno-chemicznej, w rezultacie których
otrzymuje si´ bardzo twarde powierzchnie, zazwyczaj o twardoÊci 55-62 HRC. KorzyÊci
z kulowania naw´glanych stali sà nast´pujàce:
o
o
Wysokie wartoÊci napr´˝eƒ Êciskajàcych ~ 1379 MPa lub wy˝sze,
Redukcja anomalii naw´glania wynikajàcych z utleniania mi´dzykrystalicznego powierzchni.
JeÊli po˝àdane jest osiàgni´cie maksymalnych w∏aÊciwoÊci zm´czeniowych cz´Êci z warstwà
naw´glanà lub w´gloazotowanà, zalecane jest u˝ywanie Êrutu o twardoÊci 55-62 HRC.
Przyk∏ad zastosowania
WA¸Y KORBOWE SILNIKÓW WYSOKOPR¢˚NYCH.
Wa∏y korbowe
4-cylindrowych silników
wysokopr´˝nych ulega∏y
stale uszkodzeniom przy
próbach z maksymalnym
obcià˝eniem silnika.
Badania wykaza∏y, ˝e
naw´glanie gazowe
i kulowanie czopów
korbowych da∏o najlepsze
rezultaty zm´czeniowe
(rys. 2-2). Azotowanie
i kulowanie okaza∏o si´
tak˝e korzystniejsze ni˝
powi´kszenie Êrednicy
czopa korbowego [2.3].
Naw´glane i kulowane
Tylko azotowane
Tylko
naw´glane
Azotowane
i kulowane
Liczba cykli do zniszczenia
przy ró˝nych obcià˝eniach zewn´trznych
Rys. 2-2 Porównanie wytrzyma∏oÊci czopów korbowych
azotowanych i kulowanych oraz
ODW¢GLENIE
Odw´glenie to redukcja zawartoÊci w´gla z powierzchni stopów ˝elaza w wyniku obróbki
termicznej. Wykazano, ˝e odw´glenie mo˝e obni˝yç wytrzyma∏oÊç zm´czeniowà stali o wysokiej
wytrzyma∏oÊci (1 650 MPa i wy˝ej) o 70% - 80%, a stali o ni˝szej wytrzyma∏oÊci
(965 - 1030 MPa) o 45% - 55% [2.4, 2.5 i 2.6].
Odw´glenie jest zjawiskiem wyst´pujàcym w warstwie wierzchniej i jego wp∏yw na w∏aÊciwoÊci
wytrzyma∏oÊciowe nie jest ÊciÊle zwiàzany z g∏´bokoÊcià wyst´powania zjawiska. Odw´glanie na
g∏´bokoÊç 0,0762 mm (0,003“) mo˝e wp∏ywaç tak samo szkodliwie na wytrzyma∏oÊç zm´czeniowà
jak i odw´glanie na g∏´bokoÊç 0,762 mm (0,030“) [2.4, 2.5 i 2.6].
D R U G I
WP¸YW KULOWANIA NA RÓ˚NE MATERIA¸Y
STALE W¢GLOWE
Obcià˝enia dynamiczne
Layout
11
Layout
26.07.2005
13:33 Uhr
WP¸YW KULOWANIA NA RÓ˚NE MATERIA¸Y
R O Z D Z I A ¸
Seite 12
D R U G I
Kulowanie okaza∏o si´ byç technologià przydatnà dla przywrócenia w du˝ym stopniu wytrzyma∏oÊci
zm´czeniowej utraconej w procesie odw´glania [2.7]. Przy du˝ych partiach wyrobów nie jest ∏atwo
wykryç te z warstwà odw´glonà, dlatego te˝ poprzez kulowanie mo˝na zapewniç jednorodnoÊç
wszystkich cz´Êci w przypadku, gdy mo˝emy si´ spodziewaç wystàpienia odw´glenia. Je˝eli na
cz´Êciach o wysokiej twardoÊci (58 HRC), po kulowaniu ujawniajà si´ nietypowe powierzchnie
o zwi´kszonej chropowatoÊci to nale˝y domniemywaç, ˝e na powierzchniach tych nastàpi∏o
odw´glenie.
