автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование усталостных свойств сталей для прямоточных клапанов поршневых компрессоров

Введение.

Глава 1. Анализ условий работы пластин прямоточных клапанов и методы повышения усталостной прочности сталей (литературный обзор).

1.1. Особенности конструкции и работы поршневых компрессоров

1.2. Усталостные процессы в клапанных пластинах при циклическом нагружении.

1.3. Методы повышения усталостной прочности стальных изделий

1.4. Выводы. Направление исследования.

Глава 2. Разработка неразрушающего метода определения усталостной прочности клапанной ленты.

2.1. Анализ взаимосвязи между магнитными и усталостными характеристиками стали.

2.2. Вихретоковый метод определения усталостных свойств ферромагнетиков.

2.3. Учет нелинейности магнитоупругих явлений при циклическом испытании.

Глава 3. Экспериментальные исследования усталостных свойств клапанной ленты.

3.1. Контроль качества клапанной ленты на электроиндуктивном дефектоскопе.

3.2. Определение циклической выносливости металла на плоских образцах вихретоковым методом.

3.3. Контроль качества клапанной ленты из сталей Х15Н9Ю.

Глава 4. Повышение усталостной прочности пластин прямоточных клапанов нитроцементацией.

4.1. Разработка среды для низкотемпературной нитроцементации клапанных сталей.

4.2. Особенности структуры нитроцементованных слоев сталей Х15Н9Ю и У8А.

4.3. Влияние нитроцементации на усталостные свойства клапанных пластин из сталей Х15Н9Ю и У8А.

Поршневые компрессоры широко применяются во всех отраслях народного хозяйства, в частности в атомной энергетике. На Курской АЭС, например, используется около тысячи компрессорных установок, которые производят сжатый воздух для привода управляющих и транспортирующих устройств, а также для вспомогательных целей.

Не смотря на многообразие марок и конструкций поршневых компрессоров все они имеют практически одинаковые основные агрегаты (цилиндры, поршни, коленчатые валы и др.) Одними из главных агрегатов компрессоров являются клапаны - всасывающие и нагнетательные. От качества работы клапанов зависят многие характеристики компрессоров, а самое главное- затраты на выработку сжатого воздуха.

В последнее время в компрессоростроении все больше начинают внедряться прямоточные клапаны. Эти клапаны обеспечивают наименьшие потери при работе компрессоров, за счет того, что имеют большое проходное сечение и тонкие упругие элементы (пластины), для отжатия которых требуется небольшое усилие.

Как свидетельствует опыт эксплуатации компрессоров, прямоточные клапаны, по сравнению с клапанами других конструкций (тарельчатыми, пластинчатыми и т.п.), повышают подачу воздуха, снижают расход электроэнергии, уменьшают шум при работе компрессора и создают условия для более длительной работы компрессора.

Главным недостатком, ограничивающим широкое использование прямоточных клапанов, является их недостаточно высокая надежность, обусловленная тем, что в каждом из таких клапанов установлено большое количество упругих элементов (пластин), которые не обладают равнопрочностью. Разница в сроках службы отдельных пластин в одном клапане может достигать 300%, а при поломке даже одной пластины клапан становится неработоспособным.

Пластины прямоточных клапанов работают в режиме повторно-силового нагружения и подвержены усталостному разрушению. Исследование усталостных процессов, происходящих в материале пластин, и повышение их усталостной прочности является весьма актуальной задачей, решение которой позволит значительно повысить надежность работы воздушных компрессоров.

Одним из современных прогрессивных методов повышения усталостной прочности сталей является химико- термическая обработка, в частности низкотемпературная нитроцементация. Нитроцементация значительно повышает твердость, износостойкость и усталостную прочность стали. Однако, влияние нитроцементации на усталостные свойства стали, в частности тонких сечений, изучено недостаточно. Нет ясности в взаимосвязи степени насыщениия стали азотом и углеродом с усталостными характеристиками нитроцементованных слоев, не ясна роль структуры нитроцементованного слоя в определении уровня усталости материала.

Изучение этих и некоторых других вопросов, связанных с усталостью тонких нитроцементованных пластин, а также вопросов связанных с надежностью прямоточных клапанов воздушных компрессоров весьма актуально. Работы в этом направлении позволят внести заметный вклад в решение важной народнохозяйственной задачи.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Для определения усталостных свойств клапанных сталей предложено использовать вихретоковый метод, основанный на измерении магнитных свойств стали, подвергаемой циклическому нагружению. Использование вихретокового датчика позволяет исследовать тонкие поверхностные слои (до 0,01 мм), в которых развиваются усталостные повреждения металла.

