CC BY
6Научная статья УДК 620.22
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ КРЕСТОВИНЫ КАРДАННОГО ВАЛА ГРУЗОВОГО АВТОМОБИЛЯ КАМАЗ-5490
Ольга Викторовна Чудина 1 Екатерина Алексеевна Постнова 2
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), г. Москва, Россия
Аннотация. Проведён сравнительный анализ влияния различных видов химико-термической обработки на структуру и свойства сталей, применяемых при изготовлении крестовины карданного вала автомобиля КАМАЗ-5490. Представлены микроструктуры и графики распределения микротвердости сталей 45 и 30ХГСА после азотирования, карбо-нитрации и борирования. Даны рекомендации по рациональному выбору материала и упрочняющей технологии для достижения оптимальных характеристик деталей тяжело-нагруженных деталей машин.
Ключевые слова: химико-термическая обработка, цементация, азотирование, карбонитрация, борирование, микроструктура, микротвердость
Для цитирования: Чудина О. В., Постнова Е. А. Сравнительный анализ методов химико-термической обработки для упрочнения крестовины карданного вала грузового автомобиля КАМАЗ-5490 // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2024. № 1(10). С. 73-81.
Original article
COMPARATIVE ANALYSIS OF METHODS OF CHEMICAL AND THERMAL TREATMENT FOR HARDENING THE CROSSPIECE OF THE DRIVESHAFT OF A TRUCK KAMAZ-5490
Olga V. Chudina 1 Ekaterina A. Postnova 2
Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow, Russia
Abstract. A comparative analysis of the influence of various types of chemical heat treatment on the structure and properties of steels used in the manufacture of KAMAZ-5490 vehicle cardan shaft crosses is carried out. Microstructures and microhardness distribution graphs
© Чудина О. В., Постнова Е. А. 2024
of medium-carbon steels after nitriding, carbonitration and boriding are presented. Recommendations on rational choice of material and hardening technology for achievement of optimum characteristics of heavy loaded machine parts are given.
Keywords: chemical thermal treatment, cementation, nitriding, carbonitration, boriding, microstructure, microhardness
For citation: Chudina O. V., Postnova E. A. Comparative analysis of methods of chemical and thermal treatment for hardening the crosspiece of the driveshaft of a truck KAMAZ-5490. Automotive and Road expert evaluation. 2024;(1):73-81. (in Russ.).
Введение
В тяжелонагруженных транспортных средствах, грузовых автомобилях и дорожно-строительных машинах в процессе эксплуатации наиболее уязвимым элементом является крестовина карданного вала. От надежности крестовины зависит не только ресурс работы машины, но и безопасность всех, кто находится в ней [1].
Одной из распространённых причин поломки крестовины грузового автомобиля КАМАЗ-5490 является трение и износ. Крестовина представляет собой шарнир, передающего крутящий момент от коробки передач ко всем узлам и агрегатам машины (рис. 1). Постоянное вращение под нагрузкой в условиях повышенной запыленности и абразивных частиц приводит к интенсивному истиранию крестовины и шарниров, что уменьшает их срок службы. Кроме того, поломки крестовин могут происходить из-за деформаций, вызванных ударами или вибрациями при движении машины в условиях сложного рельефа пути и бездорожья.
Рис. 1. Крестовина карданного вала автомобиля КАМАЗ-5490
Таким образом, основными требованиями к эксплуатационным характеристикам крестовины карданного вала автомобиля являются высокая износостойкость, контактная выносливость, способность противостоять действию ударных нагрузок. Для обеспечения требуемых эксплуатационных показателей материал крестовины должен обладать высокой твердостью, усталостной прочностью и ударной вязкостью.