Odw´gleniu cz´sto towarzyszy niepo˝àdane wyst´powanie austenitu szczàtkowego. Obróbka
powierzchniowa na zimno, jakà jest kulowanie, redukuje procentowà zawartoÊç austenitu
szczàtkowego w warstwie wierzchniej.
Przyk∏ad zastosowania.
REDUKOWANIE AUSTENITU SZCZÑTKOWEGO – STAL
NAW¢GLANA 5120, KULOWANA Z INTENSYWNOÂCIÑ 0,36 A
G∏´bokoÊç [cal]
0.0000
0.0004
0.0008
0.0012
0.0016
0.0020
0.0024
0.0028
0.0039
0.0055
G∏´bokoÊç [mm]
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.10
0.14
Austenit szczàtkowy
[%]
Niekulowane
Kulowane
5
7
14
13
14
14
15
15
15
12
3
4
5
6
7
7
8
9
10
10
[2.8]
˚ELIWO SFEROIDALNE HARTOWANE IZOTERMICZNIE
Podwy˝szenie w∏aÊciwoÊci wytrzyma∏oÊciowych ˝eliwa sferoidalnego (ADI) pozwoli∏o na
zastàpienie nim w niektórych przypadkach stalowych odkuwek, odlewów i cz´Êci przeznaczonych
do spawania. ADI ma wysokà wytrzyma∏oÊç przy niewielkim ci´˝arze w∏aÊciwym oraz doskona∏e
parametry odpornoÊci na zu˝ycie. ADI zastàpi∏o tak˝e aluminium w przypadkach cz´Êci
o wymaganej wysokiej wytrzyma∏oÊci, poniewa˝ w stosunku do aluminium ma ono co najmniej trzy
razy wi´kszà wytrzyma∏oÊç przy ci´˝arze tylko 2,5 razy wi´kszym. Po zastosowaniu kulowania
dopuszczalna wytrzyma∏oÊç ADI na zginanie mo˝e byç podwy˝szona do 75%. Powoduje to, ˝e
pewne gatunki ADI po kulowaniu majà podobne w∏aÊciwoÊci wytrzyma∏oÊciowe jak stal do
naw´glania, u˝ywana na ko∏a z´bate [2.9].
˚ELIWO
W ostatnich latach wzrasta zapotrzebowanie na cz´Êci z ˝eliwa sferoidalnego, które sà w stanie
znieÊç stosunkowo wysokie obcià˝enia zm´czeniowe. Powierzchnie odlewanych cz´Êci ˝eliwnych
cz´sto nie podlegajà obróbce wiórowej. ObecnoÊç pewnych wad na powierzchni odlewu w postaci
porów, popio∏u lub grafitu p∏atkowego mo˝e znacznie zredukowaç w∏aÊciwoÊci zm´czeniowe
nieobrobionego perlitycznego ˝eliwa sferoidalnego. Granica wytrzyma∏oÊci zm´czeniowej materia∏u
bez karbów mo˝e byç obni˝ona nawet o 40%, w zale˝noÊci od tego jak liczne i du˝e wady
wyst´pujà na powierzchni odlewu.
12
26.07.2005
13:33 Uhr
Seite 13
R O Z D Z I A ¸
STOPY ALUMINIUM
Tradycyjne stopy aluminium o wysokiej wytrzyma∏oÊci (seria 2000 & 7000) u˝ywane by∏y przez lata
w przemyÊle lotniczym ze wzgl´du na ich wysokie w∏aÊciwoÊci wytrzyma∏oÊciowe i niewielki ci´˝ar.