2. Разработан измерительный комплекс для сплошного контроля клапанной ленты, позволяющий разбраковать ее на участки с одинаковой усталостной прочностью. Контроль ленты из сталей Х15Н9Ю и У8А поставляемой различными заводами, показал, что лишь небольшая ее часть (от 27 до до 47 %) пригодна для изготовления клапанных пластин, большая же часть весьма дорогой ленты оказалась для этой цели непригодна.

3. Для повышения усталостной прочности тонких клапанных пластин предложен метод поверхностного упрочнения, состоящий в низкотемпературной нитроцементации в пастообразном карбюризаторе, в состав которого входят недорогие и нетоксичные компоненты (сажа, карбамид и железосинеродистый калий).

4. Исследован механизм структурообразования при насыщении сталей Х15Н9Ю и У8А азотом и углеродом в процессе нитроцементации. При температуре 550°С в диффузионном слое образуется две зоны: е- карбонитрид на поверхности и под ней более протяженная аустенитно-мартенситная. При температуре 650°С образуется третья зона - корка хрупкого и твердого карбонитрида, изоморфного с цементитом, на самой поверхности.

5. Установлено, что нитроцементация неоднозначно влияет на усталостную прочность клапанных пластин. Наивысший предел выносливости для пластин из стали Х15Н9Ю, также как и для пластин из стали У8А, можно получить после нитроцементации при 550°С в течение 3-х часов. При этом на поверхности пластин образуются тонкие диффузионные слои (0,02.0,04 мм) высокой твердостью и остаточными сжимающими напряжениями.

6. В результате производственных испытаний прямоточных клапанов (ПИК220-0,6) с нитроцементованными пластинами из стали Х15Н9Ю установлено, что их долговечность более чем в два раза превосходит долговечность клапанов с неупрочненными пластинами

1. Гидон JI.M. Монтаж поршневых компрессоров. -М.: Машиностроение, 1982. 236 с.

2. Техническое обслуживание и ремонт компрессоров. / Н.А.Ястребова, А.И.Кондаков, Б.А.Спектор. -М.: Машиностроение, 1991. -240 с.

3. Назаренко У.П., Межерицкий H.A. Эксплуатация и повышение экономичности воздушных компрессорных установок. М.: Энергия, 1977. -152 с.

4. Казакевич В.В. Автоколебания (помпаж) в компрессорах. М.: Машиностроение, 1974.-264 с.

5. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов М.: Наука, 1964.-274с.

6. Иванова B.C., Терентьев В.Д. Природа усталости металлов М.: Металлургия, 1975. - 454 с.

7. Иванова B.C. Механика и синергетика усталостного разрушения //

8. ФХММ. 1986, Т. 22. - № 1; С. 62-68.

9. Brook P. Non destructive Testing. 1970, Т.З. №4. S. 302-306.

10. Brook P. Mechanical Engineering Science. 1969, T.ll. №3. s. 467-492.

11. Лебедев Т.А., Колосов H.E. Циклическая прочность металлов / Кинетика усталостного разрушения. М.: Изд.- во АН СССР, 1962. - С.42-47.

12. Финколь В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970.375с.

13. Иванова B.C., Шанявский A.A. Количественная фрактография / Усталостное разрушение. М.: Металлургия, 1988.- 389 с.

14. Брук П. Неразрушающий метод измерения усталостной долговечности. Перевод с англ. // "Non detstructiv testing" - Лондон,- 1971.Т. 3.-№4.- С. 302-306.

15. Ефименко Jl.А., Коновалова О.В. Влияние исходной структуры и параметров термического цикла сварки на предел выносливости и статическую трещиностойкость сварных соединений //Автоматическая сварка.-М.: Металлургия, 1993. №1. - С. 53-55.

16. Ирвин Дж., Парис П. Основы теории роста трещин и разрушение//Разрушение. Пер. с англ.- М.: Мир, 1976 Т. 3.- С. 17- 66

17. ГОСТ25.506-85. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушений) при статическом нагружении -М.: Изд.- во стандартов, 1985.- 61 с.

