автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Функционально-ориентированные технологии термической обработки стальных изделий при создании конкурентоспособной продукции машиностроения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ II НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАБЕРЕЖНОЧЕЛШ1НСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АВТОНОМНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПРИ СОЗДАНИИ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОЙ ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность

05.16.09 - «Материаловедение (в машиностроении)»

На правах рукописи

УДК 621.785:669.14.018

Родькин Илья Михайлович

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28ДВГ 2014

005552028

Набережные Челны - 2014

005552028

Работа выполнена на кафедре «Материалов, технологий и качества» Набережночелнинского института (филиал) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Материалов, технологий и качества» Набережночелнинского института (филиал) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Астащенко Владимир Иванович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение, технологии материалов и термической обработки металлов» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева (г. Нижний Новгород) Хлыбов Александр Анатольевич

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технологии металлов и металловедения» Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова (г. Ижевск) Федоров Василий Борисович

казанский национальный исследовательский технический университет (КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева) (г. Казань)

Защита состоится «¿О» Я 2014 года в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.081.31 при ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 423810, Татарстан, г. Набережные Челны, пр. Мира, 13А, Набережночелнинский институт (филиал) ФГАОУ ВПО Казанский (Приволжский) федеральный университет, УЛК-5, ауд.309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Набережночелнинского института (филиал) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 423810, Татарстан, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19, диссертационный совет Д 212.081.31 Автореферат разослан « »аФг-ус75 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.081.31

кандидат технических наук ( И.Р. Мавлеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшей задачей современного машиностроения является изготовление высококачественной и конкурентоспособной металлопродукции - полуфабрикатов и деталей различного функционального назначения, отвечающей уровню европейских и мировых стандартов по технологичности в производстве и работоспособности и надежности в эксплуатации.

Ключевое внимание в машиностроительном производстве уделяется процессам подготовки структурного состояния стали к холодной пластической деформации, обработке резанием лезвийным инструментом на автоматических линиях и к стадиям упрочнения деталей автомобиля. Однако, вопросы стабильного формирования заданной структуры в легированных сталях различного способа производства с ярко выраженной химико-структурной неоднородностью, наследуемой от металлургии, остаются актуальными и в настоящее время. Возможности традиционных технологий при изготовлении деталей еще далеко не исчерпаны и имеются довольно значимые скрытые резервы, которые направленны на создание необходимой структуры стали, обеспечивающей повышение технологических и служебных свойств металлов и сплавов.

Постоянно повышающиеся требования к полуфабрикатам и деталям машин, экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов, улучшение условий труда на производстве и другие причины свидетельствуют о «нестареющей» актуальности работ по разработке и внедрению новых технологических и технических решений на всех стадиях металлопередела. Существенная роль в машиностроительном производстве отводится методам тепловой обработки металлоизделий.

Цель диссертационной работы заключалась в разработке технологий термической обработки стальных изделий ориентированных на подготовку структуры и свойств стали под холодную пластическую деформацию, обработку резанием лезвийным инструментом и стадий упрочнения деталей для получения высококачественных и конкурентоспособных полуфабрикатов и деталей машин.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать влияние технологических воздействий при термической обработке заготовок, выявить закономерность изменения структуры и свойств в низкоуглеродистых легированных сталях и разработать способ разупрочнения полуфабрикатов для достижения максимально высокого уровня технологичности стали под холодную объемную штамповку (ХОШ).

2. Установить эффективный критерий оценки структурного состояния цементуемых легированных сталей под ХОШ, базируясь на результатах металлографического мониторинга и показателях деформирования заготовок в холодном состоянии.

3. Исследовать взаимосвязь структурных параметров с показателями технологичности стали при механической обработке и выявить резервы по улучшению обработки резанием заготовок лезвийным инструментом на автоматических линиях.

4. Унифицировать технологию термической обработки заготовок с нейтрализацией неблагоприятной металлургической неоднородности, способствующую формированию заданной структуры в полуфабрикатах для операций резания и завершающих процессов упрочнения деталей.

5. Разработать параметры тепловой обработки стали на всем пути передела металла в деталь с целью повышения точности геометрических размеров изделий, сохранения благоприятного месторасположения и площади пятна контакта между зубьями, способствующих снижению уровня шума в зубчатых зацеплениях.

6. Усовершенствовать критерии оценки качества металла цементованных зубчатых колес для прогнозирования и повышения их стойкости в эксплуатации базируясь на результатах комплексных исследований деталей после стендовых и дорожных испытаний.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований структуры и свойств низкоуглеродистых легированных сталей после термпературно-временной обработки металлоизделий на различных стадиях технологического процесса изготовления деталей.

