Упрочнение деталей планетарных редукторов из маломагнитных нержавеющих сталей, применяемых в судовом машиностроении

Развитие гражданского и военного судостроения остро нуждается в применении современных материалов, а также методов их упрочнения. Особое внимание следует обратить на стали, применяемые в главных силовых установках, а также узлах и механизмах, обеспечивающих их работу.

Применение сложнолегированных маломагнитных сталей с высокими характеристиками износостойкости поверхностного слоя гарантирует длительный эксплуатационный ресурс и высокие удельные показатели мощности ответственной редукторной техники. Стали с высоким содержанием хрома, никеля, марганца плохо упрочняются традиционными методами – цементацией, нитроцементацией, газовым азотированием, закалкой ТВЧ. Вдобавок, требуется дополнительная шлифовка, что повышает трудозатраты и снижает характеристики поверхностной твёрдости, приводит к неравномерному (пятнистому) формированию покрытий на деталях, что в конечном итоге сказывается на снижении межремонтного периода.

Наиболее современным и высокотехнологичным методом упрочнения является ионная химико-термическая обработка в вакууме с применением различных газов.

Инженерами предприятия ООО «СЕВМОРМАШ-2М» (г. Севастополь) и ООО «Ионные технологии» (г. Пермь) в течение 2016 – 2018 годов были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по упрочнению деталей планетарных редукторов из сталей 0Х20Н4АГ10, 08Х18Н5Г12АБ, 45Г17Ю3. Данные стали относятся к тяжелообрабатываемым и сложноазотируемым, в том числе и из-за склонности к наклёпу – пластическому упрочнению поверхностной зоны. В процессе НИОКР были изучены особенности формирования диффузионных слоёв на образцах и имитаторах деталей, подобраны оптимальные режимы химико-термической обработки, проведены многочисленные эксперименты и отработана технология упрочнения на серийных деталях, изготавливаемых для нужд Министерства обороны России.

Впервые в отечественной практике весь комплекс работ был оперативно выполнен на первой партии редукторов в 2016 году. Осенью 2018 года вторая партия деталей по отработанной технологии была упрочнена для того же военного заказчика. В настоящее время проводятся расширенные эксплуатационные испытания.

Основным типом упрочнения было выбрано высокотемпературное ионное азотирование.

Типы деталей, подвергаемых упрочнению – корончатые колеса, шестерни, вал-шестерни, эксцентрики и другие детали с модулем зуба m = 8 – 9.

Получены стабильные результаты по глубине и равномерности покрытия. В среднем увеличение твердости составляет  2.5 – 3 раза – до 900 HV, глубина диффузионного слоя 0.20 – 0.25 мм, хрупкость 1 балл – не хрупкий.

На рисунках 1 - 3 представлены фотографии зубчатых деталей  до, во время и после режима упрочнения.

Рисунок 1. Общий вид зубчатых колес, шестерней и валов до процесса азотирования

Рисунок 2. Общий вид зубчатых колес, шестерней и валов в процессе ионного азотирования

Рисунок 3. Общий вид зубчатых колес, шестерней и валов после азотирования

Профиль зубьев колес имеет эвольвентную боковую форму (рисунок 4). Зубчатые передачи в процессе эксплуатации испытывают контактные напряжения и напряжения изгиба, возникающие в момент, когда вся нагрузка воспринимается одной парой зубьев. Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения: излома зубьев от напряжений изгиба и выкрашивания рабочих поверхностей зубьев от контактных напряжений. С контактными напряжениями и трением в зацеплении связаны также износ, заедание и другие виды повреждения поверхностей зубьев (рисунок 5).

а	б
Рисунок 4. Фрагменты образцов-свидетелей (а) и схематическое строение зуба (б)

Одним из самых нагруженных участков профиля зубчатого колеса является боковая поверхность в зоне делительной окружности. В этой зоне происходит ударный вход зуба в зацепление. Поэтому основные параметры азотированного слоя контролировались на боковой поверхности в зоне делительной окружности.

а	б	в
Рисунок 5. Виды разрушений зубьев: а – излом зуба; б – усталостное выкрашивание; в – процесс образования усталостных раковин в закрытой передаче

Результаты металлографического исследования на стали 0Х20Н4АГ10 представлены в таблице 1. Твердость и микротвердость поверхности измерялась по методу Виккерса при нагрузке 5 кг (49.03 Н) и 100 г (0,98 H) соответственно.

Таблица 1. Характеристики азотированного слоя на стали 0Х20Н4АГ10

Толщина азотированного слоя контролировалась на поперечных шлифах образцов с помощью оптического микроскопа (рисунок 6, 7). На рисунке 6 представлена микроструктура распределения азотированного слоя с разных плоскостей. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя определялось на боковой поверхности зуба в области делительной окружности, дюрометрическим методом (рисунок 8).

а	б
Рисунок 6. Микроструктура азотированного слоя: а – распределение азотированного слоя по профилю зуба; б – распределение азотированного слоя по периметру зуба;

Рисунок 7. Микроструктура азотированного слоя боковой поверхности зуба, увеличение в 50 раз

Рисунок 8. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя

В результате ионного азотирования на образце и на деталях формируется равномерно развитый диффузионный слой, обладающий высокой твердостью с одновременным отсутствием хрупкости. Профиль распределения микротвердости азотированного слоя имеет плавный характер снижения с 1050 до 350 HV 0.1 на глубину 0,25 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технология упрочнения маломагнитных сталей методом ионной химико-термической обработки позволяет внедрить новые конструкторско-технологические решения, поднять на принципиально новый уровень качество продукции, существенно снизить стоимость и обеспечить увеличение эксплуатационного ресурса ответственных узлов и агрегатов. На сегодняшний день метод ионно-плазменного (вакуумного) азотирования можно рассматривать как передовую технологию поверхностного упрочнения деталей судостроительной промышленности.

•  ЗАКАЗАТЬ АЗОТИРОВАНИЕ
  ×

  Заказать ионное азотирование
  * Узнать можно ли упрочнить вашу деталь?