автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и освоение новых сплавов, технологии поверхностного упрочнения деталей легковых автомобилей при массовом производстве

'5 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ И«.А.А. БАЙКОВА

На правах рукописи

Кандидат технических наук ТИХОНОВ Аркадий Константинович

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ НОВЫХ СПЛАВОВ, ТЕХНОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ ПРИ МАССОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ.

Специальность 05.16.01 "Металловедение и термическая обработка

металлов".

|иссертация в форме научного донладо но соисноние ученой степени доктора технических наук.

Москва 1995г.

Работа выполнено но металлов" Тольяттинского

кафедре "Металловедения и технологии политехнического института и АО АвтоВАЗ

Официальные оппоненты:

Доктор технических ноун, профессор Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, профессор

Ю.М.Лохтин В.И.Зикеев Б.К.Ушаков

Ведущая организация АО КамАЗ

Защита диссертации состоится "а^урЛР 1995г. в 14°°часов на заседании специализированного совета Д 003.15.03 при институте металлургии им. А.А.Байкова РАН по адресу: 117334, Москва, Ленинский проспект, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института им.А.А.Бойково.

Диссертация в форме научного доклада разослана 1&^у1995г.

Отзывы на диссертацию направлять по адресу: Институт металлургии им. А.А.БаЙкова.

Ученый секретарь специализированного _ _

совета, доктор технических наук В.У.Блинов

Обцая характеристика работы

Актуальность роботы. В диссертации обобщены результоты теоретических и экспериментальных исследований по созданию сквозной высокой технологичности промышленной технологии изготовления деталей двигателя и трансмиссии автомобиля но бозе термической и химико-термической обработки, а такие по разработке и внедрению новых эко-номнолегированных и микролегированных сталей и чугунов.

Настоящая диссертация является обобщением комплекса работ, выполненных лично автором с его творческим участием за период 19681993гг. на Волмсном объединении по производству леговых автомобилей при организации серийного производства автомобилей "Жигули", "Нива", "Ока", "Самара".

Высокие требования к изготовлению автомобиля в условиях супермассового производства, повышения его конкурентоспособности но мировом рынке, уменьшение число рекламаций и снижение трудоемкости, металлоемкости требуют постоянного совершенствования сплавов из которых изготавливаются базовые детали автомобиля и их термической и химико-термической обработки, как основной гарантии надежности и долговечности деталей.

Одной из таких проблем являлось наличие рекламаций, относящихся к качеству трущейся пары "кулачковый вол - рычаг привода клапана двигателя". Для ее решения потребовалось создание специально новых технологических процессов и материалов, исключающих такие рекламации. Однако, основной проблеме и решению которой посвящен настоящий доклад, является создание технологических процессов химико-термической обработки с автоматическим регулированием углеродного потенциала в автоматических линиях, обеспечивающих получение необходимой глубины, твердости и структуры диффузионного слоя на зубчатых передачах и других ответственных деталях автомобиля.

Удовлетворение указанных требований обусловило разработку и создание новых мелкозернистых экономнолегированных и микролегированных сталей, обеспечивающих стабильную величину деформации при химико-термической обработке, улучшение условий резани я, а также улучшение вязкости сталей с целью перехода от технологии резания и пластической деформации. Все это привело также к уменьшению шума в процессе эксплуатации автомобиля.

- ? -

Исключение энергоемкой операции термоулучшения заготовок после кузнечной обработки. Для этого потребовалось разработка микролегированной столп, процесса контролируемой ковки и создание комплексно^ технологии изготовления деталей, исключающей зокалку с высоким отпуском и получение требуемых механических характеристик после кузнечного штампа.

Это уход от хпомоникелевых и среднеуглеродистых сталей "се-лект" при изготовлении крепежных деталей методом холодной высадки. Поэтому возникло необходимость создания серии бористых сталей и технология изготовления болтов класса прочности до ЮОО Н/мм2.

Цель работы. Теоретическое обобщение, создание и промышленное внесение технологии тепмической и химико-термической обработки деталей автомобиля с регулированием углеродного потенциала атмосферы эндогенераторов и печей, разработка новых экономнолегированных, микролегированных сталей повышение пластичности с улучшенной обрабатываемостью резанием, разработка процессов контролируемой новки ряда деталей. О/ним из ванных аспектов выполненных исследований явилась реализация экологичесни чистой малозатратной технологии изготовления деталей для супермассового производства.

Научная новизно. Предложено объяснение мехонизмо росто норбо-нитридного слоя в зависимости от пористости при газовом и жидкостном азотировании. Появление пор при газовом азотировании, имеющих характер "сыпи" объясняется наличием окислов, ускоряющих формирование слоя. Показано, что в цианистых ваннах пористость замедляет формирование карбонитридного слоя, что связано с присутствием в ванне свободного углерода п виде гранита, который откладывается на поверхности металла.

Установлен эффект замедления роста зоны внутреннего озотирова-ния в высокопрочном чугуне по сравнению со сталью, что связывается с поглощением включениями грайита диффундирующих отомов углерода и адсорбцией азота на поверхности этих включений.

Установлено, что шелушение карбонитридного слоя в процессе трения возрастает с увеличением в его составе содержания азота и образованием высокоазотной фазы .

Установлено, что наличие оксидных пленок на поверхности рыча-

гов или в приповерхностных облостях карбонитридного слоя, полученных оксидированием в экзогазе предотвращает образование дефекта "глубинное шелушение" и повышает износостойкость в процессе трения; показано, что сами по себе оксиды являясь более мягкими, чем карбо-нитриды, выступают в роли твердой смазни, а будучи более пористыми, являются аккумуляторами смазочного материала, облегчая приработку трущихся пар.

Установлено влияние химического состава и структуры чугуна с вермикулярным графитом на образование пор в процессе оплавления поверхности кулачков неплавящимся электродом, а также на образование сплошного отбеленного слоя. .

Теоретически обоснована и практически реализована необходимость внепечной обработки ферросилицием, феррованадием, ферронио-бием, алюминием, серой и силикокальцием при выплавке легированных сталей АЦ16ХГ, АЦ20ХГНМ, АЦ20ХГФ, АЦ40ХГНМ, АЦ40ХГФБ, АЦ35ХГФ, АЦ40Х с целью измельчения зерна, улучшения обрабатываемости резанием и стабилизации деформации при закалке.

Теоретически обоснована и практически реализована возможность использования не содержащих никеля и молибдена микролегированной стали АЦ20ХГФ, обеспечивающей высокую степень пластичности, необходимую для изготовления мелкомодульных шестерен коробка перемены передач (КПП), раздаточная коробка (РК), редуктор зоднего моста (РЗМ) методом пластической деформации.

Разработана серия микролегированных сталей улучшенной обрабатываемости, пригодных для контролируемой-ковки, исключающей необходимость проведения улучшения после ковни.

Исследована серия бористых сталей, использованных взамен ни-кельхромомолибденовых сталей, нак материал для крепежных деталей, изготавливаемых методом холодной высадки.

Определены концентрации углеродо и азота, обеспечивающие по-, лучение оптимальной структуры нитроцементованного слоя на деталях из сталей 19ХГН и 20ХГНМ, АЦ20ХГФ. Построены кривые зависимости прочности зуба шестерен из стали АЦ20ХГНМ, АЦ20ХГФ от режимов нит-роцементации.

Выполнена оценка влияния оксидной пленки на скорость формирования нитроцементованного слоя.

\

Показано, что в газообразном состоянии азот в большей степени повышает активность углерода, чем углерод активность азота. Теоретически показано и практически подтверждено, что азот способствует более значительному науглероживанию при наличии оксидов на поверхности деталей при нитроцементации, а углерод, напротив, вызывает снижение концентрации озота на такой поверхности. Этот эффект связывается с образованием аустенита вследствие растворения азота в нитроцементованном слое при более низкой температуре.

Теоретически и экспериментально подтверждено, что формируемая в процессе выплавки и разливки мелкозернистая макро- и микроструктура металла является основным фактором, обеспечивающим высокую технологичность в процессе изготовления деталей в машиностроительном комплексе, бесшумность и долговечность работы механических узлов.

При исследовании структуры и состава металла были использованы современные минроскопы "Лоливар", рентгеновский микроанализатор "Комебакс", анализатор макроизобратений "Квантимет-720", спектрометры "АРЛ". Испытания зуба шестерен проводилось по методу "Брюге". Испытания на долговечность проводили на стендах по соответствующей мировым стандартом методике 17.11 Л13.93-ВАЗ-ФИАТ.

Практическая ценность. Разработаны и внедрены в массовом производстве но АвтоВАЗе, а тонже других заводах упомянутых ниже:

- технология кратковременного низкотемпературного газового азотирования в среде экзогаза и аммиака для деталей из высокопрочного чугуна и легированных сталей.

- технология выплавки распределительного вала из чугуна с вермикулярным графитом и технология оплавления рабочих поверхностей кулачков неплавящимся вольфрамовым электродом с целью получения отбеленного слоя высокой износостойкости.

- технология высокотемпературной нитроцементации на автоматических линиях в среде зндогаза с 20?! Нг и автоматическим регулированием углеродного потенциало кислородными датчиками (АвтоВАЗ и КамАЗ).

- технология восстановления распределительного вола и рычагов привода клапана с последующим газовым азотированием: (Тольятти завод гаражного оборудования, в гг.Самарканде, Симферополе - САЦ, а также Горно-Оряхавице в Болгарии).

- сталь 20ХГНМ i 80 производства Белорусского металлургического завода с ограничением по верхнему и нижнему пределу содержания алюминия и серн с целью улучшения обрабатываемости и снижения деформаций при закалке.

- сталь АЦ2ОXГФ с высокой пластичностью хорошей обрабатывав -мостью резанием и минимальными деформациями при заколке.

- стали АЦ35ХГФ и АЦ40ХГФБ, применяемые для контролируемой ковки деталей: шатун, растяжки, шлицованый конец и др.

- серия бористых сталей типа 20Г2Р, ЗОПР для крепежных деталей класса прочности 800-1000 Н/мм2.

Выполненные разработки защищены авторскими свидетельствами, патентами на изобретения и проданными за рубеж лицензиями.

Внедрение результатов разработок и продажа лицензий доли экономический эффект более 800 млн.рублей.

Апробация работы. Основные материалы доложены и обсуждены на Всесоюзных конференциях по металловедению и термической обработке металлов ( Ереван J968r., Ташкент 1972г., Минск 1974г., Киев 1976г. Минск 1975г., Запорожье 1977г., Саратов 1978г., Тольятти 1979г., 1986г., Вильнюс 1982г, Пенза 1984г., Ш0г., 1993г., Телави 1987г., Махачкала 1989г., Новокузнецк 1991г.), на семинарах: "Новые стали и их термическая обпаботко" (Москва, МАДИ 1976г., Т982г.; Самора 1989г., 1991г.; Москва ИМЕТ АН СССР им. Байкова 1991г.) но международном конгрессе по термической обработке (г.Дрезден, 1976г); на 1У международном конгрессе по термообработке и материалам (г.Чикаго США 1988г); на международном семинаре "Автостали" (Москва ЦНИИчермет 1988г.); на УП международном конгрессе по термической обработке материалов (Москва 1990г); на П международном конгрессе по термической обработке (г.Дуйсбург ФРГ 1993г); на международном конгрессе по новым материалам "Востон-Зопод" (г.Санкт-Петербург 1993г.); на международной конференции "Мотауто 93" (г.София, Болгария 1993г).

Публикации. По материалом выполненных исследований опубликовано 46 печатных работ, получено 10 авторских свидетельств и патентов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В супермассовом производстве, которое осуществляет АвтоВАЗ, основными критериями при изготовлении автомобиля является надежность и бесшумность работы всех деталей и узлов, минимальная трудоемкость изготовления этих деталей, что обуславливается применением автоматических линий их производства и дешевизна применяемых материалов. Эти условия обеспечиваются только в случае высокой технологичности металла, выбранного для изготовления деталей по всей технологической цепочке и при обеспечении технологической прочности, определяемой особенностями производства и обработки металла.

