технология то

лением обеспечивает гомогенизацию матрицы и сфероидизацию карбидов. Поэтому ее проводят в 2 этапа: сначала гомогенизирующий отжиг, затем обработку на сфероидизацию карбидов. Обычно сфероидизирующий отжиг представляет собой длительную выдержку при температурах близких к точке А1, т.е. 650–700 ОС. Если исходная структура – пластинчатый перлит, то сфероидизация идет в 2 этапа. На первом этапе идет деление карбидных пластин на части, второй этап – собственно сфероидизация, укрупнение карбидных частиц путем коалесценции. Этот процесс идет очень медленно и для завершения процесса требуется иногда более 100 ч. Процессы диффузии ускоряются в холоднодеформированных металлах, поэтому сочетание холодной деформации со сфероидизирующим отжигом позволяет сократить длительность этого процесса.

Способность стали к пластической деформации характеризуется поперечным сужением . Показано, что удовлетворительная штампуемость достигается при значениях = 50–60 %. А для холодной штамповки изделий сложной формыне должна быть меньше 75 %. Сфероидизация карбидов повышает штампуемость тем сильней, чем выше содержание углерода. А использование сталей с пластинчатыми структурами значительно снижает штампуемость. Влияние предварительной термической обработки и концентрации углерода в стали на штампуемость ( ) представлено на следующем графике.

Рис. 31. Зависимость штампуемости стали от содержания углерода а – нормализация; б – изотермический отжиг с частичной аустенитизацией и сфе-

роидизацией внутри перлитных участков, т.е. нагрев до 750 ОС, затем изотермическая выдержка при 700 ОС, что обеспечивает частичную сфероидизацию; в – полный отжиг; г – термическое улучшение и сфероидизация по всему объему, т.е.

полная закалка при А3+(30–50 ОС), затем отпуск при 450 ОС и сфероидизация при

700 ОС.

Для сталей, содержащих 0,3–0,5 % углерода (45, 40Х, 30ХГС, 40ХНМА), которые имеют в исходном состоянии ферритно–перлитную структуру с участками бейнита, для повышения штампуемости рекомендуется проводить изотермический отжиг при 750–780 ОС с последующим распадом аустенита при температуре 710–680 ОС. Иногда может применятся отжиг при подкритическими температурами 650–680 ОС в течение 10 часов или улучшение. При этом обеспечивает-

ся удовлетворительная штампуемость, но несколько более высокая твердость. Для горячекатаной ленты из стали типа 18ХГТ хорошая штампуемость достигается отжигом при температурах 680–720 ОС до 8 ч, что обеспечивает 80 % зернистого перлита. В качестве примера рассмотрим графики отжига заготовок из сталей

12ХН и 16ХГ (рис.32).

Рис. 32. График отжига заготовок перед холодным выдавливанием для стали

12ХН (а) и 16ХГ (б)

Такая термическая обработка обеспечивает удовлетворительную штампуемость.

8.4. Улучшение поковок

Обычно поковки из среднеуглеродистых и легированных сталей подвергают улучшению, и в большинстве случаев эта обработка является окончательной. Улучшение используют для ответственных деталей машин, таких как шатуны, цапфы, поворотные кулаки, вилки карданных валов, т.е. для деталей, которые не подвергаются в дальнейшем термической обработке, кроме отдельных поверхностей, имеющих твердость не более 320 НВ.

Для предотвращения образования избыточного феррита в структуре из–за подстуживания деталей перед закалкой, закалочные баки должны иметь приспособление, до минимума ограничивающее время переноса до закалочного бака. Режимы обработки стандартны и выбираются в зависимости от марки, массы детали и требуемой твердости.

8.4.1. Предварительная обработка для исправления крупнозернистых структур

В поковках и штамповках, которые деформируют при высоких температурах, возможно образование крупного зерна, что проявляется в структуре и изломе стали. Исправление крупнозернистости в поковках сталей с ферритно–перлитной структурой достигается фазовой перекристаллизацией путем нагрева до температур на 20–40 ОС выше АС3 при отжиге или нормализации. Но в легированных сталях после ковки при охлаждении на воздухе может происходить образование ориентированных структур (мартенсит, бейнит). Поэтому стандартный нагрев не

приводит к исправлению структуры. Это связано с особенностями образования аустенита, приводящими к исправлению исходного зерна. Если нагрев до температур АС3+(30–50 ОС) не приводит к измельчению зерна и исправлению излома, то может потребоваться нагрев до 1000–1050 ОС.

Измельчение аустенитного зерна достигается за счет рекристаллизации фазонаклепанного аустенита. Такая обработка приводит к устранению наследственности зерна и для получения мелкого зерна потребуется еще один нагрев до обычной температуры АС3+(30–50 ОС). Такую двойную обработку используют для поковок из сталей 40ХНМА, 38ХГМ, когда первой обработкой является нормализация от 870–890 ОС и закалка по нормальному режиму, т.е. 830–860 ОС.

