Obróbka cieplno-chemiczna małych kół zębatych do napędów trakcyjnych

"Trakcja i Wagony nr 5-6/80

inż. Stanisław Czaplicki
kierownik oddz. obróbki cieplnej w ZNTK w Gliwicach
mgr inż. Jan Pająk
UKD: 621.833:621.785:629.4-582.12

Celem niniejszego artykułu są: przegląd stosowanych stali i technologii obróbki cieplno-che-micznej małych kół zębatych przekładni trakcyjnych oraz propozycje zmian. W 1979 roku ZNTK w Gliwicach uruchomiły oddział obróbki cieplnej kół zębatych i wyprodukowały dotąd ponad 1500 kół zębatych.

Technologia nawęgłania i obróbki cieplnej po nawęglaniu

Technologia ta obejmuje:
- nawęglanie gazowe w piecach wgłębnych w atmosferze powstałej z rozkładu nafty,
- hartowanie z temperatury właściwej dla rdzenia w piecach komorowych bez atmosfery, co ze względu na duże przekroje i różnice przekrojów (zęby i reszta przekroju) powoduje duże odwęglanie powierzchniowe,
- wyżarzanie zmiękczające,
- obróbkę skrawaniem warstwy materiału chroniącej przed nawęglaniem otworu i czoła kół,
- hartowanie z temperatury właściwej dla warstwy w piecach komorowych bez atmosfery,
- śrutowanie,
- niskie odpuszczanie.

Nafta jest przestarzałą cieczą do nawęglania, nie zapewniającą otrzymania prawidłowej mikrostruktury warstwy nawęglanej wskutek zbyt wysokiego i nie regulowanego potencjału węglowego. W warstwie powstają niedopuszczalne wydzielenia węglików w postaci siatki na granicach ziarn, szczególnie przy dużych grubościach warstw stosowanych na małe koła zębate.

Jeżeli odwęglanie powierzchni pracującej zębów przekracza naddatki na szlifowanie około 0,2 mm, to powoduje to zmniejszanie zmęczeniowej wytrzymałości zębów wskutek powstawania na powierzchni niekorzystnych naprężeń rozrywających w pierwszej fazie pracy przekładni. O ile mniejsza twardość i odporność na ścieranie powodują zużycia w pierwszej fazie o tyle naprężenia rozrywające mogą w szybszym czasie doprowadzić do pęknięć powierzchniowych - "pittingu", a nawet wyłamania zębów.

Technologia i wyposażenie gniazda do obróbki cieplno-chemicznej w ZNTK w Gliwicach

W produkcji jednostkowej i małoseryjnej ekonomiczną i nowoczesną technologią nawęglania jest nawęglanie gazowe w atmosferze z ciekłych związków organicznych o regulowanym potencjale węglowym. Technologia obróbki cieplno-chemicznej i urządzenia stosowane obecnie w ZNTK w Gliwicach przedstawione są w tablicy 1 i na rysunku 1. Na rysunku 2 przedstawiono wycinek koła zębatego, wytrawiony po całkowitej obróbce cieplno-chemicznej.

Zastosowano nawęglanie dwufazowe z wysokim potencjałem węglowym w pierwszej fazie (wydatek cieczy około 3,3 ml/min) i mniejszym w drugiej fazie (około 2,3 ml/min) [2].

Cieczą nawęglającą jest mieszanina denaturatu i toluenu. Dozowanie odbywa się za pomocą zaworu typu iglicowego i ilość cieczy określa się przez podanie liczby kropli na 15 s (np. 20-25 kropli na 15 s). Nie jest to sposób wygodny, ale zastosowano go z uwagi na krótki termin uruchomienia i niezawodność.

Tablica 1
Zarys technologii obróbki cieplno-chemicznej w ZNTK w Gliwicach

Nr operacji	Treść operacji	urządzenie	Czas [h]	Wsad [szt.]	Temp. [°C]	Sposób chłodzenia
1	nawęglanie na głębokość 1,0-3,2 mm dwustopniowe	PEGat 950/3	16-42	12-16	900	powietrze
2	hartowanie I	PEGat 950/3 DR 100x150	2,5-3,5	12-16	850	olej OH-120
3	wyżarzanie zmiękczające	PEG-700-4	6	12-16	650	powietrze
4	obróbka skrawaniem
5	hartowanie II	PEGat 950/3 DR 100x150	3-3,5	.12-16	810	olej OH-120
6	śrutowanie	OWD-1000
7	niskie odpuszczanie	PEG-700-4	4	12-1S	190	powietrze

Rys. 1. Obieg technologiczny małych kół zębatych

Rys. 2. Wycinek koła zębatego po całkowitej obróbce cieplno-chemicznej (trawienie NITAL, wielkość naturalna)

Temperatura procesu wynosi tylko 900°C, gdyż koła zębate wykonywane są ze stali gruboziarnistych, a w przypadku czasów nawęgla-nia powyżej 8 godzin (czemu odpowiada grubość warstwy powyżej 1,4 mm) - ziarna mogą ulec rozrostowi nawet w stali drobnoziarnistej [1].

