ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС МЕТОДОМ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОГО ОБРАБОТКИ

АННОТАЦИЯ

Усовершенствована технология термоциклической обработки мелкомодульных зубчатых колес, позволяющая повысить их износостойкость на 30÷40 %. Зубчатые колеса подвергали предварительному циклическому нагреванию и последующей импульсной закалке.

ABSTRACT

The technology of thermocyclic treatment of fine-module gears has been improved, which makes it possible to increase their wear resistance by 30÷40 %. Gears were subjected to preliminary cyclic heating and subsequent impulse hardening.

Ключевые слова: термоциклическая обработка, плотность дислокаций, низколегированная сталь, износостойкость, импульсная закалка, дефектность, кристаллическая структура.

Keywords: thermal cycling, dislocation density, low-alloy steel, wear resistance, impulse hardening, defects, crystal structure.

Анализ публикаций по термической обработке [1–3] показал, что в настоящее время для улучшения структуры и свойств сталей широко используют циклическую термичекую обработку (ЦТО), которая эффективнее улучшает механические свойства сталей по сравнению с традиционными термическими обработками [2].

В настоящей работе исследования направлены на повышение износостойкости зубьев мелкомодульных зубчатых колес из низколегированной стали 65Г применением ЦТО без изменения химического состава материала зубчатых колес. Положительные результаты достигнуты изменениями структуры материала в результате физических и химических процессов.

При ЦТО интенсифицируются диффузионные превращения в результате повторного ускоренного нагревания и охлаждения в стадии незаконченной перекристаллизации аустенита и еще несформированного роста зерен. Данный способ обработки основан на получении устойчивого аустенита путем размельчения структурных зерен и перераспределения дислокаций при высоких температурах, достигаемых индукционным нагреваванием (ИН). В результате накопления структурных преобразований и фазовых превращений получали структуру стали, которую нельзя получить традиционными способами термообработки.

Эффективность ЦТО зависит от последовательности операций, числа циклов, скорости нагревания и охлаждения, химического состава стали. Применения ЦТО с полиморфными превращениями и в условиях их отсутствия показали, что при нагревании и охлаждении сталей имеют место фазовые превращения. Для повышения износостойкости низколегированных сталей необходимо оптимизировать режимы ЦТО. Для этох целей исследовали структуры сталей и определяли износостойкость в условиях трения после предварительной ЦТО и последующей ИН образцов.   

При ЦТО образцы диаметром 20 мм и высотой 7 мм нагревали высокочастотным током продолжительность от нескольких до 20 с. Для нагревания использовали устройство Л3107, для определения температуры –термопары. Образцы нагревали до температур T = 450, 550 и 700 °С, после чего их охлаждали. Для этого подавали охлажденный воздух. Повторная фазовая перекристаллизация сталей достигалась нагреванием до температуры Ас₃ + (30÷50) °С. Окончательное нагревание осуществляли при температуре T = 900 °С. Далее сталь охлаждали в масле и нагревали до температуры T = 180 °С, затем охлаждали подачей воздуха. Окончательное охлаждение стали обеспечивает формирование пластинчатой структуры [7]. Лучший результат был получен ЦТО  при T = 450 °С.

Металлографический анализ выполняли на ионном хроматографе Metrochm 850 Professional IC (SEM-EDX) и растровом электронном микроскопе Zeiss EVO MA 10 [5]. Структуру стали изучали с помощью спектрального рентгеновского анализатора Shimadzu [6]. Для получения рентгенограмм использовали излучение железного анода. Ширину рентгеновских линий определяли по графикам, скорректированным аппроксимацией.

Для опредедения износостойкости измеряли износ при трении образцов стали по неприкрепленным абразивным материалам и по металлу [6].

Важным при ЦТО является обеспечение закалки стали на требуемую глубину и исключение появления окалины на поверхности изделия. Преимуществами данной обработки являются высокая производительность, получение изделия с высокими механическими свойствами, возможность обработки изделий любой формы.

Анализ состояния структуры предварительно термически обработанной стали 65Г с помощью ИН при разных температурах (в пределах докритической) после ЦТО показал, что дефектность кристаллической структуры стали мало зависит от температуры и числа циклов [7]. Установлено, что при нагревании выше критической температуры Ас₁ и при охлаждении подачей воздуха формировались примерно одинаковые структуры, при этом дефектности были разные.

В табл. 1 приведены значения показателя дефектности β, среднее значение β_ср и твердость HRC образцов из стали 65Г после ЦТО, индукционной закалки и отпуска при T = 180 °С. Лучшие результаты получены при температуре 450 °С и числе циклов нагревания N = 3÷5. При других температурах (550 и 700 °С) дефектность кристаллического строения была неустойчивой или низкой. Хорошие результаты при T = 450 °С можно объяснить микропластической деформацией в результате быстрого теплообмена при циклическом нагревании. Образование второй фазы обусловлено микропластической деформацией зерен. В результате имело место интенсификация возникновения дислокаций, при этом высокая температура приводит к полигонизации структуры, что обеспечивает ее стабильность, в результате кристаллическая структура материала имеет невысокую дефектность. 

Таблица 1.

