Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Незавершенное электронное строениеатомов железа (незаполненная d-орбиталь) обуславливает их высокоесродство к углероду. Атомы железа способствуют разрыву -связи С-Н,вступают в связь с атомами углерода, переходящими в твердорастворноесостояние и диффундирующими вглубь металла. Одновременно другаячасть радикалов CH выступает в качестве носителей углерода, удаляемого285с насыщаемой поверхности [344]. Как указано выше, присутствиерадикаловподтвержденоCHданнымиспектральногоанализаионизированной атмосферы.Данный феномен можно объяснить из квантово-механическихзакономерностей. Разрушенные ковалентные -связи C–C образованыэлектронами с противоположными спинами [345]. Таким образом двавысвободившихся радикала CH имеют свободные s-электроны при атомахC с противоположными спинами. При этом, все свободные электроныферромагнетика(железа)имеютспин,противоположныйспинувнутренних электронов металла.
Образовывать связь со свободными sэлектронами радикалов CH могут только электроны с противоположнымспином. Поэтому только каждый второй радикал CH, спин электронасвободной связи которого противоположен спину электрону свободнойсвязи железа, может вступать в связь с металлом.Для ионизированных атмосфер, состоящих из аргона, аммиака (50 %)и ацетилена (0,6-5,0 %), экспериментально определили кинетическиекривые концентрации насыщающих элементов на поверхности массивныхобразцов (рисунок 4.22).Кинетическиекривыеявляютсяграфическимотображениемзависимости (3.5). Их угол наклона на начальной стадии пропорционаленкоэффициенту массопереноса С.
Из представленных кинетическихкривых следует, что на коэффициент массопереноса в большей степенивлияет объемная доля углеродсодержащего газа, чем температурапроцесса.Интенсификация процесса насыщения при увеличении объемнойдоли углеродсодержащего газа в активной атмосфере обусловленасоответствующим увеличением количества свободных атомов и ионовуглерода, одновременно находящихся на насыщаемой поверхности.286Рисунок 4.22 – Кинетическиекривыеконцентрациинасыщающихэлементов на поверхности массивных образцов: а) углерода (1, 2, 3) и азота(4) при объемной доле ацетилена, равной 3,5 %, и различных значенияхтемпературы: 1 – 1020 С; 2 – 980 С; 3 и 4 – 920 С; б) углерода притемпературе 980 С и различных значениях объемной доли ацетилена:1 – 5 %; 2 – 3,5 %; 3 – 2 % [343].Ускоряющее действие температуры на коэффициент С обусловленоростом энергии диффундирующих атомов, что способствует преодолению287потенциального барьера, обусловленного упругими силами сопротивлениярешетки.Массоперенос азота происходит значительно медленнее, чемуглерода (см.
рисунок 4.22а). Это обусловлено как меньшим азотнымпотенциалом, по сравнению с углеродным, так и меньшей диффузионнойподвижностью атомов азота.По мере развития насыщения свыше предельной растворимостиуглерода в аустените (см. кинетические кривые 2, 3 на рис. 4.22, а и б)скоростьмассопереносауглеродасущественноуменьшается,чтообусловлено насыщением свободных ортогональных пор в решеткеаустенита, из которых по разным оценкам только каждая пятая или шестаямогут быть замещены атомом примеси внедрения [317]. Дальнейший ростконцентрации углерода идет по механизму реакционной диффузии [343].Таким образом, на первом этапе насыщения ведущей реакциейявляется реакция растворения:C = [C]-Fe;анавтором,послепревышенияпределарастворимости,ростнасыщенности слоя идет за счет реакции карбидообразования:3Fe + C = F3C.Данную физическую модель насыщения комплексно-легированныхсталейсвысокимуглероднымпотенциалом,предусматривающуюсуществование двух последовательных этапов массопереноса углерода изактивной среды в металл, представляется обоснованным использовать приразработкематематическихмоделейаналогичныхпроцессов,какактивированных внешним электрическим полем, так и проводящихся ватмосферах низкого давления.Наиболее существенно установление связи содержания ацетилена вионизированной среде в пределах 1,5-2,0 % и науглероживающейспособности технологической атмосферы, так как проведение процесса288при углеродных потенциалах, не превышающих 1,3-1,5 % масс., даетвозможность получать оптимальные с точки зрения максимальнойконтактнойвыносливостидиффузионныеслои,характеризующиесяраспределениями твердости, подобными представленным на рисунке 1.24.4.7 Выводы по главе1.
