Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 32

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 32)

Насыщениепроводили образцов из сталей 20 и 20Х2Н4А в течение 1-375 мин при 920,940 и 960 °С в газовой среде ацетилена (100 % об.) под давлением 6133Па. Газовую среду в реакционную камеру подавали по периодическимвариантам циклического режима. Он включал чередование стадийнасыщения (стадий науглероживания продолжительностью τа = 2-10 мин)и диффузионных стадий при выключенной подаче газовой среды.

Времядиффузионных стадий τп изменяли от 5 до 50 мин, что приводило кизменению отношения времени стадий а:п и числа циклов [135].Насыщение образцов из стали 16Х проводили по апериодическомунесимметричному режиму в заводских условиях [315].221Науглероживаниювпределахконцентрацийуглерода,соответствующих аустенитной области, подвергали образцы размером5015 мм из указанных сталей, на которых анализировали основныехарактеристики цементованного слоя [135, 315]. Степень насыщенностислоя оценивали по концентрационным кривым, полученным послойныманализом, выполненным спектральным методом на оптико-эмиссионноманализаторефирмыOBLFSPEKTROMETRIEGMBH.Проводилипослойный анализ поверхности плоских образцов, которую подвергалишлифованию.

Толщина съема первого слоя составляла 0,05 мм, второго ивсех последующих слоев до концентрации углерода 0,4 % – 0,1 мм.Погрешность определения концентрации углерода и локальность анализауказаны выше, в п. 3.1.Экспериментальные значения насыщенности образцов углеродомсравнили с полученными расчетным методом.Отклонение расчетных значений насыщенности углеродом отэкспериментальных не превышает 0,1 %. В частности, экспериментальныеи расчетные значения концентрации углерода на поверхности образцов изстали 20Х2Н4А после обработки по режиму: температура t = 940 °С,продолжительность стадии насыщения а = 2 мин и диффузионной стадиип = 20 мин, различаются не более чем на 0,07 % (рисунок 3.3).

В отличиеот кривой, представленной на рисунке 1.19, данная кривая измененияповерхностной концентрации углерода имеет пилообразный вид, чтообусловлено иным соотношением продолжительностей стадии насыщенияи диффузионной стадии. Аналогичные результаты получены для стали 20.Удовлетворительныерезультатытакжеполучилипримоделировании апериодического режима вакуумной цементации стали16Х при общей продолжительности процесса свыше 8 часов (рисунок 3.4)Такжесконцентрационныхдостаточнойкривыхточностьюуглеродаиобеспечиваетсяпотакойрасчетхарактеристике222диффузионного слоя, как его эффективная толщина (соответствующаянасыщенности стали углеродом, равной 0,4 %). Отклонение значенийэффективной толщины слоя, рассчитанных для режима: t = 940 °С,а = 2 мин и п = 20 мин, от экспериментальных не превышает 0,05 мм(рисунок 3.5).Такимобразом,обеспечиваетсяудовлетворительнаяадекватность математической модели, достаточная для практическогоиспользования разработанного на ее основе программного средства сцелью оптимального выбора вариантов технологических режимов длязаданных характеристик диффузионного слоя [135].Рисунок 3.3 – Проверкаадекватностиматематическоймоделипривакуумной цементации по циклическим режимам образцов из стали20Х2Н4А: (□) – экспериментальные значения; линии – расчетные значенияконцентрации углерода на поверхности исследуемых образцов [135]223СC, 1,4%1,31,21,110,90,80,70,60,50,40,10,20,30,40,50,60,70,80,9x, мм1Рисунок 3.4 – Проверка адекватности модели при вакуумной цементациипо апериодическим режимам образцов из стали 16Х: x – расстояние отповерхности; (○) и (●) – значения концентраций углерода для двухэкспериментов; линия – расчетные значения [315]0,70,6Эффективная толщина слоя, мм0,50,4Эксперимент0,3Рассчет0,20,10050100150200Время, минРисунок 3.5 – Проверка адекватности модели при вакуумной цементацииобразцов из сталей 20 и 20Х2Н4А: экспериментальные и расчетныезначения эффективной толщины слоев на исследуемых образцах [135]224Провели расчет концентрационных кривых, полученных послевакуумной цементации по различным технологическим режимам.

Врезультатенауглероживанияватмосферахнизкогодавленияпоциклическим режимам (t = 950 °С, а = 8 мин и п = 20 мин; 6 циклов)полученыдостаточноплавныеконцентрационныекривые,характеризующиеся высокой насыщенностью диффузионного слоя наповерхности (до значений концентрации углерода на поверхности1,1-1,2 %, рисунок 3.6а), обеспечивающей высокую износостойкостьобработанных деталей.Придостаточнойа = 3 минипродолжительностип = 35 мин;16 циклов)процессаэффективная(t = 960 °С,толщинаслоя(определяемая по концентрации углерода, равной 0,4 %) может достигать1,45 мм (рисунок.

3.6б) и даже больше, что важно при химико-термическойобработке зубчатых колес большого модуля. Могут быть подобранытехнологические режимы (t = 940 °С, а = 2 мин и п = 50 мин; 15 циклов),при которых обеспечивается достаточно протяженная поверхностнаяобластьвысокойповерхностнойнасыщенностиконцентрации,вуглеродомцелях(ненижеобеспечения90%отмаксимальныхзначений сопротивления контактной усталости), вплоть до 0,25 мм(рисунок 3.6в, г), что обеспечивает необходимый припуск на проводящеесяпосле цементации в целях обеспечения заданной точности зубьевшлифование [135].Вместестем,припроведениивакуумнойцементациипоциклическим режимам не образуется выраженная приповерхностнаяплощадкаравнойконцентрации(и,соответственно,твердости),оптимальная с точки зрения максимальной контактной выносливости иобеспечиваемая при циклических режимах газовой и ионной цементации(см.

