CC BY
155
104/iS
гттгп гг потштргта
2 (83), 2016-
ж®
УДК 621.833: 621.785.4. 52 Поступила 13.05.2016
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ВАКУУМНАЯ ЦЕМЕНТАЦИЯ -РЕЗЕРВ ПО СНИЖЕНИЮ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И УЛУЧШЕНИЮ КАЧЕСТВА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ТРАНСМИССИЙ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МАШИН
HIGH-TEMPERATURE VACUUM CEMENTATION - THE RESERVE TO REDUCE THE ENERGY INTENSITY OF MANUFACTURE AND IMPROVE THE QUALITY OF TRANSMISSIONS GEARWHEELS OF HIGH-ENERGY MACHINES
А. А. ШИПКО, С. П. РУДЕНКО, А. Л. ВАЛЬКО, А. Н. ЧИЧИН, Объединенный институт машиностроения НАНБеларуси, г. Минск, Беларусь, ул. Академическая, 12. E-mail: sprud.47@mail.ru
A. A. SHIPKO, S. P. RUDENKO, A. L. VALKO, A. N. CHICHIN, Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus, 12, Academicheskaya str. E-mail: sprud.47@mail.ru
Приведены результаты исследований влияния высокотемпературной вакуумной химико-термической обработки на величину зерна конструкционных сталей. Показана эффективность применения наследственно мелкозернистой стали для высокотемпературной вакуумной цементации.
Results of research of influence of high-temperature vacuum chemical heat treatment on the amount of grain structural steels are presented. The efficiency of hereditary fine-grained steel for high temperature vacuum carburizing are shown.
Ключевые слова. Высокотемпературная вакуумная цементация, конструкционные наследственно мелкозернистые стали, величина зерна.
Keywords. High-temperature vacuum carburizing, structural hereditary fine-grained steel, size of grain.
Проблема обеспечения эксплуатационной надежности и ресурса зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин является комплексной и предполагает применение современных методов химико-термической обработки . Главная задача этой проблемы - улучшение свойств поверхностно-упрочненного слоя материала деталей, в частности путем цементации .
Свойства цементованного слоя и определяемый ими ресурс работы зубчатых колес в большой степени зависят от кривой распределения углерода по толщине слоя [1]. Опыт эксплуатации цементационных печей показывает, что получение регулируемого профиля распределения углерода по толщине цементованного слоя возможно лишь на автоматизированном и легко перестраиваемом печном оборудовании . Одним из перспективных с точки зрения производительности, качества и повторяемости результатов современных типов цементационного оборудования является вакуумная цементация в атмосфере ацетилена
Процесс вакуумной цементации имеет ряд преимуществ перед традиционными методами, основными из которых являются отсутствие газоприготовительных установок и приборов контроля углеродного потенциала; возможность эффективного регулирования профиля распределения углерода в цементованном слое; уменьшение удельного расхода электроэнергии и технологического газа; отсутствие кислородсодержащих компонентов в атмосфере, что исключает внутреннее окисление деталей; большая мобильность оборудования; сокращение длительности процесса в результате проведения его при высокой температуре
Первая информация о процессе вакуумной цементации относится к началу 80-х годов прошлого столетия, когда специалисты фирмы «Хейсс» (США) осуществили вакуумную цементацию в модернизированных печах типа VSQ [2] . Создание подобных установок оказалось возможным вследствие использо-
ГУ.Т/inR
-2 (83), 2016/ luv
вания в вакуумных печах графитовых нагревателей и новых изоляционных материалов (графитового войлока) для нагревательной камеры, способных выдерживать температуру до 1300 °С .
Эффективность использования вакуумных печей для цементации изделий массового производства была подтверждена на ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «Волгабурмаш» и др . Опыт их эксплуатации показал увеличение производительности, улучшение условий труда, повышение экономичности оборудования и высокую управляемость процессом по сравнению с традиционными методами цементации [2].
Один из недостатков процесса цементации по сравнению с другими видами термообработки - длительность технологического процесса. Наиболее реальный путь ускорения процесса цементации - повышение температуры Значительное ускорение процесса может быть достигнуто в результате использования высокотемпературной цементации при давлении, ниже атмосферного
Так, повышение температуры от 940 до 1040 °С способствовало увеличению общей глубины цементованного слоя с 0,7 до 1,15 мм, т. е . в 1,6 раза [3], а нагрев до 1100 °С не оказал отрицательного влияния на механические свойства сталей 25ХГТ и 12ХНЗА [4] .
