Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 14

При этом после последнего отпускасформировалась приповерхностная площадка высокой твердости (равной60 HRC), протяженностью 0,6 мм.Представляется, что данная технология обеспечит очень высокиезначения глубинной контактной выносливости.Проведение вакуумной нитроцементации (ВНЦ) вызывает рядзатруднений, связанных с необходимостью снижения температурыпроцесса в целях активизации термической диссоциации аммиака,наиболее интенсивно происходящей при температурах, близких к 800 °С[38].Внастоящеевремяразработанытриосновныхподходакпроведению ВНЦ.Польскими учеными предложено проводить насыщение азотом входе нагрева под цементацию [142]. Очевидным недостатком этого методаявляется перераспределение азота от поверхности вглубь слоя поддействием градиента концентрации углерода, полученного в ходецементации.

Вероятно, азот в слое будет достаточно равномерно94распределен на достаточно большую глубину и не достигнет значительнойконцентрации. Вместе с тем, как пишут сами авторы в другой своей работе[140], целью предварительного азотирования является недопущение ростазерна аустенита при высокой температуре вакуумной цементации,обеспечивающей большую скорость процесса, и эта цель, благодаряналичию в слое азота, достигается.Существеннодругойподходквакуумнойнитроцементациипредложен в японскими учеными [111, 143, 144]: азотсодержащий газподается после проведения цементации, но перед закалкой (рисунок 1.22).Как представляется, данный метод не применим к зубчатым колесам, таккак азот будет находится в приповерхностной области, которая вероятнобудет удалена в ходе финишного зубошлифования.Диффузионная стадияи азотированиеОтжигЦементация25 дм /мин3Закалка в масле8 дм3/минДавление46 кПаВремя (мин)Рисунок 1.22 – Схема технологического режима ВНЦ [111]Данная проблема рассмотрена в отечественной работе [33] вотношении дисперсионно-твердеющей стали ВКС-10 (см.

таблицу 1.3).95Предложена постоянная подача аммиака и циклическая ацетилена притемпературе 880 °С. Присутствие в стали стабилизирующего аустенитникеля, действие которого усилено за счет насыщения азотом обусловилонеобходимость проведения неоднократного отпуска, обеспечивающегорост вторичной твердости материала (рисунок 1.23). В результатеобеспечена твердость поверхности, равная 61 HRC (при суммарнойконцентрации углерода и азота на поверхности около 1,3 %, чтопредставляется чрезмерным).Кроме того, по сравнению с вакуумной цементацией обеспеченоустранение грубой карбидной сетки, вместо которой формируютсямелкодисперсные карбонитриды, распределение которых в слое отвечаеттребованиям по обеспечению высокого уровня контактной выносливости.Следует отметить, что, выделяющиеся в результате трехкратного старениякарбонитриды не были обнаружены при помощи оптического микроскопа[33].Вместе с тем, твердость поверхности является не достаточной сточки зрения обеспечения требуемого для зубчатых колес, работающих вусловиях повышенных температур, уровня сопротивления адгезионномуизнашиванию.

В этой связи, представляется наиболее обоснованнымпроведение вместо ВНЦ для зубчатых колес из комплексно-легированнойстали проводить комбинированную обработку: после цементации, закалки,обработки холодом и кратного высокого отпуска и механическойобработки, в качестве отделочной операции осуществлять азотирование,предпочтительно ионно-вакуумное. При этом, в целях предотвращенияобразования карбидной сетки рекомендуется изменить соотношениестадий вакуумной цементации с тем, чтобы уменьшить насыщенностьдиффузионного слоя углеродом.96а)65HRC6055504540ВНЦ1Высокийотпуск2Закалка3Первыйотпуск4Второйотпуск5Третийотпуск6б)Рисунок 1.23 – Полный цикл упрочняющей обработки на основевакуумной нитроцементации дисперсионно-твердеющей теплостойкойстали ВКС-10: а) схема процесса (t – температура;  – время); б) изменениетвердости по результатам стадий процесса [33]В последние годы внедрено в производственную практику, вчастности,американскимиразработчикамиспособазотированияватмосфере низкого давления около 1,3 Па при температуре, несколькопревышающей 760 °С.

При этом в качестве рабочей атмосферы97используется смесь аммиака (от 10 до 80 %, которым соответствуетазотный потенциал, равный 0,1-10 % ат.) и водорода (остальное) [145].В работе польских исследователей [146] отмечаются трудностиуправления процессом вакуумного азотирования, поскольку кинетикаформирования азотированных слоев существенно зависит от легированиястали.Вотличиеотвакуумнойцементацииупрочненныйслойпоследовательно состоит из  и ' фаз, а также собственно диффузионногослоя. Вместе с тем, перечисленные затруднения компенсируютсяспособностью азотированных слоев сохранять работоспособность внаиболее сложных условиях воздействия абразивных частиц. В целяхобеспеченияуправления процессом вакуумного азотирования авторыиспользовали математическое моделирование и методы оптимизации,давшие возможность сократить время обработки инструментальной стали.Учитывая изложенное, вакуумная ХТО является передовым методомповерхностного упрочнения и должна быть рекомендована к применениюдля высоконагруженных зубчатых колес из сталей различной схемылегирования.

Вместе с тем, в существующей научной литературеотсутствуют данные о закономерностях массопереноса насыщающихэлементов из атмосферы низкого давления, формировании цементованныхинитроцементованныхслоеввсложно-легированныхсталяхсобразованием карбидной (карбонитридной) фазы сложного состава.1.4.2 Ионно-вакуумные процессы ХТО высоконагруженных зубчатыхколесПрактическиеосновыосуществленияхимико-термическойобработки в плазме тлеющего разряда разработаны в ряде исследованийотечественных ученых [147-149].98Ионно-вакуумные технологии цементации, нитроцементации иазотирования осуществляются в вакуумныхпечах,оборудованныхсистемой генерации плазмы тлеющего разряда [150].

Данная системаявляется достаточно дорогостоящей, в связи с чем, технологии ионнойцементации и нитроцементации в настоящее время в большой степенивытеснены вакуумными. Вместе с тем, на рубеже 1980-90 гг., когда еще небыли разработаны теоретические и технологические основы примененияэффективных рабочих атмосфер низкого давления, ионные цементация инитроцементация признавались в наибольшей мере соответствующимитребованиям гибкой, интенсивной и энергосберегающей технологииповерхностного упрочнения высоконагруженных деталей машин, включаязубчатые колеса, крупногабаритные подшипники и т.д.

[3, 147, 148].Ионная обработка, еще в большей степени, чем вакуумная, обеспечиваетравномерность насыщения деталей сложной формы.Ионно-вакуумныепроцессыцементацииинитроцементациихарактеризуются высоким показателем расхода углерода (75 %), скоростьроста слоя увеличивается в 4-5 раз, продолжительность процессасокращается до 2-4 часов [151, 152].Высказано предположение [153], что при ионной бомбардировке наповерхности металла возникает избыточная концентрация структурныхдефектов, что приводит к повышенному содержанию насыщающихэлементов в приповерхностном слое. Кроме того, вызванные ионнойбомбардировкойвнутренниенапряжениямогуттакжеявитьсяисточниками дислокаций.

Это обуславливает интенсификацию процессовдиффузионного перераспределения атомов насыщающих элементов вглубьметаллов.Вследствие очевидного технико-экономического и экологическогопреимущества ионно-вакуумных процессов цементации перед газовыми,установки для ионной цементации встраивались в линии механическойобработки на машиностроительных предприятиях Германии и США [154].99Помимо стоимости ионно-вакуумного оборудования, недостаткомионных процессов цементации и нитроцементации является сложностьуправленияими,посколькускоростьмассопереносанасыщающихэлементов зависит от площади поверхности.

В целях преодоления данногонедостатка учеными МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководствомН.М. Рыжова разработан и реализован расчетный метод управленияпроцессомвакуумнойопределенияцементацииплощадейпод(нитроцементации)кривымиконцентрацийнаосновенасыщающихэлементов и оценки скорости массопереноса в режиме реального времени[1, 155].

Кроме того, ими предложен способ оценки науглероживающейспособностиионизированныхатмосферприпомощиприборабесконтактной спектральной диагностики тлеющего разряда [156-158],принципработыкоторогооснованнарегистрацииспектровхарактеристического излучения углеродсодержащих частиц, находящихсяв катодной области тлеющего разряда.

Выходной сигнал приборапропорционаленнасыщаемойконцентрацииповерхностииуглеродсодержащиххарактеризуетчастицвблизинауглероживающуюспособность атмосферы.Необходимо отметить, что, как указано в монографии [117], теориямассопереноса в плазме тлеющего разряда до настоящего времени неразработана, при этом авторы работы не рассматривали теоретическиеаспектыкинетикивзаимодействияионизированнойатмосферысметаллической поверхностью. Не рассмотрен с теоретической точкизрения данный вопрос и в более поздней работе [159].Вместе с тем, существуют исследования, посвященные отдельнымаспектам данной задачи. Так, например, в работе [160] выполненчисленныйэксперимент,вероятногомеханизманаправленныйпроцессанаопределениеионно-вакуумнойнаиболеенитроцементациижелеза в метан-азотной среде.