Как выходят из строя шестерни — наглядное руководство для предприятий, занимающихся термообработкой

Дэниэл Х. Херринг
12.10.2020 3355

Типы поломок шестерен

Виды поломок шестерен коробок передач включают: износ, заедание, коррозия профиля, обламывание зубьев и сколы. В общих чертах, их можно разделить на две категории: усталостные разрушения и разрушения, связанные с износом. Усталостные разрушения чаще всего связаны с изгибом (растрескивание ножки зуба), подповерхностным усталостным напряжением, контактными (удар, механические разрушения) и тепловыми напряжениями. Разрушения вследствие износа зачастую связаны с макровыкрашивание (разрушение поверхности по делительной окружности), абразивным и адгезионным износом.

Растрескивание ножек зубьев и их разрушение происходит из-за циклических напряжений при изгибе, превышающих усталостную прочность материала по окружности впадин зубьев (рис.1). Неподходящая глубина упрочненного слоя, немартенситные продукты превращения в микроструктуре ножки зуба и перегрузки часто становятся причиной поверхностного растрескивания с последующим развитием трещины до разрушения.

Рис. 1. Обламывание зуба из-за усталости при изгибе.

Усталостное растрескивание (например, глубинное усталостное выкрашивание или трещины по границе упрочненного слоя) начинаются рядом границей упрочненного слоя, где напряжение превышает прочность согласно кривым приложенного напряжения и предельной прочности. Контактная нагрузка вызывает изменение градиента приложенного напряжения, противоположного градиенту предельной прочности, сформированному в материале при термообработке. Усталостное выкрашивание (рис.2) — это родственное явление, которое также обусловлено неправильной термообработкой и/или концентрацией высоких напряжений.

Рис. 2. Зубья шестерни, оторванные от поверхности.

Распространенная проблема, связанная с термической обработкой, — это слишком малая или слишком большая глубина упрочненного слоя (не оставляющая достаточного объема сердцевины для поддержки упрочненного слоя).

Поверхностное и глубинное выкрашивание (рис.3) возникает на пересечении приложенного (сдвигового) напряжения и допустимой прочности на поверхности или вплотную к ней. При наличии скольжения и высоком коэффициенте трения (из-за некачественной, неправильно выбранной смазки или разрыва смазочной плёнки) напряжение на поверхности максимально.

Рис. 3. Поверхностное усталостное выкрашивание из-за торцевой нагрузки.

Другие виды отказов могут быть связаны с некачественной термообработкой. Примерами могут служить очень тонкий поверхностно упрочненный слой или мягкие пятна (рис. 4) из-за неправильной очистки, параметров упрочнения поверхности или отпуска.

Рис. 4. Мягкие пятна в упрочненном слое (наблюдаются после дробеструйной обработки).

Неподходящие методы закалки и температура аустенизации также могут привести к снижению твердости, вследствие чего зубчатые колеса преждевременно выходят из строя из-за мягких зубьев (рис.5).

Рис. 5. Недостаточная твердость, приводящая к выходу из строя шестерни.

Свойства материала, такие как способность к закалке, размер зерен и включения (рис. 6), могут вызвать различные виды поломок шестерен. Поэтому чистота стали особ важна, как и контроль размера, формы и типа присутствующих включений.

Рис. 6. Выкрашивание из-за включений в вакуумированной стали.

Ликвация легирующих элементов и наварка сплавом также могут вызвать проблемы, поэтому при термообработке зубчатых колес нормализация считается целесообразным процессом.

Предотвращение поломок зубчатых колес

Важно понимать, что на усталостную прочность влияют такие факторы, как распределение твердости (глубина упрочненного слоя и твердость сердцевины и упрочненного слоя), микроструктура (размер зерен, остаточный аустенит, немартенситные фазы, карбиды и межзеренная прочность), а также особенности проектирования (рис. 7) и изготовления (остаточные напряжения сжатия, отделка и геометрия поверхности).

