2 (70), 2013 110 / УДК 669.18.33:621.78 Поступила 26.03.2013 С. П. РУдеНКо, А. л. ВАльКо, А. А. шиПКо, оим НАН Беларуси, В. В. БылицКий, П. Г. КАРПоВич, оАо «БелАз» повышение эКсплУатационных хараКтеристиК зУбЧатых Колес Карьерных самосвалов посредством оптимизации режимов химиКо-термиЧесКой обработКи Проведено обследование камерных агрегатов ипсен и выполнен контроль распределения углерода по толщине диф- фузионного слоя после химико-термической обработки по серийному технологическому процессу. Выявлена нестабиль- ность показаний используемых на линии камерных агрегатов ипсен кислородных датчиков после эксплуатации одного года. The examination of Ipsenchamber units are held.Control of carbon distribution through the thickness of the diffusion layer af- ter thermochemical treatment for serial manufacturing process is executed. Theinstability of indications used in the line of Ipsen- chamber units oxygen sensors after one year of exploitation is identified. Габариты редукторов мотор-колес (РМК) опре- деляются размерами шин, в связи с чем детали РМК должны иметь допустимые размеры при до- статочной прочности и долговечности. В настоя- щее время весьма актуальна задача обеспечения ресурса редукторов мотор-колес карьерных само- свалов не менее 600 тыс. км пробега. Наиболее эф- фективный путь обеспечения долговечности зуб- чатых колес состоит в применении новых кон- струкционных сталей с повышенными физико-ме- ханическими свойствами, а также в совершенствовании технологии химико-термической обработки. Применяемая в настоящее время для изготов- ления зубчатых колес РМК сталь 20Х2Н4А имеет высокие физико-механические свойства и проч- ность, однако весьма нетехнологична на всех ста- диях металлургического передела. Она склонна к образованию литейных дефектов и требует слож- ной технологии ковки и применения специальных длительных режимов отжига поковок, а также усложненной технологии последующей химико- термической обработки. В цементованных слоях зубчатых колес из стали 20Х2Н4А трудно избе- жать повышенного содержания остаточного аусте- нита, что вызывает трудности в стабильном полу- чении требуемых твердости (≥ 59 HRC) и эффек- тивной толщины слоя с микротвердостью не ниже 750 HV 0,2. Под действием контактных нагрузок из-за недостаточной эффективной твердости воз- можны преждевременные разрушения поверхно- стей зубьев вследствие глубинного контактного выкрашивания [1–3]. В производственной нормативной документа- ции принято регламентировать поверхностную твердость, твердость сердцевины и толщину це- ментованного слоя зубчатых колес. Эти величины являются основными контролируемыми параме- трами при химико-термической обработке, однако они недостаточны для высоконапряженных зубча- тых колес. Важными характеристиками, определя- ющими работоспособность высоконапряженных зубчатых колес, являются эффективные твердость и толщина упрочненного слоя при бездефектной микроструктуре [4, 5]. Регламентирование указан- ных показателей – гарантия высокой долговечно- сти зубчатых колес РМК. Требуемые эффективные толщина и твердость упрочненного слоя назначаются исходя из расчета ресурса по значениям микротвердости в каждой зоне слоя и сравнения полученных значений с ре- гламентированной величиной. Ресурс зубчатых ко- лес определяется по методике [6], разработанной применительно к зубчатым колесам автотракторной техники. Методика основана на экспериментально 2 (70), 2013 / 111 доказанном факте, что глубинная контактная уста- лость поверхностей зубьев является основным критерием работоспособности высоконапряжен- ных зубчатых колес трансмиссий энергонасыщен- ных машин. Перечисленные выше технологические недо- статки используемой в настоящее время стали 20Х2Н4А вызвали необходимость проведения ис- следований по повышению эксплуатационных свойств зубчатых колес редукторов путем приме- нения перспективных марок стали и оптимизации технологических режимов химико-термической обработки. В качестве перспективной была выбра- на сталь 20ХН3МА с более низким содержанием хрома и никеля, дополнительно легированная мо- либденом [7]. Для обоснованного выбора режимов химико- термической обработки зубчатых колес послужили результаты обследования технологических пара- метров камерных агрегатов Ипсен и контроля ка- чества образцов после ХТО по серийному техно- логическому процессу. Выявлены случаи, когда максимальное содержание углерода в упрочненном слое было доэвтектоидным и не превышало 0,7 мас.