CC BY
11ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 621.793:539.374:669.056.9
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЗУБЬЕВ ЧУГУННЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА ТЕРМОДИФФУЗИОННЫМ ХРОМИРОВАНИЕМ
А.А. ВЕСЕЛОВСКИЙ, канд. техн. наук, доцент (МИСиС, филиал в г Новотроицке)
Статья поступила 11 октября 2011 года
Веселовский А.А. - 462359, Оренбургская область, г. Новотроицк, ул. Фрунзе, д. 8 Новотроицкий филиал Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов"», e-mail: a_a_ves@mail.ru
В работе проведены исследования по испытаниям на износостойкость зубчатых колес из высокопрочного чугуна с термодиффузионным хромовым слоем. Дана сравнительная оценка износостойкости зубчатых колес из высокопрочного чугуна с различным типом диффузионных покрытий и стальных зубчатых колес.
Ключевые слова: чугунные зубчатые колеса, хромовые покрытия, износостойкость зубчатых передач.
Введение
Зубчатые колеса относятся к числу наиболее распространенных деталей современных машин. Они входят в конструкции коробок передач автомобилей, тракторов, сельхозмашин, самолетов, турбин, станков и многих других машин и изделий.
Производство зубчатых колес охватывает большое количество типоразмеров [1]. Значительное количество зубчатых колес приходится изготавливать дополнительно на заводах-потребителях при внеочередных и текущих ремонтах. Выход из строя зубчатого колеса приводит к остановке всего агрегата и увеличивает ежегодные затраты предприятия на содержание и эксплуатацию оборудования.
Основную массу зубчатых колес, потребляемую современным машиностроением, составляют цилиндрические прямозубые колеса (80 %) [2]. Выпуск конических колес всех типов достигает 12-15 %, а цилиндрических ко -созубых - 3-5 %.
Для изготовления крупногабаритных тихоходных зубчатых колес и колес открытых
зубчатых передач применяют серый чугун марок СЧ 15 и СЧ 20 [3]. Серые чугуны марок СЧ 30, СЧ 35 и выше могут использоваться в закрытых передачах (редукторах) [4], однако наличие графита пластинчатой формы, несмотря на мелкий их размер, делает такие зубчатые колеса весьма чувствительными к перегрузкам и ударам, возникающим в зубчатом зацеплении. Но перспективнее для зубчатых колес применять высокопрочные чугуны с шаровидным графитом [5].
Зубчатые колеса из высокопрочного чугуна, закаленного на бейнит [6], по сравнению со стальными имеют малую шероховатость поверхности после механической обработки, высокую контактную прочность.
Однако по износостойкости чугунные зубчатые колеса уступают стальным, так как имеют меньшую поверхностную твердость. Поэтому создание термодиффузионных высокотвердых покрытий на базе карбидообразующих элементов - хрома на чугунных колесах позволит им в полной мере конкурировать со стальными, прошедшими химико-термическую и последующую термическую обработку.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Чм
Методика проведения эксперимента
Для проведения эксперимента по исследованию износостойкости зубьев была выбрана контактная пара (рис. 1), обеспечивающая задний ход легкового автомобиля ВАЗ 2107.
Зубчатые колеса помещались в контейнер с плавким затвором, куда засыпалась реакционная шихта, состоящая из феррохрома (50.. .60 % массы), 4 % хлористого аммония, остальное -инертный наполнитель (окись алюминия).
Рис. 1. Исследуемая зубчатая пара
Упрочнение проводилось в муфельной печи при температуре 1000.1050 °С в течение 10 ч. Закалка зубчатых колес с хромовым покрытием проводилась с повторного нагрева в расплаве солей при температуре 930.950 °С в масло.
Определение микротвердости термодиффузионного покрытия проводилось на микротвердомере ПМТ- 3 при нагрузке на индентор- 0,49Н. Критическая толщина покрытия определялась также с использованием данного прибора.
