автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Исследование и внедрение микролегированной боросодержащей цементуемой стали для тяжелонагруженных деталей автомобиля

Калимуллин Радик Равилевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ МИКРОЛЕГИРОВАННОЙ БОРОСОДЕРЖАЩЕЙ ЦЕМЕНТУЕМОЙ СТАЛИ ДЛЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЯ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (Машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

-8 ДЕК 2011

Набережные Челны - 2011

005004803

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Камская государственная инженерно-экономическая академия», г. Набережные Челны.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, доцент Астащенко Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Жарин Денис Евгеньевич кандидат технических наук Югай Сергей Сергеевич

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ

Защита диссертации состоится «28» декабря 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 в ФГБОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономической академия» по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Камской государственной инженерно-экономической академии».

Автореферат разослан « 26 » Ч_2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Л.А. Симонова

Актуальность. На современном рынке производителей коммерческого грузового транспорта сложилась тенденция перехода к силовым агрегатам класса Евро-4. Условием успешного создания прочных и надежных машин, обладающих оптимальной массой и наибольшей долговечностью, является внедрение научно-обоснованных материалов и технологий их обработки на всех стадиях преобразования металла в деталь. Эти мероприятия должны исключать преждевременный выход из строя деталей и обеспечивать их максимальную работоспособность. Изучая различные виды разрушения изделий, можно сделать вывод о том, что основными причинами, регламентирующими надежность и долговечность деталей, являются показатели физико-механических свойств материала.

Разносторонний подход к основным требованиям, предъявляемым к материалам для изготовления зубчатых колес, свидетельствует о том, что их выбор должен обеспечивать надежную работу изделия в течение расчетного срока службы с учетом реальных условий эксплуатации (нагрузка, рабочая среда, температура, давление и т.д.). Для исключения случаев отказа детали в эксплуатации при выборе материалов и технологий их обработки необходимо комплексное исследование влияния различных факторов на свойства сплавов и разработка на этой основе технологических методов стабильного формирования необходимой структуры стали для обеспечения высокой технологичности и гарантированного достижения максимальной конструктивной прочности и надежности изделий.

Требования, предъявляемые к тяжелонагруженным зубчатым колесам, определяются, в первую очередь, условиями их эксплуатации. Они должны иметь одновременно высокие показатели статической прочности и сопротивления усталости, контактной выносливости, износостойкости, что достигается химико-термической обработкой.

Постоянно повышающиеся требования к деталям машин, экономии топливно-энергетических ресурсов, улучшению условий труда на производстве и многие другие причины свидетельствуют о «нестареющей» актуальности работ по разработке и внедрению новых материалов и технологии их обработки.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование и внедрение микролегированной боросодержащей стали для изготовления тяжелонагруженных зубчатых колес грузового автомобиля.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих

задач:

1. Обоснование марки стали для зубчатых колес, обладающей низкой склонностью к перегреву, стабильными показателями прокаливаемости, высокой твердостью и прочностью;

2. Комплексное исследование физико-механических свойств стали 18ХГР при технологическом металлопеределе;

/

3. Совершенствование методик выявления зеренной структуры закаленного цементованного слоя и шлифовальных прижогов после финишных операций;

4. Установление температурной зависимости роста зерна исследуемых цементуемых сталей и связи между зернистостью и их прочностными свойствами;

5. Выявление связи между прокаливаемостью сталей и твердостью сердцевины зуба цементованных зубчатых колес;

6. Выявление и реализация скрытых резервов в материале и технологии химико-термической обработки по повышению надежности и долговечности деталей в эксплуатации;

7. Разработка и обоснование технологии поверхностного дробеструйного упрочнения деталей, способствующей увеличению потребительских свойств изделий;

8. Апробирование разработанных технологий в условиях массового производства тяжелонафуженных деталей грузовых автомобилей.

Научная новизна:

1. Выявлена связь между прочностными свойствами среднемодульных тяжелонагруженных зубчатых колес и зеренной структурой упрочненного цементованного слоя, свидетельствующая, что сильносмешанная структура снижает значение сопротивления усталости на 25.. .40%.

2. Установлена температурная зависимость роста зерна в цементуемых легированных сталях, свидетельствующая о сохранении наследственно мелкозернистой структуры боросодержащей микролегированной стали при нагревах до 950°С, что на 50...80°С превышает температурный порог роста зерна широко применяемых в автомобилестроении сталей.

3. Выявлена связь между прокаливаемостью сталей и твердостью сердцевины зуба цементованных деталей, свидетельствующая о достижении высокой стойкости изделиями при регламентировании заданного уровня прокаливаемости на глубине, сопоставимой с модулем зубчатого колеса.

