Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Следует отметить наличие ряда других способов ХТО,применимых для упрочнения зубчатых колес, в большинстве своем,являющихся сочетанием цементации и азотирования.В настоящее время оптимальным способом цементации такихответственных деталей машин, как высоконагруженные зубчатые колесадля аэрокосмической и высокотехнологичной автомобильной отраслейпромышленности, следует признать цементацию в атмосферах низкогодавления. Применение ионно-вакуумных процессов цементации носит107ограниченный характер. Качество обработки при газовой цементации несоответствует требованиям современного инновационного производства.По мнению [2] несущая способность и надежность зубчатых колесопределяется видом и режимами ХТО и окончательной механическойобработки и в меньшей мере химическим составом стали.Данное мнение, с позиций комплекса современных знаний,представляетсядостаточноодносторонним.Во-первых,применениеазотирования возможно только в отношении сталей с определеннымхимическим составом.
Во-вторых, цементацию и нитроцементацию свысокимуглероднымпотенциалом(суперцементациюисупернироцементацию) целесообразно применять только к сталям сдостаточнымколичествомсильныхкарбидообразующихэлементов,прежде всего хрома. Также существенно бóльшие возможности открываетХТО специальных сталей, обладающих свойствами дисперсионноготвердения,повышеннойкоррозионнойстойкостиит.д.Наконец,необходимо обратить особое внимание на качество химико-термическойобработки, которое, в основном определяется способом ХТО. Как показановыше,применениесовременныхспособовнауглероживанияиазотирования, вакуумных и ионно-вакуумных, существенным образомуменьшает количество дефектов приповерхностного слоя, существенноснижающих несущую способность упрочненных зубчатых колес.В работе [179] сопоставлены способы цементации теплостойкойстали (таблица 1.6).
Показаны очевидные преимущества вакуумной иионной цементации с точки зрения эффективности перед традиционнымипроцессами.Израссмотренныхпроцессовтолькогазовыйсконтролируемым углеродным потенциалом допускает управление понауглероживающей способности атмосферы (I типа). Все остальныеконтролируются только по расходу углеродсодержащих газов (II типа), чтотеоретическиявляетсяихнедостатком,затрудняющимполучениетребуемых параметров слоев и, как следствие, значений эксплуатационных108свойств [151].
Однако на практике данная закономерность не выполняется(см. таблицу 1.6).Таблица 1.6 – Параметры диффузионных слоев на 10 образцах из сталиВКС-5 после цементации различными методами [179]Способ цементацииОсновныетехнологическиефакторыСпов, %масс.hэфф,ммКоличествообразцов,удовлетворяющихпредъявляемымt, °С, минГазовыйс контролируемымуглеродным потенциалом9402100,600,900,6-1,23Газовый в шахтных печах9401800,700,901,2-1,67Ионный9401200,700,951,2-1,410Вакуумный9401501,2-1,410требованиям0,700,90По обсуждавшимся выше причинам ионная цементация, котораяимеет ряд преимуществ и недостатков по сравнению с вакуумнойцементацией (таблица 1.7), в настоящее время применяется ограниченно.Следуеттакжеотметить,чтосуперцементацияисупернитроцементация могут явится в ряде случаев заменой азотирования,обеспечивая, при этом, существенно большую протяженность слоя.Учитывая изложенное, особое внимание в дальнейшем изложенииуделено вопросам оптимизации режимов вакуумной цементации в целяхобеспечениятребуемойзубчатых колес.несущейспособностивысоконагруженных109Таблица 1.7 – Сравнительные преимущества и недостатки вакуумных иионно-вакуумных процессов цементации [179]ПреимуществаНедостаткиВакуумная цементация- высокая скорость поступления углеродаиз газовой среды;- высокий углеродный потенциал;-саморегулированиепоступленияуглерода;- простота управления процессом;- высокая воспроизводимость результатов;- простота подготовки к процессу;- меньшая стоимость оборудования- ограниченная технологическая гибкостьпроцесса;- затруднительность защитынеобрабатываемых частей детали(большинство защитных материаловиспаряются в вакууме);- одинаковая протяженностьдиффузионного слоя на всей высоте зубаИонная цементация- высокая технологическая гибкость;- невозможность контроля углеродного-большая скорость роста слоя;потенциала;-возможность контроля толщины слоя по - зависимость результатов насыщения отвысоте зубаповерхности детали:- необходимость контроля большого числатехнологических факторов;- комплексная подготовка к проведениюпроцесса1.5 Расчетныеметодыразработкипроцессовхимико-термическойобработки зубчатых колесТехнологические процессы цементации, как наиболее прогрессивныегазовые(сконтролируемымуглероднымпотенциалом),такиинновационные ионно-вакуумные и вакуумные, в большей или меньшейстепени, соответственно, характеризуются совокупностью управляющихтехнологических факторов, изменяя которые можно получить практическинеограниченное количество вариантов циклических режимов, которыемогутбытькакЭкспериментальныйпериодическими,переборэтихтаквариантовиапериодическими.нецелесообразенпоэкономическим соображениям.
