Шипко А. А., Мосунов Е. И
| Вид материала | Документы |
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
ТРАНСМИССИЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ
Руденко С.П., Шипко А.А., Мосунов Е.И.
Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси
220072, г. Минск, ул. Академическая, 12, Тел. (017) 2100749. Факс (017) 2840241
E-mail: bats@ncp mm.bas-net.by
Химико-термическая обработка зубчатых колес, включающая диффузионное насыщение поверхности, закалку и низкий отпуск, обеспечивает высокую твердость (HRC 58-63) и наибольшую несущую способность поверхностных слоев зубьев, а также прочность зубьев при изгибе. Промышленное применение химико-термической обработки требует высокой культуры производства, четкого выполнения требований технологического процесса. Нарушение оптимальных требований режимов ХТО приводит к снижению качества продукции. Предупреждение и устранение дефектов при химико-термической обработке имеет огромное значение для повышения качества продукции.
На отечественных заводах и за рубежом для упрочнения высоконапряженных зубчатых колес в основном используются цементация и нитроцементация. В автотракторной промышленности на долю этих процессов ХТО приходится 40-45% от общего объема деталей трансмиссий, подвергаемых термическому упрочнению. Практика показывает, что, несмотря на высокий уровень автоматизации современных технологических процессов ХТО, применение термического оборудования с управляющими компьютеризированными системами автоматического регулирования углеродного потенциала, температуры и времени, процессы цементации (нитроцементации) имеют ряд недостатков. И прежде всего большой разброс (дисперсию) прочностных и усталостных характеристик обрабатываемых деталей, которые приводят к снижению их долговечности. Последнее связано с тем, что для высоконапряженных зубчатых колес даже незначительные отклонения от оптимальной структуры, твердости и эффективной толщины цементованного слоя могут приводить к существенному понижению долговечности.
Результаты исследований сопротивления усталости цементованных зубчатых колес показали, что эффективная толщина упрочненного слоя оказывает значительное влияние на величину пределов выносливости как при изгибе зубьев так и при контактной выносливости активных поверхностей зубьев. В зависимости от эффективной толщины упрочненного слоя предел выносливости при изгибе зубьев может отличаться в 1,5 раза, а ограниченный предел контактной выносливости - на 25%.
По данным проведенных исследований установлено, что шестерни высокого качества должны иметь эффективную толщину слоя до участка с микротвердостью 750 НV, равную (0,08-0,1)m, 700 НV - (0,12-0,15)m, и 600 НV в пределах (0,2-0,22)m.
Разработаны технические условия на качество высоконапряженных цементованных зубчатых колес, которые уточняют требования не только к эффективной толщине слоя и содержанию бейнита, но и к обычно регламентируемым структурным характеристикам (к морфологии и глубине залегания темной составляющей, троостита, обособленных карбидов, содержанию остаточного аустенита).
Полученные данные, а также комплексные исследования зубчатых колес ведущих фирм (Катерпиллер, Мерседес, Комацу, Юнит Риг) показывают, что достижение требуемого качества упрочнения, а, следовательно, и высоких эксплуатационных свойств зубчатых передач, возможно лишь при правильном выборе стали и применении уникальных автоматизированных технологий ХТО. Установление отдельных операций ХТО (режимов насыщения, подстуживания, нагрева и охлаждения при закалке и т.п.), обеспечивающих регламентированное качество структуры слоя и сердцевины, должно основываться на результатах оценки прокаливаемости и закаливаемости цементованных слоев и сердцевины зубчатых колес из конкретной марки стали с учетом размера и формы шестерни и особенностей оборудования, на котором осуществляется химико-термическая обработка. Печное оборудование для реализации современной технологии ХТО должно быть оснащено компьютеризированными системами контроля и регулирования углеродного потенциала технологической атмосферы и закалочными агрегатами с высокой и регулируемой охлаждающей способностью.
Разработка технологических процессов ХТО на термическом оборудовании с автоматическим регулированием параметров технологической атмосферы включает следующие этапы.
1. Определение требуемого распределения микротвердости по глубине упрочненного слоя, обеспечивающего заданную долговечность, на основании результатов прогнозирования надежности зубчатых передач на стадии их проектирования.
2. Определение концентрационного профиля содержания углерода по слою после цементации, обеспечивающего требуемую распределение микротвердости, эффективную толщину слоя и его структуру.
3. Разработка режимов цементации по данным математического моделирования процесса насыщения углеродом и расчета на ЭВМ углеродного потенциала печной атмосферы, обеспечивающего заданное распределение углерода по слою.
4. Разработка температурно-временных режимов подстуживания, нагрева под закалку и условий охлаждения при закалке, обеспечивающих твердость и структуру слоев с регламентированным содержанием углерода.
Необходимо также, чтобы при разработке технологических процессов ХТО обеспечивались следующие условия.
1. Оценка прокаливаемости должна проводиться по кривым прокаливаемости конкретных сталей, полученных при исследовании на торцевых пробах с насыщением, характерным для данного метода ХТО. Должно учитываться также и влияние на прокаливаемость упрочненных слоев всех операций, свойственных данному методу химико-термического упрочнения (диффузионного насыщения, подстуживания, нагревов для перекристаллизации, под закалку и т.п.).
2. Данные об интенсивности охлаждения при закалке должны быть получены экспериментально непосредственно при обследовании закалочных баков (агрегатов) термического оборудования, на котором будет осуществляться химико-термическая обработка.
3. Выбор распределения углерода (азота или других легирующих элементов) по толщине слоя должен проводиться с учетом интенсивности закалки, размера и формы зубчатых колес.
4. Разработка режимов диффузионного насыщения, обеспечивающих заданное распределение углерода, должно проводиться по результатам математического моделирования процессов диффузии с учетом констант, определенных при обследовании промышленного оборудования, на котором будет осуществляться ХТО.
5. Химико-термическая обработка должна проводиться с автоматическим регулированием углеродного (азотного) потенциала с заданной точностью, обеспечивать возможность получения требуемого распределения углерода (азота) по толщине слоя и регламентированных условий охлаждения с заданной интенсивностью закалки.
Использование разработанного подхода к проектированию технологии химико-термической обработки высоконапряженных зубчатых колес позволяет обеспечивать требуемое качество конкретной передачи, а также на стадии проектирования прогнозировать долговечность зубчатых колес с учетом технического уровня производства машиностроительного предприятия.