Зубчатые передачи (рис. 1) относятся к деталям приводной техники, подвергаемым значительным циклическим нагрузкам. В условиях высоких окружных скоростей и передаваемых мощностей зубчатые передачи должны обладать соответствующими прочностными свойствами. Объективным критерием оценки их прочности является изгибная и контактная выносливость зубьев [2].

                         а)                           б)
Рис. 1. Зубчатые передачи: а) — цилиндрические; б) — конические.

Изгибная выносливость зубьев характеризуется сопротивлением зубчатого зацепления усталостным поломкам, она зависит от уровня изгибных напряжений в основании зуба, характера и места приложения силы, действующей нормально к боковой поверхности зуба [1]. Нормальную силу (рис. 2) определяют с помощью окружной силы Р_окр по формуле
                                  Р_н = Р_окр/cos α, где —α — угол зацепления.

Максимальные напряжения изгиба возникают в основании зуба в области сопряжения боковой поверхности и впадины. При этом на стороне зуба, к которой прилагается сила (точка С), действуют напряжения растяжения, а на противоположной стороне (точка D) — напряжения сжатия.

Рис. 2. Схема действия нормальной силы: Рр и Рт — радиальная и тангенциальная составляющие нормальной силы.

Контактная выносливость зубьев характеризуется сопротивлением типовым отказам боковых поверхностей зубьев — питингу, микропитингу, заеданию, износу под действием высоких контактных напряжений. Она определяется точностью изготовления, формой и расположением пятна контакта сопряжённых зубьев, твёрдостью их поверхностей, наличием качественной смазки, высотой и структурой расположения микронеровностей на поверхности зубьев, а также уровнем контактных напряжений.

Для обеспечения хороших эксплуатационных свойств зубчатые колёса из стали подвергают термической и химико-термической обработке (ХТО). В таблице 1 приведены наиболее часто применяемые в промышленности процессы упрочнения зубчатых колёс, достигаемые пределы изгибной и контактной выносливости, а также твёрдость поверхности зубьев по Роквеллу (HRC) и Виккерсу (HV).

Улучшение представляет собой термическую обработку, при которой нагретую до температуры 800–930°С сталь закаливают, т. е. производят быстрое охлаждение в воде или масле до достижения мартенситной структуры. Затем для получения высокой вязкости и пластичности стали производят отпуск после повторного нагрева. При этом, как правило, достигают максимальную твёрдость поверхности зубьев ≈ 41 HRC (табл. 1), которая не обеспечивает требуемой долговечности работы зубчатых колёс при высоких нагрузках. Поэтому процесс улучшения очень часто применяют для подготовки сердцевины зуба (твёрдость 33…45 HRC) под последующие азотирование, цементацию или нитроцементацию.

Температуру отпуска после улучшения выбирают приблизительно на 20°С выше температуры последующего азотирования, цементации или нитроцементации. Это позволяет избежать снижения твёрдости, а также значительных изменений размеров и формы зубчатых колёс при последующей химико-термической обработке. Типичным для улучшаемых сталей является содержание углерода 0,22–0,5%. Среди улучшаемых сталей следует отметить не легированные 35, 40, 45 и легированные стали 40Х, 38ХА, 40ХН, 45ХМФА, 50ХГФА.

Азотирование и цементация (нитроцементация) относятся к химико-термическoй обработке, которая представляет собой совокупность процессов теплового и химического воздействий, направленных на изменение химического состава и структуры поверхностного слоя зубчатых колёс после их механической обработки. Она характеризуется введением в поверхностный слой металла благодаря химической реакции различных элементов из внешней среды: углерода, азота, кислорода, кремния и др. При этом на поверхности зубчатых колёс образуется твёрдый диффузионный слой, которому свойственно по мере углубления снижение концентрации диффундирующих элементов и микротвёрдости [1].

