Повышение срока службы чугунных деталей зубчатых и червячных передач

 
 
Веселовский А. А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПОВЫШЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ  
ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ ЗУБЧАТЫХ  
И ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ 
 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Инфра-Инженерия 
Москва ² Вологда 
2019

ФЗ 
№ 436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке  
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 
 
 УДК 621.793:539.374:669.056.9(043.5) 
 ББК 34.2 
В 38 
 
 
Рецензенты: 
генеральный директор ОАО ПО «САРМАТ» (г. Орск) В. Г. Леонтьев; 
доктор технических наук, профессор кафедры металловедения  
и физики прочности НИТУ «МИСиС» А. В. Кудря; 
начальник отдела перспективного развития  
ОАО «Машиностроительный концерн 
 ÄОРМЕТО-ЮУМЗ´» А. Ю. Беззубов  
 
 
 
 
Веселовский А. А. 
В 38  Повышение срока службы чугунных деталей зубчатых  
и червячных передач: монография / А. А. Веселовский. ²  
М.: Инфра-Инженерия, 2019.  ² 240 с. 
ISBN 978-5-9729-0290-3 
 
Рассматривается новый способ повышения срока службы чугунных элементов зацепления зубчатых и червячных передач посредством увеличения износостойкости поверхностных слоев диффузионной металлизацией. Данный 
способ прост в техническом оснащении, универсален по номенклатуре и может 
быть использован в любом типе производств.  
Анализ процессов формирования диффузионных слоев на чугунных изделиях показывает возможность восстановления изношенного слоя посредством повторной металлизации. 
Для студентов машиностроительных специальностей высших учебных 
заведений, аспирантов и инженерно-технических работников, занимающихся 
вопросами повышения срока службы чугунных деталей в условиях повышенной запыленности. 
‹ Веселовский А. А., автор, 2019 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 
 
ISBN 978-5-9729-0290-3 

 
     ОГ
ЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 5  
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ  ПРОБЛЕМ   
РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЗУБЧАТЫХ И ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ 
.................. 7 
1.1. Применение чугуна для изготовления деталей автомобильной 
 и сельскохозяйственной техники ............................................................. 8 
1.2. Оценка работоспособности зубчатых и червячных передач на стадии 
проектирования ......................................................................................... 16 
1.3. Причины выхода из строя зубчатых и червячных передач .................. 22 
1.4. Способы упрочняющей обработки стальных и чугунных деталей ..... 38 
1.5. Выбор упрочняющих элементов и метода упрочнения ........................ 45 
ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ  
И ИССЛЕДОВАНИЯ ВАНАДИЕВЫХ, ХРОМОВЫХ И МАРГАНЦЕВЫХ  
ПОКРЫТИЙ НА СЕРОМ  И ВЫСОКОПРОЧНОМ ЧУГУНЕ 
............................. 49 
2.1. Методика термодиффузионного упрочнения  серого  
и высокопрочного чугуна 
......................................................................... 49 
2.2. Методика проведения механических испытаний  
поверхностно упрочненных зубчатых колес из высокопрочного  
и червяков из серого чугуна ..................................................................... 55 
2.3. Методика определения критической толщины  
и износостойкости термодиффузионных покрытий  
в условиях абразивного истирания ......................................................... 58 
2.4. Определение диффузионной подвижности насыщающих элементов 
вдоль графитных включений в сером чугуне ........................................ 63 
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ И СОСТАВА ПОКРЫТИЙ  
НА СЕРОМ И ВЫСОКОПРОЧНОМ ЧУГУНЕ, ПОЛУЧЕННЫХ  
ТЕРМОДИФФУЗИОННЫМ НАСЫЩЕНИЕМ ВАНАДИЕМ, ХРОМОМ, 
МАРГАНЦЕМ И ИХ КОМБИНАЦИЯМИ ИЗ ПОРОШКОВОЙ СРЕДЫ 
.......... 68 
3.1. Структура, состав и микротвердость ванадиевых, хромовых  
и марганцевых покрытий ......................................................................... 69 
3.2. Введение алюминия в реакционную шихту с целью увеличения  
толщины карбидного покрытия 
............................................................... 91 
3.3. Одновременное насыщение чугунов двумя карбидообразующими 
элементами 
............................................................................................... 108 
ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ  
УПРОЧНЕНИЯ. КИНЕТИКА ТЕРМОДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ..... 138 
4.1. Определение рациональных управляющих  
параметров насыщения 
........................................................................... 138 
4.1.1. Ванадирование серого и высокопрочного чугуна 
....................... 139 
3 
 

