CC BY
12ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ УДК 621.78
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
БЕРДИЕВ ДОРОБ МУРТОВИЧ
Завидующий кафедры ОМД, Ташкентский государственный технический университет им.
И.Каримова, г. Ташкент, Узбекистан
ЮСУПОВ АБДУЛАЗИЗ АБДУЛЛАЖОНОВИЧ
Завидующий кафедры ТМО, Алмалыкский филиал Ташкентский государственный технический университет им. И.Каримова, г. Алмалык, Узбекистан
КАМИЛОВА ГУЛЧЕХРА МУРАДЖАНОВНА
Асситент кафедры ММ, Ташкентский государственный технический университет им.
И.Каримова, г. Ташкент, Узбекистан
ПУШАНОВ АКБАР НУРАЛИЕВИЧ
Докторант кафедры ОМД, Ташкентский государственный технический университет им.
И.Каримова, г. Ташкент, Узбекистан
Аннотация. Усовершенствована технология термоциклической обработки мелкомодульных зубчатых колес, позволяющая повысить их износостойкость на 30^40 %. Зубчатые колеса подвергали предварительному циклическому нагреванию и последующей импульсной закалке. Во всех случаях закалку образуется мартенситная структура, обеспечивающая высокую жесткость материала. Размеры мартенситных пластинок зависят от температуры нагревания при закалке. При циклическая термооработку до температуры 450 °С размеры аустенитных зерен и мартенситных пластинок не зависили от температуры.
Ключевые слова: термоциклическая обработка, плотность дислокаций, низколегированная сталь, износостойкость, импульсная акалка, дефектность, кристаллическая структура.
Предприятия сельскохозяйственного машиностроения Республики Узбекистан постоянно увеличивают выпуск хлопкоуборочных машин. При эксплуатации данной техники в результате абразивного изнашивания выходит из строя таких деталей как зубчатые колеса и вал-шестерени, в результате чего ежегодно расходуется большое количество металла для изготовления запасных частей. С каждым годом машиностроительная техника становится более сложной, и для обеспечения ее эффективного использования необходима мощная ремонтная база.
Работоспособность зубчатых колеса во многом определяет долговечность их зубьев. Зубчатые колеса, как правило, изготовляют из низкоуглеродистой стали (содержание углерода 0,1^0,25 %) и подвергаю их термической обработке - цементация, закалка и низкий отпуск. Сокращение времени обработки обеспечивает цементация в газовой среде. При этом расходуется много электроэнергии и газообразного углеводорода.
Анализ публикаций по термической обработке [1-3] показал, что в настоящее время для улучшения структуры и свойств сталей широко используют циклическую термичекую обработку (ЦТО), которая эффективнее улучшает механические свойства сталей по сравнению с традиционными термическими обработками [2].
В настоящей работе исследования направлены на повышение износостойкости зубьев мелкомодульных зубчатых колес из низколегированной стали 65Г применением ЦТО без изменения химического состава материала зубчатых колес. Положительные результаты достигнуты изменениями структуры материала в результате физических и химических процессов.
При ЦТО интенсифицируются диффузионные превращения в результате повторного ускоренного нагревания и охлаждения в стадии незаконченной перекристаллизации аустенита и еще несформированного роста зерен. Данный способ обработки основан на получении устойчивого аустенита путем размельчения структурных зерен и перераспределения дислокаций при высоких температурах, достигаемых индукционным нагреваванием (ИН). В результате накопления структурных преобразований и фазовых превращений получали структуру стали, которую нельзя получить традиционными способами термообработки.
Эффективность ЦТО зависит от последовательности операций, числа циклов, скорости нагревания и охлаждения, химического состава стали. Применения ЦТО с полиморфными превращениями и в условиях их отсутствия показали, что при нагревании и охлаждении сталей имеют место фазовые превращения. Для повышения износостойкости низколегированных сталей необходимо оптимизировать режимы ЦТО. Для этох целей исследовали структуры сталей и определяли износостойкость в условиях трения после предварительной ЦТО и последующей ИН образцов.
