Технология локомотивостроения - Упрочнение деталей локомотивов термической обработкой

§ 16. УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Термическая обработка металлов и сплавов — один из самых эффективных и распространенных методов, изменения их свойств, определяющих технологические и эксплуатационные характеристики деталей. В практике наиболее широкое распространение как метод упрочнения получила закалка в сочетании с отпуском при определенных температурах. В локомотивостроении наряду с объемной все шире применяется поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты. В ряде случаев закалка с использованием т. в. ч. обладает существенными преимуществами перед объемной термической обработкой: является весьма производительным процессом, улучшает качество обработанных деталей (в частности, за счет практически полной ликвидации обезуглероживания при нагреве, а также незначительных короблений), хорошо поддается автоматизации. Поверхностная закалка с применением нагрева т. в. ч. как процесс упрочняющей обработки используется в локомотивостроении для повышения износостойкости и усталостной прочности таких деталей, как зубчатые колеса, валы и вилки кардана со шлицами, гнезда шаровых опор и т. п.

Рис. 36. Закалка зубьев ведомых колес тяговых редукторов локомотивов с нагревом т. в. ч.:
а — рабочих поверхностей; б — по всему профилю зуба; в — схема установки для закалки (1, 2 — высокочастотные преобразователь и трансформатор; 3 — индуктор; 4 — закаливаемое зубчатое колесо)

Особенно широко применяется поверхностная закалка с нагревом т. в.ч. (рис. 36, в) для упрочнения зубчатых колес. Так, использование токов высокой частоты для упрочнения зубьев по всему контуру является одним из эффективных технологических способов повышения надежности тяговых зубчатых передач электроподвижного состава и тепловозов. Первоначально принятое термоупрочнение зубьев ведомых колес тяговых редукторов (хромоникелевая сталь марки 45ХН) путем закалки с нагревом т. в. ч. только рабочих поверхностей зубьев (так называемая секторная закалка — рис. 36, а) не дало желаемых результатов; этот способ закалки, повышая контактную прочность (твердость на поверхности зуба HRC 45-58), в то же время существенно снижает выносливость зубьев при работе на изгиб в результате возникновения больших растягивающих напряжений в месте обрыва закаленного слоя и в зоне впадин между зубьями.  Закалка зубьев по всему профилю (так называемая контурная закалка — рис. 36, б) значительно повышает усталостную прочность зубчатого колеса вследствие действия сжимающих остаточных напряжений по всему контуру зуба и особенно в зоне концентраторов напряжений — галтелей ¹. Качество закаленного с нагревом т. в. ч. поверхностного слоя в значительной степени зависит от характера исходной структуры. В связи с этим высокочастотной закалке ведомых зубчатых колес тяговых редукторов предшествует предварительная термическая обработка — улучшение (закалка с высокотемпературным отпуском), — обеспечивающая получение однородной мелкозернистой структуры; твердость после улучшения HRC 27-31. По данным И. В. Кудрявцева, усталостная прочность конструкционных улучшенных сталей может быть повышена закалкой с нагревом т. в. ч. на 40- 100%.
Наряду с термической обработкой в практике локомотивостроения большое распространение получили химико-термические способы упрочнения. Основными преимуществами химико-термической обработки как метода поверхностного упрочнения металла являются возможность более эффективного изменения свойств поверхностного слоя (главным образом твердости и остаточных напряжений) вследствие изменения его химического состава, а также получение упрочненных слоев весьма малой толщины. К недостаткам данного метода следует отнести невысокую производительность и относительно большую себестоимость технологического процесса.

Для упрочнения деталей локомотивов наиболее широко применяются цементация (зубчатые колеса, крестовины карданных приводов и т. п.) и нитроцементация (валики и втулки рессорного подвешивания, ведущие шестерни тяговых редукторов электровозов и другие детали). Увеличение содержания углерода в поверхностном слое и последующая термическая обработка, значительно повышая поверхностную твердость, существенно (в 2-10 раз) увеличивают износостойкость деталей. Кроме того, в результате структурных изменений увеличивается объем цементированного слоя, в результате чего в нем возникают остаточные напряжения сжатия (400-1000 МПа). Оптимальной является структура мелкоигольчатого мартенсита с минимальным количеством остаточного аустенита, при которой в цементированном слое возникают максимальные сжимающие напряжения. Эта особенность цементации используется для повышения усталостной прочности деталей (предел выносливости может быть повышен в 2- 3 раза).

¹ Возникновение в поверхностном слое высоких остаточных напряжений сжатия — до 700 МПа — связано с образованием мартенсита, сопровождающимся увеличением объема закаленного слоя.

Ведущие шестерни (сталь марок 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН3А и др.) тяговой передачи локомотивов для повышения износостойкости и усталостной прочности цементируют в твердом или газовом карбюризаторе с последующей двойной термической обработкой: закалкой или нормализацией (880° С), исправляющими структуру сердцевины, а затем повторной закалкой (800° С) и низкотемпературным (180... 230° С) отпуском для достижения максимальной твердости поверхностного слоя HRC 54-60. Глубина цементированного слоя обычно составляет 1,3-1,9 для тепловозных и 2-3 мм — для электровозных тяговых зубчатых передач.