18. Иванова B.C., Бозрова Л.К., Зотов А.Д. О связи Ктс с пределом усталости //Зав. лаб.- № 10.- 1986.- С. 65-68

19. Sih G. С. Energu gtrain Energu Densitu criterion // Theoretical und Applied Fracture Meshanies. 1985. № 4.- P. 157 - 173.

20. Федоров B.B. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел Ташкент: Изд.- во ФАН Узбекской ССР. 1985,- 166 с.

21. Янчишин Ф.П., Дидошак В.И, Похмурский В.И. Кинетика усталостного разрушения углеродистых сталей // ФХММ.- М.:, 1972- Т.8. -№6. С. 54-56.

22. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов: Пер. с японск. — Киев. Наукова думка, 1978.- 351 с.

23. Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов.- М.: Металлургия, 1980.- 208 с.

24. Seika М., Kitaoka s., Imaiida Т. An experemental studu anstcnite eguilibrain iron base // Traus. lap. Sos. Mech. Eng. 1972.- V 38.- N 311.- P. 1707-1714

25. Партон B.3., Морозов E.M. Механика упругопластического разрушения.- М.: Наука, 1974.- 416 с.

26. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1983- Т. 1528с

27. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Под ред. Л.С.Ляховича. М.: Металлургия, 1981. - 424с.

28. Термическая обработка в машиностроении: Справочник / Под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г.Рахштадта М.: Машиностроение, 1980. - 783с.

29. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: Справочник / Под ред. Акад. Н.Т.Гудцова. — М. :Металлургиздат, 1957. -1204с.

30. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. -М. Металлургия, 1984. 360с.

31. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Г.В.Борисенок, П.Л. Васильев, Л.Г.Ворошнин и др. ~ М.:Металлургия, 1981. ~ 424с.

32. Рассказов М.Л. Перспективы производства восстановления деталей // Технология восстановления и упрочнения деталей. Краснодар: КГАУ,2000. -С.236-237.

33. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы. -М. Металлургия, 1981.-684с.

34. Дубинин Г.Н. Остаточные напряжения при диффузионном насыщении элементами поверхности стали У 10 // Известия вузов. Машиностроение, 1962. №10. С. 178-183.

35. Криштал М.А. Механизм диффузии в железных сплавах. -М.: Металлургия, 1972.-400с.

36. Леонидова М.Н., Шварцман Л.А., Шульц Л.А. Физико-химические основы взаимодействия металлов с контролируемым атмосферами. М.: Металлургия, 1980.264с.

37. Хорошайлов В.Г., Гюлиханданов E.JI. Насыщение стали при цементации и нитроцементации // Металловедение и термическая обработка металлов, 1970, №6. С.78

38. Прженосил Б. Нитроцементация. М. Машиностроение, 1969.212с.

39. Шапочкин В.И., Семенова Л.М., Малыхин А.Т. Повышение долговечности деталей при высокотемпературной нитроцементации с повышенным азотным потенциалом // Двигателестроение, 1983. №1. С.37-38.

40. Переверзев В.М. Колмыков В.И. О природе повышенной склонности хромистых сталей к карбидообразованию при цементации. // Известия АН СССР.- М.: Металлы, 1990.- №1.- С. 197-200.

41. Переверзев В.М., Росляков И.Н. Кинетика диффузионного роста цементитных частиц в аустените при цементации хромистой стали // Известия АН СССР.-М.: Металлы, 1980.- № 1.- С. 194-197.

42. Прогрессивные методы химико-термической обработки. / Сб. под ред. Г.Н. Дубинина, Я.Г. Когана. М.: Машиностроение, 1979.- 184с.

43. Ткачёв В.Н., Фиштейн Б.М. / Сб. Методы повышения долговечности деталей машин.- М.: Машиностроение, 1971.- С. 171-174.

44. Хорошайлов В.Г., Гюлихнданов Е.Л. Химико-термическая обработка стали.- Ленинград. ЛПИ им. М.И. Калинина, 1980.- 78с.

45. Жданов Г.С. Физика твердого тела. М.: МГУ, 1962.- 500с.

46. Лахтин Ю.М., Кочан Я. Д. / Сб. Прогрессивные методы термической обработки.- М.: Машиностроение, 1972. С. 111-116.

47. Гюлиханданов Е.Л., Семенова Л.М., Шапочкин Е.И. Особенности строения нитроцементованных слоев с повышенным содержанием азота // Металловедение и термическая обработка металлов, 1990. №5. С. 12-15.