Podgrzewanie do hartowania odbywa się w atmosferze ochronnej, takiej jak przy nawęglaniu. Hartowanie dwukrotne zostało narzucone technologom przez większość rysunków konstrukcyjnych - zresztą niepotrzebnie.

Celem wyżarzania zmiękczającego jest:
- likwidacja austenitu szczątkowego stali chromowo-niklowych po nawęglaniu i pierwszym hartowaniu,
- zmniejszenie twardości w celu umożliwienia zebrania naddatku chroniącego przed nawęglaniem otworów i płaszczyzn czołowych koła.

Propozycje zmian w dokumentacji i technologii na podstawie badań własnych

Na podstawie przeprowadzonych prób proponujemy przy stosowaniu obecnych gatunków stali 12HN3A, 18H2N2 (17HNM) na małe koła zębate następujące zmiany:
- zastosowanie hartowania jednokrotnego z temperatury właściwej dla rdzenia (tabl. 2). Z analizy tablicy wynika, że wprawdzie nastąpiło pewne pogorszenie ziarna w warstwie przejściowej, ale jest ono jeszcze dopuszczalne, natomiast wyższa twardość rdzenia zapewnia maksymalną wytrzymałość zmęczeniową [2]. Wyniki zawarte w tablicy 2 uzyskano na podstawie pomiarów na 3 wycinkach kół z różnych wytopów materiałów. Jest to liczba niewielka, ale biorąc pod uwagę fakt, iż od wielu lat zakłady naprawcze stosują hartowanie jednokrotne zamiast dwukrotnego, możemy uznać, że wyniki eksploatacyjne potwierdzają wyniki badań;
- ochrona przed nawęglaniem otworu i płaszczyzn czołowych kół za pomocą past, a nie naddatku materiału; przy seryjnej produkcji jest to najbardziej ekonomiczny sposób. Obecnie w ZNTK stosuje się, znaną powszechnie praktykom, pastę o składzie:
minia ołowiowa - 20%
talk - 40%
ziemia okrzemkowa - 40%
szkło wodne w ilości potrzebnej do utworzenia gęstej zawiesiny.
Nakładane są dwie warstwy pasty za pomocą pędzla. Instytut Mechaniki Precyzyjnej oferuje i wprowadza nową pastę CG-74; pasta ta jest zmywalna nawet w procesie mycia detali zahartowanych w myjniach o intensywnym myciu.

Przy zastosowaniu powyższych zmian, technologia ta będzie uproszczona i będzie obejmowała operacje 1, 2, 3, 6 i 7 - wg tablicy 1.

Technologia ta może być jeszcze mniej energochłonna (wszystkie stosowane piece ogrzewane są elektrycznie) przez zastosowanie na małe koła zębate stali drobnoziarnistych 18 HGT. W tym przypadku można skrócić czas nawęglania i stosować hartowanie bezpośrednie; zaniknie wtedy operacja zmiękczania oraz studzenia po nawęglaniu i grzania do hartowania.

Wnioski

1. Przy mało- i średnioseryjnej cieplno-che-micznej obróbce małych kół zębatych metodą najbardziej ekonomiczną i dającą najlepsze wyniki jakościowe jest nawęglanie gazowe dwustopniowe w piecach wgłębnych, w atmosferze z ciekłych związków organicznych o regulowanym potencjale węglowym.

2. Należy stosować - jako ochronę przed nawęglaniem otworu i płaszczyzn czołowych koła - pasty, a nie metodę naddatku materiału (również zgodnie z postulatami IMP).
1) wielkość ziarna austenitu badano na wycinkach kół zębatych metodą przełomu (rys. 3) i porównania ze skalą wzorów wg PN(1),
2) twardość rdzenia mierzono u podstawy zęba na środku cięciwy łączącej dwa wręby (rys. 3).

3. Zupełnie wystarczające - do uzyskania żądanych własności mechanicznych kół - jest stosowanie hartowania jednokrotnego, zamiast dwukrotnego, postulowanego przez konstruktorów.

Rys. 3. Przełom zęba po całkowitej obróbce cieplno--chemicznej; odciski twardości po badaniu rdzenia (pow. X 3)

Tablica 2
Wielkość ziarna austenitu i twardość rdzenia po hartowaniu dwukrotnym i jednokrotnym

Sposób hartowania	Gatunek stali	"Wielkość ziarna"	Nr rdzenia	Twardość rdzenia HRC2
		warstwa	warstwa przejściowa
hartowanie dwukrotne 350/810°C w oleju	18H2N2	8	8	7
hartowanie jednokrotne 350stC w oleju	12HN3A	8	7	7
	18H2N2	8	6,5	7

Bibliografia:

[1] Ulrieh M., Glanbitz H.: Badania przegrzewalności stali. ZYDJ t. 91 1949

[2] Praca zbiorowa: Kontrola mikrostruktury wyro-bów nawęglanych A-06 MP-BOINTE WKC. Warszawa 1969