RU2048547C1 - Low-carbon secondary hardening martensite class steels gear wheels working method - Google Patents
Low-carbon secondary hardening martensite class steels gear wheels working method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2048547C1 RU2048547C1 RU93033884A RU93033884A RU2048547C1 RU 2048547 C1 RU2048547 C1 RU 2048547C1 RU 93033884 A RU93033884 A RU 93033884A RU 93033884 A RU93033884 A RU 93033884A RU 2048547 C1 RU2048547 C1 RU 2048547C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hours
- hardening
- low
- gear wheels
- tempering
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Gears, Cams (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, а именно к термической и химико-термической обработке зубчатых колес, и направлено на решение проблемы создания технологии обработки азотируемых высоконагруженных нешлифуемых зубчатых колес, позволяющей обеспечить их работоспособность, соизмеримую с цементуемыми (нитроцементуемыми) зубчатыми колесами. The invention relates to metallurgy, in particular to the thermal and chemical-thermal treatment of gears, and is aimed at solving the problem of creating a technology for processing nitrided highly loaded grinding wheels, which ensures their performance comparable with cemented (nitrocarburized) gears.
Цементацией (нитроцементацией) достигается высокие значения характеристик контактной выносливости и выносливости при изгибе. Однако использование этих видов химико-термической обработки с последующей термической обработкой вследствие многократных высокотемпературных нагревов и охлаждений вызывает сильную деформацию зубчатых колес, снижает точность на 2.3 степени. Для устранения образующихся геометрических погрешностей при зубошлифовании приходится удалять большой припуск (0,15.0,25 мм с каждой стороны зуба). Необходимость предупреждения прижогов ограничивает производительность зубошлифования, повышая его трудоемкость, которая может доходить до 40% от всей трудоемкости изготовления зубчатых колес. Cementation (nitrocarburizing) achieves high values of contact endurance and bending endurance characteristics. However, the use of these types of chemical-thermal treatment followed by heat treatment due to multiple high-temperature heating and cooling causes severe deformation of the gears, reduces accuracy by 2.3 degrees. To eliminate the resulting geometric errors during gear grinding, it is necessary to remove a large allowance (0.15.0.25 mm on each side of the tooth). The need to prevent burns limits the performance of gear grinding, increasing its complexity, which can reach up to 40% of the entire complexity of manufacturing gears.
Азотирование как способ поверхностного упрочнения зубчатых колес достаточно широко применяется в производстве. Однако о возможности использования азотирования для высоконагруженных зубчатых колес с целью достижения стойкости, соизмеримой со стойкостью цементуемых, данных нет. Уровни допускаемых напряжений, зафиксированные в нормативных документах и стандартах различных стран, в том числе и России (ГОСТ 21354-87), для азотированных колес значительно меньше, чем для цементованных. Nitriding as a method of surface hardening of gears is widely used in production. However, there is no data on the possibility of using nitriding for highly loaded gear wheels in order to achieve a resistance comparable with that of cemented ones. The levels of permissible stresses recorded in regulatory documents and standards of various countries, including Russia (GOST 21354-87), for nitrided wheels are much lower than for cemented ones.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ азотирования деталей, заключающийся в объемной закалке, поверхностной закалке токами высокой частоты (ТВЧ), высоком отпуске, механической обработке и азотировании на глубину не более глубины поверхностного закаленного слоя. The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of nitriding parts, which consists in volume hardening, surface hardening by high-frequency currents (HDTV), high tempering, machining and nitriding to a depth of not more than the depth of the surface hardened layer.
Повышение контактной долговечности при использовании названного способа достигается получением в поверхностном слое детали мелкого зерна аустенита N 11.12 вследствие введения в цикл термической обработки закалки ТВЧ. Получение столько мелкого зерна предотвращает образование грубой нитридной сетки при азотировании и соответственно повышает сопротивление зарождению и развитию усталостных трещин. An increase in contact durability when using the aforementioned method is achieved by obtaining fine austenite grain N 11.12 in the surface layer of a part due to the introduction of high-frequency hardening into the heat treatment cycle. Obtaining so many small grains prevents the formation of a coarse nitride network during nitriding and, accordingly, increases the resistance to nucleation and development of fatigue cracks.