4.1.2.  Хромирование серого и высокопрочного чугуна ....................... 149 
4.1.3. Термодиффузионное насыщение серого и высокопрочного  
чугуна марганцем .......................................................................... 155 
4.2. Эмпирические зависимости толщины ванадиевых, хромовых  
и марганцевых покрытий на высокопрочном чугуне 
.......................... 160 
4.3. Кинетика термодиффузионного насыщения серого  
и высокопрочного чугуна 
....................................................................... 166 
4.3.1. Кинетика  термодиффузионного ванадирования ..................... 166 
4.3.2. Кинетика термодиффузионного хромирования ....................... 178 
4.3.3. Кинетика термодиффузионного марганцирования 
.................. 180 
4.3.4. Сравнительные оценки параметров диффузии ванадия,  
хрома, марганца и встречной диффузии углерода 
.................... 182 
4.4. Результаты определения коэффициентов диффузии по границам  
графитных включений в сером чугуне ................................................. 183 
ГЛАВА 5. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС  
И ЧЕРВЯКОВ С КАРБИДНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ........................................... 187 
5.1. Влияние внешних антифрикционных покрытий на состояние  
поверхности и приработку упрочненных зубчатых колес в паре 
...... 187 
5.2. Результаты испытаний на износ зубчатых колес  
из высокопрочного чугуна ..................................................................... 191 
5.3. Результаты испытаний червяков из серого чугуна 
.............................. 204 
5.4. Исследование адгезионных механических характеристик 
высокопрочного чугуна с покрытием ................................................... 208 
5.5. Оценка износостойкости ванадиевых, хромовых  
и марганцевых покрытий в условиях абразивного  
и ударно-абразивного изнашивания 
...................................................... 214 
ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ  ТЕРМОДИФФУЗИОННОГО 
НАСЫЩЕНИЯ  ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ, ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПЫТАНИЕ 
УПРОЧНЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ  
ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМОГО МЕТОДА 
......................................... 218 
6.1. Разработка технологического процесса упрочнения и восстановления 
утраченной работоспособности зубчатых колес и червяков 
.............. 218 
6.1.1. Технологический процесс упрочнения новых чугунных  
зубчатых колес и червяков 
........................................................... 218 
6.1.2. Технологический процесс восстановления  утраченной  
работоспособности зубчатых колес и червяков ...................... 220 
6.2. Результаты промышленных испытаний ............................................... 222 
6.3. Оценка экономической эффективности внедрения результатов ....... 223 
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ............................................................................................... 225 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 228 
 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Развитие многих отраслей современной техники, повышение надежности 
машин и механизмов, увеличение производительности оборудования и труда  
в значительной мере зависят от разработки и практического использования различных типов защитных покрытий. Нанесение защитных покрытий позволяет 
увеличить твердость, износо- и окалиностойкость, улучшить коррозионные 
свойства, а также придать специфические эксплуатационные характеристики 
рабочим поверхностям деталей машин, приборов, производственного оборудования и инструмента. Это обеспечивает повышение срока службы и надежность 
соответствующих деталей и узлов, снижение трудоемкости и металлоемкости 
производства, дает возможность заменить дорогие и дефицитные материалы 
более дешевыми и доступными. 
Важные научные исследования в области защитных покрытий выполнены 
в вузах, отраслевых научно-исследовательских институтах и на заводах страны. 
Большое внимание при этом было уделено вопросам теории диффузионного 
насыщения, реакционной диффузии, структуре и эксплуатационным свойствам 
диффузионных покрытий, особенностям плазменного, детонационного и других видов покрытий. Особое внимание уделено многокомпонентному насыщению. 
Разработке и промышленному применению различных методов и типов 
защитных покрытий уделяется большое внимание в США, Японии, Англии, 
Франции. 
Программы работ в этой области финансируются правительством и частными компаниями многих отраслей промышленности. 
В США свыше 50 крупных научно-исследовательских центров и лабораторий занимаются разработкой и практическим применением высокотемпературных покрытий для тугоплавких металлов, сплавов и особое внимание уделяется методам термического напыления. 
В Великобритании с 1964 года функционирует Комитет по коррозии  
и защите от нее, по его данным, на основе обработки информации из 1650 источников, в промышленности потери от коррозии  оцениваются 1365 млн фунтов стерлингов в год. Одно лишь правильное применение известных методов 
защиты от коррозии без дополнительных исследований в этом направлении 
может уменьшить потери на 310 млн фунтов стерлингов. 
В США, Великобритании, Японии и др. странах широко используются 
тонкие покрытия (5-10 мкм) из карбидов и нитридов тугоплавких металлов, 
осаждаемых из газовой фазы на рабочую поверхность инструмента для обработки металла. 
В области диффузионных защитных покрытий уже создана теория диффузии в многокомпонентных системах, позволяющая понимать природу  
особенностей диффузионных процессов при наличии взаимодействия и количественно описать эти закономерности. 
5 
 

