Введение 6
Глава 1. Литературный обзор 7
1.1 Требования к материалам подшипников 7
1.2 Шарикоподшипниковые стали 9
1.3 Термическая обработка материала ЭИ347-Ш 10
1.4 Влияние остаточных напряжений на эксплуатационную стойкость 13
1.5 Влияние содержания водорода на эксплуатационную стойкость 17
1.6 Перспектива применения металлокерамических материалов и других
материалов для изготовления деталей подшипников в авиастроении 25
1.7 Заключение по литературному обзору 34
Глава 2. Исследовательская часть 36
2.1 Методика проведения исследований 36
2.2 Анализ причин повреждений подшипников качения 39
2.3 Исследование влияния остаточных напряжений на эксплуатационную
стойкость 54
2.4 Исследование содержания водорода в подшипниках 57
2.5 Исследование влияния диффузионно-подвижного водорода (д.п.в.) на
свойства стали 58
2.6 Исследование структуры внешней обоймы и шарика подшипника 62
2.7 Фрактографические исследования 70
2.8 Обсуждение результатов работы 94
Заключение 96
Рекомендации 98
Список использованных источников 99
Приложение 103
В конструкциях современных летательных аппаратов широко применяются подшипники качения. Особое значение они имеют при установке валов высокого и низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД). Подшипники качения воспринимают и радиальные, и осевые нагрузки, приложенные к валу, и передают их на корпус машины.
Эти подшипники работают при повышенных нагрузках и температурах и, отчасти, в условиях коррозионно-активной среды. Надежность и работоспособность, как отдельных узлов, так и всей конструкции в целом, в значительной степени зависят от совершенства используемых подшипников и правильного учета условий их работы [1-3].
Эксплуатационная стойкость стальных подшипников определяется свойствами используемого материала и особенностями его изготовления. Отрицательными факторами, влияющими на работоспособность подшипника, могут быть такие факторы, как высокие остаточные напряжения, повышенное содержание примесей и водорода, неоднородная макро- и микроструктура стали и др. [4]. Каждый из этих факторов, а также их совместное действие могут привести к разрушению изделия при эксплуатации [5-8].
Подшипник, как правило, не дорабатывает до наступления естественной усталости металла, так как выкрашивание подшипников появляется раньше (вследствие дефектов, имеющихся в металле, и отступлений в технологии изготовления), чем подшипник вышел бы из строя на основании чисто теоретических предпосылок.
В совместных работах Санкт-Петербургского политехнического университета и АО «ОДК-Климов» проводятся исследования по анализу причин повреждения подшипников качения газотурбинных двигателей.
Цель: исследование влияния свойств и особенностей структуры материала ЭИ347-Ш на эксплуатационные характеристики деталей подшипников авиационного назначения и поиск возможных технологических решений для их повышения.
Задачи:
1. Анализ причин повреждений подшипников качения.
2. Исследование влияния остаточных напряжений на эксплуатационную стойкость.
3. Исследование влияния содержания водорода на
эксплуатационную стойкость.
4. Фрактографические исследования вскрытых трещин.
5. Исследование микроструктуры подшипников качения.
6. Поиск возможных современных способов повышения эксплуатационной стойкости рассматриваемых подшипников.
Зарождение и развитие усталостной трещины в обойме подшипника при эксплуатации происходит при комплексном действии всех производственных факторов.
Анализ полученных экспериментальных данных позволяет считать, что появление трещины и развитие усталостного выкрашивания связано с возникновением высоких поверхностных остаточных напряжений сжатия при неблагоприятном строчечном строении материала и неравномерном распределении карбидов, а также повышенном содержании водорода.
Повышенная твердость наклепанного слоя обоймы подшипника делает ее потенциальным участком разрушения при эксплуатации.
Анализ поверхности изломов подтверждает наличие неблагоприятной строчечной (волокнисто-полосчатой) структуры стали, имеющей технологическое происхождение на стадии горячей пластической деформации. Следует отметить, что расположение волокна под углом ~90° к беговой дорожке является неблагоприятным и может оказывать отрицательное влияние на работоспособность подшипника.
В результате проделанной работы была установлена связь между диффузионно-подвижным водородом и сжимающими остаточными напряжениями. Вопрос о том, что возникает раньше и способствует дальнейшему развитию дефектов, остается открытым.
Объемный водород является дефектом металлургического характера. Содержание общего водорода повышено, но экспериментами было выявлено, что именно диффузионно-подвижный водород оказывает негативное влияние на процесс разрушения подшипника качения. Его содержание в три раза превышает содержание диффузионно-подвижного водорода в бездефектном подшипнике.
Возникновение сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое связано с нарушением режимов термической обработки.
Полученные результаты позволяют заключить, что материал наружной обоймы подшипников в состоянии поставки имел повышенное содержание водорода. Причиной этого, вероятно, являлось нарушение технологии металлургического передела стали.
Неудовлетворительное качество материала деталей подшипника, несовершенство технологии изготовления или сборки, а также несоблюдение рекомендуемых режимов и условий эксплуатации подшипников в узле вызывает ускорение усталостного выкрашивания металла деталей.
