Тема: Совершенствование технологии поверхностного упрочнения зубчатых деталей из низкоуглеродистых легированных сталей

Актуальность работы.В наше время на современных предприятиях машиностроения широко применяют зубчатые детали. Требования, предъявляемые к ним, определяются, в первую очередь, условиями их эксплуатации. Зубчатые детали должны иметь высокие показатели статической прочности и сопротивления усталости, контактной выносливости, износостойкости, которые в первую очередь зависят от применяемого материала и технологических методов упрочнения[1].
Наиболее широкое применение при производстве зубчатых деталей получили азотирование, цементация и нитроцементация. В настоящее время на предприятиях в России и за рубежом чаще применяют упрочнение путем цементации, так как:
- обеспечиваются высокие значения при необходимом сочетании усталостной и контактной выносливости, статической прочности при изгибе, износостойкости, вязкости и надежности при случайных пиковых нагрузках;
- возможно применение сравнительно недорогих сталей, обладающих удовлетворительной обрабатываемостью при резании и обработке давлением, технологичных при термической и химико -термической обработках, использование дешевых, недефицитных и технологичных насыщающих сред, содержащих углерод.
Самым распространенным методом диффузионного насыщения углеродом является газовая цементация. Применяют так же твердую цементацию, цементацию с использованием жидких органических соединений и природного газа. В последнее время усиленно ведутся работы по исследованию и созданию технологических процессов высокотемпературной газовой, ваакумной и ионной цементации.
Однако, наиболее перспективным методом упрочнения зубчатых деталей является комплексная обработка: химико-термическая обработка (цементация, нитроцементация) с последующим деформационным упрочнением их поверхности дробью. Преимущество наклепа дробью заключается в возможности упрочнения деталей разной формы и размеров, полной механизацией процесса, высокой производительности и относительно низких затратах на специальное оборудование.
В свою очередь, химико-термическая обработка является довольно трудоемким процессом и обладает высокой энергоемкостью. Следовательно, совершенствование существующих методов поверхностного упрочнения зубчатых деталей является актуальной задачей.Также актуально повышение стойкости и долговечности зубчатых деталей. Решение этой проблемы неразрывно связано с совершенствованием существующих и изысканием новых, более эффективных, методов повышения поверхностного упрочнения зубчатых деталей.
Цель работы и задачи исследования.Целью данной работы является анализ существующих методов упрочнения и совершенствование технологии поверхностного упрочнения зубчатых деталей из низкоуглеродистых легированных сталей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1) Провести анализ существующих методов изготовления и упрочнения зубчатых деталей;
2) Изучить материалы и методы исследования;
3) Изучить технологический процесс цементации зубчатых деталей;
4) Изучить технологию дробеструйной обработки;
5) Освоить методологию: контроля качества цементованных деталей; контроля качества дробемётного наклепа по прогибу контрольной пластины;стендовых испытаний зубчатых деталей на долговечность.
6) Разработать мероприятия по усовершенствованию технологии поверхностного упрочнения зубчатых деталей из низкоуглеродистых легированных сталей.
7) Произвести расчет экономического эффекта от внедрения на основании определения норм времени при газовой цементации до и после усовершенствования технологического процесса цементации зубчатой детали.
Научная и практическая значимость работы.
Разработан усовершенствованный технологический процесс цементации зубчатых деталей из низкоуглеродистых легированных сталей за счет сокращения длительности протекания процесса в результате увеличения скорости нагрева при цементации; для уменьшения количества дефектов в результате резкого охлаждения после закалки снижена скорость охлаждения за счет повышения температуры масла. Установлено, что внесенные изменения в технологический процесс цементации не повлияли на показатели качества сателлита дифференциала заднего моста из стали 18ХГР.
Установлено, что путем поверхностного наклепа деталей при дробеструйной обработке на механических и пневматических установках можно достичь дополнительного повышения изгибной и контактной прочности зубчатых деталей на 15-25%.
Установлена связь между микротвердостью в сердцевине зуба детали и прочностью. Высокая долговечность шестерен достигается при наличии однородного состояния в сердцевине, характеризуемого равнозначными показателями микротвердости отдельных структурных составляющих. Присутствие двух и более структурных составляющих с различной микротвёрдостью снижает долговечность деталей, и в тем большей степени, чем выше разница значений микротвердости между этими составляющими.
Объект исследования. Зубчатые детали.
Предмет исследования. Химический состав, микроструктура и свойства низкоуглеродистых легированных сталей, применяемых для изготовления зубчатых деталей.
Методы исследования. В работе были исследованы химический состав, микроструктура, микротвердость, твердость зубчатых деталей из низкоуглеродистых сталей. Химический состав металла детали определялся по ГОСТ 54153- 2010 на эмиссионном спектрометре «SPECTROMAXx». Исследование микроструктуры проводилось на образце, вырезанном в поперечном сечении относительно оси симметрии зуба детали. Толщина цементованного слоя детали замерялась по ГОСТ Р ИСО 6507- 1- 2007 на микротвердомере «Дуримет». Измерение твердости проводилось по методу Роквелла ГОСТ 9013- 59 на приборе ТР 5006.Интенсивность дробенаклепа анализировалась по методу, предложенным Альменом, посредством прогиба контрольных пластинок.
Апробация работы.Основные материалы по теме диссертации были доложены на II всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, студентов и учащихся «Наука в движении: от отражения к созданию реальности» (г.Альметьевск, 15 июня 2017г.); на итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского Федерального Университета (г.Набережные Челны, 2017г.); на всероссийской научно - практической конференции «IX Камские чтения» (г.Набережные Челны, 2017г.); на итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского Федерального Университета (г.Набережные Челны, 2019г.);
Публикации.По материалам работы опубликовано 6 работ в 3 сборниках:
1. Наука в движении: от отражения к созданию реальности: материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - М.: Издательство «Перо». 2017. - C. 60 - 64.
2. Итоговая научно-образовательная конференция студентов Казанского федерального университета 2017 года: сб. статей: в 6 т. - Казань: Изд-во Казан.ун-та, 2017. - Т. 6: Набережночелнинский институт.
Елабужский институт. - С. 162 - 164.
3. «IX Камские чтения»: всероссийская научно-практическая конференция. (2017; Набережные Челны). В 3-х ч. Часть 1. Всерос. научн.- практ. конф. «IX Камские чтения», 21 апреля 2017 г. [Текст]: сб-к док. / под ред. д-ра техн. наук Л.А. Симоновой. - Набережные Челны: Издательско-полиграфический центр Набережночелнинского института КФУ, 2017. - С. 67 - 72.
Купить

