CC BY
42
УДК 620.178
DOI: 10.18698/0236-3941-2018-1-66-74
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ЦЕМЕНТОВАННЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ИЗ СТАЛИ 13Х3НВМ2Ф-Ш
C-А. Пахомова М.Ю. Рыжова
[email protected] [email protected]
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация
Аннотация
Приведены результаты исследований, выполненных в целях повышения работоспособности высоконагру-женных зубчатых колес из теплостойкой цементованной стали 13Х3НВМ2Ф-Ш. Выявлены основные закономерности изменения субструктуры и свойств поверхности, определяющих контактную выносливость и другие эксплуатационные свойства. Предложены рекомендации по выбору режимов диффузионного насыщения для обеспечения износостойкости, контактной выносливости, изгибной прочности. Показано, что эффективность дробеударной обработки теплостойкой стали проявляется после проведения дополнительного низкотемпературного отпуска
Ключевые слова
Зубчатые колеса, теплостойкая сталь, деформационное упрочнение, газовая цементация, твердость, контактная выносливость
Поступила в редакцию 28.12.2016 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
Введение. Для авиационных зубчатых колес широко применяют легированные цементуемые стали [1, 2]. Кроме сталей разной теплостойкости 12Х2Н4А и 16Х3НВФМБ-Ш, применяют сложнолегированную сталь 13Х3НВМ2Ф-Ш, которую для обеспечения высокой теплостойкости упрочняют до вторичной твердости [3]. В целях повышения работоспособности цементованные зубчатые колеса после шлифования подвергают поверхностному пластическому деформированию (ППД) [4]. Высокими свойствами также обладают детали и после электромеханической обработки [5, 6].
В настоящее время выбор режимов дробеударного упрочнения основан на получении высоких значений характеристик качества — максимальных глубины и степени упрочнения, остаточных напряжений сжатия, минимальной шероховатости поверхности. Однако после ППД контактная выносливость сталей, обрабатываемых до первичной твердости, определяется структурными изменениями цементованного слоя [5, 7, 8]. Вместе с тем исходное состояние мартенсита сталей, обрабатываемых до первичной и вторичной твердости, различно, и это следует учитывать при разработке технологии комбинированного упрочнения. Поэтому для установления рациональных режимов деформационного упрочнения были изучены особенности изменения структуры и свойств стали 13Х3НВМ2Ф-Ш после обработки до вторичной твердости в сравнении со сталями, обрабатываемыми до первичной твердости.
Методика и объекты исследования. Химико-термическую обработку объектов исследования проводили в заводских условиях по технологии изготовления зубчатых колес. Химический состав стали 13Х3НВМ2Ф-Ш по массе следующий: 0,09.0,16 % С, 0,17.0,37 % 81, 0,3.0,7 % Мп, 2,4.3,3 % Сг, 0,8.1,2 % N1, 1,0.1,4 % W, 0,60.0,85 % V, 1,4.2,3 % Мо.
Сталь 13Х3НВМ2Ф-Ш подвергали цементации при t = 1050 °С в течение 2,5 ч, непосредственной закалке в масло и пятикратному отпуску при t = 530 °С с выдержкой по 1 ч. После этого толщина диффузионного слоя составляла 1,0.1,2 мм, концентрация углерода на глубине 0,2 мм от поверхности 0,9.1,1 %, твердость на поверхности НИС 58.61, в сердцевине НИС 38.42. Структура цементованного слоя представляла собой мартенсит отпуска без избыточных карбидов при незначительном (менее 5 %) количестве остаточного аустенита.
Были опробованы три способа деформационной обработки: пневмодробе-струйное упрочнение (ПДУ), гидродробеструйное упрочнение (ГДУ) и упрочнение микрошариками (УМШ), параметры которых приведены в табл. 1. Переменный параметр — время упрочнения Тэл — относили к элементу поверхности образца или детали, подвергаемой эффективным ударам дроби. После упрочняющей обработки для улучшения микрогеометрии поверхности проводили виброшлифование (ВШ) на установке ВУРБ-250 в закрепленном состоянии в течение 2 ч.
Таблица 1
Параметры дробеударной обработки
Вид упрочнения Диаметр дроби, мм Расход дроби, Н/мин Давление воздуха или жидкости, МПа Расстояние от сопла до детали, мм Частота вращения детали, об/мин
ПДУ о ЧО о 90 + 10 0,4 + 0,2 180 + 10 4
гду 1,4.1,8 300 + 50 0,55 + 0,2 180 + 10 40
УМШ 0,16.0,20 180 + 20 - 180 + 10 12
Изменение тонкой структуры при упрочнении оценивали по ширине рентгеновской линии мартенсита (220). Рентгенограммы снимали на дифрактометре ДРОН-1 в железном Ка-излучении в одном и том же месте поверхности до и после наклепа не менее 5-8 раз и вычисляли разность Др = Рисх - Рнак (Рисх и Рнак — физическое уширение рентгеновской линии в исходном состоянии и после наклепа).