Азотирование — это процесс насыщения азотом поверхности стали при температуре 500–580°С. В качестве азотосодержащего газа используют аммиак, который при высокой температуре распадается на азот и водород. Температура при азотировании ниже температуры фазовых превращений, поэтому зубчатые колёса имеют незначительные деформации. Азотированию подвергают зубчатые колёса мелкого (m ≤ 2 мм) и среднего (m = 2…7 мм) модуля.

Рекомендуемые значения толщины азотированного слоя:
Модуль, мм                   1,3–1,6       2,5–3,2       4,2–6,3
Глубина слоя, мм        0,13–0,33      0,3–0,5      0,41–0,7

К азотируемым относятся стали, легированные молибденом, хромом, ванадием, титаном, алюминием. Эти легирующие элементы затрудняют диффузию азота в поверхностный слой, уменьшают толщину азотированного слоя, но значительно повышают твёрдость поверхности зубьев до 65–67 HRC. Однако высокая результирующая хрупкость поверхностного слоя не всегда позволяет использовать азотированные зубчатые передачи в условиях высоких динамических нагрузок.

Проведённые на АМО ЗИЛ экспериментальные исследования процесса газового азотирования цилиндрических зубчатых колёс (mn = 3,5 мм, z = 31, β = 25°, α = 20°) грузового автомобиля, изготовленных из высоколегированных сталей 38Х2 Н2 МА, 40ХН2 МА и 38Х2 МЮА, показали (рис. 3), что для достижения глубины азотированного слоя Нα = 0,5–0,55 мм требуется время t = 55–65 часов. Это свидетельствует о низкой производительности процесса и больших энергозатратах. Несмотря на положительные свойства процесса азотирования — незначительные деформации зубчатых колёс, его применение ограниченно. Хрупкость и небольшая глубина азотированного слоя сокращают область применения этого процесса для зубчатых колёс, контактные напряжения которых не превышают 800 МПа [6].

Рис. 3. Зависимость глубины азотированного слоя Нα от времени t при азотировании зубчатых колёс из сталей: 1-40ХН2 МА; 2-38Х2 Н2 МА; 3-38Х2 МЮА.
 

Для эффективного упрочнения поверхности зубчатых колёс широко применяют цементацию и нитроцементацию. Исследования, проведённые доктором технических наук, профессором В. М. Зинченко, позволили установить основные преимущества процессов цементации и нитроцементации по сравнению с азотированием:
1. Широкий диапазон регулирования толщины упрочнённого слоя;
2. Возможность проведения ХТО зубчатых колёс из экономно легированных сталей (низко- и среднелегированных);
3. Высокая производительность ХТО зубчатых колёс с возможностью проведения закалки после подстуживания или непосредственно с температуры диффузионного насыщения;
4. Высокие показатели изгибной и контактной выносливости зубьев.
График испытаний изгибной усталостной прочности цементованных (сталь 18ХГТ) и азотированных (сталь 38Х2 МЮА) зубьев цилиндрических колёс с одинаковыми геометрическими параметрами приведён на рис. 4. Изгибная выносливость характеризуется способностью упрочнённого слоя и сердцевины тормозить развитие усталостного разрушения у основания зуба. Эту способность оценивают пределом выносливости при изгибе зубьев σизг, который является важным критерием работоспособности зубчатых колёс.

Рис. 4. Усталостная изгибная прочность в основании зуба цилиндрических колёс.

Зубчатые колёса после цементации 2 имеют более высокие показатели по изгибной выносливости по сравнению с зубчатыми колёсами после азотирования 4. Шлифование боковых поверхностей зубьев и дна впадины после ХТО позволяет повысить изгибную выносливость как цементованных 1, так и азотированных 3 колёс [5].

Рис. 5. Схемы химико-термического процесса (а) и строения термически упрочнённого поверхностного слоя зубьев (б).
 