В отдельных случаях в поковках из конструкционных сталей после сильного перегрева при ковке даже двойная обработка не измельчает зерно, т.е. сохраняется крупнозернистый излом, хотя металлографически может наблюдаться мелкозернистая структура. Такой дефект, т.е. камневидный излом 1 рода, не устраняется термообработкой. Наряду с повышением температуры нагрева необходимо обеспечить замедленное охлаждение или длительность изотермической выдержки при отжиге, чтобы распад аустенита происходил в перлитной области. В цементуемых легированных сталях крупное зерно в поковках приводит к появлению крупного зерна в цементованном слое. Для исправления применяют нормализацию.

Для высоколегированных сталей 12ХН3А, 18Х2Н4ВА используют более сложную обработку:

1)предварительный высокий отпуск при 640 ОС продолжительностью 5–24 ч с охлаждением на воздухе. При этом образуются равновесные структуры ФКС;

2)нормализация при 910–920 ОС с малой скоростью нагрева (не более 20 ОС/с)

для измельчения зерна путем фазовой перекристаллизации. Затем отпуск при 640 ОС в течение 5–24 ч для улучшения обрабатываемости резанием. Предваритель-

ный отпуск перед нормализацией измельчает зерно в 3–4 раза и значительно повышает прочность цементованных изделий.

8.4.2. Предварительная термическая обработка для повышения свойств готовых деталей при выделении частиц вторых фаз

Измельчение зерна наиболее эффективно повышает свойства при высокопрочном состоянии стали. Получение мелкозернистого аустенита в ряде сталей может быть достигнуто применением скоростного нагрева. В качестве предварительной обработки используют нормализацию, а для получения особо мелкого зерна применяют закалку или улучшение. Другим способом управления размером зерна является использование частиц вторых фаз (термостойких карбидов и нитридов) путем регулирования их количества и размера. Эти частицы затрудняют миграцию аустенитных границ и приводят к дополнительному упрочнению стали. Измельчение зерна достигается при измельчении или уменьшении частиц вторых фаз и увеличении их объемной доли. Это достигается путем легирования сталей Al, Ti, V, Nb. Так как при выплавке обычных сталей содержание азота не контро-

Страница

63

лируется, то применяют стали, в которые азот вводится специально (25ХГНМАЮ).

Для получения дисперсных частиц вторых фаз требуется ускоренное охлаждение в верхнем интервале температур (1000–700 ОС). Поэтому ускоренное охлаждение от температур ковки до 700 ОС необходимо для создания мелкозернистой структуры. Но для предотвращения образования трещин поковки от температур 700–500 ОС охлаждают на воздухе и, при необходимости повышения обрабатываемости резанием, подвергают дополнительной термической обработке. Если не удается провести термообработку с ковочного нагрева, то проводят дополнительную термообработку с нагревом до 1200–1300 ОС (при этом обеспечивается растворение карбидов и нитридов) и с ускоренным охлаждением до 700 ОС, затем на воздухе. Но если температура нагрева не достаточно высока, то будет происходить коагуляция частиц вместо их растворения, что приведет при последующей термической обработке к росту аустенитного зерна, вместо измельчения.

8.5. Особенности технологии термической обработки отливок

По сравнению с деформированным металлом отливки имеют следующие особенности:

1)химическая неоднородность, особенно ликвируют S, P, C и карбидообразующие элементы. Дендритная ликвация тем сильней, чем крупнее дендриты, т.е. их измельчение при кристаллизации – наиболее эффективный способ повышения химической однородности;

2)структурная неоднородность, которая проявляется в неодинаковости размеров и формы зерен. В тонких отливках зона столбчатых кристаллов распространяется на все сечение. Размеры кристаллов зависят от химического состава, скорости охлаждения и модифицирования;

3)физическая неоднородность, т.е. нарушение сплошности отливки в виде раковин, пористости и трещин. Кроме того, наличие напряжений, возникших при неравномерности охлаждения, может приводить к короблению деталей и появлению горячих или холодных трещин.

Взависимости от назначения и требований, предъявляемых к литым деталям, отливки из углеродистых и легированных сталей делят на 3 группы:

1)отливки общего назначения для деталей, не рассчитанные на прочность. Конфигурация и размеры таких деталей определяются только конструктивными и технологическими соображениями. Такие отливки подвергают контролю по внешнему виду, химическому составу и размерам.

2)отливки, работающие при статических нагрузках и рассчитанные на прочность. Для них дополнительно контролируются механические свойства (кроме ударной вязкости).

3)отливки ответственного назначения, работающие при динамических и циклических нагрузках. Дополнительно контролируется ударная вязкость.

Для отливок из хладоустойчивых сталей определяется ударная вязкость при 20 ОС и – 60 ОС. Для отливок из специальных сталей могут дополнительно кон-

Страница

64

тролироваться микроструктура, жаропрочность, стойкость к межкристаллитной коррозии. Для определения химического состава и свойств используют пробы, которые отбирают в середине разливки каждой плавки. Различные формы и размеры заготовок для образцов и схема их вырезки представлены на рис.33.