При анализе диффузионных явлений широко и успешно применяются 
принципы и методы термодинамики неравновесных процессов и положения 
теории электронного строения вещества, в том числе в рамках конфигурационной модели. Успехи теории многокомпонентной диффузии позволяют разработать методы прогнозирования долговечности диффузионных защитных покрытий. 
В настоящее время накоплены обширные экспериментальные данные  
по свойствам материалов с диффузионными защитными покрытиями, в частности по влиянию диффузионных покрытий на кратковременную статическую  
и усталостную прочность защищенных изделий на воздухе и в различных средах. Изучена роль остаточных напряжений, возникающих в процессе диффузионного насыщения, и предложена их классификация. Работы в этой области 
имеют большое значение для раскрытия механизма деформации и разрушения 
металлов с покрытиями, для создания теории прочности таких материалов. 
Анализируя выше изложенное, можно сказать, что успешное решение 
всего комплекса сложных практических задач возможно лишь на основе достаточно обоснованных теоретических предпосылок и поисковых исследований. 
Поэтому, наряду с совершенствованием существующих типов покрытий,  методов их нанесения, организации их внедрения в производственный комплекс, 
необходимо постоянно вести поисковые исследования по синтезу новых типов 
соединений, перспективных материалов для покрытий, и разработке новых высокопроизводительных методов их нанесения, основанных на новейших технических возможностях. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 