Обычно в условиях массового производства для изготовления крестовин карданного вала применяют цементуемые малоуглеродистые легированные стали, такие как 18ХГТ, 20Х и др. Процесс цементации, как правило, проводится при температуре 910...930 °С в течение 8...15 часов, в газовой углеродсодержащей ат-
мосфере. После цементации, закалки и низкого отпуска на поверхности формируется структура Мотп+Аост+Кп с твердостью HV 7500...8000, а в сердцевине П+Ф или С+Ф с твердостью HV 1450.1550 МПа в зависимости от способа охлаждения, предусмотренного технологическим процессом. К достоинствам такой обработки следует отнести возможность получения высокой твердости поверхности изделия за счет создания структуры мартенсита, а также достаточная изученность и доступность процесса. Недостатком является то, что такую обработку принято использовать только для сталей с содержанием углерода от 0,1 до 0,3%, что недостаточно для сердцевины, от которой требуется сочетание высокой прочности и ударной вязкости. Во избежание роста зерна от нагрева необходимо применять дорогостоящие наследственно мелкозернистые стали. Кроме того, структура мартенсита, полученная на поверхности, в процессе эксплуатации в условиях трения при повышенных температурах склонна к распаду с потерей твердости.
В качестве альтернативного подхода для получения поверхностной твердости на уровне цементуемой, но с более прочной сердцевиной, является использование конструкционных сталей с большим содержанием углерода, таких как углеродистая сталь 45 (0,45% С) или легированная высококачественная сталь 30ХГСА (0,3% С, 1% Сг, 1% Мп, 1% Si). Замена цементации на другие виды химико-термической обработки (ХТО), такие как азотирование или борирование позволят получить на поверхности высокую твердость, но не за счет мартенситного упрочнения, а за счет стабильных нитридных, карбонитридных или боридных химических соединений.
В связи с этим целью работы является исследование влияния различных методов химико-термической обработки для поверхностного упрочнения крестовины карданного вала грузового автомобиля КАМАЗ-5490, а также сравнение получаемой структуры и твердости упрочненного слоя для сталей 45 и 30ХГСА.
Материалы и методы проведения исследований
Исследования проводили на образцах из сталей 45 (0,45% С) и 30ХГСА (0,3% С, 1% Сг, 1% Мп, 1% Si). Процессы химико-термической обработки проводились в условиях промышленного производства. Газовое азотирование проводили при температуре 570 °С в атмосфере частично диссоциированного аммиака в течение 6 часов по технологии НПО «НИТРИД». Жидкостное азотирование (карбо-нитрацию) проводили по технологии ООО «ТЕРМОХИМ» при температуре 570 °С в течение 2 часов в расплаве цианата калия (^N0) и карбоната калия К2СО3. В отличие от экологически опасного процесса цианирования, при котором используются расплавы ядовитых цианистых солей, карбонитрация предусматривает использование неядовитых компонентов. Борирование проводили по технологии «Рубонит» при температуре 950 °С в течение 4 часов в расплаве, состоящем из легкоплавкой эвтектики с добавками Li, К и борсодержащего вещества.
Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе МЕТАМ ЛВ-41. Измерение микротвердости проводили на микротвердомере ПМТ-3М в соответствии с ГОСТ 9450-76.
Обсуждение результатов исследований
Азотирование - многоцелевой процесс, с помощью которого упрочняются конструкционные и инструментальные стали и сплавы различного назначения.
Получающееся при азотировании покрытие состоит из трех зон: зоны сплошных нитридов типа Fe2-зN (е-фаза) толщиной около 20 мкм, зоны внутреннего азотирования с нитридами типа Fe4N (у'-фаза) толщина которого около 350 мкм и диффузионного подслоя а-фазы. Общая толщина азотированного слоя составляет 500...600 мкм, зависит от режимов азотирования (температура, длительность) и от химического состава стали. Каждая зона выполняет свои служебные функции. Для деталей, работающих в агрессивных средах на износ при малых контактных нагрузках, требуется азотированный слой с развитой е-фазой, от которой зависит приработка трущихся поверхностей и сопротивление коррозии.
Для деталей, работающих в условиях усталости при повышенных температурах, необходим слой с развитой у'-фазой, а в условиях износа при повышенных удельных давлениях необходима сложнолегированная зона внутреннего азотирования, опирающаяся на диффузионный подслой азотистого мартенсита [2, 3].
На рисунках 2, а и 3, а представлены микроструктуры сталей 45 и 30ХГСА после газового низкотемпературного азотирования. Общая толщина нитридного слоя 200.300 мкм. Микротвердость азотированной поверхности стали 45 составляет 5500 МПа, а стали 30ХГСА - 8900 МПа (рис. 4 и 5). Видно, что микротвердость сталей после азотирования плавно снижается от поверхности вглубь.