Цементацию — насыщение поверхности углеродом при высоких температурах, применяют для зубчатых колёс из сталей с содержанием углерода 0,10–0,25%. Химико-термическую обработку большинства зубчатых колёс из низко- и среднелегированных сталей производят по схеме, приведённой на рис. 5,а. Температура насыщения составляет 930°С и более. По завершению науглероживания непосредственно с температуры цементации или после незначительного подстуживания (например, для сталей, содержащих менее 2% никеля — 20Х, 25ХГТ, 25ХГМ и др.) выполняют охлаждение (закалку).

Нитроцементация — это процесс насыщения поверхности стали углеродом и азотом. По сравнению с цементацией снижается температура нагрева в среднем на 100°С, уменьшается цикл обработки, благодаря чему снижается изменение формы и размеров зубчатых колёс после закалки.

При газовой нитроцементации в смесь цементирующего газа добавляют около 10% аммиака. Достигается необходимая толщина диффузионного слоя. Газовая нитроцементация с точки зрения обеспечения минимальной деформации является предпочтительной, но требует тщательного контроля и регулирования условий насыщения.

В целях снижения напряжений и сохранения высоких значений твёрдости и износостойкости поверхности после цементации и нитроцементации с последующей закалкой применяют низкий отпуск при температуре 150–220°С. Температурно-временные параметры ХТО в значительной степени зависят от химического состава применяемых сталей и имеющегося оборудования.

Благоприятным сочетанием упрочнённого слоя являются [1]:
1. Микроструктура, состоящая из мартенсита и равномерно распределённого аустенита (25–30%). Для высоконагруженных зубчатых колёс содержание остаточного аустенита желательно уменьшить до 15–25%. Допускается наличие незначительного количества мелких изолированных карбидов и карбонитридов.
2. Концентрация углерода на поверхности зубьев должна составлять в среднем 0,8–1,1% (рис. 5,б). Для зубчатых колёс, работающих при высоких контактных нагрузках и подвергающихся значительному износу, содержание углерода на поверхности зубьев целесообразно повысить, например, до 1,1–1,4%. В сердцевине зубьев содержание углерода должно соответствовать исходному значению (для большинства сталей 0,15–0,25%).
3. Эффективная толщина упрочнённого слоя hэф — поверхностная часть слоя 1, имеющего твёрдость ≥ 51 HRC, определяется в зависимости от модуля зубчатого колеса, а также изгибных и контактных напряжений при его эксплуатации (рис. 6, а).
4. Твёрдость сердцевины рекомендуется выдерживать в диапазоне 33–45 HRC. Принимая во внимание, что у зубчатых колёс начальный очаг усталостного разрушения развивается на боковых поверхностях или во впадине зубьев, прочность и пластичность упрочнённого слоя является определяющим фактором.

                        а)                                                                б)
Рис. 6. Схема распределения твёрдости в сечении зуба (а) и толщина слоя цементации в зависимости от модуля зубчатого колеса (б).

В то же время большое число исследований показало, что стабильно высокие эксплуатационные свойства зубчатых колёс достигают при благоприятном сочетании толщины упрочнённого слоя и прочности сердцевины зубьев.

Известно, что в процессе ХТО цилиндрические и конические зубчатые колёса деформируются и точность их зубьев снижается на 1–2 степени (соответственно по ГОСТ 1643–81 и ГОСТ 1758–81). В связи с этим после ХТО применяют финишные операции (зубошлифование, зубофрезерование и зубонарезание твёрдосплавными инструментами, зубохонингование, зубопритирку), которые позволяют существенно снизить погрешности зубьев и повысить эксплуатационные свойства зубчатых передач.

Очень важно, чтобы припуск на финишную операцию был минимальным, но достаточным для устранения погрешностей, возникших при ХТО [4]. Это позволит лишь незначительно уменьшить эффективную толщину 1 упрочнённого слоя (рис. 6, б).

