Технология термической обработки

При выборе материала для изготовления шестерен и выборе

технологии термической обработки основным критерием является модуль шестерни. Модуль - это отношение диаметра делительной окружности к числу зубьев, измеряется в мм.

Условия работы шестерен зависят от уровня контактных и изгибающих нагрузок и их быстроходности. При эксплуатации шестерни испытывают:

-изгиб при резком торможении или заклинивании с наличием максимального крутящего момента;

-изгиб в ножке зуба, что может привести к его усталостному разрушению. Напряжения могут превышать 600 МПа;

-контактные напряжения на боковых поверхностях зубьев, что приводит к образованию контактно- усталостного выкрашивания. Эти напряжения достигают величины до 2300 МПа;

-износ боковых поверхностей (из-за попадания абразивных пыли

игрязи в зону контакта) либо торцевых поверхностей зубьев. При недостаточной смазке рабочих поверхностей может происходить образование задиров, приводящих к быстрому износу поверхности

зубьев.

2

Технологические схемы термической обработки:

-термическая обработка шестерен, упрочняемых объемной закалкой и отпуском;

-ХТО шестерен;

-поверхностное упрочнение при закалке т.в.ч.

Шестерни, упрочняемые объемной закалкой и отпуском, предназначены для работы при небольших статических и контактных нагрузках с практическим отсутствием динамических ударов. Зубья шестерен упрочняются насквозь на твердость < НВ 300 (при высоком отпуске) или на твердость НRС43-50 (при низком отпуске).

Шестерни, работающие при низких скоростях и малых нагрузках, изготавливают из среднеуглеродистых или низколегированных конструкционных сталей марок 45, 50, 40Х, 40ХН,45Г2, 50Г2, 38ХГН и др. Технологические параметры закалки определяются маркой стали, а режим отпуска - требуемыми свойствами шестерен. Нагрев под объемную закалку и отпуск ведется в универсальном термическом оборудовании (камерные, шахтные печи).

3

Шестерни, упрочняемые химико-термической обработкой (ХТО), изготавливаются из низкоуглеродистых легированных сталей.

Методами ХТО упрочняются в основном тяжело нагруженные шестерни с модулем 3-10 мм. (коробки передач, трансмиссии). Преимущество такой обработки - возможность получения высокого предела выносливости при изгибе (до 1000 МПа) и контактных нагрузках (до 2300 МПа), а также высокой износостойкости поверхности при использовании недорогих малолегированных сталей. Такая обработка позволяет получить высокую твердость, прочность поверхности зубьев при сохранении их вязкой сердцевины. Для упрочнения шестерен применяют цементацию,

нитроцементацию и азотирование.

Требования к упрочнению шестерен ХТО. Глубина дифф. слоя зависит от модуля зуба и должна быть:

4

Для проведения качественной ХТО необходимо выполнить ряд условий:

1. Соблюдать указанное соотношение модуля зуба и глубины насыщенного слоя. Концентрация углерода в слое должна быть в пределах 0,8…1,0%, что обеспечит максимальную усталостную прочность при сохранении высокого сопротивления хрупкому разрушению. При содержании углерода 1,1…1,2% контактная выносливость растет, но значительно снижается предел выносливости при изгибе;

2. Твердость поверхности зубьев должна соответствовать HRC58- 65, иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита с изолированными участками аустенита остаточного (не более 15-20%). Карбидная сетка и продукты диффузионного распада аустенита в цементованном слое не допускаются;

3. Структура сердцевины зубьев должна состоять из низкоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита с твердостью HRC30-45, присутствие структурно свободного феррита не допустимо. Повышение твердости сердцевины выше HRC45 сопровождается снижением усталостной прочности зубьев.

5

Стали для шестерен, упрочняемых ХТО.