Одним из основных узлов в любом двигателе внутреннего сгорания является механизм газораспределения, а именно трущаяся пара "распределительный вал - сопрягаемая деталь". На все автомобильные двигатели, производящиеся в мире, имеются рекламации связанные с недостатками этой поры, в том числе и на двигатели ВАЗа. В связи с тем, что скорости автомобилей значительно увеличились, нагрузки на трущуюся пару резко возросли и традиционные методы упрочнения традиционных материалов уже не могут обеспечивать прочность и долговечность пары. Необходимо было, не изменяя конструкции распределительного вала и сопрягаемой детали, технологическими приемами повысить ее до уровня, удовлетворяющего возросшим нагрузкам.

Появление рекламаций потребовало быстрой разработки технологии, обеспечивающей резкое снижение износа при эксплуатации. На первом этопе заменили процесс цементации рычага привода клапоно на процесс жидкостного азотирования в цианистых ваннох (ЧТС-1 и ЧТС-2). При этом был получен нарбонитридный слой, обладающий в два раза меньшим коэффициентог/ трения, по сравнению с цементованным слоем. Далее цианистые ванны заменили малоцианистыми <ТГ—Т и РЕГ, ЛСГ-Т и мелем), в которых проводили обработку как рычагов, так и чугунных распределительных валов. Однако, при обработке в таких ваннах распределительных валов в глубоких отверстиях оставались соли, что было неприемлемо при механической обработке. На третьем этапе работы были направлены на создание технологии и оборудования для насыщения поверхности деталей углеродом и азотом

в газовой атмосфере, как менее опасной. Такое оборудование и технология были созданы и внедрены. Все эти разработки были осуществлены без изменения материала и обеспечили достаточную "технологическую прочность".

Однако, для распределительного вала указанная выше технология требовала больших трудозатрат. Кроме того возросла ногрузка на кулачок в связи с изменением конструкции двигателя для автомобиля ВАЗ 2108. Необходимость увеличения износостойкости трущихся частей нулачнов распределительного вала потребовало разработки новой технологии упрочнения, основанной на применении метода оплавления их поверхности при нагреве аргонодуговыми горелками с вольфрамовым электродом, которое привело к образованию слоя белого чугуна глубиной 1,0 мм, обеспечивающего высоную степень износостойкости. Однако, при этом распределительный вал, изготовленный из высокопрочного чугуна, не обеспечивал высокого начества, отбеленного слоя, в связи с наличием большого количества пор, обусловленных газонасыщенностью чугуна, получаемого в земляных формах. Проведенные исследования позволили, не изменяя общую технологию литья, создать чугун с вермикулярным графитом, отличающийся малой газонасыщенностью и отсутствием пор в отбеленном слое.

Одновременно совершенствовался и процесс газового азотирования с целью исключения хрупкости, обусловленной ноличием £ - фазы в азотированном слое. Созданная технология, пригодная для применения на существующих печах, обеспечила высоную пластичность азотированного слоя. Таким образом, проблема износостойкости трущейся пары решена не только для действующих двигателей, но и для перспективных.

Учитывая наличие большого количества распределительных валов, получивших износ в результате эксплуатации автомобилей необходимо было создать технологию их ремонта, окончательной операцией которого было газовое азотирование.

При разработке всего указанного выше комплекса технологических процессов был решен целый ряд научных задач.

Проблема химино-термической обработки шестерен всегда сложна. В нашем случае, сложность решения ее заключалось в том, что проектом была предусмотрена не стандартная атмосфера, а атмосфера, со-

держащая 20% Нг, ( то есть в два раза меньше, чем традиционно), трехрядные автоматические линии большой производительности и новые стали 19ХГН и 20ХГНМ. В проекте термического цеха была спрогнозирована комбинированная разводка эндогаза по печам, возможность количественно регулировать подачу атмосферы заданного состава по зонам печи, а также автоматическое регулирование углеродного потенциала атмосферы.

В результате проведенных исследований по отработке технологии нитроцементации были построены кривые, характеризующие равновесия эндогазовой атмосферы с 20% Н,. Была точно регламентирована подача эндогаза, природного газа и аммиака по зонам печи (причем аммиак подавался в конце процесса насыщения, чтобы исключить насыщение азотом в двухфазной области и, тем самым, образование темной составляющей в нитроцементованном слое, наличие которой на 20% понижает усталостную прочность).

С целью ускорения процессов насыщения углеродом и азотом проведены исследования влияния оксидной пленки на последующий процесс диффузии этих элементов при нитроцементации. Показано, что предварительное оксидирование ускоряет процесс формирования нитроцементо-ванного слоя на 30-40%. С учетом этого, была сформирована технологическая цепочка операций нитроцементации, включающая: I- оксидирование; 2- нагрев при низком углеродном потенциале; 3- насыщение поверхности детали углеродом и озотом при высоком углеродном потенциале; 4- стабильный рост диффузионного слоя при среднем потенциале; 5- выравнивание заданной концентрации - автоматически.

Для того, чтобы все ведение технологического процесса осуществлялось при строгом автоматическом регулировании углеродного потенциала атмосферы эндогенератора и печи, была разработана технология быстрого восстановления катализатора в эндогенераторе и атмосферы в печи посредством специальной операции (прожига генератора и печи), а также осуществлен выбор температур закалочных масел для разных групп шестерен с целью стабилизации величины закалочных деформаций.

С целью улучшения обрабатываемости резанием были внедрены лег-кообрабатываемые резанием кальцийсодержащие и легированных серой стали, применение которых не нарушало технологическую цепочку химико-термической обработки.

Из всей номенклатуры шестерен, особое место занимает ведомая шестерня редуктора заднего моста, к которой предъявляются наиболее высокие требования по допустимой величине деформации. На Белорусском металлургическом заводе была создана технология внепечной обработки стали АЦ20ХГНМ алюминием и серой, содержание которых оптимизировано так, что стабилизированы размеры зерна и улучшены условия резания, что в конечном счете, обеспечило хорошую притирку и бесшумность работы главной пары. Из этой стали такие начали изготавливать и другие шестерни.

Сталь 20ХГНМ удовлетворяет требованиям по вышеупомянутым показателям, обеспечивая конструктивную прочность, но содержит дефициты элементов никеля и молибдена, а также недостаточно пластична. По техническому заданию, разработанному автором совместно с Челяб-НИИМ, были проведены исследования, позволившие создать экономно-легированную сталь АЦ20ХГФ, которая после внепечной обработки имеет более высокие пластические свойства при незначительном уменьшении временного сопротивления на разрыв. Применение этой стали позволило в 1,5 раза улучшить условия резания, благодаря тому, что в процессе резания этой стали образуется мелкая легколо-макщаяся стружка. Эта сталь хорошо цементуется, не нарушая общего технологического цикла термообработки.

Была исследована возможность разливки стали АЦ20ХГНМ в кристаллизатор малого размера 140x140, прокатка такой заготовки на $ 50 мм и изготовление из этого профиля шестерен без структурных дефектов и с сохранением хорошей обрабатываемости резанием.

Эти исследования подготовили условия к реализации принципиально новой технологической цепочки.

С целью ликвидации операции улучшения после ковки, необходимых при использовании среднеуглеродистых сталей, по нашему техническому заданию совместно с ИКС ЦНИИчермета была создана серия сталей типа АЦ40ХГФБ (так называемых сталей пригодных для контролируемой ковки). Создание этих сталей дало возможность ппи охлаждении после кузнечного штампа получать механические свойства соответствующие таковым для улучшаемых сталей и, минуя операции закалки и отпуска переходить к обработке резанием.

Применение внепечной обработки стали позволило улучшить условия обработки резанием. Повышенные прочностные свойства этой стали

дали возможность также уменьшить вес шатуна двигателя.

Массовое применение стали 35 "селект", а также 38ХГНМ для широкой номенклатуры болтов класса прочности от 600 до 1000 Н/ммг и трудности с высадкой и термообработкой болтов из этих сталей потребовало переходе на более технологичную сталь. В качестве базовой была выброна бористо? сталь 20Г2Р. Проведенные совместно с ИКС ЦНИИЧ(/ исследования этой стали позволили создать технологию массового изготовления болтов и шпилек и внедрить ее в производство. Характерной деталью, внедренной в производство из стали 20Г2Р можно назвать эксцентричный болт крепления передней подвески. Для болтов нлассо прочности выше 1000 Н/мм! начали внедрять столь 30Г1Р.

Таким образом, был осуществлен комплексный подход к технологии производство стали и изготовлению конкретных деталей, обеспечивающих технологичность изготовления и эксплуатационные качества деталей, лимитировавших надежность и ресурс работы автомобиля.

I. Разработка материалов и оптимизация технологического процесса покерхности упрочнения трущейся пары нула -чок роспое/елительного вола - сопрягаемая деталь.

[Т.?.4ЛП.То.?0.??.25.33.35.40.41.42.45.48.49]

Длительное время слабым звеном в автомобилях ВАЗ была кулач-новая пора - распределительный вал и рычаг привода клапана, работающая в условиях высоких контактных давлений (до 650Н/ммг) температур (до 900°С) и скоростей относительного скольжения (до ви/сен). Распределительный вал изготавливали из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, кулачки подвергали нормализации и индукционной закалке. Рычаги изготавливали из стали I8XH2M с последующей цементацией.

При невысоком качестве моторных масел токая технология упрочнения не обеспечивала требуемой износостойкости рабочей поверхности кулачков и рычагов и они преждевременно изнашивались.

Без изменения конструкции распределительного вала была проведено серия мероприятий, направленных на совершенствование технологии упрочнения деталей пары: внедрение "мягкого" азотирования ры-

чагов взамен цементации, внедрение жидкостного азотирования валов и рычагов в цианатных ваннах, замена стали 18ХН2М сталью 40Х для изготовления рычагов и одновременное внедрение газового азотирования рычагов и валов в проходных печах, внедрение технологии отбела рабочей поверхности кулачков (таб. 1.1).

В результате проведенных мероприятий значительно повысилась износостойкость кулачковой пары и в настоящее время она не является определяющей долговечности двигателя автомобиля.

1.1. Исследование и разработка низкотемпературных процессов насыщения стали азотом и углеродом в цианатных ваннах.

Внедрение "мягкого" азотирования в солях ЧТС-1 и ЧТС-2 значительно повысило долговечность кулачковой пары, однано не устранило главного недостатна процесса - его высоной токсичности. Поэтому дальнейшая работа была направлена на разработку безвредных процессов жидкостного азотирования рычагов, обеспечивающих уже достигнутую долговечность поры.

Опытные процессы жидкостного и, для сравнения, "мягкого" азотирования проводили в цианидных и цианатных ваннах, состав которых был разработан автором.

Исследование зависимости толщины карбонитридного слоя и диффузионной зоны от продолжительности насыщения в расплавах солей показали, что скорость роста карбонитридного слоя в ваннах на основе цианатов выше, чем в ванне мягкого азотирования (рис.1.1).

ж - ЧТС-1 и ЧТС-2 - соли на основе цианидов.

- ТГ-1 - соль на основе цианатов.

- РЕГ-1 - полимер соли фирмы Дегуссо.

- А С Г-1 - соль на основе цианата.

- "Мелем" - полимер - аналог фирмы Легусса.

Диномино изменения технологии изготовления роспредели-тельного вола и рычага привода нлапана

Таблица I.I

МГ-пп

Год внедрения

Мероприятия

!Начало изно-

-!со но стенде,

По распределитель- 1 По рычагу привода! час ному валу_

.'нлапана

I. 1970

2. 1972

3.

4.

7.

8.

ш.

1973

1977

1978 Т979

I9RI

jop?

Т9Р2 1984 1986

Чугун ВЧ-75-50-03, 2-х разовое модифицирование Ферросилицием, закална ТВЧ.

Чугун ВЧ-75-50-03, 2-х разовое модифицирование ферросилицием, закалка ТВЧ.

Чугун ВЧ-65-48-01, одноразовое модифицирование кремнием, закалка ТВЧ.

Чугун ВЧ-65-48-01, одноразовое модифицирование кремнием, закалка ТВЧ.

Чугун ВЧ-65-48-01, одноразовое модифицирование кремнием, заколка ТВЧ.

Чугун ВЧ-65-48-01, одноразовое модифицирование кремнием, зонолка ТВЧ.