Однако особенности структурного и соответственно напряженного состояния, возникающие в переходной зоне между поверхностно закаленным слоем и сердцевиной, в ряде легированных сталей с пределом текучести σ0,2 ≥ 800 МПа вызывают снижение усталостной прочности при изгибе. Это ограничивает применение данного способа.However, structural and, accordingly, stress state features arising in the transition zone between the surface hardened layer and the core in a number of alloy steels with yield strength σ 0.2 ≥ 800 MPa cause a decrease in bending fatigue strength. This limits the application of this method.
Предлагаемая техническая обработки азотируемых высоконагруженных высокоточных нешлифуемых зубчатых колес, позволяющая обеспечить их работоспособность, соизмеримую с цементуемыми зубчатыми колесами, базируется на одновременном выполнении комплекса требований: по выбору сталей; по термической обработке; по технологии азотирования. The proposed technical treatment of nitrided high-loaded high-precision non-grinded gears, which ensures their performance comparable with cemented gears, is based on the simultaneous fulfillment of a set of requirements: for the choice of steels; heat treatment; on nitriding technology.
Предлагаемый способ азотирования позволяет обрабатывать высоконагруженные высокоточные зубчатые колеса из низкоуглеродистых вторичнотвердеющих сталей мартенситного класса и реализуется проведением двух- или трехкратной циклической объемной закалки от температуры 900.975оС при длительности выдержки 1.3 ч с предварительным перед каждой закалкой отпуском при 600.675оС в течение 1.5 ч и двухступенчатым азотированием: на первой ступени при температуре 500.540оС в течение 20.10 ч, на второй ступени при температуре 540. 570оС в течение 40.20 ч.The proposed method enables the nitriding process highly loaded precision gears from low-carbon martensitic steels vtorichnotverdeyuschih class and implemented conducting two- or three-fold cyclic volumetric tempering temperature ° C at 900,975 exposure time 1.3 hours before each preliminary hardening by tempering at 600,675 C for 1.5 hours and nitriding two-stage: a first stage at a temperature of 500,540 ° C for 20.10 hours in the second stage at a temperature of 540. 570 ° C for 40.20 hours.
Азотирование проводится для зубчатых колес, изготовленных из низкоуглеродистых вторичнотвердеющих сталей мартенситного класса:
с пределом текучести σ0,2 после термической обработки не ниже 1000 МПа, твердостью не ниже 38,5 НRCэ и ударной вязкостью КСU не ниже 0,7 МДж/м2. Более высокие значения твердости сердцевины азотированных зубчатых колес улучшают их работоспособность, но при твердости выше 42.43 НRCэ становится затруднительным зубофрезерование;
с теплостойкостью не ниже 560.580оС. При такой теплостойкости возможно ведение процесса азотирования при температурах, обеспечивающих упрочнение слоя преимущественно некогерентными выделениями, что уменьшает микроискажения кристаллической решетки α-фазы, а поэтому повышает контактную выносливость. Выполнение требований по теплостойкости также связано с необходимостью сохранения названных значений предела текучести и твердости при длительности процесса азотирования до 70.75 ч;
не склонных к отпускной хрупкости 2-го рода (обратимой отпускной хрупкости);
с малой склонностью к структурной наследственности, что делает возможным получение зерна аустенита N 9.10 посредством объемной термической обработки;
не склонных к образованию в процессе азотирования карбидной сетки по границам зерен аустенита как в сердцевине, так и в азотированном слое. Для этого сталь должна содержать не менее 2.3% никеля;
с содержанием нитридообразующихся элементов не выше 3.4% для получения толщины азотированного слоя не менее 0,6 мм и плавного изменения твердости от поверхности к сердцевине.Nitriding is carried out for gears made of low-carbon secondary hardening steels of the martensitic class:
with a yield strength σ of 0.2 after heat treatment is not lower than 1000 MPa, hardness not lower than 38.5 NRC e and impact strength KSU not lower than 0.7 MJ / m 2 . Higher values of the hardness of the core of nitrided gears improve their performance, but with hardness higher than 42.43 NRC e , gear milling becomes difficult;
with heat resistance not lower than 560,580 of C. With this heat resistance may conduct nitriding process at temperatures providing reinforcement layer is preferably incoherent precipitates, which reduces microdistortions crystal lattice α-phase, and thus increases the contact endurance. Fulfillment of the requirements for heat resistance is also associated with the need to preserve the specified values of yield strength and hardness with a duration of the nitriding process of up to 70.75 hours;
not prone to temper brittleness of the 2nd kind (reversible temper brittleness);
with a low propensity for structural heredity, which makes it possible to obtain austenite grain N 9.10 by volumetric heat treatment;
not prone to the formation in the process of nitriding of a carbide network along the grain boundaries of austenite both in the core and in the nitrided layer. For this, steel should contain at least 2.3% nickel;
with a nitride-forming element content of not higher than 3.4% to obtain a nitrided layer thickness of at least 0.6 mm and a smooth change in hardness from the surface to the core.