2. Технология термической обработки полуфабрикатов, направленная на нейтрализацию химико-структурной неоднородности и обеспечивающая высокую технологичность сплава на операциях холодной пластической деформации и обработки резанием.

3. Маршрутная технология тепловой и упрочняющей обработки металлоизделий при создании высококачественных зубчатых деталей в части достижения высокой долговечности и пониженного уровня шума в зубчатых зацеплениях.

4. Усовершенствованные критерии оценки качества металла цементованных и нитроцементованных деталей.

5. Методика металлографического мониторинга металлоизделий по прогнозированию технологичности стали на операциях холодного деформирования и обработки резанием.

6. Технические и технологические решения по стабилизации и уменьшению деформации и короблени} цементуемых деталей и снижению уровня шума в зубчатых зацеплениях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлена связь между величиной микротвердости отдельных структурных составляющих (НУ) и разностью значений между ними (дНУ) с показателями технологичности стали на стадиях холодной пластической деформации и обрабатываемости резанием заготовок и с уровнем усталостно-изгибной долговечности цементованных зубчатых деталей. Выявлено, что наилучший комплекс технологических и эксплуатационных свойств металлоизделий достигается при минимальной разнице в значениях микротвердости между присутствующими структурными составляющими в сплаве.

2. Разработан механизм нейтрализации термовременной обработкой химико-структурной неоднородности в стальных полуфабрикатах, обеспечивающий полноту диффузионного распада аустенита с гарантированным формированием заданной структуры и разности значений микротвердости между перлитом и ферритом не более 40НУ для холодной объемной штамповки легированных цементуемых сталей.

3. Впервые для стабилизации размерных параметров шестерни и снижения уровня шума в зубчатых зацеплениях разработана и обоснована маршрутная технология обработки изделий, включающая равномерное последеформационное охлаждение со сфероидизирующим изотермическим отжигом поковок и низкотемпературную цементацию с добавками аммиака в насыщающую атмосферу при ХТО деталей с применением специальных загрузочных устройств.

4. Установлено влияние структуры и свойств непосредственно поверхностного слоя и сердцевины металлоизделий на долговечность цементованных деталей и предложены усовершенствованные критерии оценки качества металла, учитывающие значения микротвердости приповерхностной зоны, толщину трооститной полосы и разности значений микротвердости между отдельными структурными составляющими в сердцевине.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Разработана технология термической обработки заготовок из легированных низкоуглеродистых сталей под холодную объемную штамповку зубчатых деталей и методика прогнозирования технологичности стали под холодную пластическую деформацию.

2. Разработана технология изотермического отжига поковок из цементуемых легированных сталей и устройство для ее осуществления,

обеспечивающие формирование благоприятного структурного состояния в металлоизделиях для обработки их резанием лезвийным инструментом на автоматических линиях.

3. Для оценки качества металла упрочненного слоя цементованных деталей предложены критерии, в которых учтены глубина залегания трооститной полосы на цементованной поверхности детали, а также значения микротвердости приповерхностной зоны и структурных составляющих в сердцевине.

4. Разработаны технологические параметры термической и химико-термической обработки металлоизделий из легированных цементуемых сталей и предложена конструкция приспособления для укладки цементируемых шестерен, позволяющая стабилизировать размерные параметры упрочненных деталей, что способствует снижению уровня шума в зубчатых зацеплениях.

5. Результаты проведенных исследованной и разработанная методика используются в ОАО «КАМАЗ» и учебном процессе НЧИ (ф.) К(ГТ)ФУ при подготовке магистров и бакалавров по направлениям «Материаловедение и технологии материалов», «Управление качеством» и «Машиностроение».

Достоверность результатов определяется применением комплекса современных методов исследования; использованием аттестованного и сертифицированного оборудования и приборов; обработкой экспериментальных данных с привлечением методов математической статистики; согласованностью многочисленных результатов лабораторных и промышленных экспериментов, а также сходимостью результатов с результатами других авторов.