Закаленные хромированные шестерни в целях улучшения процессов приработки покрывали слоем бронзы ОЦС 555. Процесс нанесения осуществлялся металлической щеткой, ворс которой с определенным натягом вращался между материалом - донором (пруток бронзы ОЦС 555) и покрываемым зубчатым колесом. Ворс щетки сдирал частички бронзы с донорского материала и размазывал их на рабочие поверхности зубьев колес.
В процессе обработки покрываемое зубчатое колесо вращалось, обеспечивая равномерность нанесения слоя покрытия толщиной 5.15 мкм.
Процесс механического нанесения внешнего антифрикционного покрытия имел преимущества перед другими способами, так как совмещал две операции - очистку рабочих поверхностей зубьев от остатков масла после закалки и нанесение антифрикционного слоя бронзы.
Испытания износостойкости проводилось на установке, фотография которой представлена на рис. 2.
В качестве тягового устройства использовался асинхронный электродвигатель, закрепленный на станине токарного станка. Входной вал коробки через муфту соединен с электродвигателем.
Выходной вал зажат в патроне станка, причем кинематика последнего обеспечивает нагружающий момент сопротивления (станок выключен).
При испытаниях момент сопротивления (привода станка) составлял 7,84 Н-м, скорость вращения выходного вала с учетом передаточного отношения в коробке составляла 849 об/мин.
Перед началом испытаний шестерни взвешивались на весах 0Х-800, ГОСТ 24104-2001 специального класса точности с дискретностью отсчета 0,001 г. После установки в коробку осуществлялась приработка их на холостом ходу (без нагрузки) в течение 0,5 ч. При этом выходной вал коробки передач вращался свободно,
Рис. 2. Установка для испытаний зубчатых колес на износ:
1 - токарный станок; 2 - коробка передач автомобиля ВАЗ 2107; 3- асинхронный электродвигатель
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕ,
т.е. без зацепления со станком. В самой коробке передач на протяжении всего времени испытаний была включена задняя скорость.
Картер коробки был заполнен 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.
Результаты экспериментов
В ходе проведенных исследований выявлено, что после 10 часов упрочнения на зубчатых колесах сформировано покрытие, толщиной 40.. .50 мкм. Прирост размеров при хромировании был заранее учтен при изготовлении зубчатой пары.
Полученное покрытие подвергли испытаниям на выявление максимальной нагрузки, которую оно способно выдерживать без сколов и растрескивания. Для этого одновременно с коле -сами упрочнялся образец из ВЧ 60 по приведенной выше методике. В грань образца под углом 90 ° вдавливалась алмазная пирамида прибора ПМТ-3. И нагрузка, при которой от полученного отпечатка начали ответвляться трещины, принималась за критическую.
Микротвердость сформированного хромового покрытия по ширине зуба представлена на рис. 3.
Величина микротвердости поверхностного упрочненного слоя практически не изменяется после закалки. Однако твердость основы и прилегающей к покрытию зоны становится значительно выше: достигает значений ИЯС 50-55, что соответствует бейнитной структуре.
Рис. 3. Распределение микротвердости по толщине упрочненного слоя:
1 - после хромирования; 2 - после хромирования и закалки
Такая прочная, лежащая под покрытием зона будет лимитировать работоспособность хромового покрытия с позиции продавлива-ния последнего под действием нагрузок, превышающих номинальную, или в случае попадания в зацепление твердых недробимых частиц.
Алмазная пирамида прибора ПМТ-3 служила моделью твердой недробимой абразивной частицы, попавшей в зацепление.
Исследования критической толщины хромового покрытия на высокопрочном чугуне после десятичасового упрочнения, полученные от вдавливания алмазной пирамиды при разных нагрузках, представлены на рис. 4.
Регрессионным анализом была установлена адекватная при доверительной вероятности 0,95 регрессионная зависимость критической толщины хромированного слоя от диагонали отпечатка алмазной пирамиды (кривая 6, рис. 4).
Ь^ = 22,03 - 21,223е
-0,068^„
где ккр- критическая толщина хромового покрытия, мкм; ^отп- диагональ отпечатка алмазной пирамиды, мкм.
