Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 11

Этот эффект проявляется в повышении нагрузок, вызывающихзаедание взаимодействующих поверхностей, при увеличении скорости ихотносительного перемещения в трибологическом сопряжении. Авторыработы [106] объясняют данное явление вероятным пребыванием молекулсмазочного материала в адсорбированном состоянии на металлическойповерхности в течение некоторого времени, соизмеримого, при высокихскоростяхскольжения,спродолжительностьюсуществованияфактического пятна контакта.

Вместе с тем, в настоящее время учитыватьпри практических расчетах на заедание данное явление представляетсязатруднительным ввиду крайней сложности оценки влияния адсорбциивещества смазки на энергию активации образования адгезионных связей.В этой связи данное явление, как правило, косвенным образомучитывают в регрессионных выражениях коэффициента трения f, таких,как например, выражение, предложенное М.Д. Генкиным и соавторами,характеризующее уменьшение f при увеличении скорости скольжения [98].Другое, более сложное, эмпирическое выражение коэффициентатрения, отражающее влияние различных факторов, характеризующихтрибосопряжение, предложено Ю.Н. Дроздовым с сотрудниками [101,104].74Таким образом, в отечественной научной литературе накопленобширный научный материал, раскрывающий природу такого явления какзаедание,дающийвозможностьвыполнятьопределенныерасчетытрибосопряжения и прогнозировать работоспособность зубчатых колес поданному критерию.Вместе с тем, рекомендуемые методы расчетов на заедание, какправило, тепловые в своей основе, не учитывают металловедческиеаспекты явления заедания или учитывают не в полном объеме.

Так, вработе [97] авторами обоснованно поставлен вопрос о негативном влияниинасыщенности углеродом в цементованных зубчатых колесах, а такжелегирования стали на теплопроводность и температуропроводность.Повышенные значения концентраций углерода, легирование хромом, атакженаличиекарбидных(карбонитридных)фазприводяткзначительному снижению теплопроводности и температуропроводности(для цементованных слоев в обычной цементуемой стали типа 40Х,согласно [97], примерно в 1,6 и 2,3 раза, соответственно) и, как следствие,к повышению температуры вспышки, отрицательно влияющему настойкость смазочного слоя, вплоть до его разрушения. В этой связи,авторыуказаннойсоотношениядляработырекомендуютопределениякритерияиспользоватьрасчетныесопротивлениюзаеданиюзубчатых колес, подвергнутых ХТО, с особой осторожностью.Вместе с тем, как представляется, данный подход к учетухимического и фазового состава цементованных и азотированных сталейявляетсяодносторонним,посколькунеучитываетобщеизвестноеположительное влияние ХТО на увеличение сопротивления заеданию засчет качественного изменения структуры, а, следовательно, механическихсвойствупрочняемыхповерхностей.Применениедиффузионногонасыщения, преимущественно углеродом и азотом, в большой степениповышает сопротивление сталей схватыванию [2, 96].

Однако оценкерезультатов ХТО для повышения стойкости зубчатых колес к заеданию в75трибологических исследованиях уделяется недостаточное внимание. Врезультате измененной в ходе ХТО структуры сталей возникает целыйкомплекс факторов, которые могут быть причиной повышения ихсопротивлению заеданию. Так, при насыщении высоколегированныхсталей углеродом и (или) азотом имеет место их кратное упрочнение засчет как повышения насыщености твердого раствора, так и формированияразвитой карбонитридной фазой. Конкретные рекомендации по выборудаже таких широко распространенных процессов как цементация иазотирование отсутствуют [107]. Практически единственным исключениемявляетсяэкспериментальноустановленныйфакт,чтоколесаизазотированной стали 38ХМЮА обладают большей задиростойкостью, чемцементованные из стали 12Х2Н4А [104]. При этом какие-либо конкретныеданные об условиях их работы не приводятся.Частицы карбонитридов обладают способностью экранироватьтвердый раствор, препятствуя образованию адгезионных связей междувзаимодействующими металлическими поверхностями в трибологическойпаре.

Карбидонитридные частицы практически не взаимодействуют ствердорастворнымиобластями.Крометого,ввидуихвысокойтемпературной стойкости, маловероятно образование адгезионных связеймежду карбонитриднымичастицами взаимодействующих поверхностей[84, 106]. Более того, не привлекаются к рассмотрению данные отеплостойкости сталей, специально разработанных для работы в условияхповышенных температур.Необходимо также отметить, что во всех перечисленных методахрасчета на заедание (за исключением предложенного в работе [103]) неучитываетсяфактордлительнодействующейтемпературытрибологических поверхностей в процессе их работы.

Кроме того, расчетытемпературы вспышки выполняются не в динамике, то есть допускаетсяупрощение, связанное с игнорированием последовательного разогревасопряженныхповерхностей,котороеможетявитьсяфактором76дополнительной погрешности расчетов, тем более существенным, чемменьше время действительного контакта в зацеплении.Высокая способность азотированных слоев на теплостойких сталяхсопротивляться заеданию отмечается в работах японских исследователей[108, 109].Следует отметить, что представление об абсолютном преимуществеазотированныхслоевпередцементованнымисточкизрениясопротивления адгезионному изнашиванию опровергается работой [110](Япония), в которой исследованы результаты ионной и газовой цементациизубчатых колес из стали SCM415H (химический состав: 0,16 % C, 0,25 %Si, 0,55-0,90 % Mn, 1,05 % Cr, ≤ 0,25 % Ni, 0,15-0,30 % Mo, ≤ 0,3 % Cu [42])и ионного азотирования стали SACM645 (химический состав: 0,45 % C,0,15-0,50 % Si, ≤ 0,6 % Mn, 1,5 % Cr, ≤ 0,25 % Ni, 0,15-0,30 % Mo, 0,7-1,2 %Al [42]).

