Повышение несущей способности высоконагруженных зубчатых колес из стали 13Х3Н3М2ВФБ-Ш способом вакуумной нитроцементации Лашнев Михаил Михайлович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Технологические возможности нитрощментации сталей 12

1.1. Газовая нитроцементация высоконагруженных деталей машин 12

1.2. Требования к составу и структуре нитроцементованного слоя сталей 16

1.2.1. Особенности нитроцементации экономно-легированных сталей 16

1.2.2. Особенности нитроцементации хромоникелевых и теплостойких сталей мартенситного класса 21

1.3. Технологические возможности ионной нитроцементации 25

1.4. Теоретические и технологические основы науглероживания в атмосферах низкого давления 33

1.5. Математическое моделирование процессов цементации и нитроцементации 41

1.6. Существующие подходы к реализации процесса вакуумной нитроцементации 44

1.7. Выводы по главе 1 и направления исследований 46

Глава 2. Методики проведения исследований 49

2.1. Материалы и объекты исследований 49

2.2. Опытное и промышленное оборудование для вакуумной цементации и нитроцементации 50

2.3. Методики исследований структуры, химического состава и свойств диффузионных слоев 56

Глава 3. Разработка режимов вакуумной нитрощментации на основе экспериментальных исследований 61

3.1. Технологические факторы вакуумной нитроцементации 61

3.2. Закономерности диффузионного массопереноса углерода и азота при вакуумной нитроцементации 63

3.3. Определение оптимальной схемы подачи углерод- и азотсодержащих компонентов рабочей среды низкого давления 74

3.4. Влияние технологических факторов вакуумной нитроцементации на характеристики диффузионного слоя 77

3.4.1. Влияние температуры процессаВНЦ 77

3.4.2. Влияние общего времени диффузионного насыщения 78

3.4.3. Влияние суммарного времени активных стадий насыщения 80

3.5. Разработка режимов ВНЦ зубчатых колес газотурбинного двигателя 83

3.6. Исследование структуры и параметров диффузионных слоев после нитроцементации стали ВКС-10 по разработанным режимам 86

3.7. Структурообразование при ТО после вакуумной нитроцементации стали ВКС-10 91

3.8. Выводы по главе 3 94

Глава 4. Разработка рекомендаций по оптимальному выбору режимов вакуумной нитроцементании 97

4.1. Математическая модель процесса вакуумной нитроцементации 97

4.2. Проверка адекватности математической модели вакуумной нитроцементации 105

4.3. Исследование влияния временных факторов технологического процесса ВНЦ на характеристики диффузионного слоя на основе математического моделирования 108

4.3.1. Влияние общей продолжительности процесса на характеристики диффузионных слоев 108

4.3.2. Влияние соотношения продолжительности активных и пассивных стадий цикла на характеристики диффузионных слоев 111

4.3.3. Влияние количества циклов подачи технологических газов на характеристики диффузионных слоев 113

4.4. Рекомендации по разработке оптимальных режимов ВНЦ 115

4.5. Выводы по главе 4 126

Глава 5. Теоретическая оценка эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей, упрочненных вакуумной нитроцементацией 128

5.1. Оценка прочностных свойств диффузионных слоев после вакуумной нитроцементации по сравнению с цементованными 128

5.1.1. Расчет прочности на сдвиг цементованного слоя стали ВКС-10 130

5.1.2. Расчет прочности на сдвиг нитроцементованного слоя стали ВКС-10 133

5.2. Сравнительная оценка сопротивления заеданию нитроцементованных слоев стали ВКС-10 и традиционных теплостойких сталей 140

5.3. Выводы по главе 5 145

Общие выводы и заключение 146

Список литературы 149

• Технологические возможности ионной нитроцементации
• Закономерности диффузионного массопереноса углерода и азота при вакуумной нитроцементации
• Рекомендации по разработке оптимальных режимов ВНЦ
• Сравнительная оценка сопротивления заеданию нитроцементованных слоев стали ВКС-10 и традиционных теплостойких сталей

Введение к работе

Актуальность проблемы. Разработка инновационных материалов и методов их упрочнения - важнейшая задача современной прикладной науки. Одним из самых передовых участков технического прогресса является авиационная техника, особенно двигатели. Как показывает практика, надежную работу редукторов авиационных моторов обеспечивают в первую очередь зубчатые передачи, способные работать в условиях повышенных скоростей, силовых и термических нагрузок.

