Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов и анализа эксплуатационных свойств зубчатых передач Семенов Михаил Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Анализ высоконагруженных зубчатых передач по конструкции, материалам, условиям эксплуатации, технологическому обеспечению требуемых рабочих свойств, применение расчетных методов в целях проектирования процессов химико-термической обработки 20

1.1 Классификация зубчатых передач по условиям эксплуатации и конструктивным особенностям 20

1.2 Марки сталей, применяемые для высоконагруженных зубчатых колес 30

1.3 Влияние характеристик упрочненного слоя на эксплуатационные свойства высоконагруженных зубчатых колес

1.3.1 Изгибная выносливость диффузионных слоев зубчатых колес из легированных сталей 45

1.3.2 Контактная выносливость диффузионных слоев зубчатых колес из легированных сталей 53

1.3.3 Износостойкость диффузионных слоев зубчатых колес 65

1.3.4 Сопротивление диффузионных слоев зубчатых колес из легированных сталей адгезионному изнашиванию, схватыванию и заеданию 70

1.4 Способы химико-термической обработки зубчатых колес 81

1.4.1 Вакуумные процессы ХТО высоконагруженных зубчатых колес 84

1.4.2 Ионно-вакуумные процессы ХТО высоконагруженных зубчатых колес 97

1.4.3 Сравнение способов ХТО высоконагруженных зубчатых колес 106

1.5 Расчетные методы разработки процессов химико термической обработки зубчатых колес 109

1.6 Выводы по главе 123

Глава 2 Общий алгоритм расчетного метода разработки технологии химико-термической обработки зубчатых колес, определение зависимостей эксплуатационных свойств цементованного слоя от его характеристик 127

2.1 Общий алгоритм расчетного метода и выбор способа химико-термической обработки зубчатых колес 127

2.2 Определение требований к диффузионному слою по критерию сопротивления усталостному разрушению при изгибе 142

2.3 Определение требований к диффузионному слою по критерию сопротивления контактной усталости 156

2.4 Влияние твердости и насыщенности диффузионных слоев на сопротивление изнашиванию 172

2.5 Определение требований к диффузионному слою по критерию сопротивления адгезионному изнашиванию, схватыванию и заеданию 176

2.6 Оценка влияния насыщенности и фазового состава слоев, подвергнутых цементации и комбинированной химико-термической обработке, на статическую прочность 202

2.7 Выводы по главе 207

Глава 3 Математические модели вакуумной и ионно вакуумной цементации без учета образования карбидных фаз 209

3.1 Структура математической модели вакуумной цементации без учета образования карбидных фаз 209

3.2 Методика решения диффузионной задачи 217

3.3 Проверка адекватности модели и оценка технологических возможностей вакуумной цементации сталей без образования карбидной фазы 220

3.4 Выводы по главе 225

Глава 4 Математические модели цементации (нитро цементации) теплостойких сталей 227

4.1 Результаты металлографических исследований карбидных (карбонитридных) фаз в теплостойких сталях типа 20ХЗМВФ-Ш и 16ХЗНВФМБ-Ш 228

4.2 Разработка физической и математической модели вакуумной цементации сталей типа 20ХЗМВФ-Ш и 16ХЗНВФМБ-Ш 235

4.3 Проверка адекватности модели вакуумной цементации теплостойких сталей 244

4.4 Закономерности формирования карбидной фазы при цементации теплостойких сталей 249

4.5 Математическая модель вакуумной нитроцементацации теплостойкой стали 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш 266

4.6 Особенности разработки математических моделей ионно-вакуумной цементации (нитроцементации) 273

4.7 Выводы по главе 288

Глава 5 Результаты применения расчетных методов разработки процессов ХТО высоконагруженных зубчатых колес, практические рекомендации по выбору способа упрочняющей обработки и ее технологических факторов 290

5.1 Применение расчетного метода разработки режимов ХТО к зубчатым колесам для автомобильной и дорожно-строительной техники 290

5.2 Определение областей применения основных способов поверхностного упрочнения зубчатых колес из теплостойких сталей 296

5.3 Применение расчетных методов к разработке технологических режимов ХТО высоконагруженных зубчатых

колес из теплостойких сталей, обеспечивающих заданный уровень основных эксплуатационных свойств 302

5.4 Общие рекомендации по обеспечению максимальных значений основных эксплуатационных свойств зубчатых колес из теплостойких сталей 316

5.5. Номограммы для определения факторов технологических режимов вакуумной цементации 328

5.5 Выводы по главе 336

Заключение 339

Список литературы

• Марки сталей, применяемые для высоконагруженных зубчатых колес
• Определение требований к диффузионному слою по критерию сопротивления усталостному разрушению при изгибе
• Проверка адекватности модели и оценка технологических возможностей вакуумной цементации сталей без образования карбидной фазы
• Проверка адекватности модели вакуумной цементации теплостойких сталей

Введение к работе

Актуальность проблемы. Зубчатые колеса являются наиболее распространенными деталями машин для большинства отраслей машиностроения. Современные зубчатые колеса транспортных машин (особенно в газотурбинных двигателях), подвержены высоким силовым, температурным и вибрационным нагрузкам.

