ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2014
УДК 621.81+ 621.762:71
© 2014 г. Гоман А.М., Кукареко В.А.
КОНТАКТНАЯ ВЫНОСЛИВОСТЬ ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ, ПОДВЕРГНУТЫХ ИОННО-ЛУЧЕВОМУ АЗОТИРОВАНИЮ
С учетом реальных эпюр распределения твердости по глубине упрочненного слоя и приведенных напряжений проведен расчет на предотвращение глубинного контактного выкрашивания зубчатых колес, обработанных интенсивными потоками ионов азота. Предложена методика расчета контактной выносливости зубчатых зацеплений, упрочненных методом ионно-лучевого азотирования. Проведенные расчеты и экспериментальные исследования показали, что при ионно-лучевом азотировании нагрузочная способность передачи возрастает в 1,31 раза по сравнению с передачей с традиционно азотированными колесами, а износостойкость в 2 раза по сравнению с улучшенными колесами.
Расчет на предотвращение глубинного контактного разрушения зубчатой передачи в зависимости от глубины расположения зоны наибольших приведенных напряжений можно провести для случаев, когда опасная зона располагается в упрочненном слое (случай 1), либо на границе упрочненного слоя и сердцевины зуба или в его сердцевине случай 2) [1]. В настоящей статье рассматривается случай, при котором опасная зона располагается в упрочненном слое. Полученная на основе энергетической теории зависимость между приведенным напряжением в каждой точке слоя опр и контактным напряжением по Герцу он в точке сопряжений зубьев позволяет установить связь между предельными значениями этих напряжений.
Для основных технологических методов химико-термической обработки зубьев (азотирование, цементация и нитроцементация) известны законы распределения твердости по глубине слоя. В работах [1—5] на основе совместного учета эпюр распределения твердости по толщине упрочненного слоя зубьев азотированных, цементированных и нитроцементированных зубчатых колес и приведенных напряжений проводится расчет на предотвращение глубинного контактного разрушения зубчатых передач. При этом распределение твердости по глубине слоя определяется экспериментально на шлифах с помощью приборов для измерения микротвердости. В частности, для азотированных зубчатых колес закон изменения твердости по глубине слоя приближенно выражается уравнением [2, 4, 5]
НУ (г) = 0,8(НУо - НУк) (|)2 -1,8(НУо - НКк) (|) + НУ0, (1)
где НУ (г) — твердость слоя по Виккерсу на глубине г; г — расстояние от поверхности зуба до точки с твердостью НУ (г); 5 — толщина упрочненного слоя; НУ0 — твердость поверхности зуба; НУк — твердость сердцевины зуба.
В последние годы интенсивно развиваются химико-термические методы обработки конструкционных материалов с применением концентрированных потоков ионов, внедряемых непосредственно из плазмы, либо методами ионной имплантации [6].
Рис. 1
НУ, кгс/мм2
г, мкм
Рис. 2
Применение интенсивных ионных потоков обеспечивает возможность реализации высокопроизводительных процессов модифицирования достаточно глубоких поверхностных слоев сталей и сплавов за счет существенного разогрева поверхности и развития процессов радиационно-стимулированной диффузии легирующих атомов. Использование частиц высокой энергии обеспечивает эффективное упрочнение поверхности при сравнительно более низких температурах и малых продолжительностях обработки [6, 7]. В частности, в процессе ионно-лучевого азотирования комбинация баллистических и диффузионных процессов насыщения обеспечивает получение модифицированного поверхностного слоя, содержащего свыше 30 ат. % азота с выделением в слое большого количества нитридных фаз [6, 8, 9]. При этом микротвердость поверхностных слоев легированных сталей возрастает до 1200—1800 НУ и многократно увеличивается их износостойкость [6]. В связи с протеканием процессов радиацион-но-стимулированной диффузии характер распределения микротвердости по глубине азотированного слоя также существенно трансформируется [6, 9]. На рис. 1 приведены характерные микроструктуры имплантированных азотом при температуре 770 К сталей 40Х (а) и 40Х13 (б), а на рис. 2 распределение микротвердости по имплантированной ионами азота при температуре 670 К (1) и 770 К (2) закаленной стали 40Х (а) и 40Х13 (б); время обработки 1,5 ч. Для сравнения необходимо отметить, что по данным [10] газовое азотирование в среде частично-диссоциированного аммиака обеспечивает
Таблица 1
Расстояние от поверхности г, мкм 0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120
Твердость НУ (г) 1200 1195 1153 1060 922 688 525 437 390 375 360 350 350 350
Твердость НУр (г) 1200 1124 1052 983 918 797 690 597 518 453 401 360 340 330
твердость азотированной поверхности стали 40Х на уровне 700—800 НУ, а высокохромистых сталей типа 40Х13 — на уровне 900—1000 НУ.