Но механические свойства металла в отливках могут отличаться от свойств, полученных на пробах, что связано с разными условиями кристаллизации и развитием неоднородностей. При одинаковом химическом составе и прочности, литая сталь, по сравнению с деформированной, имеет пониженную пластичность и вязкость и более анизатропна.

Отливки общего назначения могут поставляться без термической обработки или после отжига для снятия напряжений (650–700 ОС). Обработку прибылей, летников, очистку отливок проводят до термической обработки. Отливки ответственного назначения подвергают термической обработке, виды которой и гарантируемые свойства определяются ГОСТ 977–75 для углеродистых сталей, ГОСТ 2176–77 для высоколегированных сталей и ГОСТ 21357–75 для износостойких и хладостойких сталей.

Рис. 33. Конфигурация и размеры пробных брусков и схема вырезки образцов

В зависимости от марки стали и требуемых свойств проводят, главным образом, отжиг, нормализацию, иногда с отпуском и улучшение. Отливки из сталей 15Л–55Л подвергают предварительной и окончательной термической обработке. Предварительная – отжиг или нормализация с отпуском. Она проводится для улучшения обрабатываемости резанием, снятия напряжений и подготовки структуры. Поскольку различие структуры в отливках гораздо больше, чем в деформированных деталях, то и режимы нагрева могут меняться в широких пределах. Для

Страница

65

крупных отливок температура нагрева может значительно превышать значения, принятые для деформированного металла. Иногда для измельчения зерна применяют двойную и фазовую перекристаллизацию. Для отливок из стали 45Л со стенкой >25 мм проводят нормализацию от 860 ОС, а затем закалку от 840 ОС и отпуск при 600 ОС.

Исправить структуру в легированных литых сталях сложнее, поэтому обычно применяют двойную обработку, т.е. высокотемпературный отжиг или нормализацию в сочетании с обычной нормализацией, отжиг или закалку по стандартному режиму. В особо крупных отливках из сталей сильно развивается дендритная ликвация и для ее уменьшения применяют гомогенизирующий отжиг (1100– 1150 ОС, 10–15 часов). Так как при этом происходит сильный рост зерна, то затем требуется обработка для его измельчения.

Оборудование, применяемое для термической обработки, стандартное. Но укладку отливок нужно проводить так, чтобы обеспечить равномерный нагрев и исключить коробление. Для исключения образования трещин сразу после закалки проводят отпуск, длительность которого зависит от толщины стенки отливки.

Термическая обработка отливок из высоколегированных сталей, применяемых в машиностроении и авиастроении, весьма разнообразна. Для сталей мартенситного класса применяют нормализацию или закалку с высоким отпуском, перед которыми иногда проводят отжиг для измельчения зерна и снятия напряжений. Для отливок из аустенитных сталей проводят закалку от высоких температур 1050–1180 ОС. При этом обеспечивается растворение избыточных фаз и гомогенность аустенита. Так как стали обладают низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом линейного расширения, то при нагреве возникают большие напряжения, поэтому используют посадку в холодную печь или ступенчатый нагрев.

Рис. 34. Графики режимов термической обработки отливок из стали 110Г13Л.

Толщина стенок, мм: 1 – не более 50; 2 – от 50 до 100; 3 – свыше 100

Последнее время широко применяют отливки из модифицированных сталей в которые вводят ванадий (0,1%) и азот. За счет образования мелкозернистой структуры прокаливаемость таких сталей (типа 40РЛ) при закалке от обычных температур (830–860 ОС) ниже, чем у не модифицированных. Но при закалке от температур 920–960 ОС ее прокаливаемость будет больше.

Страница

66

Таблица 29 Режимы термической обработки и механические свойства некоторых литых сталей

*1 – мартенситный класс; *2 – мартенситно–ферритный класс; *3 – аустенитный класс.

Страница

67

Модифицированные стали также характеризуются более высокой устойчивостью к отпуску. Поэтому температуру отпуска для них следует повышать на 50–100 ОС. Так как при модифицировании значительно снижается химическая и структурная неоднородность в отливках, то существенно повышается пластичность и вязкость. При модифицировании также повышаются прочностные свойства сталей ферритно–перлитного классов как в нормализованном, так и в улучшенном состоянии. Типичные режимы термической обработки и свойства литых сталей представлены в следующей таблице.

8.6. Очистка заготовок от окалины

Очистку поверхности поковок и отливок проводят обычно после термической обработки. Используют очистку дробью, галтовку и травление. При галтовке отливки загружают в специальные цилиндрические барабаны, засыпают абразивный материал и вращают. В качестве абразива используют песок, бой наждачных кругов и т.п. Обычно галтовке подвергают заготовки простой формы и небольшой массы (до 15 кг). Иногда применяют мокрую галтовку, когда к абразиву добавляют органические растворители, водные растворы щелочей или кислот. Если поверхностное упрочнение нежелательно, то применяют сухую галтовку. При этом в смесь добавляют до 25 % древесных опилок. Продолжительность обработки составляет от 20 минут до 2 часов.

