Технология термической обработки шестерен

Основными геометрическими параметрам шестерен, которые учитывают при выборе термической обработки, являются модуль (отношение диаметра делительной окружности к числу зубьев), наружный и внутренний диаметры шестерни, высота и длина зуба.

Условия работы шестерен определяют их быстроходностью, уровнем контактных и изгибающих нагрузок.

В процессе эксплуатации зубья шестерен подвергаются:

а) изгибу при максимальном однократном нагружении (при резком торможении, заклинивании, при приложении максимального крутящего момента);

б) изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне зуба развиваются наибольшие напряжения и может происходить усталостное разрушение. Напряжения изгиба могут быть довольно большими , так в некоторых шестернях коробки передач автомобилей ЗИЛ они превышают 600 МПа;

в) контактным напряжением на боковых рабочих поверхностях зубьев, приводящим к образованию контактно-усталостного выкрашивания (питтинга). Уровень контактных напряжений определяет при проектировании выбор размера шестерен.

г) износу боковых поверхностей (из-за попадания абразивных частиц, грязи, пыли в зону контакта) либо торцовых поверхностей зубьев (при переключении передач в коробках передач). При относительном скольжении в условиях недостаточной смазки или без смазки на рабочих поверхностях зубьев может происходить "схватывание" и образование грубых задиров, приводящих к очень быстрому изнашиванию шестерен.

1. Шестерни, упрочняемые объемной закалкой с отпуском

Шестерни, работающие при низких скоростях и малых удельных давлениях (сменные шестерни), изготавливают из стали марок 45, 50, 40Х, 45Г2, 50Г2 и подвергают улучшению с получением твердости НВ 220-280.

Для шестерен, работающих при больших скоростях и усилиях, но в отсутствии динамических нагрузок, используются стали марок 40ХН, 35ХМА, 38ХГН и др., в результате закалки и отпуска уровень твердости обычно составляет НRC 43-52. Параметры режимов объемной термообработки выбираются в зависимости от марки стали. Объемная закалка осуществляется на универсальном термическом оборудовании (камерные, шахтные печи), что является важным преимуществом в условиях мелкосерийного производства.

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

Методами химико-термической обработки упрочняется преобладающее количество тяжелонагруженных шестерен с модулем 3-10 мм, используемых в коробках передач и трансмиссиях автомобилей, тракторов. Такая термообработка позволяет получать высокие пределы выносливости при изгибе (до 1000 МПа) и контактных нагрузках (до 2300 МПа), а также высокую износостойкость при использовании недорогих малолегированных сталей. В качестве ХТО для обработки шестерен используют цементацию, нитроцементацию и низкотемпературные методы азотирования.

Требования к упрочнению шестерен цементацией и нитроцементацией:

а) эффективная толщина упрочненного (цементованного или нитроцементованного) слоя _эф в зависимости от модуля m должна соответствовать следующим значениям:

m, мм	1,5-2,25	2,5-3,5	4,0-5,5	6,0-10	11-12	14-18
эф, мм	0,30,1	0,50,2	0,80,3	1,20,3	1,50,4	1,80,5

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. При содержании углерода 1,1-1,2% увеличивается контактная выносливость, но на 30% снижается предел выносливости при изгибе;

б) твердость поверхностности зубчатого венца (зубьев и впадин) должна соответствовать НRC 58-65 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 цементованной стали. Ухудшают усталостную прочность зубьев такие дефекты как появление немартенситных составляющих (во впадинах), внутреннее окисление и темная составляющая;

в) структура сердцевины зубьев должна состоять из низкоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита с твердостью НRC 30-45, присутствие феррита (особенно по границам зерен) резко снижает усталостную прочность и ударную вязкость. Увеличение твердости сердцевины свыше НRC 45 сопровождается уменьшением остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое и снижением усталостной прочности.

Требования к сталям для шестерен, упрочняемых цементацией и нитроцементацией:

а) достаточно высокая прокаливаемость и закаливаемость, твердость поверхностного слоя и сердцевины зубьев при закалке в масле;

б) технологичность для насыщения, определяемая малой склонностью к чрезмерному перенасыщению поверхности углеродом и азотом и внутреннему окислению;

в) хорошая обрабатываемость резанием;

г) технологичность для термообработки после насыщения.

В зависимости от назначения и размера шестерен для их изготовления наиболее часто используют стали:

1. Стали марок 15Х, 20Х, 18ХГ, 15ХФ, 20ХФ в связи с их малой прокаливаемостью применяются для мелких умеренно нагруженных шестерен, работающих на износ (шестерни силовых агрегатов автомобиля).