Однако в этом случае встает вопрос об эксплуатационных характеристиках деталей, в частности зубчатых колес, определяемых не в последнюю очередь величиной действительного зерна упрочненного слоя и сердцевины [1]. Применение высокотемпературной цементации без последующей перекристаллизации перед закалкой приводит к росту величины действительного зерна, неблагоприятному для механических свойств детали, а также к повышенным деформациям после полного цикла химико-термической обработки .
Так, цементуемые стали 19ХГН и 20ХГН после вакуумной цементации при 1050 °С имели аустенит-ное зерно 2-5-го балла [5, 6] . Закалка с повторного нагрева привела к получению мелкозернистой структуры и высоких прочностных характеристик изделий из этих сталей Значительное измельчение зерна стали 20ХГНМ после вакуумной цементации по сравнению с величиной зерна после газовой цементации соответственно отразилось на повышении ударной вязкости (в 2,5 раза), сопротивления усталости (на 25%) и прочности на изгиб (на 8%) .
Результаты других исследований показали, что склонность к росту зерна аустенита в наследственно мелкозернистой стали 23ХН2М проявляется при 1000 °С (рис . 1) [7]. При 1100 °С зерно выросло до № 3 .
В настоящее время на ОАО «Минский тракторный завод» химико-термическая обработка зубчатых колес трансмиссий тракторов «Беларус» проводится на оборудовании «ModulTherm 7/1» фирмы «ALD Vacuum Technologies GmbH» (Германия) (рис . 2) .
Цементация в вакуумных печах осуществляется с циклической подачей ацетилена при 940-960 оС при ориентировочной скорости насыщения 0,2 мм диффузионного слоя в час, затем следует подстужива-ние до 850 °С с последующей выдержкой . Закалка производится в среде инертного газа-гелия при давлении 2,0 МПа [8]
Качество химико-термической обработки на линии вакуумных печей «ModulTherm 7/1» контролируется в основном по наиболее объективному показателю упрочнения - по распределению микротвердости по толщине цементованного слоя На рис 3 приведено распределение микротвердости по сечению контрольных образцов из стали 20ХН3А после цементации при температуре 960 °С, закалки в потоке инертного газа и низкого отпуска
8
7--
го
Й. 6--
8 о.
I
15—
4--
3--
950
Рис . 1 . Зависимость
Ш/^г^г: Г.^гшулте
I 2 (83), 2016-
При одинаковой поверхностной твердости микротвердость более глубоких слоев несколько отличается, что объясняется различным давлением и скоростью подаваемого в закалочный модуль инертного газа. Менее интенсивное охлаждение в газовом потоке приводит к понижению прокаливаемости слоев с содержанием углерода менее 0,5% (кривая 1) по сравнению с закалкой при давлении охлаждающего газа более 1 МПа при скорости потока более 10 м/с (кривые 2 и 3) .
Технология вакуумной химико-термической обработки на линии «Modu1TЪerm 7/1» по сравнению с ХТО в безмуфельных агрегатах экономически выгодна с точки зрения роста производительности (905 и 342 кг/ч соответственно), снижения продолжительности цикла цементации на толщину слоя 1,0-1,4 мм (5,8 и 17,5 ч), исключения операции очистки деталей после закалки и необходимости утилизации промасленной окалины, вывода из процесса закалочного масла, снижения практически до нуля брака обрабатываемых изделий, резкого сокращения времени вывода термического оборудования на рабочий температурный режим . Годовой экономический эффект от внедрения оборудования фирмы «ALD» взамен БМА исходя из стоимости теплоэнергетических ресурсов, технологических газов (азот, метан, водород, ацетилен, гелий), закалочного масла, очистки деталей, величины брака составляет около 2 млрд . руб . в год [9] .
