Анализ разрушения, микроструктуры и свойств тяжелонагруженных шестерен разных производителей

Анотація

Цель работы. Изучение причин, характера разрушения, структурных, механических и эксплуатационных характеристик тяжелонагруженных цементованных шестерен из стали 20Х2Н4А различных фирм-производителей для совершенствования технологии их производства и повышения работоспособности.

Для исследования причин разрушения были отобраны отработанные шестерни производства фирмы Joy Global Inc. («Joy») (США), ООО «МАГМА» и Ясиноватского машиностроительного завода («ЯМЗ») (Украина) тяжелонагруженных редукторов горнопроходческих комбайнов, полностью вышедшие из строя, изготовленные из стали 20Х2Н4А после цементации и полного цикла термической обработки.

Методы исследования. Макроскопический (ГОСТ10243-75) и микроскопический анализы, спектрографический и квантометрический анализ химического состава по глубине цементованного слоя, измерение твердости по Роквеллу (HRC), микротвердости по глубине слоя (ГОСТ9450-76), испытания механических свойств на растяжение ГОСТ 1497-84, испытания износостойкости трением скольжения металл-металл.

Исследованы: характер разрушения, макроструктура, микроструктура шестерен, распределение углерода и микротвердость по глубине цементованного слоя. Проведены сравнительные испытания на изнашивание в условиях сухого трения скольжения.

Полученные результаты. Установлено, что причинами выкрашивания активных поверхностей зубьев тяжелонагруженных шестерен горных машин явилась недостаточная прочность цементованного слоя на определенной глубине, а также экстремальные перегрузки элементов зацепления при эксплуатации. Распределение углерода по глубине цементованного слоя шестерен производства «МАГМА» в 1,5 раза превосходит таковое для деталей производства «Joy», что не исключает насыщение последних углеродом и азотом проведением нитроцементации. Микроструктура упрочненных слоев в шестернях производителей «Joy» и «МАГМА» состоит из мелкодисперсного мартенсита, карбидов и остаточного аустенита, соотношение этих фаз изменяется по глубине слоя согласно уменьшению содержания углерода. Механические свойства образцов стали 20Х2Н4А, вырезанных из шестерен указанных производителей, соответствуют требованиям ГОСТ 4353-71. Микроструктура шестерен производства «ЯМЗ» троосто-мартенситная при более крупном зерне (номер 4–5), что обусловило получение несколько меньшей твердости и относительной износостойкости. Наибольшей износостойкостью обладают образцы, вырезанные из шестерен производства «Joy» и «МАГМА», несколько меньшей – «ЯМЗ».

Научная новизна. На основе анализа повреждаемости определены причины выхода из строя шестерни тяжелонагруженных зубчатых передач, работающих в сложных условиях эксплуатации разных производителей, проведены их сравнительные исследования и испытания свойств. Установлен характер изменения микроструктуры, распределения микротвердости в зависимости от концентрации углерода по толщине цементованного слоя шестерен.

Практическая ценность. Результаты исследований послужили научнообоснованными рекомендациями для совершенствования технологического процесса производства и упрочнения тяжелонагруженных шестерен в условиях ООО «МАГМА» для повышения их эксплуатационных характеристик.