Б.И. Коган Технологические методы снижения деформаций про изготовлении зубчатых колес

1

1. Цель работы – изучение природы формирования деформаций зубчатых колёс при их изготовлении и изучение технологических мероприятий, направленных на исключение или снижение деформаций.

2. Природа формирования деформаций зубчатых колёс в процессе их производства

Причиной деформации (коробления) зубчатых колес из сталей 20Х2Н4А, 40ХН2МА являются остаточные напряжения, образующиеся на различных этапах изготовления, получения заготовок и частично наследуемые при последующих переделах.

Остаточные напряжения складываются из четырех достаточно независимых и аддитивных причин: термических напряжений, формирующихся в процессе нагрева и охлаждения; напряжений, образующихся в результате фазовых или структурных превращений; внешних напряжений, возникающих под нагрузкой рабочего инструмента или в садке (при термической обработке), возможно, и под собственной массой детали; и напряжений, наследованных от предварительной механической или термической обработок. Нагрев металла вызывает непрерывное его расширение и уменьшение плотности, причем плотность весьма резко изменяется при фазовых превращениях. Известно, что при закалке остаточные напряжения возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия. Эти напряжения называют тепловыми.

Неодинаковое распределение температур по сечению изделия при быстром охлаждении сопровождается и неравномерным изменением объема стали. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Однако сжатию поверхностных слоев препятствуют внутренние слои. Это приводит к тому, что в поверхностных слоях образуются временные напряжения, величина, а часто и знак которых могут меняться при понижении и выравнивании температур на поверхности и в сердцевине.

Термические напряжения, возникающие из-за различных скоростей охлаждения поверхности и сердцевины изделия, повышаются с увеличением разности температур, теплопередачи на поверхности и в

2

объеме, коэффициента линейного расширения стали, массы и сечения детали, а также с уменьшением теплопроводности и предела текучести при рабочих температурах.

Напряжения, вызванные фазовыми превращениями, получили название структурных. Величина их различна для различных типов превращений в стали. Установлена величина изменения удельного объема некоторых структурных составляющих в стали в зависимости от содержания в них углерода. Оно возрастает в порядке: аустенит – фер- ритно-карбидная структура (перлит, сорбит, троостит) – мартенсит, причем удельный объем составляет для ферритно-карбидной структуры

где Ср – массовая концентрация углерода; t – температура; V – удельный объем металлической фазы: Vα– феррита; Vм – мартенсита; Vγ – аустенита; Vk – карбида Fe3C.

При нормальной температуре удельный объем мартенсита больше удельного объема аустенита приблизительно на 4 %.

Поскольку превращение аустенита в мартенсит сопровождается изменением объема, то это приводит к образованию на поверхности детали сжимающих напряжений, а во внутренних слоях – растягивающих.

Однако на практике при объемной закалке одновременно возникают тепловые и структурные напряжения, которые суммируются. Суммирование напряжений зависит в каждом конкретном случае от реального температурного поля и реального поля структурных превращений по сечению детали или в различных его частях, которое для заданного сечения или геометрии детали определяется прокаливаемостью стали.

Из приведенных выше уравнений видно, что объемные изменения зависят от концентрации углерода и объема фазы, следовательно, фазовые напряжения тем больше, чем выше температура закалки, а также скорость охлаждения в интервале температур Мп и Мк. Поэтому закономерны общеизвестные рекомендации по снижению структурных на-

3

пряжений: это уменьшение скорости охлаждения при температурах ниже Мн и снижение температуры закалки.

На практике это реализуется подстуживанием перед закалкой или закалка в горячем масле. Однако следует учитывать, что при подстуживании может произойти выпадение нежелательных избыточных фаз, а при недостаточных скоростях охлаждения – появление продуктов немартенситного превращения.

Закаленная сталь всегда находится в структурно-напряженном состоянии. Отпуск является необходимым и радикальным средством уменьшения остаточных напряжений. Нагрев стали при отпуске способствует снижению предела текучести материала, особенно при появлении феррита. Это в свою очередь позволяет напряжениям совершить пластическую деформацию в отдельных микрообъемах, что дополнительно уменьшает напряжения. Чем выше температура отпуска и больше его продолжительность, тем в большей степени развиваются процессы релаксации напряжений.