В ходе данной работы были изучены известные методы поверхностного упрочнения зубчатых деталей и выявлена возможность совершенствования технологии цементации для сокращения длительности технологического процесса и повышения производительности с последующим деформационным упрочнением их поверхности дробью с целью повышения стойкости и долговечности зубчатых деталей.
При детальном анализе существующего технологического процесса цементации на ПАО КАМАЗ была выявлена возможность сокращения длительности протекания процесса за счет увеличения скорости нагрева при цементации, была увеличена температура разогрева с 820°С до 870°С. Для уменьшения количества дефектов в результате резкого охлаждения после закалки уменьшили скорость охлаждения за счет повышения температуры масла со 108°С до 109°С.
Внесенные изменения в технологический процесс цементации не повлияли на показатели качества сателлита дифференциала заднего моста из стали 18ХГР. Получены графики распределения микротвердости по глубинецементованного слоя. В результате аппроксимации экспериментальных данных установлена линейная зависимость микротвердости HV от глубины насыщения поверхности углеродом.
После проведения мероприятий по оценке качества деталей, упрочненных новой технологией:
- Твердость закаленной цементованной поверхности равна 60,0 HRC,
что и соответствует требованию чертежа от 59 до 63 HRC,
- Твердость сердцевины - 42,4 HRC и эффективная глубина цементованного слоя 0,95 мм соответствуют требованию чертежа, а именно, твердость сердцевины от 30 до 44 HRC, глубина цементованного слоя от 0,8 до 1,6 мм.
Выявлено, что путем поверхностного наклепа деталей при дробеструйной обработке на механических и пневматических установках можно достичь дополнительное повышение изгибной и контактной прочности зубчатых деталей на 15-25%.
Установлена связь между микротвердостью в сердцевине зуба детали и прочностью. Высокая долговечность шестерен достигается при наличии однородного состояния в сердцевине, характеризуемого равнозначными показателями микротвердости отдельных структурных составляющих. Присутствие двух и более структурных составляющих с различной микротвердостью снижает долговечность деталей, и в тем большей степени, чем выше разница значений микротвердости между этими составляющими.

Купить