Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 10

По мнению авторов, повышениеизносостойкости вызывают только некогерентные частицы нитридов,которые не вызывают значительных микродеформаций кристаллическойрешетки. Когерентные частицы нитридов напротив вызывают большиемикродеформации и, несмотря на высокую твердость упрочняемых имислоев, их износостокость не высока.678Износостойкость 1/W, мин/мкм40Х13630Х2МФХ244542ХМ27501000125015001750Твердость азотированного слоя, HV0,01Рисунок 1.15–Влияниетвердостиазотированныхслоевнаизносостойкость в условиях абразивного изнашивания (шлифование накруге: карбид кремния, зернистость 600, P = 0,36 Н/см2; n1 = 125 об/мин, = 3 мин) [90, 91]Представляется, что когерентные частицы при прохождении черезнихдислокацийприпластическойдеформации,предшествующеймикрорезанию, испытывают большие искажения атомной структуры, чтоснижает их прочность, как указано в [54].

С другой стороны,некогерентные частицы карбидов эффективно способствуют повышениюизносостойкости цементованных слоев (см. [83]).Путем цементации и нитроцементации также можно эффективноповысить сопротивления стальных деталей абразивному изнашиванию. Поданным [93] формирование цементованного слоя, содержание карбидов в68которомсоставляет50-70%,сопровождаетсяповышениемизносостойкости в 20 раз.Испытания на машине "Шкода-Савин", проведенные послойно черезкаждые 0,1 мм (слой удаляли шлифованием), показали, что скоростьизнашивания зависит от количества избыточной карбидной фазы и, какследствие, от суммарной концентрации углерода и азота, а такжетвердости [94]. Из результатов испытаний следует, что скоростьизнашивания в условиях микрорезания минимальна в приповерхностнойобласти, наиболее насыщенной углеродом и содержащей максимальнуюдолю избыточной фазы, и увеличивается на глубине слоя, где количествокарбидов(карбонитридов)минимально(рисунокСкорость1.16).изнашивания заметно уменьшается с повышением содержания избыточнойфазы.Приэтом,износостойкостьсущественноувеличиваетсяспроведением процесса с большим углеродным потенциалом, которыйзависитотконцентрацииуглеродсодержащихгазов(дляионныхпроцессов, см.

рисунок 1.16).Проведенный регрессионный анализ данных [94] показал, чтозависимость скорости изнашивания (IV, мкм3/мин) от объемной доликарбидной фазы VK, % лучшим образом с точки зрения максимальногокоэффициентапарнойкорреляцииR0можетбытьописаналогарифмической зависимостью:IV  12,463  1,630 ln(1  VK ), ( R0  0,993 ).(1.4)После ионно-вакуумной цементации и, особенно, нитроцементациистали 16Х3НВФМБ (ВКС-5) на повышенную абразивную износостойкостьтолщина активной карбидной (карбонитридной) зоны, в которой объемнаядоля карбидов составляет 10-30 %, может достигать 0,4-0,5 мм [1]. Приэтом, по данным стендовых испытаний нитроцементованных образцов изстали ВКС-5 на машине "Шкода-Савин" и СМЦ-2, износостойкостьвозрастает в 3-5 раз [94].691,4Скорость изнашивания, мкм3/мин11,52,210,57,49,510,98,511,412,37,50,10,20,30,40,5Расстояние от поверхности, ммРисунок 1.16–Изменениескоростиизнашиванияпотолщинедиффузионного слоя после ионной нитроцементации по двум режимам приразличных концентрациях ацетилена: (□) – qc = 1,5 %; (▲) – qc = 2,0 %(цифры у знаков – объемная концентрация карбонитридной фазы) [94]С точки зрения обеспечения износостойкости нитроцементациязанимает промежуточное место между азотированием и цементацией .Так,проведениенитроцементациивместосталивакуумнойцементации16Х2Н3МФБАЮ-Ш(ВКС-7)вакуумнойобеспечиваетснижение интенсивности изнашивания в 2,8 раза [95].

Для стали13Х3Н3М2ВФБ-Ш (ВКС-10), не содержащей алюминий, интенсивностьизнашивания после нитроцементации на 41 % больше, чем у стали ВКС-7.ПриэтомзаменавакуумнойцементациисталиВКС-10на70нитроцементацию приводит к снижению интенсивности изнашивания в 3,7раза.Поданным[2]зубчатыепередачисазотированнымидомаксимальной твердости колесами могут кратковременно нормальноработать при ограниченных нагрузках даже без смазки.1.3.4 Сопротивлениелегированныхсталейдиффузионныхадгезионномуслоевзубчатыхизнашиванию,колессхватываниюизизаеданиюСущественным фактором, определяющим несущую способностьвысокоскоростных и высоконагруженных зубчатых колес, являетсясопротивление адгезионному изнашиванию, проявляющемуся в видесхватывания сопряженных трибологических поверхностей, приводящего всвоей крайней форме к заеданию [96].