В настоящее время основными материалами, применяемым в зубчатых передачах авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), являются комплексно-легированные теплостойкие стали, в том числе 20ХЗМВФ-Ш и 16ХЗНВФМБ-Ш, подвергаемые поверхностному упрочнению путем цементации. Особенностью диффузионных слоев для данного класса материалов является образование в результате цементации карбидной составляющей сложного состава, включающей в себя легированный карбид цементитного типа и дисперсные частицы карбидов тугоплавких легирующих элементов. Такая структура обеспечивает требуемую несущую способность диффузионных слоев, в том числе сопротивление поверхности изнашиванию и заеданию. Для обеспечения заданной насыщенности диффузионных слоев теплостойких сталей (до 1,0-1,2 % углерода по массе) возникла необходимость применения современных способов цементации, обеспечивающих высокий углеродный потенциал и предотвращающих развитие внутреннего и внешнего окисления—вакуумных и ионно-вакуумных.

Вместе с тем, зубчатые колеса ГТД нового поколения будут работать в еще более тяжелых условиях по нагрузкам, скоростям и температурам, чем применяемые в настоящее время. Так, предполагается, что удельные нагрузки во вновь проектируемых зубчатых передачах достигнут 700 Н/мм, частота вращения шестерен—20 000 об/мин, скорость скольжения—100 м/с; при этом рабочая температура поверхностей зубчатых колес превысит 200 С, а температура мгновенных вспышек—500 С. Названные параметры диктуют необходимость применения более совершенных материалов и технологий их поверхностного упрочнения, превосходящих существующие.

В этой связи обосновано применение дисперсионно-твердеющей особо теплостойкой стали 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш (ВКС-10), обеспечивающей сохранение высоких эксплуатационных свойств упрочненного слоя при температуре до 500 С. Целесообразность стабилизации остаточного аустенита при закалке дисперсионно-твердеющей стали ВКС-10, а также более высокие прочностные свойства нитроцементованных слоев обуславливают применение для этой стали нитроцементации вместо цементации.

Проведение технологического процесса в атмосферах низкого давления (вакуумных атмосферах) исключает негативные последствия внешнего и внутреннего окисления, практически исключает обезуглероживание слоев, а также повышает экологическую безопасность, культуру производства и снижает затраты на энергию и технологические газы. Вакуумная нитроцементация (ВНЦ) впервые была теоретически обоснована в 1970-х годах, однако по ряду причин данный процесс не нашел практической реализации.

В то же время, значимые теоретические и практические результаты в области ионной нитроцементации (ИНЦ) были достигнуты в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Полученные при исследовании ИНЦ результаты являются научным базисом для изучения ВНЦ как в теоретическом, так и практическом аспекте.

Так, в частности, установлено, что на расстоянии 0,2 мм от поверхности требуется содержание азота не менее 0,2 масс. %. При этом необходимо формирование плавных концентрационных кривых углерода. Общая протяженность слоя определяется геометрией зубчатых колес (преимущественно их модулем), что обеспечивает требуемую контактную и изгибную выносливость. Формирование карбонитридной составляющей глобулярной морфологии с размерами частиц, как правило, не превышающими 1,0 мкм, обеспечивает высокую износостойкость слоя без снижения других эксплуатационных свойств. Учитывая изложенное, суммарная концентрация насыщающих элементов не должна превосходить 1,0-1,2 масс. %.

Вместе с тем, в настоящее время ИНЦ (как и ионная цементация) практически не применяется из-за зависимости результатов насыщения от площади обрабатываемой поверхности. Кроме того, необходимо использование дополнительного дорогостоящего оборудования генерации тлеющего разряда. По этим причинам вакуумная цементация в настоящее время практически полностью вытеснила ионную.

Для выполнения изложенных требований к характеристикам диффузионных слоев необходимо обеспечивать в ходе вакуумной нитроцементации совместное насыщение углеродом и азотом, которое до настоящего времени не реализовано. Не установлены оптимальные технологические режимы совместного насыщения углеродом и азотом в атмосферах низкого давления, обеспечивающие повышение эксплуатационных свойств. Устранению указанных проблем посвящена настоящая работа, что обуславливает ее актуальность.

Цель исследования. Увеличение износостойкости и циклической выносливости высоконагруженных зубчатых колес в результате совместного насыщения углеродом и азотом в атмосферах низкого давления.

Для достижения указанной цели определены задачи исследования.

1. Установление условий совместного насыщения стали углеродом и азотом в атмосферах низкого давления.

2. Практическая реализация технологии вакуумной нитроцементации.

3. Разработка режимов ВНЦ, целесообразных для практического использования.

4. Разработка выражений граничных условий математической модели ВНЦ комплексно-легированных стали.

5. Теоретическое прогнозирование и экспериментальное определение прочностных свойств нитроцементованных слоев комплексно-легированной стали.

6. Разработка рекомендаций для промышленного внедрения ВНЦ и получения заданных эксплуатационных свойств зубчатых колес из теплостойкой стали.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных в работе результатов обусловлена использованием современного сертифицированного оборудования; применением известных методов измерений, исследований и испытаний. Адекватность теоретических расчетов и выводов подтверждена экспериментальными данными, как полученными в рамках настоящей работы, так и представленными в научной литературе.