Степень и глубину упрочнения определяли по изменению микротвердости поверхностного слоя. Остаточные напряжения измеряли на кольцевых образцах (Онар = 30,2 мм, Овнутр = 26 мм, Ь = 10 мм), тензометрируя деформацию кольца при непрерывном травлении, шероховатость поверхности — на профило-графе-профилометре завода «Калибр».
Контактную выносливость определяли на двухконтактной роликовой машине Ш-17 (размеры ролика: Онар = 30,2 мм, Овнутр = 12 мм, Ь = 12 мм) при удельном скольжении 6,5 % и температуре масла (типа 36/1-КУ) 120 °С.
Проведение экспериментов и их обсуждение. Дробеударное упрочнение существенно повышает твердость поверхностного слоя стали 13Х3НВМ2Ф-Ш, создает высокие напряжения сжатия, изменяет микрогеометрию поверхности. Поскольку параметры обработки при этом различны, то изменение характеристик качества для каждого способа имеет некоторые особенности.
Глубина упрочнения и распространения остаточных напряжений растет с увеличением диаметра дроби, а степень упрочнения — с увеличением ее скорости. Отражением этих закономерностей служат кривые распределения микротвердости и остаточных напряжений (рис. 1 и 2).
Н, МПа_
1
\ 2 »44-.
\ V5 -\ V*
- \ 5
8500 8000 7500 7000 6000
0 20 40 60 80 100 120 140 I, мкм
Рис. 1. Распределение микротвердости в поверхностном слое: 1 — ПДУ (Тэл = 2 мин) + ВШ; 2 — ГДУ (Тэл = 1 мин) + ВШ; 3 — УМШ (тЭл = 1 мин) + ВШ;
4 — УМШ (Тэл = 1 мин); 5 — до наклепа
80 120 I, мкм
Рис. 2. Эпюры тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое:
1 — ГДУ (Тэл = 3 мин) + ВШ; 2 — ПДУ (тэл = 2 мин) + ВШ; 3 — УМШ (тэл = = 1 мин) + ВШ; 4 — УМШ (Тэл = 1 мин)
-1 200 ст, МПа
Малый диаметр частиц и высокая скорость их полета при УМШ обусловливают значительный градиент твердости в тонком поверхностном слое и отсутствие подслойного максимума остаточных напряжений. Виброшлифование, которое вызывает небольшую дополнительную деформацию, способствует обра-
зованию подслойного максимума и увеличивает глубину распространения напряжений.
При ПДУ и ГДУ твердость и остаточные напряжения меняются практически идентично, так как диаметр и скорость дроби для этих способов достаточно близки.
Пневмодробеструйное упрочнение и особенно УМШ увеличивают шероховатость поверхности, микронеровности приобретают острые выступы и впадины. При ГДУ с применением СОЖ и шариков от подшипников, имеющих небольшую скорость полета, шероховатость поверхности несколько уменьшается; снижение параметра Яа примерно в 1,5 раза сопровождается сглаживанием микронеровностей и увеличением радиусов их выступов и впадин. После виброшлифования микропрофиль поверхности качественно и количественно улучшается, влияние способа упрочнения становится практически незаметным.
Несмотря на улучшение характеристик качества поверхностного слоя, контактная выносливость стали 13Х3НВМ2Ф-Ш после деформационного упрочнения повышается незначительно (табл. 2). В то же время наклеп дробью сталей 12Х2Н4А, 12Х2НВФА, обрабатываемых до первичной твердости, при рациональных режимах упрочнения приводит к заметному росту контактной выносливости [5].
Таблица 2
Свойства стали 13Х3НВМ2Ф-Ш после наклепа дробью и отпуска
Показатель Шлифование Наклеп дробью (Тэл = 2 мин) + ВШ Наклеп дробью (Тэл = 2 мин) + ВШ и отпуск 2 ч при температуре t, °С
200 250 300 400 500
Контактная выносливость, 10-6 циклов Примечание. Ко! после ГДУ; CTZ max = 6,1 геактную выно 2000 МПа. 8,1 сливость определяли 14,8 после П 17,0 ДУ; вын 8,6 осливос 19,6 ,ть при изгибе —
В исходном состоянии мартенсит сталей, обрабатываемых до первичной твердости, характеризуется неоднородностью твердого раствора, большими микроискажениями кристаллической решетки и, как следствие, сильным размытием рентгеновских интерференционных линий.