Для выявления склонности к росту зерна были обработаны по полной программе ХТО четыре партии (садки) деталей из широко применяемых сталей 25ХГТ, 20ХНЗА, 20ХНР, 15ХГН2ТА, ГОСТ 4543-71, а также из новой стали 20ХГНМБ, ТУ BY 100185302 .ХХХ-2013 при следующей температуре цементации: 960, 1000, 1030 и 1050 °С . Толщину диффузионного слоя образцов определяли по полупереходной зоне с заданным содержанием углерода 0,35%С, что соответствует микротвердости 550 ИУ0 2 или твердости 50 HRC . Время цементации на толщину слоя 1,3 мм при поверхностной концентрации углерода 0,7% рассчитывали программой и варьировали применительно, например, к стали 20ХН3А от 7,3 до 4,1 ч в зависимости от температуры насыщения .
Изготовленные из образцов металлографические шлифы исследовали после травления в реактиве [10] . Величину действительного зерна определяли в соответствии с ГОСТ 5639-82 методом измерения длин хорд, используемым при разнозернистой структуре
На рис 4 приведены результаты исследований величины действительного зерна цементованного слоя после ХТО на линии вакуумной цементации исследованных марок сталей Получено, что при закалке непосредственно после подстуживания от температуры цементации 1000-1050 °С до температуры
300
О 0.2 0,4 0.6 0,8 1.0 12 1,4 1.6 1,8 2,0 Расстояние от поверхности, мм
Рис . 3 . Распределение микротвердости после химико-термической обработки в вакуумных печах «Мо<!иПЪегт 7/1» при разных давлениях охлаждающего газа: 1 - 0,6 МПа; 2 - 1,0; 3 - 1,5 МПа
640 960 980 1000 1020 1040 1060 940 960 9Э0 1000 1020 1040 1060
Температура, °С Температура. "С
-♦-20ХНЗА —20ХНР -*-15ХГН2ТА -»-25ХГТ -Ж-20ХГНМБ 20ХНЗА -»-20ХНР 15ХГН2ТА —Н-25ХГТ -И-20ХГНМБ
а б
Рис . 4 . Величина действительного зерна сталей 25ХГТ, 20ХНЗА, 20ХНР, 15ХГН2ТА, 20ХГНМБ после ХТО на линии вакуумной цементации «Мо(!иПЪегт 7/1»
пт&кктпглтп /1П7
-2 (83), 2016/ И1#
а б
Рис . 5 . Микроструктура цементованного слоя (а) и сердцевины (б) стали 20ХН3А после ХТО на линии «ModulTherm 7/1» при температуре цементации 1050 °С: а - действительное зерно № 1-3; б - действительное зерно № 0-3
а б
Рис . 6 . Микроструктура цементованного слоя (а) и сердцевины (б) стали 20ХГНМБ после ХТО на линии «ModulTherm 7/1» при температуре цементации 1050 °С: а - действительное зерно № 7; б - действительное зерно № 6-8
850 °С в структуре исследованных марок сталей, кроме стали 20ХГНМБ, формируется достаточно крупное зерно . Причина состоит в отсутствии операции повторного нагрева стали под закалку, при котором происходит перекристаллизация и формирование мелкого начального зерна . В процессе выдержки зубчатых колес при температуре, намного превышающей точку Ас3 наблюдается дальнейший рост первичного зерна за счет собирательной рекристаллизации
По полученным данным для сталей 20ХНЗА, 25ХГТ, 20ХНР, 15ХГН2ТА свойственна разнозерни-стость цементованного слоя и сердцевины . Так, для стали 20ХН3А при температуре цементации 1050 °С диаметр зерна в цементованном слое увеличивается до 230 мкм, а в сердцевине - до 320 мкм (зерно соответственно № 1 и 0 по ГОСТ 5639-82, рис . 5) . Величина зерна для указанных сталей превышает допустимые величины [1], поэтому эти стали являются непригодными для высокотемпературной цементации
Наследственно мелкозернистая сталь 20ХГНМБ по величине зерна значительно отличается от остальных исследованных марок сталей . При температуре цементации 1030 °С и закалке после подсту-живания до 850 °С в цементованном слое формируется зерно № 8-9, в сердцевине - № 7-8 (рис . 6), что является допустимым по техническим требованиям, предъявляемым к высоконапряженным зубчатым колесам трансмиссий [1]. Наличие в данной стали ниобия способствует уменьшению величины зерна, устранению химической и структурной неоднородности, разнозернистости, повышению предела текучести и прочности, ударной вязкости и хладностойкости
Полученные результаты исследований показывают невосприимчивость стали 20ХГНМБ к повышению температуры цементации, что обусловливает ее перспективность в широком применении для высокотемпературной вакуумной цементации зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин
I 2 (83), 2016-
Эффективность применения стали 20ХГНМБ для высоконапряженных зубчатых колес подтверждена результатами стендовых испытаний в сравнении с серийной сталью 20ХН3А в составе коробки передач трактора «Беларус-1221» . Зубчатое колесо, изготовленное из стали 20ХГНМБ, отработало полный цикл испытаний при максимальном контактном напряжении в полюсе зацепления 1700 МПа в объеме 340 ч без замечаний . Распределение микротвердости по толщине цементованного слоя показано на рис . 7, вид шестерни после испытаний приведен на рис . 8, а.
