Анализ разрушения, микроструктуры и свойств тяжелонагруженных шестерен разных производителей

Abstract

RU: 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. UK: Мета роботи: вивчення причин, характеру руйнування, структурних, механічних і експлуатаційних характеристик важконавантажених цементованих шестерень зі сталі 20Х2Н4А різних фірм-виробників для вдосконалення технології їх виробництва і підвищення працездатності. Для дослідження причин руйнування були відібрані відпрацьовані шестерні виробництва фірми Joy Global Inc. («Joy») (США), ТОВ «МАГМА» і Ясинуватського машинобудівного заводу («ЯМЗ») (Україна) важконавантажених редукторів гірничопрохідницьких комбайнів, які повністю вийшли з ладу, виготовлені зі сталі 20Х2Н4А після цементації і повного циклу термічної обробки. Методи дослідження. Макроскопічний (ГОСТ10243-75) і мікроскопічний аналізи, спектрографічний і квантометричний аналіз хімічного складу по глибині цементованого шару, вимірювання твердості за Роквеллом (HRC), мікротвердості по глибині шару ( ГОСТ9450-76), випробування механічних властивостей на розтягнення ГОСТ 1497- 84, випробування зносостійкості тертям ковзання метал-метал. Досліджено характер руйнування, макроструктура, мікроструктура шестерень, розподіл вуглецю і мікротвердість по глибині цементованого шару. Проведено порівняльні випробування на зношування в умовах сухого тертя ковзання. Одержані результати. Встановлено, що причинами викришування активних поверхонь зубів важконавантажених шестерень гірничних машин з’явилася недостатня міцність цементованого шару на певній глибині, а також екстремальні перевантаження елементів зачеплення при експлуатації. Розподіл вуглецю по глибині цементованого шару шестерень виробництва «МАГМА» в 1,5 рази перевищує таку ж концентрацію для деталей виробництва «Joy», що не виключає насичення останніх вуглецем і азотом проведенням нітроцементації. Мікроструктура зміцнених шарів в шестернях виробників «Joy» і «МАГМА» складається з дрібнодисперсного мартенситу, карбідів і залишкового аустеніту, співвідношення цих фаз змінюється по глибині шару відповідно до зменшення вмісту вуглецю. Механічні властивості зразків сталі 20Х2Н4А, вирізаних з шестерень зазначених виробників, відповідають вимогам ГОСТ 4353-71. Мікроструктура шестерень виробництва «ЯМЗ» троостит-мартенситна при більшому зерні (номер 4–5), що зумовило отримання дещо меншої твердості і відносної зносостійкості. Найбільшу зносостійкість мають зразки, вирізані з шестерень виробництва «Joy» і «МАГМА», дещо меншу – «ЯМЗ». Наукова новизна. На основі аналізу пошкоджуваності визначені причини виходу з ладу шестерень важконавантажених зубчастих передач різних виробників, що працюють у складних умовах експлуатації, проведені їх порівняльні дослідження і випробування властивостей. Встановлено характер зміни мікроструктури, розподілу мікротвердості залежно від концентрації вуглецю по товщині цементованого шару шестерень. Практична цінність. Результати досліджень послужили науково-обґрунтованими рекомендаціями для вдосконалення технологічного процесу виробництва і зміцнення важконавантажених шестерень в умовах ТОВ «МАГМА» для підвищення їх експлуатаційних характеристик. EN: Purpose. To study the causes, nature of destruction, structural, mechanical and operational characteristics of heavily loaded cemented gears from steel 20Х2Н4А with chemical composition (%): 0,17 С; 0,25 Si; 0,39 Mn; 1,33 Cr; 3,12 Ni; 0,022 W; 0,07 Мо; 0,01 Ti; 0,25 Cu; 0,016 S; 0,01 P of various manufacturers to improve the technology of their production and improve performance. To investigate the causes of destruction, worn-out gears manufactured by Joy Global Inc. were selected. (“Joy”) (USA), Machine-Building Enterprise “MAGMA” and Yasinovatsky Machine-Building Plant (“YaMZ”) (Ukraine) of heavy-duty gearboxes of mining tunnel combines, completely out of order, made of 20Х2Н4А steel after cementation and a full heat treatment cycle. Research methods. Macroscopic (GOST 10243-75) and microscopic analyzes, spectrographic and quantometric analysis of the chemical composition of the cemented layer depth, measurement of Rockwell hardness (HRC), micro-hardness of the layer depth (GOST 9450-76), tensile testing of mechanical properties GOST 1497- 84, metal-to-metal friction wear resistance tests. The nature of destruction, the macrostructure, the microstructure of gears, the distribution of carbon, and the microhardness over the depth of the cemented layer was investigated. Comparative wear tests under conditions of dry sliding friction were carried out. Obtained results. It was established that the causes of chipping of the active surfaces of the teeth of the heavily loaded gears of mining machines were the insufficient strength of the cemented layer at a certain depth, as well as extreme overloading of the elements of the engagement during operation. The carbon distribution in the depth of the cemented layer of gears produced by “MAGMA” is 1.5 times higher than that for parts produced by “Joy”, which does not exclude the latter being saturated with carbon and nitrogen by carbonitriding. The microstructure of the hardened layers in the gears of the manufacturers “Joy” and “MAGMA” consists of finely dispersed martensite, carbides and residual austenite, the ratio of these phases varies with the depth of the layer according to the decrease in carbon content. The mechanical properties of steel samples 20Х2Н4А, cut from the gears of the specified manufacturers, comply with the requirements of GOST 4353-71. The microstructure of gears produced by “YaMZ” is troosto-martensitic with larger grains (number 4–5), which resulted in a somewhat lower hardness and relative wear resistance. Samples cut from the gears of the production “Joy” and “MAGMA” have the highest wear resistance, a little less – “YaMZ”. Scientific novelty. Based on the analysis of damage, the causes of failure of heavily loaded gears, operating in difficult operating conditions of different manufacturers, are determined, their comparative studies and testing properties are carried out. The nature of changes in the microstructure, the distribution of microhardness depending on the concentration of carbon in the thickness of the cemented layer of gears. Practical value. The research results served as scientifically based recommendations for the improvement of the technological process of production and the hardening of heavily loaded gears in “MAGMA” to improve their performance.