Научная новизна исследования:

7. Впервые для атмосфер низкого давления экспериментально обоснованы условия совместного насыщения углеродом и азотом комплексно-легированной теплостойкой стали 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш. Показано, что рациональным температурным интервалом, обеспечивающим заданное значение азотного потенциала (не менее 0,25-0,4 %) и, как следствие, требуемую насыщенность азотом на том же уровне при обеспечении активного науглероживания, является область температур 860-900 С.

8. Установлены закономерности изменения структуры диффузионного слоя стали при различных режимах подачи насыщающих газов (ацетилена и аммиака), состоящие в том, что при циклической подаче ацетилена и времени активного насыщения 2-3 минут и более происходит пересыщение поверхности и образование на ней избытка карбидов (карбонитридов), при увеличенном до 50-60 минут времени диффузионной стадии цикла поверхность практически полностью очищается от избытка карбидной (карбонитридной) фазы; при постоянной подаче аммиака обеспечивается заданная насыщенность диффузионного слоя азотом (не менее 0,25-0,4 %).

9. Обосновано увеличение упрочняющего эффекта при ВНЦ по сравнению с ВЦ: дополнительное насыщение азотом до заданной концентрации способствует получению азотистого аустенита, который обеспечивает гомогенное распределение выделяющихся при его распаде в процессе термической обработки мелкодисперсных частиц карбонитридов, кроме того остаточный азотистый аустенит обладает повышенной прочностью.

10. Установлены расчетным путем и подтверждены экспериментально закономерности влияния технологических факторов ВНЦ на параметры диффузионных слоев в комплексно-легированной стали, что обеспечивает возможность получения заданных повышенных характеристик зубчатых колес: абразивной и адгезионной износостойкости при уменьшении опасности схватывания, изгибной и контактной выносливости.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

11. Показаны технологические возможности процесса ВНЦ по получению диффузионных слоев с заданными параметрами и, как следствие, по обеспечению требуемых значений эксплуатационных свойств высоконагруженных зубчатых колес из комплексно-легированной теплостойкой стали 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш.

12. Разработана рациональная схема подачи азотсодержащего газа, обеспечивающая требуемую концентрацию азота в слое, а также схема циклов подачи ацетилена, способствующая формированию дисперсных частиц карбонитридов и заданной насыщенности слоя углеродом при плавных концентрационных кривых.

13. Разработаны практические рекомендации по проектированию технологических режимов ВНЦ, обеспечивающих получение заданного уровня эксплуатационных свойств высоконагруженных зубчатых колес.

14. Разработаны новые выражения граничных условий математической модели ВНЦ и выполнена проверка ее адекватности; математическая модель с оригинальными выражениями граничных условий реализована в прикладной программе для ЭВМ, зарегистрированной в установленном порядке.

15. Разработаны режимы технологического процесса ВНЦ зубчатых колес ГТД нового поколения из комплексно-легированной теплостойкой стали 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш, которые переданы ВИАМ для промышленного освоения предприятиями отрасли.

Положения, выносимые на защиту.

16. Режимы вакуумной нитроцементации комплексно-легированной теплостойкой стали 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш, обеспечивающие требуемую насыщенность диффузионного слоя углеродом и азотом.

17. Новые выражения граничных условий математической модели ВНЦ, состоящие в экспериментально установленных зависимостях значений азотного и углеродного потенциала, а также коэффициентов массопереноса углерода и азота от технологических факторов процесса ВНЦ.

18. Зависимости характеристик диффузионных слоев от управляющих факторов процесса ВНЦ, установленные в результате экспериментального анализа, а также применения математической модели.

19. Рекомендации по определению совокупности технологических факторов процесса ВНЦ обеспечивающие заданные эксплуатационные характеристики зубчатых колес из комплексно-легированной теплостойкой стали 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш.

20. Результаты теоретического расчета прочностных характеристик нитроцементованного слоя комплексно-легированной теплостойкой стали 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш.

Яичный вклад автора:

экспериментальные исследования процессов вакуумной нитроцементации, включая измерения насыщенности диффузионных слоев углеродом и азотом, а также твердости;

расчеты прочностных свойств диффузионных слоев известными методами;

разработка выражений граничных условий математической модели ВНЦ и проведение проверки их адекватности экспериментальным путем;

оптимизация технологических режимов вакуумной нитроцементации и разработка рекомендаций по промышленному внедрению ВНЦ.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены
и обсуждены на 2-й Международной научной конференции «Инновационная
деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных
материалов и сплавов» (Орск, 2011 г.), на 4-й Всероссийской конференции молодых
ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2011 г.), на
научно-технической конференции «Новые разработки в области защитных,
теплозащитных и упрочняющих покрытий для деталей ГТД» (Москва, 2016 г.), на
научных семинарах и заседаниях кафедры "Материаловедение"

МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2013-2018 г.г.