а б в
Рис. 2. Микроструктуры стали 45 после: а - азотирования; б - борирования; в - карбонитрации
Рис. 3. Микроструктуры стали 30ХГСА после: а - азотирования; б - карбонитрации; в - борирования (предварительно проведена закалка с высоким отпуском на структуру
сорбита зернистого). Увеличение 200 раз
Технология карбонитрации (жидкостное азотирование) проводится взамен таких процессов как нитроцементация, цианирование, азотирование, гальваническое хромирование. Преимуществом процесса являются простота и высокая эффективность. Стоимость обработки не превышает 2-8% стоимости деталей. Про-
водится при низких температурах 540-600 °С и малой длительности, продолжительность зависит требуемой толщины упрочненного слоя и варьируется от 40 минут до 6 часов. Карбонитрация обеспечивает высокую скорость нагрева, равномерность температуры в объеме ванны, возможность регулировать в широком диапазоне скорость охлаждения и, как правило, является окончательной операцией технологического цикла изготовления деталей. Применение карбонитрации повышает усталостную прочность деталей на 50-80%, значительно увеличивает их износостойкость [4, 5].
После карбонитрации конструкционных углеродистых сталей формируется диффузионный слой, состоящий из двух зон: верхнего пористого слоя, состоящего из карбонитридов типа Feз(N, С), толщиной до 15 мкм и гетерофазного подслоя, содержащего дисперсные карбонитриды железа и легирующих элементов, толщиной 250-260 мкм. В работе [4] показано, что в карбонитрированный слой характеризуется высоким сопротивлением износу, изнашивание происходит без выкрашивания и сколов, что свидетельствует о высокой пластичности и вязкости. Микротвердость карбонитрированной зоны составляет 5000 МПа и 8000 МПа для сталей 45 и 30ХГСА соответственно (табл. 2). На рис. 2, в и 3, б представлены микроструктуры сталей, а на рис. 4 и 5 характер распределения микротвердости по толщине упрочнённого слоя.
Технология борирования разработана для деталей, работающих в условиях абразивно-эрозионного изнашивания [5, 6]. Достоинством процесса является значительное повышение поверхностной твердости сталей за счет создания на поверхности двухфазной зоны, состоящей из боридов FeB с твердостью до 18000.22000 МПа и Fe2B с твердостью до 15000.18000 МПа. Толщина боридного слоя с такой твердостью не превышает 70 мкм. Борирование осуществляется как из твердой фазы в порошках или пастах, так и в расплаве, состоящем из легкоплавкой эвтектики с добавками Li, К и борсодержащего вещества [6]. Ограниченное применение борирования в порошках и пастах обусловлено высокой трудоемкостью и дороговизной процессов, а также трудностью формирования определенной структуры и фазового состава упрочненного слоя и свойств сердцевины.
В работе проводили исследования влияния процесса жидкостного бориро-вания при температуре 950 °С на структуру и твердость конструкционных сталей. На рис. 2, в и 3, б приведены микроструктуры сталей 45 и 30ХГСА после жидкостного борирования с последующим охлаждением на воздухе. Видно, что боридный слой имеет характерное двухфазное строение. На поверхности формируется слой боридов FeB с в виде разориентированных игл пластинчатого строения, толщина слоя около 35 мкм. Микротвердость слоя составляет 20000 МПа и 22000 МПа соответственно (рис. 4 и 5). По мере удаления от поверхности формируется зона толщиной около 30 мкм, состоящая из боридов Fe2B. Здесь иглы имеют более отчетливые границы, ориентируются перпендикулярно поверхности, врастая в матричную структуру. Общая толщина боридного слоя составляет 70 мкм. Таким образом после борирования на поверхностях исследуемых сталей формируется упрочненный слой с высокой твердостью, которая резко снижается до значений твердости сердцевины, так как при борировании не образуется переходная диффузионная зона (рис. 4 и 5). Сердцевина после высокотемпературного процесса
разупрочняется вследствие укрупнения зерна. Поэтому борирование может применяться только для деталей, которые не испытывают больших удельных давлений. В противном случае происходит продавливание боридного слоя и его выкрашивание [7].