Личный вклад состоит в постановке задач диссертационного исследования совместно с научным руководителем, а также проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей и заявки на изобретения и апробировании результатов работы на конференциях, конгрессах и форумах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на VIII и IX международных конгрессах термистов и металловедов «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» (г.Харьков, 2007 и 2008 гг.); XXVII Российской школе, посвященной 150-летию К.Э.Циолковского, 100-летию С.П.Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. акад. В.П. Макеева (г. Миасс, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Камские чтения» (г. Набережные Челны, 2010 г.); Международной научно-технической конференции молодых ученых «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (г. Могилев, 2009 г.); Международных научно-

технических конференциях «Машиностроение и техносфера XXI века» (г.Севастополь, 2010, 2012 и 2014гг.); Международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2013» и форуме «Повышения конкурентоспособности и энергоэффективности машиностроительных предприятий в условиях ВТО» (г.Казань, 2013г.) и 2-й Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении - ИТММ-2014 г.» (г. Пермь, 2014 г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 14 работ в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 6 в изданиях и журналах рекомендованных ВАК. Получено положительное решения ФИПС о выдаче патента на изобретение по заявке № 2012147986 от 12.11.2012г.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложения. Работа изложена на 149 страницах, включающая 41_ рисунок, 29 таблиц и библиографический список из 125 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены полученные автором новые результаты, указана практическая значимость и степень апробации работы.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных данных и патентных исследований по вопросам придания высокой технологичности стали для различных стадий металлопередела. Показана роль термической обработки полуфабрикатов в формировании структурного состояния и свойств стали для холодной пластической деформации и обработки резанием заготовок лезвийным инструментом на автоматических линиях. Отмечен большой вклад в решении этих задач Гуляева А.П., Лахтина Ю.М., Рахштадта А.Г., Новикова И.Н., Банных O.A., Гудремона Э., Навроцкого Г.А., ГольдштейнаЯ.Е., АмироваМ.Г. и других ученых. Приведены требования по структуре и свойствам к стальным полуфабрикатам, предназначенных для ХОШ. Достижения указанных параметров задача сложная и актуальная, что объясняется наличием химико-структурной неоднородности в стали, наследуемой от металлургического производства. Для получения высококачественной и конкурентоспособной продукции машиностроения обоснована необходимость нейтрализации такой особенности в стали на этапах ее технологического металлопередела. Показано совокупное влияние

отдельных стадий технологического процесса на формирование геометрической точности и долговечности деталей зубчатых зацеплений. Важная информация по этому направлению представлена в работах Козловского И.С., Зинченко В.М., Сагарадзе B.C., Кальнера В.Д., Тихонова А.К. и других ученых. Однако до настоящего времени отсутствует сквозная маршрутная технология изготовления зубчатых деталей с комплексным решением проблемы по стабилизации и уменьшению деформации и коробления цементованных деталей, способствующие снижению уровня шума в зубчатых зацеплениях и приданию надежности и долговечности изделий в эксплуатации. Кроме того, отсутствуют данные о причинах высокой дисперсии свойств деталей, изготовленных в абсолютно идентичных условиях производства и из одной марки стали. Этот факт указывает на необходимость проведения разносторонних исследований изделий с известным ресурсом стойкости для выявления основополагающих критериев при оценке качества металла как упрочненного слоя, так и основы детали.

На основе проведенного анализа сформированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведены используемые материалы, оборудование и методы исследования состава, структуры и физико-механических свойств стальных полуфабрикатов и деталей автомобиля. Исследования проводили на широко применяемых в машиностроении конструкционных сталях 12ХНЗА, 20ХГНМТА, 40Х и 15ХГН2ТА. Химический состав стали определяли методом спектроскопии с использованием спектрографа АФС-51 со специализированным программным обеспечением SBP и Next, а для определения углерода и серы использовали приборы АН-7529 и АН-7560. Механические свойства оценивали после испытания стандартных образцов на маятниковом копре PSW-30 и разрывной машине гД-20. Для металлографических исследований использовали оптический микроскоп Неофот-21, Эпитип-2 и IM-7200 (Япония) с системой «Видео Тест-М» и программным обеспечением «ThixometPRO». Твердость полуфабрикатов и деталей определяли на приборах ТШ-2М, ТК-2М и ХГЮ-250, а микротвердость на микротвердомере «Дюримет» при нагрузке на индентор 0,1 Н (ЮОгс) и 0,05Н (50гс). Термическую и химико-термическую обработку образцов, заготовок и деталей проводили в лабораторных печах типа М12 и СНОЛ 1.6-2.5.Н/1.1-И2, агрегатах проекта 34898 «Теплопроект» и термоагрегатах фирм «Айхелин» и «Jpsen».

Технологичность стали при холодной объемной штамповке и на различных операциях резания при механической обработке оценивалась в лабораторных и производственных условиях. О геометрической точности

8

шестерни судили по колебанию бокового зазора, величине радиального биения и пятну контакта между зубьями в зацеплении по методу отпечатков на станке ф. «Глиссон» при контрольной обкатке деталей. Измерение уровня шума мостов проводили многоканальным анализатором сигналов 3560C-X03 ф. «Brul Kjoer» (Дания).