Критерием оценки качества отпуска может служить гарантированный уровень требуемых свойств, например поверхностной твердости. На примере спирально-конических шестерен с торцевым модулем 11, изготовленных из стали 20 ХГНМ и термообработанных после нитроцементации на группы твердости 57-59 HRC и 61-63 HRC, можно проследить, что коробление шестерен первой группы (анализ коробления проводили по величине пятна контакта, измеряющегося в процессе приработки и испытаний) было меньше, а время до образования первых очагов питтинга больше. Группа шестерен с твердостью 55-56 HRC показала отрицательный результат из-за низкого уровня свойств поверхностного слоя (большое количество троостита в структуре поверхностного слоя).

Изменение объемов при фазовой перекристаллизации существенно зависит и от других стадий процесса термообработки, особенно при изменении поверхностного состава стали. Так, для химико-термической обработки как одного из массовых способов упрочнения на изменение объемов влияют концентрация углерода на поверхности, толщина слоя и сердцевины и др. Общеизвестна взаимосвязь между величиной остаточных напряжений после химико-термической обработки и такими характеристиками, как температурные коэффициенты объемного расширения карбидов и нитридов, количество в слое мартенсита и остаточного аустенита. Даже небольшое количество последнего может вызвать

4

высокие остаточные напряжения растяжения, а образование в поверхностном слое карбидов и нитридов приводит к возникновению сжимающих остаточных напряжений.

Представленные выше уравнения, учитывающие объемные доли фаз, дают хорошие практические результаты. Современная вычислительная техника позволяет заложить в банк данных различные соотношения для расчета объемных изменений при фазовых и структурных превращениях и оценить уровень ожидаемой деформации. В результате фазовых превращений изменение размеров обычно составляет

0,1-0,2 %.

Значительно сложнее с остаточными напряжениями, наследуемыми от предварительной термической и механической обработок. Напряжения, возникающие при механической обработке, приводят к короблению деталей при последующем нагреве под закалку или химикотермическом упрочнении.

Таким образом, при рассмотрении проблем возникновения различных видов напряжений можно однозначно утверждать, что значительная часть их формируется не только при окончательной термической обработке в результате фазовых или структурных превращений в стали, но обусловлена природой самой стали, определяемой способом

еепроизводства, и предварительной обработкой заготовок.

ВСША поставка стали для шестерен проводится исключительно по прокаливаемости для заданных диапазонов величины зерна аустенита, которая соответствует 7-8-му баллу по шкале SAE. Без соблюдения этих требований качества стали нельзя обеспечить стабильность деформации даже при безусловном выполнении требований технологии последующей обработки.

Практика ОАО «ЗИЛ» подтверждает целесообразность поставки стали для шестерен по прокаливаемости. Для шестерен с модулем 3-5 мм твердость на расстоянии 9 мм от торца стандартного образца (ГОСТ 5657-69) должна быть в пределах 35-45 HRC; для шестерен с более крупным модулем (6-10 мм) такая же твердость должна быть на расстоянии 15 мм от торца образца. Указанное свойство стали является более важным по сравнению с колебаниями содержания многих легирующих элементов в пределах марочного состава.

Важное значение для стабилизации прокаливаемости имеет селектирование стали по содержанию углерода и легирующих элементов.

5

Селектирование по углероду в пределах 0,05 % заметно влияет на качество термической обработки шестерен.

Например, сталь 25ХГН2МБФ, обладающая наследственно мелким зерном 13-14 номера (балла) при данном соотношении легирующих элементов, малочувствительна к воздействию предварительной термообработки, имеет высокую прокаливаемость насыщенного слоя, не склонна к образованию немартенситных продуктов превращения при охлаждении в горячем масле. Эти факторы являются определяющими в случае использования стали для снижения уровня деформации после окончательной термической обработки. Это связано с уменьшением структурных напряжений при α→γ→α − превращениях вследствие снижения содержания углерода в стали и компенсации прокаливаемости сердцевины легированием твердого раствора.

Получение минимальной деформации сложных по геометрии изделий, работающих в весьма напряженных условиях, возможно при использовании мартенситно-стареющей стали, обладающей высокой прокаливаемостью в сечениях до 350 мм, однако высокая стоимость такой стали не позволяет применять ее для деталей крупносерийного и массового производства. Поэтому углеродистые стали ограниченного легирования остаются наиболее распространенными в таком производстве.

