CC BY
13
1Гч r?n>G к гсшгллшта
I 1 (41), 2007 -
The specialists of RUP "MAZ" created and industrially assimilated modern technology and automated machinery on thermal processing of heavy-loaded details of irregular shape, which have no analogues in the Republic of Belarus and CIS countries.
П. С. ГУРЧЕНКО, А. п; РАКОМСИН, А. К МИХЛЮК, В. А. ГУРИНОВИЧ, РУП «МАЗ»
УДК 621.74
СОВРЕМЕННЫЕ АСПЕКТЫ ВНЕДРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЯ ИЗ СТАЛЕЙ ПОНИЖЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ
Введение. Стали пониженной прокаливаемое™ нашли широкое промышленное применение при упрочнении различных деталей автотехники по так называемому методу объемно-поверхностной закалки начиная с 60-х годов прошлого века. Отличительной особенностью первого поколения сталей пониженной прокаливаемое™ (стали 58, 54) было значительное содержание как марганца и кремния (0,1—0,3%), так хрома, никеля и меди (до 0,25% каждого при содержании углерода от 0,4—0,65%). Практический опыт применения подобных сталей (ГАЗ, АЗЛК, МАЗ) показал, что при достижении высокого комплекса механических свойств после закалки, в связи с тем что суммарное содержание легирующих элементов было значительным (более 0,5%), это нередко приводило к повышенной глубине закаленного слоя.
Дальнейшее применение сталей пониженной прокаливаемое™ было связано с ужесточением требований по величине прокаливаемое™, что напрямую связано с количественным содержанием обычных примесей — содержание каждой не более 0,1%, и раскислением алюминием при выплавке, который, взаимодействуя с азотом, образовывал мелкодисперсные нитриды, препятствующие росту зерна аустенита при нагреве. Для второго поколения сталей пониженной прокаливаемое™ это обеспечивало требуемую величину прокаливаемое™. С другой стороны, это привело к удорожанию стоимости стали и усложнению процесса ее выплавки.
На современном этапе к сталям пониженной прокаливаемое™ и объемно-поверхностной закалке многие предприятия вновь проявляют значительный интерес, что связано с высокой экономической эффективностью освоения данной технологии и материала в качестве альтернативы дорогостоящей химико-термической термообработке.
На РУП «МАЗ» на основании комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ было освоено изготовление деталей из стали пониженной прокаливаемое™ 60ПП с упрочнением по методу объемно-поверхностной закалки.
В отличие от ранее известных и успешно освоенных технологий упрочнения деталей из сталей пониженной прокаливаемое™ работу проводили по двум направлениям:
• применение стали пониженной прокаливаемое™ с разумным ограничением в ней количества обычных примесей;
• применение технологии индукционного нагрева и закалочного охлаждения с контролем и управлением параметрами технологического процесса.
Марка стали. В качестве основного материла была использована марка стали 60ПП с содержанием углерода 0,57—0,61%, химический состав которой соответствует химическому составу стали 60 по ГОСТ 1050, со следующими отклонениями: массовая доля марганца не более 0,20%, кремния — 0,1—0,3, хрома — не более 0,15%, допускается в виде технологической добавки в зависимости от поставщика, массовая доля титана - не более 0,10% или ванадия — 0,02—0,05%. Причем суммарное содержание примесей не должно превышать 0,5%. Применение марки стали пониженной прокаливаемое™ с такими показателями обеспечивает требуемые значения прокаливаемое™ при приемлемой стоимости и сложности изготовления. При этом оговаривается прокаливаемость не более 38НЯС на расстоянии 3 мм от торца образца.
На рис. 1 показан график прокаливаемости различных профилей стали 60ПП производства РУП «БМЗ».
Рис. 1 60ПП
О 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Расстояние от торца, мм
График прокаливаемости различных профилей стали производства РУП «БМЗ» по ГОСТ 5657-69 "Сталь. Метод испытания на прокаливаемость"
Сталь пониженной прокаливаемости с таким комплексом свойств является широко доступной. Она имеет невысокую стоимость и обеспечивает требуемые значения прокаливаемости.
