Повышение надежности цементуемых деталей

Сагарадзе В. С.

Машиностроение, 1975 г.

1.    ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСЛОВИЯХ РАБОТЫ ЦЕМЕНТОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ ТРЕБОВАНИЯ

Долговечность деталей машин зависит от совершенства конструкции, правильности выбора материала, качества механической и термической обработки, качества сборки узлов, условий эксплуатации и других факторов. При конструировании детали должны быть учтены не только условия ее работы и испытываемые ею нагрузки в процессе эксплуатации, но и поведение детали при химико-термической и термической обработке. Например, отсутствие галтелей и недостаточные радиусы закруглений у основания зубьев зубчатого колеса ослабляют его прочность. Отсутствие закруглений на торцах зубьев может  привести в процессе цементации к получению повышенной концентрации углерода на ребрах зубьев и к образованию сколов.

При выборе стали, кроме механических свойств и прокаливаемости, необходимо учитывать ее технологичность и стоимость. Сталь не должна быть склонной к получению при цементации повышенной концентрации углерода в поверхностной зоне, к повышенной деформации и к перегреву. Способность сохранять мелкозернистое строение особенно необходима для деталей, подвергаемых цементации при высоких температурах, и для деталей, закаливаемых с цементационного нагрева. Желательно, . чтобы для изготовления деталей из выбранной стали не требовалось бы сложного технологического процесса термической обработки, чтобы сталь хорошо обрабатывалась резанием, не была склонной к образованию трещин при шлифовании, не содержала дорогостоящих и дефицитных элементов или содержала их мало.

Для обеспечения хорошей работоспособности цементуемых деталей необходимо установить оптимальную глубину цементованного слоя, получить в нем оптимальную

концентрацию углерода, правильно выбрать условия охлаждения после цементации и режим последующей термической обработки.

Не менее важным является качество механической обработки. Наличие подрезов, отсутствие галтелей или недостаточные радиусы закруглений вызывают местные концентрации напряжений в процессе термической обработки и при эксплуатации деталей. Повышенный наклеп от механической обработки может быть причиной повышенной деформации при нагревах для термической обработки.

Большое влияние на качество и долговечность деталей оказывает чистота поверхности после механической обработки, а для шлифуемых деталей — режим шлифования. Отпуск поверхностного слоя при шлифовании может привести к значительному снижению усталостной прочности цементуемых деталей.

Долговечность деталей в эксплуатации в значительной степени зависит от правильной сборки узлов с данными деталями. Всевозможные неточности, перекосы и другие дефекты сборки могут быть причиной преждевременного выхода деталей из строя. Большое значение для долговечности деталей имеет и правильная их эксплуатация. Дефекты эксплуатации (недоброкачественная смазка, неправильное переключение скоростей, неполное зацепление зубьев, попадание между зубьями посторонних предметов и т. д.) могут быть причиной повреждения вполне годных деталей.

Требования, предъявляемые к цементуемым деталям, определяются в первую очередь условиями их службы. Общим для всех деталей является износостойкость. Для тяжелонагруженных деталей, кроме того, требуется высокая прочность, сопротивление продавливанию слоя, стойкость против образования питтингов. Если детали подвергаются ударным нагрузкам, то они должны обладать стойкостью против образования сколов.

Из перечисленных основных факторов, влияющих на долговечность цементуемых деталей, в настоящей книге рассматриваются главным образом те, которые связаны с качеством выбранного для деталей материала, режимом цементации и режимом последующей термической обработки.

2. СТАЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЦЕМЕНТУЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Выбор стали, а также режим химико-термической и термической обработки определяются условиями службы деталей в конструкции. Для малонагруженных деталей  не испытывающих в работе значительных напряжений, можно применять низкоуглеродистые стали с незакаленной сердцевиной. К таким сталям относятся стали 10, 15 и 20 (ГОСТ 1050—60), а также стали Ст2, СтЗ и Ст5 (ГОСТ 380—71). Низкоуглеродистые цементуемые стали применяют для деталей железнодорожного транспорта, сельскохозяйственных машин, станков и др. После цементации и термической обработки детали, изготовленные из низкоуглеродистых сталей, приобретают высокую поверхностную твердость и износостойкость. Свойства сердцевины соответствуют нормализованной или термоупрочненной низкоуглеродистой стали.