Основные публикации по теме диссертационной работы. Результаты исследования опубликованы в 11 печатных трудах. В том числе: в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, опубликовано 7 статей; получено 1 свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и результатов, библиографического списка из 136 наименований, приложения. Общий объем работы составляет 161 страницу; диссертация содержит 42 иллюстрации и 12 таблиц.

Технологические возможности ионной нитроцементации

Ионная нитроцементация (ИНЦ) - технологический процесс ХТО, который проводят в атмосфере углеводорода и диссоциированного аммиака, активизированной тлеющим разрядом.

При этом процессе детали, подлежащие обработке, помещают в газоразрядную камеру, через которую при низком давлении (4-20 гПа) и малом расходе постоянно прокачивают газовую смесь. К детали, размещенной на катоде внутри заземленной камеры, служащей анодом, подают напряжение до 1000 В, которое возбуждает тлеющий разряд, ионизирующий компоненты газовой среды. Ионы газа под действием катодного падения потенциала бомбардируют ее, очищают от оксидов и служат поставщиком насыщающих элементов [48, 49].

Ионизация и диссоциация компонентов газовой среды, а также активация обрабатываемой поверхности, приводит к ускорению всех этапов термодиффузионного насыщения: образование и доставку к поверхности металла активных атомов и ионов насыщающих элементов, их адсорбцию и диффузию. Продолжительность ионной цементации и нитроцементации сокращается в 3-4 раза, Соответственно, время формирования диффузионного слоя толщиной 0,9-1,2 мм, характерной для большинства зубчатых колес авиадвигателей, сокращается до 2-3 часов [42, 48].

Существенно, что при ионных процессах нитроцементации отмечается значительное повышение важнейших эксплуатационных свойств деталей: в 2-5 раз увеличивается износостойкость, в 1,5 раза - контактная выносливость [48, 49]. Данное обстоятельство обусловлено как большей насыщенностью диффузионного слоя при ИНЦ, так и более высоким качеством упрочненной поверхности в результате уменьшения количества дефектов по сравнению с газовыми процессами. В частности, шероховатость поверхности деталей, подвергнутых насыщению в тлеющем разряде, намного ниже, чем обработанных в газовых средах.

ИНЦ обладает и другими существенными преимуществами, в основном обусловленными влиянием тлеющего разряда:

1) равномерность диффузионного насыщения вследствие полного повторения аномальным тлеющим разрядом поверхности обрабатываемой детали;

2) отсутствие внешнего и внутреннего окисления из-за отсутствия кислородсодержащих компонентов в технологической атмосфере;

3) возможность гибкого и точного управления технологическими параметрами (составом атмосферы, удельной мощностью тлеющего разряда), что обеспечивает получение необходимых параметров и структуры диффузионного слоя;

4) высокая эффективность использования технологических газов и электроэнергии (до 75 %, вместо 20 % при обычных газовых процессах насыщения) и, как следствие, экологическая чистота процесса.

Для ИНЦ применяют те же установки, что и для ионной цементации. Оборудование допускает регулирование в широких пределах как науглероживающей, так и азотирующей способности технологической атмосферы, а также изменение по ходу процесса температуры, что создает условия для формирования слоев с различной насыщенностью углеродом и азотом. Важным преимуществом ИНЦ, как отмечалось выше, является отсутствие внутреннего окисления (основной причины образования дефектных структур), что снимает ограничения на толщину диффузионного слоя и допустимую концентрацию азота.

Высокая эффективность ионной ХТО в 1980-90-е годы обусловила ускоренное наращивание за рубежом производства специализированных установок [49]. В это время было создано несколько типов универсальных установок, пригодных для проведения процессов цементации и нитроцементации. Наибольшее применение получили двухкамерные установки с горизонтальным расположением камер. В одной камере осуществляют нагрев и диффузионное насыщение, в другой, отделенной от первой вакуумным затвором - охлаждение в масляной ванне. Двухкамерные установки производит ряд зарубежных фирм (Германия, США, Великобритания, Япония и Франция).

Еще большая технологическая гибкость отличает проходные установки модульной конструкции с закалкой деталей в потоке газовой смеси Не+Ar или He+N2 [50].

Общеизвестно, что технологическая гибкость особенно важна для условий серийного производства из-за большой номенклатуры обрабатываемых деталей. В этой связи установки ионной цементации (нитроцементации) в 1990-х годах успешно использовали на автомобильных заводах «Мерседес-Бенц» и «Опель». Их применяли как элемент непрерывной производственной линии [51].

