Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 45

Номограммы для определения суммарного времени цементациии соотношения стадий цикла в зависимости от требуемых протяженностидиффузионного слоя и концентрации углерода на поверхности (рис. 5.27).5. Номограмма для определения суммарного времени цементациии соотношения стадий цикла в зависимости от требуемой протяженностиактивной карбидной зоны, содержащей наряду с тугоплавкими карбидамивольфрама, молибдена и хрома легированный преимущественно хромом имарганцем цементит (рис. 5.28).334Эффективная толщина слоя, мм1,80,250,21,60,151,40,050,0751,20,110,857,51012,51517,520Суммарное время процесса, часКонцентрация углерода на поверхности, % масс.а)30,250,150,22,50,120,0751,50,05157,51012,51517,520Суммарное время процесса, часб)Рисунок 5.27 – Номограммы для определения технологических фактороввакуумной цементации стали 16Х3НВФМБ-Ш (цифры у кривых - долястадий активного насыщения): а) выбор технологических факторов дляобеспечения требуемой hэфф; б) выбор технологических факторов дляобеспечения требуемой Спов335Протяженность активной карбидной зоны, мм0,450,50,40,350,40,30,30,250,20,20,10,150,157,51012,51517,520Суммарное время процесса, часРисунок 5.28 – Номограмма для определения технологических факторов вакуумнойцементации стали 16Х3НВФМБ-Ш, обеспечивающих заданную протяженностьактивной карбидной зоны (цифры у кривых - доля стадий активного насыщения)При помощи номограмм 1-5 разработали технологические режимывакуумной цементации:а) зубчатой передачи № 1, работающей в условиях эластогидродинамического смазывания, обеспечивающий контактную выносливостьне ниже 1800 МПа и изгибную выносливость не ниже 950 МПа при модулепередачи, равном 4 мм;б) высокоскоростной зубчатой передачи № 2, обеспечивающийсопротивление заеданию при значениях максимального нормальногонапряжения на площадке контакта 1500 МПа, и скорости скольжения 50м/с при протяженности активной карбидной зоны не менее 0,30 мм (послеснятия припусков обеспечивается протяженность зоны, упрочненнойтугоплавкими карбидами и легированным цементитом, равная 0,10-0,15мм), модуль передачи  3,5 мм.336Для зубчатой передачи № 1 по номограммам 2 определилитребования к диффузионному слою по изгибной выносливости: 1,12 мм≤ hэфф ≤ 1,52 мм; 1,0 % ≤ Спов ≤ 1,4 %.

По номограммам 1 установилитребования по контактной выносливости: hэфф ≥ 1,30 мм; Спов ≥ 1,35 %.Такимобразом,необходимообеспечитьследующиепараметрыдиффузионного слоя 1,30 мм ≤ hэфф ≤ 1,55 мм и Спов = 1,35-1,40 % (доснятия припусков на шлифование). По номограммам 4 определили общуюпродолжительность процесса, равную 12 часам; соотношение стадийактивного насыщения и пассивного диффузионного выравнивания  1:9;число циклов  36 по 20 мин.Для зубчатой передачи № 2 по номограмме 3 определили требуемуютвердость поверхности, равную не менее 760 HV, что соответствуетсодержанию углерода на поверхности 1,6 % (после снятия припуска нашлифование). По номограмме 5 установили продолжительность процесса,равную 10 час при соотношении стадий активного насыщения ипассивного диффузионного выравнивания  1:4; число циклов  40 по 15мин.

Общая протяженность диффузионного слоя по номограмме 4составила до снятия припуска на шлифование 1,4 мм, что соответствуеттребованиямпообеспечениюдостаточнойпротяженностивязкойсердцевины: 1,0 мм ≤ hэфф ≤ 1,4 мм (номограмма 2).5.6 Выводы по главе1. Разработанные расчетные методы разработки технологии химикотермической обработки применены в целях оптимального выбора способахимико-термической обработки хромоникелевых сталей для зубчатыхколесдорожно-строительнойтехники.Показанаболеевысокаяэффективность вакуумной цементации по сравнению с азотированием для337данноговидадеталейпотехнологическимиэкономическимсоображениям.2.

По результатам проведенных расчетов определены областинаиболее целесообразного применения цементации и азотирования взависимости от геометрии зубчатых колес из теплостойких сталей дляавиационных передач с учетом нагрузочных характеристик зубчатыхпередач.3. На основе применения расчетной методики разработаны вариантытехнологических режимов вакуумной цементации зубчатых колес изтеплостойких сталей для обеспечения максимальной контактной иизгибной выносливости.4.

Разработаны общие рекомендации по достижению максимальныхзначений основных эксплуатационных свойств путем оптимизациихарактеристик диффузионных слоев теплостойких сталей.5. На основе применения математического моделирования проведенанализ технологических режимов вакуумной нитроцементации сталидисперсионно-твердеющей стали ВКС-10. Предложены варианты режимовВНЦ,обеспечивающиемаксимальнуюконтактнуюиизгибнуювыносливость.6. Показана целесообразность применения особо теплостойкой сталиВКС-10 в целях обеспечения максимального сопротивления схватываниювместо теплостойких сталей типа ВКС-5.7.