В этой связи, наиболее эффективным путем110оптимальногоподборатехнологическихфакторовпредставляетсяприменение математических моделей процессов.Несколько по другому пути развивалась прикладная наука в областимоделирования процессов азотирования, которому, как указано выше,присуща простота определения управляющих факторов, которая успешноустанавливаются эмпирически. Вместе с тем, все азотируемые сталиимеют специальное легирование, а насыщенность слоя азотом, какправило, выходит за пределы узкой однофазной ферритной зоны.
Поэтомудвижущей силой научного поиска в области применения расчетныхметодовкпроцессамазотированияявиласьнеобходимостьпрогнозирования результатов насыщения азотом сплавов сложногохимического состава с образованием фаз, как по механизму внешнего (- и'-фазы), так и внутреннего азотирования (специальные нитриды), в видесплошных слоев и дисперсных выделений различной морфологии,определяющей эксплуатационные свойства азотированных сталей.Впоследствии, с развитием процессовнасыщенияуглеродом(углеродом и азотом совместно) комплексно-легированных сталей,подобнаязадачаматематическогоописаниявыделениякарбидных(карбонитридных) стала актуальной и для цементации (нитроцементации).Изложенныевышеобстоятельстваобусловиливозникновениенаучного интереса к разработке математических моделей цементации,азотирования и нитроцементации, а также других способов ХТО.Теоретическими предпосылками моделирования процессов химикотермическойобработкиявилисьмногочисленныефундаментальныеработы, посвященных вопросам кинетики диффузии в твердых растворах,выполненные как отечественными, так и зарубежными исследователямиГуровым К.П., Бокштейном Б.С., Кришталом М.А., П.Дж.
Шьюмоном, Дж.Маннингом и др. [180-184].111Для математического моделирования диффузии с образованиемновых фаз основополагающие значение имеют теоретические работы покинетике фазовых превращений: монографические работы Любова Б.Я., атакже обобщающая работа Дж. Кристиана с исключительно ценнойбиблиографией [185-187].Вработетеоретическиебелорусскихвопросыученых[188]математическогоподробноописанияраскрытыдиффузиивмногокомпонентных системах.
Особое внимание уделено определениюкоэффициентов взаимного влияния насыщающих элементов. Такжевопросы диффузии с учетом взаимного влияния раскрыты в монографиях[189, 190] (в последней – в многофазных металлических системах).Вопросы диффузии с учетом дефектной структуры твердыхрастворов рассмотрены в теоретической работе [191, 192].РазработкематематическихмоделейХТОвбольшеймереспособствовало бурное развитие с 1980-х годов и по настоящее времяинформационныхпроизводительноститехнологий,включаявычислительнойэкспоненциальныйтехники,атакжеростразработкупередовых средств разработки прикладных программ, которые вместе сновыми данными о закономерностях формирования диффузионных слоевоткрыли возможность реализации задач проектирования технологическихрежимов химико-термической обработки расчетным путем.В современной науке о прочности и разрушении также уделяетсязначительное внимание применению расчетных методов.
Особеннобольшое число исследований посвящено механике контакта. Также, косновополагающимвопросамматематическойфизики,нарядусдиффузионными задачами, традиционно относятся задачи теплопереноса.Вместе с тем, большие достижения в указанных научных областях донастоящего времени не нашли приложения к проблематике химикотермической обработки.112Как указано выше, первоначально модели цементации былиразработаны в целях расчета концентрационных кривых углерода дляэкономно-легированных сталей, обрабатываемых в пределах аустенитнойобласти концентраций насыщающего элемента.Впервые методика расчета параметров комбинированных режимовгазовой цементации была детально разработана И.С.Козловским [193].Предложены простые зависимости для определения рациональногосоотношения между длительностью отдельных этапов комбинированныхциклов науглероживания при принятых значениях углеродного потенциалагазовой среды.Адекватнаяматематическаямодельгазовойцементации,включающая оценку углеродного потенциала, скорости диффузионногомассопереноса с учетом влияния легирующих элементов, была разработанаЛ.А.Михайловым [194, 195].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
