Методика определения эффективной толщины цементированного слоя стали

Высоконагруженные зубчатые колёса трансмиссий подвергают цементации и закалке. Важным параметром упрочнённого цементированного слоя является его эффективная толщина h_ef . Большое влияние на достоверность определения h_ef оказывают полосчатость металла и неизбежная инструментальная погрешность измерения твёрдости. Цель работы – разработка методики повышения достоверности определения эффективной толщины h_ef упрочнённого слоя в стали после цементации и закалки.

За величину h_ef принимают расстояние h от поверхности изделия до зоны с твёрдостью 50 HRC. В работе обосновано, что аппроксимация изменения твёрдости от расстояния h до поверхности изделия позволит получить более достоверную зависимость изменения твёрдости в исследуемой зоне при проведении измерений твёрдости в более широком диапазоне расстояний h. Поэтому для повышения достоверности определения h_ef использованы результаты измерения твёрдости HV0,5 в расширенном диапазоне изменений h в окрестности анализируемой зоны. Результаты измерения HV0,5 пересчитаны в значения твёрдости HRC по формуле, рекомендованной международным стандартом. Распределение HRC(h) значений твёрдости HRC в области измерения интерполировано полиномом второй степени, физически верно отражающим изменение твёрдости металла в анализируемой зоне. Полученный полином использован для определения расстояния h_ef , при котором твёрдость принимает значение 50 HRC. Методика использована для определения h_ef зубчатого колеса из стали 18ХГТ после цементации и закалки. Показано, что результаты двух независимых измерений h_ef образца отличаются друг от друга на 0,003 мм. Это существенно меньше допустимой погрешности 0,02 мм определения h_ef по стандартной методике. Погрешность определения hef снижена за счёт расширения диапазона изменения h и статистически обоснованной интерполяции монотонного изменения твёрдости с расстоянием от поверхности изделия в области измерения.

Разработанная методика определения эффективной толщины h_ef упрочнённого слоя стали заключается в определении распределения её твёрдости в расширенной окрестности области h_ef , аппроксимации полученной зависимости полиномом второй степени и решении полученного с его использованием квадратного уравнения. Методика обеспечивает существенное снижение влияния структурной полосчатости металла и неизбежной погрешности измерения твёрдости на результат определения h_ef . Её применение позволит оптимизировать режимы цементации зубчатых колёс для повышения ресурса их эксплуатации.

1. Rudenko S.P., Val'ko A.L., Sandomirski S.G. Primenenie perspektivnyh jekonomno-legirovannyh marok stalej dlja zubchatyh koles mobil'nyh mashin [Application of Promising Sparingly Alloyed Steels for Gears of Mobile Machines]. Mehanika mashin, mehanizmov i materialov [Mechanics of machines, mechanisms and materials], 2019, no. 4, pp. 61–69 (in Russian).

2. Beskopylny A., Meskhi B., Onishkov N., Kotelnitskaya L., Ananova O. Deep Contact Strength of Surface Hardened Gears. Metals, 2020, 10, 600, 18 p. DOI: 10.3390/met10050600

3. Lahtin Ju.M., Leont'eva V.P. Materialovedenie: Uchebnik dlja mashinostroitel'nyh vuzov [Material Science: Textbook for Mechanical Engineering Universities]. – 2-e izd., pererab. i dop. – Moskva: Mashinostroenie Publ., 1980, 493 p.

4. Susin A.A. Khimiko-termicheskoe uprochnenie vysokona-pryazhennykh detaley [Chemical heat reinforcement of highly stressed components]. Minsk, Belorusskaya nauka Publ., 1999, 175 p.

5. Yoo С., Yoon S.J, Oh C.Y., Kang B.A. Analysis on the Microstructure and Hardness Change After Carburizing of Chromium-Molybdenum Alloy Steel for Automobile Parts. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), 2019, vol. 8, iss. 8, pp. 857–864.

6. Calika А., Duzgunb А., Ekincic A.E., Karakasd S., Ucare N. Comparison of Hardness and Wear Behaviour of Boronized and Carburized AISI 8620 Steels. Acta Physica Polonica A., 2009, vol. 116, no. 6, pp. 1029– 1032.