Рис. 4. Влияние различных видов ХТО на характер распределения микротвердости по толщине упрочненного слоя стали 45: а - карбонитрация; б - борирование; в - азотирование
Рис. 5. Влияние различных видов ХТО на характер распределения микротвердости по толщине упрочненного слоя стали 30ХГСА: а - карбонитрация; б - борирование; в - азотирование
Результаты исследования влияния различных видов химико-термической обработки на толщину и микротвердость упрочненного слоя исследуемых сталей приведены в табл.1, 2 и 3.
Таблица 1
Влияние азотирования на толщину и твердость упрочненного слоя
сталей 45 и 30ХГСА
Марка стали Толщина упрочненного слоя, мкм Микротвердость поверхности HV50, МПа Микротвердость сердцевины ^50, МПа
45 200 5500 1900
30ХГСА 200-300 8900 2200
Таблица 2 Влияние карбонитрации на толщину и твердость упрочненного слоя сталей 45 и 30ХГСА
Марка стали Толщина упрочненного слоя, мкм Микротвердость поверхности ^50, МПа Микротвердость сердцевины, ^50, МПа
45 200 5000 1900
30ХГСА 200 8000 2200
Таблица 3 Влияние борирования на толщину и твердость упрочненного слоя сталей 45 и 30ХГСА
Марка стали Толщина упрочненного слоя, мкм Микротвердость поверхности ^50, МПа Микротвердость сердцевины, ^50, МПа
45 70 До 20000 1500
30ХГСА 70 До 22000 2000
Сравнивая исследованные виды ХТО, можно сделать вывод о существенных преимуществах азотирования и карбонитрации перед традиционно применяемой для крестовины карданного вала автомобиля КАМАЗ-5490 цементацией.
Во-первых, диффузионный слой, упрочненный дисперсными частицами нитридов (при азотировании) или карбонитридов (при карбонитрации) сохраняет свои физико-механические характеристики в условиях эксплуатации при высоких температурах и нагрузках, в то время как мартенситные структуры имеют склонность к распаду с потерей прочностных свойств.
Во-вторых, высокие температуры в процессе цементации приводят к разупрочнению сердцевины, а также деформациям, что требует последующей термической и механической обработки изделия, а, следовательно, удлиняет и удорожает технологический цикл производства деталей.
Повышение надежности и долговечности машин, также, как и экономическая целесообразность, имеют большое значение при выборе материала для изготовления детали и технологии ее упрочнения. Замена материала для карданного вала на среднеуглеродистую сталь, легированную не только хромом и марганцем, но и нитридообразующими элементами, такими как молибден, например, 38Х2МЮА (традиционно азотируемый нитраллой), позволит повысить поверхностную твердость до 14000 МПа, усталостную прочность, контактную выносливость и износостойкость крестовины карданного вала в 1,5...2 раза по сравнению с цементацией.
Выводы
1. Установлено, что после азотирования при температуре 570 °С в атмосфере аммиака в течение 6 часов на поверхности образцов из сталей 45 и 30ХГСА формируется упрочненный слой с микротвердостью 5000 МПа и 8500 МПа соответственно. Толщина нитридного слоя 200.300 мкм. Показано, что микротвердость сталей после азотирования плавно снижается от поверхности вглубь.
2. Жидкостное азотирование (карбонитрация) сталей 45 и 30ХГСА при температуре 570 °С в течение 2 часов в расплаве солей калия позволяет создавать упрочненный слой толщиной 200 мкм с микротвердостью 5000 МПа и 8000 МПа соответственно. Микротвердость после карбонитрации плавно снижается от поверхности вглубь.
3. Борирование при температуре 950 °С в течение четырех часов создает боридный слой толщиной до 70 мкм с микротвердостью 20000 МПа и 22000 МПа для сталей 45 и 30ХГСА соответственно. Микротвердость упрочненного слоя резко снижается до значений твердости сердцевины, так как при борировании не образуется переходная диффузионная зона.