Газовое азотирование по способу "Нитрон".

Закалка ТВЧ.

Жидкостное азотирование в солях А С Г-1 и "Мелей".

Чугун ВЧ-45-48-01 , отбел рабочей поверхности.

Чугун ВГ-40-1, отбел робочей поверхности .

Сталь 18ХН2М,цемен- 1,0 тация, 63 HRc.

Жидкостное азотирование в„,солях ЧТС-1 10-15 и ЧТС-2 .

Жидкостное азотиро- 10-15 ванне в солях ЧТС-1 и ЧТС-2.

Жидкостное азотиро- 10-15 вание вшсолях TF-I

ж

и РЕГ-1

Жидкостное азотиро- 10-15 вание в солях TF-I и "Мелем".

Жидкостное азотиро- 10-15 вание в солях АСГ-11* и "Мелем".

Жидкостное азотиро- 43 вание в солях АСГ-1 и "Мелем".

Сталь АЦ40Х Жидкост- 10-15 ное азотирование.

Столь АЦ40Х Жидкост- 43 ное азотирование.

Сталь АЦ40Х, газовое 55 азотирование.

Сталь АЦ40Х, газовое 55 азотирование.

6

Рис. 1.1. Скорость роста карбонитридной зоны (столь 18ХН2М) в зависимости от состово ванны: I - цианатная, 2 -цианидноя.

Анализ микроструктуры карбонитридных слоев показал наличие в них значительной пористости после обработки в циани/ной ванне более 3-х часов. При насыщении поверхности деталей углеродом и азотом р ципнотной ванне появление пористости в образующемся корбо-нитридном слое происходит при выдержке в течение 10-15 часов, однако, эта пористость точечная, охватывает всего лишь поверхностную область нарбонитридного слоя толщиной до 4 мнм и не снижает его твердость. При более длительных выдержках рост пористости сопровождается снижением поверхностной твердости и износостойкости образцов. Таким образом, максимально допустимая продолжительность выдержки в цианотных ваннах составляет 1,5 чосо.

Исследование влияния на структуру поверхностных слоев температуры процесса карбонитрирования в интервале температур 550-580°С

показоло, что с понижением температуры толщина карбонитридного слоя и диффузионной зоны уменьшаются. При этом фазовый состав и твердость поверхностных слоев практически не изменяется. Зто свидетельствует о том, что процесс жидкостного карбонитрирования (насыщение в цианатных ваннах) необходимо проводить при 570-580°С. Дальнейшее повышение температуры нецелесообразно из-за увеличения содержания цианидов в ванне.

Стендовые испытания показали, что долговечность рычагов привода клапана, обработанных в цианатных ваннах не ниже долговечности рычагов после "мягкого азотирования" (таб. 1.1.).

1.2. Исследование и разработка низкотемпературных газовых процессов.

Низкотемпературное азотирование в росплавох цианосодержащих солей имеет ряд недостатков: необходимость поддержания высокого уровня техники безопасности, необходимость в специальных площадях и оборудовании, отсутствие возможности автоматизации процесса и другие.

Поэтому актуальной явилась задача разработки новых безвредных процессов, одним из которых является кратковременное газовое азотирование в смеси аммиака и экзогаза.

Для проведения газового азотирования поверхностей стальных и чугунных изделий автором совместно с фирмой "Айхелин" (Австрия) было разработона овтомотичесноя линия с тремя последовательно расположенными проходными камирами, с автоматически закрывающимися внутренними заслонками и с индивидуальной камерой охлаждения в защитной атмосфере или в боке с закалочным маслом.

Газовому азотированию подвергали обе детали кулачковой пары -распределительный вал, изготовленный из высокопрочного чугуна марки ВЧ 65-48-01 и рычаг привода клапона из стали марни АЦ40Х.

Замена материала рычага привода клапана (столь АЦ40Х вместо стали 18ХН2М) была про ведено с целью повышения исходного содержания углерода в стали и, как следствие, е карбонитридном слое. Установлено, что с увеличением содержания углерода в упрочненном слое до значений, не ниже 0,4% повышаются пластичность фазы и тол-

щинс диффузионной зоны, что оказывоет положительное влияние но прироботну деталей в процессе трения и повышает износостойкость пары.

Установлено также, что содержание углерода в слое в значительной степени зависит от влажности экзогаза, повышение которой приводит к снижению доли углерода в £ - фазе и, нак следствие, к снижению ее износостойкости. Так, например, изменение точки росы экзогаза от +20 до 0°С, приводит к колебаниям содержания углерода в £ - фазе от 0,2 до 0,6?!.

В результате этих исследований было разработана технология низкотемпературного карбонитрирования, состоящая из подогрева при 380°С в течение I часа, нагрева и выдержки при 570-5804 в смеси аммиоко и экзогаза с соотношением их объемов 1:1 в течение 4 часов для рычага и 1,5-2 часов для распределительных валов. Разработанная технология обеспечивает получение на поверхности деталей кар-бонитридного слоя толщиной 10-12 мкм и зоны внутреннего азотирования толщиной 0,15 (для чугуна) - 0,30 мм (для стали), являющихся оптимальными при испытании пары на износостойкость. Однако, глубина зоны внутреннего азотирования у высокопрочного чугуна была в два раза меньше, чем у стали.

Распределение микротвердости по глубине £ - фазы и диффузионной зоны на чугуне показаны на рис. I.2.I.

КАКОИИТбИаМЫИ слои Нбо ппрофазный слой

11 S 7 5 3 1 О 50 150 250 350

Рис. I.2.I Распределение минротвеодости по глубине азотированного слоя (чугун 84 65-48-01).

1.3. Исследование влияния различных факторов, определяющих насыщение поверхности деталей углеродом и азотом при низких температурах.

Внедрение новых технологических процессов изготовления деталей кулачковой пары позволило значительно повысить износостойкость рычагов и распределительных валов и сократить количество рекламаций, однако, не устранило хорактепного дефекта озотировонной поверхности рычага привода клапана в виде шелушения, с появлением которого износ деталей кулачковой пары увеличивался в 2 раза. Поэтому было исследовано влияние следующих факторов на пластичность слоя:

- снижение азотного потенциала насыщающей среды разбавлением смеси экзогозом до соотношений 1:2, 1:4, 1:6, 1:7 и повышение температуры насыщения до 600-62С°С;

- проведение после азотирования операции "деазотирование", приводящей к уменьшению концентрации азота на поверхности и в результате этого увеличению пластичности карбонитридного слоя.

Установлено, что умеренное разбавление смеси экзогозом (соотношения 1:2, 1:4), снижая величину азотного потенциала, уменьшает концентрацию азота в карбонитридном слое рычагов, увеличивает его пластичность и стойкостные показатели,

Значительное разбавление насыщающей среды (соотношения 1:6 1:7) экзогазом с кислородсодержащими компонентами в его составе (Сог, Нг0) способствует росту кислородного потенциала газовой среды до величины, достаточной для формирования слоя оксидов на поверхности, оназывающего положительное влияние на стойкостные характеристики рычагов при трении.

Впервые показоно, что с повышением температуры азотирования до £00-6?0°С снижается глубина износа рычагов (с 20 до II мкм в среднем), полностью исчезает шелушение нарбонитридного слоя. Происходящее при повышении температуры ускорение диффузионных процессов позволяет сократить время азотирования в два раза.

Дразотируюиук1 пбработку проводили, отключая подачу аммиака и выдерживая садку деталей в атмосфере зкзогаза. Б процессе деазо-тирующей обработки в рабочем пространстве печи обеспечивается не-

прерывное уменьшение содержания аммиака и продуктов его диссоциации и увеличение (вместе с экзогазом) нислородосодержащих компонентов - углекислого газа и паров воды.

В результате этого азотирующая способность газовой среды падает, а окисляющая способность - растет. В упрочненном слое рычагов при этом протекают процессы деазотирования и оксидирования.

В фазовом составе упрочненного слоя присутствуют оксиды железа Ге_уОц и ГеО, которые на микроструктуре упрочненного слоя видны в виде поверхностных, а чаще - подповерхностных пленок толщиной до 1,5 мкм.

Для рычагов с такой структурой характерны высокие стойкостные показатели - шелушение отсутствует, средняя величина глубины износа составляет 8,5 мкм.

Таким образом, рассмотренные технологические факторы, направленные на снижение хрупкости карбонитридного слоя оказывают положительное влияние на процессы трения деталей кулачковой пары.

Анализ уровня и распределения остаточных напряжений I рода по толщине урочненного слоя показал преимущество режимов карбонитрирования с повышенной температурой насыщения и с оксидирующей обработкой в экзогазе за счет роста напряжений сжатия на поверхности и увеличения глубины их залегания.

1.4. Исследование и разработка литейного чугуна для распределительного вале и технологии упрочнения кулачков методой переплава поверхности трения.

Анализ мирового опыта поназывает, что наиболее простым и дешевым способом отбела кулачков является переплав аргано-дуговыми горелками с вольфрамовым электродом. Отбеленный слой на кулачках обеспечивает но/ежную износостойкость пары. Ряд фирм для распределительных валов применяют серый низколегированный чугун с литьем в корпус или кокиль. Но ВАЗе распределительные валы изготавливаются литьем в земляную форму с получением высокопрочного чугуна с торовидным графитом (ВЧШГ). При освоении процессо поверхностного отбела выяснилось, что применение ВЧ1!!Г приводит к снижению производи-

тельности 8 /во раза в связи с необходимостью проведения процессов, приводящих к переводу торовидного графита в твердый раствор. Кроме того, не представляется возможным обеспечивать качество отбеленного слоя из-за образования газовой пористости на поверхности. Поэтому необходимо было создать чугун, который бы не имел недостатков, свойственных чугуну с шаровидным графитом и, в то же время "вписывался" в существующую технологию литья.

В результате проведенного исследования был создан чугун с вермикулярным графитом (ВЧВГ) на базе высокопрочного чугуна. При этом использовано модифицирование применяемыми в технологии обработки чугуна никельмагниевоцериевыми или ферросиликомогниевыми лигатурами. Получен чугун со структурой,состоящей из преимущественно вермикулярной формы графита (шаровидного графита не более 30%, пластинчатого - не более 15%), феррито-перлитной матрицы (Феррита не более 20%), с механическими свойствами (без нормализации): СуВ=?°П Н/ммг;<5= 1% ¡твердость =210-270 НВ и следующим химическим составом: (3,1-3,7)% С; (1,7-2,0)%^' ; (0,3-0,4)% !>'п; до 0,06% Р; до 0,01%,?; (0,2-0,5)% Си ; до 1,0%Ж/; до 0,0?% М^; (0,05-0,12)%//.. На чугун ЧВГ разработаны СТП 37. 101.9671-86. Использование чугуна с вермикулярным графитом обеспечило качество оплавления рабочей поверхности кулачков, исключив образование газовых пор в отбеленном слое, а также улучшение условий резания. Рис.1.4.1.

НУ 700

Рис. 1.4.1 Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя но чугуне РГ 40-01.

600 500 400 300

0 0.20,4 0.60.8

0ТБЕЛ ПЕРЕХОДНАЯ ЗОНА

1.5. Разработка технологического процесса восстановления распределительных волов

На основании анализа существующих методов восстановления изношенных деталей, а также проверенных исследований и испытаний разработан способ восстановления кулачковых валов методом наплавки стальным электродом в среде углекислого газа с последующим шлифованием и азотированием.

Разработанная технология газового карбонитрирования обеспечивает получение на поверхности кулачков корбонитридного слоя толщиной 8-15 мкм, микротвердостью 5600-9500 Ь'Па (560-950 НУ 0,025) и диффузионной зоны толщиной 0,15-0,3 шк А'икротвердость восстановленных кулачков в зоне наплавки после газового карбонитрирования приведена на рис. 1.5.Г.

Рис. I.5.I Распределение микрогвердосги по сечению нулочка после наплавки и азотирования.

Для азотирования ремонтных распределительных волов рекомендовано отечественная шахтная модернизированная печь. Разработана техническая документация по модернизации шахтных печей типа США для проведения в них режимов азотирования по способу "Нитрон".

