Исследование микротвердости для обеспечения контактной выносливости конструкционных материалов

Прочность рабочих поверхностей зубчатых колес зависит от механических свойств материала и качества изготовления деталей. В работе представлены результаты исследования прочности материалов и рабочих поверхностей зубчатого механизма, обусловленной структурными изменениями при применении химико-термической обработки. Исследовали поверхностную прочность зубчатых колес газотурбинных двигателей. Использовали образцы из сталей 20Х3МВФ-Ш, 16Х3НВФМБ-Ш, 18Х2Н4МА и 12Х2Н4А, в качестве химико-термической обработки контактирующих поверхностей применяли нитроцементацию и ионное азотирование. Анализировали изменение микротвердости составляющих слоев зубчатого венца — диффузионной, переходной и основной. Металлографический анализ структуры материалов проводили для описания факторов, определяющих поверхностную прочность рабочих поверхностей. Приведены систематизированные данные по процессу изменения микротвердости материалов, полученные экспериментальным путем в условиях серийного производства. На основе данных по микротвердости и структурному состоянию поверхностных слоев рабочих профилей зубчатых колес представлены экспериментальные результаты изменений механических свойств материалов. Выполнена сравнительная оценка поверхностной прочности исследуемых образцов при контактном взаимодействии. Установлена зависимость поверхностной прочности от многофакторного объемного строения и структурного становления материала в процессе наработки. Показано, что способ насыщения поверхности формирует структуру материала с различными механическими свойствами с образованием переходной зоны, имеющей характерные отличительные значения по твердости. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании зубчатых передач с учетом изменения механических свойств и структуры материалов для обеспечения необходимых эксплуатационных требований.

1. Старков В. К. Физика и оптимизация резания материалов. — М.: Машиностроение, 2009. — 640 с.

2. Старков В. К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. — М.: Машиностроение, 1989. — 296 с.

3. Севальнев Г. С., Коробова Е. Н., Дворецков Р. М. и др. Влияние степени дисперсности структуры мартенсита и размера карбидной фазы на фрикционное взаимодействие в условиях сухого трения скольжения высокоуглеродистой комплексно-легированной стали / Авиационные материалы и технологии. 2022. № 6(112). С. 15 – 26. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-6-15-26

4. Сосновский Л. А. О выборе современного конструкционного металлического материала для механических систем ответственного назначения / Механика машин, механизмов и материалов. 2022. № 4(61). С. 86 – 96. DOI: 10.46864/1995-0470-2022-4-61-86-96

5. Антонюк В. Е., Никифорович С. О. Особенности стабилизации кольцевых заготовок / Механика машин, механизмов и материалов. 2023. № 1(62). С. 11 – 17. DOI: 10.46864/1995-0470-2023-1-62-11-17

6. Севальнев Г. С., Коробова Е. Н., Романенко Д. Н., Дорошенко А. В. Исследование влияния карбидной неоднородности на контактную выносливость высокоуглеродистой комплексно легированной стали / Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 1(205). С. 36 – 40. DOI: 10.36652/1813-1336-2022-18-1-36-40

7. Петрова В. Ф., Дроздов А. В., Гевлич С. О., Гусева А. А. Исследование причины нестабильности ударной вязкости трубных заготовок из стали 40ХМФА / Черные металлы. 2023. № 4. С. 54 – 59. DOI: 10.17580/chm.2023.04.09

8. Панов А. Н. Прогнозирование циклической долговечности и анализ рисков несоответствий несущих конструкций мобильных машин / Тракторы и сельхозмашины. 2021. Т. 88. № 6. С. 45 – 53. DOI: 10.17816/0321-4443-2021-6-45-53

9. Лебедев С. Ю. Анализ методик расчета глубинной контактной выносливости / Омский научный вестник. 2022. № 2(182). С. 42 – 47. DOI: 10.25206/1813-8225-2022-182-43-47

10. Лебедев С. Ю., Сызранцев В. Н. Вероятность безотказной работы зубчатых цилиндрических передач: глубинная контактная выносливость / Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2022. Т. 22. ¹ 2. С. 20 – 32. DOI: 10.14529/engin220202

11. Lebedev S. Yu., Syzrantsev V. N. Calculating the probability of the failure-free operation of spur gear transmissions / Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2022. Issue 3. P. 13 – 24. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.3.013-024

12. Руденко С. П., Валько А. Л. Построение кривых глубинной контактной усталости поверхностно упрочненных зубчатых колес / Механика машин, механизмов и материалов. 2022. № 2(59). С. 47 – 53. DOI: 10.46864/1995-0470-2022-2-59-47-53

13. Валько А. Л., Руденко С. П., Сандомирский С. Г. Перевод чисел твердости при испытаниях поверхностно-упрочненных стальных изделий / Литье и металлургия. 2022. № 3. С. 64 – 69. DOI: 10.21122/1683-6065-2022-3-64-69

14. Руденко С. П., Валько А. Л., Сандомирский С. Г. Определение эффективной толщины упрочненного слоя цементованных зубчатых колес / Механика машин, механизмов и материалов. 2022. № 3(60). С. 61 – 67. DOI: 10.46864/1995-0470-2022-3-60-61-67

15. Морозов В. В., Иванченко А. Б., Жданов А. В., Кочетов Д. О. Оценка нагрузочной способности цилиндрической самотормозящей зубчатой передачи методом конечных элементов в статическом режиме удержания нагрузки / Вестник машиностроения. 2022. № 10. С. 40 – 44. DOI: 10.36652/0042-4633-2022-10-40-44

16. Безъязычный В. Ф., Шеховцева Е. В. Технологическое обеспечение изготовления зубчатых колес авиационных газотурбинных двигателей с учетом нестабильности физико-механических свойств их материалов / Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. № 8(146). С. 35 – 42. DOI: 10.30987/2223-4608-2023-35-42

17. Трубин Г. К. Контактная усталость материалов для зубчатых колес. — М.: Машгиз, 1962. — 404 с.

18. Безъязычный В. Ф., Шеховцева Е. В. Повышение прочности материала зубчатых колес путем электроэрозионной и химико-термической обработок / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. ¹ 6. С. 52 – 56.