48. Зинченко В.М., Георгиевская Б.В., Оловянников В.А. и др. Технологические процессы цементации и нитроцементации / М.: НИИТавтопром, 1982. 122с

49. Переверзев В.М. Диффузионная карбидизация стали. Воронеж: ВГУ, 1977.-92с.

50. Райцесс В.Б. Технология химико-термической обработки на машиностроительных заводах. М.: Машиностроение, 1965. - 192с.

51. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. М.Машиностроение, 1970. - 232с.

52. Гудремон «Специальные стали». -М.: Металлургия, 1966. -736с.

53. Шубин Р.П., Гринберг M.JI. Нитроцементация деталей машин.- М.: Машиностроение, 1975.-208 с.

54. Якиревич Д.И., Иванова B.C., Стеклов О.И. Способ определения усталостной характеристики ферромагнитных материалов и сварных соединений.- Патент № 2095784 от 10 ноября 1997- М.: Роспатент РФ.

55. Стеклов О.И., Якиревич Д.И. Влияние температурного фактора на характеристики прочности, усталости и трещиностойкости // Сб. Синергетика.- .

56. М.: АН СССР. 1991. № 2.- С.141-144.

57. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов.- М.: Металлургия, 1984.- 280 с.

58. Хакен Г. Синергетика: Пер. с англ. М.: Мир, 1980.- 406 с.

59. Гленсдорф П., Пригожин Н. Термодинамическая теория структуры, устойчивости флуктуаций: Пер. с англ.- М.: Мир. 1973.- 280 с

60. Панин В.Е. Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердого тела. Новосибирск: Наука, 1985.- 225 с.

61. Hertzberg R.W. Deformation and fracture mechanics of engineering materials. John Wiley and sous. N-Y.: Second edition. - 697c.

62. Касандрова O.H. Обработка результатов наблюдений -M.: Наука, 1970.- 104с.

63. Вишняков Я.Д. Дефекты упаковки в кристаллической структуре.-М.: Металлургия, 1970,- 126с.

64. Методика экспресс диагностики свойств металла сосудов и трубопроводов из конструкционных сталей в нефтеперерабатывающей (и родственных) производственных. Госгортехнадзор России. - М.: 1993. - 8с.

65. Якиревич Д.И. Предел усталости как пороговые напряжения, отвечающие точке бифуркации // Проблемы синергетики. Уфа: УНИ, 1989.-С. 33-34

66. Ламмеранер М., Штафль М. Вихревые токи. Пер. с чеш. М.: Энергия, 1967.- 206 с.

67. ГОСТ 19533-74. Ускоренная оценка пределов выносливости методом ступенчатого нагружения (Локати). М.: Изд-во стандартов. 1974.20 с.

68. Гораздовский Т.Я. Электромагнитные методы контроля. —М.: МДНТП, 1966. -127с.

69. ГОСТ 2860-65. Металлы. Методы испытаний на усталость. М.: Изд-во стандартов, 1973. - 27 с.

70. Фридмин З.Г. Усталость металлов и сплавов. -М.: Наука, 1977.99с.

71. Одинг И.А. Электромагнитные установки для испытания плоских образцов. М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 84с.

72. Износостойкость и структура твердых наплавок. / М.М.Хрущов и др. М.: Машиностроение, 1971. - 95с.

73. Башнин Ю. А.,Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термическойобработки. М.: Металлургия, 1986. - 424с.

74. Савиновский Г.К. Внедрение нитроцементации триэтаноламином // Металловедение и термическая обработка металлов, 1969. №11.- С.44-45.

75. Козловский И.С. Химико- термическая обработка шестерен. М.: Машиностроение, 1970.-232с.

76. Белчев Б.,Новаков К. Низкотемпературная Нитроцементация у зубчатых колес // Металловедение и термическая обработка металлов, 1974. №7. с.36-39.

77. Иванова B.C. Условия автомодельного роста трещины по механизму отрыва // ФХММ.- М.: Металлы, 1984.- Т. 5 № 1.- С. 109-111.

78. Иванова B.C., Шанявский A.A. Циклическая вязкость разрушения металлов и сплавов. / Усталостное разрушение.- М.: Наука, 1981 с. 168 193.