При деформации такого мартенсита развиваются противоположные процессы: с одной стороны, — увеличение плотности дефектов, с другой, — уменьшение тет-рагональности мартенсита и микроискажений кристаллической решетки под влиянием пластической деформации и локального нагрева тонкого поверхностного слоя. В результате при определенных режимах упрочнения, которым соответствует минимальная ширина рентгеновской линии (например, для ПДУ Тэл = 2 мин или кинетическая энергия дроби Е ~ 40 кДж/м2), формируется структура с пониженным уровнем микроискажений, имеющая более высокое сопротивление развитию микропластической деформации и контактной усталости.
60 Е, кДж/м2
Режимы упрочнения (хэл > 2 мин), увеличивающие микроискажения (Др возрастает по сравнению с минимальным значением), практически не меняют или уменьшают контактную выносливость, несмотря на более значительный рост твердости и напряжений сжатия. При этом упрочнение с Е ~ 40 кДж/м2 сопровождается увеличением контактной выносливости при всех рассматриваемых способах наклепа. Однако степень повышения долговечности неодинакова из-за различия в характеристиках качества поверхности. Так, меньшая эффективность УМШ связана с небольшой глубиной упрочнения, а также интенсивным уменьшением твердости и остаточных напряжений в тонком поверхностном слое. Идентичный характер изменения твердости и остаточных напряжений при ПДУ и ГДУ определяет примерно одинаковое повышение долговечности при этих способах наклепа.
Сталь 13Х3НВМ2Ф-Ш в отличие от 12Х2Н4А и 12Х2НВФА [9, 10] вследствие высокой температуры послезакалочного отпуска имеет в структуре цементованного слоя мартенсит, который характеризуется малым содержанием углерода (0,07 %) и пониженным уровнем микроискажений кристаллической решетки. В связи с этим при ее деформационном упрочнении на всех режимах наблюдается только рост микроискажений (рис. 3).
Отсутствие режимов, при которых улучшение характеристик качества сопровождается благоприятным изменением структуры этой стали, отрицательно сказывается на ее сопротивлении возникновению и развитию трещин усталости. После ПДУ контактная выносливость повышается примерно на 30 %, что, по-видимому, обусловлено уменьшением шероховатости поверхности при виброшлифовании.
Эффективным способом улучшения струк- 0 юо 200 300 400 < °С туры и повышения контактной выносливости ^ 1 1 1 поверхности упрочненных сталей является применение последеформационного нагрева — отпуска (старения) при температурах ниже температуры послезакалочного отпуска [11-13]. Отпуск при рациональных режимах стали 13Х3НВМ2Ф-Ш заметно снижает микроискажения кристаллической решетки, о чем свидетельствует уменьшение ширины рентгеновской линии (рис. 4) при сохранении высокой твердости поверхности и некотором снижении (примерно на 20 %) остаточных макронапряжений.
В сталях, обрабатываемых на первичную твердость, при низкотемпературном отпуске на процесс снятия микроискажений накладывается деформа-
Лр, мрад
Рис. 3. Зависимость физического уширения линии (220) от времени упрочнения: 1 — ГДУ; 2 — ПДУ; 3 — УМШ
Д(3, мрад
Рис. 4. Зависимость физического уширения линии (220) мартенсита от температуры отпуска: 1 — ПДУ; 2 — УМШ
ционное старение, которое состоит во взаимодействии атомов углерода с дислокациями и уменьшении их подвижности. Формирование более стабильной дислокационной структуры мартенсита при комбинированном упрочнении, включающем в себя наклеп дробью и отпуск, затрудняет процесс накопления микропластической деформации и образования первичных трещин усталости. Рациональная температура отпуска таких сталей на 50.70 °С меньше температуры послезакалочного отпуска (t = 130.160 °С).
Нагрев стали 13Х3НВМ2Ф-Ш до t = 200.250 °С также приводит к повышению контактной выносливости (в 1,8-2 раза по сравнению с упрочненным состоянием). При t = 300 °С контактная выносливость не увеличивается, что обусловлено развитием более поздних стадий старения, вызывающих рост микроискажений кристаллической решетки (ширина линии несколько увеличивается). Нагрев до t = 400 °С после деформации заметно уменьшает микроискажения и тем самым обеспечивает наиболее значительное (в 2,4 раза) повышение контактной выносливости.
Выводы. 1. Эффективность дробеударной обработки зависит от фазового состава цементованного слоя.