В связи с изложенным, ионную цементацию (нитроцементацию) за рубежом [51-54] долгое время признавали наиболее перспективным способом поверхностного упрочнения для серийного производства. ИНЦ и до настоящего времени признают наиболее технологически гибким способом нитроцементации [45, 55].

Следует отметить, что выпуск совершенных в конструктивном отношении установок во всех зарубежных странах намного опередил разработку теоретических основ ионно-плазменных процессов. Это обстоятельство сдерживает использование в этих странах всех технологических возможностей, присущих ионной ХТО.

Неизученными остаются физическая сущность массопереноса углерода и азота в тлеющем разряде, а также их взаимодействие в ионизированной технологической атмосфере и, особенно, с насыщаемой поверхностью металла. Принципиальный спор сторонников твердорастворной и реакционной теории диффузионного насыщения убедительно не разрешен до настоящего времени [56].

Науглероживающая и азотирующая способность ионизированной атмосферы зависит от площади поверхности обрабатываемых деталей, определить которую, затруднительно [1], а по мнению автора [49] -практически невозможно (по крайней мере для деталей сложной формы, например, зубчатых колес). Данное обстоятельство существенно усложняет управление процессом ИНЦ.

Вместе с тем, в работе [1] предложен подход к управлению результатами ионной цементации и нитроцементации, основанный на оценке кинетики массопереноса насыщающих элементов с использованием масштабного фактора. Эффективность данного подхода отмечена в [45]. В работе [55] данная проблема решается преимущественно эмпирическим путем.

В этой связи в настоящее время ионные процессы цементации и нитроцементации, в отличие от ионного азотирования, при котором управление процессом предельно упрощено (в камеру подается молекулярный азот при постоянным расходе и 5-10 % водорода), не нашли широкого применения.

Следует отметить, что взаимодействие насыщающих элементов с металлической поверхностью в условиях ИНЦ имеет свои особенности, обусловленные энергетическим воздействием тлеющего разряда. Все процессы в ионизированных средах протекают в термодинамически неравновесных условиях. Как следствие управление ионной цементацией и нитроцементацией становится возможным только в кинетическом режиме, то есть путем остановки насыщения после определенного промежутка времени. Такой способ управления уменьшает повторяемость результатов диффузионного насыщения [48, 49].

При высокой активности ионизированной атмосферы направленный к поверхности металла поток активных частиц должен соответствовать диффузионному потоку, отводящему эти частицы вглубь металла. Если это условие не соблюдается, процесс насыщения идет до образования сплошных слоев хрупких карбидов и карбонитридов, а затем и сажистого углерода [48-50].

В настоящее время для контроля ионизированных атмосфер за рубежом используют датчики тока [51]. Их помещают в газоразрядную камеру, поэтому они находятся под высоким потенциалом, что снижает надежность их работы. Датчик тока дает возможность оценить площадь поверхности обрабатываемых деталей, в соответствии с которой задают расход углеродсодержащего компонента технологического газа. Основной недостаток такого способа контроля состоит в том, что при использовании датчика тока необходимо поддерживать постоянными все технологические параметры. Только в этом случае поток углерода в ионизированной атмосфере будет являться функцией тока. Таким датчиком невозможно одновременно определять необходимое количество как углерод-, так и азотсодержащего компонента газовой атмосферы. Это обстоятельство явилось причиной того, что за рубежом получил применение только процесс ионной цементации, ИНЦ используется существенно меньше. Этот процесс практически не применяется в Германии, США, Японии и лишь во Франции ИНЦ нашла ограниченное применение [49].

Закономерности диффузионного массопереноса углерода и азота при вакуумной нитроцементации

Условием существования массопереноса углерода из активной среды в металл является большее значение термодинамической активности углерода ас, образовавшегося при диссоциации молекул углеводорода среды, чем активность углерода на поверхности насыщаемого твердого раствора.

Связь термодинамической активности углерода в твердом растворе с концентрацией углерода может быть оценена в соответствии с параметрическим соотношением Термодинамическая активность углерода в ацетиленовой среде зависит от степени диссоциации углеводорода.

Термодинамическая активность азота в азотистом аустените изучена хуже. Установлено, что в азотистом аустените действуют, в целом, те же закономерности, что и в углеродистом [91].

Согласно [92] зависимость концентрации азота в железе от азотного потенциала атмосферы может быть рассчитана по формуле

Термодинамическая активность азота в рабочей среде также зависит от степени диссоциации азотсодержащего газа - аммиака.

Необходимо иметь в виду, что выражения (3.1-3.3) разработаны для цементуемого и азотируемого технического железа, поэтому для комплексно-легированных сталей, подвергаемых нитроцементации, их следует применять с известной осторожностью.

Для определения ведущей реакции науглероживания в слабоионизированных (как установлено в работе [93]) ацетиленсодержащих азотно-водородных средах был проведен комплекс экспериментальных и теоретических исследований [94].