Ni˝ej wymienione stopy aluminium okaza∏y si´ bardziej przydatne w trudnych lotniczych
i kosmicznych warunkach pracy i równie dobrze poddajà si´ kulowaniu:
o
o
o
Stop aluminum z litem (Al-Li)
Kompozytowe stopy aluminium o w∏aÊciwoÊiach izotropwych (MMC)
Stop aluminum z krzemem (Al-Si) Duraluminium
Przyk∏ad zastosowania
ALUMINIUM O WYSOKIEJ WYTRZYMA¸OÂCI AL7050-T7651
Próbki do badaƒ
zm´czeniowych zosta∏y
wykonane ze stopu
o wysokiej wytrzyma∏oÊci
Al7050-T7651. Kulowane
by∏y wszystkie
powierzchnie badane.
Kulowane
Próby zm´czeniowe
prowadzone by∏y
w warunkach
czteropunktowego zginania
przy obcià˝eniach
wahad∏owych;
wspó∏czynnik asymetrii
Niekulowane
cyklu R = -1. Na rys. 2-3
przedstawiono typowy
wykres Wehlera (wartoÊci
Liczba cykli do zniszczenia
napr´˝eƒ w funkcji liczby
cykli) dla próbek
Rys. 2-3 Typowy wykres Wehlera (wartoÊci napr´˝eƒ w funkcji
kulowanych
liczby cykli) dla próbek kulowanych i niekulowanych
i niekulowanych. W wyniku
ze stopu aluminium 7050-T7651
kulowania uzyskano wzrost
granicy wytrzyma∏oÊci zm´czeniowej próbek o 33%. Nawet w warunkach pracy gdy wartoÊç
wspó∏czynnika asymetrii cyklu znajduje si´ w przedziale mi´dzy umownà granicà plastycznoÊci,
a wytrzyma∏oÊcià zm´czeniowà, wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa wzrasta o wspó∏czynnik z 2.5 do
oko∏o 4.
D R U G I
WP¸YW KULOWANIA NA RÓ˚NE MATERIA¸Y
Kulowanie mo˝e znaczàco poprawiç w∏aÊciwoÊci wytrzyma∏oÊciowe, gdy wady na powierzchni
odlewu sà niewielkie. Przyk∏adem zastosowania obróbki kulowania jest tuleja cylindrowa silnika
Diesla. Przy najwy˝szej intensywnoÊci kulowania, którà zastosowano do badanych cz´Êci, ich
wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa by∏a o 6% ni˝sza ni˝ wytrzyma∏oÊci uzyskana przy badaniu
obrobionych mechanicznie próbek zm´czeniowych. Mo˝na to porównaç do zmniejszenia o 20%
wytrzyma∏oÊci zm´czeniowej uzyskanej przy badaniu próbek odlewanych, nieobrabianych
i niekulowanych.
Optycznie kulowanie powierzchni odlewanych daje efekt ujednorodnienia i wyg∏adzenia
powierzchni.
Maksymalne przy∏o˝one napr´˝enia
Layout
13
13:33 Uhr
WP¸YW KULOWANIA NA RÓ˚NE MATERIA¸Y
R O Z D Z I A ¸
Seite 14
D R U G I
TYTAN
Zm´czenie wysokocyklowe
(HCF) – HCF tytanu jest
przedstawione na rys. 2-4, na którym
porównano mo˝liwoÊci
wytrzyma∏oÊciowe korbowodów ze
stopów tytanu w wysokopr´˝nych
silnikach europejskich samochodów
sportowych. Wa∏y by∏y wykonane
ró˝nymi technologiami.
Po zastosowaniu kulowania
wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa
wzros∏a o ok. 20%. Ci´˝ar wa∏ów
wykonanych z tytanu obni˝y∏
si´ o ok. 40% w porównaniu
z wa∏ami stalowymi [2.12].
Zm´czenie niskocyklowe (LCF) Tak jak i w przypadku innych metali,
w badaniach niskocykloych
wytrzyma∏oÊç po kulowaniu wzrasta.
Kulowanie powoduje, ˝e obcià˝ona
cz´Êç jest w stanie przenieÊç wi´kszà
liczb´ cykli obcià˝eƒ. Jest to
przedstawione graficznie
przebiegiem krzywych na
rys. 1-4 i 2-5.