Эффективная толщина упрочнённого слоя h_эф зависит от нормального модуля mn зубчатого колеса (рис. 7). При этом максимальные значения по изгибным напряжениям σ_изг у зубчатого колеса получают при эффективной толщине слоя 0,1mn. В связи с этим для зубчатых колёс, у которых напряжения зубьев на изгиб имеют решающее значение, эффективную толщину слоя после ХТО следует определять по формуле:
h_эф = 0,1m_n + Z_max
где Z_max — максимальный припуск на финишную операцию на сторону зуба.

В то же время контактные напряжения σкон, которые характеризуются пределом контактной выносливости и противодействуют износу рабочих поверхностей, а также питингу и микропитингу, достигают максимальных значений при толщине эффективного слоя более 0,25m_n. Поэтому для зубчатых колёс, у которых наиболее важными являются контактные напряжения, толщину эффективного слоя целесообразно увеличить

h_эф ≥ 0,25m_n + Z_max

Технологию газовой цементации (нитроцементации) зубчатых колёс, как правило, производят в автоматизированных проходных или камерных печах в контролируемой эндотермической атмосфере из природного газа или пропан-бутановой смеси [3].

Рис. 7. Влияние эффективной толщины слоя на изгибные σ_изг и контактные σкон напряжения.

Такая технология имеет ряд существенных недостатков:
— большой расход атмосферы процесса и высокие затраты на её изготовление;
— постоянный выброс СО₂ и СО в окружающую среду из-за неполного сгорания атмосферы после завершения процесса.
— окисление рабочих поверхностей зубьев колёс, которое снижает твёрдость поверхности зубьев и их контактную прочность;
— большие энергетические расходы и трудоёмкость обслуживания оборудования.

В связи с этим в последнее время всё более широкое применение получает газовая вакуумная цементация. Хотя вакуумная цементация с использованием ацетилена известна уже давно (авторское свидетельство СССР В. Крылова № 668978 от 28.06.1979 г.), потребовалось несколько десятилетий для разработки специальных конструкций вакуумных печей и режимов цементации, обеспечивающих высокое качество ХТО. При этом наилучшие результаты были достигнуты при применении вакуумной цементации в комбинации с последующей закалкой газом (гелий, азот) под давлением.

В отличии от атмосферной вакуумную цементацию в производстве зубчатых колёс выполняют при низком давлении в среде газов пропана (содержание углерода С ≈ 82%) и ацетилена (С ≈ 92%) или их смеси. Эти газы обладают в диапазоне температур 900–1050°С высокой скоростью диссоциации и успешно применяются при газовой цементации.
Вследствие более высокого содержания углерода ацетилен используют, главным образом, для зубчатых колёс со сложной геометрической формой. Чтобы исключить внутреннее окисление упрочнённого слоя, необходимо использовать только чистый ацетилен.

Типовой вакуумный процесс науглероживания начинается с создания вакуума в печи и нагрева заготовок в среде азота (рис. 8). Его производят при атмосферном давление от 1 до 20 мбар после нагрева заготовок до температуры цементации и подачи науглероживающего газа.

Рис. 8. Схема процесса вакуумной цементации и последующей закалки газом под давлением.

Вакуумная цементация характеризуется очень высокой скоростью передачи углерода на поверхности заготовок, поэтому значительно снижается продолжительность процесса по сравнению с атмосферным науглероживанием. Чтобы избежать образования карбидов особенно в области головки зуба, вакуумную цементацию проводят импульсами путём чередования коротких фаз насыщения углеродом и продолжительных фаз диффузии углерода вовнутрь заготовки [3].

Целью фазы диффузии, действующей после фазы науглероживания, является снижение концентрации углерода на поверхности заготовок зубчатых колёс, например, до уровня 75% максимального насыщения перед последующей фазой подачи углеродосодержащего газа. Пульсирующий процесс вакуумной цементации гарантирует получение равномерных, хорошо сформированных науглероженных слоев на всех поверхностях зубчатых колёс, включая дно впадины зубьев.