На основании проведенных исследований разработаны три варианта технологических процессов азотирования и технология упрочнения кулачков распределительного вала методом переплава рабочей поверхности неплавящимся электродом, обеспечивающие гарантированную износостойкость пары распределительный вал - сопрягаемая деталь (рычаг привода клапана, регулировочная шайба). На рис. 1.5.2 показана зависимость износа кулачков распределительного вола от вида упрочнения.

СИ ИЗНОС МАКСИМАЛЬНЫЙ ИЗНОС СРЕДНИЙ

£

зе £

3

К

20 10

"МВ0ОП

твч

АЗОТИРОВАНИЕ

I" Ьти ГТтп?

ОТБЕЛ

Г~Ь" ГЬ'

М-ЮГм »ДЕ М»-30 ис /1Пг

т.ЧЮНЗОА' м*я0

Рис. 1.5.2 Зависимость износа нулачнов распределительного вала от вида термообработки.

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ В ПРОХОДНЫХ БЕЗМУФЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ В АТМОСФЕРЕ СО СНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ВОДОРОДА ДЛЯ СТАЛЕЙ 12ХН, 19ХГН, 20ХГНМ, 20ХГФ

[1.3.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.21.23.24.30.34.39.

44.47.49j

2.1. Оптимизация концентрации углерода и азота в нитроцементованных слоях исследованных сталей.

На качество стали, подвергнутой нитроцементации или цементации, влияет большое количество факторов, которые недостаточно изучены,

особенно применительно н печам непрерывного действия.

Основными фанторами получения качественного слоя, определяемыми атмосферой в печи, являются точные давление и химический состав энедогаза, природного газа и аммиака.

Задача усложнялась тем, что проектом была предусмотрена атмосфера, содержащая в два раза меньше водорода, чем обычно и применение новых сталей: 12ХН, 19ХГН, 20ХГНМ, 20ХГФ, раскисленных алюминием. В виду отсутствия диаграмм прокаливаемости нитроцемен-тованного слоя для стали 14ХГН, 19ХГН, 20УГНК", АЦ20ХГФ были построены номограммы, по которым определено, что стали 19XГН при концентрации азота 0,45% и углерода 0,75? критическая скорость закалки составляет около 45 град/сек, а при концентрации азота 0,53% и углерода 0,81% она равна 65 град/сек. Для стали 20ХГНМ при концентрациях азота 0,55% и углерода 0,75% критическая скорость - 50 град/сек, а при 0,65% азота и 0,85% углерода - 85 град/сен. Разработанные диаграммы прокаливаемости позволили применять масла с различной охлаждающей способностью.

Установлены оптимальные концентрации азота и углерода, обеспе-"I?воющие максимальную долговечность нитроченентовл.ного слоя, отсутствие в нем дефектных структур: трооститной сетки, выделений карбонитридов. Подтверждено образование темной составляющей в слое за счет насыщения азотом в двухфазной с£+ Х области в процессе нагрева стали при нитроцементации. Определено оптимальное содержание остаточного аустенита в диффузионном слое исследованных сталей, обеспечивающее высокую прирабатываемость зоны контакта.

У стали 20ХГНМ при глубине слоя 0,5-0,7 мм бездефектная структура шестерен коробки перемены передач (КПП) получается при суммарном содержании углерода и озота 0,9-1,3%. Если содержание этих элементов выше 1,3%, возникает опасность появления карбонитридов и темной составляющей, если ниже 0,9% - опасность образования продуктов промежутоного распада аустенита.

Склонности к образованию темной составляющей и продуктов промежуточного распада аустенита и карбонитридной корки при одинаковых условиях процесса - наибольшая у стали 12ХН, меньше у стали 19ХГН, а наименьшая у стали 20ХГНМ, АЦ20ХГФ. Стали 20ХГНМ и АЦ20ХГФ такие менее склонны к образованию разнозернистости в процессе наг-

певп, о, следовательно, н уменьшению деформаций при нитроцементации.

Помазано, что /ля главной пары автомобиля, изготовленных из стали 19ХГН и 20ХГНМ возможно содержание аустенита в поверхностной пленке нитроцементованного слоя более 50?, что не влияет но долговечность при твердости НУ^ = 570 -690.-.

Доказано, что главное условие сохранения жестких геометрических параметров ведомой шестерни редуктора заднего моста после нитроцементации даже при закалке в штапе является обеспечение после ковки аустенитного зерна не ниже 6-8 балла.

Определены оптимальные концентрации углерода и азота в нитро-цементованном слое со структурой мартенсита и аустенита до 50? и мелкодисперсными включениями карбонитридных фаз для исследованых сталей:

Столь 20ХГНК - при глубине слоя 0,5-0,7 мм на шестернях с модулем К = 2,5; 0,6-0,8? С ; 0,3-0,5? Ж; суммарное содержание С = 0,9-1,3?.

Сталь АЦ20ХГФ - 0,6-0,8? С; 0,3-0,5?/^.

Сталь 20ХГНМ - при глубине слоя 0,8-1,0 мм на шестерне ведомой редуктора заднего моста: 0,8-1,0? С; 0,5-0,8?//; сумарное содержание С +/V = 1,45-1,65?.

, Сталь 19ХГН - при глубине слоя 0,8-1,0 мм на шестерне ведущей редуктора заднего моста: 0,7-0,9? С; 0,3-0,5?//; суммарное содержание С + /V" = 1,1-1,4 ?.

Сталь 12ХН - при глубине слоя 0,2-0,4 мм на клапане редукционного масляного насоса: 0,55-0,7? С; 0,35-0,5?//; суммарное содержание С 0,9-1,2?.

2.2. Оптимизация состава газовых атмосфер для высокотемпературной нитроцементации.

В качестве активного газового элемента использовали вместо эндогаза с 40? Нг, эндогаз, содержащий, примерно, 20? Н,, 18? СО, азот - остальное. С уменьшением концентрации водорода связано повышение механических свойств упрочненных сталей.

Для обеспечения заданной концентрации углерода и азота в слое и для автоматического регулирования процесса были сделаны термо-

динамические расчеты нитроцементующих атмосфер на основе эндо-экзогаза и построены соответствующие диаграммы равновесия. Рис.2.2.1.

а)

Рис. 2.2.1 Кривые равновесия с Ж СО и 20% Н2 о) от кислорода!

б)

эндотермической атмосферы со сталью в зависимости: б) содержания С02-

Следует отметить, что технологичесние режимы нитроцементации, обеспечивающих оптимальную структуру и концентрации азота и углерода в камерных печах, не могут быть использованы в печах проходного типа.

Установлено, что в проходных печах для нитроцементации дане при оптимальной концентрации азота и углерода в слое на образование дефектных струнтур (темной составляющей, трооститноЯ сетки и выделенп" карбонитридов) влияют газодинамические характеристики насыщающей атмосферы: количество природного газа, аммиака и эндо-газа, расположение зон подвода природного газа, аммиака по длине печи, направление потока и давление атмосферы.

Равномерная подача в номерную и проходную печи метано и аммиака согласно формуле, предложенной Л.Я. Новиковой:

и в _1_;_0*55_Х ' 0,35 х

(где ~ количество подаваемого в печь аммиака, х - толщина диффузионного слоя) в течение нагрева и цикла насыщения неизбежно сопровождается образованием дефектов типа "темная составляющая" и выделений карбонитридов.

Применение подачи аммиака в соответствии с формулой А.Я.Новиковой только в конечный период цикла ( за два часа до выгрузки) резно уменьшает количество дефектов нитроцементованного слоя. В камерной печи изменение газового режима на протяжении рабочего цикла решается достаточно просто изменением во времени параметров подаваемой среды. При этом состав среды изменяется одновременно во всем объеме рабочего пространства печи.

Совершенно иная картина наблюдается при ведении процесса в проходных печах непрерывного действия. Изменение газового режима во времени проводится путем создания лональных режимов в различных зонах по длине печи. Положительные результаты получаются при полном шлюзовом разделении отдельных зон печи. Однако, при этом возрастает конструктивная сложность и стоимость оборудования.

В однокамерных прямоточных печах до сих пор не удавалось добиться требуемого распределения активности атмосферы па зонам за счет только регулирования состава атмосферы, так как смешение газовых компонентов неизбежно происходит в печи. Проведение нитро-цементоции в 3-х рядной пятизонной печи с рекомендуемыми в литературе количеством метана и аммиака стабильно приводит к поверхностным дефектам нитроцементованного слоя. Надежное разделение зон и обеспечение сниженного углеродно-азотного потенциала в начальной зоне (зоне нагрева) многозонных проходных печей возможно за счет рациональной подачи компонентов и организации газовых потоков в рабочем пространстве печи. В соответствии с рекомендациями по подаче аммиака в конце процесса насыщения в проходных печах, аммиак подается в предпоследнюю или последнию зону через систему калиброванных шайб. При этом количество подаваемого аммиака ограничили почти в два раза против рекомендации А.Я.Новиковой. Доказано, что

даже при ограничении подачи аммиака и природного газа, если аммиак попадает в первую зону, когда сталь имеет двухфазное состояние, как правило, образуются внутренние дефекты нитроцементованного слоя (темная составляющая и продунты промежуточного распада аустенита). Подача природного газа 50% по объему приходится на 3-ю среднюю зону печи, а 80% аммиака приходится на предпоследнюю зону. Показано, что давление в печи и направление потоков атмосферы существенно влияют на качество нитроцементации. Если давление в печи менее 200Па и потоки атмосферы направлены в направлении выгрузки, обеспечивается качественная нитроцементация, даже если несколько завышено содержание СНЦ и УН, в печи. Повышение давления более 200Па и смена направлений потока атмосферы при открывании заслонок ухудшает работу печи и способствует образованию сажи в рабочем пространстве.

Оптимальной является атмосфера, в которой углеродный потенциал в первой зоне менее 0,6%, во второй и третьей - 1,2-1,3%, в четвертой - 0,9-1,0%, а в последней - регулируемый, в зависимости от требований к структуре поверхностного слоя. Такой новый ступенчатый цикл насыщения углеродом и азотом способствует не только обеспечению качественного слоя, но и уменьшает сажеобразование в рабочем пространстве печи. Рис. 2.2.2.

Автором проведена работа по исследованию влияния предварительного онсидирования на процессы цементации и нитроцементации. Предварительное оксидирование проводили при использовании различных окислителей и температур. Установлено, что предварительное оксидирование поверхности стали влияет на скорость ее насыщения углеродом и озотом.

Таблица 2.1.

столь ! Время ,окси-! дирования, I мин '.Эффект.толщина упрочненного слоя, мм 1 ¡Относительное увеличение толщины упрочненного слоя,%

20ХГНМ 30 0,70/0,90 28

20 0,42/0,62 48

19ХГН 60 0,65/0,83 28

Из таблицы 2.1 видно, что после оксидирования скорость насыщения увеличивается на 30% и более. Следует отметить, что это происходит только при формировании слоев небольшой толщины (до 1,0 мм). Особенно эффективно повышается скорость насыщения для диффузионного слоя толщиной 0,3-0,7 мм. Ускорение насыщения после оксидирования наблюдается только при нитроцементации; при цементации этого не происходит.

юге

мо-с

'Ц . ГА

И ¿Ь .

I1 II* I* 1*111* 1т1! I* |»|У|Я1»|У1»7»Т-''Т|»

1/т

•СИ,

I» I

- ПРАВЫЙ • -левый

--ТОЧНА 0Г60РА ПРОБЫ

Рис. 2.2.2 Изменение углеродного и озотного потенциалов по длине пятизонной нитроцементационной печи в зависимости от подачи СНЦ,И/НЭ и направления потока атмосферы.

Исследовали распределение углерода и азота по толщине нитроцементованного слоя, полученного при 880°С. Показано , рис.2.2.3, что содержание углерода после оксидирования возрастает по всей толщине диффузионного слоя. Содержание азота на поверхности меньше,

чей на сталях, не прошедших онсидирование, однако, распространяется он в первом случае на большую глубину.

Рис. 2.2.3 Распределение углерода и азота по толщине диффузионного слоя стали 20ХШ после нитроцечентоции I - без предварительного оксидирования, 2,3,4 - предварительное оксидирование в течение 0,5; I; I час соответственно.