Цементуемые и нитроцементуемые стали должны иметь:

- высокую прокаливаемость и закаливаемость позволяющие обеспечить требуемую твердость поверхности и сердцевины зубьев при закалке в масле. Углеродистые стали для изготовления шестерен этой группы не применяются, так как закаливаются в воде, что ведет к повышенной деформации и короблению;

- содержание углерода в стали в пределах 0,16-0,24%. Более перспективно применение стали с концентрацией углерода 0,30- 0,32%, что позволяет снизить глубину диффузионного слоя на 25- 40%;

- хорошую обрабатываемость резанием, что важно в условиях массового и крупносерийного производства. Высокую технологичность при термической обработки после ХТО.

6

В зависимости от назначения и размеров шестерен для их изготовления наиболее часто используются следующие стали:

Стали 15Х, 20Х, 18ХГ, 15ХФ, 20ХФ в связи с их малой прокаливаемостью применяются для мелких умеренно нагруженных шестерен (шестерни силовых агрегатов автомобиля);

Стали 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ применяют для ответственных тяжело нагруженных шестерен с высокой прочностью сердцевины зуба (обычно малого и среднего модуля и массой до 7-8 кг). (коробки передач и трансмиссии грузовых автомобилей и тракторов). Являясь наследственно мелкозернистыми, эти стали допускают закалку после подстуживания с цементационного нагрева;

3. Высоколегированные хромоникелевые стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА и т.д. применяются для наиболее высоко нагруженных шестерен ответственного назначения и большого поперечного сечения. Применение данных сталей обеспечивает получение высокой вязкости сердцевины, поэтому шестерни могут работать под действием вибрационных и ударных нагрузок и при отрицательных температурах.

7

Технология цементации и нитроцементации. Цементацию применяют для тяжело нагруженных шестерен с глубиной дифф. слоя более 1 мм. Если глубина слоя менее 1 мм, то, как правило, используется нитроцементация.

Преимущества нитроцементации: более низкая температура насыщения 830-860°С вместо 900-930°С при цементации при практически той же длительности процесса для получения одинаковой толщины слоя; повышение износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости за счет образования карбонитридов вместо карбидов; снижение критической скорости закалки за счет насыщения стали азотом и углеродом; меньшая деформация шестерен при последующей термической обработке.

Время выдержки при температуре насыщения определяется заданной чертежом детали глубиной диффузионного слоя и определяется по экспериментально. Ориентировочно скорость насыщения составляет 0,10-0,12 мм /ч.

8

Охлаждение с температуры насыщения - на воздухе.

При применении цементации или нитроцементации с непосредственной закалкой рекомендуется использовать подстуживание и выдержку для выравнивания температуры, для снижения закалочных напряжений и уменьшения количество остаточного аустенита в поверхностном слое шестерни.

Заключительной операцией технологического процесса термической обработки шестерен, изготовленных из всех марок, и подвергшихся ХТО, является низкий отпуск при температуре 160-200 °С. Параметры отпуска определяются требуемыми, согласно чертежа, свойствами поверхностного слоя. Основное назначение низкого отпуска снятие остаточных напряжений шестерен.

9

Технология азотирования шестерен. Азотирование повышает работоспособность шестерен при температурах ~500 °С. При этом детали имеют большую износо- и коррозионную стойкость при минимальной деформации в процессе термической обработки. Это связано с тем, что перед азотированием шестерни проходят улучшение (закалка + высокий отпуск).

Азотирование проводится при более низких температурах, чем цементация и нитроцементация. Для азотирования используются только легированные стали: 40Х, 40ХН, 38ХМЮА, 40ХН2М и др. В практике термической обработки применяется в основном два вида азотирования: газовое и ионное - более прогрессивное. В качестве насыщающей среды используются продукты распада аммиака.

Температура азотирования - 500-620 °С. Глубина азотированного слоя указывается в чертеже шестерни и обычно равна 0,1-0,6 мм. Время процесса определяется глубиной слоя (20-60 ч). Для ускорения процесса используется ионное азотирование (снижает время в 3-4 раза). После завершения выдержки при ХТО охлаждение проводится с печью до 300-150 °С в отработанной атмосфере азотирования с последующим охлаждением на воздухе.

10