Повышение долговечности вал-шестерен горных машин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© А.А. Ковалева, К.И. Шахова, 2004

УДК 621.78

А.А. Ковалева, К.И. Шахова,

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВАЛ-ШЕСТЕРЕН ГОРНЫХ МАШИН

Семинар №17

Темпы перевооружения промышленности новой техникой во многом зависят от уровня развития машиностроения. Причем технический прогресс определяется не только совершенствованием конструкции машин, но в значительной степени совершенствованием технологии их производства.

Непосредственное совершенствование технологии производства и повышение его технического уровня связаны, в первую очередь, с применением современных технологических тенденций в обработке резанием и термической обработке.

К таким тенденциям относятся:

- применение ионной цементации, азотирования, борирования, ЗТВЧ и др. в практике химико-термической обработки;

- пути решения обработки труднообрабатываемых материалов, т. е. прогресс в разработке и внедрении новых технологических подходов и новых инструментальных материалов;

- сухая обработка (без СОЖ) резанием;

- твердая обработка резанием;

- высокоскоростная обработка резанием.

Применение процесса ионной цементации позволяет сократить время процесса и повысить качество цементованного слоя.

Рис. 1. Микротвердость деталей после проведения химико-термической обработки в печах периодического действия с регулируемым уг-

Распреаеление твердости по глубине слоя (традиционная цементация)

(2 9000 - —

21 8000 - —

7000 - —

£ 4000 | 3000 §■ 2000 ^ 1000

О

Сущность ионной ХТО заключается в том, что в разряженной газовой среде между катодом (деталью) и анодом (стенками вакуумной камеры) возбуждается тлеющий разряд.

При ХТО в тлеющем разряде в результате бомбардировки катода положительно заряженными ионами происходит:

во-первых, нагревание обрабатываемого металла за счет кинетической энергии этих ионов и превращения части ее в тепловую, что имеет важное значение для последующего диффузионного насыщения, так как диффузия - термически активируемый процесс;

во-вторых, катодное распыление, благодаря которому осуществляется очистка всей поверхности, а в случае обработки коррозионно-стойких материалов - депассивация поверхности, что способствует повышению эффективности диффузионных процессов; в-третьих, диффузионное насыщение. Основной эффект от использования тлеющего разряда при ХТО металлов и сплавов состоит в том, что создаются более благоприятные условия для всех процессов (этапов) этой обработки, определяющих в конечном счете кинетику и механизм диффузионного насыщения.

Нагревание поверхности осуществляется без дополнительного нагрева, а только за счет бомбардировки катода при этом температура может достигать 1000-1150°С. Очистка поверхности и подготовка ее к

Рис. 2. Микроструктура стали 20Х2Н4А после проведения окончательной термической обработки.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Глубина слоя, мм у»- 2722,9г ^3440,2х+7355,9

И = 0,8631

Параметры процесса ионной цементации.

Марка Температура, Плотность тока, Продолжительность, Глубина слоя, мм

стали град. °С мА/см2 час

20Х2Н4А 1050 1 3,5 1-1,2

последующему насыщению определяется приложенным напряжением, давлением насыщающей среды и ее составом. С уменьшением катодного падения напряжения эффект очистки поверхности уменьшается, При ионной цементации перед насыщением очистка поверхности проводится при давлении 1.33-2.6 Па, повышение давления газовой среды снижает эффект катодного распыления. При этом температура катода-детали поддерживается в пределах 200-250 С.

В случае ионной цементации происходит непосредственная адсорбция сталью углерода, на поверхность очищенную катодным распылением.

Для сравнения процессов газовой и ионной цементации нами проведены исследования твердости, микротвердости и структуры стали 20Х2Н4А, используемой для изготовления крупномодульных шестерен и вал-шестерен. Цементация в газовой среде проведена в печи Холкрофт, полученные данные приведены на рис.1.

Как видно из приведенных данных в упрочняемом слое повышенные значения микротвердости по глубине, а на поверхности произошло

обезуглероживание, это видно из снижения

Кроме того, при проведении газовой цементации количество остаточного аусте-нита в поверхностном слое достигает 25 %, что приводит к большому разбросу твердости: НЯСэ 56...62.

Для повышения качества термической обработки нами проводились работы по

Рис. 3. Микротвердость деталей после проведения ионной цементации

ионной цементации на базе лаборатории ВНИЭТО. Используя ранее опубликованные данные по влиянию режимов ионной цементации на свойства поверхности и сердцевины, мы пришли к выводу о следующем режиме ионной цементации:

1. Нагрев деталей сопротивлением после вакуумирования камеры до давления 60 Па и продувка камеры диссоциированным аммиаком. Время нагрева 30-40 мин, далее очистка поверхности в условиях тлеющего разряда при пониженном давлении.