Na rys. 2-5 przedstawiono wyniki
kulowania po∏àczeƒ wpustowych
typu jaskó∏czy ogon w wale
obrotowym silnika [2.13].
Przedstawiono dwie bazowe krzywe
obcià˝eƒ bez kulowania. Krzywa
bazowa, która poczàtkowo mia∏a
wi´cej cykli do wystàpienia
p´kni´cia, po zastosowaniu
kulowania reagowa∏a znacznie
lepszym wynikiem. Nale˝y
zauwa˝yç, ˝e krzywe obrazujàce
wzrosty wytrzyma∏oÊci zm´czeniowej
majà postaç krzywych
wyk∏adniczych.
Kulowany
Maksymalne obcià˝enie
26.07.2005
Polerowany
Stan surowy
Liczba cykli do zniszczenia
Rys. 2-4 Porównanie wytrzyma∏oÊci zm´czeniowej tytanu
polerowanego i tytanu kulowanego (tytan Ti6A14V)
Przy∏o˝one obcià˝enie
Layout
Kulowane
Stan surowy
Liczba cykli w zm´czeniu niskocyklowym do powstania p´kni´cia
Rys. 2-5 Efekty wytrzyma∏oÊciowe w badaniach niskocyklowych cz´Êci z karbem, wykonanych z Ti8-1-1, kulowanych.
Obrotowe cz´Êci turbin (tarcze, wa∏y
itp.), z wyjàtkiem ∏opatek, sà najcz´Êciej badane w warunkach zm´czenia niskocyklowego. Cz´Êci
te sà kulowane aby podwy˝szyç ich trwa∏oÊç. Ka˝dy start i làdowanie sà uwa˝ane za jeden cykl
obcià˝eniowy.
MAGNEZ
Stopy magnezu nie sà cz´sto stosowane do wyrobu cz´Êci nara˝onych na zm´czenie.
W przypadku gdy w eksploatacji wa˝ny jest ci´˝ar cz´Êci to w wyrobach z magnezu mogà byç
zastosowane specjalne techniki kulowania, które pozwalajà uzyskaç 25% – 35% wzrostu
wytrzyma∏oÊci zm´czeniowej.
14
Layout
26.07.2005
13:33 Uhr
Seite 15
R O Z D Z I A ¸
Przy optymalnych parametrach proces kulowania podnosi wytrzyma∏oÊç zm´czeniowà stopów ze
stalowych proszków spiekanych o 22%, a trwa∏oÊç zm´czeniowà o wspó∏czynnik 10 [2.14]. Cz´Êci
samochodów takie jak ko∏a z´bate i korbowody, które mogà byç wykonywane z proszków
spiekanych, powinny byç kulowane. Kulowanie jest najbardziej korzystne w przypadku cz´Êci
z proszków o wysokiej g´stoÊci, wykonanych metodà odkuwania.
Wzrost g´stoÊci powierzchni w wyniku kulowania podwy˝sza znacznie wytrzyma∏oÊç zm´czeniowà,
szczególnie w przypadku zginania. Zag´szczenie powierzchni powoduje tak˝e zamkni´cie porów
na powierzchni cz´Êci wykonanych z proszków spiekanych, np. uszczelek.
Przyk∏ad zastosowania.
KO¸A Z¢BATE Z PROSZKÓW O DU˚EJ G¢STOÂCI.
Projekt u˝ycia proszków spiekanych do wyrobu kó∏ z´batych by∏ sponsorowany przez
Niemieckie Ministerstwo Edukacji i Badaƒ. Ko∏a wykonane z proszku metali MSP4.0Mo-01.Nb
by∏y badane w odniesieniu do stali 20 MnCr5 utwardzonej metodà obróbki cieplno-chemicznej.