Представлена частота распределения по содержанию химических элементов 294 плавок стали 20ХГНМТА, 312 плавок стали 15ХГН2ТА и 174 плавок стали 12ХНЗА. Показана величина колебания химических элементов в исследуемых плавках и степень микронеоднородности сплава. Для обработки экспериментальных данных применены методы математической статистики.

В третьей главе представлены результаты исследования структуры и свойства стали 12ХНЗА после различных температурно-временных воздействий. Установлено, что термическая обработка стали по известной технологии не обеспечивает стабильного формирования заданной структуры и свойств заготовок под холодную объемную штамповку (рис. 1).

Рисунок 1 - Частота (%) распределения твердости стали 12ХНЗА после отжига по указанной схеме. Количество плавок - 174

Показано, что в плавках стали, полученных с машин непрерывного литья заготовок, наряду с феррито-перлитной структурой присутствуют зерна недиффузионного распада аустенита (рис. 2, б), а в стали традиционного способа производства «слиток - блюм - прокат» наблюдается ярко выраженная структурная полосчатость (рис. 2, а).

Базируясь на колебаниях химических элементов в стали, ее микронеоднородности и структурных особенностей, наследуемых от металлургических технологий, разработан способ разупрочняюшей термической обработки стали под холодную объемную штамповку изделий

различной геометрической формы. (Положительное решение на выдачу патента по заявке на изобретение).

Рисунок 2 - Структурная наследственность в стальных полуфабрикатах после термообработки: а - полосчатость (хЮО); б- включение мартенсита (х500)

Для установления оптимальных параметров обработки в работе изменялись температурно-временные параметры при аустенитизации и диффузионном ступенчатом распаде аустенита, а также условия охлаждения полуфабрикатов на различных стадиях процесса (табл. 1). Выявлено, что аустенитизация стали 12ХНЗА при 880°С с последующим охлаждением со скоростью более 23° С/мин до температуры 680°С и при обеспечении диффузионного распада аустенита в интервале температур по схеме 680°С, 660°С, 640°С, 600°С с выдержкой при каждой из указанных температур в течение 60-80 минут достигаются наилучшие показатели свойств сплава под холодную пластическую деформацию. Кроме формирования заданного строения феррито-перлитной структуры дополнительно обеспечивается высокая степень ее однородности, характеризуемая минимальной разностью значений микротвердости между отдельными составляющими и которая не превышает 45НУ (табл. 2, рис. 3).

Рисунок 3 - Микроструктура: Перлит сорби тообра^нын (40%) + Феррит (60%)

Данная технология показала свою эффективность при изготовлении из стали 12ХНЗА поршневых пальцев ДВС методом холодного выдавливания (рис. 4, а) и из стали 20ХГНМТА сателлитов с мелким модулем зуба методом холодной объемной штамповки (рис. 4, б). При стендовых испытаниях нитроцементованных сателлитов, изготовленных из холоднодеформированных зубчатых заготовок, зафиксирована стойкость деталей на уровне 1070-1150 тыс. циклов нагужения, что в ~3 раза превышает стойкость деталей, изготовленных по базовому варианту. Достигнутое сочетание технологических и служебных свойств металлоизделий способствуют повышению уровня востребованности такой продукции машиностроения.

а б

Рисунок 4 - Поршневой палец (а); сателлит (6)

Таблица 1 - Свойства стали 12ХНЗА после различных видов термообработки

Номер режима Схема термической обработки Микроструктура Размер зерна, мкм Твердость, НВ

1 2 3 4 5

1. / бЗО'С\ 1 \0// П+Ф Пзср„<40% Пс<40% 0,042-0,060 166-170

2. ш с Ш'С ЧВ1 (ОВ1)\ \ \ / / V .....\ Г1+Ф П1Ср„<80% 0,017-0,026 187(159)

3. С [ \ 610 с 1 чал / ! ив Д П+Ф П1срп<80% 0,018-0,069 197(143)

4. ЯМ С ; ' >,<01 от \ ■ / о а 1\ / \/ \ 1__________У_____\ П+Ф Пзер„<80% 0,017-0,028 159

1 2 3 4 5

5. •тс / \ 620-С ! - / Д / 1 / овз\ / \/ \ П+Ф П1Ср„<80% 0,021-0,067 159

6. _ //// / '""^Лбигс 1 П+Ф ПЗСр„>80% 0,019-0,064 149-153

7. __.он / "®Л П+Ф ПзсР„>80% 0,016-0,022 149-153

8. ¡т'с\ / ХбЯГС / «// - ояз П+Ф Пзср„>85% 0,014-0,021 146-149

9. 1тяо'(Л 1 Х650' С / / />//" / \ П+Ф П1ср„>85% 0,017-0,038 146-149

Примечание: ОП - охлаждение с печыо.ОВ- охлаждение в воде; ОВз~ охлаждение на воздухе; П - перлит; Ф - феррит:Пзерн. - перлит зернистый, Пс- перлит сорбитообразный.