Анализ минроструктур нитроцементованного слоя после оксидирования свидетельствует об отсутствии продуктов промежуточного распада аустенита по границам зерен.

Слой окалины на железе и стали, нан известно, рыхлый. Он абсорбирует газы и жидкости сначала в своем объеме, а затем на поверхностях, имеющихся многочисленных и разветвленных трещин. При окислении поверхность металла становится иероховатой и ее адсорбционная способность возрастает, что вызывает увеличение диффузионного потока при насыщении.

При нитроцементации слой окалины поглощает смесь углеродосо-держащих газов СО + С0г и пары аммиака, диссоциирующие на азот и водород, что создает повыиение концентрации диффундирующих веществ у поверхности стали, подвергаемой насыщении. Анализ полученных ре-

зультатов показывает взаимное влияние углерода и азота в процессе йитроцементации. Поверхность стали катализирует реакции распада оксида углерода: 2СО = С + С02 и аммиака: Л'Н, = // +ЗН, проникающих в большом количестве через рыхлую окалину. Кроме этого, водород, взаимодействуя с оксидом углерода по реакции СО + Нг = С ♦ Н20, такте повышает содержание углерода на поверхности стали. Азот и углерод, кан известно, повышают антивность друг друга в твердых растворах железа. Данные, приведенные на рис. 2.2.3 свидетельствуют о том, что в газообразном и адсорбированном на поверхности стали состояниях азот в большей степени повышает активность углерода, чем углерод - активность азота. Это следует из того, что концентрация углерода при насыщении оксидированной стали гораздо выше, чем неоксидированной в присутствии азота. Высокая концентрация (^1,0^0), а следовательно, и активность углерода, способствуют образованию больного потоко углерода в глубь стали. Углерод диффундирует по позициям внедрения, как и азот, поэтому последний вытесняется углеродом и концентрация азота на поверхности уменьшается. Рис.2.2.3. В глубине оксидированной стали поток диффузии азота возрастает вследствие увеличения его активности в присутствии углерода, но при меньшей концентрации углерода 0,823!).

Теоретический и практический интерес представляет то обстоя-

при наличии оксидированной поверхности, а углерод, напротив, вызывает снижение концентрации азота но поверхности, насыщаемой окисленной стали. Это может быть связано с образованием аустенита в стали при более низкой температуре при растворении азота, а такте указанными выше особенностями взаимного влияния азота и углерода на активности друг друга.

Таким образом, предварительное оксидирование увеличивает толщину нитроцементованного слоя на 30-35X при сохранении высокого качества его структуры.

2.3. Разроботка схемы и условий автоматического контроля и регулирования процесса химико-термической обработки.

Стабильность качества упрочнения в условиях массового производства немыслима без применения автоматического контроля и регули-

РОВОЩ'Г npnurr.cn НПС')""ГНИГ .

разработана систем автоматического регулирования газового режима (рис. 2.3.1). Принципиальное ее отличие -^ает я ,

что автоматически регулируется состав зндогаза по СО в ге.роторе, СН в зоне активного насыщения печи в последней зоне - в зоне в« а/.. концентрации углерода в стали по СО, У-

ществляется по СО, Кроме того, обеспечивается стабилизация давле ния аммиака при подоче в рабочее пространство печи.

Рис. 2.3.1 Схема автоматического регулирования углеродного потенциала в процессе нитроцементации в безмуфельном агре-готе. I - печь; 2 - фильтр; 3 - газоанализатор по СО, и СНЦ; 4 - клапаны регулирующие; ? - расходомеры; 6 - экзогенерстор; 7 - шайбы калибровочные.

Важным вопросом при оргонизоции автоматического ведени,^процесса нистроцементации является принцип питания печи от ' Многолетние ноб^ония зс ,с.<«стоГ генераторов позрол,.,яи ст значительные нолебани* париетрсв их работы во времени. Это озно т 3 .нов норуГ1Р'м-*|Г орт>ов отдельных генераторов при подключении

Их в коллектор, что приводит к общему нарушению заданного режима и, кон результат этого, появлению дефентных структур. В этой связи стабильное качество упрочнения в условиях автоматического управления процессом было достигнуто за счет автономного обеспечения наж-дой печи собственным зндогазом. При коллекторном обеспечении отклонение поназотелей упрочнения слоя от технических условий на детали были в 2-3 роза выше. Кроме того, автономное обеспечение печей эн-догазом позволяет одновременно осуществлять разработанный режим прожига экзо-эндогенератора и печи. Образование сажи в рабочем пространстве печи нарушает условия равновесия газовой атмосферы, что не позволяет осуществлять автоматическое регулирование процесса.- Поэтому был разработан метод удаления сажи периодическим выжиганием углерода в окислительной атмосфере, получаемой в эндогенеро-торв. Установлено, что периодичность выжигания печи не должна превышать 7 суток непрерывной работы агрегата. При увеличении интербала между выжиганиями реакцию окисления сажи до конца довести не удается даже после выжигания в течение 36 часов. В последнем случае, реакция окисления сажи неизбежно сопровождается резкими подогревами печи ( до темератур выше 1000"), что приводит н преждевременным прогарам и отрицательно отражающимся на начестве упроч-

■ В результоте проведенного исследования разработана и применяется технология нитроцементоции для столей 19ХГН, 2Г)XГНV и А112ПХГФ на глубины 0,5-0,7 мм и 0,8-1,0 мм с обеспечением бездефектной структуры нитроцементованного слоя.

Ниже доны характерные технологические параметры нитпоцемента-

ции:

Сестерня КПП сталь 2 0 X Г Н У - и АЦ20ХГФ - глубина слоя 0,5-0,7 мм. Предварительно оксидированная в среде при температуре 500°С. Температура по зонам 1,П,15 - 880СС; ТУ - 860°С; У - 820°С, количество технологических гозов: эндогоз - 88 м'/ч.час.,/И Н5 - 0,8-1,0 м'/ч или 1,1%; СН„- 1,3-1,5%, содержания С0г - 0,17-0,21%; масло МЗИ-26, температура 120*С.

Шестерня ведомая сталь 20ХГНМ - глубина слоя 0,8-1,0 мм. Температура по зонам 1.П.Ш - 880°С; 1У - 860°; У,У1 - 800°С. Количество технологичесних газов: эндогаз 88 м'/час, /V Н5- 1,4-1,5м'/ч

или 1,8?, СНЧ - 0,9-1,0?. Содержание СО, - 0,23-0,27?, масло МЗМ-16, температура 40-50°С.

ВРЕМЯ ПРОЖИГА ПЕЧИ, час

4--—

Рис. 2.3.2 Изменение температуры при прожиге-печи.

_____ месячный прожиг

^ _ еженедельный про'жиг, .

3. СОЗДАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ЭКОНОМНОЛЕГИРО-ВАННЫХ И ШРОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ.

[1.2.3.6.9.II.26.27.28.29.31.32.37.46.49.]

Разработка новых сталей была связана с необходимостью экономии дефицитных легирующих элементов - никеля и мобибдена, улучшения технологии резания, применения процессов горячей и холодной пластической деформации для придания изделиям заданных свойств, уменьшения коробления, снижения веса деталей и уменьшения их стоимости. При супермассовом производстве изменение махепиала не должно существенно влиять на порометры технологической цепочки.

Совершенствование технологических свойств металла обязательно должно предусматривать комплексность решения для всех технологических переделов. Недопустимой является ситуация когда улучшая накую-либо конкретную характеристику (например: обрабатываемость

резоньем) можно ухудшить технологичность при других вилах обработки (термообработке или сворке), предусмотренных единым технологическим циклом изготовления той или иной детали. К сожалению, наиболее распространенные способы улучшения технологических свойств сориентированы именно на односторонние решения.

Практика многолетней работы ВДЗа показала, что ответственные детали машин должны изготовляться не из обезличенной марки стали, соответствующий справочным свойствам, а из стали произведенной на конкретном заводе, имеющей заданные комплексы свойств, позволяющие учитывать особенности все условия эксплуатации деталей, которые в свою очередь, долины быть учтены уже на стадии проектирования и технологических проработок у машиностроителей.

3.1. Микролегирование стали 20ХГНМ.

Проктино понозывает, что изменение технологии выплавки, вне-печной обработки и разливки часто может более существенно влиять но свойство стали, чем изменение химического состава.

При отработне состова и структуры стали 2ОXГНV были проанализированы качество металла, выплавленного но заводах (Днепроспец-столь, Белорусский металлургический, Оскольский электро-металлур-гический заводы и зовод фирмы "Клекнер", ФРГ). На всех указанных зоводах выплавка производится в электродуговых печах с применением кислородного дутья. Из электропечи металл поступает в ковш, где производится внепечная обработка, включающая вакуумировоние и мин-ролегировоние. Разливка металла на заводе Днепроспецсталь (ДСС) осуществляется в изложницы, а на остальных зоводах на УНРС. Особенности технологии каждого завода показаны в таблице 3.1.I.

Анализ распределения химических элементов и механических свойств показывает, что:

о) на зозодох применяющих непрерывную разливку, отмечается более узкий диапазон изменения содержания химических элементов.

б) в металле Б Л" 3 отмечается сравнительно узкий диапазон по содержанию серы.

в) значительно более узким диапазоном разброса механических свойств характеризуется металл фирм. "Клекнер" и БМЗ.

г) полосы прокаливаемости стали, изготовленной на всех упомянутых заводах, зо исключением ДСС, значительно уже заданных в ТУ.

д) неметаллические включения всех видов наиболее характерны для металла ОЭМК, а наименее для металла фирмы "Кленнер". Наибольшее содержание сульфидов в металле БМЗ, часть сульфидов сформированы на оксидах К1г0,.

При технологической переработке металла всех плавок ни но одной из них не была достигнута нормативная стойкость инструмента. Особенно низка стойкость инструмента при обработке металла ОЭМК и фирмы "Клекнер".

Анализ металла всех плавок выявил влияние содержания алюминия и серы на стойкость инструмента и позволил сформулировать требования к особенностям состава структуры стодп,, гарантировано обеспечивающим бездефектную переработку металла в существующей технологической цепочке:

Содержание алюминия должно быть 0,012,-0,043!.

Содержание серы должно быть 0,012-0,035$. При этом должно соблюдаться неравенство: 0,007 + 0,4% .

Дальнейшие работы проведенные автором совместно с ЧелябНИИМ, ЦНИИИчерметом, БМЗ, ЗМЗ и другими заводами показали, что при значительной десульфурации металла и последующего введения алюминия и серы в разливочный нсвш имеет место Формирование глобулярных сульфидов на частицах оксидов, располагающихся не по границам зерен, а в теле зерна (Рис. 3.1.1). Такая технология формирует мелкозернистую столь с очищенными от сульфидов границами зерен, что понижает порог хладноломкости стали, увеличивает ударную вязкость, улучшает обрабатываемость резанием и уменьшает деформации при окончательной химико-термической обработке.

Таким образом, не меняя основу легирования стали 20ХГНМ, только за счет металлургического микролегирования, получили сталь с улучшенными не только механическими, но и технологическими свойствами, а также хорошую воспроизводимость свойств от плавки к плавне и ее технологичность в процессе переработки на автомобильных (машиностроительных) заводах. Указанные преимущества подтверждаются при освоении стали 20ХГНМ (¿80), на выплавленной, разлитой на УНРС и прокатанной на Б*.'3. Практически создана новая марко стали, из

которой изготавливаются: ведомая шестерня редуктора заднего моста (РУ3), блон шестерен и шестерня заднего хода коробки переключения передач. Увеличились скорости резания, уменьшилась нагрузко на станок, измельчилась стружка. Рис. 3.1.2. За счет мелкого зерно 8-9 баллов, исключен брак по деформациям при закалке после нитро-цементации. Таким образом, выполненная разработка стали позволила практически, не изменяя общую технологическую цепочку и не заменяя оборудование, вписаться в существующий цикл изготовления деталей.

Рис. 3.1.1 Структура стали 20ХГНМ с сульфидами морганцо легированной серой и модифицирована кальцием путем введения серного колчедана и силинокальция в ковш. ( 0,014%, А £ = 0,07%,

Са = 0,001%).

ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ТЕУИСЯППП' иА СОЛЕРУАНИЕ £\л Н, БАЛЛ ЗЕРНА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

СйОГ'СТ?А ЛЕТА ЛЕГ'.

Таблице 3.1.1

Заводы ! ! ТЕХНОЛОГИЯ ! ! ! % содержание А1 Балл зерна {Нормативная стой-!ность инструмента ! 100% !Проколи-!ваемость !на россто !янпи 6мм ! ! Деформация ! ; !

лее Эл.печь 50т. Раскисление в нова, сифонная разливка. 0,0005-0,025 0,002-0,070 3-8 81 25-40 не приемлемо

Б КЗ Рл.печь 100г. Продувка арго-но;,' в копир, легирование, ва-куумирование. Разливка УНРС, магнитное перемешивание. 0,0151-0,0235 5-9 90 31-41 Удовлетворительно

0,007-0,021

?л.печь 150г. Десульфурация, продувка аргоном, легирование в ковше, вакуумировоние. Разливка УНРС. 0,001-0,017 0,002-0,220 7-9 40 32-42 Хорошо

ф.Клекнер Зл.печь 125г. Лесульфурация, легирование в ковше, продувка аргоном, вануумирование. Разливка в УНРС, магнитное 0,001-0,017 0,013-0,024 8-9 90 33-37 Хороио

лереге^изание.

но но г<и Скорость резано, Vл»/"

Рис. 3.1.2 Зависимость стойкости инструмента от скорости резания стали 20ХГНМ. I - базовый (исходный) вариант, П - легированный свинцом, 1И,1У - модифицированные кальцием и серой (0,03-0,07%).

?.?. Влияние уменьшения степени деформации при прокатке на микроструктуру и свойства стали 20ХГНМ, выплавленной в электропечах и разливкой непрерывны« способом в кристал -лизатор малого сечения.

Известно, что разливка стали в кристоллизотоп малого селения 140x140 (Серп и 1.'олот), 145x145 (Дойдо стил) существенно сокращает деформации при прокатке. Однако, при этом может сохраниться литая (дендритная) структура в готовом прокате, что вызывает снижение механических характеристик, а также возможность появления остаточной подусадочной линвации (3-4 балла). Завод "Серп и Молот" при разливке в такой кристаллизатор получает прокат в виде прутков диаметром до ЗП мм гарантировано без сохранения дендритной структуры.

/1ля улучшения обрабатываемости в сталь вводят серу. Предпочтительно серо должна присутствовать в стали в виде сфероидальных частиц сульфидов. При прокате, как правило, происходит деформация сульфидов типа Ге £ и , и в катанном металле они присутст-

вуют в виде включений пяостинчотой Формы. Поэтому одним из благоприятных вариантов получение глобулярных сульфидов является уменьшение степени деформации при прокатке.

Для проведения исследований была выбрана сталь 20ХГНМ в виде прутков (S 50 мм (наиболее приемлемый сортовой прокат для шестерен). Металл выплавляли в 10-тонной электро-дуговой печи. Содержание серы в период рафинирования доводили до минимально возможного, а на выпуске в нови вводили 2 кг серы, обеспечив ее содержание в готовом металле 0,030-0,040?. Металл разливали на УНРС в кристаллизатор размером 140x140. Затем на стане 320/350 производилась прокатка на $ 50 мм.

Микроструктура прутков такого диаметра из металла опытных плавок была без остатков дендритной структуры, подусадочная ликвация была менее 2 болла, точечная неоднородность - менее 3 балла, центральная пористость - менее 2 болло. Минрострунтуро состояло из феррита, перлита и бейнито. Действительный балл зерно 7-8, о сульфидов - до 2.

Несмотря на уменьшение степени деформации при прокатке и возможных, вследствие этого, снижений механических характеристик, свойства металла всех исследуемых плавок соответствовали техническим условиям: (гв - 1400 Н/ммг, - 1200 Н/мм2, 10-12,5%, К СУ - 100-120 дж/см2.

В результате отамповки и изотермического отжига по действующей но ВАЗе технологии для шестерен были получены при твердости 170 HB микроструктура "феррит пластинчатый" + перлит, что соответствует требованиям оптимальных условий резания.

l/еханическая обработка заготовок шестерен показола повышение стойкости твердосплавного инструмента но токорных операциях и улучшение формы образующейся стружки.

Tohwi» образа*, хазгл корня 20*ТНВ г мопп ; лтепеьыо деформации при прокатке, лигировонный серой, производства завода "Серп и Молот" соответствует требованиям ТУ 14-1-2252-90 по химическому составу и механическим свойствам. Технологические свойств: штомпуе-мость, качество термообработки, обрабатываемость резанием металла находится на уровне таковых для стали выплавленной и лрокотаной по серийной технологии.

С целью внедрения технологии разливки в нристаллизатор малого сечения ведутся дальнейшие работы в этом направлении.

3.3. Новая пластичная цеиентуеиая, легко-обработиваеиая сталь АЦ20ХГФ.

Робота ставилась с учетом накопленного мирового опыта, который показывал возможность применения хромо-марганцевых сталей типа Ш/пСч5, 20МлСч5 для деталей коробки перемены передач (КПП) -основной области применения никель-молибденовых сталей.

Оптимизация состава стали с целью обеспечения требуемых свойств выполнена на лабораторных партиях металла, выплавленных и прокатанных в НИИМе (г.Челябинск). После всесторонних исследований металла образцов и характерных (основных) деталей был уточнен состав стали, соответствующий марке АЦ20ХГФ. На ЧМК была выплавлена 70-ти тонная опытно-промышленная плавка этой стали и в различных профилях поставлена на ВАЗ, где проведены ее широкие производственные испытания. Полученные результаты подтвердили, что выбранный состав зкономнолегированной цементуемой стали обеспечивает свойство, необходимые для изготовления мелкомодульных шестерен и валов автомобиля.

Из стали АЦ20ХГФ были изготовлены детали 31-го наименования, 8илк>чающее шестерни и болы всех неробок перемены передач, выпускаемых на ВАЗе (2101, 2107, 2108, 21083, 2121, IUI), а также детали раздаточной коробки автомобиля 2121 в количестве от 50 до 100 деталей ноидого наименования. Это позволило оценить технологичность новой стали при изготовлении практически всех деталей, для которых в последующем предполагается применение указанной выше стали. Для эксплуатационных испытаний были отобраны детали КПП 2108. Выбор именно этих деталей обусловлен тем, что они применяются на наиболее массовых в настоящее время автомобилях 2108 и 2109 и, лронтичесни, не отличоются от аналогичных шестерен перспективных автомобилей (2110).

Опытные детали изготавливали из металлопроката стали марки АЦ20ХГФ поставки ЧМК с содертонием элементов в ?: 0,16? С, I,19? Мп, 0,93? Сч, 0,014? Р, 0,005? У; 0,033? № и проналивае-мостью на глубину б мм от охлажденного торца (39HRc).

Штамповка шестерен проводилась на овтомотическом горизонтальном четырех-позиционном кривошипном прессе АМП-70, цикличность 1500 т.е. по серийной технологии. Две поковки 2I08-I70I030, Т701105 штамповались но горизонтально-ковочной машине с нагревом

заготовок в индукторе ТВЧ, при этом заготовки рубили на пресс-ножницах с усилием 300т.

Все изготовленные, таким образом, заготовки подвергались изотермическому отжигу в проходной печи по режиму: нагрев в камере аустенизации до 940°С, выдержка 45 мин., охлаждение горячим воздухом с температурой от 400 до 600°С но поверхности поковок и изотермическая выдержка в течение 2-х часов при температуре 640-660°С.

Всесторонние исследования показали, что по механическим свойствам, характеристикам макро- и микроструктуры, а также по технологическим свойствам сталь АЦ20ХГФ не уступает стали 20ХГНМ.

Получены механические свойства: = 1250-1400 Н/мм2, Сл = 1100-1250 Н/мм», ¿5 = 8-12%, КСУ = 70-100 дж/смг.

Процесс рубни горячей штамповки и предварительной термической обработки заготовок из стали АЦ20ХГФ оналогичны таковым для стали 20ХГНМ. Обрабатываемость резанием новой стали значительно лучше, чем стали 20ХГНУ (до 1,5 раз выше стойкость инструмента; улучшилась форма образующейся стружки). Качество нитроцементации деталей из стали 20ХШ' и АЦ20ХГФ идентично. Но рис. 3.3.1 сопоставлены механичесние характеристики стали, рассматриваемых марок. Статистический анализ результатов показывает, что деформация зуба вестерен из стали АЦ20ХГФ находится на одинаковом уровне с серийным материалом АЦ20ХГНМ и удовлетворяет требованиям конструкторской документации.

Рис.3.3.1 Сеханичесние свойства сталей 2ПХГНМ и АЦ70ХГФ

Испытания на долговечность столп АЦ20ХГФ по методике И ?7Л01.9060-83 выполнены в НТЦ АвтоВАЗ дали положительные результаты (но уровне серийной стали АЦ20ХГНМ). Шум коробки передач уменьшился на 0,5 балла. Разработана программа дальнейшего освоения стали АЦ20ХГФ, внлючающая исследования плавки с применением шихты прямого восстановления, электроплавку, вакуумировоние и отливку в кристаллизатор малого сечения. Таким образом, создана сталь, которая позволяет внести серьезные коррективы в технологию и конструкцию автомобилестроения.

Химический состав по ТУ 14-154-294-91: 0,18-0,2?? С; 0,17 -0,37* ¿У; 0,Я-1,Г/ Мп; 0,8-1,1? Сч; 0,05-0,Т0? У; 0,035-0,065?^;

— 0,035? Р; 0,3? Си и 0,03? А£ , остаточное содержание ноль-ция не оговаривается, но его вводят в процесс плавки в количестве ~ 2,5 кг на тонну стали.

Новая сталь за счет стабильности и умеренной чистоты, обеспечивают возможность порезки заготовок в холодном состоянии, понижение температуры ковки и переход на полугорячее штампование, а в большинстве случаев - на холодную пластическую деформацию, повсеместную накатку зуба и шлиц шестерен. Это повысит коэффициент использования металла с 0,4-0,5 до 0,8-0,95, резко сократит трудоемкость механической обработки, а значит и расход высоколегированного инструмента. Уалые припуски на механическую обработку позволят отназоться от применения смазочно-охлаждаюших жидкостей, которые существенно загрязняют окружающую среду, как при механической обработке, так и при производстве их на химических заводах. Малое количество стружки позволит отказаться от строительство мощной системы конвейеров и подвалов струккоуборки, и применить ¡:а каждой автоматической линии или станке небольшие магнитные ловушки. Существенно освободится железнодорожный транспорт от перевозки с г р у ж к и с машиностроительных заводов но металлургические.

8 целом использование новой стали обеспечит большие экономические выгоды.

3.4. Разработиа и исследование минролегированных среднеуглеродистых сталей с улучшенной обрабатываемостью, изготавливаемых методом контролируемой ковки.

Необходимость разработки и внедрения микролегированных сталей

пригодных для проведения контролируемой ковни (ИСКИ) обусловлено тем, что этот технологический процесс приводит к ликвидации операции улучшения поковок, за счет легирования среднеуглеродистой стали карбонитридообразующими элементами У, Ыв и Т/ .

Анализ результатов ноших исследований показал, что необходимыми качествами для успешного проведения процесса контролируемой ковки должны обладать стали типа Г А Ф Б при содержании 0,ЗП-0,40?С. Выплавка стали производилась в 80т и 100т мартеновских печах на Кировском заводе, ЧМК и Б1'3. Все основные легирующие присадки: серный колчедан, селиноморгонец, ферросилиций, алюминий, феррованадий, феррониобий, силинокальций вводили в ковш. Прокатка слитков осуществлялась но Ч1'К, на Кировском заводе и БМЗ.