Рис. 7. Неправильное расположение отверстий.

Термическая обработка выполняется для достижения высокой твердости и достаточной подповерхностной прочности на активной поверхности, а также достаточной поверхностной твердости и высокого остаточного напряжения сжатия на переходной поверхности.

Выбор глубины упрочненного слоя (т.е. градиент прочности) во многом зависит от твердости сердцевины и температуры отпуска. С точки зрения легирования молибден и марганец оказывают сильное влияние на твердость сердцевины, хром оказывает умеренное влияние, а никель — слабое. Также следует отметить, что на твердость упрочненного слоя гораздо больше, чем на твердость сердцевины, влияет температура отпуска, поэтому ее следует выбирать, исходя из желаемой твердости упрочненного слоя.

Низкая твердость упрочненного слоя также может быть обусловлена науглероживанием со слишком низким углеродным потенциалом, образованием нежелательных микроструктурных элементов, частичным обезуглероживанием поверхности, “слабой” закалкой или ненадлежащей температурой отпуска. Изменение технологических параметров приводит к образованию нежелательной микроструктуры.

Чрезмерное содержание остаточного аустенита (рис.8a) и избыточное образование карбидов (рис.8b) может привести к преждевременному выходу из строя зубчатых колес в процессе эксплуатации. Возможные причины большого количества остаточного аустенита: слишком высокий углеродный потенциал и прямая закалка после цементации с охлаждением до требуемой температуры. Возможные причины образования карбидов и карбидной сетки — это, опять же, слишком высокий углеродный потенциал, недостаточная диффузионная выдержка, слишком короткая выдержка и слишком низкая температура закалки.

Рис. 8. Изменение микроструктуры упрочненного слоя из-за неконтролируемых параметров процесса термообработки.

Некоторые неисправности зубчатых колес также могут возникать из-за проблем с проницаемостью упрочненного слоя, которые сводят на нет методы избирательного маскирования цементацией (например, меднение, маскировочные покрытия) для защиты поверхности от повреждений. В некоторых случаях загрязнение поверхности или неправильная сушка приводят к образованию пузырей. Чрезмерно агрессивная струйная обработка после нанесения покрытия также может повредить маскировочное покрытие. При травлении нежелательная цементация часто проявляется в виде неоднородных темно-серых участков (в зоне, которая должна быть светло-серой).

Изменение параметров закалки, даже при использовании одной и той же закалочной среды, может привести к образованию нежелательной микроструктуры сердцевины и твердости. Шестерня коробки передач 8822RH была закалена при двух разных значениях давления газа (20 бар и 12 бар), что привело к образованию разных микроструктур и разной твердости (рис.9).

Рис. 9. Изменение микроструктуры сердцевины вследствие закалки: (a) полностью мартенситная микроструктура с твердостью сердцевины HRC 44, (b) мартенситная микроструктура с продуктами промежуточных превращений (бейнит и феррит) при твердости сердцевины HRC 26.

Геометрия шестерни и слишком глубокая цементация для конкретного профиля зуба могут вызвать растрескивание упрочненного слоя, которое начинается в подповерхностном слое. Это явление обычно называют образованием трещин по границе упрочненного слоя (рис.10). Снижение высоких концентраций углерода на поверхности (например, маскирование вершин зубьев и торцевых поверхностей) и выбор глубины упрочненного слоя в соответствии с нижним предельным значением, указанным в спецификации, зачастую помогает избежать этой проблемы.

Рис. 10. Трещины по границе упрочненного слоя.

Состояние печи, используемой при термообработке, также может сыграть ключевую роль в преждевременном выходе из строя шестерни. Проникновение воздуха в печь (будь то из-за неправильных методов выполнения работ или из-за утечки) может повлиять на твердость упрочненного слоя и распределение остаточных напряжений, вызывая частичное или, в некоторых случаях, полное обезуглероживание поверхности (рис.11). Это может произойти, если углеродный потенциал атмосферы меньше, чем поверхностное содержание углерода в детали, или при потере защитной среды (например, при отключении питания).