Таблица 2 - Микротвердость структурных составляющих после термообработки

Режим обработки (см .табл.1) Микротвердость1, НУ0.о5 Разность, ДНУ Количество образцов с трещинами (шт.) при осадке ДО

перлита феррита 1/2 Н 1/3 Н 1/4 Н

1 286 183 103 3 4 7

2 257 177 80 2 3 5

3 257 177 80 2 4 4

4 246 174 72 1 2 3

5 257 177 80 2 2 4

6 246 177 69 1 2 2

7 213 166 47 0 0 1

8 196 164 32 0 0 0

9 209 166 43 0 0 0

В четвертой главе излагаются результаты статистических исследований заготовок из стали 20ХГНМТА с различной обрабатываемостью резанием и представлена связь их структурного состояния и свойств с показателями технологичности стали на различных операциях механической обработки. Показано, что строчечность структуры, химико-структурная неоднородность, высокая микротвердость структурных составляющих, присутствие продуктов

недиффузионного распада аустенита и повышенная частота сплава по содержанию серы вызывают неблагоприятное стружкообразование при механической обработке заготовок, приводят к наклепу обрабатываемой поверхности и снижают стойкость режущего инструмента. Установлено, что основное влияние на процесс структурообразования стали при технологическом металлопеределе оказывают температура' аустенизации заготовок, скорость их охлаждения до температуры АС| - (20-40)°С и параметры дифуззионного распада переохлажденного аустенита. В лабораторных условиях разработан, в производстве апробирован и внедрен способ термической обработки поковок из цементуемых марок сталей, включающей нагрев до Ас3+(100-150)°С, циклически-прерывистое охлаждение со скоростью более 20°С/мин до 680-700°С и последующий двухчасовой распад переохлажденного аустенита при каждой температуре по схеме 680°С, 660°С, 640°С и 600°С. Повышенная температура аустенизации обеспечивает ускоренное превращение исходной структуры с сохранением мелкозернистого строения в сталях, легированных тугоплавкими элементами (рис. 5).

Ускоренное и циклически-прерывистое охлаждение достигнуто за счет технического решения по модернизации камеры подстуживания термического агрегата. Такое сочетание технических и технологических решений позволило стабильно формировать благоприятную структуру и свойства стали для различных операций механической обработки (табл. 3).

Среди многочисленных параметров структуры и свойств стали при оценке обрабатываемости резанием заготовок наилучшим образом зарекомендовали себя показания микротвердости отдельных структурных составляющих и разность их значений.

Температура, С"

Рисунок 5 - Температурная зависимость роста зерна в различных сталях

В случаях комплексной механической обработки заготовок микротвердость перлита не должна превышать 350НУ, феррита 210НУ при

разности их значений не более 80HV. Минимальный наклеп обработанной поверхности достигается при одновременном наличии указанной структуры и свойств в заготовках в сочетании с содержанием серы в стали не менее 0,01 %.

При использовании стали с MHJI3 для тяжело нагруженных деталей автомобиля показана целесообразность ее дополнительной (на 25-50 %) пластической деформации Мри металопеределе в машиностроительном производстве. На примере стали 40Х показано, что прочностные показатели повышаются на 10-15%, пластические характеристики - на 30-50 %, ударная вязкость - на 2-5 МДж/м2.