Активированную внешним электрическим полем нитроцементацию проводили на опытно-промышленной установке, оснащенной управляющим компьютером и системами автоматического регулирования технологических параметров. Насыщение проводили при температуре 920-1020 С и давлении 2-20 гПа в течение времени от 2 до 120 минут в ионизированной газовой среде, состоявшей из аргона, аммиака (50 %) и ацетилена (0,5-2,0 %). Серия экспериментов, проведенная с использованием прибора спектральной диагностики [62] дала возможность установить линейную зависимость интегральной интенсивности спектральной линии свободного углерода/с на поверхности металла от объемной доли ацетилена (Рис. 3.2).

Науглероживающую способность ионизированных углерод- и азотсодержащих атмосфер оценивали при помощи прибора бесконтактной спектральной диагностики тлеющего разряда [63], регистрирующего спектры характеристического излучения углеродсодержащих частиц, находящихся в катодной области тлеющего разряда. Выходной сигнал прибора прямо пропорционален концентрации углеродсодержащих частиц вблизи насыщаемой поверхности и, соответственно, отражает науглероживающую способность активной среды.

Интегральная интенсивность /с, характеризующая науглероживающую способность атмосферы, может быть с высокой степенью достоверности аппроксимирована соотношением

Как указано в работе [95], при низких парциальных давлениях углеродсодержащего газа в атмосфере и больших скоростях его потока при обработке стального образца парциальное давление водорода незначительно, в связи с чем изменениями концентрации Нг можно пренебречь. В этой связи значение парциального давления водорода в формуле (3.6) можно признать постоянным.

Тогда, принимая во внимание пропорциональную зависимость парциального давления от объемной доли компонента

Экспериментальные данные о точном количестве радикалов СН отсутствуют. В данном случае существенно, что коэффициент hi является постоянным и подтверждается наличие прямой пропорциональности между содержанием ацетилена в газовой среде и количеством выделяющегося атомарного твердого углерода, насыщающего сталь.

Как показано в работе [93] при проведении цементации и нитроцементации в атмосферах, активированных тлеющим разрядом, ионизация газовой среды не превосходит 10 4-10 6. В этой связи, закономерности, установленные для ионной цементации и нитроцементации, представляется допустимым экстраполировать на вакуумные процессы насыщения.

В пользу предположения о диссоциации ацетилена при низком давлении с образованием радикала СН свидетельствует линейное строение молекулы данного соединения. Эта молекула образована атомами углерода, валентное состояние которых отвечает sp-гибридизации [71]. Тройная связь С=С состоит из одной а-связи и двух л-связей, образуемых двумя sp-гибридизованными атомами. Строение молекулы ацетилена способствует взаимодействию атомов углерода и железа. Также интенсивному переносу углерода на насыщаемую поверхность способствует слабая полярность молекул ацетилена в связи с периферическим расположением электронной плотности (л-связи). Как следствие, 71-связи способны взаимодействовать со свободными электронами поверхности металла.

В работе [71] высказано предположение, что первым этапом диссоциации молекул ацетилена является образование из каждой молекулы двух радикалов СН, имеющих три ненасыщенных связи. Эти связи обуславливают развитие хемосорбции, что приводит к удержанию части радикалов на поверхности и их последующему разложению на углерод и водород.

Незавершенное электронное строение атомов железа (незаполненная d-орбиталь) обуславливает их высокое сродство как к углероду, так и к азоту. Факт каталитической активности железа по отношению к молекулярному азоту известен (например, [96]).

Можно допустить, что каталитическая способность атомов железа обеспечивает разрыв связи С-Н. Затем атомы Fe притягивают к себе атомы углерода, которые растворяются в металле, вглубь которого впоследствии диффундируют. Одновременно часть радикалов СН выступает в качестве носителей углерода, удаляемого с насыщаемой поверхности [97].

Для определения температур, при которых возможно насыщение поверхности Fe углеродом в атмосферах низкого давления сопоставляли температурные зависимости активности углерода в стали при его массовой концентрации, равной 0,8%, рассчитанной в соответствии с (3.1), и углеродного потенциала в ацетиленовых средах при степенях диссоциации 0,6 и 0,5 [71] (Рис. 3.3).

Рекомендации по разработке оптимальных режимов ВНЦ

Анализ экспериментальных результатов и расчетов по математической модели дал возможность сформулировать обобщенные рекомендации по проектированию оптимальных технологических режимов ВНЦ, направленных на получение максимально возможных значений конкретных эксплуатационных характеристик, таких как сопротивление абразивному и адгезионному изнашиванию, контактная выносливость, сопротивление циклическим нагрузкам при изгибе.