4. Анализ полученных результатов, исследования влияния различных видов химико-термической обработки на структуру и твёрдость стали 45 и 30ХГСА, позволяет рекомендовать при изготовлении крестовины карданного вала автомобиля КАМАЗ-5490 использовать легированную сталь с применением поверхностного упрочнения азотированием или карбонитрацией. Это обеспечит повышение ресурса работы деталей, воспринимающих значительные по величине удельные нагрузки. Технологию борирования рекомендуется проводить для деталей, работающих при малых удельных нагрузках в условиях абразивных загрязнений.
Список источников
1. Zorin, V. A. Assessment of products risks of mechanical engineering by results of diagnosing / V. A. Zorin, N. I. Baurova, A. A. Pegachkov // Periodicals of Engineering and Natural Sciences. - 2019. - Vol. 7, No. 1. - P. 287-293. - DOI 10.21533/pen.v7i1.391. - EDN QJQBGB.
2. Лахтин, Ю. М. Структура и прочность азотированных сплавов / Ю. М. Лахтин, Я. Д. Коган. - Москва : Металлургия, 1982. - 176 с.
3. Влияние условий азотирования конструкционных сталей на их эксплуатационные свойства и структурный метод оценки качества поверхностного слоя / Л. И. Куксено-ва, М. С. Алексеева, И. А. Хренникова, М. А. Гресс / / Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2019. - № 4-1(336). - С. 163-171. - EDN DQMBRD.
4. Цих, С. Г. Опыт применения карбонитрации стальных деталей и инструмента в машиностроении / С. Г. Цих, В. И. Гришин, В. Н. Лисицкий // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2008. - № 4(24). -С. 32-38. - EDN JVCWTL.
5. Протасевич, В. Ф. Исследование особенностей формирования боридных покрытий на карбонитрированной малоуглеродистой стали / В. Ф. Протасевич, Г. В. Стасевич // Наука и техника. - 2012. - № 3. - С. 7-10. - EDN TYNWBZ.
6. Цих, С. Г. Опыт применения технологий жидкостного борирования / С. Г. Цих, А. А. Красуля // РИТМ машиностроения. - 2022. - № 6. - С. 14-19.
7. Цих, С. Г. Жидкостное борирование / С. Г. Цих, В. Н. Мартынов, Н. Е. Шкляр // РИТМ машиностроения. - 2015. - №6(104). - С. 38-40.
Referenœs
1. Zorin V. A., Baurova N. I., Pegachkov A. A. Periodicals of Engineering and Natural Sciences, 2019, vol. 7, no. 1, pp. 287-293.
2. Lahtin U. M., Kogan Ia. D. Struktura i prochnost azotirovannyh splavov (Structure and strength of nitrided alloys), Moscow, Metallurgiya, 1982, 176 p.
3. Kuksenova L. I., Alekseeva M. S., Hrennikova I. A., Gress M. A. Fundamentalnye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii, 2019, no. 4-1(336), pp. 163-171.
4. Tsikh S. G., Grishin V. A., Lisickiy V. N. Vestnik MGTU im. G.I. Nosova, 2008, no. 4, pp. 32-38.
5. Protasevich V. F., Stasevich G. V. Nauka i tekhnika, 2012, no. 3, pp. 7-10.
6. Tsikh S. G., Krasuliy A. A. RITM mashinostroeniya, 2022, no. 6, pp. 14-19.
7. Tsikh S. G., Martynov V. N., Shkliyr N. E. RITM mashinostroeniya, 2015, no. 6(104), pp. 38-40.
Информация об авторах О. В. Чудина - доктор технических наук, профессор МАДИ. Е. А. Постнова - магистрант МАДИ.
Information about the authors O.V. Chudina - Doctor of Sciences (Technical), Professor MADI. E. A. Postnova - undergraduate MADI.
Рецензент: Л. Г. Петрова, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологии констукционных материалов» МАДИ.
Статья поступила в редакцию 20.03.2024; одобрена после рецензирования 25.04.2024; принята к публикации 25.04.2024.
The article was submitted 20.03.2024; approved after reviewing 25.04.2024; accepted for publication 25.04.2024.