4. Установлено, что формирование бездефектной структуры упрочненного слоя и сердцевины среднемодульных зубчатых колес из стали 18ХГР достигается в результате регулирования углеродного потенциала насыщающей атмосферы со ступенчатым его изменением по схеме: 0,2...0,6% - на этапе нагрева, 1,15% - на этапе насыщения и 0,85% - на этапе подстуживания при температурах 930°С, 930°С и 850°С соответственно.

Практическая значимость:

- предложена микролегированная боросодержащая сталь 18ХГР для производства мелко- и среднемодульных зубчатых колес;

- разработана и внедрена в массовое производство деталей комплексная технология упрочняющей обработки;

- уточнены действующие и предложены дополнительные критерии оценки качества металлопроката и качества металла закаленных цементованных деталей;

реализованы инновационные решения на всех этапах технологического передела металла, позволившие повысить ресурс долговечности среднемодульных тяжелонагруженных шестерен в 1,5...3 раза.

Внедрение результатов исследований.

Результаты исследований нашли свое отражение при изготовлении тяжелонагруженных шестерен конической и цилиндрической пары заднего ведущего моста грузовых автомобилей в ОАО «КАМАЗ».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (г. Могилев, 2009); Международная конференция «20-я Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Пермь, 2010); Международная научно-техническая конференция «Образование и наука - производству» (г. Набережные Челны, 2010); Международная научно-практическая конференция «International Know-how exchange meeting - Heat treatment» (г. Фридрихсхафен, Германия, 2011); 18-я Международная научно-практическая конференция «Машиностроение и техносфера 21 века» (г. Севастополь, 2011); Межрегиональная научно-практическая конференция «Камские чтения» (г. Набережные Челны, 2009, 2011).

Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены цели, выбраны объекты и методы исследований, проведены теоретические и экспериментальные исследования, выполнены, обработаны и проанализированы основные результаты исследований. Также, при непосредственном участии автора, проводилась практическая реализация результатов исследований.

На защиту выносятся:

- результаты исследования микролегированной боросодержащей стали марки 18ХГР для изготовления среднемодульных зубчатых колес;

- технология химико-термической обработки стали, включающая процессы предварительного нагрева, цементации со ступенчатым режимом насыщения при автоматическом регулировании углеродного потенциала атмосферы, последующей закалкой в горячем масле с температуры подстуживания;

уточненные и дополненные критерии оценки качества металлопроката на этапе входного контроля;

- дополненные критерии контроля качества цементованных изделий;

- реализация скрытых резервов материала путем дополнительной упрочняющей обработки методом поверхностно-пластической деформации;

- инженерия поверхности цементованных деталей после финишной обработки.

Достоверность результатов работы. Достоверность предложенных в работе технических и технологических решений

подтверждается близостью расчетных и экспериментальных исследований технологии упрочняющей обработки и внедрением в производстве. Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методик и оборудования для исследования, а также сходимостью результатов с результатами других авторов.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 12 статьях, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы из 104 наименований. Она изложена на 139 страницах и содержит 48 рисунков и 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цели и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основании литературных данных, а также нормативных документов, действующих в различных отраслях машиностроения, приведен аналитический обзор широко используемых в машиностроении высокопрочных цементуемых и нитроцементуемых сталей, применяемых для изготовления тяжелонагруженных зубчатых колес.

Отмечается вклад в исследование проблем обеспечения надежности и долговечности деталей автомобиля отечественных и зарубежных ученых М.Л. Бернштейна, М.Е. Блантера, И.С. Козловского, А.П. Гуляева, А.Г. Рахштадта, М.С. Тылкина, М.А. Штремеля, Ю.М. Лахтина, В.Д. Кальнера, В.М. Зинченко, B.C. Сагарадзе, А.К. Тихонова и других выдающихся исследователей.

Применяемые на сегодняшний день стали (20ХГНМТА, 15ХГН2ТА и др.) не являются оптимальными для изготовления тяжелонагруженных зубчатых колес вследствие нестабильности механических и эксплуатационных свойств изделий. Используемые в промышленности режимы химико-термической обработки, в том числе газовой цементации, не обеспечивают стабильность получения высоких прочностных свойств обрабатываемых сталей. При существующих критериях оценки качества металлопроката и металла после ХТО отмечаются преждевременные выходы из строя деталей, свидетельствующих о недостаточно эффективном прогнозировании работоспособности по данным характеристикам. Технологии упрочняющей обработки дробенаклепом не являются оптимальными вследствие необоснованного выбора параметров при назначении режима.

