Разработка и внедрение высокопрочной теплостойкой стали для азотируемых и цементуемых высоконагруженных деталей машин

Одной из главных проблем современного машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин. Как показывает статистический анализ, большинство машин (85 — 90%) выходят из строя не из-за поломки, а в результате износа поверхностей отдельных деталей. Наиболее распространенными видами изнашивания является абразивное и под действием контактной усталости. В автомобильной промышленности 60−70% автомобильных двигателей поступает в ремонт из-за износа подшипников, валов, зубчатых передач, гильз цилиндров и других пар трения. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость: для автомобилей в — 6 раз, для самолетов до 5 раз, для станков до 8 раз. На ремонт автомобилей, тракторов и других машин затрачивается почти в 4 раза больше производственных мощностей, чем на их изготовление [1].

Ресурс работы многих узлов современных машин в значительной степени определяется контактной усталостью, являющейся основным видом износа подшипников качения, зубчатых колес, и др. узлов, работающих при больших контактных нагрузках. Контактная выносливость является критерием работоспособности высоконагруженных деталей машин и определяет долговечность, и надежность их работы. Высоконагруженные зубчатые колеса изготавливают из легированных цементуемых сталей с твердостью упрочненного поверхностного слоя 57 — 63HRC.

Использование цементации с последующей упрочняющей термообработкой вследствие многократных высокотемпературных нагревов и охлаждений приводит к деформации деталей. Для устранения геометрических погрешностей требуется проведение дополнительного шлифования деталей. Для большинства зубчатых колес трудоемкость операции зубошлифования составляет 30 — 50* % от общей трудоемкости их изготовления. Кроме того, вследствие интенсивного тепловыделения при шлифовании могут возникнуть прижоги — дефектные участки с неоднородной структурой и твердостью. Для некоторых групп зубчатых колес процент брака при этом очень велик (например, колеса с внутренним зацеплением).

Цементованные зубчатые колеса не могут эксплуатироваться — при повышенных температурах, т. е. при температурах, превышающих температуру низкого отпуска.

Азотирование является низкотемпературным процессом, лишено недостатков, свойственных цементации, т.к. не создает сильной' деформации. Низкие температурыпроцесса насыщения, используемые при азотировании, в такой степени уменьшают величину остаточной деформации этого типа деталей, что становится возможным отказ от операции зубошлифования. В результате трудоемкость механообработки снижается приблизительно на 40%. Кроме того, известно, что азотированные стали обладают в 1,5-Мраза более высокой износостойкостью и теплостойкостью, чем цементуемые. Однако, азотированные стали, не уступая по твердости цементованным сталям, имеют из-за высокой хрупкости азотированного слоя и малой толщины упрочненного слоя существенный недостаток — более низкую контактную выносливость. Эти выводы были сделаны на основе обобщения результатов экспериментальных исследований контактной выносливости азотированных, цементованных сталей, проведенных В. Н. Кудрявцевым, Р. Р. Гальпером и другими авторами [2 — 4], получивших отражение в ГОСТ 21 354–87, в котором допускаемые контактные напряжения для азотированных зубчатых колес в 1,5 раза ниже, чем допускаемые напряжения для цементованных зубчатых колес, и составляют 1050МПа. В связи с этим азотирование нашло широкое применение только для малои средненагруженных зубчатых колес (стк^ОООМПа).

Ограничения по использованию азотирования были связаны с применением несовершенной технологии азотирования (печное азотирование) и без учета структурных особенностей азотированного слоя. В последние годы интерес к азотированию значительно возрос. Появилось большое количество публикаций по теории и практики этого процесса. Большой вклад в развитие в нашей стране этого эффективного метода упрочнения внесли Ю. М. Лахтин. Б. Н. Арзамасов, Г. Ф. Косолапов, С. А. Герасимов и др. Фундаментальные исследования, выполненные ими, позволяют вернуться к вопросу о применении азотирования для высоконагруженных деталей взамен цементации.