Выделены два подкласса теплостойких сталей, применяемых ввысоконагруженных зубчатых передачах, на основе различных механизмеупрочнения и уровне теплостойкости. Проанализированы перспективыразвитиясистемытрадиционношироколегированияприменяемыхобычныхвтеплостойкихотечественномсталей,авиационномагрегатостроении, и предложены научно-обоснованные рекомендации поее совершенствованию.3388.

НаосновепримененияприкладныхпрограммдляЭВМразработали номограммы для определения технологических фактороввакуумнойцементациистали16Х3НВФМБ-Шпопериодическомуварианту режима, отражающие зависимости эксплуатационных свойствповерхностно-упрочненных зубчатых колес от параметров диффузионныхслоев, а также параметров слоев от факторов технологического режима.9. Припомощиномограммразработаливариантырежимоввакуумной цементации зубчатых передач: № 1, работоспособностькоторой определяется контактной и изгибной выносливостью; № 2,работоспособностькоторойпреимущественноопределяетсясопротивлением адгезионному и абразивному изнашиванию, а такжезаеданию при допустимой эффективной протяженности слоя.339ЗАКЛЮЧЕНИЕРазработана методология оптимального выбора технологий химикотермической обработки, обеспечивающей повышение эффективностипроектированиятехнологическихпроцессовхимико-термическойобработки высоконагруженных зубчатых колес путем математическогомоделирования напряженного состояния и процессов цементации инитроцементации.

Таким образом, решена научная проблема, имеющаяважное хозяйственное (промышленное) значение, а также изложены новыенаучно обоснованные технологические и технические решения, внедрениекоторыхвноситзначительныйвкладвразвитиеотечественногомашиностроения, а именно:1. Взамен параметрических эмпирических выражений разработаныточные расчетные методы прогнозирования пределов контактной (нарабочей поверхности) и изгибной (у основания зуба) выносливостидиффузионных слоев комплексно-легированных сталей, упрочненныхцементацией и нитроцементацией, в зависимости от фазового ихимического состава насыщенных слоев, размеров частиц карбонитридныхфаз и зерен мартенситной матрицы в комплексно-легированных сталях наоснове уточнения выражения, вытекающего из дислокационной теорииусталости Т.

Екобори и теории концентрации напряжений Г. Нейбера.Впервые теоретически обоснована нелинейная зависимость способностидиффузионных слоев теплостойких сталей сопротивляться циклическимизгибным и контактным нагрузкам от насыщенности и фазового составаупрочненного слоя.2. Разработанновыйэкспериментально-подтвержденныйметодпрогнозирования вероятности возникновения схватывания и заеданиясопряженных поверхностей упрочненных различными способами ХТОзубчатых колес на основе учета характеристик диффузионных слоев путемчисленного решения тепловой задачи в зубчатом зацеплении и применения340энергетическогоподходакоценкеинтенсивностиадгезионноговзаимодействия.

Определена зависимость износостойкости в абразивныхсредах от насыщенности упрочненных цементацией и нитроцементациейдиффузионных слоев комплексно-легированных теплостойких сталей.3. На основе расчетов распределения напряжений в области контактас учетом коэффициента трения установлена зависимость места зарожденияконтактно-усталостныхтрещин:вподповерхностнойзонеприэластогидро-динамическом трении или в приповерхностной зоне присухом трении.4. Разработаны адекватные математические модели вакуумной иионно-плазменной цементации и нитроцементации зубчатых колес изхромоникелевых сталей на основе численного решения диффузионныхзадач в граничных условиях, определенных на основе экспериментальныхитеоретическихисследований.Впервыеустановленадостовернаязависимость углеродного потенциала при вакуумной цементации оттемпературыпроцесса.Наосноверезультатовэкспериментальныхисследований ионизированной газовой атмосферы и термодинамическихрасчетовопределенанасыщаемойведущаястальнойреакцияповерхности,разложенияацетиленаопределяющаянамеханизмдиффузионного насыщения углеродом.5.

Впервые разработана физическая модель вакуумной цементации инитроцементации комплексно-легированных теплостойких сталей наоснове экспериментальных и теоретических исследований карбидной(карбонитридной)фазысложногосостава,включающейвсебялегированный цементит и частицы тугоплавких карбидов (карбонитридов)сильных карбидообразующих элементов, образующихся на поверхностиобрабатываемого металла, на границах зерен аустенита и дислокационныхкластерах с учетом образования сегрегаций углерода и хрома на дефектахкристаллического строения при влиянии других легирующих элементов(преимущественно никеля) и температуры процесса. Установлен механизм341влияния легирования стали хромом на формирование активной карбиднойзоны, основанный на взаимном влиянии градиентов диффузии хрома инасыщающих элементов.6. Наосновекинетическихрасчетовиэкспериментальныхисследований образующихся в насыщенных слоях теплостойких сталейфаз вскрыты закономерности влияния хрома и других легирующихэлементов, а также технологических факторов науглероживания напроцесс формирования диффузионных слоев, содержащих развитуюкарбидную (карбонитридную) фазу, в том числе на зарождение,диффузионный рост и частичное растворение частиц легированногоцементита и карбидов сильных карбидообразующих элементов и, какследствие, на их размеры, распределение и морфологию.