CC BY
30
электрофизические и электрохимические методы обработки_
УДК 621.793:539.374:669.056.9(043.5)
износостойкость зубчатых колес из высокопрочного чугуна с термодиффузионными покрытиями ванадием, хромом и марганцем
А. А. Веселовский
Введение
Зубчатые колеса относятся к числу наиболее распространенных деталей современных машин. Ежегодно выпускается более 10 млн зубчатых колес тысяч типоразмеров. Значительное количество колес приходится дополнительно изготавливать для внеочередных и текущих ремонтов, поскольку выход зубчатого колеса из строя в конечном счете повлечет за собой снижение уровня надежности выпускаемых сборных узлов.
Основную массу потребляемых современным машиностроением зубчатых колес из высокопрочного чугуна составляют цилиндрические прямозубые колеса (80 %). Выпуск конических колес всех типов достигает 12-15 %, оставшаяся часть приходится на цилиндрические косо-зубые колеса. При этом не менее 90 % от всего выпуска составляют колеса с модулем не менее 4 мм и диаметром не более 300 мм.
Согласно многочисленным исследованиям, основной причиной потери работоспособности зубчатых колес является их изнашивание [1, 2]. Отказы, вызванные поломкой зубчатых колес и шестерен в результате изнашивания, составляют 65-75 % от общего количества отказов (табл. 1) [3]. Как известно, существуют различные классификации видов изнашивания.
В работе [4] указаны три основных вида изнашивания: механическое, изнашивание при заедании и коррозионно-механическое.
По данным Е. Л. Воловика [5] относительно изношенных шестерен сельскохозяйственных машин, механическое изнашивание встречается в 42,8 % случаев, изнашивание при заедании — 22,5 %, оставшаяся часть — коррозионно-меха-ническое изнашивание. Величина износов колеблется в пределах от 0,01-4 мм. При этом более 83 % всех изношенных колес имеют износ поверхности до 0,6 мм, в том числе более половины составляют детали с износом до 0,1 мм.
Анализ вышеизложенного позволяет утверждать, что проблема повышения износостойкости зубчатых передач является актуальной. Ее решение даст возможность повысить уровень надежности оборудования в целом, сократить количество текущих и капитальных ремонтов коробок передач и редукторов и, как следствие, снизить затраты на содержание и эксплуатацию оборудования.
Поскольку ряд силовых зубчатых передач из высокопрочного чугуна подлежат утилизации после износа поверхностного слоя до 0,10,6 мм, то для увеличения срока службы таких колес можно рекомендовать термодиффузионное покрытие ванадием, хромом или марганцем. Полученные карбидные слои обладают высокими показателями износостойкости к износу различных видов.
Оборудование и методика проведения эксперимента
В качестве объектов исследования была выбрана зубчатая пара (шестерня и колесо (рис. 1)) заднего хода коробки передач легкового автомобиля ВАЗ 2107. Данные элементы изготовлены из высокопрочного чугуна ВЧ 60,
Таблица 1
Отказы зубчатых колес и шестерен по агрегатам и системам автомобилей [5]
Характер Доля отказов, %
Коробка передач Задний мост
Износ 65,3 72,9
Трещины 9,3 2,4
Выкрашивание, задир 21,3 22,4
Срез, смятие, срыв 4,1 2,3
а)
б)
Рис. 1. Зубчатое колесо (а) и шестерня (б)
поверхности зубьев перед укладкой в контейнер обезжиривались эфиром.
Для термодиффузионного насыщения ванадием, хромом и марганцем использовались ферросплавы:
• феррованадий марки ФВд50У03;
• феррохром высокоуглеродистый ФХ 800;
• ферромарганец ФМн88.
Инертным наполнителем порошковой смеси служила окись алюминия, активатором процесса — хлористый аммоний. Содержание ферросплавов в реакционной смеси составило 50-60 %.
Процесс упрочнения осуществлялся в контейнерах с плавким затвором. Упрочняемые зубчатые колеса помещались в контейнер и засыпались реакционной смесью. Процесс происходил при температуре 1020-1050 °С в течение 5 (ванадирование) и 10 ч (хромирование и марганцирование).
В последующем колеса закаливались в масле с температуры 920-950 °С. Разогрев под закалку осуществлялся в расплавленных солях, предохраняющих полученное покрытие от окисления. После закалки следовал низкотемпературный отпуск при 200-250 °С в течении 1 ч. Такая термообработка позволила получить твердость сердцевины зубьев не менее 50 ИИС. Испытание упрочненных зубчатых колес проводилось на установке, представленной на рис. 2.
В качестве тягового устройства использовался асинхронный электродвигатель 3 с частотой вращения 3000 об/мин, закрепленный на станине токарного станка. Входной вал коробки передач 2 через муфту соединен с электродвигателем. Выходной вал зажат в патроне токарного станка 3, причем кинематика последнего обеспечивает нагружающий момент сопротивления (станок выключен).
