Химико-термическая обработка шестерен
Козловский И.С.
Машиностроение, 1970 г.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ ОБРАЗЦОВ ШЕСТЕРЕН ИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
И СТАНДАРТНЫХ СТАЛЕЙ ;
В результате сравнительного исследования экспериментальных, специально выплавленных сталей с широко используемыми в современной практике сталями типа 25ХГТ, 25ХГМ и др. был, выявлены преимущества легирования молибденом при минимально необходимой средней концентрации последнего 0,5%. Цементуемые стали, содержащие 0,5% Мо, значительно менее склонны к образованию карбидов при насыщении, чем стали типа 25ХГТ, процент карбидной фазы в них в 2 раза меньше, чем у. сталей 25ХГТ. Было установлено также, что в карбидной фазе концентрация молибдена примерно в 2 раза меньше, чем хрома или марганца. Вследствие этого при химико-термической обработке для получения концентрации углерода более 0,85% в сталях с 0,5% Мо практически не наблюдается обеднения твердого раствора легирующим элементом; содержание молибдена здесь составляет не менее 80—90% от общего количества, в то время как в стали 25ХГТ в периферийной зоне концентрация хрома и марганца в твердом растворе не превышает при этих условиях 50%.
В результате у сталей типа 25ХГТ после обработки при комбинированных режимах насыщения уменьшается прокаливаемость цементованного слоя, снижается и концентрация углерода в α-твердом растворе, в зоне глубиной до 0,2 мм от поверхности. Соответственно снижаются и показатели прочности цементованной стали. При содержании 0,5% Мо отсутствует и второй дефект в цементованной стали — внутреннее окисление на глубине 0,02 мм от поверхности, сопровождающееся резким падением концентрации углерода на этой глубине. Установлено, что внутреннее окисление не наблюдается и в том случае, если в сталь, содержащую 0,5% Мо, вводится не более 0,5% Сr, который нужен для повышения прокаливаемости сердцевины деталей.
Прокаливаемость и закаливаемость цементованного слоя в стали с 0,5% Мо значительно выше, чем в сталях типа 25ХГТ, 25ХГМ, 20ХНМ.
Таким образом, для цементации в условиях массового производства наиболее перспективными являются стали, легированные 0,5—1,0% Мо при добавке не более 0,5% Сr и при содержании до 1% Μn. При проведении данной работы была изготовлена мартеновская плавка экспериментальной стали 25Х05М05. Из указанной стали были изготовлены образцы и автомобильные шестерни для определения прочностных показателей.
При испытаниях образцов из стали 25Х05М05 определялись предел прочности при изгибе, ударная вязкость и предел усталости. Образцы подвергали химико-термической обработке в безмуфельном агрегате БА-10 на автозаводе им. Лихачева. Цементацию производили в эндотермической атмосфере с автоматическим регулированием потенциала углерода, температура цементации —930° С. Для закалки образцов производилось предварительное подстуживание от 930 до 850°С, охлаждали образцы в масле, подогретом до температуры 120° С. После закалки образцы подвергали низкому отпуску при 180° С в течение 1,5 ч. Глубина цементованного слоя 1,0 мм, концентрация углерода на поверхности 0,92%, твердость на поверхности HRC60—61, твердость сердцевины RC30—32.
При механических испытаниях образцов были получены следующие средние результаты: 'предел прочности при изгибе 182 кГ/мм2; ударная вязкость
2,5 кГ/см2, предел усталости 87 кГ/мм2,
Таким образом для стали 25Х05М05 были получены более высокие показатели прочности по сравнению со сталями 25ХГТ и 25ХГМ, которые склонны к образованию трооститной сетки глубиной свыше 0,013 мм при цементации в эндотермической атмосфере. Так, например, предел усталости в стали 25Х05М05 составляет 87 кГ/мм2, а у сталей 25ХГТ и 25ХГМ три внутреннем окислении предел усталости рамен в среднем 65 кГ/мм2, г. е. ниже на 30%.
Для оценки прочностных показателей экспериментальной стали производили сравнительные испытания реальных деталей шестерен грузового автомобиля. Такие испытания осуществляли на шестернях первой передачи и заднего хода автомобиля ЗИЛ-130 (число зубьев 46, модуль 3,8). Указанная шестерня является одной из наиболее напряженных; расчетные напряжения для нее при изгибе зуба равны 59 кГ/мм2, а контактные напряжения достигают значений 227 кГ/мм2. Химико-термическую обработку шестерен из стали 25ХГТ, 25ХГМ и из экспериментальной стали 25Х05М05 производили в безмуфельных агрегатах ЗИЛ при использовании эндотермической атмосферы с автоматическим регулированием углеродного потенциала и в универсальной печи, в которую также подавали эндотермическую атмосферу с автоматически регулируемым углеродным потенциалом.
Испытания шестерен производили на специально сконструированном приспособлении (рис. 98) при статическом изгибе Ρ и при ударном разрушении на изгиб зуба вследствие падения груза весом 36 кГ; при этом фиксировали минимальную высоту подъема груза Ни при которой наблюдалось разрушение зуба от удара. На каждой шестерне производились испытания шести зубьев на изгиб и восьми зубьев при ударной нагрузке. Шестерня фиксировалась неподвижно посредством гребенки /, нагрузка на зуб передавалась сверху через пуансон 2, контакт пуансона с рабочей поверхностью зуба осуществлялся по линии начальной окружности.
