книги / Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач

7.2. Термическая обработка зубчатых колес

В практике принято зубчатые колеса подразделять в зависимости от технологии их изготовления на упрочняемые термической обработкой до нарезания зубьев и упрочняе­ мые термической или химико-термической обработкой после нарезания зубьев [1].

7.2.1. Термическая обработка зубчатых колес до нарезания зубьев

Основными факторами, определяющими выбор стали для этих колес, являются прокаливаемость и обрабатываемость. Твердость стали после термической обработки следует выбирать тем ближе к наивыгоднейшей по обрабатываемости, чем больше размеры (диа­ метр и ширина) зубчатого венца колеса и выше точность его изготовления [1,4, 8].

Твердость материала зубчатых колес этой группы обычно составляет НВ 200-280 и не превышает НВ 350. Для изготовления таких зубчатых колес используют нелегиро­ ванную и легированную сталь с содержанием 0,3-0,5% С (марки 40, 45, 5 0 ,50Г, 40Х, 45Х, 40ХН, 35ХМА, 50С2Г и др.), подвергаемую улучшению или нормализации.

Для получения заданных механических свойств конкретную марку стали для зубча­ тых колес, подвергаемых улучшению или нормализации, следует выбирать с учетом раз­ меров их сечений.

Применение улучшенных зубчатых колес обеспечивает высокорентабельные техно­ логии изготовления и обеспечивает хорошую прирабатываемость сопряженных деталей. Однако нагрузочная способность таких зубчатых колес существенно ниже, чем закален­ ных, и поэтому их применяют преимущественно в индивидуальном и мелкосерийном производствах, а также в передачах, вес и габаритные размеры которых не ограничены. Нормализацию применяют преимущественно для колес больших размеров, в частности для крупных литых колес.

7 .2 .2 . Зубчаты е колеса, подвергаемые термической и химико-термической обработке после нарезания зубьев

Для средне- и высоконапряжениых зубчатых передач применяют колеса с твердостью поверхности зубьев HRC 40-64. Такой твердости зубьев достигают объемной закалкой с по­ следующим низким отпуском, азотированием, цианированием и нитроцементапней, поверх­ ностной закалкой (обычно с индукционным нагревом поверхностного слоя ТВЧ).

Твердость сталей в закаленном состоянии (на мартенсит) определяется содержани­ ем углерода. На рис. 7.1 приведены кривые изменения твердости в зависимости от со­ держания углерода в конструкционных легированных, цементуемых и инструменталь­ ных сталях. Видно, что твердость закаленных сталей, существенно отличающихся по степени легированности, имеет близкие значения 750-800 HV при содержании углерода свыше 0,5% С (%масс.). При более низких содержаниях углерода твердость несколько выше у более легированных инструментальных сталей. Последнее обусловлено тем, что на твердость могут оказывать некоторое влияние легирующие элементы и повышение скорости охлаждения при закалке (сверх критической скорости закалки). Твердость мартенсита может быть определена по эмпирической зависимости:

где С, Si, Mn, Ni, Сг — содержание соответствующего легирующего элемента, %масс.; Vr— скорость охлаждения при закалке в °С/час в температурном интервале 750-550 °С.

С повышением температуры отпуска свыше 160-200 °С твердость углеродистых и среднелегированных конструкционных сталей падает практически по линейному закону

[9].Падение твердости зависит от температуры и продолжительности отпуска.

Данные по изменению твердости при отпуске конструкционных сталей приведены в

ряде справочных изданий [9-11].

Важно отметить также, что твердость является структурно-чувствительным свойст­ вом конструкционных сталей, позволяющим судить о механических и усталостных харак­ теристиках металла упрочненных деталей (табл. 7.2. и рис. 7.2, 7.3).

Примечание. HRCaтвердость но Роквеллу (шкала С): HV-твсрдостыю Виккерсу; а, - предел прочности при растяжении; ст_, - предел выносливости при симметричном знакопеременном цикле изгиба; 6 —относительноеудлинение при разрыве; у - относительноесужение при разрыве; в„ - удар­ ная вязкость.