Зубчатое колесо, изготовленное из серийной стали 20ХН3А, отработало при том же режиме 300 ч и было преждевременно снято с испытаний вследствие прогрессирующего глубинного контактного выкрашивания Распределение микротвердости по толщине цементованного слоя показано на рис . 7, вид шестерни после испытаний приведен на рис . 8, б.
Для цементации стали 20ХГНМБ на толщину слоя 1,25-1,35 мм при температуре 960 °С потребовалось 391 мин, а при температуре 1030 °С - 248 мин . В результате сокращения времени цементации снижается стоимость производства (сокращается расход газа и электроэнергии и др . ) и повышается производительность при изготовлении цементованных деталей
Годовой экономический эффект при снижении потребления электроэнергии от повышения температуры цементации до 1030 °С на вакуумном оборудовании фирмы «ModulTherm 7/1» составляет свыше 1,5 млрд руб в год
Выводы
Технология вакуумной цементации с закалкой в среде инертных газов на линии «ModulTherm 7/1» является экономически выгодной с точки зрения роста производительности и обеспечивает годовую экономию энергетических ресурсов около 2 млрд руб в год по сравнению с химико-термической обработкой в безмуфельных агрегатах
Более значительного увеличения производительности вакуумного оборудования и снижения энергозатрат можно достичь за счет повышения температуры цементации Годовой экономический эффект от применения высокотемпературной цементации составляет свыше 1,5 млрд . руб . в год . Однако в этом случае необходимо использовать наследственно мелкозернистые марки сталей с добавками карбидо-
Рис. 7. Распределение микротвердости по толщине цементованного слоя зубчатых колес из стали 20ХГНМБ (1) и 20ХН3А (2) после ХТО на вакуумных печах «Мо<!иПЪегт 7/1»
а б
Рис . 8 . Общий вид шестерни 112-1701351 из стали 20ХГНМБ (а) после стендовых испытаний в течение 340 ч; стали 20ХН3А
(б) после стендовых испытаний в течение 300 ч
_гжт^г: г мташгггЕ /що
-2 (83), 2016/ IU0
образующих элементов, например, ванадия, ниобия и др . Эффективность применения таких сталей заключается в возможности проведения высокотемпературной цементации без ухудшения эксплуатационных характеристик деталей
Литература
1. Руденко С. П. Контактная усталость зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин / С . П . Руденко, А . Л. Валь-ко . Минск: Беларуская навука, 2014. 126 с .
2 . Цепов С. Н. Особенности науглероживания стали при вакуумной цементации // Металловедение и термическая обработка металлов . 1979 . № 8 . С . 50-54 .
3 . Усатый Ю. П. Вакуумная цементация стали 18ХГТ / Ю . П. Усатый, Э . Н. Мармер, С . Г. Мурованная, Ф. А . Палей, Л. И . Волкова // Металловедение и термическая обработка металлов . 1977. № 11. С . 74-76.
4 . Гончаров А. Г. Механические свойства сталей после вакуумной и газовой цементации / А . Г Гончаров, Р. П . Уварова // Металловедение и термическая обработка металлов . 1990. № 5 . С . 10-12 .
5. Цепов С. Н. Особенности структурообразования в приповерхностных слоях металла при вакуумной цементации / С . Н . Цепов, М. А . Криштал // Металловедение и термическая обработка металлов . 1983 . № 5 . С . 27-29.
6 . Криштал М. А. Свойства сталей после высокотемпературной вакуумной цементации / М. А . Криштал, С . Н. Цепов // Металловедение и термическая обработка металлов . 1980. № 6 . С . 2-7 .