Травление применяют для ответственных деталей сложной конфигурации. Его проводят в растворе серной кислоты (5–20 %) в течение 10–40 мин. Для предотвращения растворения металла в раствор добавляют ингибиторы, но при травлении может происходить растворение водорода в металле, что вызывает охрупчивание.

При очистке дробью применяют дробеметные и дробеструйные установки. Дробеметом поверхность очищают стальной или чугунной дробью, которая выбрасывается с большой скоростью лопатками быстровращающегося рабочего колеса. Диаметр дроби 0,5–2 мм, причем стальная дробь применяется для очистки отливок высокой твердости. Дробеструйные установки менее производительны и более дорогие. При этом способе дробь увлекается интенсивным воздушным потоком и с помощью сопла направляется на поверхность.

Глава 9. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОЛЕНЧАТЫХ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ВАЛОВ

Условия работы весьма разнообразны и для изготовления ДВС используют различные материалы и методы их упрочнения. Корпусные детали изготовляют из Al–Mg сплавов, чугунов. Они являются наиболее нагруженными деталями и технология их упрочнения имеет ряд особенностей.

Страница

68

9.1. Термическая обработка коленчатых валов

Работоспособность коленчатых валов определяется износостойкостью шатунных и коренных шеек и способностью противостоять усталостным разрушениям при циклических изгибающих нагрузках (рис.35).

Рис. 35. Схема элемента коленчатого вала многоцилиндрового двигателя:

1 –коренные шейки; 2 – шатунные шейки; 3 – щеки; 4 – маслоподводящие отверстия

Коленчатые валы выпускают из среднеуглеродистых сталей с упрочнением шеек поверхностной закалкой при индукционном нагреве. Для изготовления валов используют стали 45, 50, 45Г2, 45ХН и т.п. Заготовки получают путем горячей штамповки, что обеспечивает благоприятное расположение волокон металла

(рис.36).

Рис. 36. Схема макроструктуры штампованной заготовки коленчатого вала

После штамповки для улучшения обрабатываемости резанием и подготовки структуры к закалке ТВЧ проводят нормализацию. Режимы нагрева выбираются в зависимости от марки. Твердость после нормализации не должна превышать 163– 197 НВ. Качество нормализации контролируется по твердости и выборочно по микроструктуре. Для устранения деформации при нагреве коленчатые валы уста-

Страница

69

навливают в подвешенном состоянии в шахтные печи или в агрегаты с подвесной садкой.

Целесообразно использование тепла от ковочного нагрева, но для измельчения зерна от температур штамповки (1050–1100 ОС) их нужно охлаждать до 600 ОС, чтобы обеспечить распад аустенита по перлитному механизму.

После механической обработки шейки валов упрочняют поверхностной закалкой ТВЧ либо поочередно, либо одновременно. Так как при поверхностной закалке в переходной зоне от закаленного слоя возникают растягивающие напряжения, то нужно чтобы максимум этих напряжений не совпадал с галтелью коленчатого вала. На рис. 37 представлены 3 вида закаленного слоя.

Рис. 37. Различные виды переходной зоны при поверхностной закалке ТВЧ

На рис. 37 (в) указана наиболее благоприятная форма закаленного слоя. Случай, когда закаленный слой охватывает галтель (в) повышает усталостную прочность в 1,5–2 раза. Вариант, приведенный на схеме (а), является недопустимым.

Для закалки применяют установки различных конструкций. Более перспективными являются станки в которых производится нагрев вращающихся шеек в петлевых индукторах. Нагрев с вращением вала обеспечивает большую однородность по глубине слоя. Обычно глубина слоя составляет 3–5 мм. Частота генератора 8–10 кГц. Мощность зависит от количества индукторов. Для получения высокой износостойкости шеек требуется обеспечить получение в поверхностном слое мартенситной структуры, но на практике из–за опасности появления трещин и корабления условия охлаждения смягчают, получая твердость поверхности 52– 54 HRC. Большую опасность представляет образование трещин у маслоподводящих отверстий. Они возникают в следствие перегрева кромок из–за повышения плотности тока около отверстий. Для исключения чего используют снятие фасок или сталемедных заглушек, вставляемых в отверстия (рис. 38).

При термической обработке с закалкой коленчатых валов наблюдается деформация и последующая правка не всегда обеспечивает размерную стабильность как при хранении, так и при эксплуатации.

Страница

70

Рис. 38. Схема распределения тока в шейке коленчатого вала:

а – при открытом маслоподводящем отверстии; б – при применении стальных заглушек.