Для совершенствования производства высоконагруженных зубчатых колес внедряются современные технологические процессы химико-термической обработки (ХТО): вакуумная и ионно-вакуумная (далее - ионная) цементация (нитроцементация), ионно-плазменное азотирование и др., вытесняющие традиционные способы ХТО.

Основополагающие проблемы способов ХТО на разных этапах их развития нашли свое освещение в трудах таких отечественных ученых, как А.Н. Минкевич, Д.А. Прокошкин, И.С. Козловский, Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов, Н.М. Рыжов, В.М. Зинченко, Я.Д. Коган и др.

Передовые процессы химико-термической обработки в 3-5 раз интенсифицируют диффузионное насыщение, повышают качество упрочненных слоев, значительно снижают расход электроэнергии и технологических газов. Эти процессы в наибольшей мере отвечают требованиям интенсивной, гибкой, энергосберегающей и экологически чистой технологии поверхностного упрочнения.

При решении проблем обеспечения надежности и долговечности машин особое место занимают вопросы повышения контактной выносливости рабочей поверхности, выносливости зубьев при изгибе, сопротивления изнашиванию и заеданию (адгезионному схватыванию), которые лежат в основе определении геометрических характеристик и технологии упрочнения зубчатых передач и, как следствие, их габаритов, массы и эксплуатационной надежности.

Необходимость уменьшения размерных показателей зубчатых передач, дающих значительный вклад в массу и габариты современных транспортных машин обусловливает снижение коэффициентов безопасности. В результате авиационные и автомобильные зубчатые колеса являются высоконапряженными и высокооборотными, что приводит к повышению требований к используемым теплостойким сталям и диффузионным слоям. Ожидается, что диффузионные покрытия зубчатых колес газотурбинных двигателей 5-го - 6-го поколений должны соответствовать следующим значениям эксплуатационных свойств: предел контактной выносливости (определяемый в зоне зацепления) - 1500-2000 МПа; предел усталости при изгибе (контролируемый у основания зуба) -900-1200 МПа; рабочая температура поверхностей зубчатых колес - более 350-450 С; температура мгновенных вспышек - 500-800 С и более.

Использование новых сталей и упрочняющих технологий требует уточнения, а в отдельных случаях, пересмотра методов расчетных оценок эксплуатационных свойств зубчатых колес. Приходится учитывать тот факт, что основы расчетов по контактной и циклической прочности были созданы в середине прошлого столетия. В настоящее время они уже не отражают возможные резервы повышения эксплуатационных свойств, поскольку

выполняются по эмпирическим зависимостям без учета легирования стали, химического и фазового состава несущего слоя, формируемого в процессе ХТО.

Кроме того, на данный момент не в полной мере отработаны рекомендации по оптимальному применению вакуумной и ионной цементации (нитроцементации), ионно-плазменного азотирования, а также комбинированной ХТО (заключающейся в проведении после вакуумной цементации ионно-плазменного азотирования) в зависимости от всего комплекса геометрических параметров зубчатых передач и их эксплуатационных свойств.

В современном двигателестроении нашли широкое применение комплексно-легированные теплостойкие стали, которые применяют для таких ответственных деталей, как шестерни газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок и скоростей скольжения. При вакуумной цементации, их основополагающие свойства, определяющие работоспособность (контактная выносливость, износостойкость, сопротивление усталостному разрушению при изгибе и заеданию), определяются строением заэвтектоидной зоны слоя. На насыщенной поверхностности деталей образуется развитая карбидная фаза сложного состава (цементит и тугоплавкие карбиды легирующих элементов).

Вакуумная цементация (нитроцементация) характеризуются многообразным сочетанием управляющих факторов. В связи с этим затруднительно обеспечить экспериментальным путем оптимальный выбор варианта технологического режима особенно для упрочнения деталей из теплостойких сталей, к эксплуатационным характеристикам которых предъявляются высокие, а иногда и взаимоисключающие требования. Определение технологических факторов указанных процессов ХТО эмпирическим путем требует больших финансовых вложений и временных затрат, что приводит к задержке выпуска новой конкурентоспособной техники. В этой связи большие возможности для эффективного и оптимального проектирования технологических режимов новых методов ХТО предоставляет разработка их математических моделей, что определяет актуальность настоящей работы.

Результаты исследований, проведенных в данном направлении, представляют практический интерес как для авиационного моторостроения, так и для производства двигателей для вертолетов, автомобилей, специальных машин гражданского и иного назначения, судостроения.

Цель исследования: Повышение эффективности разработки технологических процессов ХТО для обеспечения требуемого уровня эксплуатационных свойств высоконагруженных зубчатых колес на основе управления структурой диффузионных слоев путем построения и применения физических и математических моделей, а также оптимального выбора технологических факторов при вакуумной, ионной цементации (нитроцементации) и ионно-плазменном азотировании.