Показатель дефектности β и твердость стали 65Г после ЦТО, индукционной закалки и отпуска при T = 180 °С

Повторное нагревание выше температуры образования одноразовой полигонной структуры при высокой плотности дислокаций обеспечивает образование требуемой структуры. При ЦТО сталей при температуре до 450 °С происходит интенсивная перекристаллизация структуры, при этом полигонная структура не образуется.

Сравнение результатов после ЦТО при температуре 450 °С и окончательной закалке ИН с результатами традиционной закалки ИН показало, что плотности дислокаций в первом случае повышаются незначительно. При одинаковой твердости (59÷60 HRC) разница ширины рентгеновских линий составила Δβ_ср = 5∙10^-3 рад [8].

Испытания на износостойкость образцов, прошедших разные режимы обработки, показали аналогичные результаты, что и выводы исследований микроструктур и тонких структур образцов. При ЦТО и ИН в образцах образовалась одинаковая микроструктура, зерна одинаковых размеров, образцы имели одинаковые твердости, отличие заключалось в дефектности кристаллической решетки [9].

Установлено, что после трех циклов ЦТО при T =  450 °С, охлаждении воздухом, ИН при T = 900 °С и отпуске при T = 180 °С в течение 60 мин износостойкость стали 65Г на 25÷30 % выше по сравнению с износостойкостью образцов, подвергнутых  другими видами термической обработки. 

Структурный анализ сталей показал, что во всех случаях ЦТО и ИН образуется мартенситная структура, обеспечивающая высокую жесткость материала. Размеры мартенситных пластинок зависят от температуры нагревания при закалке. При ЦТО до температуры 450 °С размеры аустенитных зерен и мартенситных пластинок не зависили от температуры.

Установлено, что изменение размеров аустенитных зерен оказывает большое влияние на результаты закалки.

Рентгеноструктурный анализ образцов сталей, обработанных ИН при разных температурах, показал, что степень дефектности кристаллической структуры после закалки стали зависит от продолжительности нагревания (рисунок). Самая высокий показатель дефектности β структуры наблюдался при пролоджительности нагревания t = 4÷5 с. Однако эта закономерность может измениться при других размера изделия.

Рисунок 1. Зависимости показателя дефектности β стали от времени t термической обработки при T = 870 (1); 900 (2); 950 (3) °С

Полученные результаты сравнивали с показателями образцов из стали 18ХГТ, прощедших нитроцементацию и термообработку.

Экспериментально был определен оптимальный режим термической обработки зубцов мелкомодульных зубчатых колес из стали 65Г:

1. Циклическое нагревание (число циклов N = 3) при T = 400÷500 °С, охлаждение подачей воздуха до температуры 80÷100 °С; при напряжении на аноде  V_а = 6,5 кВ  и силе тока I_а = 5,5 А  сила тока составила I = 0,55 А,  зубья нагреались до T = 450 °С, время нагревания составило t = 3÷4 с; время охлаждения воздухом до температуры T =  80÷100 °С составляло 140 с.
2. Закалка при напряжении на аноде V_а = 9 кВ и силе тока I_а = 8,5 А сила тока составила I = 0,8÷1,8 А, зубья нагреались до T = 900 °С, время нагревания 7 с, охлаждаюшая среда – масло.
3. Нагревание в селитровой ванне до 180÷200 °С в течение 60 мин, отпуск на воздухе. 

Таким образом, зубья зубчатых колес из стали 65Г, прошедшие ЦТО и ИН, имели износостойкость в 1,3–1,4 раза выше изностойкостьи зубчатыз колес с термообработкой традиционным ИН и в 1,2–1,3 раз выше износостойкости зубцов из нитроцементированной стали 18ХГТ.

Список литературы:

1. Structural heredity in the U-6Nb Alloy and Conditions for its Elimination / V. V. Sagaradze, Yu.N. Zuev, S. V. Bondarchuk, et. al. // The Phusics of Materials and Metallography.  2013. Vol. 114. N. 4. P. 299–307.
2. Structural heredity in low-carbon martensitic steels / S. S. Yugai, L. M. Kleiner, A. A. Shatsov, N. N. Mitrokhovich // MetallSciens and teat treatment. 2004. Vol. 46. N. 11, 12. P. 539–542.
3. Бердиев Д. М., Юсупов А. А. Повышение износостойкости зубьев зубчатых колес циклической закалкой с индукционным нагреванием // Вестник машиностроения. 2020. № 3. С. 50–53.
4. Батаев В. А., Батаев А. А., Алхимов А. П. Методы структурного анализа материалов и контроля качества деталей. М.: Наука, 2007. 224 с.
5. Горелик С. С., Скаков Ю. А., Расторгуев Л. Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: МИСИС, 1994.  328 с.
6. Гаркунов Д. Н.Триботехника. М.: МСХА, 2005. 356 с.
7. Бердиев Д. М., Юсупов А. А. Повышение износостойкости стальных изделий методом нестандартных режимов термической обработки // Литьё и металлургия. 2021. № 2. С. 100–104.
8. Бердиев Д. М., Юсупов А. А. Совершенствование технологии термоциклической обработки для повышения износостойкость зубчатых колес // Вестник машиностроения. 2022. № 11. С. 69–72.
9. Бердиев Д. М., Юсупов А. А., Тошматов Р. К. Увеличение стойкости штампов холодной штамповки методом закалки с промежуточным отпуском // Вестник машиностроения. 2022. № 7. С. 61–64.