2. Эффективность дробеударной обработки для стали 13Х3НВМ2Ф-Ш проявляется после дополнительного низкотемпературного отпуска при t = 400 °С.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пахомова С.А., Макушина М.А., Коваленко С.В. Деформационное упрочнение тяжело-нагруженных поверхностей зубчатых передач для горнодобывающей промышленности // Современные инновационные технологии подготовки инженерных кадров для горной промышленности и транспорта. 2016. № 3. С. 243-251.
2. Pakhomova S.A. The influence of technological heredity, created by termochemical treatment, on the plastic deformation hardening // 11th Congress of the IFHT. Poster presentations. Proc. 1998. Vol. 3. P. 61-67.
3. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справочник. Киев: Наукова думка, 1987. 347 с.
4. Пахомова С.А., Рыжов Н.М. Эффективность деформационного упрочнения цементованных сталей // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 1999. № 2. С. 61-68.
5. Пахомова С.А., Рьжов Н.М., Васильев В.Р. Изменение субструктуры мартенсита железо-никелевых сплавов под воздействием тепловой дробеударной обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. 2001. № 11. С. 29-30.
6. Федорова Л.В., Федоров С.К., Бохонов Г.Ю. Упрочняющее электромеханическое восстановление вторичного вала коробки перемены передач автомобиля семейства «Газель» // Ремонт, восстановление, модернизация. 2015. № 9. С. 14-16.
7. Пахомова С.А., Рьжов Н.М. Изменение структуры и свойств мартенсита железо-никелевых сплавов при дробеударном упрочнении // Металловедение и термическая обработка металлов. 1990. № 11. С. 23-25.
8. Pakhomova S.A., Unchikova M.V., Fakhurtdinov R.S. Gear wheels surface engineering by deformation hardening and carburization // Materials Science Forum. 2016. Vol. 870. P. 383-391. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.870.383
URL: https://www.scientific.net/MSF.870.383
9. Пахомова С.А., Унчикова М.В., Карапузов О.Г. Технология комплексного упрочнения тя-желонагруженных поверхностей зубчатых передач // Проблемы и достижения в инновационных материалах и технологиях машиностроения. Комсомольск-на-Амуре: Изд-во КГТУ, 2015. С. 205-209.
10. Пахомова С.А., Унчикова М.В. Перспективные методы обучения бакалавров дисциплине «Инженерия поверхности» // Современные инновационные технологии подготовки инженерных кадров для горной промышленности и транспорта. 2016. № 3. С. 475-482.
11. Пахомова С.А., Рыжова М.Ю., Фахуртдинов Р.С. Контактная выносливость и износостойкость теплостойкой стали после разных видов цементации // Вестник научно-технического развития. 2016. № 9 (109). С. 19-28.
12. Пахомова С.А., Зябрев А.А. Деформационная способность мартенсита цементованного слоя // Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении. III Международная научная конференция. М.: Изд-во ИМАШ РАН. 2014. С. 228-230.
13. Морозов А.В., Федорова Л.В., Горев Н.Н., Шамуков Н.И. Исследование влияния режимов сегментной электромеханической закалки на формирование участков регулярной микротвердости // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2016. № 2. С. 24-27.
Пахомова Светлана Альбертовна — канд. техн. наук, доцент кафедры «Материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1).
Рыжова Марина Юрьевна — старший преподаватель кафедры «Материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Пахомова С.А., Рыжова М.Ю. Эффективность деформационного упрочнения цементованных зубчатых колес из стали 13Х3НВМ2Ф-Ш // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2018. № 1. С. 66-74. DOI: 10.18698/0236-3941-2018-1-66-74
EFFICIENCY OF STRAIN HARDENING OF CARBURIZED GEAR WHEELS FROM STEEL 13X3HBM20-m
S.A. Pakhomova [email protected]
M.Yu. Ryzhova [email protected]
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation
Abstract Keywords
The paper shows the results of studies carried out to im- Gear wheels, heat-resistant steel, strain prove the performance of high-loaded gear wheels from hardening, gas carburization, hardness, heat-resistant carburized steel 13X3HBM20-M. Within the contact fatigue
research we revealed the main regularities of changes in the substructure and surface properties determining contact fatigue and other operational properties. As a result, we give some recommendations on the choice of diffusion saturation regimes for ensuring wear resistance, contact fatigue, bending resistance. Findings of the research show that the
efficiency of heat-resistant steel hammering is manifested Received 28.12.2016 after additional low-temperature tempering © BMSTU, 2018
REFERENCES
[1] Pakhomova S.A., Makushina M.A., Kovalenko S.V. Deformation hardening of the heavily loaded gear surfaces for the mining industry. Sovremennye innovatsionnye tekhnologii podgotovki inzhenernykh kadrov dlya gornoy promyshlennosti i transporta [Contemporary Innovation Technique of the Engineering Personnel Training for the Mining and Transport Industry], 2016, no. 3, pp. 243-251 (in Russ.).