Новко металла промышленных плавок стали АЦ40ХГАФБ, АЦ35ГАФБ, химический состав которых приведен в таблице 3.4.1, осуществлялось в кузнечном цехе ВАЗа. В состоянии поставки стали имели фер-ритоперлитную структуру. ТУ 14-1-4693-89

Таблица 3.4.1 Химический состсв сталей АЦ40ХГКБ и ЛЦЭ5ГЛСБ

С толь | С ! 51 ¡' Г.'п ! Сч ! ' ; ив 1 5 ! р

АЦ40ХГАФБ 0,35-0,4П 0,170,37 0,71,0 0,3- 0,100,15 0,040,07 0,045 0,07 0,035

;,1!35ГАФБ 0,300,36 0,170,37 0,71,0 0,100,15 0,100,15 0,040,07 0,0450,07 0,035

Содержание других элементов было: 0,03? Си: 0,??Д// ; 0,05? <*о; 0,015-0,025?/V : «с О,ОТ? Т? ; 4 0,03? № . Содержание ксльция не менее 0,001? гарантируется технологией производства.

Структура и механические свойства шатунов из стали 40 и АЦ40ХГФБ после улучшения и ковки

Таблица 3.4.2

Сталь ¡Обработка ¡Структура и ! ¡балл зерна ! НВ ! С в !Н/ммг ! (?т ! ! Н/ммЧ б % !КСУ !мдж/м5

40 Улучшен- сорбит + сетка 210 690 490 15 0,70

ная феррита, 6-7 245

АЦ40ХГФБ - перлит + феррит 229 880 640 16 0,50

7-8 285 930 660 19 0,70

АЦ40ХГФБ улучшен- перлит + сорбит 700 800 19 1,20

ная 7-8 950 850 2,00

Выполненные исследования показали, что из МСКК возможно производить поковки на том же оборудовании, на котором обрабатываются легированные термоулучшенные стали, при той же температуре ковки или на 80-1004 ниже. Механические свойства сталей удовлетворяют техническим условиям. Твердость поковон 250-280 НВ структура фер-рито-лерлитная 800-1000 Н/ммг при КСУ+20 = 0,40-0,90 мдж/мг. При испытании на обрабатываемость резанием интенсивность изнашивания инструмента было в 1,5-2,0 раза меньше по сравнению с базовой (для термоулучшоемой стали). Исследование стали АЦ40ХГФБ, подвергнутой закалке ТВЧ, показали поверхностную твердость 56-62 Н!?с и глубину закаленного слоя 5,3-5,8 мм, что отвечает требованиям закалки.

Азотирование выполнено в среде экзогаза и аммиака при температуре 590°С и время выдержки 4 часа совместно со сталью 40 показали, что карбонитридный слой имеет плотную беспористую структуру, однако глубина слоя составила 6-12 мк (для стали 40 - 20 мк), то есть, скорость формирования карбонитридной зоны уменьшилось по-видимому, за счет присутствия в новой стали ванадия и ниобия, замедляющих диффузию азота.

Всесторонние испытания шатуна, изготовленного из стали АЦ40ХГФБ, показали, что по долговечности новая сталь в 3 роза выше, чем серийная сталь 40.

В настоящее время из МСКН осваивается производство следующих

деталей: шатун, растяжки, рычаг передней подвески и др. взамен сталей 40ХГНМ, ЗОХГМ, ЗОХМ, столь 40. При этом исключаются операции термоулучшения и обеспечивается получение требуемого качества при меньших затратах энергии, трудоемкости и расхода инструмента при обработке резаньем.

3.5. Исследование технологичности изготовления деталей из бористых стилей методом холодной об"емной штамповкой (ХОШ).

Длительное время для изготовления деталей автомобиля ХОШ применялись легированные и углеродистые стали 12ХН, 20Х, 32,35, 38ХГНМ и др. Нестабильность свойств этих сталей по степени сфе-роидизации карбидов, прокаливоемости, способности к деформированию до 70-75% без образования трещин, расходу дефицитных легирующих элементов, общеизвестно.

Боросодержащие стали (0,001-0,003% В) имеют высокую технологическую пластичность, прокаливаемость и порог хладноломкости на 30-50°С ниже, чем углеродистые стали, применяемые для изготовления крепежных деталей методом ХОШ. Сталь 20Г2Р (класса 8,8) гарантировано обеспечивает твердость 22-32 НРс при отпуске в интервале температур 425-500°С после закалки в масле и при отпуске 450-475°С после закалки в воду. При этих температурах гарантируется отсутствие отпуснной хрупкости. Сталь ЗОПР рекомендуется для использования класса прочности 10,9 при температурах отпуска ниже 420°С.

Механические характеристики калиброванных боро-содержамих сталей:

сталь 1 ^ 1 ! в И/имг ! б5% ^ % ! н«вэ

20Г2Р 750 18 45 220

ЗОПР 700 16 50 210

Показано, что для обеспечения гарантированного уровня прокаливаемое™ целесообразно осуществлять минролегирование бором, как посредством введения ферробора, так и через боросодержащие шлако-образующие смеси. Введение боросодержащих материалов производится в ковш. Доказано, что боросодержащие стали при содержании углерода до 0,3% не требуют применения термической обработки для сфероиди-зации карбидов.

Указанные преимущества обусловили массовое внедрение деталей, изготовленных методом X014 бористых сталей, даже для таких ответственных деталей, нак болт с эксцентрической шайбой для регулирования сгупиц переднеприводных автомобилей и поршневой палец, подвергающийся цементации на глубину слоя 0,6-0,8 мм.

ВЫВОДЫ

1.В первые в бывшем СССР разработаны технологические процессы азотирования стали и чугуна в условиях супермассового производства:

- жидкостное карбонитрирование в цианатных ваннах на основе отечественных нетоксичных солей обеспечивает сокращение длительности насыщения деталей, в них в два раза и меньшую пористость в сравнении с мягним озотироеанием по способу "Тенифер".

- жидкостного карбонитрирования, включающего ногрев и выдержку при 5?0°С, в течение 1,5 часов в ванне следующего состава: КСЛ/6 2?; КСИ/0 = 60-80?; Д/о,С0, = 20-40?; и/амГе(С//)6^0,4?; соль 'Ч'елем" - 1,5-2,0? от объема ванны для обеспечения износостойкости папы тпения рычаг привода клапана из стали АЦ40Х и распределительный вол из высокопрочного чугуна.

- газового азотирования в проходных печах: ногрев и выдержка при темперагуро в течение 4-х часов (для стальных деталей)

и 3-х часов (для изделий из чугуна) в и/еси оммиако и экзогаза с соотношением их объемов 1:1.

2.Определены оптимальные толщины карбонитридной (8-15 мкм) и диффузионной зоны (ЗОЛ мкм для стали и 150 мкм для чугуна).

?. Установлено, что основными причинами шелушения рычагов в процессе гргни? являются повышенная хрупкость нарбонитридного

слоя, связонная с высоким азотным потенциалом и образованием высокоазотной - фазы. Снижение азотного потенциала атмосферы достигается разбавлением смеси экзогазом в соотношении 1:2, 1:4, 1:6.

4. Разработаны, исследованы и опробованы в производстве новые способы низкотемпературного гозового оксикарбонитрирования, снижающие хрупкость карбонитридного слоя, исключающие образование шелушения поверхности рычагов в процессе трения и заключающиеся:

- в диффузионном насыщении рычагов при 575°С в атмосфере аммиака и зкзогаза с соотношением их объемов 1:4 в течение 4-х часов и последующее оксидирование в атмосфере зкзогаза в течение I часа с целью формирования у поверхности рычага оксидных пленок на базе Fe,04 и FeO толщиной до 1,5 мкм и снижения хрупкости карбонитридного слоя. (A.C. J780340)

- в диффузионном насыщении рычагов при 600-620"С в атмосфере аммиака и зкзогаза с соотношением их объемов 1:1 (1:4) в течение 2,5-3,0 часов. (A.C.»? I7P808I)

5. Разработан технологический процесс восстановления изношенных распределительных волов методом наплавки стальным электродом в среде углекислого гоза с последующим шлифованием и азотированием. Процесс обеспечивает получение на поверхности кулачков карбонитридного слоя толщиной 8-15 мкм и твердостью 560-950 НУ и диффузионной зоны толщиной 0,15-0,30 мм. (A.C. 'F I37I983)

6. Разработан чугун с вермикулярным графитом и техтчлогия его получения без изменения состава оборудования в литейном цехе, обеспечивающая беспористый отбеленный слой рабочей чагти кулачков распределительного вала, стабильную механическую обработку. Чугун внедрен в СТП 37.101.9671-86.

7. Разработана новая технология высокотемпературной нитроце-ментации (цементации). (A.C. Т I0I4985)

8. Расчитаны и построены диаграммы равновесия атмосферы со сталью по содержанию С02, точки росы и кислорода для обеспечения заданной концентрации углерода.

9. Доказано, чго в проходных безмуфельных агрегатах без чет-

кого разделения зон насыщения и диффузии необходимо выполнение двухстороннего подвода технологических газов с установкой калиброванных шайб, с целью обеспечения нового ступенчатого цикла насыщения углеродом по длине печи.

10. Доказана целесообразность онсидирования перед нитроцемен-тацией, ускоряющая процесс диффузии на 30?.

11. Определены оптимальные концентрации углерода и азота в нитроцементованном слое со структурой мартенсита и аустенита (до 50/£) и мелкодисперсными частицами карбонитридных фаз.

12. Разработана комплексная схема автоматического регулирования углеродного потенциала атмосферы, внлючающоя в себя систему печь, эндогенеротор, прибор для регулирования с подачей в последнюю зону печи или природного гозо, или неочищенного экзогаза. Контроль

и регулирование углеродного потенциала в печи осуществляется по содержанию избыточного СНЦ (в зоне насыщения с точностью -0,1$ и СО, в последней диффузионной зоне перед закалкой с точностью -0,, при строгом контроле подаваемого аммиака в печь с точностью 0,25?.

13. Доказана целесообразность еженедельного поожиго эндогене-ротооов пподунтами этого прожига рабочего пространства печей, что позволило получить стабильный эндотермический газ в течение недели, ликвидировать влияние салистого углерода в рабочем пространстве печи на динамическое равновесие эндотермической атмосферы и дало возможность вести регулирование углеродного потенциала, а также исключить местные перегревы в рабочем пространстве печи из-за отложений сажи. Межремонтный срок службы оборудования увеличился в 2,5-3 раза.

74. Уточнен химический состав стали 20ХШ' (дополнительно введена сера, алюминий и кальций), что способствовало формированию мелкозернистой структуры и улучшению условий резания. Разработана технология выплавни таних сталей в мартеновских и электрических печах (ТУ I - 840-77-92).

15. Разрабоюна экономнолегировонная и микролегированная сталь АЦ20ХГФ для шестерен, обеспечивающая малые деформации при закалке, снижающая расход инструмента при резании и улучшающая

условия резония. Столь обладает высокой пластичностью, что создает условия для применения пластичесной деформации вместо резания при изготовлении деталей. (ТУ 14-134-299-91).

16. Вместо улучшаемых сталей разработаны микролегированные стали АЦ40ХГФБ и АЦ35ХФБ с контролируемой ковкой, обеспечивающие хорошие условия резания. (A.C. Ч5 1497267, ТУ 3-920-001-89).

17. Создана и осуществлена общая концепция к производству сталей и чугуна под ноннретные требования н детали, идеологическими основами которой являются очищение стали внепечной обработкой, введение микролегирующих элементов в разливочной ковш или струю (модифицирование) при соблюдении неравенства 0,007+ 0,4? Ai?, непрерывная розливко в кристаллизаторы малого сечения 140хТ40 для получения зодоной структуры и свойств металлов с целью перехода на принципиально новую технологию получения деталей методом пластической деформации и улучшения обрабатываемости резанием.

18. В результате выполненной работу осуществлена серия кон-струнторско-технологических мероприятий по разработке и внедрено но РАЗе трехрядной 6-ти зонной, дпухоядных 4-х зонных печей, проектированию и строительству на ВДЗе второго термического цеха площадью ТО тыс.м*, термических отделений для газового азотирования в спецавтоцентре г.Симферополя и зоводох Гаражного оборудования в г.г. Тольятти, Самарканде, Горно-Оряховице (Болгария).

1°. Выполненные разработки заложены в основу общего проекта и технологических процессов в термических цехох КамАЗа, Омского завода коробок перемены передом и других заводов, а тонне вошли в сборник руководящих материалов по цементации и нитроцементоции, выпущенный Htll'ToB гспромом.