Для достижения указанной цели определены задачи исследования:

1. Прогнозирование значений эксплуатационных свойств

высоконагруженных зубчатых колес на основе установления закономерной связи между характеристиками диффузионных слоев, содержащих карбидные и карбонитридные фазы различного состава и морфологии, и сопротивлением

контактному и изгибному усталостному разрушению, а также абразивному и адгезионному изнашиванию, заеданию зубчатых колес из теплостойких сталей.

1. Разработка новых и корректировка существующих расчетных моделей, дающих возможность анализировать совокупность напряжений в различных точках зубчатого зацепления, определять температурные и энергетические характеристики в зоне контакта зубчатого зацепления для оценки адгезионного взаимодействия, применительно к цементованным, нитроцементованным и азотированным слоям.

2. Разработка алгоритма оптимального выбора способа и варианта режима химико-термической обработки на основе установления требований, предъявляемых к насыщенности и структуре диффузионных слоев.

3. Установление граничных условий модели ХТО, отражающих взаимодействие атмосфер низкого давления, в том числе активированных внешним электрическим полем, с насыщаемой металлической поверхностью, определение характеристик массопереноса из рабочей атмосферы в обрабатываемую деталь атомов насыщающих элементов.

4. Разработка физической модели формирования структуры цементованных и нитроцементованных слоев теплостойких комплексно-легированных сталей на основе применения теории диффузии и кинетической теории к анализу образования карбидных (карбонитридных) фаз сложного состава с учетом легирования сталей и физических условий процесса насыщения.

5. Разработка расчетной модели вакуумной цементации (нитроцементации), дающей возможность с высокой степенью достоверности прогнозировать распределение углерода (углерода и азота) по толщине диффузионного слоя в зависимости от технологических факторов и химического состава сталей.

6. Установление областей применения цементации, нитроцементации и азотирования в целях упрочнения высоконагруженных зубчатых колес, включая авиационные и автомобильные, на основе применения обобщенной модели и разработка научно-обоснованных рекомендаций по применению основных способов химико-термической обработки в зависимости от геометрии зубчатого зацепления, а также его нагрузочно-скоростных характеристик.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов подтверждается применением современного оборудования, прошедшего сертификацию в установленном порядке, а также использования апробированных методик исследований и испытаний. Обоснованность теоретических расчетов и выводов по проведенным исследованиям подтверждается соответствием их экспериментальным результатам, в том числе, полученными другими исследователями, а также общепринятым научным представлениям, в частности, о закономерностях диффузионных явлений и механизмах разрушения металлических материалов.

Научная новизна исследования:

1. Выполнено уточнение расчетных соотношений теории Г. Нейбера и Т. Екобори, дающее возможность адекватно прогнозировать значения предела контактной и изгибной усталости цементованных слоев комплексно-

легированных сталей в зависимости от их фазового состава и насыщенности углеродом.

7. Теоретически и экспериментально определена зависимость приоритетного механизма зарождения контактно-усталостных трещин в приповерхностной или подповерхностной зоне диффузионного слоя в зависимости от нагрузочного и теплового режимов работы передачи, определяющих пиковые значения приведенных контактных напряжений.

8. На основе трибологического анализа контакта в зубчатых передач, упрочненных ХТО, реализован принципиально новый динамический подход к расчету на схватывание поверхностей, учитывающий совокупное влияние на развитие адгезионных процессов геометрических, тепловых и нагрузочных факторов.

9. Впервые получена экспериментально и теоретически обоснованная зависимость углеродного потенциала рабочей среды низкого давления от температуры процесса. Определена ведущая реакция диссоциации ацетилена, одного из основных углеродсодержащих газов, применяемых при вакуумной и ионно-вакуумной цементации.

10. Разработана физическая модель формирования карбидной (карбонитридной) фазы при цементации (нитроцементации) комплексно-легированных сталей, учитывающая влияние основных легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, молибдена и других на диффузионное перераспределение легирующих и насыщающих элементов на протяжении цеметованного (нитроцементованного) слоя, а также зарождение частиц карбидных (карбонитридных) фаз, их рост и частичное растворение при циклическом варианте технологического процесса.

11. Установлены закономерности влияния содержания легирующих элементов, а также технологических факторов цементации (нитроцементации) на механизмы формирования и морфологию карбидных (карбонитридных) фаз в комплексно-легированных сталях.

12. Разработана математическая модель формирования диффузионных слоев при вакуумной цементации (нитроцементации) комплексно-легированных сталей, дающая возможность достоверно прогнозировать химический и фазовый состав диффузионных слоев в зависимости от химического состава стали и технологических факторов процесса: температуры и временной зависимости науглероживающей (азотирующей) способности атмосферы.

13. Разработана методология оптимального выбора способа ХТО высоконагруженных зубчатых колес на основе оценки контактной выносливости упрочненных слоев.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны критерии оценки технологических возможностей новых способов химико-термической обработки (вакуумных и ионных цементации и нитроцементации) по обеспечению несущей способности зубчатых колес для заданных условий эксплуатации.