На основании анализа литературных данных сформулированы цель и

задачи работы.

Во второй главе приводится химический состав экспериментальной стали 18ХГР и широко применяемых в автомобилестроении сталей 20ХГНМТА, 15ХГН2ТА, 20Х2Н4А, 12ХНЗА; излагаются методики исследований, оборудование и приборы, использованные при проведении работы.

Химический состав сталей определялся методом спектроскопии с использованием микрофотометра МФС-51 и спектрографа АФС-51 со специализированным программным обеспечением SPB и Next, приборов АН-7529 и АН-7560 для определения содержания углерода и серы. Контроль макроструктуры проводился по ГОСТ 10243-75. Механические свойства определяли на машине ЦД-20 при испытании стандартных образцов (ГОСТ 1497-84), ударную вязкость - на маятниковом копре PSW-30. Микроисследования (степень загрязненности по ГОСТ 1778-70, зеренная структура путем визуальной оценки по ГОСТ 5639-82 и автоматическом определении с использованием программно-аппаратного комплекса «ВидеоТест-М», микроструктура поковок и упрочненного цементованного слоя и сердцевины деталей после ХТО) проводили с использованием электронного и оптического микроскопов Zeiss и Neophot 2. Оценку динамической силы разрушения (ударного изгиба) для прогнозирования эксплуатационных свойств материала проводили по специально подготовленным образцам с выступом на цилиндрической поверхности, имитирующим зуб шестерни. Измерения твердости и микротвердости изделий проводили с применением приборов ТК-2М (ГОСТ 9013-59), ТШ-2М (9012-59) и Durimet (ГОСТ 2999-75). По кривой распределения микротвердости определяли глубину упрочненного слоя, а за эффективную глубину принимали расстояние от поверхности до контрольной точки 610 HV0,5.

Для исследования качества дробенаклепа использовались: рентгеноструктурный анализ с использованием дифрактометра XRD 3003 PTS (Германия); индикатор с постоянной четырехточечной базой IWM EWB-01 для измерения интенсивности наклепа. Для оценки состава рабочей смеси применяли набор сит диаметром 0,3; 0,415 и 0,6 мм.

Обработка результатов испытаний проводилась с помощью методов математической статистики.

В третьей главе приведены результаты исследования высокопрочной боросодержащей стали 18ХГР и стали 20ХГНМТА, применяемой для изготовления среднемодульных тяжелонагруженных зубчатых колес главных передач заднего ведущего моста грузового автомобиля.

Исследования проводились на сталях, химический состав которых приведен в таблице 1. Отличительным признаком стали 18ХГР от широко применяемых в автомобилестроении цементуемых сталей являются более жесткие требования по составу, а именно, содержание молибдена (Мо) в этой стали составляет 0,04...0,12%, бора (В) - 0,002...0,005%, в легированных

цементуемых сталях содержание молибдена допускается до 0,3%, бора - в пределах 0,001...0,005%. Кроме того, суммарная массовая доля марганца (Мп), хрома (Сг), никеля (№) и молибдена (Мо) находится в пределах 2,5...3,05%.

Механические свойства стали 18ХГР имели высокие значения: ат = 1220...1420 МПа, а, = 1300...1490 МПа, 5 = 12...16%, ц/ = 52...62%, ан = 0,80...0,97 МДж/м2 и соответствовали серийной стали 20ХГНМТА (ат> 1200 МПа; ств > 1270 МПа; ан > 0,78 МДж/м2).

Таблица 1.

Химический состав исследуемых сталей_

Марка стали Содержание химических элементов, %

и сл с ся (X и. о 2 3 и < н о 2 оэ 2 с 2 О ев и

18ХГР (пл. 32454) ю о" "Л, сГ ю 0,027 0,013 гч о" 0,029 0,0019 0,082 0,0022 0,012 0,025 0,005 0,0016 0,0015

18ХГР (пл. 22086) о" 00 с? С-4 ГЧ (N1 о о 0,016 <ч ю ГЧ о" 00 о о" 0,027 0,0013 0,079 0,0018 0,012 0,025 0,005 0,0012 0,0016

20ХГНМТА (пл. 31077) о о" ю <ч о" о" 0,023 0,007 •ч-"Я. о гп оо о" о" 1 О 0,212 0,0004 0,006 ■ 1 • 1

20ХГНМТА (пл. 41506) во о" о" \о оо о" 0,029 0,009 оо о" ю оо сГ V© <з о" 1 0,050 ГЧ о" 0,0004 0,006 • 1 ■

Сталь 18ХГР имеет более узкую полосу прокаливаемости (рис.1), что достигается специальным ограничением химических элементов и соблюдением их суммарного содержания.

