Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 7

При этом,концентрация углерода в поверхностной зоне цементованного слоя (1-2 %)значительно меньше, чем содержание азота в азотированном слое (5-7 %),что приводит к повышенной хрупкости азотированных слоев, что можетповлечьснижениеизгибнойвыносливостиматериалазубьев(многоцикловой прочности).Современные высоконагруженные зубчатые колеса в процессеэксплуатации подвергаются действию различных внешних факторов,которые могут вызвать их разрушение: адгезионное и абразивноеизнашивание рабочих поверхностей, их выкрашивание по причинеконтактной усталости, излом зубьев вследствие циклической изгибнойнагрузки [1].Известныепреимуществаазотирования:малоекоробление,повышение антикоррозионной стойкости неаустенитной стали, высокаяизносостойкость, рост изгибной выносливости сочетаются с такимисущественныминедостатками,какнеобходимостьпримененияспециальных сталей, длительностью процесса, частое возникновениеповерхностнойхрупкости,аособенноснижениеупрочненияотазотирования при увеличении размеров детали [2].

В этой связиазотирование, как правило, применяется при упрочнении зубчатых45размеров малого модуля. Также азотированные слои более чувствительны,чем цементованные, к перегрузкам и неравномерным нагрузкам, что оченьсущественно для транспортного машиностроения.1.3.1 Изгибная выносливость диффузионных слоев зубчатых колес излегированных сталейЦиклическая прочность при изгибе является одним из важнейшихэксплуатационных свойств зубчатых колес авиационных агрегатов.Усталостное разрушение зуба при изгибе (рисунок 1.7) являетсяопаснейшим видом повреждения зубчатой передачи, приводящим к ееостановке, и, соответственно, в зависимости, от ее назначения, кпрекращениюподачитоплива,отключениюгидроприводовилиэлектрогенераторов и т.д., то есть, применительно к воздушному судну – квозникновению угрозы для его живучести в целом.

Как известно,усталостное разрушение происходит в несколько этапов: зарождениеусталостнойтрещины,формированиемагистральнойтрещины,еераспространение до критического размера и разрушение. В качествеобобщенного критерия усталостной выносливости для стали, как правило,применяется предел усталости, -1, т.е.

напряжение, при котором непроисходит разрушение после 107 циклов нагружения.Определение предела усталости в зависимости от параметровдиффузионного слоя (химического состава, прежде всего) и, как следствие,твердости и статической прочности вызывает большие затруднения. Приэкспериментальном методе его определения применяются длительныестендовые испытания. В этой связи предпринимаются попытки определятьпредел усталости путем расчетной оценки по известным другиммеханическим свойствам, для чего предложен ряд параметрическихформул.46а)б)в)Рисунок 1.7 – Усталостный излом зуба цементованных шестерен: а) видв торцевой плоскости; б) то же, увеличено; в) вид в плоскости зацепленияВ частности, достаточно широко известна эмпирическая формулаХудремонта-Майлендера, рекомендованная А.И.

Петрусевичем [50]: 1  0,25( 0, 2   В )  50,(1.2)47где 0,2 – предел текучести, примерно равен 20,2 (где 0,2 – пределтекучести на сдвиг); B – предел прочности (для теплостойких сталейсоставляет около 1,10-1,250,2).Зависимости данного типа не учитывают, что предел усталости, какпоказано в работах [51-54], сильно зависит от химического и фазовогосостава цементованного слоя, которым можно управлять, изменяя режимхимико-термической обработки, а также от размера зерна твердорастворной матрицы.