Деформация связана не только со свойствами материала, но и с конструкционными особенностями самих деталей. К проблеме уменьшения деформации сложных по геометрии деталей, в частности зубчатых колес, необходимо подходить индивидуально.

Деформация зубчатого венца шестерен вызвана короблением его торцов, образованием конусности и зависит от его конфигурации и жесткости. Геометрия существенно влияет на деформацию по диаметру шлицевого и круглого отверстий одновенцовых, прямозубых, косозубых шестерен с модулем от 2 до 10 мм.

Установлено значительное влияние конфигурации и величины модуля зубчатого колеса на изменения его размеров и формы после окончательной термообработки. Эти характеристики являются основными для определения технологичности конструкции зубчатых колес. Снижение модуля на 2-3 мм способствует уменьшению изменения размеров и формы деталей после химико-термической обработки в 2 раза, а точность по шагу зацепления повышается на одну ступень при сохранении габаритных размеров и массы изделия.

6

Решение проблемы деформации начинается с технической документации на деталь, в которой должна быть установлена связь между геометрией детали и свойствами материала. Исходя из этого, выбирают технологический процесс и выделяют мероприятия по стабилизации технологии изготовления детали.

3. О технологических мероприятиях, способствующих снижению коробления и деформации при окончательной термической обработке

В условиях массового производства минимальная деформация шестерен достигается благодаря выполнению комплекса требований, предъявляемых к технологии их изготовления.

Изменение геометрических размеров и формы деталей после термической и химико-термической обработок является существенным недостатком этих процессов. Ввиду большого числа факторов, влияющих на деформацию, рассчитать изменение размеров и формы пока невозможно. Однако можно наметить технологические мероприятия, способствующие уменьшению коробления.

Снижению коробления способствует стабильность всех заданных

технологических параметров, а также повышение равномерности на-

грева, насыщения и охлаждения. Лучшие условия для уменьшения разброса по короблению в крупносерийном и массовом производствах обеспечиваются при использовании методических толкательных печей с относительно небольшими (до 100 кгс/поддон) загрузками, отдельной камерой предварительного подогрева, принудительной циркуляцией печной атмосферы, регулированием углеродного потенциала и закалочным устройством, обеспечивающими равномерное охлаждение и максимально возможную одновременность структурных и фазовых превращений по поверхности детали.

Подбором технологии химико-термической обработки можно воздействовать на величину коробления, причем правильно выбранные материалы и технологические параметры уменьшают среднее значение величины коробления, а стабильность процесса и улучшение конструкции используемого оборудования - разброс по короблению.

Детали, наиболее чувствительные к короблению, например спи- рально-конические колеса, шестерни гипоидных мостов, следует подвергать закалке в оправках или на прессах. В последнем случае на прес-

7

сах должна быть предусмотрена возможность широкого варьирования давления масла и направления его циркуляции. Оправки, используемые вторично, должны быть подвергнуты обработке на снятие напряжений и приведены в полное соответствие с требованиями чертежа.

По данным ряда фирм Европы, США, Японии, в частности фирм «Кадиллак», «Глиссон», «Эрликон» (Швейцария) и др., по-прежнему перспективным способом, обеспечивающим стабильность размеров тяжелонагруженных деталей, является закалка в штампах, оправках либо с «пробкой». Этот способ характерен и для отечественной технологии. Автоматические закалочные прессы успешно применяют в термическом производстве ОАО «ВАЗ», «КамАЗ», «ЗИЛ» и на ряде тракторных заводов.

Теоретический и практический интерес представляют работы последних лет Н.И. Кобаско по преодолению деформации при закалке металлических изделий. Им развит метод, основанный на струйной закалке с избыточным давлением подобно охлаждению в прессах фирмы «Эрликон». Сущность метода заключается в том, что при данном способе закалки имеет место «саморегулирующийся» тепловой процесс, который характеризуется тем, что в стадии пузырькового кипения температура поверхности изделия изменяется незначительно и поддерживается на уровне, мало отличающемся от температуры насыщения из охлаждающей среды. Учитывая это обстоятельство, можно, применяя повышенное давление или различные добавки к воде, вести процесс закалки так, чтобы температура поверхности изделия при пузырьковом кипении примерно совпадала с температурой начала мартенситного превращения. Тогда в момент воздействия высоких термических напряжений микроструктура изделия полностью или преимущественно состоит из переохлажденного аустенита. В этом случае мартенситное превращение протекает при более медленном охлаждении – в стадии конвективного теплообмена, где термические напряжения минимальны.