Исследованиями ряда цементуемых легированных сталей выявлено их различие в склонности роста зерна при нагреве (рис. 2), свидетельствующими о сохранении наследственно мелкозернистой структуры боросодержащей стали 18ХГР при нагревах до 950°С, что на 50...80°С превышает температурный порог роста зерна широко применяемых в

автомобилестроении сталей. Это объясняется микролегированием стали 18ХГР алюминием и азотом. Для сталей марок 20Х2Н4А и 12ХНЗА увеличение размера зерна наблюдается при 880°С и 900°С соответственно. В сталях 15ХГН2ТА и 20ХГНМТА, легированных тугоплавкими элементами, такими как молибден и титан, рост зерна происходит при более высокой температуре, а именно 910.. .925° С.

о 10 20 30 «0 50 60

Рис. 1. Полосы прокаливаемости стали 20ХГНМТА (а) и 18ХГР (б).

Температура, "С

Рис. 2. Температурная зависимость роста зерна в исследуемых сталях.

Термическая обработка поковок исследуемой стали основывалась на получении феррито-перлитной структуры и твердости в пределах 140...180 НВ, учитывала колебание химического состава, присутствие наследуемой от металлургического производства химической и структурной неоднородности. Способ включал в себя аустенитизацию при 930°С, ускоренное охлаждение до 680.. ,640°С с последующей изотермической выдержкой со ступенчатым понижением температуры в интервале 680...620°С.

Результаты исследования микроструктуры поковок, прошедших изотермический отжиг по предложенному варианту, показали стабильное формирование структурного состояния и свойств (табл. 2).

Таблица 2

Мик] роструктура деталей после изотермического отжига.

Плавка стали Балл зерна, балл Полосчатость, балл Твердость, НВ Микроструктура

Плавка 22086 (18ХГР) 1...9 1 163 Феррит + Перлит сорбитообразн + Перлит пластинч

Плавка 32454 (18ХГР) 1...9 1 163 Феррит + Перлит сорбитообразн + Перлит пластин.,

Плавка 41506 (20ХГНМТА) 1...9 1 163 Феррит + Перлит сорбитообразн + Перлит пластинч

Технология химико-термической обработки. Химико-термическая обработка проводилась на механизированной линии камерных печей ф. «Ипсен» и предусматривала предварительный нагрев и последующую выдержку, цементацию и высокотемпературную цементацию со ступенчатым режимом насыщения, закалку в горячее масло и низкотемпературный отпуск.

Насыщение углеродом проводилось с регулированием различных значений углеродного потенциала атмосферы по зонам печи с помощью компьютерной программы СагЬ-о-Рго!", адаптированной к цементации деталей из стали 18ХГР в части углеродного потенциала и температурно-временных параметров (рис. 3).

Результаты металлографического исследования качества химико-термической обработки деталей из стали 18ХГР приведены в таблице 3.

Установлено, что эффективная глубина цементованного слоя находится в пределах значений 0,7...0,9 мм (рис. 4).

По результатам оценки зеренной структуры закаленного цементованного слоя деталей путем количественной оценки серии изображений с использованием программно-аппаратного комплекса стабильно наблюдается мелкозернистая структура. В качестве травителя использовали 100 мл. водного раствора пикриновой кислоты, 2 мл. 37% НС1 и 15 мл. алкилсульфоната натрия.

Наилучшие результаты по структуре и свойствам поверхности и сердцевины достигнуты на деталях, прошедших цементацию по схеме: 0,2...0,6% - на этапе нагрева, 1,15% - на этапе насыщения и 0,85% - на этапе подстуживания при температурах 930°С, 930°С и 850°С соответственно.

Такая технология обеспечивает стабильные показатели зеренной структуры упрочненного слоя, обеспечивающие высокие усталостные характеристики деталей. В случае склонности стали к росту зерна и получению разнозернистости этот показатель свойств (сопротивление усталости при изгибе и кручении) снижается на 25...40%, что подтверждается результатами исследований (рис. 8 и 9).

3,2 3,4 4 Время процесса, час

б 6,2 6,6

9

^ 850 О.

Ф 925

Режим 2

Время процесса, час

Режим 3

О 0,9 1 1,2 1,8 2

4 £ 6 6,2 7 3 8.7 9

Время процесса, час

0.1 £

Рис. 3. Схемы известных (1 и 2) и разработанного (3) способов насыщения углеродом при химико-термической обработке цементуемых

сталей.