Влияние карбидной фазы неоднозначно: во-первых,она повышает несущую способность диффузионного слоя; во-вторых,карбиды являются основными источниками зарождения усталостнойтрещины. При увеличении прочностных свойств металла, в большинствеслучаев, пропорционально снижается вязкость его разрушения.В этой связи перечисленные структурные факторы оказываютвлияние на начальные процессы зарождения и развитие усталостныхтрещин и, как следствие, на сопротивление усталостному разрушению вцелом.Особенно важно учитывать структурные факторы в высокопрочныхсталях, поскольку, согласно [51], при твердости свыше 40 HRC нарушаетсяпрямая пропорциональность циклической и статической прочности (так,40 HRC достаточно точно соответствует -1 = 550 МПа). При болеевысоких значениях твердости определенного соответствия ее пределуусталости не существует.Как доказано в работе [52], данная неопределенность, в основном,обуславливается величиной зерна мартенситной матрицы, а такжеразмерами и морфологией частиц карбидных (карбонитридных) фаз.Пределлегированныхусталостнойсталейвыносливостиварьируется,азотированныхсогласнообразцовпроведеннымэкспериментальным исследованиям, в весьма широких пределах.48Так, например, согласно данным работы [55] (Япония), сочетаниедробеструйнойшлифованияобработки,образцовизазотированияиэлектрохимическогоэкономно-легированнойхромомолибдено-алюминиевой стали AISI 4135 (0,37 % C, 1,1 % Cr, 0,15 % Mo, 0,09 % Ni,0,01 % V, 0,017 % Al) дает значение предела усталостной прочности неболее 600 МПа (здесь и далее – при количестве циклов нагружения,равном 107).В исследовании A.

Nakonieczny (Польша) [56] легированные хромомстали 40HM (AISI 4140) и 38HMJ (Nitralloy 135M) подвергалиськарбонитрированию при температурах 550-690 °С. Были достигнутыразличныезначенияпределаусталости(-1),зависящиеотпродолжительности насыщения, в диапазоне от 735 до 840 МПа.В работе японских ученых [57] показано влияние исходногосостояния поверхности образцов (сталь SCM435H, аналог 30ХМ),подвернутых после ХТО полированию, на предел усталостной прочности.Так, предел усталостной прочности гладкого образца, подвергнутогоазотированию, составил около 600 МПа, а шероховатого – только 500МПа. Сочетание азотирования и последующей поверхностной закалкитоками высокой частоты изначально гладкого образца обеспечило пределусталостной прочности, находящийся в диапазоне от 800 до 900 МПа.В работе [58], выполненной исследователями из КитайскойРеспублики (Тайвань), анализировалось влияние газового азотирования наусталостную прочность азотируемой стали SACM 645, содержащей 1,7 %хрома, 1,1 % алюминия и 0,16 % молибдена.

Достигнуты умеренныезначения изгибной выносливости, не превышающие 625 МПа.Более существенные результаты по повышению усталостнойпрочности достигнуты турецкими исследователями в результате ионногоазотирования стали AISI 4340 (аналог 40ХН2МА) [59]. Так, в зависимости49от температуры и времени насыщения значения предела выносливости приизгибе составили от 822 до 954 МПа.Таким образом, анализ литературных данных показывает, что наконкретные значения предела усталости (-1) определяются комплексомфакторов, среди которых наряду с технологией азотирования нарезультирующее значение названного эксплуатационного свойства весьмасущественно влияет состояние поверхности детали, а также состав стали.Установлено,чтозначительномуповышениювыносливостиазотированных слоев при изгибе способствует повышенное содержаниеникеля.Следует также отметить, что в большинстве из цитированныхисточников для повышения усталостной прочности в дополнение казотированиюприменялисьдополнительныевидыповерхностнойупрочняющей обработки, в частности дробеструйная обработка и закалкаТВЧ после азотирования.Известно, что образующиеся при азотировании мелкодисперсныекогерентныевключения,определяющиенесущуюспособностьдиффузионного соя при данном виде ХТО, не являются препятствием длядвижения дислокаций, в связи с чем, не могут служить препятствием дляразвития усталостной трещины [51, 54].В этой связи, азотирование не является достаточно эффективнымсредством повышения циклической прочности, так как при данном видехимико-термической обработки упрочнение достигается за счет выделениямелкодисперсных когерентных частиц нитридов вольфрама, ванадия,молибдена и других сильных карбидообразующих (нитридообразующих)элементов.Большие возможности по повышению выносливости при изгибномнагружениипредоставляетцементация,прикоторойупрочнениедостигается за счет повышения насыщенности мартенситной матрицы и50введением в структуру дифузионного слоя некогерентных частицвысокопрочных частиц тугоплавких карбидов и цементита.Вместе с тем, экспериментально установлено, что первоначальноезарождение микротрещин практически всегда связано с разрушениемкарбидных частиц [51].В целях обеспечения высоких значений предела выносливости приизгибе дляразличныхмароксталейрекомендуетсяограничиватьконцентрацию углерода на поверхности 0,80-1,05 % [2].