2. Реализована в прикладных программных средствах обобщенная модель оценки условий эксплуатации и характеристик зубчатых колес, упрочненных

путем цементации и нитроцементации, дающая возможность осуществлять расчетным путем оптимальный выбор вариантов технологических режимов. Получены два свидетельства о государственной регистрации программ для электронно-вычислительных машин.

3. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по совершенствованию химического состава теплостойких сталей с учетом влияния их легирования на закономерности карбидообразования при цементации (нитроцементации).

4. Предложены номограммы проектирования периодических режимов вакуумной цементации зубчатых колес с целью достижения заданных значений эксплуатационных свойств.

5. На основе расчетного метода проектирования разработаны варианты технологических режимов вакуумной цементации и нитроцементации в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме «Создание комплекса вакуумных и ионно-вакуумных технологий химико-термической обработки деталей машин с получением наноструктурированного состояния диффузионных слоев».

Автор защищает:

1. Закономерности влияния на сопротивление контактному и изгибному усталостному разрушению, а также заеданию химического и фазового состава диффузионного слоя теплостойких сталей.

2. Расчетную модель адгезионного взаимодействия в зубчатом зацеплении, основанную на решении тепловой и энергетической задач.

3. Закономерности диффузионного массопереноса углерода и азота из рабочих атмосфер низкого давления, включая ионизированные, в насыщаемые стали.

4. Физическую и математическую модели вакуумной цементации (нитроцементации) комплексно-легированных сталей, учитывающую образование карбидных (карбонитридных) фаз разного химического состава и морфологии.

5. Граничные условия, отражающие закономерности диффузионного массопереноса углерода и азота из рабочих атмосфер низкого давления, включая ионизированные, в насыщаемые стали разных систем легирования.

6. Научно-обоснованные рекомендации по оптимальному выбору основных способов химико-термической обработки высоконагруженых зубчатых колес: цементации, нитроцементации и азотирования, а также по оптимизации технологических факторов вакуумной цементации (нитроцементации) для обеспечения требуемого уровня основных эксплуатационных свойств, определяющих несущую способность конкретной зубчатой передачи.

Личный вклад автора.

Автором выполнен представленный в диссертации анализ факторов, оказывающих влияние на работоспособность высоконагруженных зубчатых колес, сформулированы теоретические выводы, разработаны или уточнены физические и математические модели, которые формализованы непосредственно автором в виде прикладных программ для электронных вычислительных машин, получены расчетные результаты. Лично автором выполнен представленный в

настоящей работе анализ расчетных и экспериментальных результатов, сформулированы теоретические и практические выводы из них. Также автор участвовал в проектировании на основе применения разработанных расчетных методов технологических режимов вакуумной цементации и нитроцементации. Автор работы осуществил планирование и принял участие в постановке экспериментов, на основе которых разработаны представленные в работе расчетные модели, а также в ходе которых проводилась проверка их адекватности.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции по программе "Технические Университеты России" (Москва, 1996 г.), на 3-м Собрании металловедов России (Рязань, 1996 г.), на 11-м Конгрессе Международной организации по термической обработке (МОТО) (Флоренция, Италия, 1998 г.), на 2-й Международной научной конференции "Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов" (Орск, 2011 г.), на международном семинаре МГТУ им. Н.Э. Баумана и Группы компаний "ФИНВАЛ" "Современные методы и технологии термической и химико-термической обработки изделий в вакууме и в среде защитных газов" (Москва, 2012 г.), на 8-й конференции "Инновационные технологии термообработки" (Москва, 2014 г.), на 13-й Международной научно-технической конференции "Новые стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (Запорожье, Украина, 2014 г.), на 13-й научно-технической конференции "Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения" (Москва, 2014 г.), на международном симпозиуме "Наука. Инновации. Техника и технологии: Проблемы, достижения и перспективы" (Комсомольск-на-Амуре, 2015 г.), на научных семинарах кафедр "Материаловедение" и "Технологии обработки материалов" МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2013-2015 г.г.

Основные публикации по теме диссертационной работы. Результаты исследования опубликованы в 54 печатных трудах. В том числе: в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, опубликовано 29 статей; получено 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим цели, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пунктам: 2. "Теоретические и экспериментальные исследования фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, происходящих при различных внешних воздействиях", 3. "Теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры (типа, количества и характера распределения дефектов кристаллического строения) на физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов," 5. "Теоретические и экспериментальные исследования влияния фазового состава и структурного состояния на зарождение и распространение трещин при различных видах внешних воздействий " и 6. "Разработка новых и совершенствование существующих технологических

процессов объемной и поверхностной термической, химико-термической, термомеханической и других видов обработок, связанных с термическим воздействием, а также специализированного оборудования" паспорта специальности 05.16.01 - "Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов" (технические науки).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 351 наименования, приложения. Общий объем работы составляет 384 страницы; диссертация содержит 104 иллюстрации и 15 таблиц.