С целью сокращения длительности процесса насыщения проведены исследования путем выполнения газовой цементации при 930°, 980° и 1050°С на одинаковую глубину эффективного цементованного слоя. По результатам металлографических исследований выявлена зеренная структура, убедительно

свидетельствующая о ее связи с температурой цементационного нагрева стали.

Таблица 3.

_Результаты исследования качества ХТО стали 18ХГР_

№ режима (рис. 3) с П083 % Твердость поверхности, НЯС Прочность сердцевины, МПа Зернистость, балл (Рис. 5) Микроструктура (Рис. 6)

1 0,65 57 1095 6 и мельче М -55%, Аост -45%, трооститная полоса - 0,022 мм

2 0,71 59 1060 5 и мельче М - 70%, Аост -30%, трооститная полоса - 0,023 мм

3 0,75 61 1085 6 и мельче М - 85%, А ост -15%, трооститная полоса - 0,007 мм

Рис. 4. Кривые распределения твердости по НУ0,5 в упрочненном слое шестерен. Режимы обработки - см. рис. 3.

1.........../-

Контрольная

Рис. 5. Микроструктура упрочненного слоя деталей, обработанных по режимам №1 (а), №2 (б) и №3 (в).

Рис. 6. Зернистость упрочненного слоя деталей, обработанных по режимам №1 (а), №2 (б) и №3 (в).

При этих исследованиях применялись следующие определения:

- мелкозернистая структура: все зерна должны соответствовать 5 баллу и мельче;

- смешанная структура: все структуры, не соответствующие определению «мелкозернистая структура» и содержащие зерна 3...4 балла в количестве до 10%;

- крупнозернистая структура: структуры, содержащие зерна 3...4 балла и крупнее в количестве более 10%_

"Т"

а) • . ' "■' £ ' 1 : I ; г

. * ' щ

~7"

1 : I « ¡ЙР

!,'' \ „ '"• /■ . ' ./ ■ 1 ' ш 1 : | * 1

6 № Ж-

V ' ' г - ■. ' / ; Нд ■-• ■ .

1 1 | |б

в & К- «< » *>

Рис. 7. Микроструктура цементованной стали 18ХГР: мелкозернистая (а), слабосмешанная (б), сильносмешанная (в) и распределение зерен по

бальности.

На основе полученных данных установлено, что цементация при 930°С в течение 8 часов сохраняет мелкозернистое строение стали, которое унаследовано сплавом и после завершающей термической обработки деталей (рис. 7а). Цементация при 980°С на протяжении б часов вызвала рост отдельных зерен, что привело к получению разнозернистости стали с наличием зерен от 3 до 12 балла включительно (рис. 76). Высокотемпературная цементация (при 1050°С) в течение 3-х часов позволила существенно повысить скорость насыщения поверхности углеродом, но одновременно способствовала резкому росту зерна. Более 50% зерен по размерам относилась к 4 баллу и крупнее (рис. 7в). При этом степень разнозернистости достигала очень значимой величины - от 0 до 12 балла.

2800 2600 2400 2200 2 2000 г 1800 ; 1600 | 1400

I 1200

!

\

X6.

С. Ч

N V

ч \

\ •Ч ч

--Ч; Р.

¡4 V \

\ \к 1

V

I •

Рис. 8. Влияние размера зерна на сопротивление усталости при испытании на изгиб зубьев шестерен из стали 18ХГР. Размеры зерна - см.

рис. 7.

Число циклов нагрузки

Рис. 9. Влияние размера зерна на сопротивление усталости цементованной стали 18ХГР. Размеры зерна- см. рис. 7.

Несомненно, что прокаливаемость стали служит одним из основных факторов формирования свойств в сердцевине зубьев деталей, которая в свою очередь является одной из основных характеристик, определяющих сопротивление усталости изделиями (табл. 4). Выявлена связь между

14

прокаливаемостью стали и твердостью сердцевины зуба, которая свидетельствует о достижении высокой стойкости изделиями при регламентировании заданного уровня прокаливаемое™ на глубине, сопоставимой с модулем зубчатого колеса (рис. 10).

Таблица 4.

Влияние твердости сердцевины зуба шестерни* из стали 20ХГНМТА

на стойкость при стендовых испытаниях

№ п/п Прокаливаемость, HRC п- 9 Твердость, HRC Стойкость детали, час

Поверхности сердцевины

1 43,5 61,5 44,0 2,55

2 39,0 61,5 36,0 4,10

*3акалка деталей в масло МЗМ-120.

