Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 8

Особеннуюопасность контактные нагрузки представляют для высоконагруженных ивысокоскоростных авиационных зубчатых передач [63].Ввиду того, что глубинные контактные напряжения по Герцусущественно превосходят изгибные, именно сопротивление контактнойусталости может служить определяющим эксплуатационным свойствомпривыбореспособаповерхностногоупрочнения:цементации(нитроцементации) или азотирования [64].Глубинныеконтактныеразрушенияболееопасны,чемповерхностные, так как возникающие отслаивания крупных объемовматериала могут вывести из строя всю передачу [2]. По Р.Р. Гальперуглубинные разрушения, как правило, возникают под упрочненным слоем,который обладает наиболее высокой контактной выносливостью.В работе [65] отмечено влияние нагрева рабочих поверхностей и ихшероховатостинапределконтактнойусталости.Согласно[66]повреждение поверхности вследствие действия контактных напряженийвзаимосвязаносзаеданием,причинамикотороготакжеявляетсясовместное действие нормальной нагрузки в контакте, вызывающейпластическую деформацию, и трения скольжения.54Рисунок 1.11 – Питтинг на цементованом зубчатом колесеДействительно, согласно [65], действие факторов нагрева иповышенной шероховатости на площадке контакта уменьшает несущуюспособность сопряженных поверхностей.

Вместе с тем, в пределахсиловых нагрузок и скоростей скольжения, не приводящих к разрушениюмасляногослоямеждувзаимодействующимиповерхностями,прикоэффициенте трения скольжения f, не превосходящем 0,1, контактнуюзадачу допустимо решать исходя из классической постановки по Герцу.При решении проблем обеспечения надежности и долговечностимашин важное место занимают вопросы повышения эксплуатационныххарактеристикзубчатыхколесипреждевсегоихконтактнойвыносливости.

Контактная выносливость наряду с выносливостью зубьевприизгибев соответствиис ГОСТ 21354-87лежит в основепроектирования зубчатых передач, определении их геометрическиххарактеристик и, как следствие, их габаритов, массы и эксплуатационнойнадежности [67].Необходимость снижения массогабаритных показателей передач,составляющих значительную часть массы и габаритов современных машинтранспортных систем, вынуждает использование при расчетах невысоких55коэффициентов безопасности. В результате зубчатые колеса многих машинявляются высоконапряженными, а в авиационных и ряде современныхавтомобильных двигателях – одновременно и высокооборотными.Втяжеломавтомобилестроениидонастоящеговремениприменяются стали типа 20Х2Н4А и 20ХН3А [20], которые насыщаютсяуглеродом до концентраций в поверхностных слоях, не превышающих 0,80,9 %, при котором карбидные включения имеют вид глобулярных частицразличного размера, обеспечивающие заданный уровень контактнойвыносливости (при концентрации углерода в приповерхностной зонеупрочненного слоя 0,9-1,1 % образуется карбидная сетка, вызывающаяобразование глубинных трещин и резко снижающая несущую способностьдеталей).Вместедолговечностистем,ивнастоящееэксплуатационнойвремяпроблеманадежностиобеспечениязубчатыхколесвысокооборотных авиационных и автомобильных агрегатов решаетсяпутемпримененияновыхтеплостойкихсталейиновыхвысокоэффективных процессов ХТО.Производственнаяпоказывает,чтопрактикаразработанныеавиационнойранеепромышленностинизколегированныеихромоникелевые стали типа 20ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА не отвечаютвозросшим требованиям [1].При высоких нагрузочно-скоростных характеристиках такие стали необладают достаточной теплостойкостью – способностью противостоятьразупрочнению поверхностного слоя под действием температурных"вспышек" на рабочих поверхностях зубьев колес, что служит причинойснижения контактной выносливости и износостойкости.В равной степени не соответствует современным требованиям поконтактной выносливости цементуемая экономно-легированная сталь SAE(AISI) 8620 (США) (см.

таблицу 1.2) [68, 69]. Указанная сталь близка посоставу к стали 20ХГНМ и не образует достаточного количества56высокопрочной карбидной фазы в слое. Данное обстоятельство объясняетдостижениеотносительнонизкогоуровняпределаконтактнойвыносливости (1250-1300 МПа) после цементации до содержания углеродана поверхности 0,9-1,0 %.Имеются данные, что содержание в стали никеля свыше 1,2 %вообще приводит к снижению противозадирных свойств зубчатых колес[2]. Так, зубчатые колеса из стали SAE 8620 с 0,65 % Ni поизносостойкости и контактной прочности превосходят зубчатые колеса изSAE 9310 (c 3,5 % Ni).Вместе с тем, по мнению [70], вредное влияние никеля обусловленоисключительно эффектом стабилизации аустенита, в этой связи послеустранения повышенного количества остаточного аустенита обработкойхолодом при -80 °С указанные свойства стали с повышением содержанияникеля возрастают.Несколькобольшеезначениепределаконтактнойусталостидостигнуто при цементации стали 20MnCr5 (КНР) (средний химическийсостав: 0,19 % C, 0,1 % Si, 1,3 % Mn, 1,2 % Cr, 0,02 % Al) – 1510 МПа [71].Следует отметить, что в данной работе сформирован диффузионный слой сградиентом , не превышающим (по твердости) 7,5 %, что способствовалоповышению контактной выносливости.Для производства зубчатых колес авиационных двигателей внастоящее время используются сложнолегированные цементуемые стали20Х3МВФАи20Х3МВФ-Ш(ЭИ415),16Х3НВФМБ-Ш(ВКС-5),16Х2Н3МФБАЮ-Ш (ВКС-7) [1], 13Х3Н3М2ВФБ-Ш (ВКС-10) [26, 33].Для сравнения при максимальном контактном напряжении, равном2300МПа,16·106 цикловхромоникелеваянагружения,стальа12Х2Н4Атеплостойкаяможетстальвыдержать20Х3МВФА– 24·106 циклов [72].