% при задаваемом системой «Сarb-o-Prof 4.0» значении 0,9 % С, толщина диффузионного слоя составляла 2,2–2,3 мм (рис. 1) при заданной толщине 2,45 мм (при содержании углерода 0,35%). Согласно серийному техпроцессу, контрольной точкой завершения процесса насыщения углеро- дом деталей является момент совпадения содержа- ния углерода 0,35% на заданной глубине. Суще- ствует более точный метод управления процессом цементации – по полному совпадению задаваемого и расчетного профилей распределения углерода по толщине диффузионного слоя. В обоих случаях моделирование процесса выполняется на основа- нии уровня выходного сигнала кислородного зон- да. Оценка точности регулирования углеродного потенциала эндотермической атмосферы показала, что одной из причин пониженного содержания углерода в диффузионном слое служат завышен- ные показания датчиков относительно реального углеродного потенциала в печном пространстве. При длительной работе погружных кислородных датчиков с неизбежными циклами нагрева и охлаж- дения образование сажи на поверхности зонда уменьшает проходное сечение, что приводит к ис- кажению показаний в сторону завышенных значе- ний. В итоге процесс цементации проводится при заниженном относительно задаваемого углеродном потенциале. Анализ работы кислородных зондов погружно- го типа, установленных на цементационном обору- довании ряда белорусских предприятий (ОАО «БелАЗ», РУП «МТЗ», ОАО «МАЗ»), показал их недолговечность, а также нестабильность показа- ний датчиков после их эксплуатации более одного года. Учитывая возможное несоответствие расчет- ного углеродного потенциала реальному, можно рекомендовать непосредственный контроль эндо- термической атмосферы методом фольговой про- бы. При несовпадении расчетного углеродного по- тенциала с определенным прямым методом по фольге производится либо корректировка коэффи- циентов пересчета электродвижущей силы датчика в углеродный потенциал, либо замена кислородного зонда на новый. Можно также рекомендовать ин- дивидуальный прожиг кислородного зонда в труб- чатой лабораторной печи при температуре 850 оС и времени не менее 10 ч. Наиболее перспективными для контроля угле- родного потенциала, по нашему мнению, являются кислородные датчики выносного типа, которые производит ФГУП СПО «Аналитприбор» (г. Смо- ленск) или ООО «Уралэлектропечь» (г. Екатерин- бург). Выносные датчики не подвергаются тепло- вым колебаниям (термостатированы), что и объяс- няет их высокую надежность и долговечность. Рис. 1. Распределение углерода по толщине цементованного слоя образцов для случая нестабильной работы кислородно- го зонда при химико-термической обработке по серийной технологии Рис. 2. Распределение углерода по толщине цементованного слоя образцов после химико-термической обработки по оп- тимальным технологическим режимам 2 (70), 2013 112 / На основании результатов исследований на ли- нии камерных агрегатов Ипсен проведены ре- монтно-наладочные работы, в частности, произве- дена обоснованная замена кислородных датчиков, выполнена корректировка программных коэффи- циентов расчета углеродного потенциала и техно- логических режимов цементации и нагрева под за- калку зубчатых колес. Химико-термическая обработку образцов, из- готовленных из серийных марок сталей 20Х2Н4А, 20ХН3А и перспективной марки 20ХН3МА, вы- полняли на линии камерных агрегатов «Ипсен» по технологическому режиму: цементация при 930 оС на толщину слоя до полупереходной зоны (0,35 %С) 2,2–2,6 мм, высокий отпуск при 650 оС, на- грев до 830 оС под закалку, закалка в масло АКС