Таким образом, использование ионно-лучевых методов для упрочнения рабочих поверхностей материалов и, в частности, зубьев зубчатых передач приводит к существенному изменению структуры и микротвердости поверхностных слоев, а также сохранению прочностных свойств сердцевины. При этом закон распределения твердости по глубине упрочненного слоя не описывается зависимостью (1) и используемая в настоящее время методика [5] расчета зубьев на предотвращение глубинного контактного разрушения зубьев становится непригодной. Поэтому для расчета зубчатых передач, подвергнутых поверхностному упрочнению методами ионного азотирования на глубинную контактную прочность, требуется разработка специальной методики. В связи с этим задачей настоящей статьи является разработка методики расчета глубинной контактной выносливости упрочненных методом ионно-лучевого азотирования зубчатых колес с учетом реальных эпюр распределения твердости по глубине упрочненного слоя и приведенных напряжений. С этой целью проводили сравнительный расчет стандартных азотированных зубчатых колес по методике [5] и обработанных ионами азота зубчатых колес с использованием модифицированной методики расчета.
Расчет нагрузочной способности стандартных азотированных зубчатых колес. Расчет зубчатой передачи на контактную выносливость и на предотвращение глубинного контактного разрушения проводили в соответствии с ГОСТ 21354-85 [5] для передачи со следующими параметрами: распределение твердости НУ(г) по толщине упрочненного слоя соответствует зависимости (1); сталь 40Х13, твердость поверхности в соответствии с [5] принимается равной НУ0 = 900 НУ, а сердцевины НУк = 340 НУ; модуль зуба т = 1 • 10-3 м, число зубьев шестерни и колеса = г2 = 60, передаточное число и = 1, Ъцг = 6 • 10-3 м.
Число оборотов шестерни п = 1000 об/мин. Предел контактной выносливости по [5] оНпред = 1350 МПа, коэффициент запаса прочности = 1,2. Глубина упрочненного слоя составляет 5 = 100 мкм.
Допустимая окружная сила действующая в зацеплении азотированных колес на делительном диаметре, определенная в соответствии с [5], равна = 965,7 Н. Таким образом, расчет на предотвращение глубинного контактного разрушения в соответствии с рекомендациями [2, 5] показывает, что условие глубинной контактной выносливости выполняется.
2. Разработка метода определения глубинной контактной выносливости ионно-азоти-рованных зубчатых колес. Для повышения нагрузочной способности улучшенных зубчатых колес, изготовленных из стали 40Х13, было проведено ионно-лучевое азотирование их поверхностных слоев [6]. Имплантацию азотом осуществляли при температуре 770 К в течение 1,5 часов. Глубина упрочненного слоя составила 5 « 120 мкм, твердость поверхности НУ0 = 1200 НУ, твердость сердцевины НУк = 350 НУ. Геометрические параметры колес приведены ранее.
В табл. 1 представлены экспериментальные значения твердости НУ(г) по глубине слоя, имплантированного ионами азота, для стали 40Х13. Там же приведены расчетные значения твердости НУр(г) в единицах НУ, рассчитанные по формуле (1). Распределение твердости НУ(г) и НУр(г) показаны на рис. 3. Видно, что при г ^ 20 мкм значе-
НУ 1200
800
400 200
0 20
60
Рис. 3
100 z, мкм
0,25 0,15 0,05
0 0,5
1,5
Рис. 4
2,5
3,5 z/Ъ
Рис. 3. Распределение микротвердости НУ по глубине слоя I для имплантированной ионами азота стали
40Х13 НУ(г) и расчетной твердости НУр(1), рассчитанное по (1) [5] Рис. 4. График изменения приведенных напряжений по глубине слоя [5]
ния НУ(г) становятся существенно меньше расчетных НУр(т) (табл. 1, рис. 3), поэтому, в данном случае, разработанную в [1, 2, 5] методику нельзя использовать для расчетов глубинной контактной выносливости после ионно-лучевого азотирования поверхностных слоев зубьев.
Экспериментально найденные значения твердости позволяют определить по зависимостям [1] предельные значения приведенных напряжений спр по глубине слоя и предел контактной выносливости при z = 0
^„ред - НУ (МШХ ^ред - 1,5НУ (МПа). (2)
Эти значения приведены в табл. 2.
Предлагаемая методика расчета контактной выносливости зубчатых сопряжений, подвергнутых ионно-лучевому азотированию, включает в себя следующие этапы.
1. По найденному значению в соответствии с ГОСТ 21354 [5] определяется
допустимое контактное напряжение онр.
2. Находится окружная нагрузка Г, действующая в зубчатом зацеплении.
3. Определяется полуширина Ъ площадки контакта сопряженных зубьев.
4. Рассчитываются приведенные напряжения а пр и спр5 в двух характерных точках слоя: z1 = 0,78Ъ и z2 = 5. В первой точке z1 действует максимальное приведенное напряжение о пр = 0,279он, вторая точка z2 соответствует границе упрочненного слоя и имеет твердость сердцевины зуба.
5. Вычисляются запасы прочности в точках z1 z2. Если они соответствуют выбранному для всего сечения слоя запасу прочности, то расчет считается законченным. Если запас прочности оказывается ниже выбранного, то пропорционально уменьшается величина допускаемого контактного напряжения он и делается перерасчет для достижения установленного запаса прочности.
Таблица 2
Расстояние от поверхности z, мкм 0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120
, стпр , МПа нпред прпред 1800 1793 1730 1590 1383 1050 788 663 594 563 540 525 525 525
Выбор допускаемых напряжений для точек упрочненного слоя строится на следующих предположениях: величина коэффициента запа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.