Таблица 3 - Свойства стали после термической обработки поковок

Марка стали Микроструктура эотношение %П/% Ф II § 2 о. ГО <и =3 ш X Микротвердость, HV50 Величина ерна, балл Полосча-ость, балл

и перлита феррита

15ХГН2ТА П„+П,,,+Ф+1С 25+35/75-65 I56+187 196-286 143-200 6-9 1-2

20ХГНМТА П,+Пс+П„..,1-Ф+К 30-50/70+50 163+207 227-350 179-210 8-10 1-2

Обозначение: Пг- перлит зернистый; Пс- перлит сорбитообразный; Ф - феррит; К -карбиды; П„, — перлит пластинчатый

Пятая глава посвяшена разработке метода обработки изделий на всем пути преобразований металла в деталь с целью придания геометрической точности шестерням, повышения их стойкости в эксплуатации и снижения уровня шума в зубчатых зацеплениях. На начальных этапах металлопередела показана необходимость равномерного охлаждения поковок после горячей пластической деформации, что исключит дестабилизацию прокаливаемости стали. Последующий изотермический отжиг с реализацией циклически-прерывистого охлаждения поковок со скоростью более 20°С/мин после аустенизации до температур АС[ - (20-40)°С и дифуззионный распад аустенита в интервале температуры по схеме 680-660-640-600 °С позволяет сформировать феррито-перлитную структуру стали со строго определенными свойствами отдельных составляющих. Такому состоянию характерна минимальная степень наклепа обрабатываемой поверхности при резании лезвийным инструментом, что в итоге уменьшит вклад стадии механической обработки в деформацию и коробление цементованных деталей. Дополнительные технологические решения на стадии упрочнения зубчатых деталей, включающие снижение температуры насыщения углеродом до 870°С и рациональное расположение деталей на приспособлении при ХТО, обеспечили не только минимальное

14

изменение их размеров, но и позволили сохранить месторасположение и максимальную площадь пятна контакта между зубьями сопрягаемых деталей.

Разработанная маршрутная технология изготовления зубчатых деталей, включающая совокупность технических и технологических решений при тепловой обработке стали на всем пути металлопередела в машиностроительном производстве (рис. 6), позволила стабилизировать и минимизировать деформацию и коробление шестерен, повысить их геометрическую точность, что обеспечило снижение в зубчатых зацеплениях уровня шума с 89-92 ДБа до 87-88 ДБа (табл. 4).

Рисунок 6- Маршрутная технология тепловой обработки конкурентоспособных заготовок и зубчатых деталей

Таблица 4 - Деформация и коробление цементованных деталей

№ п.п Контролируемый параметр После механической обработки Температура цементации, °С После ХТО

1 Колебание бокового зазора, мм 0,02-0,05 0,02-0,07 930 860 0,05-0,13 0,05-0,09

Эллипсность <0,01 930 0,08-0,14

2 внутреннего отверстия, мм <0,01 860 0.02-0,06

3 Неплоскостность торца, мм <0,02 <0,02 930 860 0,02-0,07 0,01-0,03

Величина радиального 0,02-0,10 930 0,03-0,16

4 биения зубчатого венца, мм 0,03-0,05 860 0,04-0,07

Несмотря на обоснованную и широко используемую в настоящее времея методологию контроля качества деталей, упрочненных диффузионными методами при ХТО, актуальным остается вопрос о причинах дисперсии долговечности деталей, изготовленных и упрочненных в одинаковых условиях

15

производства и из одной марки стали. К контролируемым показателям относят твердость поверхности и сердцевины; глубину упрочненного слоя; микроструктуру упрочненного слоя и сердцевины; вид, размеры, количество и распределение структурных составляющих в упрочненном слое.

Базируясь на комплексных исследованиях деталей с различной стойкостью при стендовых и эксплуатационных испытаниях установлено, что преждевременный их выход из строя зачастую связан с присутствием в приповерхностной зоне трооститной полосы и неоднородностью структурного состояния в сердцевине. Выявлено, что в зависимости от толщины трооститной полосы изменяется твердость приповерхностной зоны и соответственно работоспособность деталей (рис. 7). Учитывая связь толщины цементованного слоя с долговечностью деталей (рис. 8) рекомендовано учитывать негативное влияние данного фактора при определении эффективной глубины упрочненного слоя, которая должна быть уменьшена на семикратную величину трооститной полосы (сетки).

5 10 15 20 25 30 35 Толщина трооститной полосы, мкм

юо

¡Г во

60

ги

0

ОА 05 0.6 0.7 0.8 0.9 10 Ц Эффективная толщина слоя 0о Спадине, мм

Рисунок 7 - Изменение микротвердостн Рисунок 8 - Зависимость долговечности (НУ0|) поверхности цементованной детали шестерен при изгибных стендовых

от толщины трооститной полосы

испытаниях от эффективной толщины упрочненного слоя (НУо,1550) во впадине зубьев

При оценке изгибно-усталостной прочности зубьев шестерен ключевое внимание должно быть уделено структурному состоянию сердцевины детали. Высокая стойкость зубчатых деталей во время испытаний и при эксплуатации наблюдалась при наличии однородной микроструктуры в сердцевине (о степени однородности судили по разности значений микротвердости между отдельными структурными составляющими). Установлено, что с увеличением этой разницы снижается стойкость деталей и в тем большей степени, чем она выше (рис. 9 и рис. 10). Полученные результаты свидетельствуют, что при оценке качества металла цементованных деталей контроль необходимо проводить по усовершенствованным критериям, которые, как показали

результаты исследования, дают наиболее объективную информацию о надежности и долговечности шестерен в эксплуатации.