Предложенный метод расширяет возможности низкотемпературной термомеханической обработки, заложен и реализуется в процессах закалки в штампах, находит применение при закалке инструмента в воде или нейтральных водных растворах под избыточным давлением.

Интересное решение по борьбе с деформацией предложил М.И. Симашев. Закалка детали проводится на магнитной плите, сила взаимодействия с которой пропорциональна объему ферромагнитных

8

фаз, а следовательно, мартенсита. Плита может находиться в воздуш-

ном или масляном баке. Деталь помещают на плиту при температуре, которая несколько выше температуры начала мартенситного пре-

вращения. Охлаждение до этой температуры может проводиться различными способами в зависимости от материала и геометрии деталей. Указанный метод закалки целесообразно применять в мелкосерийном или единичном производствах.

Одним из направлений уменьшения деформаций является умень-

шение разности температур между нагретым объектом и охлаждаемой средой в процессе окончательной термической обработки. Это осуществляют с помощью подстуживания перед закалкой, закалки в горячей среде, ступенчатой закалки и изотермической закалки в солях.

Так, для цементации при температуре 930-950 °С при углеродном потенциале 0,8-0,9 рационально подстуживание до температуры 860-870 °С. Такой режим подстуживания одновременно целесообразен для снижения устойчивости переохлажденного аустенита легированных сталей, в том числе и хромоникелевых сталей.

Значительное снижение деформации обеспечивается закалкой в горячих средах (160-200 °С). Такая закалка уменьшает скорость охлаждения в требуемом интервале мартенситного превращения и выравнивает температуру по сечению детали, способствует большей одновременности превращения аустенита в мартенсит во всем объеме детали, снижая при этом тепловые напряжения микрообъемов. По данным фирмы «Мак» (США), шестерни со шлицевыми отверстиями диаметром 30-50 мм после цементации и непосредственной закалки в горячем масле (температура масла до 170-180 °С) дают усадку в весьма узком диапазоне – от 0,025 до 0,07 мм, что позволяет скорректировать размер втулки.

Для улучшаемых сталей температура масла должна быть в пределах 110-130 °С, для цементуемых при закалке в холодном масле – 50-80 °С. На ОАО «ВАЗ» при химико-термической обработке применяют три типа масел: с температурным интервалом 40-80, 100-140 и 160-180 °С.

В последнее время начали использоваться различные новые охлаждающие среды со специальными присадками на водной основе. Разработаны газовые, паровые, воздушные (туманообразные) среды и присадки, в частности «Аква-Пласт», «Аква-Квенч» (США), а также закал-

ка в жидком азоте, в псевдосжиженном (кипящем) слое, в маслах с

9

высокой охлаждающей способностью. В ОАО «Ярославский моторный завод» применяется созданная полимерная закалочная среда ЗПС-1 для поверхностной закалки деталей из легированных сталей с душевым охлаждением.

В табл. 1 даны примеры влияния некоторых технологических параметров окончательной термической обработки на коробление и деформацию шестерен. Анализ этих данных показывает, какие огромные резервы заложены только в технологии окончательной термической обработки деталей.

Таблица 1 Примеры технологического воздействия, направленного на снижение

деформации деталей типа шестерен

*БДО – биение делительной окружности; МЦР – межцентровое расстояние шестерен в зацеплении; ДВО – диаметр внутреннего отверстия.

**Эллипсность отверстия.

Для процессов химико-термической обработки или других процессов термической обработки, связанных с изменением химического состава поверхности, важнейшим технологическим параметром, определяющим склонность к деформации и короблению, является стабилизация химического состава и структуры насыщенного слоя. Для цементации, нитроцементации и карбонитрирования интегральным показателем является прокаливаемость насыщенного слоя.

Основным направлением совершенствования процессов высокотемпературной цементации или нитроцементации с целью снижения