20 25 30 35 40 45 50

Твердость, ИКС

["« Исходное состояние стали ■ Модуль го=5 мм » Модуль т=8.7 мм | Рис. 10. Связь прокаливаемое™ стали с прочностью сердцевины зубьев

разномодульных зубчатых деталей. Рекомендовано оценивать и регламентировать прокаливаемость стали 18ХГР, предназначенной для изготовления среднемодульных тяжелонагруженных зубчатых колес, на расстоянии 5, 10, 25 и 50 мм от торца стандартного образца.

В четвертой главе представлены результаты исследований по изысканию скрытых резервов материала путем дополнительной упрочняющей обработки методом поверхностно-пластической деформации -наклепом дробью.

Отмечается вклад исследователей в данном направлении М.М. Саверина, Альмена, И.В. Кудрявцева, И.М. Шашина, H.A. Карасева, Г.М. Рыбакова, P.E. Глинера и других отечественных и зарубежных ученых. Многочисленные эксперименты и заводская практика доказали высокую эффективность упрочнения дробью разнообразных деталей, изготовленных из черных и цветных металлов. Особенно эффективно применение

деформационного упрочнения дробью сказалось на деталях с поверхностными концентраторами напряжений и с обезуглероженной поверхностью, работающих при циклических нагрузках.

Для определения рациональных параметров упрочнения поверхности деталей исследовалось влияние размера и состава дроби, скорости потока, угла атаки на величину напряженного состояния поверхностного слоя и зоны, расположенной на глубине 20цм и 50цм. В работе использована дробь диаметром 0,45... 1,0 мм и твердостью 610...670 HV1, скорость потока дроби составляла 150 м/с, угол атаки 60...90°. Установлено, что максимальный уровень сжимающих напряжений на поверхности цементованных деталей достигается при использовании дроби с номинальным диаметром 0,6 мм, и угле атаки в 90°.

Создать сжимающие напряжения на глубине 20 цм не менее 600 Н/мм2 возможно при использовании рабочей смеси, в которой стальная дробь диаметром 0,45...0,60 мм (610...670 HV1) занимает 98% от общего объема (рис. 11). Применение отработавшей смеси, в которой содержание дроби того же размера составляло ~ 52% от общего объема, снижает значение сжимающих напряжений на 250...300 МПа на глубине 20цм.

Для наиболее опасных зон зубчатых колес (галтели) необходимо учитывать радиус скруглений у основания зуба и диаметр дроби, который обеспечивает уровень сжимающих напряжений в 600... 1000 МПа и удовлетворительную чистоту. Исследованиями установлено, что рабочая смесь должна иметь фракционный состав, отвечающей формуле:

D

R.

дробь

где Вдробь- номинальный диаметр дроби; Яосн - радиус скруглений у основания зуба детали.

Е -аоо S

По ширине зуба шестерни

По высоте зуба шестерни

Расстояние от поверхности, ы

Расстояние отповерхмости, hw

Рис. 11. Уровень напряжений сжатия в поверхностном слое цементованной детали после дробенаклепа свежей (а) и отработавшей (б)

смесью.

Обязательными требованиями для тяжелонагруженных зубчатых колес являются высокая точность зацепления (пятно контакта), что в большинстве случаев достигается шлифованием цементованных деталей после дробенаклепа рабочей поверхности зуба. Однако наблюдаются случаи

16

негативного воздействия этой операции на потребительские свойства изделий. Это объясняется образованием прижогов и микротрещин, вызывающих растягивающие напряжения.

В работе предложена методика выявления шлифовальных прижогов. Контроль на наличие прижогов производился путем визуальной оценки натурных деталей после специальной процедуры травления. Процесс заключается в последовательном окунании в специальные емкости (ванны) с целью промывки, обезжиривания и травления. Шестерни помещали в раствор, содержащий спирт и азотную кислоту концентрации 52% с соотношением 94% и 6% от общего объема соответственно, далее проводили отбеливание в растворе спирта (90%) и соляной кислоты (10%) с последующей нейтрализацией в гидроксиде натрия (№ОН).

В пятой главе приведены результаты внедрения стали 18ХГР и технологий упрочняющей обработки для тяжелонагруженных зубчатых колес коробок передач и заднего моста грузовых автомобилей.

Представлены усовершенствованные технологии газовой цементации и дробенаклепа для реализации на действующем оборудовании в ТГП Завода двигателей ОАО «КАМАЗ».

