Зубчаті колеса передач технологічних машин традиційно виготовляються із середньо вуглецевих та легованих сталей. Після виготовлення вони піддаються зміцненню поверхневою термічною обробкою для забезпечення твердої поверхні з м’якою серцевиною. Даний процес досить громіздкий, екологічно шкідливий та потребує значних енергетичних витрат. З метою забезпечення високих екологічних показників, зниження енергетичних витрат на термообробку, а також підвищення зносостійкості зубчатих коліс нами пропонується обмежитися модифікацією лише їх поверхневих шарів. Така модифікація сприятиме забезпеченню відповідності специфічним умовам експлуатації зубчатих коліс, яка потребує  твердої поверхні і м`якої серцевини [1, 2].

В умовах Подільського наукового фізико-технологічного центру (ПНФТЦ) проводилися дослідження з модифікації сталевих поверхонь шляхом безводневого азотування в тліючому розряді (БАТР). Дослідження виконувалися в два етапи: спочатку на зразках, а потім на зубчастих колесах виготовлених зі сталі 40Х.

Враховуючи економічну сторону досліджень, на першому етапі модифікаційні процеси проводилися на зразках циліндричної форми діаметром 5 мм і довжиною 20 мм, виготовлених зі сталі 40Х. Дослідження проводилися при різноманітних режимах БАТР, всього 27 режимів.

При цьому змінювалися основні параметри БАТР:

-                  процентний склад газової суміші (азот + аргон) від 20 % N₂ + 80 % Ar до 80 % N₂ + 20 % Ar з інтервалом 30 %;

-                  тиск в розрядній камері від 200 до 400 Па з інтервалом100 Па;

-                  температура процесу від 560 ^оС до 600 ^оС з інтервалом 20 ^оС;

-                  тривалість процесу від 3-х до 4-х год, з інтервалом 30 хв.

В результаті оптимізації здійсненої за критеріями мікротвердості та товщини модифікованого шару для подальших досліджень на зносостійкість було вибрано наступні три режими модифікації зразків.

Режим 1:

–                 процентний склад робочої суміші – 80 % N₂ + 20 % Ar;

–                 тиск в розрядній камері під час модифікації – 350 Па;

–                 температура процесу модифікації – 580 °С;

–        тривалість процесу модифікації – 4 год.

Режим 2:

–                 процентний склад робочої суміші – 20 % N₂ + 80 % Ar;

–                 тиск в розрядній камері під час модифікації – 200 Па;

–                 температура процесу модифікації – 560 °С;

–                 тривалість процесу модифікації – 4 год.

Режим 3:

–                 процентний склад робочої суміші – 50 % N₂ + 50 % Ar;

–                 тиск в розрядній камері під час модифікації – 300 Па;

–                 температура процесу модифікації – 580 °С;

–                 тривалість процесу модифікації – 4 год.

Модифікація зразків за оптимальними режимами забезпечила мікротвердість поверхні в межах HV_0,1 850…900 МПа.

Крім того був виконаний рентгеноструктурний аналіз модифікованих зразків. Результати рентгеноструктурного аналізу показують, що отриманий модифікований шар сягає глибини 0,15...0,2 мм. При цьому він складаються з               ε-фази та -фази, яка являє собою нітриди заліза  та . Під цим шаром знаходиться дифузійний шар, який складається з великих і дрібних голчастих утворень. Ідентифікація по мікротвердості показала, що великі включення являють собою γ´-фазу Fe₄N, а дрібні складаються з азотистого -твердого розчину. Концентрація азоту, знижується від поверхні в глибину металу, а відповідно і твердість також [3].

Світлини мікрошліфів нетравленого і травленого зразків представлені на рис. 1. На другій світлині видніються сліди, від вимірювання мікротвердості поверхні приладом ПМТ-3. Збільшення розмірів слідів в напрямку від поверхні зразка до середини наглядно свідчить про зміну мікротвердості поверхневого шару. Таким чином, в результаті модифікації зразків, забезпечена тверда поверхня при м’якій серцевині, що повністю відповідає вимогам експлуатації коліс зубчатих передач [4].

Дослідження модифікованих та немодифікованих зразків на зносостійкість виконувалися на універсальній машині тертя 2168УМТ за інтенсивною технологією в режимі сухого тертя. Результати досліджень отримані методом порівняння результатів зношування модифікованих і немодифікованих зразків приведені нижче, на рис. 2.

Рис. 2. Результати досліджень на зносостійкість зразків не модифікованих та модифікованих БАТР за трьома режимами

Другий етап досліджень проводився на натурних зразках, зубчастих колесах з подальшими випробуваннями їх в умовах виробництва. На фото (рис. 3) представлено зубчасті колеса, до і після модифікації з застосуванням БАТР.

Другий етап досліджень (випробування на натурних зразках, в умовах виробництва) в даний момент не закінчено.

Рис. 3. Зубчасті колеса до і після модифікації БАТР

Висновок:

Проведені дослідження способу поверхневої модифікації деталей зубчатих передач, безводневим азотуванням в тліючому розряді, виготовлених із сталі 40Х дозволяє прогнозувати ефективність даного методу для підвищення зносостійкості коліс зубчатих передач, а проведені попередні дослідження на зразках, за інтенсивною методикою дають можливість досить швидко виконувати оптимізацію режимів модифікації з врахуванням матеріалу деталі специфіки її експлуатації, конструктивних особливостей.

Література

1. Каплун В. Г. Ионное азотирование в безводородных средах: монография / В. Г. Каплун, П. В. Каплун. – Хмельницкий: ХНУ, 2015. – 315 с.

2. Пастух И. М. Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде: монография / И. М. Пастух. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2006. – 164 с.

3. Stechishina N.M. Influence of the parameters of hydrogen nitrogen nitrogen in a glow discharge on tribological and physico-chemical properties of steel 40X / N.M. Stechishina, M.S. Stechyshyn, A.V. Martynyuk, N.V. Lukianyuk, V.V. Lyukhovets, Yu.M. Bilyk // Problems of Tribology. – Khmelnytskyi: KHNU, 2021. – V. 26 - №3/101. – P.31-41.

4. Stechychyn M. WEAR RESISTANCE OF NITROGENED STRUKTURAL STEEL WITH LIMITAND DRY FRICTION / M. Stechyshyn, V Oleksandrenko, М. Lukyanyuk // Actual problems of modern science. Monograf: Bydgoszcz, Poland – 2021. – Р. 733-740.