рис. 1.24). Это обусловлено невозможностью управления углероднымпотенциалом при вакуумной цементации, который может быть либо225близким к нулю на диффузионной стадии, либо максимальным на стадиинасыщения.Рисунок 3.6 – Примерыиспользованиемконцентрационныхразработаннойкривых,математическойрассчитанныхмодели:слинии,соответствующие последней активной стадии диффузионного насыщения– темно-серые; линии, соответствующие последней пассивной стадиидиффузионного выравнивания – черные [135]3.4 Выводы по главе1. Определенацементациивструктурааустенитнойматематическойобластимоделиконцентрацийвакуумнойуглеродадляуглеродистых, низколегированных и хромоникелевых сталей в виде226выражения II закона Фика в начальных и граничных условиях III рода,использование которых необходимо при моделировании циклическихпроцессов.Осуществленкоэффициентадиффузиивыборпараметрическогоуглеродаваустените,выраженияучитывающеготемпературу процесса и текущее содержание углерода в стали.

Учтеновлияниелегирующихиспользованияэлементовкоэффициентов,наскоростьдиффузииотражающихпутемзависимостьтермодинамической активности углерода от химического состава стали.2. Наоснованииэкспериментальныхданныхопределеныпараметрические выражения углеродного потенциала и коэффициентамассопереноса в процессе цементации в атмосферах низкого давления,которые применили в математической модели вакуумной цементации вкачествеграничногоусловия.Установлено,чтопривакуумнойцементации в чистом ацетилене углеродный потенциал технологическойатмосферы равен химической активности свободного углерода, то есть 1,0.3.

Обосновано применение явных конечно-разностных методов длярешения задачи расчета концентрационных кривых углерода привакуумной цементации при обеспечении устойчивости решения путемвыбора требуемой дискретности вычислений.4. Установлена удовлетворительная адекватность разработаннойматематическоймоделиэкспериментальными.приПоказанасравнениирасчетныхвозможностьзначенийоптимальногосвыборафакторов технологического процесса вакуумной цементации расчетнымпутем с учетом необходимости обеспечения более высоких значенийизносостойкости или контактной выносливости.227ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЦЕМЕНТАЦИИ (НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ) ТЕПЛОСТОЙКИХ СТАЛЕЙПрицементациикомплексно-легированных(высокотемпературнойтеплостойкихсталейнитроцементации)типа20Х3МВФ-Ш,16Х3НВФМБ-Ш (ВКС-5), 13Х3Н3М2ВФБ-Ш (ВКС-10) и других Нанасыщенной поверхностности деталей образуется развитая карбидная(карбонитридная) фаза сложного состава: цементит и специальныекарбиды (карбонитриды) сильных карбидообразующих элементов.Образование карбидной (карбонитридной) фазы в сталях типа20Х3МВФ-Ш и 16Х3НВФМБ-Ш имеет двоякое значение: а) карбиднаяфаза обеспечивает повышение несущей способности поверхностной зоны;б) содержащийся в карбидной фазе углерод при ее периодическом росте ирастворении перераспределяется на глубину от поверхности детали иучаствует в формировании протяженного диффузионного слоя.

При этомобразующиесянаповерхностиплоскиекарбидыпериодическирастворяются, а в глубине слоя образуются частицы карбидной фазыглобулярной формы [267].Привакуумной цементации, являющейся основным способомупрочнения высоконагруженных зубчатых колес из этих сталей, ихосновополагающиесвойства,определяющиеработоспособность(контактная выносливость, износостойкость, сопротивление усталостномуразрушениюприизгибеизаеданию),определяютсястроениемзаэвтектоидной зоны слоя [1].Высокая несущая способность зубчатых колес из дисперсионнотвердеющей теплостойкой стали 13Х3Н3М2ВФБ-Ш также обусловлена взначительной мере содержанием частиц карбидной (карбонитридной)фазы.Приэтомособенностиупрочненияприцементации(нитроцементации) этой стали связаны с выделением частиц карбидов(карбонитридов) как в процессе диффузионного насыщения, так и,228впоследствии, в ходе кратного высокого отпуска при распаде остаточногоаустенита.Вэтойтехнологическогосвязи,процессавопросырасчетногохимико-термическойпроектированияобработкистали13Х3Н3М2ВФБ-Ш рассматриваются отдельно.4.1 Результатыметаллографическихисследованийкарбидных(карбонитридных) фаз в теплостойких сталях типа 20Х3МВФ-Ш и16Х3НВФМБ-ШВ целях разработки физической и математической модели вакуумнойцементации (нитроцементации) теплостойких сталях типа 20Х3МВФ-Ш и16Х3НВФМБ-Ш провели комплекс металлографических и физикохимических исследований диффузионных слоев, полученных на этихсталях.Вработахцементованногоразделениемпоследующим[13,слоякарбидной83,113]определялифазывфазовыйсоставпослойнотонкихрентгеноструктурнымискарбиднойзоныэлектрохимическим(0,06-0,10мм)химическимслояхсанализомизолированных фаз по методике [320].

Характеристики

Список файлов диссертации