Предложены методики для оценки качества металлопроката и качества металла в упрочненном слое и сердцевине закаленных цементованных зубчатых колес и контроля на наличие прижогов на цементованных поверхностях деталей после финишной операции шлифования.

Приведены результаты испытаний на изгибную циклическую долговечность главных передач (65115-24\2502011-б0) с шестернями из стали 18ХГР, обработанные по предложенным технологиям, и свидетельствующие, что их ресурс в 1,5...3 раза превышает нормативно установленный.

Основные выводы и результаты работы

1. На основе анализа литературных данных и опыта отечественных и зарубежных машиностроительных предприятий установлено, что для обеспечения высоких эксплуатационных, технических и экономических показателей предпочтение отдается микролегированным боросодержащим сталям для изготовления тяжелонагруженных зубчатых колес грузовых автомобилей.

2. Установлена температурная зависимость роста зерна в цементуемых легированных сталях 15ХГН2ТА, 20ХГНМТА, 12ХНЗА, 20Х2Н4А и 18ХГР, свидетельствующая о сохранении наследственно мелкозернистой структуры боросодержащей микролегированной стали при нагревах до 950 С, что на 50.. .80°С превышает температурный порог роста зерна широко применяемых в автомобилестроении сталей. Сталь 18ХГР внедрена в производство.

3. Разработана технология химико-термической обработки среднемодульных зубчатых колес из стали 18ХГР, заключающаяся в регулировании углеродного потенциала насыщающей атмосферы со

ступенчатым его изменением по схеме: 0,2...0,6% - на этапе нагрева, 1,15% г на этапе насыщения и 0,85% - на этапе подстуживания при температурах 930 С, 930 С и 850°С соответственно, которая внедрена и обеспечивает стабильность в формировании бездефектной структуры упрочненного слоя и сердцевины.

4. Усовершенствована и внедрена методика выявления зеренной структуры упрочненного цементованного слоя и сердцевины зубчатых деталей с использованием специального травителя и программно-аппаратного комплекса. Предложена и внедрена методика контроля качества поверхности закаленных цементованных деталей после финишных операций, направленная на выявление недопустимых прижогов, вызывающих образование растягивающих напряжений.

5. Установлена связь между прочностными свойствами деталей и зернистостью упрочненного цементованного слоя стали 18ХГР. Сильно смешанная (1...12 балл зерна) структура снижает значение сопротивления усталости на изгиб и кручение цементованной детали на 25% и 40% соответственно по отношению к сталям с размером зерна не крупнее 5 балла.

6. По результатам исследований 274 плавок стали, предназначенной для изготовления среднемодульных шестерен, выявлена связь между прокаливаемостью сталей и твердостью сердцевины зуба закаленных в масло цементованных зубчатых колес. Высокая стойкость изделиями достигается при регламентировании заданного уровня прокаливаемое™ на глубине, сопоставимой с модулем зубчатого колеса.

7. В развитие теории наклепа поверхности при ППД выявлено, что сжимающие напряжения на уровне 600... 1000 МПа в наиболее опасных сечениях зубьев шестерен достигаются при применении высокопрочной стальной дроби с размером, учитывающим радиус скруглений у основания зуба. Технология дробенаклепа внедрена в производство.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

Научные статьи, опубликованные в .журналах, рекомендованных ВАК:

1. Калимуллин, P.P. Температурная зависимость структуры и свойств боросодержащей цементованной стали / Астащенко В.И., Калимуллин P.P. // Технология металлов-2010. -№4. -С. 15-19.

2. Калимуллин, P.P. Критерии оценки состояния металла зубчатых колес после химико-термической обработки / Астащенко Т.В., Калимуллин P.P., Родькин И.М., Швеев А.И. // Автомобильная промышленность. - 2010. - №6. - С. 33-36.

3. Калимуллин, P.P. Свойства поверхности деталей после дробеструйной обработки / Астащенко В.И., Калимуллин P.P., Садриев Р.Ш. // Технология металлов -2011. - №8.-С. 36-40.

Научные статьи и материалы докладов:

4. Калимуллин, P.P. Свойства применяемых сталей для зубчатых колес / Астащенко Т.В., Калимуллин P.P., Родькин И.М., Садриев Р.Ш. // Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник. - №13. - Наб Челны, ИНЭКА, 2009. - С. 71-76.

5. Калимуллин, P.P. Новые экономнолегированные стали / Абдрахманов Р.Н., Западнова H.H., Калимуллин P.P., Соловейчик С.С. // Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник. - №13. - Наб. Челны, ИНЭКА, 2009. - С. 116-118.