Марки сталей, применяемые для высоконагруженных зубчатых колес

Таким образом, назначая эффективную толщину диффузионного слоя, проектировщик зубчатых колес руководствовался не параметрической формулой типа выражения (1.1), а, вероятно, результатами неоднократных механических испытаний на контактную и изгибную выносливость. Такие испытания являются крайне трудо- и ресурсозатратными. В этой связи экспериментальный метод проектирования режимов ХТО нельзя признать рациональным.

Согласно [5] зубчатые колеса являются следующими по значимости деталями газотурбинного двигателя после лопаток турбины и компрессора, от качества которых зависит ресурс двигателя. Надежность их работы определяется состоянием поверхностного упрочненного слоя, который преимущественно формируется в ходе ХТО.

По результатам анализа зубчатых колес современных силовых агрегатов установлено, что, хотя в настоящее время наиболее распространены цилиндрические прямозубые зубчатые передачи, также часто возникает необходимость в применении других конструкций зубчатых передач. Кроме того их геометрические размеры и нагрузочно-скоростные характеристики изменяются в широких пределах.

Поскольку для каждой зубчатой передачи необходимо обеспечить требуемый уровень эксплуатационных свойств, обусловленный геометрией зубчатых колес, приложенной нагрузкой, скоростью вращения и условиями работы, то возникает необходимость в замене эмпирических подходов к выбору способа и факторов режима ХТО расчетными методами проектирования технологических процессов, основанных на зависимостях эксплуатационных свойств от характеристик диффузионного слоя и параметров слоя от совокупности управляющих факторов ХТО.

Замена газотурбинных двигателей (ГТД) четвертого поколения силовыми агрегатами пятого поколения связана с дальнейшим ростом нагрузочных и скоростных характеристик зубчатых передач. Как показывает практика, данное обстоятельство вызовет необходимость применения соответствующих конструктивных решений: передач с высоким коэффициентом перекрытия (свыше 2,0), шевронных колес, а также несимметричных зубьев [6, 7].

В связи с этим, новые авиационные зубчатые передачи будут работать в условиях еще больших температур, что потребует применения новых марок сталей, с более совершенной системой легирования, при соответствующей оптимизации режимов поверхностной химико-термической обработки.

По данным В.М. Акимова на приводы приходится до 10 % всех отказов авиационных газотурбинных двигателей, при этом для редукторных ГТД (турбовинтовых и турбовальных двигателей, а также, соответственно, для силовых агрегатов наземного и водного транспорта) доля таких отказов возрастает до 30 % [8].

В различных отраслях транспортного машиностроения для зубчатых колес применяются стали, характеризующиеся различным содержанием легирующих элементов (таблица 1.2). Содержание примесей в сталях, указанных в таблице 1.2, соответствует соответствующему государственному стандарту.

Химический состав стали должен обеспечить высокую прочность сердцевины, исключающую продавливание упрочненного поверхностного слоя [2]. Кроме того, необходимо исключить образование большого количества остаточного аустенита в слое, упрочненном цементацией.

В автотранспортном машиностроении, как правило, применяются дешевые стали с достаточно простой схемой легирования, такие как 18ХГТ, 25ХГТ и им подобные [9]. Типовой упрочняющей обработкой для данных сталей является цементация или нитроцементация с последующей закалкой.

Их заменяют более дорогостоящие хромоникелевые стали с повышенными механическими свойствами после комплексной обработки, сочетающие повышенную прокаливаемость и большую твердость сердцевины, типичным примером которых является сталь 20ХНЗА [10], к которым также применяется цементация и нитроцементация.

Еще большие возможности предоставляют такие стали, как цементуемые стали типа 20ХН2МА и 20Х2Н4А с несколько более оптимизированным содержанием легирующих элементов, а также азотируемые стали типа 38Х2МЮА или не содержащие алюминий стали типа 40ХН2МА, характеризующиеся более высокими свойствами сердцевины [13-17]. Таблица 1.2 - Химический состав наиболее распространенных отечественных сталей для высоконагруженных зубчатых колес [1, 11, 12]

Все выше названные стали насыщаются углеродом до концентраций на поверхности не более 0,8-1,0 %, то есть без образования развитой карбидной фазы. Иначе недостаточное количество хрома и избыток никеля приводит к неблагоприятной морфологии карбидных частиц цементитного типа в виде сплошной или разорванной сетки значительной толщины, крайне отрицательно сказывающейся на усталостных свойствах диффузионных слоев [2, 13].

Основными эксплуатационными свойствами, которые могут обеспечивать на требуемом уровне цементованные слои на хромоникелевых сталях являются: изгибная выносливость, в меньшей мере контактная выносливость и сопротивление изнашиванию.

Основными эксплуатационными свойствами, которые могут обеспечивать на требуемом уровне цементованные слои на хромоникелевых сталях являются: изгибная выносливость, в меньшей мере контактная выносливость и сопротивление изнашиванию.

