СОЕДИНЕНИЯ С НАТЯГОМ

ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ С ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Коэффициенты трения в соединениях во многом опре­деляются физико-механическими процессами, происхо­дящими на участках контактирования сопрягаемых по­верхностей. Меняя характер взаимодействия контакти - руемых поверхностей путем целенаправленной техноло­гической подготовки, можно добиться эффективного по­вышения прочности соединений.

Для этой цели применяют гальванические покрытия, эффективность которых для соединений с натягом ис­следовали [30] на образцах из стали 45 с посадочным диаметром D—30 мм. Покрытия способствовали резко­му повышению (в 3—7 раз) коэффициентов трения. При распрессовке образцов наибольшее значение /р=0,75

При однослойном хромировании толщиной H = 5...8 мкм, наименьшее /р=0,37 при однослойном никелировании. При нанесении мягких покрытий меди (25—30 мкм), цинка (10—25 мкм) и олова (10—15 мкм) fp=0,48... 0,55, а в соединениях без покрытий, формируемых с применением смазки, fp=0,ll.

Результаты влияния гальванических покрытий на прочность цилиндрических соединений rf=50 мм [8J, собираемых под прессом и с охлаждением, и D=30 мм [13], собираемых тепловым способом, сведены в табл. 2.13. Применение покрытий повышает коэффициенты трения в 1,5—4 раза при всех способах сборки. Из об­щей закономерности выпадают лишь опыты с никеле­вым покрытием [13], что, однако, не подтверждается более полными исследованиями [8, 30] твердых покры­тий как никеля, так и хрома.

В качественном и количественном отношениях наи­больший эффект от гальванических покрытий получен при сборке с охлаждением. В этом случае, в отличие от механической сборки, целостность покрытия не нару­шается, и за счет внедрения микронеровностей охваты­ваемой детали в охватывающую обеспечивается допол­нительное повышение прочности соединений.

Повышение прочности соединений с гальванически­ми покрытиями авторы [13, 30] объясняют возникнове­нием металлических связей в зоне контакта и увеличе­нием фактической площади контакта. Более обстоя­тельно этот вопрос изучен Г. А. Бобровниковым [8]. Выявлено, что мягкие гальванические покрытия даже в области малых давлений (до 25 МПа) подвергаются пластическим деформациям и заполняют впадины мик­ропрофиля охватываемой детали, не вызывая его пла­стической деформации. При р>25 МПа упругопласти - ческая деформация появляется и в зоне микропрофиля охватывающей детали. Повышение прочности соедине­ний вызывается тем, что в начальный момент смещения деталей происходит одновременный срез большого ко­личества микрообъемов покрытия неровностями охваты­ваемой детали. При сборке соединений с твердыми по­крытиями валов (хром и никель) происходит односто­роннее внедрение неровностей вала во втулку и пере­формирование ее микропрофиля. Взаимное смещение деталей сопровождается одновременным срезом микро­неровностей у втулки, что, наряду с увеличением фак­тической площади контакта, является причиной повы­шения прочности соединений.

Наиболее благоприятное влияние на несущую спо­собность цилиндрических соединений с натягом оказы­вают мягкие (анодные) покрытия (цинк, кадмий и др.). Они способствуют не только повышению прочности сое­динений, но и сопротивлению усталости валов. Нанесе­ние цинкового покрытия повышает предел выносливости валов при круговом изгибе на 20% [8]. Кроме того, цинковые, как и другие мягкие покрытия, уменьшают износ поверхностей, вызываемый контактным трением.

Нами была исследована прочность конических сое­динений с цинковым и кадмиевым покрытиями при теп­ловом и гидропрессовом способах сборки. С целью сопоставления результатов исследований конструкция образцов для различных типов испытаний была приня­та одинаковой (см. рис. 2.9).