Для упрочнения крупных валов с диаметром шейки 150–300 мм, которые изготовляют из сталей типа 18Х2Н4ВА, 38ХН3ВА или 38ХН3МА, применяют азотирование. Азотирование имеет следующее преимущество: высокая износостойкость и усталостная прочность. Недостаток – высокая стоимость и большая длительность процесса.

9.2. Коленчатые валы из чугуна

Номенклатура чугунных валов разнообразна – от малых (ДВС автомобилей) до весьма крупных, массой 700–1300 кг, длинной до 2–3,5 м и диаметром шеек 200–250 мм. Их изготавливают из высокопрочного чугуна типа ВЧ50–2 или легированного серого чугуна. Эти чугуны не регламентированы по легирующим эле-

ментам и содержат, примерно, 3,4–3,6 %С, 1,9–2,2 %Si, 0,7–1,0 %Mn, 0,04–0,08 %Mg, <0,03 %S и <0,1 %P.

Основные преимущества – литье в оболочковые формы и возможности повышения их прочности за счет придания форм, благоприятной по распределению напряжений. Наличие графита обеспечивает высокую износостойкость при более низкой твердости, чем у стальных валов. Крупные валы подвергают нормализации при 880–900 ОС. Иногда с последующим высоким отпуском 720–740 ОС. После такой обработки получаем зернистый перлит и шаровидный графит. Шейки чугунных коленчатых валов автомобильных двигателей подвергают поверхностной закалке путем индукционного нагрева. После закалки проводят низкий отпуск при 180–200 ОС. Затем проводят 100 % контроль валов на наличие трещин.

9.3. Термическая обработка распределительных валов.

Распределительные валы двигателей служат для привода клапанов. Кулачки распределительных валов взаимодействуют с толкателями клапанов, а опорные шейки вращаются в подшипниках скольжения (рис.39).

Для изготовления валов применяют:

1) Среднеуглеродистые стали типа 40, 45, которые изготавливают штамповкой, а кулачки и опорные шейки упрочняют поверхностной закалкой ТВЧ.

Страница

71

2)Цементуемые стали 15Х, 15ХН, 18ХГТ упрочняют цементацией с последующей поверхностной закалкой ТВЧ.

3)Литые валы из перлитного высокопрочного или серого модифицированного чугуна упрочняют путем поверхностной закалки ТВЧ или отбелом носиков кулачков. Глубина упрочненного слоя должна составлять 2–5 мм, частота генератора равна 8–10 кГц, т.к. при меньшей частоте увеличивается глубина нагрева и деформация вала при закалке.

Рис. 39. Схема распределительного вала четырехцилиндрового двигателя: 1 – опорные шейки, 2 – кулачки, 3 – носик кулачка

Для повышения качества индукционного нагрева используют разнообразные конструкции индукторов. В виду большой длины валы склонны к искривлению при закалке, поэтому перед закалкой их правят, а при закалке принимают меры по ограничению деформации. При не большом объеме производства используют установки с вертикальным расположением вала. Поочередное закаливание шейки и кулачков происходит путем прохождения через индуктор и спрейер.

Глава 10. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

10.1. Термическая обработка полуосей

Полуоси предназначены для передачи крутящего момента и являются тяжело нагруженными деталями. Они должны обладать высокой статической и усталостной прочностью, а также износостойкостью шлицов.

Рис. 40. Схема полуоси грузовых автомобилей: 1 – фланец, 2 галтель фланца, 3 – стержневая часть, 4 – шлицевой конец

Страница

72

Обычно для термообработки полуосей применяют два основных метода упрочнения:

1)Полуоси, изготавливаемые из легированных сталей типа 35ХГС, 38ХГСМА, подвергают объемному улучшению на твердость 35–40 HRC. Ввиду большой деформации при закалке часть операций окончательной механической обработки выполняют после улучшения и правки деталей. Повышение твердости ухудшает обрабатываемость резанием и такой вариант используется при мелкосерийном производстве.

2)При массовом производстве полуоси изготавливают из углеродистых и низколегированных сталей (35, 40, 38ГТ). Их упрочняют поверхностной закалкой или объемно–поверхностной закалке при индукционном нагреве, что обеспечивает наибольшую конструктивную прочность.

10.2. Термическая обработка крестовин карданных передач

Крестовины карданных передач передают крутящий момент от двигателя к главной передаче (рис.41).

Рис. 41. Крестовина карданного вала: 1 – шипы, 2 – галтель у корня шипа, 3 – тело крестовины

Они должны обладать высокой статической и динамической прочностью и высокой контактной прочностью шипов, которые служат внутренней поверхностью игольчатых подшипников. Крестовины изготавливают из легированной цементуемой стали марок 20Х, 18ХГТ, 15ХГНТА и подвергают газовой цементации или нитроцементации на глубину 0,8–1,5 мм, закалке с охлаждением в масле и низкому отпуску. Твердость упрочненного слоя должна быть менее 57–59 HRC. На рис. 42 представлен режим термической обработки крестовин с прерывистым охлаждением после объемного индукционного нагрева.

