Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов

Государственный научный центр Российской ФедерацииФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина»Национальный исследовательский университет техники и технологийФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университетим. Н.Э.Баумана»На правах рукописиСЕМЕНОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧМЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЙ ХИМИКОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И АНАЛИЗАЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов и сплавовДиссертация на соискание ученой степенидоктора технических наукНаучный консультант:доктор технических наук,профессор Филиппов Г.А.Москва – 20152СодержаниеВведение6Глава 1 Анализповысоконагруженныхконструкции,технологическомуматериалам,обеспечениюзубчатыхусловиямтребуемыхпередачэксплуатации,рабочихсвойств,применение расчетных методов в целях проектирования процессовхимико-термической обработки1.1 Классификация20зубчатыхпередачпоусловиямэксплуатации и конструктивным особенностям201.2 Марки сталей, применяемые для высоконагруженныхзубчатых колес1.3 Влияние30характеристикупрочненногослоянаэксплуатационные свойства высоконагруженных зубчатых колес431.3.1 Изгибная выносливость диффузионных слоев зубчатыхколес из легированных сталей1.3.2 Контактная45выносливостьдиффузионныхслоевзубчатых колес из легированных сталей531.3.3 Износостойкость диффузионных слоев зубчатых колес651.3.4 Сопротивление диффузионных слоев зубчатых колес излегированных сталей адгезионному изнашиванию, схватыванию изаеданию701.4 Способы химико-термической обработки зубчатых колес1.4.1 ВакуумныепроцессыХТО81высоконагруженныхзубчатых колес841.4.2 Ионно-вакуумные процессы ХТО высоконагруженныхзубчатых колес971.4.3 Сравнение способов ХТО высоконагруженных зубчатыхколес1061.5 Расчетныеметодыразработкипроцессовхимико-3термической обработки зубчатых колес1091.6 Выводы по главе123Глава 2 Общий алгоритм расчетного метода разработкитехнологиихимико-термическойопределениезависимостейобработкизубчатыхэксплуатационныхколес,свойствцементованного слоя от его характеристик1272.1 Общий алгоритм расчетного метода и выбор способахимико-термической обработки зубчатых колес1272.2 Определение требований к диффузионному слою покритерию сопротивления усталостному разрушению при изгибе1422.3 Определение требований к диффузионному слою покритерию сопротивления контактной усталости1562.4 Влияние твердости и насыщенности диффузионных слоевна сопротивление изнашиванию1722.5 Определение требований к диффузионному слою покритерию сопротивления адгезионному изнашиванию, схватываниюи заеданию1762.6 Оценка влияния насыщенности и фазового состава слоев,подвергнутых цементации и комбинированной химико-термическойобработке, на статическую прочность2022.7 Выводы по главеГлава 3 Математические207моделивакуумнойиионно-вакуумной цементации без учета образования карбидных фаз2093.1 Структура математической модели вакуумной цементациибез учета образования карбидных фаз3.2 Методика решения диффузионной задачи2092173.3 Проверка адекватности модели и оценка технологическихвозможностей вакуумной цементации сталей без образованиякарбидной фазы22043.4 Выводы по главе225Глава 4 Математическиемоделицементации(нитро-цементации) теплостойких сталей2274.1 Результаты металлографических исследований карбидных(карбонитридных) фаз в теплостойких сталях типа 20Х3МВФ-Ш и16Х3НВФМБ-Ш4.2 Разработкавакуумной228физическойцементациииматематическойсталейтипамодели20Х3МВФ-Ши 16Х3НВФМБ-Ш2354.3 Проверка адекватности модели вакуумной цементациитеплостойких сталей2444.4 Закономерности формирования карбидной фазы прицементации теплостойких сталей2494.5 Математическая модель вакуумной нитроцементацациитеплостойкой стали 13Х3Н3М2ВФБ-Ш2664.6 Особенности разработки математических моделей ионновакуумной цементации (нитроцементации)2734.7 Выводы по главеГлава 5 Результаты288применениярасчетныхметодовразработки процессов ХТО высоконагруженных зубчатых колес,практические рекомендации по выбору способа упрочняющейобработки и ее технологических факторов2905.1 Применение расчетного метода разработки режимов ХТОк зубчатым колесам для автомобильной и дорожно-строительнойтехники2905.2 Определение областей применения основных способовповерхностного упрочнения зубчатых колес из теплостойких сталей5.3 Применениерасчетныхметодовкразработкетехнологических режимов ХТО высоконагруженных зубчатых2965колес из теплостойких сталей, обеспечивающих заданный уровеньосновных эксплуатационных свойств3025.4 Общие рекомендации по обеспечению максимальныхзначений основных эксплуатационных свойств зубчатых колес изтеплостойких сталей3165.5.