Существенно, что сталь 20Х3МВФА также имеетвыраженныеэкстремумынакривойзависимостиконтактной57долговечности от насыщенности углеродом поверхности (1,3 или 1,5 %, взависимости от схемы термообработки после ХТО), а для стали 12Х2Н4Амаксимумконтактнойдолговечностиобеспечиваетсянаширокомдиапазоне концентраций углерода – 0,9-1,2 % (рисунок 1.12).цикловРисунок 1.12 – Влияние концентрации углерода на поверхности наконтактную долговечность (при максимальном контактном напряжении,равном 2300 МПа) стали 12Х2Н4А (пунктирная кривая) и 20Х3МВФА(сплошная кривая): 1 – цементация, отпуск при 600 °С, закалка с 900 °С,обработка холодом при -70 °С (2 часа), отпуск при 300 °С (3 часа);2 – цементация, закалка с температуры цементации, обработка холодомпри -70 °С (2 часа), отпуск при 300 °С (3 часа) [72]Схожие данные представлены в работе [2], согласно которыммаксимальная контактная выносливость цементованных слоев на стали12Х2Н4А достигается при 1,0-1,2 % С.Аналогичные по существу результаты получены и при цементацииэкономно-легированнойстали25Х2ГНТА:максимальныйпредел58контактной выносливости (R = 2200 МПа при количестве цикловнагружения 107) был достигнут при поверхностной концентрацииуглерода, равной 0,96 %; несколько меньшее его значение (R = 2020 МПа)получено при 0,83 %; еще меньшее (R = 1710-1920 МПа, в зависимости оттемпературы закалки: с 870-880 °С и с 830 °С, соответственно) – при1,07 % [73].Врезультатевведенияповышеннойконцентрациикарбидообразующих элементов (Cr, Mo, W, V, Nb) указанные сталиобладаютповышеннойтеплостойкостью.Цементованныйслойисердцевина большинства этих сталей не разупрочняются при длительномнагреве до 300-350 °С, а стали дисперсионно-твердеющей ВКС-10 дотемпературы 510 °С, соизмеримой с температурой азотирования [1], чтогарантирует сохранение высоких значений контактной выносливости вусловиях больших силовых нагрузок и скоростей.За рубежом в авиационных и ряде иных силовых установоквысоконагруженных зубчатых передачах в настоящее время высокаяконтактная выносливость также обеспечивается за счет применениякомплексно-легированных теплостойких сталей типа CBS-50 Nil, CSS-233,CSS-42L и др.

[34, 39].В целях обеспечения высокой контактной выносливости придостаточнойизносостойкостигазовуюцементациюсталиCSS-233рекомендуется проводить при температуре 900-930 °С и углеродномпотенциале 0,85-1,00 % [38]. Газовая цементация стали CSS-42Lосуществляется при углеродном потенциале, равном 1,3 % C.При близком значении углеродного потенциала (1,3 % С) проводитсяцементация и умеренно легированной стали AISI 9310, которая, какуказано выше, до настоящего времени ограниченно применяется вавиационной промышленности [74].59В соответствии с рекомендацией производителя, газовая цементацияуказанной выше стали с большим содержанием молибдена (>3 % масс.)Pyrowear Alloy 53 проводится с углеродным потенциалом, равным 0,8 %[44].Согласно [75] на стали 20ХН3А при толщине упрочняемого слоя0,7-0,9 мм проведение нитроцементации вместо цементации за счетдополнительного легирования азотом дает возможность существенноповысить контактную выносливость.Исследованияазотированныхслоевпоказывают,чтоонихарактеризуются недостаточной контактной выносливостью (например,широко распространенная в отечественном машиностроении азотируемаясталь 38Х2МЮА, применяемая, в том числе, для зубчатых колес) [24].Бóльшиевозможностипредоставляютникельсодержащиестали(38ХН3МФА и др.), особенно теплостойкие мартенситного класса,высокое количество дефектов в которых приводят к преимущественномувыделению некогерентных нитридов и, как следствие, к меньшеймикродеформации твердого раствора, легированных никелем.

В качествеоптимального материала с точки зрения максимальной контактнойвыносливостиприазотированиивработерекомендуетсянизкоуглеродистая комплексно-легированная сталь 16Х2Н3МФБАЮ-Ш(ВКС-7), первоначально разрабатывавшаяся в качестве цементуемой.Условием повышенной контактной выносливости азотированного слояявляетсяпроведениепредварительнойтермическойобработки,направленной на измельчение размера зерна с 3-5 мкм до 40-60 нм, чтоприводит к увеличению контактной долговечности с 9,4 до 32,7 млн.циклов при постоянной нагрузке [24].Использование новых сталей и новых упрочняющих технологийтребует уточнения, а в отдельных случаях, пересмотра методов выборарационального способа ХТО, а также расчетных оценок эксплуатационныхсвойств зубчатых колес. Приходится учитывать тот факт, что основы60прочностных расчетов по контактной и циклической прочности былисозданы в середине прошлого столетия [50]. В настоящее время они неотражают возможные резервы повышения эксплуатационных свойств.Методика расчета зубчатых передач на контактную выносливостьвыполняется по эмпирическим зависимостям без учета легирования стали,химического и фазового состава несущего слоя.