Цинковое гальваническое покрытие на валы наноси­ли в ваннах промышленного назначения в кислом элек­тролите, содержащем (г/л): сернокислый цинк ZnS04-7H20 — 250, сернокислый алюминий A12(S04)3X Xl8H20 — 30 и декстрин — 10. В процессе отладки ре­жима цинкования толщину покрытия предварительно измеряли капельным методом (ГОСТ 16875—71), окон­чательно — прибором ЭМТ-2М, шкала которого была протарирована струйно-периодическим методом для цинкового покрытия. За толщину покрытия принимали среднее значение из 12 замеров в различных точках поверхности.

Прочность соединений при передаче крутящих мо­ментов исследовали на двух партиях образцов. Толщи­на покрытия валов первой партии 23—24 мкм, второй — 4—15 мкм. За критерий оценки прочности соединений также принимали коэффициент трения в начальный мо­мент смещения, определяемый по расчетно-эксперимен - тальному давлению. Результаты опытов приведены в табл. 2.14. При первой сборке большей прочностью об­ладают образцы с ft=4... 15 мкм, у которых fKP=0,273... 0,350. У образцов с H=23...34 мкм —fItp=0,215...0,296. При толщине цинкового покрытия свыше 20 мкм коэф­фициенты трения в диапазоне р=10—70 МПа практи­чески не зависят от давлений (рис. 2.15). Средняя ве­личина /кР=0,256. При толщине покрытий 4—15 мкм с увеличением давлений от 20 до 100 МПа происходит

Незначительное снижение коэффициентов трения при­мерно по линейной зависимости.

Для практических целей можно пользоваться их средней величиной: /кр=0,305. Цинковые покрытия при прочих равных условиях повышают прочность на круго-

Рис. 2.15. Зависимость коэффициен­тов трения при круговом смещении от давления в тепловых соединениях с цинковым покрытием толщиной: 4...15 мкм; 2—23...34 мкм

Вой сдвиг при H—A... 15 мкм на 26%, при H=22>... 34 мкм на 5%.

После второй сборки тепловым способом и испыта­ний на проворот коэффициенты трения при ft=4... 15 мкм практически остались на прежнем уровне, тогда как при Л=23... 34 мкм они возросли в 1,3—1,5 раза. При второй сборке гидропрессовым способом большие значения коэффициентов трения зафиксированы при H=23... 34 мкм. Средняя величина /кр=0,322, что на 12% превышает средние величины коэффициентов тре­ния при H=4... 15 мкм, равные /кр=0,288. Независимо от толщины покрытия коэффициенты трения при гидро­прессовой сборке всего лишь на 6—10% ниже соот­ветствующих значений при тепловой сборке. Рост коэф­фициентов трения при второй сборке соединений выз­ван уплотнением цинка и уменьшением его толщины за счет износа в процессе многократных сборок и разбо­рок, которые проводили с целью замера atn-

Цинковые покрытия в конических соединениях, как и в цилиндрических, особенно эффективны при осевом сдвиге (табл. 2.15). После первой сборки тепловым спо­собом /р=0,447, гидрОпрессовым — /р=0,475. Проч­ность конических соединений с покрытиями выше в 1,57 раза при тепловой сборке и в 1,93 раза при гидро­прессовой, чем соединений без покрытия. Коэффициен­ты трения в конических соединениях, собранных тепло­вым способом, с цинковым покрытием находятся на том же уровне, что и в цилиндрических [13]. При гидропрес-

Совой сборке коэффициенты трения оказались практи­чески такими же, как и при тепловой. При повторной сборке прочность соединений остается высокой, хотя и Снижается в среднем на 20% при тепловом способе и на 6% при гидропрессовом.

Установлено, что мягкие покрытия не препятствуют гидропрессовой разборке соединений. Разъем деталей при р=20... 100 МПа протекал плавно, без ударов и рывков. После двукратных испытаний на кручение и осевой сдвиг и многократных сборок и разборок соеди­нений гидропрессовым способом даже небольшие зади­ры и продольные риски на контактных поверхностях, которые имели место в образцах, без покрытия, отсут­ствовали.