Г
ЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ 
РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЗУБЧАТЫХ  
И ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДА
Ч 
В Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации, 
утвержденной 30 января 2010 года Президентом Российской Федерации, указа- 
но на необходимость устойчивого развития отечественного производства продовольствия и сырья для обеспечения продовольственной независимости  
страны. Государственная программа сырья и продовольствия на 2008-2012 годы 
(утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 
2007 года № 446) предусматривает инновационное развитие отрасли, ускоренный переход к использованию технологий. В результате реализации программы 
базовые показатели социально-экономического развития сельского хозяйства 
должны существенно улучшиться. Однако объемы поставок сельхозтехники  
и энергообеспеченность сельскохозяйственных организаций явно не достаточны [1]. Остаются низкими показатели надежности отечественной техники  
в условиях эксплуатации. Невысокая надежность машин стала серьезным фактором низких экономических показателей отрасли. Только ежегодные потери 
зерна достигают 15 млн тонн. Сроки фактической эксплуатации машин и оборудования превышают нормативные в 2-3 раза. Затраты на ремонт техники  
в настоящее время составляет почти 60 млрд рублей, или 10  от всей выручки 
за всю произведенную продукцию [2]. Отсутствие целого ряда позиций техники 
конкурентоспособного отечественного производства вынуждает наиболее 
крупные и эффективные хозяйства, покупать зарубежную технику более дорогую с лучшими эргономическими характеристиками. Однако, для импортных 
машин в современных условиях остро стоит проблема технического сервиса. 
Практически на все типы сложных машин из-за отсутствия рабочей конструкторской документации, отсутствуют технологии ремонта, высокие затраты  
на запасные части. Повысить эффективность технологий технического сервиса 
отечественных и импортных машин и снизить эксплуатационные затраты можно путем организации восстановления деталей [3]. 
Перспективным способом восстановления и упрочнения почворежущих 
элементов является механизированное диффузионное намораживание износостойкими материалами [4, 5]. Технология позволяет свести к минимуму затраты 
на наплавочные работы и увеличить долговечность деталей в 2-4 раза. Затраты 
на наплавку составляют 25-30  стоимости заготовки. Способ предполагает 
автоматизацию процесса диффузионного намораживания путем создания на базе установки для механизированного диффузионного намораживания робототехнологического комплекса [6, 7]. 
Теоретическое обоснование применения композиционных составов базируется на разъяснениях современной физики металлов, причин их пластичности, 
прочности и ее увеличения. Данные качества композиционных материалов 
важны, так как работоспособность упрочняющего слоя зависит не только  
7 
 

от твердости, но и от способности противостоять ударным и деформирующим 
нагрузкам. Причиной этому является недостаточная прочность (хрупкость) 
сверхтвердых компонентов. Композиционные материалы с металлической, более мягкой матрицей решают эту проблему прочности композиционного покрытия [8]. Однако существующие способы восстановления изношенных деталей сельскохозяйственных машин являются очень дорогими, трудоемкими  
и требуют специального технологического оборудования (например, технология французской фирмы AgrilCarb по получению защитных пластин из спеченного карбида вольфрама), либо не обеспечивают существенного увеличения 
долговечности деталей (например, индукционная наплавка на Рубцовском заводе запасных частей). 
В случаях, когда надежность машин автомобильной, сельскохозяйственной и специальной техники определяется долговечностью трущихся поверхностей кинематических пар, износ которых при выбраковке по данным  
ГНУ ГОСНИТИ составляет не более 0,1-0,3 мм экономически выгодно применять термодиффузионные износостойкие покрытия [9]. 
1.1. Применение чугуна для изготовления деталей  
автомобильной и сельскохозяйственной техники 
Чугун как конструкционный материал получает все большее распространение в сельскохозяйственном машиностроении. Чугунные изделия имеют достаточно высокую прочность и износостойкость, в меньшей мере, чем сталь 
чувствительны к концентраторам напряжений. В сельхозмашиностроении изготовляют следующие детали: прицепные скобы тракторов, шестерни для огородных комбайнов, втулки балансиров трактора ДТ-54, картеры коробки передач, ступицы колес, направляющие оси, валы сгребателей лесовозных тракторов, шестерни тракторных сеялок, кольца и диски фрикционных муфт, шкивы, 
зубья борон, диски лушильников и др. 
Серый чугун применяется для изготовления отливок самой сложной конфигурации с толщиной стенок от 2 до 500 мм, его расплав обладает хорошей 
жидкотекучестью, малой склонностью к образованию усадочных дефектов  
по сравнению с другими видами чугуна. 
Физико-механические и служебные свойства чугуна определяются прежде всего особенностями микроструктуры: пластинчатый графит, содержащийся 
в структуре серого чугуна, нарушает целостность металлической основы, и поэтому имеет сравнительно невысокие значения временного сопротивления разрыву при растяжении, очень низкую пластичность. В сером чугуне уникально 
сочетаются хорошие антифрикционные свойства, высокая износостойкость, 
малая чувствительность к концентраторам напряжений, высокая демпфирующая способность и эффективность гасить вибрации [10]. 
Учитывая свойства серого чугуна, детали из него находят широкое применение в конструкциях автомобилей и тракторов, при этом масса литых деталей из серого чугуна составляет 15-25  от общей массы. 
8 
 

