Износостойкость проката в опорах и шарнирах: выбор марки стали для подвижных узлов

28.05.2025

Подвижные соединения работают в условиях переменных нагрузок, циклических изгибов, вибраций и сдвига. Для таких соединений выбираются марки стали, устойчивые к поверхностному разрушению, усталости, абразивному и контактному износу.

В первую очередь учитываются эксплуатационные параметры: давление в зоне контакта, величина относительных перемещений и температурный режим. В условиях сухого трения особое значение имеет структура поверхностного слоя, твердость и микроскопическая однородность.

Для опор и шарниров, работающих в условиях средней или высокой подвижности, широко применяются стали 40Х, 38ХН3МА, 12ХН3А. Эти марки обеспечивают высокие показатели прочности после термической обработки.

В случае, если необходима устойчивость к микропиттингу и гофрированию поверхности, используется сталь 20Х2Н4А с цементацией. Глубина цементированного слоя — не менее 0,8 мм при твердости HRC 60–62. После отпуска такая структура препятствует образованию усталостных трещин.

Для шарниров с малым ходом в тяжелых условиях важна вязкость сердцевины. В этой роли оптимально показывает себя 40ХН2МА, обладающая сочетанием твердости по поверхности и прочности сердцевины.

Ее применяют в соединениях, где переменные нагрузки достигают 350 МПа, а циклическое число превышает 10^7. В условиях грязной среды и абразивного воздействия рекомендуется применение сталей с легированием хромом и никелем, которые снижают риск коррозионно-механического разрушения.

Если узел работает в условиях смазки, на первый план выходит контактная выносливость. Она оценивается по предельному давлению Pmax, при котором не происходит пластической деформации. Для цементованных сталей с поверхностной твердостью выше 58 HRC допускается Pmax до 2200 МПа. При этом на практике значение ограничивается 1800–1900 МПа во избежание усталостных разрушений.

Для узлов, подвергающихся качению с перекатом, как в сферических шарнирах или поворотных цапфах, следует выбирать стали с высокой чистотой по неметаллическим включениям. Такие соединения подвержены выкрашиванию поверхности при наличии включений с острыми гранями. В стали ШХ15 в состоянии закалки с отпуском (HRC 62) достигается высокая твердость и равномерность структуры, что делает ее пригодной для подшипниковых узлов.

В условиях ограниченного пространства и высокой массы узла предпочтительны высокопрочные прецизионные стали. Применение стали 30ХГСА оправдано при работе на растяжение и сжатие до 900 МПа. Термообработка включает закалку с температурой 860 °С и последующий отпуск при 300–350 °С, обеспечивая структуру трооститного мартенсита.

Если нагрузки носит ударный характер, предпочтение отдают сталям, сохраняющим вязкость при закалке. В этом случае 50ХФА применима при толщине стенки от 12 мм и выше, с обеспечением твердости HRC 50–55 при сохранении ударной вязкости на уровне не ниже 1,2 МДж/м². Это важно при попеременных деформациях, где особенно велика вероятность разрушения от микротрещин.

Шарниры, работающие при температуре ниже –40 °C, требуют стали с минимальной хрупкостью. Оптимальны модифицированные марки, легированные кремнием и марганцем, как С35Mn или 15ХСНД. Эти стали сохраняют пластичность до –60 °C, не теряя сопротивления усталости. Закалка проводится на масле, с отпуском при 550–580 °C для устранения остаточных напряжений.

При изготовлении тонкостенных деталей вращения, например, опорных втулок, применяют прутковый прокат из стали 20 с последующей цементацией до 1 мм и твердостью 58–60 HRC. Такая втулка в шарнире работает до 10^6 циклов при средней контактной нагрузке 1200 МПа. При этом износ за 1000 часов не превышает 0,02 мм.

Узлы, где возможны вибрационные нагрузки и перекос, требуют применения сталей с изотропной структурой. В этой ситуации важна текстура волокон проката. Наилучший результат показывают поковки, прошедшие нормализацию при 920 °C и медленное охлаждение. Это снижает анизотропию механических характеристик, делая материал устойчивым к разнонаправленным напряжениям.

Если контакт сопровождается скольжением при малом ходе, рекомендуется применить нитроцементацию. Это термическое упрочнение позволяет достигать твердости до 70 HRC при глубине слоя до 0,5 мм.

При эксплуатации в таких условиях слой препятствует захвату и задирам. Используется на деталях, изготовленных из стали 38ХМЮА или 38Х2МЮА, с термообработкой в диапазоне температур 510–530 °C.

Для узлов с продолжительной эксплуатацией без смазки, таких как пальцы экскаваторных шарниров, практикуется использование стали 30ХГСА с индукционной закалкой зоны трения. Твердость в зоне составляет HRC 56–58, при глубине закаленного слоя 1,2–1,5 мм. Это позволяет снизить износостойкость в 3–5 раз по сравнению с отожженными аналогами. При этом сердцевина сохраняет вязкость, исключая хрупкое разрушение при ударной нагрузке.

Формула расчета контактного напряжения по Герцу: P = sqrt( (6FE^2)/(π^3d^2(1 - ν^2)^2) ), где F — сила, d — диаметр, E — модуль упругости, ν — коэффициент Пуассона.

Для стали с E = 210 ГПа, ν = 0,3, при нагрузке 10 кН и диаметре 40 мм контактное напряжение составит около 1600 МПа.

Это значение является ориентиром при выборе материала: марка должна обеспечивать прочность не ниже расчетного напряжения с запасом минимум 1,3.

В среде агрессивной смазки с высоким содержанием воды используются стали с легированием молибденом и никелем. Так, при эксплуатации гидроцилиндров, где воздействие идет не только от давления, но и коррозии, применяется 40Н3МА или 38ХН3МФА. Эти марки выдерживают комбинированную нагрузку до 1600 МПа, не теряя износостойкость в течение 5000 моточасов.

Шарниры, применяемые в автопроме, испытывают переменные нагрузки от 500 до 1500 Н, скорость скольжения достигает 0,2 м/с. Стандарт DIN 17210 рекомендует в таких условиях использование стали с пределом выносливости не ниже 600 МПа и твердостью свыше 50 HRC. Это достигается цементацией на глубину до 0,6 мм с последующей закалкой в масле.

Для производства втулок, пальцев, цапф и других элементов, работающих на износ, оправдано использование не только легированных сталей, но и комбинаций термообработки и объемной закалки.

Такой подход позволяет регулировать твердость, структуру и механические характеристики в зависимости от зоны элемента. В зоне контакта — максимальная твердость, в зоне крепления — сохранение вязкости.

Рассказать друзьям:

Комментарии

Пока нет комментариев