а)

б)

Рис. 7.1 . Зависимость твердости конструкционных и высоколегированных инструментальных сталей от содержания углерода: а — 1 — углеродистые стали; 2 — стали, легированные никелем; 3 — стали, легированные марганцем и кремнием; 4 — стали, легированные хромом и кремнием; 5 — стали, легированные хромом, никелем и молибденом; 6 — стали, легированные хромом и ни­ келем; 7 — стали с молибденом; 8 — стали, легированные хромом и молибденом; 9 — стали с хро­ мом (поданным Гербера и Висса); 10 — максимальная твердость (по данным Архера, Баркса, Му­ ра); 11 — твердость при различном содержании мартенсита, соответственно при 95,90,80 и 50% (по данным Ходге и Ореховски); 6 — 1 — твердость мартенсита при содержании его в стали, близ­ ком к 100%; 2 — закалка после нагрева до 825 °С; 3 — закалка с температурой цементации 930 °С (по данным Бунгардта, Кунце, Брандиса); в — 1 — легированные стали; 2 — углеродистые стали (по данным Ю. А. Геллера и Л. С. Кремнева)

Не вдаваясь в подробное рассмотрение этого вопроса, которому посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов, отметим только, что:

-допускаемые контактные напряжения в зубьях приблизительно пропорциональны твердости материалов, а максимально допустимые по контактной прочности нагрузки и моменты пропорциональны квадрату твердости (сравните с данными рис. 7.2—7.4);

-сопротивление усталости при изгибе (а_,) возрастает с увеличением содержания уг­ лерода до - 0,25% (и соответственно по твердости до HV 400-450 и а„ = 1500-1600 МПа)

до значений a_t = 700-800 МПа;

-износостойкость незакалеиной углеродистой и легированной стали возрастает про­ порционально твердости, а закаленной — по линейному закону, но менее интенсивно;

-противозадирная стойкость стали зависит как от твердости, так и от микрострукту­

ры поверхностного слоя.

Зависимость предельных изгибиых и контактных напряжений для конструкцион­ ных сталей от поверхностной твердости и способа упрочнения приведена на рис. 7.2-7.4 и в табл. 7.3.

Рис. 7 .4 . Зависимость сопротивления усталости при контактном нагружении (owim) от твердости (HV) упрочненных поверхностных слоев для различных материалов и способов упрочнения (по Г. Винтеру): 1 — углеродистые и легированные улучшенные стали; 2 — поверхностная закалка с газопламенным или индукционным нагревом; объемная закалка по различным режимам нагре­ ва и охлаждения + отпуск; 3 — азотирование; 4 — цементация и нитроцементация, закалка по раз­ личным режимам, низкий отпуск

Примечание. aF||Ш—предел выносливости при изгибе, о/;П(П- предел контактной выносливости.

7 .2 .3 . Объемная закалка, улучшение и нормализация зубчатых колес

Для изготовления объемно-закаливаемых зубчатых колес применяют углеродистую и легированную сталь, содержащую 0,35-0,5% С (марки 45, 40Х, 40ХН, 35ХМА, 35ХРА, 40ХНМА и др.).

Максимально возможная твердость стали после закалки с низким отпуском зависит в основном от содержания углерода и в частности для стали с 0,3, 0,4 и 0,5% С составляет соответственно HRC1I11IX55; 60 и 65 (см. также табл. 7.1 и рис. 7.1).

Ударная вязкость объемно-закаленной стали повышается при введении в нее Ni, Mo, V и Si и снижается при введении Сг и Мп, а также при повышении содержания углерода более 0,3%. Поэтому на практике для высоконапряженных зубчатых колес, работающих с ударными нагрузками, применяют стали марок 40ХН и 40НМА.