Объект внедрения. Объектом промышленного внедрения стали пониженной прокаливаемости 60ПП и метода объемно-поверхностной закалки были выбраны цилиндрические прямозубые шестерни планетарной колесной передачи автомобиля МАЗ (ведущая шестерня и сателлит).
Планетарная колесная передача транспортного средства (рис. 2) является одним из важнейших узлов заднего ведущего моста и предназначена для передачи крутящего момента от двигателя на ведущие колеса. Условия работы колесной передачи предполагают постоянное статическое зацепление ведомой шестерни со ступицей, вращение и передачу крутящего момента от ведущей шестерни на сателлиты и ведомую шестерню.
По условиям работы планетарной передачи ведущая шестерня 1 и сателлиты 2 — самые нагруженные элементы и для обеспечения их надежности изготавливаются из стали 20ХНЗА, подвергаются химико-термической обработке — цементации с упрочненным слоем по всему контуру детали.
По разработанной технологии предусмотрено коренное изменение как материала, так и способа упрочнения деталей. Вместо специальной легированной стали 20ХНЗА, предназначенной для операций химико-термической обработки, применяется углеродистая сталь с ограниченным содержанием примесей — сталь пониженной прокаливаемо-
яггптбг: гсш-лятргта / »о
- кап. 2007/ 1«19
сти 60ПП. Вместо длительной по времени операции химико-термической обработки применяется операция объемно-поверхностной закалки, длительность которой составляет несколько секунд. При этом технология объемно-поверхностного упрочнения обеспечивает показатели надежности и долговечности деталей на 15—20% выше, чем при химико-термической обработке.
Оборудование и технологический процесс. Оборудование для объемно-поверхностной закалки деталей из сталей пониженной прокаливаемости представляет собой полуавтоматическую установку роторного типа, имеющую восемь рабочих позиций, расположенных равномерно по диаметру, которая состоит из индукционного нагревательного блока с тремя последовательно расположенными индукционными нагревателями (индукторами), системы подачи закалочной воды, камеры охлаждения, механизма подачи деталей, датчиков, блока управления и пульта управления, смонтированных на общей раме.
На рис. 3 показана схема работы и функциональная взаимосвязь системы управления установки.
Установка работает следующим образом. Закаливаемая деталь /, последовательно нагреваясь на трех позициях нагрева, поступает на позицию окончательного нагрева 2, где установлен датчик 3 измерения температуры нагрева детали. Датчик регистрирует температуру нагрева и по достижении требуемой температуры подает сигнал на
Рис. 2. Планетарная колесная передача автомобиля МАЗ: 1 -ведущая шестерня; 2 — сателлит; 3 — ведомая шестерня; 4 -ступица
н ^ н и а ТО: Я7РГТО
1 (41), 2007 -
Рис. 3. Схема работы системы управления установки для закалки деталей из стали 60ПП: 1 - закаливаемая деталь; 2 — позиция окончательного нагрева; 3 — датчик измерения температуры нагрева детали; 4 — блок управления; 5 — камера охлаждения; 6 — датчик измерения расхода закалочной среды; 7 — пневмогидравлический клапан; 8 — бак; 9 — датчик измерения температуры закалочной среды; 10 — устройство поддержания температуры охлаждающей среды
блок управления 4 о готовности детали к закалке. Блок подает команду исполнительным механизмам, которые перемещают деталь в камеру охлаждения 5. В камере охлаждения расположен датчик 6 измерения расхода закалочной воды в процессе закалки. В процессе закалки датчик 6 измеряет величину расхода закалочной среды в камере охлаждения 5 и подает сигнал на электронный блок управления 4, который сравнивает ее с заданными значениями. При отклонении величины расхода от заданной электронный блок управления 4 подает сигнал на пневмогидравлический клапан 7 для корректировки расхода камере 5 путем изменения величины рабочего прохода клапана 7.
