Необходимо учитывать, что для нитроцементованных зубчатых колес опасно даже частичное обезуглероживание поверхности при повторном нагреве под закалку в атмосфере воздуха или при переносе изделий из закалочной печи в бак. При этом резко ухудшаются механические свойства, в особенности снижаются сопротивление усталости и ударная вязкость, даже при наличии оптимальной суммарной концентрации углерода и азота. Таким образом, даже при химико-термической обработке колес с использованием наиболее прогрессивного оборудования в поверхностной зоне цементованного или нитроцементованного слоя могут образоваться дефектные и немартенситные структуры. В результате снижается сопротивление усталости и контактная выносливость зубчатых колес. Для предотвращения образования указанных дефектов в периферийных зонах цементованного и нитроцементованного слоя на расстоянии до 0,2 мм от поверхности используются различные способы. Такие способы базируются на рациональном выборе системы легирования сталей и на совершенствовании режимов насыщения зубчатых кмес углеродом и азотом. Однако на сопротивление усталости зубчатых колес весьма существенное влияние оказывает и интенсивность охлаждения изделий при закалке.

Следует учитывать, что скорость охлаждения при закалке в наиболее опасной зоне во впадине зуба в несколько раз меньше, чем на боковой рабочей поверхности зуба. Так, например, для колес с модулем 4 при обычно принятой в производственных условиях интенсивности охлаждения скорость охлаждения на боковой поверхности зуба составляет 100 °С/с, а во впадине 40 °С/с. Для количественной оценки интенсивности охлаждения при закалке используется параметр Н. При охлаждении в идеальной закалочной среде, отнимающей теплоту с поверхности стали с бесконечной скоростью, Я = оо.

Интенсивность охлаждения зависит от характеристик циркуляции масла, применяемого для закалки легированных сталей:

Отсутствие циркуляции......... ... 0,25--0.30

Слабая циркуляция ...... ....... 0.30-0.35

Умеренная циркуляция..... ...... 0,35-0,40

Достаточная циркуляция........ ... 0.40-0.50

Сильная циркуляция............. 0.50-0,80

Бурная циркуляция.............. 0,80-1,00

На рис. 20.9 приведены результаты экспериментального определения скорости охлаждения зубчатых колес с различным модулем как на рабочей поверхности зуба, так и во впадине в зависимости от интенсивности охлаждения в масле. Такие измерения проводились на расстоянии 1 мм от поверхности в обеих зонах для того, чтобы установить скорости охлаждения на глубине, соответствующей величине эффективного слоя упрочнения при химико-термической обработке.

Для оценки качества упрочненного слоя используют в основном твердость:

а) твердость поверхности при обеспечении оптимальной концентрации углерода и азота, при качественной структуре должна составлять HRQ 59-63;

б) на глубине эффективного слоя твердость должна быть не менее HRC 51 при 0,4 % С.

Для обеспечения указанных требований необходимо применить при закалке изделий охлаждение с определенной (критической) скоростью (крит). которая зависит от концентрации углерода и азота в слое, а также от содержания легирующих элементов в стали.

Значения критической скорости охлаждения определяют по диаграммам прокаливаемости цементованного и нитроцементованного слоя в зависимости от

го 30 40 50 ео 7о во во юо по но т т iso

Скорость оиттветя , 1С/с

Рнс. 20.9. Зависимость скорости охлаждения на рабочей поверхности зуба и во впадине колеса (на глубине 1 мм от поверхности) для колес с различным модулем от интенсивности охлаждения Н при закалке

концентрации углерода и азота. В настоящее время имеются данные о критических скоростях охлаждения различных цементуемых и нитроцементуемых сталей. При сопоставлении известных значений с> р и значений скоростей охлаждения (см. рис. 20.9) представляется возможным определить величину модуля зубчатых колес, для которых обеспечивается охлаждение со скоростью, равной или выше f p T, при различной интенсивности охлаждения как на боковой поверхности зуба, так и во впадине. На рис. 20.9 в виде заштрихованных областей показаны пределы изменений критических скоростей закалки применительно к пяти ра.злич-ным группам сталей после химико-термической обработки по различным режимам. Характеристики режимов обработки различных групп сталей и значения критических скоростей охлаждения приведены в табл. 20,8.

Необходимо учитывать, что для обеспечения требуемой твердости на поверхности HRCg 59~-63 при качественной структуре критическая скорость охлаждения для различных легированных сталей составляет 5-10 С/с, Как показано на рис. 20.9, при такой критической скорости охлаждения достигается требуемая поверхностная твердость во впадине и на крупных зубчатых колесах с модулем свыше 7 мм. Таким образом, при принятой в практике интенсивности охлаждения (при И > 0,30) обеспечение требуемой поверхностной твердости не вызывает особых затруднений в тех случаях, когда структура является качественной Однаго, как показано выше, для обеспечения контролируемой твердости HRQ 51 на глубине эффективного слоя во впадине требуется выбрать режим химико-термической обработки и марку стали для зубчатых колес с различным модулем с учетом зависимостей, приведенных на рис. 20.9 и в табл. 20.8. В результате достигается высокое сопротивление усталости зубьев при изгибе.

При цементации и азотировании колес в ряде случаев необходимо предохранять отдельные поверхности от насыщения углеродом и азотом. Характеристика методов изоляции поверхности при цементации приведена в табл. 20.9-

20.8. Значения критических скоростей охлаждения для различных цементуемых сталей при концентрации углерода в слое 0,40 / , твердости HRCaSl в зависимости от режимов жимнко-термической обработки

Сталь

Режим хнмнко-термической обработки

si те

Модуль колеса, мм, при котором обеспечивается скорость охлаждения на глубине слоя 1,0 мм во впадине, эквивалентная критической скорости для данной стали

Н=0,30

Н=0.45

25ХГМ

25ХГМ 25ХГМ 2БХГМ

Цементация 930 С, охлаждение до 860°С. непосредственная закалка

Цементация 930 С, непосредственная закалка

Нитроцементация 860 °С, непосредственная закалка Ннтроцементация 930 °С, под стуживание до 860 °С, непосредственная закалка

13 18 15

5,5 4,5 5

6,5 5,0 6

25ХГМ

25ХГТ

25ХГТ 20ХНЗА

20ХНЗА 20ХНЗА 20Х

Ннтроцементация 870 °С, под-стуживание 820 С, непосредственная закалка Нитроцементация 930 С, под-стуживанне 860 X, непосредственная закалка

Нитроцементация 870 С, непосредственная закалка Цементация 930 С, охлаждение до 860 С, непосредственная закалка 860 С

Ннтроцементация 870 С, непо средственная закалка Цементация 930 °С, непосредственная закалка Нитроцементация 870 °С. непо средственная закалка

24 36

25 22 22

4.0 3.0

4.0 4.0 4.0

4.5 3.5

4.5 4.5 4.5

25ХГТ 20ХНЗА

Цементация 930 С, непосредственная закалка

Цементация 870 С, непосредственная закалка

32 32

3,3 3.3

3,8 3.8

25ХГТ 20Х

Цементация 870 °С, непосредст-вепиая закалка

Цементация 870 С, непосредственная закалка

40 45

2.7 2.5

3.0 2.9