Для блоков и головок цилиндров тяжело нагруженных дизельных двигателей (автомобильных и судовых) применяют специальный легированный чугун, а для головок цилиндров ² высокоуглеродистый (более 3,5  С) легированный термостойкий чугун [11], гильзы цилиндров карбюраторных и дизельных двигателей изготавливают из серого чугуна [12], а гильзы крупных транспортных дизелей ² из высокопрочного чугуна. 
Преимущественное применение серого чугуна обусловлено сочетанием  
в нем высокой износостойкости и противозадирными свойствами [13] при трении с ограниченной смазкой. 
Для гильз цилиндров применяют чугун, марок СЧ20 и СЧ25. Гильзы цилиндров двигателей закаливаются для получения твердости на зеркале [14]  
не менее 42НRC.Основными требованиями к чугуну для гильз являются [12] 
перлитная структура матрицы (не более 5  феррита), графит среднепластинчатый, неориентированный, твердость в пределах 200-250 НВ. 
Тормозные диски, барабаны, нажимные диски сцепления, работающие  
в условиях сухого трения с высокими скоростями скольжения, в паре с фрикционной пластмассой, должны обеспечивать стабильный коэффициент трения  
и износостойкость [15]. 
Для тормозных барабанов и дисков средней нагруженности чаще всего 
применяют серый чугун марки СЧ20 и СЧ25. 
Для грузовых автомобилей, тракторов, погрузчиков и др. специальной 
техники используются гидроцилиндры (поршневые и телескопические), в которых сквозная крышка, поршень и направляющая выполнены из серого чугуна, 
марки СЧ 20 (ГОСТ 1412-85). Основные виды гидроцилиндров, выпускаемых 
на предприятии ОАО ПО «САРМАТ», представлены на рис. 1.1. 
Рис. 1.1. Виды гидроцилиндров, выпускаемых на ОАО ПО «САРМАТ» 
Из приведенных сборочных чертежей поршневого ГцА01.000 (рис. 1.2)  
и телескопического 55102-8603010А (рис. 1.3) гидроцилиндров видно, что такие детали как сквозная крышка, поршень (рис. 1.2, поз. 6, 12), и направляющие 
(рис. 1.3, 
поз. 13-18), 
работают 
в 
тяжелых 
условиях 
статических  
9 

и динамических нагрузок на износ трением со смазкой в системе «чугун ² 
сталь». 
Гидроцилиндры с номинальным давлением 10 МПа и более должны 
иметь коэффициент полезного действия более 90 , при эксплуатации  
они должны нагружаться вдоль своей оси, и если гидроцилиндры крепятся  
при помощи проушин, цапф, сферических опор и др., то в таких конструкциях 
ось под нагрузкой меняет свое положение, и согласно ГОСТ 16514-96 такие 
гидроцилиндры должны воспринимать боковую нагрузку, не превышающую  
10  от силы гидроцилиндра. 
Наработка до отказа (90 ) согласно ГОСТ 16514-96 должна быть: 
x для одноступенчатых гидроцилиндров (рассчитанные на номинальное 
давление до 16 МПа, с ходом поршня до 500 мм) не менее  
0,8 Â 106 циклов нагружения (двойных ходов), а свыше 500 мм ² не 
менее 
S
˜
˜
2
10
8
,
0
9
 циклов (S ² ход гидроцилиндра); 
x для телескопических гидроцилиндров ² не менее 104 циклов. 
Критерием отказа гидроцилиндра является переход его в нерабочее состояние, требующее остановки работы гидроцилиндра для устранения неисправности. 
Критерием предельного состояния гидроцилиндров является уменьшение 
общего КПД или (и) увеличение удельного объема выносимой рабочей жидкости более чем в 1,2 раза от установленного значения для гидроцилиндров конкретного типа, не устраняемое заменой уплотнителей и опорных колец. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10