Определение требований к диффузионному слою по критерию сопротивления усталостному разрушению при изгибе

Вакуумная цементация в ацетилене, активно диссоциирующем на поверхности стальной детали уже при 900-960 С, обеспечивает высокую равномерность насыщения даже в глубоких отверстиях. Вакуумные процессы характеризуются ускорением процесса обработки по сравнению с газовыми: при получения диффузионного слоя эффективной толщиной более 0,5 мм, временные затраты сокращаются на 60 %. Эти факторы, а также производство совершенных вакуумных печей, оснащенных системой малодеформационной газовой закалки, способствуют расширенному применению рассматриваемого процесса [111, 129-132].

Технологические возможности газовых процессов ограничены. Так, при проведении процесса цементации в шахтных печах толщина активной карбидной зоны не превосходит 0,20 мм, которая при зубошлифовании практически полностью удаляется [1]. Выполненное обобщение конкретных примеров практической реализации технологических возможностей вакуумного термического оборудования дает возможность сделать вывод об его универсальности [133]. Показаны большие технологические возможности вакуумных технологий обработки деталей и инструмента из сложнолегированных сталей различного назначения (теплостойких, дисперсионно-твердеющих, инструментальных, шарикоподшипниковых), обеспечивающих необходимую совокупность эксплуатационных свойств для конкретного изделия. Для любой стали можно разработать технологию химико-термической обработки в вакууме, с тем, чтобы все потенциальные возможности данного материала раскрылись в полном объеме.

Польскими исследователями разработаны эффективные режимы вакуумной цементации различных конструкционных сталей от низколегированных до комплексно-легированных теплостойких, при этом соотношение стадий активного насыщения и диффузионного выравнивания, а также температура процесса подбираются таким образом, чтобы насыщенность диффузионного слоя углеродом наилучшим образом соответствовала химическому составу стали, определяющему точку эвтектоидного превращения [134].

В работе [111] отмечена возможность проведения вакуумной цементации в отношении коррозионно-стойких сталей.

Также при вакуумной цементации (при температуре 950 С) проводится науглероживание низколегированной стали до высоких концентраций углерода на поверхности, равных 2,0 и даже 4,0 % [112]. Обработка проводится в течение 5 циклов активного науглероживания и диффузионного выравнивания. После первого цикла концентрация карбидов составляет менее 2 %; после третьего - около 10 %; после пятого -равна 19 %.

Еще одним преимуществом вакуумной цементации является простота управления, которая обусловлена ограниченным числом управляющих факторов технологического процесса: температурой и временными факторами. Углеродный потенциал среды поддерживается на двух уровнях: максимальном и нулевом [131, 132].

Простота управления науглероживанием в вакууме обуславливает возможность точного контроля протяженности диффузионного слоя. Кроме того вакуумное термическое оборудование допускает автоматизацию процесса, что способствует встраиванию вакуумных печей в производственные линии [111].

Вакуумная цементация проводится в широких пределах температур: от 785 до 1205 С [41] в зависимости от химического состава стали, состава рабочей атмосферы, задач цементации. Вакуумная нитроцементация проводится при температурах свыше 785 С, однако верхний предел температурного диапазона нитроцементации ограничен приблизительно 920 С [33]. Так, например, вакуумную нитроцементацию (ВНЦ) стали ВКС-10 рекомендовано проводить при температуре около 880 С.

Вакуумную цементацию, как правило, проводят в режиме циклической подачи углеродсодержащих газов, при котором стадии активного насыщения при подаче углеводорода чередуют со стадиями диффузионного рассасывания, идущими при выключенной подаче газовой среды [132]. Необходимость проведения стадий диффузионного рассасывания обусловлено быстрым насыщением обрабатываемой поверхности углеродом с образованием тонкого карбидного слоя и пироуглерода, которые экранируют насыщаемую металлическую поверхность, что исключает дальнейшее термохимическое разложение углеводородов.

На обеих стадиях происходит перераспределение углерода из приповерхностной зоны вглубь формируемого слоя. В этой связи, при вакуумной цементации кривая изменения поверхностной концентрации углерода на различных стадиях вакуумной цементации по циклическому режиму в зависимости от времени процесса имеет характерный вид (рисунок 1.19). Значение поверхностной концентрации углерода возрастает на стадиях насыщения и снижается на диффузионных стадиях. Представленная кривая обладает специфической особенностью: на диффузионной стадии в ходе первого цикла снижение поверхностной концентрации достаточно резкое; на втором цикле концентрация углерода падает менее сильно; на третьем цикле она снижается незначительно, кривая приобретает все более плавный вид (см. рисунок 1.19).

Проверка адекватности модели и оценка технологических возможностей вакуумной цементации сталей без образования карбидной фазы

Решение задачи нахождения оптимального соотношения технологических факторов цементации (нитроцементации) осуществляли на третьем этапе расчета путем решения прямой (нахождение параметров диффузионного слоя по известной совокупности технологических факторов) и обратной (нахождение технологических факторов, оптимальных для требуемых параметров диффузионного слоя) задач.