2. Стали марок 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ применяют для ответственных тяжелонагруженных шестерен с высокой прочностью сердцевины зуба. Являясь наследственно мелкозернистыми, стали допускают непосредственную закалку с цементационного нагрева. Повышенное содержание углерода позволяет уменьшить глубину слоя при цементации и нитроцементации при сохранении прочности шестерен.

3. Стали 14ХГН, 19ХГН, 20ХГНМ, 20ХН2М применяют для шестерен коробок передач и главных передач заднего моста легковых автомобилей. Для них характерны: высокая прочность, удовлетворительная обрабатываемость резанием. Стали с молибденом менее чувствительны к росту зерна и отпускной хрупкости.

4. Высоколегированные хромоникелевые стали марок 12ХН3А, 20ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА применяют для наиболее высоконагруженных шестерен ответственного назначения (массивных), к которым предъявляются требования высокой прочности и поверхностной твердости в сочетании с высокой вязкостью сердцевины.

Разработаны стали с пониженным содержанием никеля: 15ХГНР, 20ХГНР, 20ХНР, 25ХГНМ, 25ХГНМТ, 15ХГН2ТА, 15Х2ГН2ТА, 15Х2ГН2ТРА. Обладая наследственной мелкозернистостью и высокой прокаливаемостью, большинство из этих сталей допускают возможность непосредственной закалки после цементации.

Разработаны диаграммы изотвердости и микроструктурные диаграммы прокаливаемости цементованного и нитроцементованного слоя. Эффективное использованием диаграмм прокаливаемости возможно при выполнении цементации и нитроцементации в газовых средах с автоматическим регулированием потенциала насыщения стали углеродом (при цементации) или углеродом и азотом (при нитроцементации). Пример диаграммы прокаливаемости для стали 25ХГТ показан на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7- Диаграмма прокаливаемости цементованного (а) и нитроцементованного (б) слоя стали 25ХГТ.

Использование диаграмм прокаливаемости возможно при выполнении цементации и нитроцементации в газовых средах с автоматическим регулированием потенциала насыщения стали углеродом (при цементации) или углеродом и азотом (при нитроцементации).

Технология цементации и нитроцементации шестерен

Цементацию обычно применяют 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 применяют нитроцементацию. Преимущества нитроцементации по сравнению с газовой цементацией: более низкая температура насыщения (830-860 ⁰С вместо 900-930 ⁰С при цементации), при практически той же длительности процесса, повышение износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости. Получение равнозначной прочности при меньших толщинах слоя, снижение критической скорости охлаждения при закалке (из-за совместного насыщения стали углеродом и азотом), меньшая деформация шестерен (ниже температура, возможность непосредственной закалки, меньше требуемая интенсивность охлаждения).

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

а) Для шестерен из сталей марок 19ХГН, 20ХГТ, 25ХНТЦ, 20ХГНТР, подвергаемых нитроцементации, применяют непосредственно закалку с охлаждением в холодном (30-75 ⁰С) или горячем (160-190 ⁰С) масле.

б) Для цементованных шестерен из наследственно мелкозернистых сталей марок 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХНМ, 25ХНТЦ, 25ХГНМАЮ применяют непосредственно закалку с подстуживанием деталей от температуры цементации до 830-860 ⁰С. Охлаждение при закалке проводят в холодном или горячем масле.

При необходимости промежуточной (после цементации) механической обработки, детали после цементации замедленно охлаждают в специальной камере агрегата до 250-300 ⁰С. Окончательную закалку выполняют при нагреве в печах или агрегатах с защитной атмосферой или при индукционном нагреве.

в) Для шестерен из высоколегированных хромоникелевых сталей непосредственную закалку не применяют из-за сохранения при этом в структуре большого количества остаточного аустенита и снижения твердости до HRC 45-55.

Такие шестерни после цементации охлаждают в печи до 300-450 ⁰С (или до комнатной), затем выполняют высокий отпуск при 600-650 ⁰С с последующим медленным охлаждением. Для закалки шестерни повторно нагревают до 790-820 ⁰С в защитной атмосфере и охлаждают в масле.

Можно применять сокращенный цикл термообработки (без высокого отпуска):

1 вариант: медленное охлаждение после цементации, затем закалка при пониженной температуре нагрева (770-790 ⁰С) с охлаждением в горячей среде (140-150 ⁰С) в течение 3ч;

2 вариант: подстуживание в печи от температуры цементации до 900 ⁰С с последующим охлаждением на воздухе или подстуживание до 820 ⁰С с последующим охлаждением в масле. Затем применяют закалку с повторным нагревом до 790-820 ⁰С.

Заключительной операцией термообработки шестерен во всех случаях является низкотемпературный отпуск при 160-200 ⁰С.