Способ изготовления зубчатых колес из высокопрочного чугуна

21 9/32 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Дудецкая Лариса Романовна Покровский Артур Игоревич Гаухштейн Иосиф Самуилович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ изготовления зубчатых колес из высокопрочного чугуна, включающий получение литой заготовки, ее предварительную механическую обработку, горячую пластическую деформацию зуба и изотермическую закалку, отличающийся тем, что литую заготовку перед предварительной механической обработкой подвергают нагреву до 900940 С, выдерживают при этой температуре 3 часа, охлаждают до температуры 480-520 С со скоростью, не превышающей 60-80 С/час, затем охлаждают на воздухе, изотермическую закалку зубчатого колеса производят с нагревом до 900-940 С в печи с восстановительной атмосферой, а после изотермической закалки производят окончательную механическую обработку.(56)1748912 1, 1992.2123406 1, 1998.2072395 1, 1997. Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам изготовления зубчатых колес и может быть использовано при изготовлении тяжелонагруженных зубчатых пар из высокопрочного бейнитного чугуна. Бейнитный высокопрочный чугун является перспективным материалом для изготовления зубчатых колес в автостроении, дизелестроении, тракторостроении и других отраслях машиностроения, обеспечивая уменьшение массы деталей, затрат на изготовление, снижение шумовых характеристик по сравнению с зубчатыми колесами из цементуемых или улучшаемых легированных сталей. Известные современные способы изготовления зубчатых колес из высокопрочного чугуна с бейнитной структурой включают получение литой заготовки, ее механическую обработку (в том числе нарезку зубьев), изотермическую закалку, промывку, дробеструйную обработку, окончательную механическую обработку 1. Отсутствие смягчающего отжига отливок перед механической обработкой затрудняет ее проведение на станках с ЧПУ,особенно при использовании легирующих добавок - стабилизаторов перлита. Кроме того,6552 1 при осуществлении изотермической закалки приходится применять длительные выдержки на высокотемпературной стадии термической обработки - для предельно возможного насыщения углеродом твердого раствора и образования при закалке бейнитной структуры в сечении зуба. Подобная обработка приводит к росту аустенитного зерна и поверхностному окислению деталей, что снижает прочностные свойства и увеличивает удельные энергетические затраты. Известны также способы изготовления зубчатых колес, включающие, кроме указанных операций, деформационную обработку литой заготовки, осуществляемую, в основном, с градиентом степени деформации по сечению шестерни, что обеспечивает оптимальное сочетание прочностных и эксплуатационных характеристик 2. Применение деформирования в процессе изготовления зубчатых колес не устраняет отмеченных выше недостатков технологии. Кроме того, деформирование с заданным градиентом степени деформации делает процесс достаточно сложным (особенно в случае пластического формообразования зуба). Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ изготовления зубчатых колес 3, включающий получение литых заготовок, предварительную механическую обработку, формообразование зуба путем горячего пластического деформирования при степени деформации 0,7-0,8 у его основания и 0,4-0,5 у вершины, изотермическую закалку и окончательную механическую обработку. Указанный способ был выбран авторами в качестве прототипа при создании изобретения. Указанный способ имеет следующие недостатки не предусмотрено проведение смягчающего отжига литых заготовок перед механической обработкой, что затрудняет ее проведение на станках с ЧПУ строго заданный градиент степени деформации можно обеспечить только при выдавливании заготовок в процессе нагрева под закалку для насыщения твердого раствора углеродом необходимы длительные выдержки, что приводит к окислению поверхности зуба, росту аустенитного зерна и, как следствие, снижению контактной усталостной выносливости зубчатых колес и увеличению энергетических затрат на их изготовление. При изотермической закалке сердцевина зубчатых колес имеет повышенную пластичность, что увеличивает вероятность поломок зубчатых пар в экстремальных ситуациях. Задачей настоящего изобретения является улучшение обрабатываемости резанием,повышение износостойкости и контактной усталостной выносливости зубчатых колес, а также сокращение цикла термической обработки. Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе изготовления зубчатых колес из высокопрочного чугуна, включающем получение литой заготовки, ее предварительную механическую обработку, горячую пластическую деформацию зуба, изотермическую закалку и окончательную механическую обработку, литую заготовку перед механической обработкой подвергают нагреву до 900-940 С, выдерживают при этой температуре 3 часа, охлаждают до температуры 480-520 С со скоростью, не превышающей 60-80 С/час,затем охлаждают на воздухе, а нагрев зубчатого колеса для изотермической закалки производят в печи с восстановительной атмосферой при температуре 900-940 С. Предлагаемый способ изготовления зубчатых колес имеет следующие преимущества по сравнению с известным термическая обработка литых заготовок по предлагаемому режиму приводит к выравниванию химического состава по сечению отливки, образованию дополнительных равномерно расположенных в матрице шаровидных включений графита. При охлаждении с заданной скоростью 60-80 С/час в отливках из чугуна, легированных никелем и медью, формируется структура преимущественно из зернистого перлита, способствующая ускоренному переходу углерода в твердый раствор при нагреве зубчатых колес под закалку и улучшению обрабатываемости резанием при механической обработке. Применение скорости охлаждения, превышающей 80 /час, приводит к образованию структур с пластинчатой или игольчатой формой цементита, что повышает твер 2 6552 1 дость и ухудшает обрабатываемость резанием (особенно при нарезке зуба). Применение скорости охлаждения менее 60 С/час приводит к значительному удлиннению цикла обработки деталей и перерасходу электроэнергии. Нагрев зубчатых колес при изотермической закалке в печи с восстановительной атмосферой до 900-940 С имеет целью устранить окисление поверхности зуба, что особенно важно для зубчатых колес с зубом, не подвергающимся штамповке, а также повысить износостойкость за счет дополнительного насыщения поверхности зуба углеродом, что способствует образованию дополнительного количества метастабильного аустенита и во время охлаждения препятствует образованию мартенсита. В процессе эксплуатации зубчатых пар метастабильный аустенит в поверхностном слое превращается в мартенсит, в результате чего возрастает твердость и износостойкость рабочей поверхности зубчатых колес. Меняя время выдержки при повышенных температурах, можно регулировать содержание аустенита в структуре деталей. Нагрев до температуры ниже 900 С приводит к неполному аустенитному превращению и впоследствии к снижению эксплуатационных характеристик в готовых зубчатых колесах. Нагрев до температуры выше 940 С приводит к росту аустенитного зерна и снижению пластичности у готовых деталей. Перенос деталей из печи с восстановительной атмосферой на воздух по достижении температуры 480-520 С обусловлен полным завершением к этому моменту аустенитного превращения и экономией энергоносителей для обогрева печи. Перенос их на воздух при температуре выше 520 С сопровождается ростом внутренних напряжений, короблением деталей, увеличением твердости и ухудшением обрабатываемости. Перенос на воздух при температуре ниже 480 С приводит к более длительному нахождению деталей в печи и экономически непродуктивен. В качестве примера осуществлено изготовление зубчатых колес главной передачи автомобиля МАЗ по предлагаемому способу и способу-прототипу. Литые заготовки имели следующий химический состав, мас.