Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 5

Какпоказывает практика, данное обстоятельство вызовет необходимостьприменения соответствующих конструктивных решений: передач свысоким коэффициентом перекрытия (свыше 2,0), шевронных колес, атакже несимметричных зубьев [6, 7].В связи с этим, новые авиационные зубчатые передачи будутработать в условиях еще больших температур, что потребует примененияновых марок сталей, с более совершенной системой легирования, присоответствующейоптимизациирежимовповерхностнойхимико-термической обработки.По данным В.М. Акимова на приводы приходится до 10 % всехотказовавиационныхгазотурбинныхдвигателей,приэтомдляредукторных ГТД (турбовинтовых и турбовальных двигателей, а также,соответственно, для силовых агрегатов наземного и водного транспорта)доля таких отказов возрастает до 30 % [8].301.2 Марки сталей, применяемые для высоконагруженных зубчатых колесВ различных отраслях транспортного машиностроения для зубчатыхколес применяются стали, характеризующиеся различным содержаниемлегирующих элементов (таблица 1.2).

Содержание примесей в сталях,указанныхвтаблице1.2,соответствуетсоответствующемугосударственному стандарту.Химический состав стали должен обеспечить высокую прочностьсердцевины, исключающую продавливание упрочненного поверхностногослоя [2]. Кроме того, необходимо исключить образование большогоколичества остаточного аустенита в слое, упрочненном цементацией.В автотранспортном машиностроении, как правило, применяютсядешевые стали с достаточно простой схемой легирования, такие как18ХГТ, 25ХГТ и им подобные [9].

Типовой упрочняющей обработкой дляданных сталей является цементация или нитроцементация с последующейзакалкой.Их заменяют более дорогостоящие хромоникелевые стали сповышенными механическими свойствами после комплексной обработки,сочетающиеповышеннуюпрокаливаемостьибольшуютвердостьсердцевины, типичным примером которых является сталь 20ХН3А [10], ккоторым также применяется цементация и нитроцементация.Еще большие возможности предоставляют такие стали, какцементуемые стали типа 20ХН2МА и 20Х2Н4А с несколько болееоптимизированнымсодержаниемлегирующихэлементов,атакжеазотируемые стали типа 38Х2МЮА или не содержащие алюминий сталитипа40ХН2МА,сердцевины [13-17].характеризующиесяболеевысокимисвойствами31Таблица 1.2–Химическийсоставнаиболеераспространенныхотечественных сталей для высоконагруженных зубчатых колес [1, 11, 12]СтальC, %Si, %Mn, %Ni, %Cr, %Mo, %V,%Прочее, %Экономно-легированные цементуемые стали18ХГТ25ХГТ0,17-0,17-0,80-0,230,371,100,22-0,17-0,80-0,290,371,10≤0,30≤0,301,001,301,001,300,03-0,09 Ti;––––––≤0,30 Cu––≤0,30 Cu––≤0,30 Cu––≤0,30 Cu–≤0,30 Cu–≤0,30 Cu≤0,30 Cu0,03-0,09 Ti;≤0,30 CuХромоникелевые цементуемые стали12ХН3А12Х2Н4А20ХН3А20Х2Н4А0,09-0,17-0,30-2,75-0,60-0,160,370,603,150,900,09-0,17-0,30-3,25-1,25-0,150,370,603,651,650,17-0,17-0,30-2,75-0,60-0,240,370,603,150,900,16-0,17-0,30-3,25-1,25-0,220,370,603,651,65Хромоникельмолибденовые цементуемые стали18Х2Н4МА20ХН2МА0,14-0,17-0,25-4,00-1,35-0,30-0,200,370,554,401,650,400,15-0,17-0,40-1,60-0,40-0,20-0,220,370,702,000,600,30Азотируемые стали38ХН3МФА38Х2МЮА40ХН2МА0,33-0,17-0,25-3,00-1,20-0,35-0,10-0,400,370,303,501,500,450,180,35-0,20-0,30-1,35-0,15-0,420,450,601,650,250,37-0,17-0,50-1,25-0,60-0,15-0,440,370,801,650,900,25≤0,30–≤0,30 Cu0,70-1,10 Al;≤0,30 Cu–≤0,30 Cu0,18-1,00-1,40 W;0,28≤0,25 CuКомплексно-легированные теплостойкие стали0,09-0,17-0,30-0,80-1,90-0,160,370,701,202,4016Х2Н3МФБАЮ-0,14-0,17-0,25-2,70-1,80-0,40-0,10-Ш0,190,370,603,002,200,600,200,14-0,60-0,25-1,00-2,60-0,40-0,35-1,00-1,40 W;0,190,800,601,503,000,600,55≤0,20 Nb0,15-0,17-0,25-2,80-0,35-0,60-0,30-0,50 W;0,230,400,603,300,550,85≤0,25 Cu12Х2НВФА16Х3НВФМБ-Ш20Х3МВФ-Ш≤0,50–≤0,25 W;≤0,07 Al;≤0,03 N32Стали типа 20Х2Н4А и 20ХН3МА особенно рекомендуются длякрупномодульных зубчатых колес редукторов тяжелых машин (вчастности,вконечныхпередачахавтомобилейособобольшойгрузоподъемности БелАЗ и тягачей), применяемых, в том числе, вдорожномстроительстве,сельскомхозяйстве(энергонасыщенныетрактора), лесном хозяйстве, железнодорожном транспорте, горнойпромышленности [10, 15, 18-20], а также в прочей технике специальногоназначения.

