Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 6

Какправило, применяются комплексно-легированные стали, обеспечивающие38теплостойкость начиная от 150 °С и вплоть до 430 °С и выше, которыетакже зачастую используются в качестве материала для подшипниковкачения. Такие стали подразделяются на цементуемые (AISI 8620; AISI9310; CBS-50 Nil и ряд других) и азотируемые (Nitralloy N; Super Nitralloy).К AISI 8620 применяется наряду с цементацией также азотирование.Химический состав большинства названных сталей, а также ряда другихуказан в таблице 1.4. Super Nitralloy имеет следующий химический состав:0,24 % C, 0,22 % Si, 0,58 % Cr, 5,16 % Ni, 2,16 % Al [34].

После цементациии азотирования данные материалы характеризуются высокой контактнойвыносливостью и износостойкостью [35, 36].Хромоникелевые цементуемые стали AISI 8620 и AISI 9310характеризуются относительно низкой теплостойкостью – не более 150 °С.Для более высоких температур рекомендуется содержащая относительнобольшое количество молибдена и ванадия сталь CBS-50 Nil (предельнаятеплостойкость 320 °С), которая также подвергается цементации [37, 38].Таблица 1.4 – Химический состав некоторых зарубежных сталей длявысоконагруженнных зубчатых колес [38]СтальC, % Si, %Mn, %Ni, %Cr, %Mo, %V,%Прочее, %AISI 86200,200,250,800,550,500,20––AISI 93100,100,250,503,251,200,12––CBS-50 Nil0,130,200,253,404,104,251,20–CSS-2330,140,900,30–5,001,400,451,35 WCSS-42L0,120,150,152,0014,004,750,6012,50 Co,0,02 NbNitralloy N0,240,300,603,501,150,25–1,25 AlДля эксплуатации при более высоких температурах рекомендуетсяприменятьпослеповерхностногонауглероживаниясталиCSS-233(теплостойкость до 430 °С) и CSS-42L (теплостойкость свыше 430 °С,39более конкретные данные производителем и разработчиком не указаны)[38].Таким образом, наиболее близким аналогом наиболее широкоприменяемых в высоконагруженных авиационных зубчатых передачахроссийских теплостойких сталей является сталь CSS-233, несколькопревосходящаяпоконцентрациикарбидообразующихлегирующихэлементов и, соответственно, теплостойкости сталь 16Х3НВФМБ-Ш.Следующим этапом развития системы американских теплостойкихмарок сталей явилась разработка стали CSS-42L [38].

По своемухимическому составу (см. таблицу 1.4) она приближается к жаропрочнымсплавам. При длительном нагреве (в течение 100-500 часов) притемпературе 430 °C данной стали, подвергнутой вакуумной цементации изакалке, разупрочнения не происходит, напротив отмечается небольшойрост толщины упрочненного слоя, что указывает на вероятное дальнейшееразвитие на большую глубину эффекта дисперсионного твердения приотпуске (таким образом, указанная сталь по природе упрочнения являетсяподобно стали ВКС-10 дисперсионно-твердеющей). Известно, что приразработке химического состава данной стали использовался эффектстабилизации остаточного аустенита никелем и кобальтом [39].Следует также выделить такие цементуемые стали, как Ferrium C61(химический состав: 0,15 % C, 3,5 % Cr, 9,5 % Ni, 18 % Co, 1,1 % Mo,0,08 % V) и Ferrium C64 (химический состав: 0,11 % C, 3,5 % Cr, 7,5 % Ni,16,3 % Co, 1,75 % Mo, 0,02 % V).

Сталь Ferrium C61 первоначально быларазработана для высоконагруженных деталей ротора несущего винтавертолета Boeing CH-47 "Chinook". Теплостойкость данных сталей неменее 480-510 °C. Также они характеризуются высокой прочностьюсердцевины,усталостнойвыносливостью(пределвыносливостицементованного слоя Ferrium C61 равен 930-1070 МПа; Ferrium C64 –1450-1585 МПа; для сравнения у AISI 9310 – 725-790 МПа). В этой связи40указанные материалы относятся к классу ультра-высокопрочных (UHS)сталей с точки зрения высокой прочности сердцевины [38, 40].Анализ зарубежной технической информации [41] также показал, чтодля зубчатых колес для зубчатых передач легковых автомобилейиспользуются экономно-легированные цементуемые стали типа AISI 8620(см.