Как уже отмечалось, объемной закалке, улучшению и нормализации подвергаются зубчатые колеса из конструкционных сталей, вес и габариты которых строго не ограниче­ ны в связи с тем, что нагрузочная способность таких деталей существенно ниже, чем у за­ каленных ТВЧ или хнмнко-упрочненных. Метод объемной закалки универсален и широ­ ко применяется как для зубчатых колес из нецементуемых конструкционных сталей, так и деталей после диффузионного насыщения поверхности углеродом (цементации), углеро­ дом и азотом (иитроцемептацни, цианирования), азотом (азотирования).

Нагрев при закалке проводится в камерных или шахтных электропечах, а также соля­ ных электрованнах. В качестве охлаждающей среды при закалке легированных сталей применяют масло или расплав солей. Для увеличения закаливающей способности распла­ ва в него вводится вода [9].

Выбор охлаждающей среды для конкретной детали зависит от требований, предъяв­ ляемых к ее твердости, и размеров поперечного сечения, характеризуемого характеристи­ ческим размером Ц,кп, рассчитываемым по размерам наиболее массивной детали (рис. 7.5, 7.6), на которой требуется получить заданную твердость [4.12]. Если в детали несколько массивных частей, то Д )к11 определяется для каждой из них и из полученных значений вы­ бирается максимальное. Основные режимы закалки и отпуска деталей с различным экви­ валентным размером из применяемых сталей, упрочняемых объемной закалкой с охлаж-

п;'ГГЪ Л

! : Ш ! U ;

' [&

-- -------- 1----------:

— !------- p â

Рис.7 .5 . Характеристический размер S = D3Mдля цементации колесообразных деталей: а -з — зубчатые колеса различной формы

дением в масле, расплаве солей, в том числе с добавлением воды, и на воздухе, приведены в табл. 7.4. В общем виде более точные данные при расчете прогнозирования глубины прокаливаемости деталей сложной формы могут быть получены на основании не только определения их характеристического размера, но и кривых прокаливаемости для конкрет­ ной марки стали, результатов исследований охлаждающей способности закалочных агре­ гатов, где будет осуществляться термообработка, и зависимостей Гербера-Висса, связы­ вающих характеристический размер, данные прокаливаемости стали (по торцевой пробе) и интенсивность охлаждения при закалке.

Следует отметить, что сквозная прокаливаемость зубчатых колес необходима лишь в отдельных случаях, когда это диктуется условиями их эксплуатации, а также при необхо­ димости проведения правки в процессе закалки, если коробление детали в результате тер­ мической обработки превышает допустимое.

Рис. 7 .6 . Характеристический размер S = Оэк0 для цементации заготовок, имеющих форму вала: а -д — вал-шестерни различной формы

При закалке деталей, подвергаемых правке, охлаждение в свободном состоянии (в масле, расплаве солей или на воздухе) проводится до температуры начала мартенситно­ го превращения. Дальнейшее охлаждение до температуры окружающей среды, сопровож­ дающееся мартенситным превращением, проводится в прессе или приспособлении.

Ориентировочная продолжительность охлаждения цилиндрических деталей по всему сечению от температуры нагрева под закалку до температуры начала мартенситного пре­ вращения (начала правки) может быть определена по данным [13].

Закалка с охлаждением в расплаве солей, в том числе с добавлением в него воды, до­ вольно широко применяется на заводах благодаря ряду существенных преимуществ пе­ ред закалкой с охлаждением в масле: повышается вязкость стали, исключаются в ряде случаев операция низкотемпературного отпуска и образование трещин, обеспечивается более высокая поверхностная твердость на деталях больших сечений, что снижает по­ требность в высоколегированных сталях.

В станкостроении применяется расплав солен состава 55% KN03 и 45% NaN02, со­ держащий 0,2-1,2% Н20; температура его поддерживается в интервале 180-350 °С. Во­ ду вводят при помощи специального приспособления при обязательном перемешива­ нии расплава сжатым воздухом, предварительно осушенным и очищенным от масла.

В индивидуальном и мелкосерийном производствах при изготовлении малонагруженных передач и передач, габариты которых строго не ограничены, зубчатые колеса под­ вергаются преимущественно объемной закалке с отпуском на разные температуры, нор­ мализацию применяют в основном для колес большого размера, например, для крупных литых зубчатых колес.