Рис. 11. Полное обезуглероживание поверхности.

И наконец, выбор метода цементации (газовая, вакуумная) может повлиять на состояние поверхности, привести к межзёренному окислению и избирательной коррозии вследствие окисления.

Заключение

Шестерни выходят из строя по целому ряду причин, однако причины, связанные с термической обработкой, можно предотвратить, используя рекомендованные методы выполнения работ и тщательно контролируя параметры процесса и оборудование.

Список использованных источников

  1. Херринг, Д. Х., “Как выходят из строя шестерни”, конференция SME по эффективной термообработке и упрочнению шестерен, 2007 г.
  2. Вейрес, Дэйл, “Металлургические материалы для шестерен”, конференция SME по эффективной термообработке и упрочнению шестерен, 2007 г.
  3. Доссетт, Джон Л., “Убедитесь, что ваша термообработка приемлема”, журнал Heat Treating Progress, март/апрель 2007 г.
  4. Херринг, Д. Х., “Практические примеры – усвоенные уроки”, конференция Furnaces North America, 2012 г.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

EcoProBooth: гибкость и энергоэффективность в одной системе
EcoProBooth: гибкость и энергоэффективность в одной системе
Новая конструкция покрасочной камеры Дюрр (Dürr) позволяет наращивать и модернизировать производство без остановок
Алёна Моршинина
25.01.2022
407
Dürr представляет ротационный распылитель с возможностью быстрой смены цветов
Dürr представляет ротационный распылитель с возможностью быстрой смены цветов
Распылитель EcoBell4 отличается новой технологией четырех главных игл, благодаря которой для смены цвета требуется всего…
05.03.2022
402
Роль анализа общего содержания органического углерода в обработке воды
Роль анализа общего содержания органического углерода в обработке воды
При обработке воды необходимо заранее определить состояние веществ, поскольку загрязненная вода может оказать серьезное влияние…
Питер Морган
30.01.2019
1748
Atotech запускает новую линию нанесения коррозионностойких покрытий DynaSmart®
Atotech запускает новую линию нанесения коррозионностойких покрытий DynaSmart®
Компания Atotech, ведущий мировой поставщик специализированных решений для отделки поверхностей, объявила о выпуске на мировой…
Аня Кламмек
18.01.2021
360
Измельчение материалов низкой плотности на струйной мельнице
Измельчение материалов низкой плотности на струйной мельнице
В данной статье рассматривается влияние основных параметров размола на струйной мельнице с особым вниманием на…
Бернард Реннер
05.10.2022
275
Одностадийное изготовление сверхгидрофобного нанокомпозита
Одностадийное изготовление сверхгидрофобного нанокомпозита
Сверхгидрофобные покрытия, обладающие способностью к самоочищению и противокоррозионными свойствами, требуются во многих промышленных областях применения;…
18.08.2022
73
Rosmould | Rosplast 2022 – главное событие для развития вашего бизнеса
Rosmould | Rosplast 2022 – главное событие для развития вашего бизнеса
С 7 по 9 июня 2022 в Московском выставочном центре «Крокус Экспо» состоятся важнейшие промышленные…
16.03.2022
393
Удобрения с медленным высвобождением благодаря биоразлагаемому покрытию
Удобрения с медленным высвобождением благодаря биоразлагаемому покрытию
В недавнем исследовании были разработаны биоразлагаемые смеси альгината натрия и лигнина (SA–L) с различным соотношением…
06.11.2022
31
Снижение потерь при операциях анодирования
Снижение потерь при операциях анодирования
В статье приведен расширенный анализ отдельного случая бережливого производства и преимуществ, достигнутых путем применения определенных…
Джаред Брингхерст
19.03.2020
604