Для средне- и тяжелонагруженных деталей, наряду с хорошей износостойкостью, сталь должна обладать более высокими механическими свойствами, чтобы обеспечить требуемую прочность при статических и повторно-неременных нагрузках, а также высокое сопротивление большим давлениям (для предотвращения продавливания слоя и образования питтингов). По сравнению с углеродистыми сталями более высокую прочность и лучшую прокаливаемость имеют хромистые стали 15Х, 20Х, 15ХР и хромованадиевые 15ХФ и 20ХФ. Еще более высокие механические свойства и более глубокую прокаливаемость обеспечивают хромомарганцевые и хромомарганцевотита-повые стали 18ХГ, 18ХГТ, 25ХГТ. Эти стали широко применяются в автомобилестроении. Введение бора в эти стали повышает их прокаливаемость, а введение циркония способствует сохранению мелкозернистого строения при нагреве до высоких температур.

Для тяжелонагруженных деталей применяют хромо-никелевые и хромоникельвольфрамовые стали 12ХНЗА,  12Х2Н4А, 20Х2Н4А и 18Х2Н4МА. В последние годы для тяжелонагруженных деталей разработаны новые марки сталей с меньшим содержанием никеля и без никеля. К таким сталям относятся 15ХГНР и 20ХГНР, рекомендуемые взамен стали 20ХНЗА и 20Х2Н4А для зубчатых колес, валов, осей и других деталей, стали 14ХГ2НР и 14ХГ2СР (вместо сталей 12Х2Н4А и 20Х2Н4А) для особо  ответственных   и   тяжелонагруженных   деталей, стали 15ХНГ2ВА и 15Х2Г2СВА (вместо сталей 20Х2Н4А и 18Х2Н4МА) для зубчатых колес, работающих в очень тяжелых условиях.

В ГДР и ФРГ вместо хромоникелевых сталей применяют хромомарганцевые 16МпСr5 (0,14 — 0,19% С, 1,0 — 1,3% Μη, 0,8—1,1% Сr) и 20МnСr5 (0,17—0,22% С, 1,1—1,4% Μn, 1,0—1,3% Сr) и хромоникелевые, но с меньшим содержанием никеля 18CrNi8(0,15— 0,20%С, 0,4 — 0,6% Μη, 1,8 —2,1% Сr, 1,8—2,1% Ni). Применяют также хромомарганцевомолибденовые стали 20МоСr4 (0,17—0,22% С, 0,6—0,8 Μn, 0,3—0,5% Сr, 0,4— 0,5%Мо) и стали с добавкой бора (23СrМоВЗЗ). Эти стали используют для цементуемых зубчатых колес автомобилей «Mercedes» [103].

В промышленности США применяют никелевые, хромоникелевые, молибденовые (с повышенным содержанием марганца) и никельмолибденовые стали. Наиболее широко используют стали, содержащие молибден. Согласно исследованиям А. М. Тарасова [87] для цементуемых деталей автомобилей фирмы Форд, Додж и Шевроле наиболее широко применяют стали серий 8600 (0,7— 0,9% Μη, 0,4 — 0,6% Сг, 0,15 — 0,25% Мо, 0,4 — 0,7% Ni) и серии 4000 (0,7—0,9% Μη, 0,2—0,3% Мо) с содержанием углерода 0,20— 0,28%. А. Д. Ассонов [3] приводит данные фирмы «Глиссон», согласно которым большинство американских автомобильных фирм применяют для изготовления зубчатых колес заднего моста стали серии 4000 с содержанием углерода 0,25 —0,30%, серии 4500 (0,45 — 0,70% Μη, 0,45 — 0,60% Мо) с содержанием углерода 0,18 — 0,24%,.серии 8600 и 4100 (0,7—0,9% Μη, 0,08— 0,15% Мо и 0,4 — 0,6%Сг) с содержанием углерода 0,18—0,23%.