Распределения прочностных свойств (твердости) в азотированных слоях получены по литературным данным [56, 59, 266]. Распределения твердости по Виккерсу пересчитали на распределения аНнт по формуле (2.8).

При проведении ионного азотирования конкретной стали параметры упрочненного слоя, в основном, определяются только одним управляющим технологическим фактором - продолжительностью процесса. В незначительной степени влияют температура ионного азотирования и состав среды. Как правило, для конкретной стали предлагается один вариант насыщающей атмосферы и один-два варианта температуры процесса (см. [56, 59, 266]).

Ядром прямой задачи является математическая модель вакуумной цементации (нитроцементации) [267-269].

Обратную задачу предлагается решать методом последовательных итераций следующим образом (см. рисунок 2.1). Предварительно выбирается исходная совокупность технологических факторов и расчетным путем определяются соответствующие параметры диффузионного слоя (прямая задача). По результатам сопоставления с требуемыми параметрами слоя изменяются технологические факторы, по которым вновь проводится расчет. Данная операция осуществляется до достижения требуемых параметров диффузионного слоя, которые соответствуют заданным эксплуатационным свойствам зубчатой передачи.

Определение требований к диффузионному слою по критерию сопротивления усталостному разрушению при изгибе

Поскольку циклическая прочность при изгибе является одним из важнейших эксплуатационных свойств зубчатых колес, в алгоритм расчетного метода оценки несущей способности диффузионного слоя включили расчет на изгибную выносливость (см. рисунок 2.1) [262].

Условием выносливости зубьев при изгибе является выполнение следующего неравенства: где ар Hm - предел усталости при изгибе; аизг рабочее напряжение изгиба; 5р коэффициент безопасности, принимаемый равным 2,0-2,2 для зубчатых колес высокой ответственности (авиация, иные транспортные средства).

Для определения предела усталости при изгибе разработана расчетная модель, которая основывается на формуле максимальных изгибных напряжений, то есть изгибных напряжений на поверхности упрочненного зуба, рассмотренного как консольная балка, у его основания [270]:

Напряжение арнт определяли по уточненной формуле [190], основанной на оценке влияния на предел усталости концентрации напряжений по Нейберу и Екобори [52, 271] вблизи упрочняющих частиц, а также размеров зерна матрицы.

Согласно [51-54] предел выносливости при изгибе определяется химическим и фазовым составом цементованного (нитроцементованного) слоя, а также размером зерна матрицы (т.е. мартенситного кристалла).

При оценке влияния содержания углерода и карбидной фазы требуется учитывать, что с одной стороны, они эффективно способствуют упрочнению слоя, а с другой - как доказано, карбиды являются в подавляющем большинстве случаев источниками зарождения усталостной трещины [51, 272].

В связи с этим перечисленные структурные факторы оказывают влияние на начальные процессы зарождения и развитие усталостных трещин и, как следствие, на сопротивление усталостному разрушению в целом.

Отрицательное влияние повышения содержания цементита на сопротивление усталости можно проиллюстрировать данными из работы [73], согласно которым в результате подстуживания после цементации перед закалкой с 870-880 С до 830 С, сопровождающегося выделением дополнительных карбидов из аустенита, результирующий предел выносливости снизился с 1920 до 1710 МПа, т.е. на 11 %.

Особенно важно учитывать структурные факторы в высокопрочных сталях, поскольку, согласно данным работы [51], при твердости выше 40 HRC нарушается прямая пропорциональность циклической и статической прочности (так, твердость 40 HRC достаточно точно соответствует пределу выносливости a_i = 550 МПа). При более высоких значениях твердости определенного соответствия ее пределу выносливости не существует.

Как обосновано в работе [52], отсутствие точного соответствия прочностных свойств и твердости, с одной стороны, и предела выносливости, с другой, в основном, обусловливается влиянием на предел выносливости величины зерна матрицы (кристаллов мартенсита), а также размера и морфологии частиц карбидных фаз.

Основу расчетного соотношения составило выражение, полученное Т. Екобори из теоретического подхода к определению предела выносливости в зависимости от концентрации напряжений по Нейберу вблизи упрочняющих частиц, а также размеров зерна матрицы (мартенситного кристалла) [52, 53, 273]: где Z) - диаметр частицы специального карбида (изменяющийся в зависимости от условий науглероживания и химического состава стали в пределах 0,3-1,0 мкм); d - средний диаметр зерна матрицы (мартенситного кристалла) (/-0,01 мм); ІІ - напряжение внутреннего трения в мартенсите; а - коэффициент, характеризующий теоретическую прочность на отрыв; Е - нормальный модуль упругости; So - размер критической области концентрации напряжений (соизмерим с расстоянием между источниками Франка-Рида, равным примерно 100-200 нм [274] и который при изгибе, согласно Нейберу, принимает минимальные значения [271]).