Для шестерен, в применяемых в указанных машинах, наиболеехарактерныследующиевидыразрушения,такиекакусталостноевыкрашивание (питтинг) и абразивное изнашивание поверхностей зубьев,а также усталостное разрушение зубьев при изгибе [9, 13].Все выше названные стали насыщаются углеродом до концентрацийна поверхности не более 0,8-1,0 %, то есть без образования развитойкарбидной фазы. Иначе недостаточное количество хрома и избыток никеляприводит к неблагоприятной морфологии карбидных частиц цементитноготипа в виде сплошной или разорванной сетки значительной толщины,крайнеотрицательносказывающейсянаусталостныхсвойствахдиффузионных слоев [2, 13].Основнымиобеспечиватьнаэксплуатационнымитребуемомуровнесвойствами,которыецементованныемогутслоинахромоникелевых сталях являются: изгибная выносливость, в меньшей мереконтактная выносливость и сопротивление изнашиванию.Основнымиобеспечиватьнаэксплуатационнымитребуемомуровнесвойствами,которыецементованныемогутслоинахромоникелевых сталях являются: изгибная выносливость, в меньшей мереконтактная выносливость и сопротивление изнашиванию.В зубчатых передачах, применяемых в судостроении, используютсятакие марки сталей, как цементуемые 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН3А,18Х2Н4МА и др.

[21], и азотируемые 38ХН3МФА, 38Х3М1Ф1А и др. [22].При этом, достаточно тонкие азотированные слои применяются для33зубчатых колес с модулем порядка 15 мм (детали главного судовогоредуктора, рисунок 1.5).Присвойствамэтом,основнымизубчатыхколестребованиямивпосудостроенииэксплуатационнымявляютсявысокоесопротивление усталости и коррозионной выносливости [22], посколькувозможно воздействие на них таких агрессивных сред, как морская соль[23].

Допустимый уровень предела текучести принят на не очень высокомуровне (360-600 МПа). В то же время, указанные прочностные свойствадолжны сохраняться и в сердцевине детали. Последнее требование,очевидно, обусловило необходимость применения стали 38Х3М1Ф1А сповышенным содержанием карбидообразующих (нитридообразующих)легирующихэлементов,характеризующейсявысокойнесущейспособностью даже без химико-термической обработки.Рисунок 1.5 – Зубчатое колесо главного судового редуктора диаметром1200 мм [22]34В работе [24] для судовых зубчатых колес также рекомендованаазотированная сталь 16Х2Н3МФБАЮ-Ш (ВКС-7).

Данная сталь относитсякклассу теплостойкихсталей, разработанных первоначальнокакцементуемые для зубчатых колес авиационных агрегатов, высокая несущаяспособность диффузионных слоев на которой обеспечивается, в основном,за счет развитой карбидной (карбонитридной) фазы. Следует отметить, чтоданная сталь характеризуется сравнительно малой теплостойкостью (впределах 250 °С), вместе с тем к ее достоинствам относится высокаяпрокаливаемость и наибольшая твердость сердцевины среди теплостойкихсталей.Повышенное содержание никеля в стали ВКС-7 обеспечивает болееравномерное распределение частиц нитридов размером 3-8 нм. Вместе стем автор отмечает сравнительно низкую контактную выносливостьазотированных слоев.

Этот недостаток частично устраняется путемувеличения содержания никеля в стали и предварительной термическойобработкой, направленной на измельчение зерна аустенита до закалки.Еще более высокие требования предъявляются к зубчатым колесам,применяемым в авиационном агрегатостроении, где особые требованияпредъявляются к массе деталей, что обусловливает необходимостьуменьшения их габаритов за счет снижения модулей передач, следствиемчегоявляетсянеобходимостьповышениянесущейспособностиприменяемых материалов.По данным [25] масса трансмиссии вертолета составляет в среднем10 % его массы, а масса главного редуктора – до 75 % от массытрансмиссии.