МЗ−38, низкий отпуск при 180 оС в течение 3 ч. Выбранные размеры образцов по скоростям охлаж- дения соответствовали зубчатому венцу шестерен с модулем 8−10 мм [1, 8]. На рис. 2 показано рас- пределение углерода по толщине упрочненного слоя опытных образцов, прошедших полный цикл химико-термической обработки на линии Ипсен. Из рисунка видно, что корректировка технологиче- ских режимов цементации и нагрева под закалку в сочетании с оптимальными коэффициентами расчета углеродного потенциала позволила полу- чить эвтектоидное содержание углерода (0,8 %) в поверхностных слоях зубчатых колес при требуе- мом распределении углерода по толщине упроч- ненного слоя, причем при неизменном времени це- ментации толщина слоя увеличилась на 10 %. Распределение микротвердости по толщине упрочненного слоя исследованных образцов после полного цикла ХТО приведено на рис. 3−6. Соглас- но ГОСТ 30634, эффективная толщина упрочнен- ного слоя должна быть обеспечена для значений микротвердости 750, 700 и 600 HV 0,2. Из полу- ченных данных видно, что из-за повышенного со- держания в цементованном слое остаточного ау- стенита минимальную поверхностную твердость и микротвердость при узкой полосе рассеяния име- ют образцы из стали 20Х2Н4А (см. рис. 3). Отме- Рис. 4. Распределение микротвердости по толщине цемен- тованного слоя образцов из стали 20ХН3А после химико- термической обработки по оптимальным технологическим режимам Рис. 3. Распределение микротвердости по толщине цемен- тованного слоя образцов из стали 20Х2Н4А после химико- термической обработки по оптимальным технологическим режимам Рис. 5. Распределение микротвердости по толщине цемен- тованного слоя образцов из стали 20ХН3МА после химико- термической обработки по оптимальным технологическим режимам Рис. 6. Распределение микротвердости по толщине цемен- тованного слоя образцов из стали 20Х2Н4А после химико- термической обработки: 1 – цементация, высокий отпуск, закалка; 2 – цементация, высокий отпуск, закалка, низкий отпуск 180 оС , 1,5 ч; 3 – цементация, высокий отпуск, закал- ка, низкий отпуск 180 оС , 3 ч 2 (70), 2013 / 113 тим, что непосредственно после закалки твердость поверхности образцов из серийной стали не пре- вышала 60−61 HRC (760 HV 0,2) при содержании остаточного аустенита 28–30 об.%. Одним из воз- можных вариантов повышения поверхностной твердости зубчатых колес из стали 20Х2Н4А явля- ется сокращение длительности низкого отпуска при 180 оС с 3 до 1,5–2 ч (рис. 6). Тем не менее, данный режим низкого отпуска не позволит полу- чить рекомендуемую ГОСТ 30634 эффективную толщину упрочненного слоя для значений микро- твердости 750 HV 0,2. Величина микротвердости цементованного слоя образцов из сталей 20ХН3А и 20ХН3МА име- ет более высокий уровень (до 770 HV 0,2). Широ- кая полоса рассеяния микротвердости, полученная на образцах из стали 20ХН3А (см. рис. 4), объяс- няется ее ограниченной прокаливаемостью при со- держании углерода менее 0,5%. Образцы из стали 20ХН3МА имеют узкую полосу распределения микротвердости при эффективной толщине цемен- тованного слоя до 750 HV – 0,5–0,7 мм, до 700 HV – 1,0–1,2 мм, до 600 HV – 1,8–2,0 мм (см. рис. 5), причем значения микротвердости на расстоянии от поверхности 2,2 – 2,6 мм (полупереходная зона) не ниже, чем для стали 20Х2Н4А. По данным рентге- ноструктурного анализа, выполненного на дифрак- тометре D 8 Advance Bruker (Германия), макси- мальное содержание остаточного аустенита для образцов из сталей 20ХН3А и 20ХН3МА не пре- вышало 20 об.