В машиностроении проблема замены цементованных зубчатых колес азотированными чрезвычайно актуальна. При изготовлении высоконагруженных азотируемых деталей требуется обеспечение высоких механических свойств сердцевины. При выборе марок сталей необходимо также учитывать большую длительности процесса азотирования в условиях повышенных температур (500 — 600°С), у многих сталей при этих температурах происходит снижение механических свойств сердцевины, а также усиление склонности к отпускной хрупкости. Решение указанной проблемы в целом связано с правильным выбором сталей с учетом её механических свойств в зависимости от размеров поперечного сечения заготовок, разработкой оптимальных режимов термической обработки и методов азотирования.

На машиностроительных предприятиях в условиях мелкосерийного производства при изготовлении изделий используется большое разнообразие марок сталей для улучшаемых, цементуемых и азотируемых деталей с малыми объемами потребления, что вызывает значительные технические и экономические проблемы. Из-за малой потребности в стали не обеспечивается заказная норма труб, проката, поковок, слитков. Каждая марка стали требует свой режим упрочняющей термообработки, что затрудняет комплектацию садок, увеличивает их количество, и как следствие, трудоемкость и энергозатраты. Эти недостатки можно устранить, если сократить количество применяемых сталей.

В! связи с этим создание и внедрение в производство высокопрочной стали многоцелевого назначения с повышенной теплостойкостью и прокаливаемостью для изготовления высоконагруженных деталей, в том числе цементуемых и азотируемых, является в настоящее время актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках конверсионной программы ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» по освоению изготовления импортозамещающих узкозахватных очистных комбайнов нового поколения «Кузбасс — 500».

Цель работы — разработка и внедрение высокопрочной теплостойкой стали многоцелевого назначения для изготовления азотируемых и цементуемых высоконагруженных деталей машин.

Программа работы:

— обоснование химического состава стали;

— исследование структуры, физико-механических свойств и критериев разрушения синергетики стали в зависимости от температурно-временных параметров термической и химико-термической обработки;

— оценка контактной выносливости и выносливости при изгибе;

— разработка и внедрение технологии горячей пластической деформации, термической и химико-термической обработки (газового азотирования и цементауции).

Научная новизна работы:

1. Установлено влияние никеля на:

— внутризеренную структуру;

— структуру и химический состав зернограничных областей азотированного слоя;

— контактную долговечность.

2. Определены значения критических точек, физических свойств (модуля упругостиудельной теплоемкостикоэффициентов теплопроводности, температуропроводноститемпературного коэффициента линейного расширения) разработанной стали.

3. Исследована кинетика распада переохлажденного аустенита стали при непрерывном охлаждении и в изотермических условиях.

4. Установлено влияние циклической объемной закалки с предварительным высоким отпуском на величину зерна аустенита.

5. Определены значения критериев разрушения синергетики новой стали в различных структурно — энергетических состояниях.

Практическая значимость:

1. Разработаны и внедрены в промышленность технические условия ТУ 0958 — 011 -8 627 614 — 95 «Поковки, прокат крупного сеченияблюмы (болванки обжатые), заготовки квадратные из высокопрочной стали марки 20ХЗНЗМФБ для тяжелонагруженных улучшаемых, азотируемых, цементуемых деталей».

2. Разработаны и внедрены технологии горячей пластической деформации, термической и химико-термической обработки (газового азотирования, цементации).

3.Внедрение на ОАО «НМЗ» стали многоцелевого назначения 20ХЗНЗМФБ при изготовлении очистных угольных комбайнов позволило за счет сокращения применяемых марок стали, унификации режимов термической и химико-термической обработки деталей, оптимизации маршрутных технологий и уменьшения трудоемкости за счет перевода части деталей, в том числе зубчатых колес, с цементации на азотирование получить экономический эффект ~1,2 млн. рублей на одно изделие.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования влияния никеля в низкоуглеродистых легированных сталях на: структуру и химический состав зернограничных областей азотированного слояконтактную долговечность азотированного слоя.