Проведением двух- или трехцикловой объемной термической обработки с указанными температурно-временными параметрами процессов предварительного отпуска и закалки в каждом цикле (при 600.675оС в течение 1.5 ч + закалка от 900.975оС с выдержкой 1.3 ч) обеспечивается получение мелкого зерна аустенита N 9.10 даже при изготовлении крупных колес. В совокупности с циклической обработкой и окончательным отпуском при 560.600оС достигается требуемый уровень механических свойств и теплостойкости.Carrying out a two- or three-cycle volumetric heat treatment with the indicated temperature and time parameters preliminary tempering processes and hardening in each cycle (at 600,675 C for 1.5 hours by quenching 900,975 + C-delayed 1.3 hours) provided a fine austenite grains even N 9.10 in the manufacture of large wheels. In combination with the cyclic processing and final tempering at 560,600 C achieved the required level of mechanical properties and heat resistance.
При удовлетворении требований по составу сталей и свойствам сердцевины после проведения двухступенчатого азотирования обеспечивается толщина азотированного слоя не менее 0,60 мм;
твердость поверхности не ниже 800 НV5 при упрочнении преимущественно некогерентными выделениями, плавное изменение твердости по глубине азотированного слоя;
эффективная толщина упрочненного слоя более 0,30 мм при твердости не ниже 500 НV5; толщина слоя ε -фазы не более 5 мкм; отсутствие сплошной сетки γ -фазы и сплошной сетки нитридов легирующих элементов.When satisfying the requirements for the composition of steels and the properties of the core after two-stage nitriding, a nitrided layer thickness of at least 0.60 mm is provided;
surface hardness not lower than 800 НV5 when hardening mainly by incoherent precipitates, smooth change in hardness along the depth of the nitrided layer;
effective thickness of the hardened layer is more than 0.30 mm with a hardness of at least 500 HB5; the thickness of the ε-phase layer is not more than 5 μm; the absence of a continuous network of the γ phase and a continuous network of nitrides of alloying elements.
Предлагаемый способ упрочнения отработан в лабораторных условиях и опробован на зубчатых колесах скоростных редукторов из стали 16Х2Н3МФБАЮ-Ш. The proposed method of hardening was tested in laboratory conditions and tested on the gears of high-speed gearboxes made of steel 16Kh2N3MFBAYU-Sh.
Эта сталь, разработанная на основе требований, предъявляемых к теплостойким цементуемым сталям, одновременно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к азотируемым сталям для тяжелонагруженных зубчатых колес и изложенных выше. This steel, developed on the basis of the requirements for heat-resistant cemented steels, at the same time satisfies the requirements for nitrided steels for heavily loaded gear wheels and described above.
После закалки от 900оС в масле и отпуска при 600оС в течение 2 ч сталь имеет следующие механические свойства: σВ=1270 МПа, σ0,2 ≥=1100 МПа δ15,6% ϑ=63% КСU=0,89 МДж/м2; НRCэ=39.After quenching from 900 ° C in oil, and tempering at 600 ° C for 2 hours, the steel has the following mechanical properties: σ B = 1270 MPa, σ 0,2 ≥ = 1100 MPa δ15,6% θ = 63% KSU = 0, 89 MJ / m 2 ; HRC e = 39.
Твердость и ударная вязкость сохраняются неизменными после отпуска при 540оС в течение 60 ч. Сталь 16ХН3МФБФЮ-Ш относится к наследственно-мелкозернистым и в тоже время проявляет склонность к структурной наследственности, поэтому получение мелкого зерна аустенита N 9.10 требует проведения специальной термообработки.Hardness and toughness are retained unchanged after tempering at 540 ° C for 60 hours. The W-steel 16HN3MFBFYU relates to genetically-grained and at the same time, shows a tendency to structural heredity, so obtaining fine grain austenite N 9.10 requires a special heat treatment.