6. Калимуллин, P.P. Высокопрочная цементуемая боросодержащая сталь / Астащенко В.И., Калимуллин P.P., Садриев Р.Ш. // Сборник материалов международной научно-технической конференции молодых ученых: Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности. - Могилев, БРУ, 2009. -С. 45-46.

7. Калимуллин, P.P. Критерии оценки качества зубчатых колес после цементации / Астащенко В.И., Калимуллин P.P., Родькин И.М. // Сборник материалов международной научно-технической конференции молодых ученых: Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности. - Могилев, БРУ, 2009. -С. 46-47.

8. Калимуллин, P.P. Экономнолегированная сталь для зубчатых колес / Астащенко В.И., Астащенко Т.В., Калимуллин P.P. // Сборник материалов международной конференции: 20-я Уральская школа металловедов-термистов. Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов. - Пермь, ПГТУ, 2010.-С. 6.

9. Калимуллин, P.P. К вопросу о показателях оценки качества металла зубчатых колес после цементации / Астащенко Т.В., Калимуллин P.P., Садриев Р.Ш. // Сборник материалов международной конференции: 20-я Уральская школа металловедов-термистов. Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов. - Пермь, ПГТУ, 2010. - С. 7.

10. Калимуллин, P.P. Стали для тяжелонагруженных зубчатых колес / Абдрахманов Р.Н., Калимуллин P.P., Садриев Р.Ш. // Сборник материалов международной научно-технической конференции: Образование и наука -производству. - Наб. Челны, ИНЭКА, 2010. - С. 171-1 74.

11. Калимуллин, P.P. Материаловедческие критерии оценки надежности металла цементуемых деталей машин / Астащенко Т.В., Калимуллин P.P., Родькин И.М., Садриев Р.Ш., Швссв А.И. // Международный сборник научных трудов: Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - № 40. - Донецк, ДонГТУ, 2010. - С. 8-14.

12. Калимуллин, P.P. Инженерия поверхности цементованных деталей после дробеструйной обработки / Астащенко В.И., Калимуллин P.P., Швеев А.И., Швеева Т.В. // Международный сборник научных трудов: Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - №? 42. - Донецк, ДонГТУ, 2011. - С. 27-32.

Соискатель

P.P. Калимуллин

Подписано в печать 21.11.11 г. Формат 60x84/8 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч.-изд.л. 1,2 Усл.-печ.л. 1,2 Тираж 100 экз.

Заказ 2142 Издательско-полиграфический центр Камской государственной инженерно-экономической академии

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

6. выводы

Проведенные испытания и последующее металлографическое исследование шестерен опытных главных передач заднего моста показали, что разрушение зубьев - усталостное, и произошло по галтели зуба. Очаги разрушения расположены на поверхности галтели по рискам от механической обработки.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изгибная циклическая долговечность опытных главных передач заднего ведущего моста, изд. 65115-2402011-60, с шестернями, изготовленными из стали 18ХГР, удовлетворительная.

Выписка из действующих технических условий ТУ 14-1-5561-2008 «Прокат сортовой из стали марки 18ХГР, предназначенной для изготовления шестерен и валов автомобилей».

Разработано: ОАО «ОЭМК». Согласовано: ОАО «КАМАЗ». Утверждено: ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»

Настоящие технические условия распространяются на сортовой прокат из легированной стали марки 18ХГР в прутках, производимый на ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат» и предназначенный для изготовления шестерен и валов автомобилей методом горячей штамповки.

Технические требования

1. Прутки должны соответствовать требованиям настоящих условий и производиться по технологической документации, утвержденной предприятием-изготовителем.

2. Химический состав стали.

Химический состав стали марки 18ХГР по ковшевой пробе должен соответствовать требованиям таблицы 1.

3. Качество поверхности прутков должно соответствовать группе 1 или 2 по ГОСТ 4543.

4. Прутки поставляют с гарантией осадки в горячем состоянии до 1/3 первоначальной высоты образца.

5. Требования к концам прутков - по ГОСТ 4543.

6. Прокат диаметром от 80 до 140 мм поставляют в термически обработанном состоянии по режимам предприятия-изготовителя.

Химический состав стали марки 18ХГР по ковшевой пробе. Массовая доля элементов, %

С 81 Мп Сг А1 В 8 Р N1 Си Мо П Са О не более

0,14-0,20 0,15-0,40 1,10-1,35 1,10-1,35 0,020-0,050 0,001-0,003 0,020-0,035 0,25 0,15-0,30 0,15 0,04-0,12 0,005 0,0004-0,003 0,0025