Страница

73

Рис. 42. Изменение температуры в различных точках крестовины карданного вала при закалке с прерывистым самоотпуском после сквозного индукционного нагрева:

I – первое охлаждение (2,8 сек), II – пауза (8 сек), III – второе охлаждение (2,8 сек); 1 и 2 – точки замера температуры

Глава 11. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ШЕСТЕРЁН

11.1. Шестерни, упрочняемые объёмной закалкой с отпуском

Эти шестерни предназначены, главным образом, для эксплуатации при относительно невысоких контактных напряжениях и без больших динамических нагрузок (в станках, узлах подъемно–транспортного оборудования и т.п.). Зубья шестерен упрочняются насквозь на твердость <300 HB (при высоком отпуске) либо на твердость 43–50 HRC (при низком отпуске). Шестерни, работающие при низких скоростях и малых удельных давлениях, изготавливают из стали марок 45, 50, 40Х, 45Г2, 50Г2 и подвергают улучшению с получением твердости 220–280 НВ. Для шестерен, работающих при больших скоростях и усилиях, но в отсутствии динамических нагрузок, используют стали марок 40ХН, 35ХМА, 38ХГН и др., в результате закалки и отпуска уровень твердости которых обычно составляет 43–52 HRC. В таблице 30 приведены режимы термической обработки шестерен.

Объемная закалка осуществляется на универсальном термическом оборудовании (камерные, шахтные печи), что является важным преимуществом в условиях единичного и мелкосерийного производства.

11.2. Шестерни из низкоуглеродистых легированных сталей, упрочняемые химико-термической обработкой

Методами химико-термической обработки упрочняется преобладающее количество ответственных тяжелонагруженных шестерен с модулем 3–10 мм, используемых в коробках передач и трансмиссий автомобилей, тракторов и других

Страница

74

машин. Достоинствами такой обработки является возможность получения весьма высоких пределов выносливости при изгибе (до 1000 МПа) и контактных нагрузках (до 2300 МПа), а также высокой износостойкости при использовании недорогих малолегированных сталей. Для упрочнения шестерен используют цементацию, нитроцементацию и некоторые низкотемпературные методы азотирования.

Таблица 30 Режимы объемной термической обработки и примерная твердость шестерен

Высокая статическая и усталостная прочность на изгиб, контактная прочность и износостойкость шестерен достигаются при определенных условиях. Рассмотрим эти условия:

а) эффективная толщина упрочненного слоя эф в зависимости от модуля m должна соответствовать следующим значениям:

При выборе глубины слоя наряду с модулем шестерни следует учитывать содержание углерода в выбранной стали. Концентрация углерода в цементованном слое должна находиться в пределах 0,8–1,0 %, что отвечает максимальной усталостной прочности при изгибе и высокому сопротивлению стали хрупкому разрушению. Следует отметить, что при содержании углерода 1,1–1,2 % увеличивается контактная выносливость, но существенно снижается предел выносливости при изгибе;

Страница

75

б) твердость поверхности зубчатого венца должна соответствовать 58–65 HRC при структуре мелкоигольчатого мартенсита с небольшими изолированными участками остаточного аустенита (не более 15–20 %). Присутствие карбидов, особенно в виде сетки по границам зерен, резко снижает вязкость в цементованной стали; в) структура сердцевины зубьев должна состоять из низкоуглеродистого мартен-

сита или нижнего бейнита с твердостью 30–45 HRC, присутствие феррита (особенно по границам зерен) резко снижает усталостную прочность и ударную вязкость.

Увеличение твердости сердцевины свыше 45 HRC сопровождается уменьшением остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое и снижением усталостной прочности.

11.3. Стали для шестерён, упрочняемых цементацией и нитроцементацией

Цементуемые и нитроцементуемые стали должны характеризоваться:

а) достаточно высокой прокаливаемостью и закаливаемостью, позволяющей обеспечить требуемую твердость поверхностного слоя и сердцевины зубьев при закалке в масле. Углеродистые стали для шестерен не применяют, так как они требуют закалки с охлаждением в воде, что сопровождается повышенной деформацией; б) технологичностью, определяемой малой скоростью к чрезмерному насыщению

поверхности углеродом и азотом и внутреннему окислению; в) хорошей обрабатываемостью резанием, что особенно важно в условиях массового производства;

г) технологичностью для термической обработки после насыщения.

В этом отношении обладают преимуществами наследственно мелкозернистые стали, в которых при обычно принятых режимах насыщения сохраняется аустенитное зерно не крупнее 6–8 баллов, что позволяет использовать непосредственно закалку. В зависимости от назначения и размера шестерен для их изготовления наиболее часто используют следующие стали:

1)Стали марок 15Х, 20Х, 18ХГ, 15ХФ, 20ХФ в связи с их малой прокаливаемостью для мелких умеренно нагруженных шестерен, работающих в основном на износ.