таблицу 1.2) и AISI 8822 (химический состав: 0,20-0,25 % C, 0,751,00 % Mn, 0,4-0,6 % Cr, 0,4-0,7 % Ni, 0,2-0,4 % Mo [42]), азотируемыестали типа AISI 4140 (химический состав: 0,40 % C, 0,85 % Mn, 1,00 % Cr,0,25 % Mo [34]); для тяжелых грузовых автомобилей наряду с указаннымисталями применяются стали с более высоким содержанием легирующихэлементов типа цементуемой хромоникельмолибденовой стали AISI 9310(см. таблицу 1.2), в настоящее время также ограниченно применяющейся ваэрокосмической отрасли.

В тяжелой сельскохозяйственной, строительнойтехнике, а также в судостроении наряду со всеми выше перечисленнымисталями используются также азотируемые никельсодержащие стали типаAISI 4340 (химический состав: 0,40 % C, 0,70 % Mn, 0,80 % Cr, 1,85 % Ni,0,20 % Mo [43]). Следует отметить, что в отличие от отечественнойсистемы легирования в зарубежной практике в составе экономнолегированных сталей титан (широко применяемый в известных сталяхтипа 18ХГТ, 25ХГТ и т.д.), как правило, заменяется молибденом вколичестве0,08-0,30%вцеляхповышенияпрокаливаемостиипредотвращения роста зерна [28].Все перечисленные стали относят к сталям, не в полной мересоответствующим требованиям настоящего времени, и рекомендуютвнедрять стали следующего поколения, обеспечивающие более высокуютеплостойкость (315-510 °С и выше), такими как CBS-50 Nil, CSS-42L идр..

Эти материалы благодаря своему химическому составу обеспечиваютболее высокое сопротивление коррозии и изнашиванию, лучшуюмикроструктуру сердцевины и повышенную твердость поверхности.Применение этих марок сталей предоставляет возможность лучше41контролировать распределение насыщенности углеродом и твердости вслое, содержание остаточного аустенита, размер зерен и частиц карбидов.Это обуславливает эффективное применение указанных материалов,подвергнутых вакуумной цементации, в аэрокосмической и автомобильнойиндустрии [41].Средизарубежныхсовременныхцементуемыхумеренно-теплостойких сталей (до 200 °C), применяемых для высоконагруженныхавиационных и автомобильных зубчатых колес, также следует отметитьPyrowear Alloy 53 (химический состав: 0,10 % C, 1,00 % Si, 0,35 % Mn,1,00 % Cr, 2,00 % Ni, 2,00 % Cu, 3,25 % Mo, 0,1 % V) [44].Для зубчатых колес агрегатов морской авиации применяетсяцементуемая коррозионно-стойкая сталь Pyrowear Alloy 675 (химическийсостав: 0,07 % C, 0,4 % Si, 0,65 % Mn, 13,0 % Cr, 2,6 % Ni, 5,4 % Co, 1,8 %Mo, 0,6 % V), которая характеризуется наряду с высокими прочностнымисвойствами науглероженной поверхности исключительной вязкостьюсердцевины [45].Таким образом, система легирования зарубежных сталей новогопоколения для зубчатых колес авиационных агрегатов, а также отчасти и вавтомобильной индустрии существенно отличается от отечественныхмароксталей.Зарубежомваэрокосмическойотраслиактивноиспользуются стали со значительно большим содержанием легирующихэлементов (CBS-50 Nil и, особенно, CSS-42L, Ferrium C61, Ferrium C64),что открывает возможность достижения теплостойкости цементованныхслоев на уровне азотированных и сочетания, тем самым, преимуществобоих способов ХТО.