Результаты испытаний шестерен, обработанных по режиму А, приведены в табл. 37. При анализе этих данных выявляется повышение прочностных показателей шестерен, изготовленных из экспериментальной стали с 0,5% Мо, не подверженной внутреннему окислению, по сравнению с обычно применяемыми в настоящее время для цементации сталями 25ХГТ и 25ХГМ.
Снижение показателей прочности шестерен, обработанных в универсальной печи, вероятно, объясняется различиями в условиях охлаждения при закалке. Так, в безмуфельном агрегате шестерни охлаждали в масле, нагретом до температуры 120° С, в результате чего мартенситное превращение вначале происходит в сердцевине зуба и только при последующем охлаждении на воздухе полностью заканчивается в цементованном слое.
Такая последовательность превращений в цементованной стали приводит к более выгодному распределению остаточных напряжений по сечению зуба. При обработке шестерен в универсальной печи закалку производили в холодном масле с температурой 30—40° С. Как показали расчеты, в этих условиях сначала происходит мартенситное превращение в слое, вследствие чего возрастает опасность образования на поверхности остаточных напряжений растяжения, что может отрицательно влиять на показатели прочности.
Вместе стем при отсутствии на поверхности стали трооститной сетки, образование которой обусловлено внутренним окислением, прочность шестерен, обработанных в одинаковых условиях в универсальной печи, возрастает в среднем на 20%, а ударная вязкость на 130 %.
Помимо испытаний прочности шестерен при статическом изгибе и при ударном нагружении, производились определения усталостной прочности зубьев при изгибе на пульсаторе. На рис. 99 приведены результаты усталостных; испытаний цементованных шестерен после обработки их в безмуфельном агрегате ЗИЛ БА-10. Из приведенных данных видно, что применение для шестерен стали 25Х05М05 вместо стали 25ХГМ позволяет увеличить сопротивление циклическим нагрузкам. Так, при количестве циклов 1 · 106 нагрузка при разрушении зубьев шестерен из стали 25ХГМ равна 3,5 т, а из стали 25Х05М05—4,4 Т,следовательно, усталостная прочность шестерен, изготовленных из стали 25Х05М05, больше на 25%.
Как показано в ряде исследований, при шлифовании всего профиля зуба усталостная прочность шестерен значительно снижается. Поэтому для улучшения геометрии зацепления было нецелесообразно шлифовать весь профиль зубьев. Нарезание экспериментальных шестерен производилось специальной фрезой, создающей подрез зуба у основания. Затем для повышения точности зацепления шлифовали только рабочий профиль зуба, поверхность радиуса закругления у основания зуба не шлифовали.
Испытанию подвергали прямозубые некоррегированные ведущие шестерни с модулем 4, числом зубьев 20, при ширине венца 15 мм. Парные ведомые зубчатые колеса с числом зубьев 45 имели увеличенную ширину зуба и изготовлялись в виде двойного венца, чтобы, с одним колесом можно было испытывать две шестерни. Обработка шестерен заключалась в штамповке, нормализации, механической обработке, химико-термической обработке и шлифовании рабочего профиля зубьев. Чистота поверхности в зоне радиуса закругления зубьев после фрезерования соответствовала классу 5—6 по ГОСТу 2789—59.
Испытуемые шестерни изготовляли из сталей 30ХГТ и 25Х05М05 и подвергали химико-термической обработке в атмосфере с автоматически регулируемым углеродным потенциалом в универсальной камерной печи. Режим цементации приведен в табл. 38.
Длительность подстуживания от 930 до 850°С при закалке была равна 1 ч, закалка ступенчатая в горячем масле при 150—160°С, отпуск при 180°С в течение 1,5ч. После химико-термической обработки эффективная глубина слоя на стали ЗОХГТ и 25Х05М05 до концентрации 0,4% С была 1,0 мм, глубина закаленного слоя с твердостью HRC60 (HV700) на обеих сталях составила 0,5 мм Твердость поверхности зубьев шестерен из обеих сталей HRC59—61, твердость сердцевины зубьев в зоне начальной окружности у стали ЗОХГТ — HRC42, у стали 25Х05М05—HRC29. Концентрация углерода на поверхности при определении на послойных образцах из стали ЗОХГТ была равна 0,85%, из стали 25Х05М05 — 1,3%. Повышенная концентрация углерода в цементованном слое экспериментальной стали была желательна в связи с тем, что предварительные исследования показали возможность увеличения концентрации углерода в слое из-за более высокого предела растворимости углерода в аустените в сталях, легированных молибденом. Микроструктура зубьев шестерен из сталей ЗОХГТ и 25Х05М05 представляла собой мелкоигольчатый мартенсит с некоторым количеством остаточного аустенита, без карбидных включений; структура сердцевины у шестерен из обеих сталей — малоуглеродистый мартенсит и бейнит.
Усталостные испытания экспериментальных шестерен производили на стенде с замкнутым контуром. На этом стенде при зацеплении испытуемой шестерни с колесом создавалось окружное усилие, которое обеспечивалось масляным насосом высокого давления. Максимальная погрешность в поддержании постоянной нагрузки при контроле давления масла не превышала 1%. При испытаниях окружная скорость в зацеплении была равна 14,8 м/сек. В процессе испытаний передач смазка их осуществлялась маслом Индустриальным 45 с температурой не более 50° С. Сводные результаты усталостных испытаний шестерен из стали ЗОХГТ приведены на рис. 100, а шестерен из стали 25Х05М05 — на рис. 101, из которых видно, что предел усталости шестерен из стали ЗОХГТ при испытании на базе 1-107 циклов равен 45,9 кГ/мм2, а шестерен из экспериментальной стали 25Х05М05 — 55,5 кГ/мм2, т. е. выше на 20%.