Наиболее эффективным для сталей подобного типа, отличающихся высокой устойчивостью аустенита в перлитной области, является использование циклической объемной закалки с промежуточным отпуском. The most effective for steels of this type, characterized by high stability of austenite in the pearlite region, is the use of cyclic volume hardening with intermediate tempering.
Так, для стали 16Х2Н3МФБАЮ-Ш формирование зерна N 9.10 при исходном N 6. 7 возможно при следующих температурно-временных параметрах:
1-й цикл отпуск 650оС, 2 ч + закалка 975оС, 1 ч, масло;
2-й цикл отпуск 650оС, 2 ч + закалка 900оС, 1 ч, масло;
3-й цикл отпуск 650оС, 2 ч + закалка 900оС, 1 ч, масло.So, for 16Kh2N3MFBAYU-Sh steel, grain formation N 9.10 at initial N 6. 7 is possible with the following temperature and time parameters:
1st cycle tempering 650 о С, 2 h + quenching 975 о С, 1 h, oil;
2nd cycle vacation 650 о С, 2 h + hardening 900 о С, 1 h, oil;
3rd cycle rental 650 ° C, 2 hours + tempering 900 ° C, 1 hour, oil.
Аналогичный результат может быть получен и при двухцикловой обработке, но в этом случае параметры обработки должны быть изменены. A similar result can be obtained with two-cycle processing, but in this case, the processing parameters must be changed.
Двух- и трехцикловые обработки дают лучшую стабильность свойств, чем одноцикловая. Two- and three-cycle treatments give better stability of properties than single-cycle treatments.
Из кованых заготовок стали 16Х2Н3МФБАЮ-Ш, прошедших трехцикловую термическую обработку и окончательный отпуск 600оС, 2 ч, были изготовлены роликовые образцы для испытаний на контактную выносливость и зубчатые колеса на изгибную усталость.From forged steel blanks 16H2N3MFBAYU-SH, passed three-cycle heat treatment and final rental 600 ° C, 2 hours, were fabricated roller test specimens contact endurance and gears on bending fatigue.
Упрочнение проводили на установке ионного азотирования по двухступенчатому режиму: 1-я ступень температура 500оС, время 20 ч; 2-я ступень температура 540оС, время 40 ч, толщина слоя 0,70 мм, твердость поверхности 824 НV5, твердость сердцевины 39 HRCэ, толщина слоя ε -фазы изменялась от 0 до 5 мкм.Hardening was carried out on the ion nitriding apparatus according to a two-stage mode: 1st stage, temperature 500 о С, time 20 h; 2nd stage temperature 540 о С, time 40 h, layer thickness 0.70 mm, surface hardness 824 НВ5, core hardness 39 HRC e , ε-phase layer thickness varied from 0 to 5 μm.
Одновременно проводили испытания образцов и зубчатых колес из цементованной стали 18Х2Н4ВА с толщиной слоя 1,6 мм, твердостью поверхности 824 НV5, твердости сердцевины 43 НRCэ.At the same time, tests were carried out on samples and gears made of 18Kh2N4VA cemented steel with a layer thickness of 1.6 mm, a surface hardness of 824 НV5, and a core hardness of 43 НRC e .
Предел контактной выносливости, определенный на роликовых стендах по схеме качения с проскальзыванием в соответствии с ГОСТ 25501-78, для азотированной стали 16Х2Н3МФБАЮ-Ш составил 2400 МПа, а для цементованной стали 18Х2Н4ВА 2200 МПа. The contact endurance limit determined on roller stands according to the rolling scheme with slipping in accordance with GOST 25501-78 for nitrided steel 16X2N3MFBAY-Sh was 2400 MPa, and for cemented steel 18X2N4VA 2200 MPa.
Изгибную выносливость зубчатых колес определяли на электромагнитном пульсаторе. Цикл изменения напряжений был близок к отнулевому (коэффициент асимметрии цикла -r= 0,05). Предел изгибной выносливости азотированных колес получен равным 850 МПа и соизмерим с пределом выносливости цементованной стали 18Х2Н4ВА, для которой он равен 900 МПа. The flexural endurance of the gears was determined on an electromagnetic pulsator. The cycle of voltage changes was close to zero (the asymmetry coefficient of the cycle is -r = 0.05). The flexural endurance limit of nitrided wheels was obtained equal to 850 MPa and is comparable with the endurance limit of 18Kh2N4VA cemented steel, for which it is 900 MPa.