Как отмечено в работе [76]стандартом (ГОСТ 21354-87) необоснованно не предусмотрен расчетзубчатых передач на заедание для зубчатых колес, работающих в условияхвысоких скоростей скольжения и, как следствие, при значительномразогреве сопряженных рабочих поверхностей.В настоящее время разработаны и апробированы на практикепринципы температурного расчета зубчатых зацеплений, учитывающиесвойства теплопроводности материалов, а также условия нагружения искольжения в трибологической паре, дающие возможность определятьзначения температуры вспышки [97, 98]. Полученные пиковые значениятемпературы оцениваются с точки зрения соблюдения температурногоусловия существования смазочного слоя:T0  Tвсп  Tкр ,(1.5)где T0 – начальная температура подаваемого в зубчатую передачу масла;Tвсп – температура вспышки, обусловленная трением взаимодействующих71рабочих поверхностей зубьев; Tкр – критическая температура, приводящаяк разрушению масляного слоя.Впервыеэмпирически-теоретическоевыражениетемпературывспышки было предложено Г.

Блоком и было принято А.И. Петрусевичемв качестве основы для расчетной методики определения температурывспышки [50], которая использует в качестве Tкр эмпирически полученныедля различных материалов значения.ВразноевремяформулаБлокабылаусовершенствованаД.С. Кодниром с соавторами [98], А.В. Чичинадзе [97] и другимиисследователями.Полуэмпирический метод расчета значения Tкр предложен в работе[99].

Он основан на определении энергий активации десорбции смазочногоматериала, взаимодействия масла с металлическими поверхностями, атакже поверхностей между собой.Более простой, на первый взгляд, но, по видимому, болееэффективный,подходкопределениюкритическойтемпературыпредложен И.А. Буяновским в работе [100] на основе полуэмпирическогосоотношения, связывающего температуру вспышки и число адгезионныхсвязей: W p x  A a v  m exp  x ,H RTx (1.6)где х – число адгезионных связей; доля металлического контакта; A –предэкспотенциальный множитель; pa – удельная нагрузка; H – твердостьболеемягкогоизконтактирующихматериалов;v–скоростьотносительного перемещения; m – константа уравнения; Wx – энергияактивации образования адгезионных связей; R – универсальная газоваяпостоянная; Tx – текущая температура.72Из выражения (1.6) очевидным образом вытекает выражение,связывающее критическую температуру Tкр с критическим числомадгезионных связей xкр [100]:1 Av  m pa  .Tкр  Wx  R ln HxкрНесколькоинойподходкформированиюпредотвращения заедания предложен в работе(1.7)критерияоценки[101], где вместокритической температуры использована безразмерная величина.

Вместе стем, данный расчет также является по своей природе тепловым, акритическое значение безразмерного критерия предлагается устанавливатьэкспериментальным путем.Существенным фактором возникновения заедания, как адгезионноговзаимодействиямеждукристаллическимителами,установленнымэкспериментально еще в 1950-е годы, является пластическая деформация[102]. Данный экспериментальный факт был использован в работе [103]при разработке метода расчетного определения нагрузки заедания присухом и граничном трении, которая была использована в безразмерномвиде в качестве оценочного критерия работоспособности трибологическойпары (предотвращения задира в отсутствие смазки). В расчетныхсоотношениях учитывали как температуру вспышки (при граничном илисмешанном трении), так и стабильную температуру поверхности.Большой объем проведенных экспериментальных исследований далвозможность в работе [104] разработать многофакторную регрессионнуюмодель, которая предназначалась для оценки противозадирной стойкоститрущихся тел и включала в себя факторы нагрузки, скорости скольжения,твердости материала, шероховатости, свойств масла и т.д., которая былавпервые в СССР реализована на ЭВМ.При изучении железнодорожных крупногабаритных зубчатых колесразработана методика расчета, основанная на определении распределения73температур по контуру зуба [66, 105].

Данная методика исходит изгипотезы о единстве причин контактного разрушения и схватывания.Необходимо отметить, что если в части поверхностного контактногоразрушения указанный подход экспериментально обоснован, то глубинноеконтактное усталостное разрушение, как очевидно, не может бытьисчерпывающе объяснено действием тепловых факторов.Сучетомособогозначениярасчетаназаеданиедлявысокоскоростных передач следует отметить изученное влияние скоростискольжениянакоэффициенттрениявзацепленииилифактордлительности существования фактического пятна контакта (эффектБорзова).