Кроме того,зависимостьпределавыносливостиприизгибеоттолщиныцементованного слоя имеет максимум.Российскимиисследователямидетальнорассмотренвопросприменения к теплостойкой стали 16Х3НВФМБ-Ш вакуумной цементациив целях повышения циклической прочности [60]. Показана возможностьдостичь значений -1, равных 890 МПа (при эффективной толщине слоя 1,3мм, т.е.

глубине от поверхности, соответствующей насыщенностиуглеродом, равной 0,4 %) и 970 МПа (при эффективной толщине слоя 0,7мм) при базе испытаний 107. Необходимым условием столь высокихзначений циклической прочности является оптимальное содержаниеуглерода на поверхности диффузионного слоя (0,97 % по массе). Как приповышении, так и при снижении содержания углерода на поверхностистали наблюдали снижение уровня изгибной долговечности (рисунок 1.8).Кроме того, изгибная долговечность уменьшается с увеличениемэффективнойтолщиныслояиспользовалистандартные(рисунок 1.9).образцыдляВуказаннойиспытанийнаработеизгибнуювыносливость (рисунок 1.10).Аналогичные результаты были получены для газовой цементациистали 20Х2Н4А: при эффективной толщине слоя (определенной по 0,35 %углерода по массе), равной 0,68-1,65 мм, и концентрации углерода наповерхности 0,82-1,36 % предел усталости -1 = 740-800 МПа.

При51увеличении эффективной толщины слоя до 1,9 мм при концентрацииуглерода, равной 1,40 мм, -1 снижался до 680 МПа [61].N, цикловСпов, % масс.Рисунок 1.8 – Зависимость изгибной долговечности N от концентрацииуглерода на поверхности Спов в стали 16Х3НВФМБ-Ш после вакуумнойцементации при эффективной толщине слоя, равной 1,0 мм [60]N, цикловhэфф, ммРисунок 1.9 – Зависимость изгибной долговечности N от эффективнойтолщины слоя hэфф в стали 16Х3НВФМБ-Ш после вакуумной цементациипри концентрации углерода около 1,0 % [60]52Посоображениямобеспечениявысокихзначенийизгибнойвыносливости в работе [41] при вакуумной цементации сталей типа AISI8620, 8822, 9310 и других рекомендуется устанавливать содержаниеуглерода на поверхности диффузионного слоя на уровне 0,6-0,8 %, асталей типа CBS-50 Nil, CSS-42L, Ferrium C61 и других – 0,45-0,75 %.

Приэтом, эффективная толщина слоя может изменяться в пределах от 0,25 до6,35 мм.Рисунок 1.10 – Образцы для испытаний на изгибную выносливость(размеры: длина – 110 мм; максимальный диаметр конических частей –14,07 мм; наименьший диаметр шейки 7,5-0,01 мм)Следует отметить, что изгибная выносливость зубчатых колес,подвергнутых вакуумной цементации, существенно выше, чем при газовойцементации, поскольку при последней допускается обезуглероживаниеповерхности металла. Это справедливо, как для экономно-легированнойстали AISI 9310 [62], так и для комплексно-легированной стали16Х3НВФМБ [60].531.3.2 Контактная выносливость диффузионных слоев зубчатых колес излегированных сталейСледствиемглубокиеконтактногоповрежденияусталостногоповерхностиразрушениязубчатыхявляютсяколес(питтинг),исключающие их нормальную работу (рисунок 1.11).Одним из определяющих несущую способность высоконагруженныхзубчатых колес свойств является контактная выносливость.