7. Mannonov J.A., Imomnazarov S.Q., Ismoilov H.A., Xidirov U.X. Modern Technology Of Surface Hardening Applied To Parts Of The Car. Nat. Volatiles & Essent. Oils, 2021, no. 8(4), pp. 2673–2676.

8. Rudenko S.P., Val'ko A.L. Soprotivlenie kontaktnoj ustalosti cementovannyh zubchatyh koles iz hromonikelevyh stalej [Contact fatigue resistance of cemented gears made of chromium-nickel steels]. Metallovedenie i termicheskaja obrabotka metallov [Metallurgy and heat treatment of metals], 2017, no 1, pp. 58–62 (in Russian).

9. Mauvoisin G., Bartier O., Nayebi A., Abdi R.El. Determination of the Hardness Profile on Heat Treated Steels by Hole Drilling and Indentation Methods. Journal of the Mechanical Behavior of Materials, 2000, vol. 11, no. 6, pp. 437–455.

10. STB 2307-2013. Poverhnostno-uprochnennye sloi metallicheskih detalej. Metody izmerenija tolshhiny [Surface-strengthened layers of metal parts. Thickness measuring methods]. Minsk: Gosstandart, 2013.

11. Urazov O.V., Egorov V.G., Danilov A.G., Drozdov I.G. Issledovanie fiziko-mehanicheskih harakteristik kompozicionnyh svarnyh soedinenij ustanovok AJeS, vosstanovlennyh metodom poverhnostnogo plasticheskogo deformirovanija [Study of physical and mechanical characteristics of composite welded joints of nuclear power plant units restored by the surface plastic deformation method]. Vestnik voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of the Voronezh State Technical University], 2022, vol. 18, no 3, pp. 124–132 (in Russian).

12. Makarov A.V., Luchko S.N., Shabashov V.A., Volkova E.G., Zamatovskii A.E., Litvinov A.V., Sagaradze V.V., Osintseva A.L. Structural and Phase Transformations and Micromechanical Properties of the HighNitrogen Austenitic Steel Deformed by Shear under Pressure. The Physics of Metals and Metallography, 2017, vol. 118, no. 1, pp. 52–64. DOI: 10.1134/S0031918X17010045

13. Bulychev S.I., Maljutin V.M., Uzincev O.E. Opredelenie mehanicheskih svojstv po tverdosti na osnove osnovnyh parametrov podobija. Plasticheskaja deformacija v otpechatke [Determination of Mechanical Properties by Hardness Based on Basic Similarity Parameters. Plastic Deformation in an Imprint]. Deformacija i razrushenie materialov [Deformation and fracture of materials]. EDN: KNVLGN, 2006, no. 5, pp. 19–23 (in Russian).

14. Saakjan M.G., Sogomonjan V.K. Izmerenie mikrotverdosti v zonah ustalostnogo razrushenija valov [Measurement of Microhardness in the Fatigue Fracture Zones of Shafts]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta Armenii. Serija: Mehanika, mashinovedenie, mashinostroenie [Bulletin of the State University of Armenia. Series: Mechanics, Mechanical Engineering, Mechanical Engineering], 2013, no. 2, pp. 64–69 (in Russian).

15. Sandomirski S.G. Effect of Measurement Accuracy and Range of Variation of a Physical Quantity on the Correlation Coefficient. Measurement Techniques, 2015, vol. 57, iss. 10, pp. 1113–1120. DOI: 10.1007/s11018-015-0588-3

16. Val'ko A.L., Rudenko S.P., Sandomirski S.G. Perevod chisel tverdosti pri ispytanijah poverhnostnouprochnennyh stal'nyh izdelij [Translation of Hardness Numbers in Testing of Surface-Hardened Steel Products]. Lit'e i metallurgija [Foundry Production and metallurgy], 2022, no. 3, pp. 73–78. DOI: 10.21122/1683-6065-2022-3-64-69.