О 20X4)5060708090 Разнаслъ зятай нхратСердоспь 6 серс^ейле эуйц Рисунок 9 - Зависимость долговечности шестерен при изгибных стендовых испытаниях от разности значений микротвердости в сердцевине чуба детали

О 20 ио 60 80 100 120

Разность значений микротбердасти б сердцебине зуба

Рисунок 10 - Зависимость долговечности

шестерен при эксплуатации автомобиля

в зависимости от разности значений

микротвердости в сердцевине зуба

детали

Основные выводы

1. Конкурентоспособность продукции машиностроения определяется не только надежностью и работоспособностью изделий в эксплуатации, но и технологичностью их изготовления на всем пути передела металла в деталь. Показана негативная роль химико-структурной неоднородности стали, наследуемой от металлургического производства, и необходимость ее нейтрализации на стадиях тепловой обработки технологического металлопередела при подготовке стали к холодной объемной штамповке, обработке резанием и процессам упрочнения.

2. Установлена закономерность изменения структуры и свойств в низкоуглеродистых легированных сталях в зависимости от температурно-временных воздействий и разработан способ термической обработки полуфабрикатов для достижения максимально высокого уровня технологичности стали под холодную пластическую деформацию. (Решение о выдаче патента по заявке 2012147986 от 12.11.2012). Получение высококачественных металлоизделий достигается при микротвердости перлита не более 240НУ, феррита не более 200НУ и при разности этих значений, не превышающей 40НУ.

3. Выявлена связь структуры и свойств цементуемых легированных сталей с показателями обрабатываемости резанием лезвийным инструментом металлоизделий и предложены новые технические и технологические решения на этапе изготовления поковок. В результате равномерного охлаждения поковок после горячей пластической деформации и разработанного изотермического сфероидизирующего отжига формируется безстрочечная феррито-перлитная структура с микротвердостью перлита не более 350НУ и

феррита не более 210НУ. При разности значений по микротвердости между этими составляющими менее 80НУ установлены наилучшие показатели по механической обработке поковок на автоматических линиях.

4. Установлена связь между микротвердостью в сердцевине зуба детали и усталостно-изгибочной прочностью. Присутствие двух и более структурных составляющих с различной микротвердостью снижает долговечность деталей и, в тем большей степени, чем выше разница значений микротвердости между ними.

5. За счет реализации оптимальных параметров тепловой обработки на стадии изготовления поковок, а также технических и технологических решений при упрочняющей обработке деталей достигнуто повышение точности геометрических размеров, благоприятное месторасположение и площадь пятна контакта между зубьями в зацеплении, которая способствует снижению уровня шума главных передач ведущих мостов на 2-ЗДБа до значений 87-88ДБа.

6. В развитие теории об инженерии поверхности деталей машин и базируясь на результатах металлографических исследований шестерен после стендовых и эксплуатационных испытаний предложены усовершенствованные критерии оценки качества металла цементованных изделий:

- при определении твердости поверхности опираться на величину отношения НУПОВ./850, которая учитывает не только дефектные структуры, но и наклеп поверхности;

- при определении глубины эффективного упрочненного цементованного слоя она должна быть уменьшена на величину семикратной толщины трооститной полосы;

- при изучении микроструктуры и свойств сердцевины детали оценивать не только твердость, но и микротвердость отдельных составляющих и разность в значениях между ними.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях

1. Астащенко В.И. Улучшение обрабатываемости резанием поковок за счет реализации скрытых резервов в кузнечно-термическом производстве. / В.И. Астащенко, Ю.М. Мокроусов, И.М. Родькнн// Известия ВУЗов Сев.-Кавк. регион. Технические науки,2005, приложение № 2. С.81-85.

2. Астащенко В.И. Влияние технологических факторов на геометрическую точность цементованных изделий. / В.И. Астащенко, И.М. Родькин // Известия ВУЗов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки, 2005, приложение №3. С. 66-72.