Изностойкость зубчатых колес с хромовым покрытием оценивалась сравнением толщины хромового слоя перед началом испытаний и после 5-10 циклов нагружения. При этом исследуемые поверхности зубьев перед началом испытаний помечались. Состояние хромового
О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
Диагональ отпечатка пирамиды, мкм
Рис. 4. Определение критической толщины покрытия (кривая 6) на высокопрочном чугуне ВЧ 60 после хромирования при нагрузке на индентор: 1 - 0,49Н; 2 - 0,98Н; 3 - 1,47Н; 4 - 1,96Н; 5 - 2,45Н
Рис. 5. Хромовое покрытие:
а - на шестерне до испытаний; б - на шестерне после испытаний; в - на зубчатом колесе до испытаний;
г - на зубчатом колесе после испытаний
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
б
Рис. 6. Массовый износ зубьев шестерни (а) и зубчатого колеса (б): 1 - с ванадиевым; 2 - хромовым; 3 - марганцевым покрытиями; 4 - закаленный ВЧ 60 без покрытия; 5 - стальные колеса (20ХГН) с цементованным слоем
покрытия на шестерне и зубчатом колесе до и после испытаний представлено на рис. 5.
Выработка хромового покрытия на шестерне составляет 20.25 % своей толщины, а выработка хромового покрытия на сопряженном зубчатом колесе - 20.45 %. Больший износ ко -леса в сравнении с шестерней обусловлен тем, что шестерня входит в зацепление только с ко -лесом, а колесо передает вращение от шестерни другому сопряженному с ним зубчатому колесу и испытывает соответственно большее число контактов.
Для сравнительной износостойкости зубчатых колес из высокопрочного чугуна с хро-
мовым покрытием проводили испытания на массовый износ колеса с ванадиевым и марганцевым термодиффузионными покрытиями, зубчатые колеса из стали 20ХГН после цементации и закалки и колеса из закаленного высокопрочного чугуна ВЧ 60 без покрытия.
Результаты полученных испытаний представлены на рис. 6.
Вывод
Наличие хромового термодиффузионного покрытия на рабочих поверхностях зубьев в
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Чм
2-4 раза увеличивает износостойкость зубьев по сравнению со стальными (20ХГН), в 2-3 раза по сравнению с колесами из закаленного чугуна ВЧ 60 без покрытия, в 1,4-1,6 раз по сравнению термодиффузионным марганцевым покрытием и в 1,2-1,5 раза уступает по износостойкости термодиффузионным ванадиевым покрытиям.
Список литературы
1. Решетов Д.Н. Детали и механизмы металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1992. Т. 2. - 520 с.
2. Бабичев А.П. Справочник инженера-технолога в машиностроении. - Ростов н/Д: Изд-во «Феникс», 2005. - 541 с.
3. Гузенков П.Г. Детали машин. - М.: Высш. шк., 1990. - 351 с.
4. Когаев В.П. Прочность и износостойкость деталей машин /В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. - М.: Машиностроение, 1991. - 293 с.
5. Безбородов С.М. Разработка и внедрение зубчатых колес из высокопрочного чугуна в тяжело нагруженных редукторах металлургических машин с целью повышения их работоспособности: дис. ... канд. техн. наук. - Днепропетровск, 1991. - 194 с.
6. Курбатов А.Н. Зубчатые колеса из бейнитного высокопрочного чугуна/ А.Н. Курбатов, М.И. Бестужев // Литейное производство. - 2009. - № 5. -
С. 2-7.
Increasing the wear resistance of cast iron gear teeth of the highly-durable cast iron by
thermodiffusion chromizing
A.A. Veselovskiy
We conducted research on testing the durability of gears made of high chromium cast iron with a thermodiffusion layer. A comparative evaluation of wear resistance of gears of ductile iron with different types of diffusion coatings and steel gears.
Key words: cast iron gears; chromium; gear wear resistance.