20. Годовой экономический эффект от вне/рения ряда мероприятий по азотированию, нитроцементоции и новых сталей только на Волжском автомобильном зсводе составил более 800 млн.рублей (по ценам 1992 года).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Тихонов А.К., Елисеев А.Г., Воловик С.Б. и др. "Термическая обработка", НИИНавтопром, »M97I, 104 с.

2. Тихонов АЛ., Яшин Ю.Д. "Материалы с улучшенными технологическими свойствами в автомобилестроении Италии". Ш. 1985, 25 с.

3. Тихонов А.К., Сардаев H.H., Шепилов В.А. и др. "Термическое производство". Филиал НИИНовтопрома, T.I9P6, TI4 с.

4. Тихонов А.К., Потов В.В., Кузьменко Л.Я., Чумиков А.Б., "Прогрессивная технология восстановления распределительных валов легковых автомобилей". Тольятти, 1989, 47 с.

5. Тихонов А.К. "Особенности методов упрочнения химико-терми-чесной обработкой деталей на Волжском автозаводе". Сб. "Интенсификация процессов химико-термичесной обработки деталей". М.МДНТП

им. Ф.Э.Дзержинского, 1973, 23-25 с.

6. Калинин А.Т.,Тихонов А.К. "Современная технология термической обработни при освоении производства". Сб. "Интенсификация процессов химико-термической обработки деталей". М.МДНТП им.Ф.Э. Дзержинского, 1973, 30-35 с.

7. Сырчиков С.Н., Тихонов А.К. "Приборы и аппаратура для регулирования потенциала атмосферы при химико-термической обработке на ВАЗе". Сб. "Интенсификация процессов химико-термической обработки деталей". МЛ'ДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1573, 30-35 с.

8. Шкурка Н.В., Тихонов А.К. "Химико-термическая обработка шестерен на ВАЗе". Сб."Интенсификация процессов химико-термической обработки деталей". М.МДНТП им.Ф.Э.Дзержинского, 1973, 26-?9с.

9. Тихонов А.К., Шкурко Н.В., "Термичесная обработка главной пары редуктора заднего моста автомобилей ВАЗ". Автомобильная промышленность, Т07"\ 30-33 с.

10. Нолинин А.Т., Тихонов А.К. "Термическая обработна на Волжском автозаводе". Металловедение и термическая обработка метоллов, 1973, V 9, 17-21 с.

11. Копыл В.П., Ахонтьев В.П., Тихонов А.К.,Курбатов В.П 'Причины деформации и коробления шестерен при нитроцементации

i способы их устранения". Сб."Новое в металловедении и обеспе-4ение надежности и долговечности деталей машин методами термической обработки". Запорожье, 1977, 113—11б с.

12. Тихонов А.К., Шкурко Н.В. "Состояние химико-термической обработки но ВАЗе". "Металловедение и термическая обработка металлов", 1978, Р 8, 74-77 с.

13. Тихонов А.К., Шкурко Н.В. "Состояние химико-термической обработки на ВАЗе". Сб. "Термическая и химико-термичесноя обработка в машиностроении". Саратов, 1987, 88-93 с.

14. Тихонов А.К., Березовик Г.В. "Исследование и анализ работы зкзо-эндогенераторов на ВАЗе". Сб."Технология машиностроения", Тольятти, 1979, 129-135 с.

15. Тихонов А.К., Гребенщикова Л.Г., Wohokob Ю.П. "Безмуфельный газовый агрегат для нитроцементации". Организация автомобильного производства. Экспресс-информация. Тольятти, 1979, N® 12, 13-16 с.

16. Тихонов А.К., Машкин В.А. "Прогрессивные направления в развитии термической обработки на ВАЗе. Металловедение и термическая обработка металлов. 1980, Г 4, 7-14 с.

17. Березовик Г.В., Тихонов А.К. "Анализ работы эндо-экзоге-нератора". "Металловедение и термическая обработка металлов. 1980, t." 5, 23-26 с.

18. Тихонов А.К., Иепндлин Б.Е., иаПковский С.З., Криштал М.А. "Особенности применения контролируемых атмосфер с 20% и 40% водорода при цементации и нитроцементации". "Металловедение и термическая обработка металлов." 1982, ff 6, 30-33 с.

19. Тихонов А.К., Ахантьев В.П., Сардоев Н.И., Копыл В.И. "Кратковременное гозовое азотирование в смеси энэогаза и аммиака деталей автомобиля с целью экономии энергоресурсов". Сб."Экономия металла и энергии на основе прогрессивных процессов термичесной и химико-термической обработки". Пенза, 1984, 78-80 с.

20. Тихонов A.K., Филатов A.M. "Структура корбонитридного слоя на высокопрочном чугуне после жидкостного азотирования при 570°С". "Металловедение и термическая обработка металлов, 1985, Г 4.

21. Тихонов А.К., Сардаев H.H. "Технологические особенности процесса химико-термической обработки". Сб. Автомобилестроение. Экспресс-информация. Тольятти, НИИНавтопрома, 1986, К® 7, 3-6 с.

22. Тихонов А.К., Ахантьев В.П., Сардаев Н.И. "Особенности процесса газового азотирования деталей". Сб. Автомобилестроение. Экспресс-информация. Тольятти, НИИНавтопрома, 1986, IP 7, 7-8с.

23. Тихонов А.К. "Технологические особенности автоматического регулирования углеродного потенциала атмосферы с Нг = 20?". Сб. Автомобилестроение. Экспресс-информация. Тольятти, НИИНавто-прома, 1986, I? 7, 13-17 с.

24. Тихонов А.К. "Особенности снабжения печей атмосферой при химико-термической обработке". Тольятти, НИИНавтопрома, 1987, Я8 7, 10-13 с.

25. Тихонов А.К., Черныиов А.Н. "Технология переплова кулачков распределительного вала". Сб. Автомобилестроение. Экспресс-информация. Тольятти, НИИНавтопрома, 1986, IF 7, 6-7 с.

26. Тихонов А.К. "Материалы для двигателей легковых автомобилей". Металловедение и термическая обработка металлов. 1987,

IP 10, 20-25 с.

27. Гайдук В.В., Тихонов А.К., Яшин Ю.Д. "Рациональное использование стального проката в автомобилестроении". Сб. Металл и технический прогресс, fí.Металлургия, 1987, 250-252 с.

28. Гайдук В.В., Тихонов А.К., Яшин Ю.Д. "Снижение металлоемкости автомобилей благодаря рациональному использованию проката" Вестник Машиностроения, 1987, № 10, 34-36 с.

29. Афанасьев Е.В., Тихонов А.К., Яшин Ю.Д. "Современные требования технологичности столей для легноваго автомобиля и их влияние на способы металлургического производства". Сб.Автостали. М.АчахаЧ'Г Бразилия, английский, 41-54 с.

30. Тихонов А.К., Криштал N.A. "Современные тенденции процессов насыщения углеродом и азотом для деталей автомобилей "Лада". Сб.Труды по термической обработке У1 Международный конгресс. Чикаго, США, 1988, английский, 351-360 с.

31. Тихонов А.К. "Металлические материалы для легкового автомобиля". "Металловедение и термическая обработка металлов,

1989, Г 8, 23-28 с.

32. Тихонов А.К., Криштал (i.A., Яшин 0.Д. "Технологическая прочность". "Металловедение и термическая обработка металлов".

1990, 9 I, 2-4 с.

33. Тихонов А.К., Криштал V.A., "Интенсификация цементации (нитроцементации) в массовом производстве". Металловедение и термическая обработка металлов, 1991, Р 6.

34. Тихонов А.К., Богданова Н.В., Бурьянов S.A. "Влияние оксидирующей обработки корбонитридного слоя рычагов привода клапана на их долговечность". В библиографическом указателе ВНИИТИ "Депонированные научные труды", 1991, f" 5.

35. Тихонов А.К. "Требования, предъявляемые к металлам в условиях массового производство". Сб. Санкт-Петербург, 1993, ТЗОс.

Зг>. Тихонов А.К., Гречухин А.И., (Лигачева Л.А. "Материалы для двиготелей ВАЗ", Семново, Болгария, 1993.

37. Тихонов А.К., Кузьменко Л.Р. и др. "Разработка технологического процесса восстановления распределительных валов способом наплавки кулачков опыленным электродом в среде углекислого газа". Отчет НИР 12051-83-01, Тольятти, 1987.

38. Тихонов А.К., Богданова Н.В. и др. "Разработка и исследование способов интенсификации процессов газовой цементации и нитроцементации". Отчет НИР 12021-88-49. Тольятти, 1989.

39. Тихонов А.Н., Китайгооа Н.И., Гречухин А.И. и др. "Исследование и отработка химического состава, структуры и технологии изготовления отливок; поверхностного оплавления и механической обработке распределительных валов 2I0I-2I08-I0060I5 с целью определения возможности создания спенмализиоованного (с

обработкой I/ и РЗМ) унифицированного серого чугуна для достижения условий проектной производительности". НИР- 12016-82-06. Тольятти, 1987.

40. Тихонов А.К., Яшин 15./!., Петруненков A.A. и др. "Разработка, освоение производства и внедрение микролегированной средне-углеродистой стали улучшенной обрабатываемости для автомобильных деталей, изготавливаемых методом контролируемой ковки". Отчет о НИР УДК 669.14.018.2983. Москва, 1989.

41. Тихонов А.К., Яшин И.Д. "Проведение комплекса работ, направленных на улучшение обрабатываемости и качества деталей, изготовленных из стали 20ХГН1" i 80". Отчет НИР 12081-87-40, 12025-66-08, Тольятти, Т9РР.

42. Тихонов А.К., Черданцев А.Н. и др. "Исследование показателей качества распределительного вала и рычагов привода нлапана, восстановления или вновь изготовленных заводами страны в запасные части". Отчет НИР 12022-80-04. Тольятти, 1988.

43. Тихонов Л.К., Яшин П.Л., '.'ашкин В.А. "Создание экономно-легированной цементуемой столп улучшенной обрабатываемости взамен никельмолибденовых (2ПХГНШ, Г9ХГН, 14ХГН). Отчет НИР 12031-84-34, 12022-85-01. Тольятти, 1989.

44. Тихонов А.К., Яшин 10.Д., Солдаткин С.А. " Исследование возможности и целесообразности использования для деталей автомобиля конструкционных непрерывнолигых сталей с малой степенью деформации при прокатке". Отчет НИР 12031-87-40. Тольятти, 199(1.

45. Тихонов А.К. "Разработка технологии поверхностного упрочнения деталей пои »оссовог производстве в условиях Волжского автомобильного завода". Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Москва, 1985.

46. A.C. !Г I0I4985 "Способ цементации стальных изделий". Б.11. 1983, F 6.

47. A.C. N° 1076724 "Методическая электропечь для химико-термической обработки". Б.И. 1984, !" 8.

48. A.C. Ir I37I983 "Способ восстановления чугунных распределительных- валов". Б.И. 1988, К® 5.

49. Патент Р 1076724 ГДР от 13.05.87. Патент Г 8I5I0 Финляндия от 12.11.90. Патент Т 1887230 Бразилия от 26.07.90. Патент

Р 3549 Китая от 09.06.89. Патент N5 I57945I Япония от 13.03.91г. "Способ восстановления чугунных распределительных валов".

50. Лицензия Г 7J3-I3/9I0I4 Болгарии от 24.04.89. Лицензия >? 7311/058808 ФРГ от 25.08.88. Лицензия № 7313/068712 Япония от 25.09.87. "Способ восстановления чугунных распределительных валов" .

51. A.C. М* 1302560 "Способ дуговой обработки". Б.Ч. 1987,

№ 13.

52. A.C. ff 1417477 "Способ термической обработки". Б.И.1988,

!Р 30.

53. A.C. tr I45I999 "Горелка для дуговой обработки в среде защитных газов". Б.И. 1989, № 2.

54. A.C. № 1497267 "Конструкционная сталь". Б.11. 1989, 2.

55. A.C. N® 1780340 "Способ химико-термической обработки стальных изделий". Б.И. 1993, f." ?.

56. A.C. !J° J78808T "Способ обработки стольных изделий в газовой среде". Б.11. 1993, ff 2.