%. Установлено, что микроструктура цементованно- го слоя образцов из стали 20ХН3МА после ХТО со- стояла из мелкоигольчатого мартенсита 3–4-го балла [9] и остаточного аустенита 1–2-го балла [10] (рис. 7, а). Величина зерна цементованного слоя, выявленного химическим травлением по методике пат. № 15273 [11], соответствовала № 10 согласно ГОСТ 5639, со- держание карбидов не превышало 1-го балла (рис. 7, б). Микроструктура сердцевины содержала малоуглеро- дистый мартенсит при величине зерна № 9. Форми- рование мелкозернистой микроструктуры и невысо- кое содержание остаточного аустенита в упрочнен- ном слое позволяет в перспективе скорректировать схему технологического процесса ХТО зубчатых ко- лес из стали 20ХН3МА в части исключения проме- жуточного высокого отпуска. Выводы 1. Проведено обследование камерных агрега- тов Ипсен и выполнен контроль распределения углерода по толщине диффузионного слоя после ХТО по серийному технологическому процессу. Были выявлены случаи, когда максимальное со- держание углерода в упрочненном слое являлось доэвтектоидным и не превышало 0,7 мас.% при задаваемом системой управления процессом на стадии диффузионного выравнивания значении 0,9 % С. 2. Выявлена нестабильность показаний исполь- зуемых на линии камерных агрегатов Ипсен кис- лородных датчиков после эксплуатации более одного года. Наиболее перспективными для кон- троля и регулирования углеродного потенциала, по нашему мнению, являются термостатированные кислородные датчики выносного типа. 3. Установлены технологические недостатки серийной стали 20Х2Н4А, которая характеризует- ся повышенным содержанием остаточного аусте- нита и недостаточной эффективной толщиной це- ментованного слоя, определяемой как расстояние от поверхности до участка с микротвердостью не ниже 750 HV 0,2. 4. Выполнена оптимизация технологических режимов цементации и закалки зубчатых колес из серийной стали 20Х2Н4А и перспективной 20ХН3МА на линии камерных агрегатов Ипсен. Рис. 7. Бездефектная микроструктура цементованного слоя образца из стали 20ХН3МА: а – травление в 4%-ном растворе азотной кислоты; б – травление по пат. № 15273 2 (70), 2013 114 / Литература 1. С у с и н А. А. Химико-термическое упрочнение высоконапряженных деталей. Минск: Беларуская навука, 1999. 2. З и н ч е н к о В. М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. 3. Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач / В. Е. Антонюк [и др.]; под общ. ред. В. Е. Старжинского, М. М. Кане. СПб.: Профессия, 2007. 4. Р у д е н к о С. П., В а л ь к о А. Л., М о с у н о в Е. И. Структура цементованных слоев зубчатых колес трансмиссий энер- гонасыщенных машин // Металловедение и термическая обработка металлов. 2012. № 4. С. 38–42. 5. Р у д е н к о С. П., В а л ь к о А. Л., М о с у н о в Е. И. Технические требования к качеству цементованных слоев зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин // Автомобильная промышленность. 2011. № 9. С. 33−36. 6. Р у д е н к о С. П. Расчет ресурса зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин с учетом качества химико- термического упрочнения / С. П. Руденко // Механика машин, механизмов и материалов. 2010. № 4. С. 58−60. 7. Конструкционная легированная сталь: пат. 16513 Республика Беларусь: МПК С 22С 38/46 / Моисеенко В. И., Шкатуло Н. Д. № а20110892; заявл. 21.06.2011; опубл. 30.10.2012. Бюл. № 5. 8. Р у д е н к о С. П., Ш и п к о А. А., В а л ь к о А. Л., К у з ь м е н к о в О. В. Проектирование высокоэффективных техно- логических процессов химико-термической обработки зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин // Механика ма- шин, механизмов и материалов. 2011. № 2. С. 67−70. 9. ГОСТ 8233−76. Сталь. Эталоны микроструктур. 10. К а л ь н е р В. Д. и др. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей: Cправ. М.: Ма- шиностроение, 1984. 11. Металлографический реактив для выявления микроструктуры цементованной конструкционной стали: пат. 15273 Республика Беларусь: МПК С 23 F 1/28 / А. Л. Валько, С. П. Руденко, Е. И. Мосунов, А. И. Михлюк № а20101136; заявл. 23.07.2010; опубл. 30.12.2011. Бюл. № 6. Микроструктура и эффективная толщина цементо- ванного слоя образцов из новой стали 20ХН3МА соответствуют требованиям к высоконапряженным зубчатым колесам. Замену стали 20Х2Н4А на 20ХН3МА наряду с проведенной оптимизацией технологических режимов цементации и закалки можно рассматривать как вариант повышения экс- плуатационных характеристик зубчатых колес ре- дукторов мотор-колес карьерных самосвалов ОАО «БелАЗ».