При ЦТО образцы диаметром 20 мм и высотой 7 мм нагревали высокочастотным током продолжительность от нескольких до 20 с. Для нагревания использовали устройство Л3107, для определения температуры - термопары. Для равномерного прогревания образцов изменение температуры составляло 110^120 °С/с. Для оценки температурно-временного фактора при циклической закалке к образцу припаивали термопару, подсоединенную к быстродействующему потенциометру для регистрации температуры.
Образцы нагревали до температур T = 450, 550 и 700 °С, после чего их охлаждали. Для этого подавали охлажденный воздух. Повторная фазовая перекристаллизация сталей достигалась нагреванием до температуры ^с3 + (30^50) °С. Окончательное нагревание осуществляли при температуре T = 900 °С. Далее сталь охлаждали в масле и нагревали до температуры T = 180 °С, затем охлаждали подачей воздуха. Окончательное охлаждение стали обеспечивает формирование пластинчатой структуры [7]. Лучший результат был получен ЦТО при T = 450 °С.
Для сравнения производственных данных на АО «Агрегатный завод» выбранные образцы из стали 18ХГТ подвергали цементации в шахтных печах вместе с садкой из зубчатых колес. Цементацию зубьев зубчатых колес выполняли при температуре T = 900^950 °С в течение 8^10 ч.
Металлографический анализ выполняли на ионном хроматографе Metrochm 850 Professional IC (SEM-EDX) и растровом электронном микроскопе Zeiss EVO MA 10 [5]. Структуру стали изучали с помощью спектрального рентгеновского анализатора Shimadzu [6]. Для получения рентгенограмм использовали излучение железного анода. Ширину рентгеновских линий определяли по графикам, скорректированным аппроксимацией.
Испытания на изнашивание выполняли трением скольжения по незакрепленному абразивному материалу на установке ПВ-7 [6]. Абразивным материалом являлся пылевидный кварцевый песок, который подавали порциями с помощью дозатора на поверхность образца и полиуретанового шнека. Выбор установки и способа испытания на абразивное изнашивание был обусловлен предыдущими исследованиями, которые показали, что испытания на износостойкость на машине ПВ-7 близки к изнашиванию в полевых условиях уплотнителя сошника хлопковой сеялки на полях Узбекистана - совпадали расположения материалов и значения относительной износостойкости [6]. Последнее определяли сравнением потерь
массы (масса Q износа) контрольного образца, который взвешивали до и после испытаний на аналитических весах ВЛА-200М (точность до 0,1 мг), повторяемость опытов составила 5.
Важным при ЦТО является обеспечение закалки стали на требуемую глубину и исключение появления окалины на поверхности изделия. Преимуществами данной обработки являются высокая производительность, получение изделия с высокими механическими свойствами, возможность обработки изделий любой формы.
Анализ состояния структуры предварительно термически обработанной стали 65Г с помощью ИН при разных температурах (в пределах докритической) после ЦТО показал, что дефектность кристаллической структуры стали мало зависит от температуры и числа циклов [7]. Установлено, что при нагревании выше критической температуры Ас\ и при охлаждении подачей воздуха формировались примерно одинаковые структуры, при этом дефектности были разные.
В табл. 1 приведены значения показателя дефектности в, среднее значение вср и твердость ИКС образцов из стали 65Г после ЦТО, индукционной закалки и отпуска при Т = 180 °С. Лучшие результаты получены при температуре 450 °С и числе циклов нагревания N = 3^5. При других температурах (550 и 700 °С) дефектность кристаллического строения была неустойчивой или низкой. Хорошие результаты при Т = 450 °С можно объяснить микропластической деформацией в результате быстрого теплообмена при циклическом нагревании. Образование второй фазы обусловлено микропластической деформацией зерен. В результате имело место интенсификация возникновения дислокаций, при этом высокая температура приводит к полигонизации структуры, что обеспечивает ее стабильность, в результате кристаллическая структура материала имеет невысокую дефектность.