В этой связи в целях снижения габаритов рекомендованоприменение цементованной стали 20Х2Н4А.Вместе с тем, указанная сталь в связи с ужесточением режимовработы современных зубчатых передач вертолетов, как и другиехромоникелевыестали,внастоящеевремянеудовлетворяетпредъявляемым требованиям. Так, согласно [1], аналогичная сталь3512Х2Н4А находит лишь ограниченное применение в зубчатых передачахвертолетов за счет высоких значений сопротивления хрупкому иусталостномуразрушению,обусловленныхсочетаниемвысокойпрокаливаемости, прочности и вязкости сердцевины. Ее недостаткомявляется низкая теплостойкость (в пределах 170 °С), исключающаявозможность применения в высокоскоростных передачах.Бóльшиевозможностипредоставляетсталь,специальноразработанная для зубчатых колес редукторов и трансмиссии вертолетов вкачестве цементуемой – 16Х2Н3МФБАЮ-Ш (ВКС-7), отмеченная выше[1].В последнее время также значительно возросли требования кнагрузочно-скоростным характеристикам зубчатых колес газотурбинныхдвигателей [1].

Это, в частности, обусловлено необходимостью снижениясоотношения массы двигателя к его тяге. Так, если в ГТД четвертогопоколения (рисунок 1.6), разработанном в 1970-1975 г.г., это соотношениеравнялось 1:8, то в двигателе пятого поколения (1985-2000 г.г.) – уже 1:10,а в перспективной силовой установке шестого поколения – 1:20 [26].При этом масса коробок зубчатых передач составляет примерно 20 %массы всего газотурбинного двигателя четвертого поколения [27].Учитывая изложенное, в зубчатых передачах ГТД четвертогопоколенияиспользуютзубчатыеколесаизсталей12Х2НВФА,20Х3МВФ-Ш и 16Х3НВФМБ-Ш (ВКС-5) теплостойкостью 250, 300 и350 °С, соответственно [1]. Указанные стали подвергают цементации илинитроцементации,а16Х3НВФМБ-Ши20Х3МВФ-Ш–такжеазотированию [1, 28]. Следует отметить, что сталь 16Х3НВФМБ-Ш слаборазупрочняется при длительном нагреве вплоть до 500 °С, что делает еепригодной для комбинированной обработки, включающей цементацию иазотирование.36а)б)Рисунок 1.6–Авиационныегазотурбинныедвигателичетвертогопоколения: а) АЛ-31ФМ1 [29]; б) Д-30КУ [30]Введение в сталь ВКС-5 и ряд других отечественных и зарубежныхвысокопрочных сталей небольшого количества ниобия связано сосвойством выделений NbC и NbN задерживать рост зерна аустенита [31,32].

Вообще добавки ниобия даже порядка 0,03 % приводят к заметномуросту значений предела текучести и, соответственно, других прочностныхсвойств.37ДлязубчатыхприменениюособопередачсовременныхтеплостойкаяГТДрекомендованадисперсионно-твердеющаяксталь13Х3Н3М2ВФБ-Ш (ВКС-10, таблица 1.3) теплостойкостью до 550 °С,которая применяется после цементации или нитроцементации [26, 33].Таблица 1.3 – Химический состав теплостойкойтвердеющей стали 13Х3Н3М2ВФБ-Ш (ВКС-10) [33]дисперсионно-Концентрация легирующих элементов и примесей, %CCrNiMoMnWSiVNbAlSP0,100,153,003,402,703,001,902,300,300,600,200,500,170,370,050,150,050,150,040,0150,015Данная сталь была разработана на основе другой теплостойкойдисперсионно-твердеющей стали 13Х3НВМ2Ф-Ш (ВКС-4; химическийсостав: 0,10-0,15 % C, 0,4-0,8 % Si, 2,7-3,2 % Cr, 0,8-1,2 % Ni, 0,6-0,9 % W,1,6-2,1 % Mo, 0,15-0,30 % V, ≤ 0,05 % Ce) [1].

Небольшие добавки такихактивных элементов как церий группы лантаноидов, способствуютобразованию окалины и улучшают стойкость к окислению сплавов наоснове металлов группы железа и хрома, в связи с чем широкоприменяются в жаропрочных сплавах [23]. Несмотря на высокуютеплостойкость (свыше 500 °С) ВКС-4 в настоящее время не находитприменения,(43-45HRC),такчтокакобладаетзатрудняетвысокойтвердостьюмеханическуюсердцевиныобработку,атакжехарактеризуется недостаточной контактной выносливостью (заметноуступая 16Х3НВФМБ-Ш и 20Х3МВФ-Ш) ввиду ограничения допустимойнасыщенности углеродом поверхности (не более 0,9-1,0 %) [1].Анализ зарубежных марок сталей, применяемых в аэрокосмическойотрасли США для зубчатых колес, выявил следующие тенденции.