Badania nad zdolnoÊcià przenoszenia obcià˝eƒ przez stopy z´bów ko∏a z´batego da∏y
nast´pujàce wyniki podwy˝szenia wytrzyma∏oÊci zm´czeniowej (przy 2 mil. cykli). Uwaga:
wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa stali odniesienia, zosta∏a przyj´ta jako 100%:
o
o
o
niekulowana stal 20MnCr5 (stal zgrzewna)
-100%
niekulowany proszek spiekany MSP4.0Mo-o1Nb - 82%
kulowany proszek spiekany MSP4.0Mo-o1Nb
-109%
Badania te dowiod∏y, ˝e wyroby z niekulowanych proszków spiekanych majà wytrzyma∏oÊç
zm´czeniowà o 18% ni˝szà ni˝ ze stali zgrzewnej. Wytrzyma∏oÊç zm´czeniowa wyrobów
z kulowanych proszków spiekanych okaza∏a si´ o 9% wy˝sza ni˝ ze stali zgrzewnej [2.15].
Zainteresowanie wyrobami z prasowanych i spiekanych proszków ˝elaza ciàgle wzrasta, poniewa˝
przemys∏ proszków spiekanych znajduje dla nich ciàgle nowe zastosowania. Ancorsteel 1000B
o zawartoÊci 2% miedzi i 0,9% grafitu mia∏ wytrzyma∏oÊç zm´czeniowà 240 MPa przed
zastosowaniem kulowania. Na próbkach kulowanych wytrzyma∏oÊç wzros∏a o 16% do 280 MPa
[2.16].
LITERATURA:
2.1 Horger; Mechanical and Metallurgical Advantages of Shot Peening – Iron Age Reprint 1945
2.2 Hatano and Namitki; Application of Hard Shot Peening to Automotive Transmission Gears, Special Steel Research Laboratory, Daido Steel
Company, Ltd., Japan.
2.3 Challenger; Comparison of Fatigue Performance Between Engine Crank Pins of Different Steel Types and Surface Treatments, Lucas Research
Center, Solihull, England, July 1986
WP¸YW KULOWANIA NA RÓ˚NE MATERIA¸Y
METALURGIA PROSZKÓW
D R U G I
2.4 Properties and Selection, Metals Handbook, Eighth Edition, Vol. 1, pp. 223-224.
2.5 Jackson and Pochapsky; The Effect of Composition on the Fatigue Strength of Decarburized Steel, Translations of the ASM, Vol. 39, pp. 45-60.
2.6 Bush; Fatigue Test to Evaluate Effects of Shot Peening on High Heat Treat Steel - Lockheed Report No. 9761.
2.7 Gassner; Decarburization and Its Evaluation by Chord Method, Metal Progress, March 1978, pp. 59-63.
2.8 Internal Metal Improvement Co. Memo
2.9 Keough, Brandenburg, Hayrynen; Austempered Gears and Shafts: Tough Solutions, Gear Technology March/April 2001, pp. 43-44.
2.10 Palmer; The Effects of Shot Peening on the Fatigue Properties of Unmachined Pearlitic Nodular Graphite Iron Specimens Containing Small
Cast Surface Imperfections, BCIRA Report #1658, The Casting Development Centre, Alvechurch, Birmingham, UK.
2.11 Oshida and Daly; Fatigue Damage Evaluation of Shot Peened High Strength Aluminum Alloy, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering,
Syracuse University, Syracuse, NY
2.12 Technical Review, Progress in the Application of Shot-Peening Technology for Automotive Engine Components, Yamaha Motor Co., Ltd., 1998.
2.13 McGann and Smith; Notch Low Cycle Fatigue Benefits from Shot Peening of Turbine Disk Slots.
2.14 Sonsino, Schlieper, Muppman; How to Improve the Fatigue Properties of Sintered Steels by Combined Mechanical and Thermal Surface
Treatments, Modern Developments in Powder Metallurgy, Volume 15 - 17, 1985.
2.15 Link, Kotthoff; Suitability of High Density Powder Metal Gears for Gear Applications; Gear Technology, January/February 2001.
2.16 O’Brian; Impact and Fatigue Characterization of Selected Ferrous P/M Materials, Annual Powder Metallurgy Conference, Dallas, TX. May 1987.
15