Большим преимуществом газового науглероживания при низком давлении является возможность значительного повышения производительности процесса и сокращения затрат энергии и цикла изготовления зубчатых колёс. Так повышение температуры при насыщении углеродом поверхности зубьев (mn=3,5 мм, z=31, β=35°, α=20°) до толщины науглероженного слоя 1,2 мм с 950°С до 1050°С позволяет снизить время цементации приблизительно на 60% (рис. 9).

Обычно росту температуры цементации сопутствует укрупнение зерна и получения грубой микроструктуры как в поверхностном слое, так и в сердцевине.

Рис. 9. Зависимость времени вакуумной газовой цементации от температуры.

Однако короткое время науглероживания, а также целевое легирование на стадии изготовления сталей такими микроэлементами, как Al, Ti и Nb позволяют стабильно достигать мелкозернистую структуру у стальных заготовок зубчатых колёс после цементации и закалки.

Очень важно, что при вакуумной цементации по сравнению с атмосферной не происходит окисления поверхностного слоя зубчатых колёс. Объясняется это тем, что при цементации присутствующий в газовой атмосфере кислород, вступает в реакцию с железом и легирующими элементами стальной заготовки и в приповерхностной зоне глубиной 0,02–0,03 мм возникают окислы и перлитные образования с невысокой твёрдостью.

Если на контактную износостойкость наличие окисления и перлита в приповерхностной зоне не оказывает существенного влияния, то на изгибную износостойкость их воздействие имеет решающее воздействие. У большинства зубчатых колёс дно впадины зубьев после ХТО механически не обрабатывается, поэтому окислы и отдельные включения перлита способствуют снижению допустимого предела выносливости при изгибе в основании зуба, где изгибные напряжения при эксплуатации достигают максимальных значений.

Для повышения изгибной выносливости зубчатых колёс после атмосферной цементации и закалки, как правило, производят дробеструйную обработку дна впадины зубьев или шлифуют всю впадину зубьев, включая основание.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
 

Промышленное использование технологии вакуумной газовой цементации (нитроцементации) позволило выявить её основные преимущества по сравнению с аналогичными процессами в атмосферной среде:
1. Короткое время процесса при высоком потоке углерода;
2. Отсутствие поверхностного окисления;
3. Равномерность толщины науглероженного слоя;
4. Возможность проведения процесса при высоких температурах до 1080°С;
5. Низкое энергопотребление и отсутствие выбросов СО₂ и СО в окружающую среду.
6. Возможность создания непрерывного высокопроизводительного процесса ХТО, включающего вакуумную газовую цементацию с последующей закалкой газом под давлением;
7. Возможность встраивания ХТО в линию механической обработки зубчатых колёс.
 

А. С. Калашников, д. т. н., профессор
Московский государственный
машиностроительный университет (МАМИ)
e‑mail: alexandr_kalashnikov45@rambler.ru
 

Литература

1. Зинченко В. М. Инженерия поверхности зубчатых колёс методами химико-термической обработки. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. 302 с.
2. Калашников А. С., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Современные методы обработки зубчатых колёс. М.: Издательский дом «Спектр», 2012. 238 с.
3. Loser K. Innovative Warmebehandlungsprozesse und — anlage in der Getribeproduktion. Доклад на конгрессе «GETPRO», Германия, Вюрцбург, март 2007.15 с.
4. Шандров Б. В., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Экспериментальные исследования припусков при непрерывном обкатном зубошлифование. — Справочник. Инженерный журнал №11. М.: Машиностроение, 2007. С. 17-22.
5. Bausch Tomas. Innovative Zahnradfertigung. Expert verlag GmbH, D‑71268, Reningen, Germany, 778 s.
6. Елисеев Ю. С., Крымов В. В., Нежурин И. П., Новиков В. С., Рыжов Н. М. Производство зубчатых колёс газотурбинных двигателей. «Высшая школа», Москва, 2001, 495 с.