Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 2

Кроме снижения деформаций зубчатых колес,упрощается защита не упрочняемых участков поверхности деталей, врезультате чего отпадает необходимость в напусках, нанесении и удалениигальванических покрытий.Вместестемдляпромышленнойреализацииновоготехнологического процесса требуется определение области рациональногопримененияионногоазотированияиз-заограниченнойнесущейспособности азотированного слоя.Основнымспособомповерхностногоупрочнениявысоконагруженных зубчатых колес остается цементация. Поиски путейповышения качества и интенсификации упрочнения привели к разработкетехнологии и оборудования для ионной цементации и нитроцементации.Дальнейший поиск наиболее эффективных с экономической точкизрения способов цементации привел к внедрению цементации и, вменьшеймере, нитроцементации(вакуумнойцементацииив атмосферахнитроцементации),низкого давленияосуществляемыхбездополнительной интенсификации технологического процесса внешнимэлектрическим полем, поддерживающим в рабочей камере тлеющийразряд.Передовые процессы химико-термической обработки в 3-5 разинтенсифицируют диффузионное насыщение, ограничивая его 2-6 часамидля получения слоев 0,8-1,2 мм, повышают их качество (увеличиваютизносостойкость и контактную выносливость), значительно (на 80-90 %)снижают расход электроэнергии и технологических газов.

Эти процессы вполноймереотвечаюттребованияминтенсивной,гибкой,энергосберегающей и экологически чистой технологии поверхностногоупрочнения.Главноедостоинствопроцессовионнойцементацииинитроцементации состоит в том, что они формируют диффузионные слоивысокойнесущейспособности.Особеннопроцессыважныдля10высоконагруженных зубчатых колес, изготовляемых из комплекснолегированныхтеплостойкихсталей,втомчиследисперсионно-твердеющих. Вместе с тем потенциальные возможности этих процессов неустановлены, не определены границы их рационального применения понагрузочной способности зубчатых колес.Таким образом, на данный момент не существует обоснованныхрекомендаций, дающих возможность разграничить области примененияионно-плазменного азотирования, вакуумной и ионной цементации инитроцементации.Результаты решения поставленной задачи могут быть использованыво всех указанных выше областях машиностроения.Исследования, направленные на решение данной задачи, былиначаты в 1990-х годах по инициативе Научно-производственного центрагазотурбостроения "Салют" (в то время – ММПП "Салют"), руководствомкоторогобылавпервыеобозначенапрактическиобусловленнаянеобходимость на основе научных исследований разграничить областинаиболее целесообразного применения основных способов упрочнениявысоконагруженныхзубчатыхколесгазотурбинныхдвигателей–цементации (нитроцементации) и азотирования.В современном агрегатостроении нашли широкое применениекомплексно-легированные теплостойкие стали, которые применяются длятаких ответственных деталей, как шестерни газотурбинных двигателей,работающие в условиях высоких нагрузок и скоростей скольжения.

Привакуумной цементации, являющейся основным способом упрочнениятакихдеталей,работоспособностьихосновополагающие(контактнаясвойства,выносливость,определяющиеизносостойкость,сопротивление усталостному разрушению при изгибе и заеданию),определяются строением заэвтектоидной зоны слоя. На насыщеннойповерхностности деталей образуется развитая карбидная фаза сложного11состава (цементит и специальные карбиды сильных карбидообразующихэлементов).Образование карбидной (карбонитридной) фазы имеет двоякоезначение:а)карбиднаяфазаобеспечиваетспособности поверхностной зоны;повышениенесущейб) содержащийся в карбидной фазеуглерод при ее периодическом росте и растворении перераспределяется наглубину от поверхности детали и участвует в формировании протяженногодиффузионного слоя.

При этом образующиеся на поверхности плоскиекарбиды периодически растворяются, а в глубине слоя образуютсячастицы избыточной фазы глобулярной формы.Вакуумная цементация характеризуется многообразным сочетаниемуправляющих факторов и для нее не всегда удается подобрать наиболееоптимальныйварианттехнологическогорежима,обеспечивающийреализацию максимальных технологических возможностей, особенно дляупрочнения деталей из теплостойких сталей, к эксплуатационнымхарактеристикамкоторыхвзаимоисключающиепредъявляютсятребованияповысокие,аконтактнойиногдаивыносливости,усталостной прочности, износостойкости и т.п.В связи с этим исследование закономерностей формированиякарбидной фазы –важнейшей компоненты цементованных слоевтеплостойких сталей – является актуальной научной задачей.

Посколькувакуумные процессы цементации характеризуются чередованием стадийактивного насыщения углеродом и диффузионного выравнивания и,следовательно,описываютсясочетаниембольшогоколичестватехнологических факторов, то их экспериментальное изучение нерационально.Большиевозможностиоткрываетприменениематематического моделирования.При решении проблем обеспечения надежности и долговечностимашин важное место занимают вопросы повышения эксплуатационныххарактеристикзубчатыхколесипреждевсегоихконтактной12выносливости и выносливости зубьев при изгибе. Именно эти дваэксплуатационных свойства в соответствии с действующим стандартомлежат в основе проектирования зубчатых передач, определении ихгеометрических характеристик и, как следствие, их габаритов, массы иэксплуатационной надежности.Необходимость снижения массогабаритных показателей передач,составляющих значительную часть массы и габаритов современных машинтранспортных систем, вынуждает использование при расчетах невысокихкоэффициентов безопасности.

В результате зубчатые колеса многих машинявляютсявысоконапряженными,ававиационныхинекоторыхавтомобильных двигателях одновременно и высокооборотными.Использование новых сталей и новых упрочняющих технологийтребует уточнения, а в отдельных случаях, пересмотра методов расчетныхоценок эксплуатационных свойств зубчатых колес. Приходится учитыватьтот факт, что основы прочностных расчетов по контактной и циклическойпрочности были созданы в середине прошлого столетия. В настоящеевремя они не отражают возможные резервы повышения эксплуатационныхсвойств. Прочностные расчеты зубчатых передач выполняются поэмпирическим зависимостям без учета легирования стали, химического ифазового состава несущего слоя.Учитывая изложенное, была поставлена следующая цель работы:повышение эффективности разработки технологических процессов ХТОдляобеспечениятребуемогоуровняэксплуатационныхсвойстввысоконагруженных зубчатых колес на основе управления структуройдиффузионных слоев путем построения и применения физических иматематических моделей, а также оптимального выбора технологическихфакторов при вакуумной, ионной цементации (нитроцементации) и ионноплазменном азотировании.Для достижения указанной цели определены следующие задачиисследования:131.

Прогнозированиезначенийэксплуатационныхсвойстввысоконагруженных зубчатых колес на основе установления закономернойсвязимеждухарактеристикамидиффузионныхслоев,содержащихкарбидные и карбонитридные фазы различного состава и морфологии, исопротивлением контактному и изгибному усталостному разрушению, атакже абразивному и адгезионному изнашиванию, заеданию зубчатыхколес из теплостойких сталей.2. Разработка новых и корректировка существующих расчетныхмоделей, дающих возможность анализировать совокупность напряжений вразличных точках зубчатого зацепления, определять температурные иэнергетические характеристики в зоне контакта зубчатого зацепления дляоценки адгезионного взаимодействия, применительно к цементованным,нитроцементованным и азотированным слоям.3.

Разработка алгоритма оптимального выбора способа и вариантарежимахимико-термическойобработки,наосновеустановлениятребований, предъявляемых к насыщенности и структуре диффузионныхслоев.4. Установление граничных условий модели ХТО, отражающихвзаимодействие атмосфер низкого давления, в том числе активированныхвнешнимэлектрическимполем,снасыщаемойметаллическойповерхностью, определение характеристик массопереноса из рабочейатмосферы в обрабатываемую деталь атомов насыщающих элементов.5. Разработкафизическоймоделиформированияструктурыцементованных и нитроцементованных слоев теплостойких комплекснолегированных сталей на основе применения теории диффузии икинетической теории к анализу образования карбидных (карбонитридных)фаз сложного состава с учетом легирования сталей и физических условийпроцесса насыщения.6.

Разработка(нитроцементации),расчетнойдающеймоделивозможностьвакуумнойсвысокойцементациистепенью14достоверности прогнозировать распределение углерода (углерода и азота)по толщине диффузионного слоя в зависимости от технологическихфакторов и химического состава сталей.7.

Установлениеобластейпримененияцементации,нитроцементации и азотирования в целях упрочнения высоконагруженныхзубчатых колес, включая авиационные и автомобильные, на основеприменения обобщенной модели и разработка научно-обоснованныхрекомендаций по применению основных способов химико-термическойобработки в зависимости от геометрии зубчатого зацепления, а также егонагрузочно-скоростных характеристик.Достоверность полученных в работе результатов подтверждаетсяприменением современного оборудования, прошедшего сертификацию вустановленном порядке, а также использования апробированных методикэкспериментальныхисследованийииспытаний.Обоснованностьтеоретических расчетов и выводов по проведенным исследованиямподтверждаетсярезультатам,всоответствиемтомчисле,ихполученнымдругимиэкспериментальнымисследователями,атакжеобщепринятым научным представлениям, в частности, о закономерностяхдиффузионныхявленийимеханизмахразрушенияметаллическихматериалов.Научная новизна исследования заключается в следующем:1.

Выполнено уточнение расчетных соотношений теории Г. Нейбераи Т. Екобори, дающее возможность адекватно прогнозировать значенияпределаконтактнойиизгибнойусталостицементованныхслоевкомплексно-легированных сталей в зависимости от их фазового состава инасыщенности углеродом.2. Теоретическииэкспериментальноопределеназависимостьприоритетного механизма зарождения контактно-усталостных трещин вприповерхностной или подповерхностной зоне диффузионного слоя взависимости от нагрузочного и теплового режима работы передачи,15определяющего пиковые значения приведенных контактных напряжений.3.