При испытаниях момент сопротивления выключенного станка составлял 7,84 Н • м,
Рис. 2. Установка для испытаний на износ зубчатых колес:
1 — токарный станок 16К20; 2 — коробка передач от автомобиля ВАЗ 2107; 3 — асинхронный электродвигатель
скорость вращения выходного вала с учетом передаточного отношения в коробке — 849 об/мин. Угловая скорость прямозубой шестерни и зубчатого колеса заднего хода легкового автомобиля — 1925 и 1600 об/мин соответственно.
Перед началом испытаний шестерни взвешивались на аналитических весах, полученные значения записывались до третьего знака после запятой. После установки шестерен в коробку прирабатывали колеса на холостом ходу (без нагрузки) в течение 30 мин. При этом выходной вал коробки передач вращался свободно, то есть без зацепления со станком. В ходе всех испытаний в самой коробке передач была включена задняя скорость.
Картер коробки передач был заполнен отработанным трансмиссионным маслом ТАД 17И, после 10 000 км пробега автомобиля. Такое масло содержит в себе абразивные частицы почвы и мелкую железную стружку от притирки деталей, которые являются абразивными частицами и способствуют истиранию зубьев колес.
Через 5 • 106 оборотов выходного вала коробка разбиралась, колеса промывались. Проводился осмотр трущихся поверхностей зубьев на предмет выкрашивания покрытия, наличия сколов, трещин и других дефектов. Затем готовились образцы для металлографических исследований рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес.
Результаты эксперимента
В результате металлографических исследований рабочих поверхностей зубьев на растровом электронном микроскопе выявлено,
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
электрофизические и электрохимические методы обработки
А
л
\
50 мкм
Рис. 3. Хромовое покрытие на шестерне: а — после 5 • 106 циклов нагружения, х 500; б — строение слоев, х1500
что остаточная толщина покрытия на шестерне составляет 18-20 мкм (рис. 3).
Выработка хромового покрытия на шестерне составляет 20-25 % от его толщины.
Рассматривая структуру хромового слоя при больших увеличениях (рис. 3 б) можно заметить, что он состоит из двух слоев различной тональности. Толщина внешнего тонкого слоя незначительна и составляет 10 мкм, под ним располагается более широкий светлый слой толщиной 15-25 мкм. Различные тона окраски хромового покрытия обусловлены разным содержанием углерода и хрома, что подтверждается результатами точечного микрорентге-носпектрального анализа (табл. 2).
Можно предположить, что внешний темный слой представлен карбидом хрома СГ23С6, под ним располагается светлый слой, где наблюдается дефицит хрома и избыток углерода. Следовательно, светлый слой представлен карбидами хрома с меньшим мольным процентом последнего.
После проведения базового количества циклов испытаний сохраняется внутренняя светлая часть покрытия, представленная более работоспособными карбидами хрома СГ7С3 и (СгЕе^С, что подтверждается результатами точечного микрорентгеноспектрального анализа (рис. 4), проведенным от остаточной толщины покрытия на рабочей части зуба. Элементный состав остаточного хромового покрытия после
Таблица 2
Содержание элементов, % масс.
Элемент Слой
внешний темный внутренний светлый
Углерод 8,83 16,35
Хром 85,25 40,07
Железо 6,07 43,58
Всего 100,00 100,00
испытания шестерни: углерод — 16,04 % масс.; хром — 39,72 % масс.; железо — 44,24 % масс.
Исследование износа хромового покрытия на сопряженном с шестерней зубчатым колесом, показало, что при базовом количестве циклов нагружения износ составляет 20-45 % толщины слоя. Больший по сравнению с шестерней износ колеса обусловлен тем, что шестерня входит в зацепление только с колесом, а колесо передает вращение от шестерни другому сопряженному с ним колесу и чаще вступает в контакт.
Точечный микрорентгеноспектральный анализ оставшейся части хромового покрытия на зубчатом колесе показывает, что в нем содержится порядка 43,69 % масс. хрома, 15,26 % масс. углерода, остальное — железо. Следовательно, остаточное покрытие представляет собой внутреннюю светлую зону, сформированную карбидами СГ7С3 и (СгЕе^С.
Износ шестерни с марганцевым покрытием несколько значительнее износа шестерни с хромовым покрытием, после базового количества циклов нагружения он оценивается на уровне 35-50 % общей толщины (рис. 5). Точечный
г
\
50 мкм
Рис. 4. Место анализа оставшейся части покрытия, х500
Рис. 5. Марганцевое покрытие на шестерне, х500: а — до начала испытаний; б — после испытаний
: /СЛ
50 мкм
Рис. 6. Положение анализируемой точки на оставшейся части покрытия, х500
микрорентгеноспектральный анализ подтверждает наличие остаточного покрытия на рабочих поверхностях зубьев (рис. 6):углерод — 12,25 % масс.; марганец -28,76 % масс.; железо — 58,99 % масс. Следовательно, можно предположить, что покрытие состоит из карбидов типа (МпЕе)зС.