Показано, что стойкость к заеданию у зубчатых колес,подвергнутыхионнойцементации, даженесколько выше чемуазотированных (почти на 9 % по распределенной нагрузке в моментзаедания при традиционном ионно-вакуумном азотировании и на 16,5 %при ионном азотировании с активным экраном или ASPN, рисунок 1.17а).Твердость поверхности после ионного азотирования равна 750-800 HV, апосле ионной цементации – 850 HV (рисунок 1.17б).С другой стороны, у зубчатых колес, подвергнутых газовойцементации, заедание наступало при нагрузке в 2,2 раза меньшей, чем приионной цементации (см. рисунок 1.17б). Теплостойкость слоев послеионной цементации и азотирования превосходила теплостойкость послегазовой цементации на 130-150 °С.Распределенная нагрузка, Н/мм77ГЦИЦИАASPNа)HV○ ГЦ ∆ ИА● ИЦ▲ ASPNРасстояние от поверхности, ммб)Рисунок 1.17 – Сопротивление цементованных и азотированных слоевзаеданию (а) и распределение твердости (б): ГЦ – газовая цементация; ИЦ– ионная цементация; ИА – ионное азотирование; ASPN – объяснения втексте [110]78Следует отметить, что факт снижения сопротивления заеданию пригазовой цементации нельзя объяснить обезуглероживанием поверхности,так как твердость поверхности при ионной цементации была даженесколько ниже (примерно на 100 HV, см.

рисунок 1.17б). Представляется,что резкое снижение прочности поверхности, подвергнутой газовойцементации, произошло вследствие вредного влияния внутреннегоокисления.В целях достижения высокого уровня сопротивления абразивного иадгезионного изнашивания, а также усталостной прочности при высокихтемпературах рекомендуется проведение таких процессов, как вакуумнаяцементация и, особенно, нитроцементация с высоким углероднымпотенциалом, при которых в диффузионном слое образуется большоеколичествокарбидной(карбонитридной)фазы(supercarburizingиsupercarbonitriding, соответственно) [111, 112]. В качестве объектовисследования в указанных работах использовались низколегированныестали SUM24L (химический состав: 0,15 % C, 0,10-0,35 % Si, 0,85-1,15 %Mn, 0,10-0,35 % Pb [38]) и JIS SCM415 (химический состав см.

выше),соответственно.В работе [112] высокое сопротивление абразивному изнашиваниюцементованного слоя достигнуто на низколегированной стали JIS SCM415при объемной доле карбидной фазы, равной 25 %. Вторым условиемвысокой износостойкости является сфероидизация карбидных частиц. Врезультате обработки твердость поверхности превысила 850 HV, чтосопоставимо с результатами азотирования сталей со значительно бóльшимсодержанием карбидообразующих легирующих элементов.Таким образом, высокая абразивная и адгезионная износостойкостьобеспечивается за счет значительного содержания на поверхности сталинитридов и карбидов, в том числе, цементитного типа.Вработахяпонскихисследователей[111,112]высокаяизносостойкость получена путем цементации с высоким потенциалом79низколегированных сталей, в которых концентрация хрома не превышает1,3 %, марганца – 0,9 %, а молибдена – 0,20 % (сталь JIS SCM415) илихром вообще отсутствует, а содержание марганца ограничено 1,15 %(сталь SUM24L).

Такие стали в отечественной научной литературе [84,113] науглероживать с образованием карбидов цементитного типа нерекомендуется ввиду опасности появления дефекта – зернограничнойсетки. В американской литературе для полного устранения опасностиобразования карбидной сетки при цементации рекомендуется применятьсталь, содержащую 17 % Cr [41].Как указано выше, в работе [112] введена дополнительная операциясфероидизация (рисунок 1.18), которая обеспечивает благоприятнуюморфологию карбидов в цементованной стали SUM24L.ЦементацияСфероидизацияЗакалкаРисунок 1.18 – Схема химико-термической обработки стали SUM24L [112]Однако, следует отметить, что, как показано авторами даннойработы, высокая твердость (> 750 HV), соответствующая высокомусодержанию углерода, сохраняется только на небольшой глубине слоя – впределах 0,1-0,2 мм. Данная толщина активной карбидной зоны вроссийскойпроизводственнойпрактикепризнаетсяабсолютнонедостаточной ввиду необходимости снятия припуска, равного не менее800,15 мм.

Вместе с тем, замена применения легированной 3 % хрома сталипроведениемсфероидизацииимеетправонасуществованиеприупрочнении деталей машин, не требующих высокой точности размеров и,как следствие, высоко-трудоемкого зубошлифования. Таким образом, приразработке режима химико-термической обработки необходимо исходитьиззаданныхконструкторомгеометрииинагрузочно-скоростныххарактеристик зубчатой передачи, на основании которых определяетсяуровень основных эксплуатационных свойств, который обеспечивается засчет: 1) обоснованного выбора способа ХТО (цементация, азотирование ит.д.); 2) обоснованного выбора марки стали; 3) определения требуемыхпараметров диффузионного слоя (распределения насыщенности углеродомприповерхностной области).В работе [114] исследовали влияние избыточного аустенита послезакалки цементованной и нитроцементованной (с высоким азотнымпотенциалом)стали20ХН3Анасопротивлениезаеданию.Передиспытаниями цементованный слой имел твердость поверхности 770 Н,содержание углерода 0,85 % масс., объемную долю остаточного аустенита34 %; нитроцементованный слой – твердость поверхности 740 Н,концентрацию C 0,79 % масс., концентрацию N 0,71 % масс., объемнуюдолю остаточного аустенита 65 %.