3. Астащенко В.И. Термическая обработка стальных заготовок под холодную пластическую деформацию/ В.И. Астащенко, А.И. Швеев, Т.В. Астащенко, И.М. Родькин, И.А. Швеев // Автомобильная промышленность. 2010. № 3. С. 31-34.

4. Астащенко T.B. Оценка состояния металла зубчатых колес после химико-термической обработки / Т.В. Астащенко, А.И. Швеев, И.М. Родькин, P.P. Каллимулин // Автомобильная промышленность. 2010. № 6. С. 33-36.

5. Астащенко В.И. Технологические решения при переделе металлопроката для повышения свойств стальных изделий/ В.И. Астащенко, Т.В. Швеева, И.М. Родькин // Технология металлов. 2012. № 8. С. 9-13.

6. Астащенко В.И. Инновационные решения по снижению уровня шума зубчатых зацеплений / В.И. Астащенко, Ю.М. Смирнов, С.С. Соловейчик, А.И. Швеев, Т.В. Швеева, И.М. Родькин // Технология металлов. 2013. № 1. С. 45-51.

7. Astaschenco V.l. ADVANCED CRITERIA OF THE ASSESSMENT OF QUALITY OF METAL OF THE CEMENTED DETAILS. / V.l. Astaschenco, A.l. Shveyov, I.M. Rodkin, T.V. Shveyova. // «The Way of Science» International scientific journal. 2014. №5. P. 81-88!

8. Астащенко В.И. Наследственность макро- и микростроения в стальных заготовках деталей машин. / В.И. Астащенко, В.Г Шибаков, С.С. Соловейчик, Т.В. Астащенко, И.М. Родькин // Сборник докладов 8-го международного конгресса термистов и металловедов. «Оборудовании и технологии термической обработки металлов и сплавов» -Харьков: "ХФТИ". 2007. Т. 1. С. 117-122.

9. Астащенко В.И. Материаловедческие критерии оценки надежности металла цементуемых деталей машин. / В.И. Астащенко, P.P. Калимуллин, И.М. Родькин. Р.Ш. Садриев, Т.В. Швеева // Межд. сб. научных трудов «Прогрессивные технологии и системы машиностроения», Донецк: Дон НТУ. 2010. Вып. 40. С. 8-14.

10. Астащенко В.И. Влияние содержания серы на обрабатываемость резанием стали 20ХГНМТА. / В.И. Астащенко, М.С. Колесников, И.М. Родькин. // Межвузнаучный сборник «Проектирование и исследование технических систем», Наб.Челны,Изд-во Кам ПИ. 2004. Вып. 5. С. 91-94.

11. Астащенко В.И. Подготовка деталей автомобиля из легированной стали к холодной пластической деформации. / В.И. Астащенко, И.М. Родькин и др. // Труды Нижнегородского госуд. технич. ун-та им P.E. Алексеева, Нижний Новгород. 2012. №4. С. 256-261.

12. Астащенко В.И. Инновационные решения при металлопеределе стальных полуфабрикатов в машиностроении. / В.И. Астащенко, А.И. Швеев, Т.В. Швеева, И.М. Родькин // Материалы междун. научно-техн. конф. «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы», ч.2, Казань. 2013. С. 4-7.

13. Астащенко В.И. Прокаливаемость стали - основополагающий фактор работоспособности цементованных зубчатых колес. / В.И. Астащенко, P.A. Бикулов, В.Г. Козлов, Т.В. Астащенко, И.М. Родькин // Сборник докладов 9-го междунар. конгресса термистов и металловедов «Оборудования и технологии термической обработки металлов и сплавов», Харьков, ННЦ "ХФТИ". 2008. Т. 1. С. 58-61.

14. Калимуллин Р.Г. Свойства применяемых сталей для зубчатых колес. / P.P. Калимуллин, Р.Ш. Садриев, И.М. Родькин, Т.В. Астащенко // Межвуз.научн.сборник «Проектирование и исследование технических систем», Наб.Челны, Изд-во Камской госуд. инж.-экон. академии. 2009. Вып. 13. С. 71-76.

15. Положительное решение ФИПС РФ на выдачу патента по заявке №2012147986 от 12.11.2012г. «Способ термической обработки заготовок», С21Д 1/26. Авторы: Астащенко В.И., Швеев А.И., Швеева Т.В., Родькин И.М., Сафаров Д.Т.

Подписано в печать 04.08.14 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч.-изд.л. 1,2 Усл.-печ.л. 1,2 Тираж 100 экз.

Заказ 173

Издательско-полиграфический центр Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета

423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19 тел./факс (8552) 39-65-99 e-mail: ic-nchi-kpfu@mail.ru