Учитывая исключительно высокую цену реализациипродукцииаэрокосмическойотраслиипередовыхобразцовавтомобилестроения, следует уверенно предположить, что вложение впрогрессивные материалы значительных денежных средств экономическиобосновано.42Вместе с тем, в Российской Федерации до настоящего времени дажев авиационном агрегатостроении применяются стали, разработанные еще в1980-хгодах,содержащиеограниченноеколичестволегирующихэлементов. Очевидность необходимости изменения системы легированияпроявилась в разработке стали для авиационных зубчатых колес,предназначеннойдляобеспечениявысокойизносостойкостибезпроведения цементации – стали Х6Ф6М (1,6-2,1 % С, 0,1-0,4 % Si, 0,2-0,6 %Mn, 5,5-9,0 % Cr, 0,6-1,0 % Mo, 0,5-1,5 % Ni, 0,0015-0,005 % Ce,0,0015-0,005 % Ca, 5,5-9,0 % V) [46, 47].

Данная сталь обеспечивает уровеньизносостойкости, вдвое превышающий износостойкость теплостойкихсталей предшествующего поколения (ВКС-5, ВКС-7), однако ввидунасыщеннойуглеродомсердцевиныхарактеризуетсянедостаточнойвязкостью. Выносливость при изгибе находится на минимальном уровнедля цементуемых сталей, также не соответствует предъявляемымтребованиям и контактная выносливость [46]. Необходимо далее развиватьразработку высокопрочных и теплостойких цементуемых сталей на основесовременныхнаучныхпредставленийовзаимосвязисвойствихимического состава [45, 48].Итак, по результатам анализа отечественной и зарубежной практикиприменения легированных сталей установлено, что высокие нагрузочноскоростныехарактеристикисовременныхавиационныхииныхвысокопроизводительных по мощности силовых агрегатов диктуютприменение комплексно-легированных теплостойких сталей, в которыхпри цементации формируется развитая карбидная (карбонитридная) фаза,которая определяет несущую способность упрочненных слоев.

В этойсвязи, в настоящей работе наибольшее внимание будет уделенокомплексно-легированным сталям. В частности, образование данной фазынеобходимо учитывать при математическом моделировании процессовхимико-термической обработки таких сталей.43Вместестем,посколькузакономерностиформированиядиффузионных слоев в сталях, в которых развитая карбонитридная фаза необразуется, являются более простым случаем общих закономерностейформирования диффузионных слоев, а указанные стали вплоть донастоящего времени широко используются в агрегатах отечественноготранспортного машиностроения (кроме авиации), то вопросы применениярасчетных методов в целях управления диффузионными слоями и ихсвойствами применительно к таким сталям подлежат отдельномурассмотрению.1.3 Влияние характеристик упрочненного слоя на эксплуатационныесвойства высоконагруженных зубчатых колесОсновнымиэксплуатационнымисвойствамисталейдлявысоконагруженных зубчатых колес являются контактная и изгибнаявыносливость,износостойкостьисопротивлениеадгезионномуизнашиванию (схватыванию) при высоких температурах, которые могутбыть обеспечены путем применения различных видов ХТО.Согласно [8] наиболее распространенной причиной выхода из строязубчатыхколесавиационныхгазотурбинныхдвигателейявляетсяконтактная усталость.

При этом разрушению способствуют вибрация,нарушения режима смазки вплоть до "масляного голодания" и т.п.Существенно, что различные виды ХТО зубчатых колес: цементацияи азотирование, а также нитроцементация и комбинированная химикотермическая обработка (цементация с последующим азотированием)обеспечиваютразличныесочетанияэксплуатационныхсвойстви,соответственно, имеют свои достоинства и недостатки.Какпоказываетпрактика,несущаяспособностьколеспреимущественно определяется состоянием ее приповерхностного слоя,чтообусловилоширокоеприменениеХТОдляупрочнения44высоконагруженных деталей зубчатых передач. В целях предотвращенияразрушения поверхности и подповерхностного слоя стремятся повыситьпрочность и твердость поверхности, не допустив, при этом, чрезмерного ееохрупчивания.Среди способов ХТО, применяемых к высоконагруженных зубчатыхколес, по данным [49], азотирование, цементация и нитроцементацияобеспечивают различный уровень твердости упрочненной поверхности.Так, азотирование хромомолибденоалюминиевых сталей дает возможностьдостигнутьтвердостиповерхности750-1200цементацияHV,инитроцементация хромоникельмолибденовых сталей – 600-800 HV,азотирование сталей, не содержащих алюминий – 500-700 HV.