Интегральная оценка работоспособности азотированных зубчатых колес, поставленных взамен цементованных и подвергнутых обработке по предлагаемому способу, была получена при испытаниях на установке замкнутого контура. Параметры испытанных колес приведены в таблице. An integrated assessment of the health of nitrided gears, replaced instead of cemented and subjected to processing by the proposed method, was obtained during tests on a closed loop installation. The parameters of the tested wheels are shown in the table.
Зубчатые колеса редуктора прошли испытания без повреждений. Таким образом, при удовлетворении всей совокупности требований по составу стали, ее термической и химико-термической обработке, азотированные зубчатые колеса по изгибной и контактной выносливости соизмеримы с цементуемыми и не требуют зубошлифования после азотирования. Reducer gears tested without damage. Thus, while satisfying the entire set of requirements for the composition of steel, its thermal and chemical-thermal treatment, nitrided gears are flexural and contact endurance comparable with cemented ones and do not require gear grinding after nitriding.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93033884A RU2048547C1 (en) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | Low-carbon secondary hardening martensite class steels gear wheels working method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93033884A RU2048547C1 (en) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | Low-carbon secondary hardening martensite class steels gear wheels working method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2048547C1 true RU2048547C1 (en) | 1995-11-20 |
RU93033884A RU93033884A (en) | 1996-03-20 |
Family
ID=20144254
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93033884A RU2048547C1 (en) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | Low-carbon secondary hardening martensite class steels gear wheels working method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2048547C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2532874C2 (en) * | 2012-11-12 | 2014-11-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет"(ФГАОУ ВПО КФУ) | Method of steel blank heat treatment |
RU2574944C1 (en) * | 2014-11-17 | 2016-02-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Method for chemical-thermal processing of components from martensitic steels |
-
1993
- 1993-06-30 RU RU93033884A patent/RU2048547C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР N 1574649, кл. C 21D 1/78, 1988. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2532874C2 (en) * | 2012-11-12 | 2014-11-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет"(ФГАОУ ВПО КФУ) | Method of steel blank heat treatment |
RU2574944C1 (en) * | 2014-11-17 | 2016-02-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Method for chemical-thermal processing of components from martensitic steels |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104981556B (en) | Tufftride high-frequency quenching steel part | |
EP2548986B1 (en) | Steel for nitrocarburization and production method of a nitrocarburized steel part | |
JPH05148535A (en) | Production of surface hardened parts having decreased heat treating strain and excellent bending fatigue strength | |
JPH0116904B2 (en) | ||
RU2048547C1 (en) | Low-carbon secondary hardening martensite class steels gear wheels working method | |
JP2549039B2 (en) | Carbonitriding heat treatment method for high strength gears with small strain | |
JP2000160287A (en) | Nitriding non-heat treated forged parts and manufacture thereof | |
US20130248058A1 (en) | Heat Treatment Process for Engine Ring Gear | |
JPH07286257A (en) | Production of nitriding steel member excellent in cold forgeability and fatigue strength | |
JPH0565592A (en) | High fatigue strength steel for structural purpose and steel member made of the same | |
JP7006052B2 (en) | Steel material for soaking treatment | |
JPH1136060A (en) | Quenching method for preventing heat treating strain in case hardening steel | |
JP2614653B2 (en) | Manufacturing method of carburized parts with little heat treatment distortion | |
US11326244B2 (en) | Steel material for CVT sheave, CVT sheave, and method for manufacturing CVT sheave | |
JPS5916948A (en) | Soft-nitriding steel | |
JP2001140020A (en) | Method for heat-treating carbo-nitriding treated member excellent in pitting resistance | |
JP2724456B2 (en) | Carbonitriding method for steel members | |
JP6881497B2 (en) | Parts and their manufacturing methods | |
JPH0525546A (en) | Production of shaft-shaped machine parts having high torsional strength | |
JP2921235B2 (en) | Carburizing and quenching method | |
JP6881498B2 (en) | Parts and their manufacturing methods | |
JPH07286256A (en) | Production of nitriding steel member excellent in fatigue strength | |
JP7063071B2 (en) | Carburized parts | |
JPH02156063A (en) | Carburization hardening method | |
JPH04193931A (en) | Hot forged product having superior fatigue strength |