7 . Рожков И. И. Разработка оптимальных режимов термической обработки тяжелонагруженных деталей с переменным химическим составом: дис . . . . канд. техн. наук. Нижний Новгород, 2009 . 164 с .
8 . Валько А. Л. Влияние вакуумной высокотемпературной цементации на величину зерна конструкционных сталей / А . А . Валько, С . П . Руденко, А . Н . Чичин // Актуальные вопросы машиноведения . 2014 . Вып . 3 . С . 343-346.
9 . Повышение эффективности вакуумной цементации зубчатых колес тракторов «Беларус» /А . Н. Карась, И. В . Фирсов, А . Н . Чичин, А . А . Шипко, С . П. Руденко, А . Л. Валько // Актуальные вопросы машиноведения. 2015 . Вып. 4 . С . 313-316 .
10 . Металлографический реактив для выявления границ действительного зерна стали: пат. 14748, Республика Беларусь: МПК С 23 F 1/28 / А . Л. Валько, С . П . Руденко, А . А . Шипко, Е . И . Мосунов; заявитель Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси. № а20100154; заявл . 04 .02.2010; опубл . 30 .08 .2011 // Афщыйны бюл. / Вынаходства. Карасныя мадэлг Пра-мысловыя узоры . 2011. № 4 . С . 109 .
References
1. Rudenko S. P., Valko A. L. Kontaktnaya ustalost'zubchatykh koles transmissiy energonasyshennykh mashin [Contact fatigue of transmissions gearwheels of high-energy machines], Minsk, Belaruskaya navuka Publ. , 2014, 126 p .
2 . Tsepov S. N. Osobennosti nauglerozhivaniya stali pri vakuumnoy tsementatsii [Features of carburizing steel during vacuum car-burizing] . Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Physical metallurgy and heat treatment of metals, 1979, no 8, pp . 50-54.
3 . Usatyy Yu. P., Marmer E. N., Murovannaya S. G. i dr. Vakuumnaya tsementatsiya stali 18KHGT [Vacuum carburizing 18CrM-nTi] . Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Physical metallurgy and heat treatment of metals, 1977, no . 11, pp . 74-76.
4 . Gonharov F. G., Uvarova R. P. Mehanicheskie svoystva staley posle vakuumnoy i gazovoy tsementatsii [Mechanical properties of steels after vacuum and gas carburizing furnace] . Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Physical metallurgy and heat treatment of metals, 1990, no . 5, pp . 10-12 .
5 . Tsepov S. N., Krishtal M. A. Osobennosti strukturoobrazovaniya v poverhnostnyh sloyah metalla pri vakuumnoy tsementatsii [Features structurization in subsurface layers of metal by vacuum carburizing] . Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Physical metallurgy and heat treatment of metals, 1983, no . 5, pp . 27-29.
6 . Krishtal M. A., Tsepov S. N. Svoystva staley posle vysokotemperaturnoy vakuumnoy tsementatsii [Properties of steels after high-temperature vacuum carburizing] . Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Physical metallurgy and heat treatment of metals, 1980, no . 6, pp . 2-7 .
7. Rozhkov I. I. Razrabotka optimalnyh rezhimov termicheskoy obrabotki tyazhelonagruzhennyh detaley s peremennym himich-eskim sostavom. Dis. . . . Cand. tech. nauk [Development of optimal modes of heat treatment of heavy parts with varying chemical composition] . Cand. tech. sci diss. Nizhniy Novgorod, 2009, 164 p .
8 . Valko A. L., Rudenko S. P., Chichin A. N. Vliyanie vakuumnoy vysokotemperaturnoy tsementatsii na velichinu zerna kon-struktsionnyh staley [Influence of vacuum high-temperature carburizing on amount of grain structural steels] . Aktualnye voprosy mashi-novedeniya = Current issues of Engineering, 2014, vol . 3, pp . 343-346 .
9 . Caras A. N., Firsov I. V., Chichin A. N., Shipko A. A., Rudenko S. P., Valko A. L. Povyshenie effektivnosti vakuumnoy tsementatsii zubchatyh koles traktorov Belarus [Enhancing the effectiveness of vacuum carburizing of tractors «Belarus» gears] . Aktualnye voprosy mashinovedeniya = Current issues of Engineering, 2015, vol. 4, pp . 313-316 .
10 . Metallographic reagent to identify the boundaries of the actual grain steel: Patent 14748, Republic of Belarus .