Рис. 7. Ванадиевое покрытие на шестерне: а — до начала испытаний, х2000; б — после базового числа циклов испытаний, х500
Исследование износостойкости марганцевого покрытия на зубчатом колесе показало, что износ рабочих поверхностей зубьев составляет 47,00-60,00 % от общей толщины покрытия. Результаты точечного микрорент-геноспектрального анализа оставшейся части марганцевого покрытия на зубчатом колесе: 13,71 % масс. углерода, 28,67 % масс. марганца, 57,63 % масс. железа.
Износ шестерни с ванадиевым покрытием (рис. 7) составляет 8,00-15,00 % его толщины, а износ сопряженного зубчатого колеса также с ванадиевым покрытием — 15,00-25,00 % соответственно. Микрорентгеноспектральным анализом (рис. 8) выявлено, что покрытие состоит из карбида ванадия УС. Элементный состав представлен следующим образом: углерод — 22,00 % масс.; ванадий -77, 16 % масс.; железо — 0,83 % масс. Высокое содержание железа на поверхности ванадиевого покрытия объясняется его диффузией из феррованадия в сформированное карбидное покрытие, когда диффузионный поток ванадия ослабевает.
электрофизические и электрохимические методы обработки
Щ \ пМ мш , ' '1 > - щ¥
О' _ 1 . V*
Рис. 8. Структура ванадиевого покрытия с указанием положения анализируемых точек, х2000
а)
Износ, микрограмм
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0,25 0,5
2
Количество циклов вращения выходного вала коробки передач, 106 шт.
б)
Износ, микрограмм 240220200180160140-
100 80
20 0
5
3
2
1
л?
А У ^
/ -
Л (/
-1
Количество циклов вращения выходного вала коробки передач, 106 шт.
Рис. 9. Износ зубьев шестерни (а) и зубчатого колеса (б):
1 — стальные колеса (20ХГН) с цементованным слоем;
2 — закаленный ВЧ 60 без покрытия; 3-5 — покрытия:
3 — марганцевое 4 — хромовое; 5 — ванадиевое)
По данным потери массы шестерни и зубчатого колеса с разными покрытиями во время испытаний были построены графические зависимости массового износа от числа циклов вращения выходного вала коробки передач (рис. 9). При этом 106 циклов вращения выходного вала коробки передач соответствовали 2,267 • 106 циклам вращения шестерни и 1,889 • 106 циклам вращения колеса.
Общее количество зацеплений зубчатого колеса с шестерней и смежным зубчатым колесом в коробке передач за время испытаний составило без малого 3 • 106 контактов, в то время как для шестерни число контактов совпадало с числом циклов вращения. Данный факт и то, что ширина зубьев зубчатого колеса в два раза меньше ширины шестерни, объясняют повышенный износ зубчатого колеса в сравнении с входящей в зацепление с ним шестерней. Таким образом, в условиях проведенных испытаний износостойкость чугунных зубчатых колес с покрытиями выше износостойкости стали 20ХГН с цементованным слоем: с покрытием из ванадия — до 4,5 раз, хрома — до 4,0 раз и марганца — до 2,5 раз.
Исследуя химический состав двухслойного хромового покрытия (см. табл. 2) и стехиоме-трический состав карбидов хрома, можно предположить, что внешний темный слой представлен высокохромистым карбидом хрома СГ23С6, под ним располагается внешний светлый слой, где содержание хрома значительно меньше, чем в темном слое, и соответствует стехиоме-трическому составу СГ7С3.
Вывод
В результате проведенных испытаний закаленных зубчатых колес из высокопрочного чугуна ВЧ 60 с термодиффузионными покрытиями марганцем, ванадием и хромом установлено, что по износостойкости такие колеса способны конкурировать со стальными после цементации и закалки в коробках передач, подач и редукторах.
Литература
1. Черновол М. И. Технологические основы восстановления деталей сельскохозяйственной техники композиционными покрытиями: Дис. ... д-ра техн. наук М.: МИИСП, 1992. 257 с.
2. Гусейнов А. Г. Повышение работоспособности деталей машин и аппаратуры путем восстановления и упрочнения диффузионной металлизацией: Дис. ... д-ра техн. наук. М.: МГТУ, 2001. 305 с.
3. Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техника, 1980. 396 с.
4. Крагельский И. В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 305 с.
5. Воловик Е. Л. Справочник по восстановлению деталей. М.: Колос, 1991. 351 с.