79. Волков В.А., Орестов A.M., Карзов Г.П. Стандартизация расчетов и испытаний на прочность. Унификация методов испытаний металлов на трещиностойкость.- М.: Изд-во Стандартов, 1982- вып. 2.- С. 10-31

80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод определения трещиностойкости сталей по отношению предела усталости к пределу текучести // Методические рекомендации ВНИИМЕТМАШ.- М.: Изд-во, 1984. 29 с.

81. Мельников В.Г., Лялин Е.В., Сопин П.Я. Некоторые особенностиизноса цианированных сталей // Тр. Тамбовского института хим. Машиностроения, 1970. Вып.4.-С.246-249.

82. Шапочкин В.И., Пожарский A.B., Семёнова JI.M. Фазовый состав и механические свойства нитроцементованных слоев низкотемпературных сталей //Известия АН. Металлы, 1985. №1. -С. 154-158.

83. Гюлиханданов EJI., Семенова JI.M., Шапочкин Ю.И. Влияние высокотемпературной нитроцементации на структуру, фазовый состав и свойства низколегированных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов, 1984. №4. С. 10-14.

84. Ротин А.И., Финтштейн Б.М., Шлугер М.А. Защита деталей от газовой цементации и нитроцементации хромированием // Металловедение и термическая обработка металлов, 1976. №5. — С.49-50.

85. Виноградова H.H. Сравнительные испытания стойкости после карбон итрации // Тр. Моск. высш техн. училища им. Н.Э.Баумана, 1976.Ж214.-С. 133-137.

86. Ассонов А. Д., Гринберг M.JL, Шубин Р.П. Структура нитроцементованного слоя в зависимости от содержания углерода в стали // Металловедение и термическая обработка металлов, 1970. №10. -С.65-68.

87. Einnerm В. Entwicklung und praktische Anwendung des TENIFER Verfahres (alt und neu) // ZwF. 1975. A.70. №12. -S. 659-664.

88. Salonen L., Sulonen M. Einflub von Leguerungs-elementen auf den Kohlenstoffgehlt von carbonitrierten Einstanzstahlen // Harter-Techn. Mitt. 1970. A.25. №3. S. 157-164.

89. Prgenosil B. Einige neue Erkenntnisse über das Jefiige von um 600°C in der Jasatmosphare carbonitrierten Schichten // Harter-Techn. Mitt. 1973. A.28. №3. S. 157-164.

90. Прженосил Б. О структуре диффузионного слоя после низкотемпературной нитроцементации // Металловедение и термическая обработка металлов, 1974. №10. С.2-6.

91. Муравьев В.И. Нитроцементация в псевдоожиженном слое углеграфитовых материалов. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1974,- №10. С. 18-22.

92. Лившиц С.Л., Пуховский Е.П., Арефьева О.И. Зависимость свойств железа от времени цианирования в жидких ваннах // Изв. АН БССР. Сер. Физико-техн. наук, 1974. №2. - С.34-37.

93. Лившиц С.Л., Пуховский Е.П., Арефьева О.Н. Зависимость свойств поверхностного слоя железа от температуры цианирования в жидких ваннах //Изв. АН БССР. Сер. Физико-техн. наук, 1974. №1.-С. 15-18

94. Фунштейн Я.Н., Пучков Э.П., Суслович А.И. Износостойкостьцианированных слоев // Сб. Новое в термической обработке. Рига, 1969. -С.21-25.

95. Переверзев Д.Д., Офицеров Л.В. Поверхностное упрочнение нержавеющей стали цианированием в расплавах солей // Сб. Повышение долговечности литых материалов. Киев: 1969, - СЛ 57-162.

96. Исхаков С.С.,Лаптев В.Г., Семенова Л.М. и др. Износостойкость и усталостная прочность сталей после низкотемпературной нитроцементации// Металловедение и термическая обработка металлов, 1981. №1. С.2-5.

97. Прокошкин Д.А. Карбонитрация инструмента из быстрорежущей стали // Тр. Моск. Высш. Техн. уч-ща им. Н.Э.Баумана, 1976. №212.-С.122-133.

98. Вдовин В.Д., Гребенюк В.М. Метод расчета предела выносливости при испытании ступенчато-увеличивающейся нагрузкой. // Известия ВУЗов-М.: Машиностроение, 1974. № 12. - С. 39-43

99. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник.-М.: Металлургия, 1978. 303 с.

100. Степнов М.Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний,- М.: Машиностроение, 1972.- 232 с.