УДК 621.7 Для повышения ресурса высоконагруженных зубчатых колес и шестерен

УДК 621.7
В.П. Новосельцев, П.В. Новосельцев, УУИЖТ, г. Улан-Удэ, Россия
Способ лазерной термической обработки элементов зубчатой
передачи тягового привода локомотива
Для повышения ресурса высоконагруженных зубчатых колес и шестерен
необходимо создать на поверхности зубьев более высокую твердость и антифрикционные свойства. Это осложняется необходимостью получения высокой
точности сложной поверхности зуба с сохранением вязкой сердцевины.
Согласно ГОСТ Р 51175-98 шестерни, колеса и их венцы из малоуглеродистой низколегированной стали упрочняют цементацией или нитроцементацией. Шестерни из стали 45ХН и ШХ4 упрочняют закалкой с нагревом токами
высокой частоты по всему профилю зуба.
Затем шестерни шлифуют до получения 5 класса точности. Толщина
оставшегося цементованного слоя может оказаться неравномерной по толщине,
а при шлифовке, из-за нагрева поверхности выше температуры 2000С, происходит разрушение мартенсита с потерей твердости. Поэтому не всегда удается сохранить рекомендуемую твердость поверхности НRC 59.
Известен способ упрочнения лазерной закалкой, при котором закаливаются поверхности сложной формы, практически не происходит искажение
формы и получается высокая твердость поверхности.
Нами были выполнены экспериментальные исследования по лазерной
термической обработке шестерни и получен патент на изобретение №2482194
от 20 мая 2013 года. Авторами проекта являются: Сигачев Николай Петрович,
Елисеев Сергей Викторович, Шастин Владимир Иванович, Новосельцев Виктор
Петрович, Червячкова Любовь Викторовна, Ситов Илья Сергеевич.
Лазерной термической обработке подвергалась поверхность зуба шестерни, изготовленной из стали 55Ф. На эту поверхность был нанесен светопоглощающий слой из цапонлака 955 черного цвета. Далее сфокусированным лучом
лазера плотность мощности в интервале 107 – 108 Вт/м2 со скоростью 1-3 мм/с
был нагрет поверхностный слой до температуры выше 8500С, обеспечивающей
структурное и фазовое превращение. Температура нагрева не должна превышать температуру плавления стали 15000С, чтобы не допускать оплавления и
возникновения пористостей и нарушения строения поверхностных слоев.
При этом, содержащиеся в цапонлаке азот и углерод поглощались поверхностью стали, происходило химикотермическое насыщение поверхности
этими веществами на глубину несколько десятков микрон.
При перемещении лазерного луча, нагретый участок за счет теплопроводности быстро охлаждался с образованием мартенсита. Твердость поверхности увеличилась.
На Рис.1 показана полученная зависимость.
Рис.1. Зависимость микротвердости по Викерсу HV от глубины упрочняющего слоя
Высокая концентрация и локальность подводимой энергии в ограниченном (миллисекундном) временном диапазоне, позволило обработать только поверхностный слой рабочей поверхности зуба с высокими скоростями нагрева и
охлаждения без существенного нагрева прилегающих слоев, а, следовательно,
без нарушения их структуры и свойств.
На микрошлифах в поверхностном слое отмечается более высокая дисперсность и повышенная микротвердость, пониженная химическая активность.
Кроме того, произошло изменение фазового состава. Структура зоны
термического воздействия состоит из двух слоев.
Первый слой содержит мелкодисперсный мартенсит и остаточный аустенит, второй состоит из зерен феррита и мартенсита, что обеспечивает повышенную коррозионную стойкость.
Трибомеханические свойства модифицированного слоя имеют положительный эффект; поверхностный износоустойчивый слой может быть наиболее
легко адаптирован на этапе приработки. В процессе изнашивания, последующие слои зоны термического влияния, благодаря повышенной твердости и низкому коэффициенту трения имеют более высокие износоустойчивые антифрикционные свойства.
Предлагаем:
1. Производить лазерную химикотермическую обработку рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес локомотивов, что позволит получить требуемые ГОСТом величины твердости и существенно увеличить технический ресурс на износ.
2. Производить лазерную химикотермическую обработку рабочих поверхностей шестерен тягового привода локомотива после цементации или нитроцементации и шлифовки с целью его закалки после частичного разупрочнения, вызванного шлифовкой.
Важно отметить, что наибольшая эффективность лазерной термообработки может быть достигнута в том случае, когда лазерный луч располагается по
нормали к рабочей поверхности зуба, а расстояние от излучателя до обрабатываемой поверхности остается постоянным. Мы разрабатываем механизмы, для
решения этой задачи.
Библиографический список
1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. Пособие для вузов /
Под ред. А.Г. Григорьянца. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 665 с.: ил.
2. ГОСТ Р 51175-98. Колеса зубчатые тяговых передач тягового
подвижного состава магистральных железных дорог.
3. Сигачев Н. П., Елисеев С. В., Шастин В. И., Новосельцев В. П.,
Червячкова Л. В., Ситов И. С. Патент на изобретение № 2482194
от 20 мая 2013 г. «Способ лазерной термической обработки рабочей поверхности зубьев шестерни».