Таблица 1
Показатель дефектности в и твердость стали 65Г после ЦТО, _индукционной закалки и отпуска при Т = 180 °С_
T, °С Числоциклов в, 10-3 рад вср, 10-3 рад HRC
1 63,40; 64,45; 64,43 66,42 59,5
450 3 64,50; 71,68; 70,36 68,91 60,0
5 73,90; 69,00; 69,50 70,80 59,5
1 73,40; 63,90; 62,17 66,49 58,5
550 3 67,57; 65,73; 64,98 66,09 59,5
5 69,48; 64,45; 64,47 69,46 5,9,0
1 71,69; 69,00; 70,45 70,00 59,5
700 3 63,66; 64,00; 63,80 63,82 60,0
5 63,00; 63,00; 63,20; 63,70 59,0
1 60,50; 60,66; 60,42; 60,52 59,0
800 3 63,90; 63,94; 63,90; 63,91 59,0
5 60,76; 62,99; 62,90; 61,90 59,5
Индукционная закалка 900 °С + отпуск при 180 °С 64,98; 65,12; 64,92; 65,01 59,5
Повторное нагревание выше температуры образования одноразовой полигонной структуры при высокой плотности дислокаций обеспечивает образование требуемой структуры. При ЦТО сталей при температуре до 450 °С происходит интенсивная перекристаллизация структуры, при этом полигонная структура не образуется.
Сравнение результатов после ЦТО при температуре 450 °С и окончательной закалке ИН с результатами традиционной закалки ИН показало, что плотности дислокаций в первом случае повышаются незначительно. При одинаковой твердости (59^60 ИКС) разница ширины рентгеновских линий составила Двср = 5-10-3 рад (рис. 1).
|i,:|110° pad
65,5
1 2 3 4 5 6 Л', циклов
Рис. 1. Зависимости изменения физической ширины Рср рентгеновской линии от числа N термических циклов и температуры нагревания Т = 450 (1); 570 (2); 700 (3) °С
Испытания на износостойкость образцов, прошедших разные режимы обработки, показали аналогичные результаты, что и выводы исследований микроструктур и тонких структур образцов. При ЦТО и ИН в образцах образовалась одинаковая микроструктура, зерна одинаковых размеров, образцы имели одинаковые твердости, отличие заключалось в дефектности кристаллической решетки.
В табл. 2 представлены результаты испытания на износостойкость образцов из стали 65Г после термических обработок на разных режимах.
Таблица 2
Результаты испытания на износостойкость стали 65Г _после термообработки на разных режимах_
Термообработка (Т, °С) Ддав, мг Ддан, мг HRC Шор, мг
Индукционная закалка (900), отпуск(180) 59,07 65,00 61,53 58,36 29,06 28,86 28,78 27,34 53,5-60 53,5 58-69 59 89,37
Три цикла нагревания (450), индукционная закалка (900), отпуск(180) 46,09 49,30 40,02 38,00 22,14 23,09 24,49 24,01 59 59 58 59 66,78
Три цикла нагревания (550), индукционная закалка (900), отпуск (180) 60,33 36,01 54,26 59,12 22,05 24,15 25,13 27,02 59 82,14
П р и м е ч а н и е. Обозначения: Ашв и Дшн - износы соответственно верхнего и нижнего образцов; Жср = (Дт +Дшн)/2.
Установлено, что после трех циклов ЦТО при Т = 450 °С, охлаждении воздухом, ИН при Т = 900 °С и отпуске при Т = 180 °С в течение 60 мин износостойкость стали 65Г на 25-30 % выше по сравнению с износостойкостью образцов, подвергнутых другими видами термической обработки.
Структурный анализ сталей показал, что во всех случаях ЦТО и ИН образуется мартенситная структура, обеспечивающая высокую жесткость материала. Размеры мартенситных пластинок зависят от температуры нагревания при закалке. При ЦТО до температуры 450 °С размеры аустенитных зерен и мартенситных пластинок не зависили от температуры.
Установлено, что изменение размеров аустенитных зерен оказывает большое влияние на результаты закалки.