Следует отметить, что максимальные значения названные характеристики приобретают при различных параметрах диффузионных слоев. Для их достижения при одновременном сохранении высокой ударной вязкости сердцевины зубьев колес из стали ВКС-10 при модуле 3 мм требуется обеспечить получение нитроцементованных слоев с оптимальными значениями параметров, которые приведены в Таблице 6.

Для получения высокого сопротивления абразивному и адгезионному изнашиванию следует формировать на поверхности максимальное возможную объемную долю избыточных фаз [111]. Для получения такого структурного состояния при ВНЦ следует увеличивать количество циклов подачи технологических газов п при удлинении времени стадии насыщения та и увеличении соотношения продолжительности активных и пассивных стадий цикла Ета/2тп.

Для формирования диффузионного слоя с эффективной толщиной 1,1 мм при температуре ВНЦ 880 С, обеспечивающего высокое сопротивление абразивному и адгезионному изнашиванию, рекомендован режим при общем времени насыщения тОбЩ=10 ч; та=4 мин; Ета/Етп = 1/9; и = 15.

На Рис. 4.7 представлена микроструктура диффузионного слоя после ВНЦ по рекомендованному режиму и упрочняющей термической обработки. Приповерхностная зона диффузионного слоя характеризуется повышенной объемной долей карбонитридных частиц, что обеспечивает высокие значения износостойкости.

Анализ микроструктуры нитроцементованного слоя показывает следующее:

- приповерхностная часть диффузионного слоя состоит из мартенсита и расположенных в нем карбонитридных частиц;

- толщина карбонитридной зоны составляет около 0,4 мм;

- карбонитридная сетка отсутствует, частицы карбонитридов расположены дискретно и имеют благоприятную форму, близкую к глобулярной.

Для обеспечения высокой износостойкости важно «экранировать» поверхность мартенситной матрицы частицами твердых карбонитридов. При этом затрудняются процессы микрорезания и микросхватывания, составляющие основные механизмы изнашивания трущихся поверхностей [44].

Протяженная карбонитридная зона и плотное расположение в ней частиц карбонитридов на основе легированного хромом цементита (Fe, Сг)з(С, N) и специальных карбидов типа Mrj(C, К)з и М(С, N), а также нитридов хрома типа CrN, Cr2N, обеспечивает повышенную твердость приповерхностной части слоя и плавное ее распределение по толщине слоя (Рис. 4.8).

При вакуумной нитроцементации средние значения интенсивности изнашивания нитроцементованных слоев стали ВКС-10 не превышают 0,3-10 10, что является показателем их высокой износостойкости. Кроме того, исследуемые поверхностные слои не склонны к задирам.

В результате сопоставления результатов испытаний на износостойкость образцов из стали марки ВКС-10 после ВНЦ и ТО, с характеристиками износостойкости стали 16Х2НЗМФБАЮ-Ш после газовой нитроцементации и ТО, представленными в работе [112], установлено, что проведение вакуумной нитроцементации приводит к уменьшению интенсивности изнашивания на порядок.

Для предупреждения усталостного разрушения при изгибе предъявляют другие требования к структуре нитроцементованного слоя. Они обусловлены особенностями усталостного разрушения, к которым относятся следующие положения [113]:

- усталостное разрушение наступает при напряжениях существенно меньших предела прочности или предела текучести материала;

- разрушение начинается на поверхности или вблизи от нее;

- разрушение происходит в местах концентрации напряжений; при этом общий запас прочности материала не реализуется;

- усталостное разрушение носит постепенный характер и включает две основные стадии - стадию зарождения трещины усталости и стадию ее развития.

Нитроцементованный слой, обладающий высокой твердостью и низкой пластичностью, характеризуется низким сопротивлением зарождению трещины усталости. Частицы карбонитридной фазы, выполняя функцию концентраторов внутренних напряжений, способствуют зарождению трещины усталости. По этой причине наличие такой фазы нежелательно. Однако без нее нельзя обеспечить достаточно высокую твердость поверхности. Кроме того, необходимо учитывать, что частицы карбидов, карбонитридов, нитридов обладают большим удельным объемом, чем твердый раствор, поэтому их присутствие способствует формированию в диффузионном слое благоприятных остаточных напряжений сжатия [113]. Такие напряжения способны уменьшать рабочие напряжения растяжения на поверхности настолько, что смещают очаг разрушения в подповерхностный слой. В результате нейтрализуется влияние поверхностных концентраторов напряжений в виде царапин и рисок.

Эпюра распределения остаточных напряжений сжатия в диффузионном слое в сильной степени зависит от его толщины [113]. При небольшой толщине слоя (от 0,7 до 0,8 мм) остаточные напряжения максимальны на поверхности детали, при большей толщине слоя максимальные напряжения смещаются в подповерхностный слой и степень их положительного влияния заметно снижается или не проявляется.