2)Стали марок 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ широко применяют для ответственных тяжелонагруженных шестерен с высокой прочностью сердцевины зуба (обычно малого и среднего модуля и массой до 7–8 кг). Такие шестерни работают, в частности, в коробках передач и трансмиссиях грузовых автомобилей и тракторов. Являясь наследственно мелкозернистыми, стали допускают непосредственно закалку с цементационного нагрева.

3)Стали марок 14ХГМ, 19ХГМ, 20ХГНМ, 20ХН2М применяют для шестерен коробок передач и главных передач заднего моста легковых автомобилей. Они характеризуются высокой прочностью, удовлетворительно обрабатываются резанием в связи с мелкозернистостью, подвергаются непосредственной закалке после

Страница

76

нитроцементации. Стали с молибденом менее чувствительны к росту зерна и отпускной хрупкости, и в связи с большей вязкостью применяются, в основном, в главных передачах автомобилей.

4) Высоколегированные хромоникелевые стали марок 12ХН3А, 20ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА и т.д. применяют для наиболее высоконагруженных шестерен ответственного назначения, к которым предъявляют требования высокой прочности и поверхностной твердости в сочетании с повышенной вязкостью сердцевины. Шестерни эксплуатируются под действием вибрационных и ударных нагрузок или при отрицательных температурах. Более высоколегированные из перечисленных сталей предназначены для крупногабаритных шестерен.

11.4. Технология цементации и нитроцементации шестрён

Цементацию при массовом производстве применяют в основном для тяжелонагруженных шестерен, в которых эффективная толщина упрочненного слоя должна быть свыше 1 мм.

Для шестерен с малым и средним модулем с эффективной толщиной слоя до 1 мм предпочтительнее применение нитроцементации. Преимуществами нитроцементации, по сравнению с газовой цементацией, являются: более низкая температура насыщения (830–860 ОС вместо 900–930 ОС при цементации) при практически той же длительности процесса для получения одинаковой толщины слоя; повышение износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости.

Для шестерен с эффективной толщиной слоя свыше 1 мм нитроцементацию не применяют, так как при таких толщинах в нитроцементированном слое возникают различные дефекты, значительно снижающие прочность стали.

Вусловиях мелкосерийного производства цементацию и нитроцементацию выполняют в шахтных печах серии Ц или в универсальных камерных печах типа СНЦ, иногда объединяемых в агрегаты.

При массовом производстве применяют безмуфельные агрегаты различных типов, позволяющие в автоматическом режиме осуществлять законченный цикл термической обработки и обеспечивающие:

а) постоянство температурно–временных параметров насыщения при автоматическом регулировании (стабилизации) потенциала атмосферы печи; б) возможность выполнения выбранных рациональных схем и режимов термической обработки после насыщения;

в) применение закалочных сред и условий охлаждения, обеспечивающих его достаточную интенсивность и однородность.

Взависимости от марки стали, необходимости промежуточной механической обработки и имеющегося термического оборудования, для шестерен массового производства используют различные схемы термической обработки после насыщения:

Страница

77

1)Для шестерен из сталей марок 19ХГН, 20ХГТ, 25ХНТЦ, 20ХГНТР и т.д., под-

вергаемых нитроцементации, применяют непосредственную закалку с охлаждением в холодном (30–75 ОС) или горячем (160–190 ОС) масле.

2)Для цементированных шестерен из наследственно мелкозернистых сталей марок 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХНМ, 25ХНТЦ, 25ХГНМАЮ и др. в основном используют

непосредственную закалку с подстуживанием деталей от температуры цементации до 830–860 ОС. Охлаждение при закалке проводят в холодном или горячем масле.

3)Для шестерен из высоколегированных хромоникелевых сталей этой технологии не применяют из–за сохранения при этом режиме в структуре большого количе-

ства остаточного аустенита и снижении твердости до HRC 45–55. Обычно такие шестерни после цементации охлаждают в печи до 300–450 ОС (либо до комнатной температуры), затем подвергают высокому отпуску при 600–650 ОС с последую-

щим медленным охлаждением. Для закалки шестерни повторно нагревают до 790–820 ОС в защитной атмосфере и охлаждают в масле. Заключительной опера-

цией термической обработки шестерен во всех случаях является низкотемпературный отпуск при 160–200 ОС.

Азотирование с добавками углеродсодержащих газов (низкотемпературную

нитроцементацию) выполняют в смеси аммиака (30 %) и природного газа (70 %) при 560–580 ОС в течение 8–10 часов. Этот способ опробован и рекомендован для упрочнения шестерен механизмов газораспределения (сталь 45Х) тракторных двигателей и эпициклических шестерен бортовой передачи тракторов (сталь 38ХС). Такая обработка обеспечивает существенное (в 2–2,5 раза) повышение износостойкости, контактной и усталостной прочности улучшенных шестерен.