2. Химический состав новой высокопрочной теплостойкой стали.

3. Результаты исследования зависимости физико-механических свойств и критериев разрушения синергетики разработанной стали от различных режимов термообработки, а также экспериментальной оценки её предела контактной выносливости после азотирования с широко применяемыми азотируемыми и цементуемыми сталями.

4. Технологии горячей пластической деформации, упрочняющей объемной термической обработки, газового азотирования и цементации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Установлено, что никель оказывает положительное влияние на структуру азотированного слоя в низкоуглеродистых легированных сталях. В сталях с содержанием никеля ~ 3,0% его концентрация в зернограничной области достигает 10−15%, а концентрация азота снижается в ~ 2 раза, что уменьшает охрупчивание азотированного слоя и, как следствие этого, приводит к повышению контактной долговечности (N50) в ~ 8 раз (с N5o ~ 8 млн. циклов до N50 ~ 64 млн. циклов).

2. Доказано, что в сталях с содержанием никеля -3% дисперсность нитридных частиц в 2—3 раза выше по сравнению с безникелевыми сталями.

3. Разработана в соавторстве высокопрочная теплостойкая сталь мартенситного класса 20ХЗНЗМФБ, характеризующаяся:

— значением критических точек: ACi = 730−750°СМн = 360−370°С.

Асз = 780−800°СМк = 250~70°С;

— высокой устойчивостью аустенита в перлитной и бейнитной областях;

— критической скоростью охлаждения при закалке, равной 160 град /мин;

— прокаливаемостью до 100 мм при твердости 44—46 HRC (охлаждение в воде, масле) — 42−45 HRC (охлаждение на воздухе);

— стабильностью высоких прочностных и пластических свойств при закалке от температур 830−980°С;

— высокой отпускоустойчивостью до 580 °C с обеспечением предела текучести а0,2 > 1000 МПа;

4. Установлены закономерности изменения механических свойств, структуры стали, критериев разрушения синергетики в зависимости от режимов термической и химико-термической обработки, определены количественные значения физических характеристик стали.

5. Разработаны ТУ 0958−011−8 627 614−95 «Поковки, прокат круглого сечения, блюмы (болванки обжатые), заготовки квадратные из высокопрочной стали марки 20X3 НЗ МФБ для тяжелонагруженных улучшаемых, азотируемых и цементуемых деталей».

6. Разработаны и внедрены технологии:

— горячей пластической деформации (ковка, штамповка);

— термической, в том числе предварительной термической обработки, обеспечивающей получение в кованных заготовках сложной формы однородного по размеру мелкого зерна аустенита № 10−9' ГОСТ 5639 и высокий уровень механических свойств (о 0,2 >Ю00МПа) после отпуска при температуре 540 °C в течение 40ч- -газовой цементации, обеспечивающей после упрочняющей термической обработки значение предела текучести сердцевины су0,2 >1200МПа, твердости слоя не менее 58HRC, содержание остаточного аустенита в слое 3−7%;

— газового азотирования, обеспечивающего высокую работоспособность деталей в условиях контактной усталости. Азотирование деталей из стали 20ХЗНЗМФБ по двухступенчатому режиму 500 °C, 20ч+ 540 °C, 40ч при глубине диффузионного слоя 0,6.0,7 мм и твердости слоя ~ HV 8700МПа обеспечивает получение предела контактной выносливости, равного 2400МПа, и предела выносливости при изгибе — 850МПа, что соизмеримо со значениями этих характеристик цементуемой стали 18Х2Н4В — Ш.

7. Экономическая эффективность от внедрения на ОАО «НМЗ» новой стали многоцелевого назначения при изготовлении очистных угольных комбайнов за счет сокращения применяемых марок стали, унификации режимов термической и химико-термической обработки деталей, оптимизации маршрутных технологий и уменьшения трудоемкости за счет перевода деталей с цементации на азотирование составляет ~ 1,2 млн руб. на одно изделие.

— 132.