Изменение микропрофиля сопрягаемых поверхностей изучали путем сравнения профилограмм до и после на­несения цинка, а также после первого и второго испы­таний образцов на прочность. Шероховатость поверхно­сти втулки после испытаний практически осталась без изменений. Цинковое покрытие толщиной 5—15 мкм существенного влияния на исходную шероховатость не оказывает, а при увеличении толщины цинка до 23— 34 мкм она возрастает с Ra = 0,60... 1,36 мкм до Ra = = 1,1... 2,0 мкм, не искажая при этом микропрофиля основного материала. Типичные профилограммы сопря­гаемой поверхности валов показаны на рис. 2.16. После испытаний и разборки образцов параметр шероховато­сти валов за счет уплотнения цинка и заполнения им впадин микропрофиля снижается до Ra = 0,20 ... 0,50 мкм, а после вторичных испытаний и десяти сборок — разбо­рок немного возрастает до Ra=0,30 ... 0,60 мкм. На за­ключительном этапе проверки состояния микрорельефа с валов удаляли слой цинка с помощью раствора соля­ной кислоты и повторно записывали профилограммы охватываемой поверхности. Характер изменения микро­профиля и параметр шероховатости по сравнению с ис­ходными перед нанесением покрытия практически оста­лись прежними.

При нанесении покрытий натяг в соединениях воз­растает. Обычно приращение натяга принимают равным удвоенной толщине покрытия, независимо от его вида [8, 36]. В процессе прочностных испытаний образцов экспериментально определили приращение натяга от толщины цинкового покрытия, приведенное к паре

Л — до нанесения покрытия, Ra-= 0,85 мкм; б — после нанесення цинкового по­крытии толщиной 25 мкм, Да—1,65 мкм; в —после первичных испытаний н разборки соединений гидропрессовым способом, Да-= 0,23 мкм; 2 — после вторич­ных испытаний н разборки соединений гидропрессовым способом, Яа—0,30 мкм

Сталь — сталь. Это приращение вызывает увеличение давления аналогично слою цинка. Приведенное прира­щение натяга 6zn оценивали по разнице усредненных посадочных напряжений Да<п, замеряемых на внешних поверхностях втулок соединений с покрытием и без по­крытия при одинаковых базорасстояниях. Пересчет Aot п на 6zn проводили по зависимостям, аналогичным (2.3), (2.5).

В первом приближении зависимость 6zn=qp(ft) мож­но считать линейной (рис. 2.17). При H=4 мкм слой

Рис. 2.17. Зависимость приращения на­тяга от толщины цинкового покрытия

Цинка размещается во впадинах 1е У микропрофиля и нанесение по­

Крытий не сказывается на увели­чении натягов. При H=6...40 мкм с достаточной для практики точ - о в 16 24 hZn, MHM ностью можно принимать прира­щение диаметрального натяга равным толщине покрытия. Это справедливо и для дру­гих мягких покрытий с близкими к цинку значениями модулей упругостей.

Прочность соединений с кадмиевым покрытием тол­щиной H—4 ... 11 мкм исследовали при кручении. Резуль­таты экспериментов приведены в табл. 2.16. При р— =32,7... 120 МПа, как и при цинковом покрытии, на­блюдается линейной снижение коэффициентов трения. Однако их общий уровень ниже. При первой сборке тепловым способом среднее значение коэффициента тре­ния / = 0,246, что соответствует аналогичным соедине­ниям без покрытий. При второй сборке тепловым спосо­бом его уровень остался прежним, тогда как при гидро­прессовой сборке (авиамасло МС-20) он снизился в среднем на 36%. Кадмиевое покрытие, как и цинковое, обеспечило сохранность сопрягаемых поверхностей. Все же цинковое покрытие предпочтительнее, так как оно

Способствует повышению прочности соединений. Для соединений с параметром шероховатости сопрягаемых поверхностей Ra = 0,32... 1,25 мкм оптимальная толщина покрытия 10—15 мкм.