11.5.Шестерни, упрочняемые поверхностной и объемно–поверхностной закалкой при индукционном нагреве

11.5.1.Объемно–поверхностная закалка шестерен среднего модуля

Ответственные тяжелонагруженные шестерни (например, ведомые шестерни задних мостов автомобилей ЗИЛ и ГАЗ), упрочненные этим методом, по конструктивной прочности не уступают цементованным и нитроцементованным, а в ряде случаев и превосходят их.

Шестерни изготавливают из стали пониженной прокаливаемости марки 58 (55ПП). Поковки шестерен проходят предварительную термическую обработку, заключающуюся в ускоренном охлаждении после ковки (для обеспечения наследственной мелкозернистости стали) и последующей нормализации (для улучшения обрабатываемости и измельчения структуры перед закалкой).

Индукционный нагрев осуществляется в кольцевых индукторах при небольшой средней скорости нагрева в области фазовых превращений (порядка 2– 10 ОС/с). Зубчатый венец и некоторый подслой прогреваются насквозь до закалочных температур. Время нагрева обычно составляет 20–100 с для шестерен различных модулей и размеров. Выполнение столь медленного нагрева определяет

Страница

78

небольшую установленную мощность генераторов (0,2–0,5 кВт на 1 см2 нагреваемой поверхности) и простоту формы активного витка индукторов. Для шестерен применяют средние частоты тока 2,5–10 кГц. Температура нагрева под закалку мало отличается от обычно применяемой для закалки при нагреве в печах.

Режим нагрева подбирают так, чтобы при предварительно нормализованной исходной структуре получить размер аустенитного зерна 11–12 баллов.

Закалочное охлаждение осуществляют быстродвижущимся потоком воды, омывающим боковые поверхности и торцы зубьев, в специальных охлаждающих устройствах, конструкция которых определяется геометрией шестерни. Для подачи закалочной воды используют насосы производительностью 200–300 м3/ч.

Схема устройства для объемно–поверхностной закалки цилиндрических шестерен приведена на рисунке 43. Время охлаждения выбирают таким образом, чтобы обеспечить самоотпуск при 200–210 ОС, что эквивалентно отпуску в печи при 150–160 ОС. При необходимости можно применить отдельный низкотемпературный отпуск в печи.

Рис. 43. Схема устройства для объемно– поверхностной закалки шестерен с охлаждением потоком воды, подаваемой в зазор между индуктором и закаливаемой поверхностью детали:

1 –питающая труба; 2 – кольцевой паз, 3 – закаливаемая шестерня, 4 – индуктор, 5 – начальный уровень закалочной вод

В результате такой закалки за счет ограниченной прокаливаемости стали при правильно выбранных режимах нагрева и охлаждения по контуру зубьев и во впадинах создается закаленный на мартенсит слой высокой твердости (HRC 59– 61), сердцевина зубьев и подслой под впадинами упрочняются на структуру тонкой ферритно–цементитной смеси (сорбит или троостит закалки) с твердостью

HRC 30–40.

11.5.2. Поверхностная закалка крупномодульных шестерен “по впадине”

Этот способ применяют для крупномодульных шестерен, изготавливаемых обычно малыми сериями из среднеуглеродистых сталей марок 40Х, 40ХН и др. Нагрев осуществляется на средних частотах (2,5–10 кГц) и ограничивается в данный момент времени одно впадиной, поэтому потребная установленная мощность

Страница

79

высокочастотного оборудования невелика и ее определяют из расчета 1,5–2 кВт/см2. Следующая впадина закаливается после окончания закалки предыдущей. На рис. 44 представлена конфигурация закаленного слоя при закалке “по впадине”. На вершине зубьев слой отсутствует, что не имеет значения, так как эти зоны при эксплуатации не подвергаются нагрузкам.

Рис. 44. Конфигурация закаленного слоя (выделен зачернением) на зубьях при закалке “по впадине”

В том и другом случаях охлаждение осуществляется водяным душем. Для того, чтобы обеспечить необходимый нагрев впадины индукторы работают при очень малых зазорах. Расстояние от нагреваемой поверхности впадины до индуктора должно составлять 0,2–0,5 мм при непрерывно–последовательной закалке и 1–1,5 мм при одновременной закалке.

11.5.3. Газопламенная поверхностная закалка крупномодульных шестерен

Этот способ упрочнения применяют, в основном, в мелкосерийном производстве (на заводах тяжелого и металлургического машиностроения, в ремонтных цехах) для шестерен большого диаметра с модулем 8–30 мм, когда приобретение высокочастотного оборудования и изготовление соответствующей оснастки не рационально ввиду малой программы производства. Установки для газопламенной поверхностной закалки дешевле, проще и могут быть изготовлены непосредственно на предприятиях, выпускающих шестерни.

Закалку осуществляют “по зубу”, впадины остаются неупрочненными (рис. 45).

Рис. 45. Конфигурация закаленного слоя (выделен зачернением) на зубьях при газопламенной поверхностной закалке “по зубу”

Страница

80