В баке 8 системы подачи закалочной воды установлен датчик 9 измерения температуры. При изменении величины температуры от заданной датчик 9 подает сигнал в электронный блок 4, который управляет устройством поддержания температуры охлаждающей воды 10. В зависимости от сигнала производится либо слив горячей воды и пополнение бака холодной водой, либо подогрев ее в баке электронагревателями.
Таким образом, согласно технологическому процессу при объемно-поверхностной закалке производят контроль и управление параметрами нагрева (скорость и температура) и параметрами закалочного охлаждения (время закалки, температура и расход закалочной среды). Скорость индукционного сквозного нагрева детали составляет 4— 8 °С/с, неравномерность нагрева детали по сечению — не более 15°С. Скорость закалочного охлаждения — не менее 1000 °С/с.
Полученные результаты. По сравнению с химико-термической обработкой предлагаемая технология объемно-поверхностной закалки сталей пониженной прокаливаемое™ обеспечивает боль-
шую твердость поверхностного слоя и сердцевины, большую глубину упрочненного слоя, более высокую твердость сердцевины металла. При этом достигаются значительная экономия энергоресурсов, сокращение длительности процесса термообработки и снижение его стоимости.
На рис. 4, а, б показаны фотографии макрошлифов фрагментов детали «сателлит», упрочненных по ранее действовавшей и внедренной технологии, а на рис. 4, в — кривые распределения твердости для данных деталей на расстоянии 2/3 от вершины зуба.
Сравнительный анализ представленных макрошлифов показывает, что глубина упрочненного слоя на шестерни из стали 60ПП после объемно-поверхностной закалки значительно больше (в 1,5 - 2,5 раза), чем на шестерни из стали 20ХНЗА после цементации. Это обеспечивает при прочих равных условиях значительно больший срок службы и допускает большую величину износа зубчатой поверхности при эксплуатации.
Испытания. С 2001 г. проходят дорожные испытания два ведущих задних моста автомобиля МАЗ 5551, содержащих одну колесную передачу с ведущей шестерней и сателлитами, изготовленными из стали 20ХНЗА и прошедшими цементацию, а вторую колесную передачу с ведущей шестерней и сателлитами из стали 60ПП, упрочненными объемно-поверхностной закалкой. При пробеге 120 тыс. км была произведена контрольная разборка опытных мостов, содержащих опытные шестерни из стали 60ПП, упрочненные объемно-поверхностной закалкой. При осмотре шестерен колесной передачи установлено, что:
Ведущая шестерня колесной передачи, изготовленная из стали 20ХНЗА и упрочненная ХТО, имеет зону износа А в виде питтинга на восьми зубьях у одного из торцов (рис. 5, а). Ведущая шестерня колесной передачи 5551-2405028, изготовленная из стали 60ПП и упрочненная объемно-поверхностной закалкой, следов износа не имеет (рис. 5, б).
Сателлиты колесной передачи, выполненные из сталей 20ХНЗА и 60ПП, имеют одинаковый вид без видимых следов износа (рис. 5, в, г).
Все шестерни второго опытного моста как серийные, так и опытные не имеют следов износа.
Таким образом, по результатам эксплуатационных испытаний шестерен заднего моста автомобиля МАЗ 5551 установлено, что ведущие шестерни и сателлиты колесной передачи из стали 60ПП и упрочненные объемно-поверхностной закалкой по износостойкости, прочности, надежности и ресурсу работы не уступают серийным из стали 20ХНЗА, упрочненным ХТО,
гттггс-г: [гшг,№Г-П:Р.