Рентгеноструктурный анализ образцов сталей, обработанных ИН при разных температурах, показал, что степень дефектности кристаллической структуры после закалки стали зависит от продолжительности нагревания (рис. 2). Самая высокий показатель дефектности в структуры наблюдался при пролоджительности нагревания I = 4^5 с. Однако эта закономерность может измениться при других размера изделия.
Полученные результаты сравнивали с показателями образцов из стали 18ХГТ, прощедших нитроцементацию и термообработку.
Экспериментально был определен оптимальный режим термической обработки зубцов мелкомодульных зубчатых колес из стали 65Г:
1. Циклическое нагревание (число циклов N = 3) при Т = 400^500 °С, охлаждение подачей воздуха до температуры 80^100 °С; при напряжении на аноде Уа = 6,5 кВ и силе тока 1а = 5,5 А сила тока составила I = 0,55 А, зубья нагреались до Т = 450 °С, время нагревания составило I = 3^4 с; время охлаждения воздухом до температуры Т = 80^100 °С составляло 140 с.
2. Закалка при напряжении на аноде Уа = 9 кВ и силе тока 1а = 8,5 А сила тока составила I = 0,8^1,8 А, зубья нагреались до Т = 900 °С, время нагревания 7 с, охлаждаюшая среда -масло.
3. Нагревание в селитровой ванне до 180^200 °С в течение 60 мин, отпуск на воздухе.
При данной обработке средний диаметр аустенитного зерна в середине структуры
зубьев зубчатого колеса из стали 65Г составил йср = 0,055 мм (5, 6 баллов), в вершине зубьев - йср = 0,0927^0,0729 мм (4, 5 баллов), в тонком слое на поверхности зубьев образовалось покрытие с закаленной мартенситной структурой.
Таким образом, зубья зубчатых колес из стали 65Г, прошедшие ЦТО и ИН, имели износостойкость в 1,3-1,4 раза выше изностойкостьи зубчатыз колес с термообработкой традиционным ИН и в 1,2-1,3 раз выше износостойкости зубцов из нитроцементированной стали 18ХГТ.
в, 10-3 рад
71 70
69
68 67 66 65
64
0,8 2 3 4 5 6 7 8 9 t, С.
Рис 2. Зависимости показателя дефектности в стали от времени t термической обработки при
T = 870 (7); 900 (2); 950 (3) °С
ЛИТЕРАТУРА
1. Sagaradze, V.V. Structural heredity in the U-6Nb Alloy and Conditions for its Elimination / V. V. Sagaradze, Yu.N. Zuev, S. V. Bondarchuk, et. al. // The Phusics of Materials and Metallography. -2013. - Vol. 114. - N. 4. - P. 299-307.
2. Yugai, S.S. Structural heredity in low-carbon martensitic steels / S. S. Yugai, L. M. Kleiner, A. A. Shatsov, N. N. Mitrokhovich // MetallSciens and teat treatment. - 2004. - Vol. 46. - N. 11, 12. - P. 539-542.
3. Бердиев, Д.М. Повышение изноооотойкооти зубьев зубчатых колес циклической закалкой о индукционным нагреванием / Д. М. Бердиев, А. А. Юсупов // Веотник машиностроения. - 2020. - № 3. - С. 50-53.
4. Батаев В. А., Батаев А. А., Алхимов А. П. Методы структурного анализа материалов и контроля качества деталей. М.: Наука. - 2007. - 224 о.
5. Горелик С. С., Скаков Ю. А., Расторгуев Л. Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: МИСИС. - 1994. - 328 о.
6. Гаркунов Д. Н.Триботехника. М.: МСХА. - 2005. - 356 о.
7. Бердиев, Д.М. Повышение изноооотойкооти стальных изделий методом нестандартных режимов термической обработки / Д. М. Бердиев, А. А. Юсупов // Литьё и металлургия. - 2021. - № 2. - С. 100-104.
8. Бердиев, Д.М. Совершенствование технологии термоцикличеокой обработки для повышения износостойкость зубчатых колес / Д. М. Бердиев, А. А. Юсупов // Веотник машиностроения. - 2022. - № 11. - С. 69-72.