Номограммы для определения факторов технологическихрежимов вакуумной цементации3285.5 Выводы по главе336Заключение339Список литературы344Приложение А. Свидетельство об официальной регистрациипрограммы для ЭВМ381Приложение Б. Свидетельство об официальной регистрациипрограммы для ЭВМ382Приложение В. Свидетельство об официальной регистрациипрограммы для ЭВМПриложение Г. Документы383орезультатов диссертационной работыпромышленномвнедрении3846ВведениеЗубчатые колеса являются наиболее распространенными деталямимашин для большинства отраслей машиностроения.

К их числу, вчастности, относятся самолетостроение, вертолетостроение, судостроение(то есть отрасли, где широко применяют газотурбинные двигатели), атакже автомобилестроение (включая специальное), локомотивостроение,производство самоходных машин военного назначения.Современные зубчатые колеса транспортных машин (особенно вгазотурбинных двигателях), весовые и габаритные характеристикикоторыхжестколимитированы,подверженывысокимсиловым,температурным и вибрационным нагрузкам.Основным, общепризнанным способом их упрочнения являетсяхимико-термическая обработка (ХТО), в большинстве случаев цементация,реже  нитроцементация и азотирование.

Основополагающие проблемыспособов ХТО на разных этапах их развития нашли свое освещение втрудах 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.Ожидается,чтодиффузионныепокрытиязубчатыхколесгазотурбинных двигателей 5-6 поколений должны соответствоватьследующим значениям эксплуатационных свойств: предел контактнойвыносливости (определяемый в зоне зацепления) – 1500-2000 МПа; пределусталости 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.Для их изготовления нашли широкое применение комплекснолегированные теплостойкие стали, которые применяют для ответственныхдеталей, работающих в условиях высоких нагрузок и скоростей7скольжения.Ихосновополагающиеработоспособность(контактнаясвойства,выносливость,определяющиеизносостойкость,сопротивление усталостному разрушению при изгибе и заеданию),определяются строением заэвтектоидной зоны слоя.

На насыщеннойповерхностности деталей образуется развитая карбидная фаза сложногосостава (цементит и тугоплавкие карбиды легирующих элементов).Обеспечениекачествавысоконагруженныхзубчатыхколесизготовления, в том числе надежности и ресурса, является актуальнойзадачей.Поэтомуихпроизводствотребуетпостоянногосовершенствования технологических процессов, разработки и внедренияновых методов обработки, обеспечивающих их высокое качество иэксплуатационнуютехнологическихнадежность.процессовПрименениеобработкивсвоюинновационныхочередьтребуетоптимального выбора марок сталей, а, зачастую, и разработки новых,обеспечивающих более высокие эксплуатационные свойства.Вместе с тем, технология, предусматривающая использование вкачестве упрочняющей и отделочной операций газовой цементации изубошлифования, не совершенна и многозатратна.

ХТО, основанная нагазовой цементации, вызывает значительные деформации и коробление.Точность деталей ухудшается на 2-3 степени. Основной путь снижениядеформаций – проведение закалки в штампах. Однако авиационные идругие транспортные зубчатые колеса отличаются таким большимразнообразием форм, размеров и конструктивных особенностей, что такойпуть нельзя признать эффективным.Газоваямассовогоцементацияпроизводстватакжевпечаххарактеризуется,сзаконтролируемымисключениемуглероднымпотенциалом, неудовлетворительной воспроизводимостью результатовнасыщения. Кроме того, неизбежно снижение свойств при цементации вокислительных атмосферах за счет насыщения упрочняемой поверхностикислородом и частичного обезуглероживания.8Кроме того, для теплостойких сталей газовая цементация срегулируемым углеродным потенциалом оказывается непригодной, так какони обеспечивают науглероживание только в пределах твердорастворнойобласти концентраций.

При образовании развитой карбидной фазырегулирование газовых процессов становится не возможным.Для совершенствования производства высоконагруженных зубчатыхколес внедряются современные технологические процессы химикотермической обработки: вакуумная и ионно-вакуумная (далее  ионная)цементация (нитроцементация), ионно-плазменное азотирование и др.,вытесняющие традиционные способы ХТО.Передовые процессы химико-термической обработки в 3-5 разинтенсифицируютдиффузионноенасыщение,повышаюткачествоупрочненных слоев, значительно снижают расход электроэнергии итехнологических газов.

Эти процессы в наибольшей мере отвечаюттребованиям интенсивной, гибкой, энергосберегающей и экологическичистой технологии поверхностного упрочнения.Первый технологический процесс предусматривает применение вкачестве упрочняющей обработки малодеформационного процесса ионноплазменного азотирования, а в качестве отделочной операции –высокопроизводительного процесса зубохонингования. В совокупностиэти операции образуют единый технологический процесс, отвечающийтребованиям к качеству упрочнения и точности определенной группыдеталей при одновременном снижении трудоемкости их изготовления.Базовым элементом новой технологии является процесс ионногоазотирования. Определены температурно-временные режимы ионногоазотирования, обеспечивающие формирование диффузионного слоя без фазы и протяженностью, достаточной по несущей способности дляопределенной номенклатуры зубчатых колес. Использование ионногоазотирования для группы зубчатых колес способно устранить недостатки9существующей технологии.