- 1 (41). 2007
/161
800
й 600 £
0
1 400
ад Н
200
/
Ч /
V,
N ТГ"
Чз
о
1,0 2,0 3,0 4,0 Расстояние от поверхности
Рис. 4. Фотография макрошлифа (а, б) и распределение твердости (в) по сечению детали «сателлит»: а — из стали 20ХНЗА, прошедшей операцию цементации; б — из стали 60ПП с объемно-поверхностной закалкой; в — распределение твердости по глубине при различных способах упрочнения: / — цементация стали 20ХНЗА; 2 — объемно-поверхностная закалка стали 60ПП
Рис. 5. Шестерни колесной передачи автомобиля МАЗ 5551 после пробега 120 тыс. км: а — серийная ведущая шестерня 55512405028 из стали 20ХНЗА, упрочненная ХТО; б - опытная ведомая шестерня 5551-2405028 из стали 60ПП, упрочненная ОПЗ; в - серийный сателлит 5551-2405035 из стали 20ХНЗА; г - опытный сателлит 5551-2405035 из стали 60ПП, упрочненный ОПЗ
в
1£9 /ШИ
I ОС. / 1 (41). 2
2007 ———-—
а по точности превосходят их. В настоящее время пробег данных автомобилей с опытными мостами превышает 380 тыс. км.
Практическая реализация. Технология и оборудование объемно-поверхностной закалки деталей из стали 60ПП внедрены в 2006 г. на РУП «МАЗ» для шестерен колесной передачи заднего моста автомобилей МАЗ всех модификаций.
Две полуавтоматические установки обеспечивают термообработку с суточным темпом около 1250 деталей при 2-сменном режиме работы. На рис. 6 показан общий вид участка для объемно-поверхностной закалки шестерен колесной передачи автомобиля МАЗ. Работу двух установок на участке обеспечивает один оператор. Перевод шестерен колесной передачи с цементации на объемно-поверхностную закалку позволил на 15— 18% снизить загрузку оборудования для химико-
Рис. 6. Общий вид участка двух установок для ОПЗ шестерен колесной передачи автомобиля МАЗ
в 161 раз
в 1,64 разя
ь 2,75 рязв |
Цементация
ОПЗ
Стоимость стали
Цеховая себестоимость
Время цикла Производительность
Рис. 7. Сравнительный анализ экономической эффективности технологии управляемой объемно-поверхностной закалки стали 60ПП и цементации стали 20ХНЗА
термической обработки, повысить мобильность процесса изготовления шестерен.
Экономическая эффективность. Внедрение разработанного технологического процесса обеспечило значительную экономию материальных и топливно-энергетических ресурсов.
Внедрение новой технологии закалки обеспечивает сокращение цикла упрочнения с 28 ч до 5 мин, снижение затрат электроэнергии в 11,6 раза, исключены потребления природного газа, закалочного масла, жаропрочных и жароупорных материалов и выбросы вредных испарений, дыма, сажи, тепла и газов в окружающую среду.
Годовой экономический эффект от внедрения объемно-поверхностной закалки деталей колесной передачи автомобилей МАЗ из стали 60ПП составил около 580 тыс. долларов США. Стоимость оборудования для объемно-поверхностной закалки в сравнении с оборудованием для химико-термической обработки в десятки раз ниже. Так, например, стоимость комплекса «Ипсен» для химико-термической обработки этих деталей производительностью 20 шт./ч составляет около 2 млн. евро (5,2 млрд. белорусских рублей), а стоимость одной установки ОПЗ для упрочнения сателлитов колесной передачи производительностью 74 шт./ч — около 90 тыс. долл. США.
На рис. 7 показаны основные сравнительные показатели экономической эффективности внедренной технологии для шестерен планетарной передачи заднего моста автомобиля МАЗ.
Заключение. Специалистами РУП «МАЗ» созданы и промышленно освоены современная технология и автоматизированное оборудование по термообработке тяжело-нагруженных деталей сложной формы, не имеющие аналогов в РБ и странах СНГ, которые защищены патентами РБ на изобретение и полезную модель.
Конструктивные и технологические решения, заложенные на стадии исследования процессов упрочнения, проектирования и изготовления оборудования, позволили создать мощности для термообработки шестерен с суточным темпом около 1250 деталей при 2-сменном режиме работы с обеспечением высокого качества выпускаемой продукции.