2. Стадия насыщения проходит в условиях тлеющего разряда, при этом в камеру подается пропан, расход которого 8-10 л/час. Расход пропана уменьшается в конце процесса.

3. На стадии диффузии без насыщения достигалась требуемая концентрация углерода на поверхности, и углерод диффундировал вглубь на глубину 1,2-1,4 мм, что требуется для деталей типа хвостовиков Диффузия идет на остаточном давлении 13 Па и температуре 1000-1050 0С.

4. Охлаждение после насыщения проводили в камере насыщения в течение 3 часов при остаточном давлении 13 Па. Параметры процесса проведения ионной цементации приведены в таблице.

После цементации проводилась термическая обработка по режиму:

1. Высокий отпуск 650 °С в течение 3-х часов;

2. Закалка 800-820 °С с выдержкой 5060 мин. в качестве охлаждающей среды использовалось масло.

3. Низкий отпуск в 160-180 °С в течение 150 мин.

Полученная микроструктура приведена на рис. 2.

Микроструктура характеризуется мелкоигольчатым мартенситом, с небольшим количеством 10-12 % остаточного аустенита, на поверхности нет обезуглероживания. Это подтверждается исследованием микротвердости (рис. 3).

По результатам исследований процесса можно сделать выводы:

- время процесса снижено с 13 часов до 3,5 часов;

- образование мелкого зерна несмотря на высокую температуру;

- наблюдается равномерное распределение твердости по глубине цементованного слоя;

- нет обезуглероженного слоя на поверхности;

- в структуре поверхности низкое содержание остаточного аустенита;

Использование высоколегированной стали и процесса ионной цементации диктует необходимость применения прогрессивных методов механической обработки, к числу которых относятся твердое точение, твердое накатное полирование.

Твердое точение - процесс чистовой токарной обработки материалов с твердостью от 47 до 65 НЯС. Указанный диапазон твердости является необходимым, поскольку в противном случае в зоне резания не будут достигаться температуры, требуемые для размягчения обрабатываемого материала, и не будет происходить процесс твердого точения.

Функциональный принцип твердого точения заключается в размягчении обрабатываемого материала в зоне среза до 25 НЯС благодаря нагреву, из-за специально подобранной геометрии инструмента и режимов обработки. При этом обработанная поверхность и материал инструмента остаются холодными, причем твердость детали снижается на более чем на 2 НЯС.

В процессе твердого точения образуется так называемый «факел» - струя горячей размягченной стружки оранжевого цвета. Это явление можно считать одним из признаков осуществления процесса твердого точения.

Твердое точение может заменить шлифование и обеспечить экономическую эффективность за счет:

1) простоты настройки станков;

2) сокращения количества операций;

3) экономической целесообразности за счет: снижения времени обработки, более дешевой стоимости токарных станков в сравнении со шлифовальными, экономии на вложении в СОЖ, ее утилизации и обслуживании системы подачи СОЖ;

4) экологическая безопасность.

Точность обработки и шероховатость обработанных поверхностей равнозначна шлифованию.

Применение технологического процесса изготовления вал-шестерни с использованием твердого накатного полирования инструментом для накатного полирования (шариком) позволяет избежать трудоемкой операции полирования, а также устраняет недостатки, образовавшиеся после твердого точения (изменяет внутренние растягивающие напряжения на сжимающие и упрочняет поверхностный слой, при достижении требуемой шероховатости поверхности и точности размеров).

Процесс ротационной обработки сопровождается пластической деформацией поверхностных слоев металла, в результате чего изменяются не только размеры заготовки, макро- и микрогеометрия ее поверхности, но и структура металла, его прочностные свойства. Кроме того, в силу сплошности металла заготовки и деформирования ее поверхностных слоев имеет место возникновение остаточных сжимающих напряжений. Указанные изменения в совокупности и определяют новое физико-механическое состояние упрочненного поверхностного слоя.

Ротационная обработка позволяет значительно повысить такие эксплуатационные характеристики деталей машин, как усталостная прочность, износостойкость, коррозионно-усталостная прочность, прочность прессовых посадок, стыковая жесткость плоскостей и т.д.

Выводы:

1.Для обработки вал-шестерен горных машин предлагается использовать процесс ионной цементации, сокращающий время процесса в 2,5-3 раза и обеспечивающий равномерную структуру и микротвердость цементованного слоя.

2.Для обработки вал-шестерен рекомендуется использование твердого точения и твердого накатного полирования. Это позволяет создать сжимающие напряжения в поверхностном слое и повысить усталостную прочность и долговечность.

___ Коротко об авторах _________________________________________________________________

Ковалева А. А. - Московский государственный горный университет.

Шахова Кира Ивановна - кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет.