Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 43

В результате расчета установлено, что максимальныеприведенные контактные напряжения находятся на расстоянии h0 = 0,28мм от поверхности и составляют 1450 МПа.Путем многократного решения диффузионной задачи (4.1) вграничныхусловиях(4.2),отражающихчередованиеактивныхипассивных стадий, разработали периодический режим № 1 вакуумнойцементации (таблица 5.1), способствующий получению диффузионногослоя (рисунок 5.16а), насыщенность которого углеродом обеспечиваетнеобходимоераспределениепрочностныххарактеристикненижерасчетных приведенных контактных напряжений (см. рисунок 5.15) приэффективной толщине слоя 1,35 мм (с учетом припуска на шлифование).314Рисунок 5.15 – Расчетные нормальные (сплошные тонкие), касательные(пунктирные) и приведенные контактные напряжения в поверхностнойобласти зубчатого колеса при заданной нагрузке и приведенном радиусекривизны зубьев (h0 – расстояние от поверхности, соответствующеемаксимальным приведенным контактным напряжениям)Совокупность технологических факторов, при которых достигаютсязаданные параметры диффузионных слоев, обеспечивающие заданныезначения предела выносливости при изгибе устанавливали, изменяяисходные данные для расчета.

Многократное решение системы уравнений(4.1) дал возможность установить совокупность технологических фактороврежима вакуумной цементации № 2 (см. таблицу 5.1), обеспечивающеготребуемую концентрацию углерода на поверхности и протяженностьдиффузионного слоя 0,80 мм (рисунок 5.16б).315Таблица 5.1 – Разработанныетехнологическиережимывакуумнойцементации стали ВКС-7 [348]ЭкспериментальныеТемператураРежимвакуумнойцементации, °СВременнаясхема процессаКонтролируемоезначенияэксплуатационноеконтролируемогосвойствоэксплуатационногосвойстваПредел194030(1,5 мин +контактной+ 28,5 мин)выносливости не1700-1765 МПаниже 1680 МПаПредел294012(1,0 мин +выносливости+ 29,0 мин)при изгибе не860-940 МПаниже 850 МПаПо разработанным режимам вакуумной цементации проведенонасыщение стандартных образцов из стали ВКС-7 (см.

рис. 1.10 и 1.13) дляиспытанийводнокамернойвакуумнойпечи10.0VPT-4022/24N(рисунок 5.15) производства фирмы «SECO/WARWICK S.A» (Польша)(рис. 5.17). Проведены испытания образцов на сопротивление контактнойусталости и на сопротивление усталостипри изгибе по стандартнымметодикам.Экспериментальные испытания образцов, насыщенных по режимам№ 1 и № 2 на сопротивление контактной усталости и сопротивлениеусталости при изгибе, показали возможность достижения установленныхтребований к эксплуатационным свойствам (см.

таблицу 5.1).Такимобразом,проектированиятеплостойкихпоказанарежимовсталейэффективностьвакуумнойпутеманализарасчетныхцементациизубчатыхнапряженногометодовколессостояниявповерхностной области и оптимального выбора технологических факторов316на основе применения математической модели данного процесса химикотермической обработки.а)б)Рисунок 5.16 – Микроструктура диффузионных слоев зубчатых колес изстали ВКС-7, подвергнутых вакуумной цементации по режимам № 1 (а) и№ 2 (б) (см. таблицу 5.1), ×2005.4 Общие рекомендации по обеспечению максимальных значенийосновных эксплуатационных свойств зубчатых колес из теплостойкихсталейПорезультатампроведенныхрасчетов,подтвержденныхэкспериментально, установлены закономерности влияния характеристикцементованных(нитроцементованных)слоевэксплуатационные свойства зубчатых колес (таблица 5.2).наосновные317а)б)Рисунок 5.17 – Однокамернаявакуумнаяпечь10.0VPT-4022/24Nпроизводства "SECO/WARWICK S.A." (Польша) с возможностью закалкив потоке инертного газа (аргона): а) внешний вид; б) вид рабочей камеры входе загрузки [133]318Таблица 5.2 – Требованиякхарактеристикамцементованных(нитроцементованных) слоев на теплостойких сталях, определяющиедостижение максимальных значений основных эксплуатационных свойств№п/пОсновные эксплуатационныесвойстваТребования к характеристикам диффузионныхслоев1.Сопротивление абразивномуи адгезионному изнашиванию(заеданию)Повышение объемной доли карбонитриднойфазы на поверхностиКонтактная выносливостьПротяженные диффузионные слои соптимальной объемной долеймелкодисперсной карбонитридной фазы вобласти максимальных приведенныхконтактных напряженийСопротивление циклическимнагрузкам при изгибеДиффузионные слои ограниченнойпротяженности с мелкодисперснойкарбонитридной фазой в приповерхностнойзоне2.3.Наразработаносноверядприменениявариантоврасчетныхметодовтехнологическихпроектированиярежимоввакуумнойцементации и нитроцементации для зубчатых передач, характеризующихсяразличными сочетаниями приоритетных эксплуатационных свойств.Микроструктурыповерхностныхслоевсущественноотличаютсявзависимости от объемной доли карбидной (карбонитридной) фазы (Vc) иконцентрации насыщающих элементов (углерода либо углерода и азота)(Cs) на поверхности (рисунок 5.18).319а)б)в)г)Рисунок 5.18 – Микроструктурыцементованных(аиб)инитроцементованных (в и г) слоев авиационных зубчатых колес из сталиВКС-5 (а и б) и стали ВКС-10 (в и г), обработанных для обеспечения: а)максимальной износостойкости и сопротивления заеданию; б) умеренныхзначенийизносостойкости,сопротивленияадгезионномуизносуиконтактной выносливости; в) максимальной контактной выносливости;г) повышенного сопротивления усталостному разрушению зубьев приизгибе [133]При помощи разработанной в п.

4.5 настоящей работы моделивакуумной нитроцементации выполнили анализ режимов в целяхобеспечения оптимальных характеристик диффузионных слоев на сталиВКС-10 [269].320В целях изучения влияния частоты циклирования на характеристикидиффузионного слоя провели расчет концентрационных кривых углерода иазота, соответствующих следующим вариантам режимов ВНЦ, прикоторых температура, равная 880 °С, общая длительность процесса, атакжесоотношениепродолжительностейстадийнасыщенияидиффузионного выравнивания сохранялись постоянными:№ 1.1 – 6 циклов  (2 мин + 28 мин) + 7 циклов  (3 мин + 57 мин);№ 1.2 – 12 циклов  (1 мин + 14 мин) + 14 циклов  (1,5 мин + 28,5 мин);№ 1.3 – 3 цикла  (4 мин + 56 мин) + 4 цикла  (5,5 мин + 100 мин).Установлено, что увеличение количества циклов приводит кповышению насыщенности углеродом в приповерхностной области(рисунок 5.19).

Соответственно, уменьшение количества циклов – кснижению концентрации углерода вблизи поверхности. Эффективнаятолщина слоя, при этом, не изменяется. В этой связи, посколькусопротивление контактной усталости преимущественно обусловленонасыщенностью приповерхностной зоны диффузионного слоя, то принеобходимости повышения контактной выносливости зубчатых колес припостоянном модуле и, следовательно, толщине нитроцементованного слояцелесообразноувеличиватьколичествоцикловпритойжепродолжительности процесса.Наконцентрационныекривыеазотаизменениеувеличениеколичества циклов при равной суммарной продолжительности каждой изстадий (частоты циклирования) оказывает незначительное влияние. Этообусловлено тем, что азотосодержащий газ подается в камеру постоянно,как на стадии насыщения, так и на диффузионной стадии цикла.321Рисунок 5.19 – Влияние частоты циклирования на концентрационныекривые углерода (1, 2, 3) и азота (1’, 2’, 3’) при вариантах режимов ВНЦ:1 и 1’ – режим № 1.1; 2 и 2’ – режим № 1.2; 3 и 3’ – режим № 1.3 [269]В целях изучения влияния общей продолжительности процесса,которую изменяли путем пропорционального увеличения или уменьшенияколичества циклов при постоянной температуре, равной 880 °С, такжесоотношении продолжительностей стадий насыщения и диффузионноговыравнивания расчетным способом анализировались следующие режимы:- № 2.1 – 6 циклов  (2 мин + 28 мин) + 7 циклов  (3 мин + 57 мин);- № 2.2 – 3 цикла  (2 мин + 28 мин) + 4 цикла  (2,5 мин + 50 мин);- № 2.3 – 12 циклов  (2 мин + 28 мин) + 14 циклов  (2,5 мин + 57 мин).Установлено, что увеличение продолжительности процесса ВНЦприводит к повышению насыщенности уголеродом и азотом на всем322протяжении слоя, а уменьшение – к снижению (рисунок 5.20).

Также сувеличениемобщейпродолжительностипроцессавозрастаетиэффективная толщина слоя, при этом зависимость эффективной толщиныhэфф от общей продолжительности процесса  близка к известномусоотношению:hэфф  A   ,(5.2)где A – некоторый коэффициент, зависящий от скорости диффузии.Рисунок 5.20 – Влияниепродолжительностипроцессанаконцентрационные кривые углерода (1, 2, 3) и азота (1’, 2’, 3’) привариантах режимов ВНЦ: 1 и 1’ – режим № 2.1; 2 и 2’ – режим № 2.2; 3 и3’ – режим № 2.3 [269]323Наоснованииполученныхрезультатованализавлияниятехнологических факторов на характеристики диффузионных слоеврекомендоваликпромышленномуприменениюследующиетехнологические режимы вакуумной нитроцементации зубчатых колес изстали ВКС-10 (при температуре 880 °С и постоянном расходе ацетилена):- № 3.1 – 6 циклов  (4 мин + 26 мин) + 60 циклов  (1 мин + 14 мин),эффективная толщина слоя (до снятия припуска на зубошлифование) равна1,25 мм, протяженность карбонитридной зоны 0,40 мм, обеспечиваетмаксимальнуюконтактнуювыносливость(микроструктуранарисунке 5.21);- № 3.2 – 6 циклов  (2 мин + 28 мин) + 14 циклов  (1 мин + 29 мин),эффективная толщина слоя (до снятия припуска на зубошлифование) равна0,80 мм, протяженность карбонитридной зоны 0,20 мм, обеспечиваетмаксимальнуювыносливостьприизгибе(микроструктуранарисунке 5.22).В п.

5.3 приведены примеры оптимизированных режимов вакуумнойцементации зубчатых колес из теплостойких сталей ВКС-5 и ВКС-7,упрочняемых по обычной схеме полной термической и химикотермической обработки (см. рисунок 1.20). Аналогичным образомосуществляетсяупрочнениехарактеризующейсятеплостойкойаналогичнойсистемойстали20Х3МВФ-Ш,легирования,чтоивышеуказанные.Существенно большие возможности, как показано выше, открываетприменениедисперсионно-твердеющаясталь13Х3Н3M2ВФБ-Ш(ВКС-10). Полная упрочняющая обработка данной стали включает вместотрадиционныхцементации(нитроцементации),закалки,обработкихолодом и низкого отпуска, применяющихся для обычных теплостойкихсталей20Х3МВФ-Ш,16Х3НВФМБ-Шидругих,цементацию(нитроцементацию), закалку с температуры 1010 °С, обработку холодом и324трехкратный отпуск.

При этом упрочнение на вторичную твердостьобеспечивается за счет выделения частиц карбидов и карбонитридов в ходетрехкратного отпуска. Изменение схемы общей термической обработкипотребовало внедрения апериодических режимов подачи ацетилена в ходецементации (нитроцементации).