Напряжение внутреннего трения, т. е. сопротивления движению дислокаций, определяли исходя из следующих соображений. На напряжение внутреннего трения заметно большее влияние оказывают примеси внедрения, чем примеси замещения; при этом при температурах выше 400 К влияние взаимодействия дислокаций и иных факторов малозначительно [275]. При этом установить теоретически количественную зависимость напряжения внутреннего трения от содержания элементов внедрения не представляется возможным. В работе [52] предлагается находить значение ІІ ПО экспериментально установленному пределу выносливости при известных характеристиках диффузионного слоя путем подстановки полученных значений в соотношение (2.12).

Проверка адекватности модели вакуумной цементации теплостойких сталей

Учитывая небольшое их содержание в низколегированных сталях, влияние основных легирующих элементов - хрома и никеля - на скорость диффузии учитывали путем введения дополнительных термодинамических коэффициентов легирования f c-, которые равны отношению коэффициента активности углерода в легированном железе (входящему в выражение закона Генри) к коэффициенту активности углерода в чистом железе [317]: Dc = DcfcMe = Dc ехр( хМе); (33) где ГМес = КМес(Т) - температурно-зависящий коэффициент, для хрома, никеля, молибдена, марганца и некоторых других элементов в параметрической форме представленный в монографии [317]; хМв -атомная концентрация Me в y-Fe.

Принципиальное значение для модели диффузионного насыщения имеет граничное условие, отражающее происходящие на границе раздела металла и рабочей среды процессы массопереноса насыщающих элементов. Наряду с обоснованностью выбора выражения коэффициента диффузии насыщающего элемента, именно достоверность описания массопереноса углерода через поверхность раздела фаз определяет в основном адекватность всей математической модели [135].

Как показано в работе [13] при моделировании циклических режимов науглероживания граничное условие для стадии насыщения следует искать в наиболее универсальном виде: зависимости скорости потока насыщающего элемента - углерода - из рабочей среды от технологических факторов процесса, а также от его текущей концентрации на науглероживаемой поверхности, которые в своей совокупности определяют поток углерода из среды в металл (граничные условия III рода). Необходимость использования указанных граничных условий при моделировании циклических процессов обусловлена тем, что такие условия отражают зависимость скорости потока насыщающего элемента от текущей концентрации углерода на поверхности, в том числе после предшествующего цикла обработки, при независимости от времени с момента начала процесса.

Так, с одной стороны, поток углерода связан с градиентом концентрации насыщающего элемента в поверхностной зоне (I закон Фика). С другой стороны, поток пропорционален разности углеродного потенциала среды и концентрации углерода на поверхности, а также коэффициенту массопереноса, характеризующему скорость перехода атомов углерода из рабочей атмосферы в металл. Коэффициент массопереноса зависит от температуры процесса подобно коэффициенту диффузии (хотя имеет иную размерность), поскольку также является функцией сопротивления кристаллической решетки внедрению атома примеси и частоты переходов атомов углерода из среды в твердый раствор. В связи с этим, коэффициент массопереноса имеет вид экспоненциальной функции от температуры [135].

Для определения параметров, характеризующих скорость массопереноса углерода из рабочей среды в металл, экспериментальным путем устанавливали временные зависимости концентрации углерода на поверхности углеродистой и легированной хромоникелевой сталей (соответственно, стали 20 и 20Х2Н4А).

Для этого вакуумную цементацию проводили на лабораторной вакуумной установке, оснащенной управляющим компьютером и системами автоматического регулирования технологических параметров. Насыщение проводили в течение 1-10 мин при 920, 940 и 960 С в газовой среде ацетилена (100 % об.) под давлением 6-133 Па. Диффузионное выравнивание не проводили. Науглероживанию подвергали образцы размером 050x15 мм сталей 20 и 20Х2Н4А, на которых анализировали концентрацию углерода в приповерхностном слое (после снятия шлифованием 0,05 мм) спектральным методом на оптико-эмиссионном анализаторе фирмы OBLF SPEKTROMETRIE GMBH. Погрешность определения концентрации углерода составляла ±0,05 %. Локальность анализа- 5 мм [135].

В результате проведенных исследований установлено, что при активном насыщении стали концентрация углерода на поверхности изменяется по характерным зависимостям (рисунок 3.1). Высокая в начале процесса скорость массопереноса постепенно снижается, при этом поверхностная концентрация углерода стремится к достижению максимума.

Представляется, что в термически активированной среде низкого давления непосредственно на поверхности металла происходит разложение ацетилена на газообразный водород и свободный углерод, диффундирующий в глубь насыщаемой поверхности. Образующийся при диссоциации углеводорода сажистый углерод обладает высокой активностью и легко растворяется в металле. Вместе с тем, как известно, растворимость углерода в аустените ограничена. В дальнейшем происходит выделение новых порций сажи в виде переходных частично кристаллических форм - лент и турбостратных пакетов, трудно растворимых в металле. Пределу растворимости углерода в аустените, а также появлению развитых кристаллических углеродных структур соответствуют определенные концентрации углерода в насыщаемом твердом растворе, которые изменяются при различных температурах процесса [135].