углерод 3,4-3,6, кремний 2,0-2,4, марганец 0,3-0,4,никель 0,4-0,6, хром до 0,1, сера до 0,02, фосфор до 0,08, магний 0,04-0,06. Заготовки подвергали смягчающему отжигу по режиму нагрев до температуры 900 С, выдержка 3 часа,охлаждение с печью до температуры 500 С с регулируемой скоростью, далее на воздухе. После предварительной механической обработки и нарезки зуба заготовки деформировали на кривошипно-шатунном прессе усилием 1200 т в закрытом штампе, нагретом до температуры 400 С, со степенью деформации 5080 по сечению. Нагрев заготовок осуществляли в индукторе до температуры 900-950 С током высокой частоты. Перед окончательной механической обработкой зубчатые колеса подвергали изотермической закалке при температуре 320 С с нагревом под закалку в атмосфере воздуха или диссоциированного метана (18 СО 40 Н 23-53, ост. азот и углекислый газ). Зубчатые колеса подвергали испытаниям на износостойкость, усталостную выносливость, определяли твердость сердцевины и поверхности зуба, а также ударную вязкость. Износостойкость определяли по изменению геометрических размеров рабочей поверхности зуба после 24 часов работы. Испытания на усталость проводили по ГОСТ 25.502-79 на образцах литых и деформированных с заданным обжатием. Результаты испытаний зубчатых колес приведены в таблице. 6552 1 Таблица 1 Результаты испытаний зубчатых колес из высокопрочного чугуна СкоВремя Темпера- рость Нагрев вы Способ тура на- охлажпод задержгрева, С ден.,калку ки, час С/час 1 2 3 4 5 6 Известна воз 1 ный 4 духе Свойства Износ рабочей поНВ 2 верхности, мм 8 9 0,026 Предв восст. 160 лагае- 85020 7010 1 0,006 400 450 480 атм. 180 мый Предв восст. 1603 лагае- 90020 7010 1 0,004 440 460 570 атм. 180 мый Предв восст. 1604 лагае- 95020 7010 1 0,008 440 450 500 атм. 180 мый Предв восст. 1805 лагае- 90020 10010 1 0,003 460 360 480 атм. 200 мый Предна воз- 1606 лагае- 90020 7010 1 0,024 370 420 400 духе 180 мый Предв восст. 1557 лагае- 90020 7010 3 0,004 440 470 600 атм. 170 мый Предв восст. 1508 лагае- 95020 7010 3 0,008 440 460 570 атм. 160 мый Примечания НВ 1 - твердость перед механической обработкой,НВ 2 - твердость после закалки,ан - ударная вязкость, Кдж/мм 2,-1 - усталостная прочность, МПа. Как видно из таблицы, предлагаемый способ позволяет существенно повысить физико-механические свойства зубчатых колес, ответственные за их эксплуатационную стойкость. Одновременно уменьшает опасность возникновения во время эксплуатации схватывания и преждевременного износа. Предлагаемый способ изготовления зубчатых колес из высокопрочного чугуна предполагается внедрить на государственном предприятии Минский автомобильный завод в 2001 году. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения способа (в ценах на 01.01.2000 г.) составляет по детали 5336-2403050 Шестерня полуоси на программу 47940 штук более 10 млн. руб., по детали 5336-2403056 Сателлит на программу 184480 штук - более 2 млн. руб., общий годовой эффект для зубчатой пары более 12 млн. руб. 2 6552 1 Источники информации 1.// . 1986. - . 30, 12. - . 49-51. 2. СССР 1731836, МКИ 5, С 21 5/00. Способ изготовления изделий из высокопрочного чугуна/С.Н. Леках, Л.Р. Дудецкая, В.И. Тутов, Н.И. Бесстужев, В.А. Тиманюк,А.И. Покровский, А.Н. Крутилин, В.А. Гринберг Белорусский политехнический институт. - 1 4834864/02 Заявлено 16.04.90 Опубл. 07.05.1992 // Бюл.17. - Открытия. Изобретения. - 1992. -17. 3. А.с. СССР 17448912, МКИ 5, В 21 К 1/30. Способ изготовления зубчатых колес из высокопрочного чугуна/Л.Р. Дудецкая, А.И. Покровский, В.А. Тиманюк, С.Н. Леках, Н.И. Бестужев Физико-технический институт АН БССР.4832677/27 Заявлено 20.04.90 Опубл. 23.07.1992 // Бюл. 12. - Открытия. Изобретения. - 1992. -12. Национальный центр интеллектуальной собственности. 5 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.