[2] Pakhomova S.A. The influence of technological heredity, created by termochemical treatment, on the plastic deformation hardening. 11th Congress of the IFHT. Poster presentations. Proc., 1998, vol. 3, pp. 61-67.
[3] Troshchenko V.T., Sosnovskiy L.A. Soprotivlenie ustalosti metallov i splavov: Spravochnik [Fatigue resistance of metals and alloys]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1987. 347 p.
[4] Pakhomova S.A., Ryzhov N.M. Efficiency of the strain hardening of the rose steels. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Mashinostr. [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Mechan. Eng.], 1999, no. 2, pp. 61-68 (in Russ.).
[5] Pakhomova S.A., Ryzhov N.M., Vasil'ev V.R. The variation of martensite substructure of iron nickel alloys under heat shot peening treatment. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 2001, no. 11, pp. 29-30 (in Russ.).
[6] Fedorova L.V., Fedorov S.K., Bokhonov G.Yu. Strengthening electromechanical recondition of gearbox main-shaft for «Gazel» family automobiles. Remont, vosstanovlenie, modernizatsiya [Repair, Reconditioning, Modernization], 2015, no. 9, pp. 14-16 (in Russ.).
[7] Pakhomova S.A., Ryzhov N.M. Change of material structure and properties iron-nickel alloy martensite under heat shot peening hardening. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 1990, no. 11, pp. 23-25 (in Russ.).
[8] Pakhomova S.A., Unchikova M.V., Fakhurtdinov R.S. Gear wheels surface engineering by deformation hardening and carburization. Materials Science Forum, 2016, vol. 870, pp. 383-391. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.870.383
Available at: https://www.scientific.net/MSF.870.383
[9] Pakhomova S.A., Unchikova M.V., Karapuzov O.G. Tekhnologiya kompleksnogo uprochne-niya tyazhelonagruzhennykh poverkhnostey zubchatykh peredach. Problemy i dostizheniya v in-novatsionnykh materialakh i tekhnologiyakh mashinostroeniya [Complex hardening technology of gears heavy-loaded surfaces. Problems and achievements in innovative materials and technologies of mechanical engineering]. Komsomol'sk-na-Amure, KGTU Publ., 2015, pp. 205-209.
[10] Pakhomova S.A., Unchikova M.V. Advanced methods of teaching bachelors of course "Surface Engineering". Sovremennye innovatsionnye tekhnologii podgotovki inzhenernykh kadrov dlya gornoy promyshlennosti i transporta [Contemporary Innovation Technique of the Engineering Personnel Training for the Mining and Transport Industry], 2016, no. 3, pp. 475-482 (in Russ.).
[11] Pakhomova S.A., Ryzhova M.Yu., Fakhurtdinov R.S. Contact fatigue and wear resistance of heat-resistant steel after different kinds of carburizing. Vestnik nauchno-tekhnicheskogo razvitiya, 2016, no. 9 (109), pp. 19-28 (in Russ.).
[12] Pakhomova S.A., Zyabrev A.A. Martensite deformation capacity of case-hardened layer. Fundamental'nye issledovaniya i innovatsionnye tekhnologii v mashinostroenii. III Mezhdunarod-naya nauchnaya konferentsiya [Fundamental Investigations and Innovative Technologies in Mechanical Engineering. III Int. sci. conf.]. Moscow, IMASh RAN Publ., 2014, pp. 228-230 (in Russ.).
[13] Morozov A.V., Fedorova L.V., Gorev N.N., Shamukov N.I. A study on the effect of the segment of electromechanical hardening to form a regular plot microhardness. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii [Assembling in Mechanical Engineering and Instrument-Making], 2016, no. 2, pp. 24-27.
Pakhomova S.A. — Cand. Sc. (Eng.), Assoc. Professor, Department of Materials Engineering, Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, str. 1, Moscow, 105005 Russian Federation).
Ryzhova M.Yu. — Assist. Professor, Department of Materials Engineering, Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, str. 1, Moscow, 105005 Russian Federation).
Please cite this article in English as:
Pakhomova S.A., Ryzhova M.Yu. Efficiency of Strain Hardening of Carburized Gear Wheels From Steel 13X3HBM2i>-ffl. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Mashinostr. [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Mech. Eng.], 2018, no. 1, pp. 66-74 (in Russ.). DOI: 10.18698/0236-3941-2018-1-66-74