С учетом отмеченных закономерностей высокому сопротивлению циклическим нагрузкам при изгибе отвечает структура с минимальной долей мелкодисперсной карбонитридной фазы при ограниченной протяженности диффузионного слоя [111]. Такие параметры диффузионных слоев при ВНЦ можно получить при проведении процесса с увеличенной относительной продолжительностью пассивной стадии по сравнению с активной, т.е при меньшем соотношении Ета/2тп. Также можно рекомендовать небольшое уменьшение температуры насыщения.

Для получения диффузионного слоя с эффективной толщиной 0,7 мм при температуре ВНЦ 880 С, обеспечивающего высокое сопротивление циклическим нагрузкам при изгибе, рекомендован режим при общем времени насыщения ТобЩ=5 ч; та=2 мин; Ета/2тп = 1/29; п = 5.

Микроструктура диффузионного слоя после ВНЦ по рекомендованному режиму и упрочняющей термической обработки представлена на Рис. 4.9. Диффузионный слой характеризуется минимальной долей мелкодисперсной карбонитридной фазы, что обеспечивает высокие значения предела выносливости при изгибе на уровне 1100-1250 МПа.

Сравнительная оценка сопротивления заеданию нитроцементованных слоев стали ВКС-10 и традиционных теплостойких сталей

Для сравнительной оценки сопротивления схватыванию нитроцементованных слоев, полученных на стали ВКС-10, с цементованными слоями на стали 20ХЗМВФ-Ш, проведен тепловой расчет двух авиационных зубчатых передач на заедание. Для расчета использовали методику, изложенную в [136].

Расчет мгновенной температуры поверхностного слоя зуба колеса выполнен на основе численного решения тепловой задачи трибологического сопряжения в общем виде

Уравнение (5.6) решали численными методами в следующих начальных и граничных условиях [136]:

1) при T = 0H0 Z QO: & = &О = const,

где % - начальная температура смазочного материала;

2) при z = оо: 0 = % = const;

3) при z = 0 и 3 0:

- в момент, когда рассматриваемая точка поверхности находится в контакте с сопряженной поверхностью, имеет место превращение работы силы трения в тепловую энергию, которая расходуется на прирост температуры

- если текущая точка зацепления находится вне контакта, то имеет место теплообмен с окружающей средой - смазочным материалом, температуру которого принимали равной %:

Сравнительный расчет на заедание по модели (5.6-5.8) проводили для двух типов зубчатых передач, используемых в авиационном агрегатостроении:

- модуль передачи 2,5 мм; количество зубьев zi = 21, Z2 = 23; ширина зубчатого венца 28 мм; максимальная удельная нагрузка 300 Н/мм; число оборотов шестерни 25 тыс. об./мин; начальная температура масла % = 200 С (зубчатая передача № 1);

- модуль передачи 4 мм; количество зубьев z\ = 24, Z2 = 27; ширина зубчатого венца 28 мм; максимальная удельная нагрузка 470 Н/мм; число оборотов шестерни 12,5 тыс. об./мин; начальная температура масла % = 150 С (зубчатая передача № 2).

В расчетах учитывали, что теплостойкость после упрочняющей ХТО и ТО стали 20ХЗМВФ-Ш составляет 250 С [1], аВКС-10 - 500 С [4].

Численные расчеты проводили при помощи программного средства [136], в котором выражения (5.6-5.8) реализованы на языке программирования Object Pascal на основе применения явного разностного метода.

В результате расчетов для высокоскоростной зубчатой передачи № 1 получено значение максимальной температуры S, равное 330 С, что исключает применение цементованной стали 20ХЗМВФ-Ш по критерию теплостойкости. Для такой зубчатой передачи рекомендуется применять нитроцементованную сталь ВКС-10.

Для более высоконагруженной зубчатой передачи № 2 рассчитано значение максимальной температуры 0=240 С, то есть применение цементованной стали 20ХЗМВФ-Ш условно допустимо, вместе с тем значительно большую безопасность, с учетом неизбежной погрешности расчета, по критерию предотвращения заедания обеспечивает применение нитроцементованной стали ВКС-10.

В соответствии с методикой [88, 121, 136] проведен тепловой расчет на заедание с учетом возникновения критического количества адгезионных связей.

Результаты расчета обобщены на Рис. 5.3, где показаны области применения традиционной теплостойкой стали 20ХЗМВФ-Ш после цементации и стали ВКС-10 после нитроцементации.

Показано, что сопротивление заеданию зубчатых колес из стали ВКС-10 после нитроцементации существенно превышает аналогичную характеристику зубчатых колес из цементованной стали 20ХЗМВФ-Ш. При этом относительный эффект использования зубчатых колес из нитроцементованной стали ВКС-10 существенно больше для передач меньшего модуля. Кроме того, прирост допустимой распределенной нагрузки вследствие применения новой технологии и материала возрастает при увеличении скорости вращения шестерни.