Разработана на основе экспериментальных исследований итеоретических представлений физическая модель карбидообразования привакуумной цементации теплостойких сталей типа 16Х3НВФМБ-Ш(ВКС-5) и 20Х3МВФ-Ш, включающая в себя образование избыточнойфазы цементитного типа по механизмам внешнего и внутреннего (I рода)науглероживания,атакжекарбидообразующихэлементовспециальныхпокарбидовмеханизмусильныхвнутреннегонауглероживания II рода.2. Принятыеположенияфизическоймоделиотраженывразработанной адекватной математической модели вакуумной цементациикомплексно-легированных теплостойких сталей, основанной на решениизадачи о совместной реакционной диффузии углерода и хрома в железе,которая реализована в прикладном программном средстве, дающемвозможность с удовлетворительной точностью рассчитывать химический ифазовый состав диффузионного слоя в любой момент процесса вакуумнойцементации.
Показано определяющее значение легирования хромом дляформирования протяженных активных карбидных зон за счет восходящейдиффузии углерода.3. Проведен анализ решения задачи описания зарождения и ростачастицкарбиднойтехнологическихфазы.факторовУстановленонавлияниепредпочтительностьлегированияивнутризеренного(дислокационного и вакансионного) механизма образования карбидныхчастиц глобулярной формы перед зернограничным механизмом выделения289цементитной сетки. Подтверждена необходимость легирования хромом вколичестве не менее 3 % масс. для получения развитой избыточной фазыблагоприятной формы при цементации. Рекомендовано при разработкеновых теплостойких сталей увеличивать концентрацию хрома в них вплотьдо 4,5-5,0 %4.
Выявленыобщиеичастныезакономерностиобразованиятугоплавких карбидов молибдена, вольфрама и ванадия в теплостойкихсталях.5. Разработанрасчетныйметодуправлениястроениемзаэвтектоидной зоны цементованных слоев теплостойких сталей.6. Разработананитроцементацииадекватнаяматематическаятеплостойкойсталимодельновоговакуумнойпоколения13Х3Н3М2ВФБ-Ш (ВКС-10), упрочняемой по механизму дисперсионноготвердения.
Показана целесообразность замены вакуумной цементациинитроцементацией для этой стали в целях получения благоприятноймикроструктуры диффузионных слоев на сталях типа ВКС-10 сповышеннымсодержаниемникеля,негативносказывающегосянаморфологии легированного цементита.7. Установленыположенияфизическоймоделиионнойнитроцементации теплостойких сталей в ионизированных азот- иуглеродсодержащих средах.
В частности на основе термодинамическогоанализа, положений квантовой теории, а также экспериментальных данныхопределена ведущая реакция диссоциации ацетилена в плазме тлеющегоразряда. Получены регрессионные зависимости кинетических параметров,характеризующих массоперенос углерода и азота из ионизированныхатмосфер, которые положены в основу математической модели ионнойнитроцементации (цементации).290ГЛАВА 5.
РЕЗУЛЬТАТЫРАЗРАБОТКИПРИМЕНЕНИЯПРОЦЕССОВХТОРАСЧЕТНЫХМЕТОДОВВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУСПОСОБА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ И ЕЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХФАКТОРОВ5.1 Применение расчетного метода разработки режимов ХТО к зубчатымколесам для автомобильной и дорожно-строительной техникиКак показано выше зубчатые колеса трансмиссии автомобилей идорожно-строительной техники подвергаются следующим видам химикотермической обработки: цементации (нитроцементации) без образованияразвитой карбидной фазы или азотированию.
Азотирование предполагаетприменениеспециальныхазотируемыхсталей.Цементациимогутподвергаться как экономно-легированные стали типа 18ХГТ и 25ХГТ, таки более сложнолегированные хромоникелевые стали типа 20Х2Н4А,характеризующиеся более высокой прокаливаемостью и прочностнымисвойствами сердцевины при требуемом уровне вязкости.В работе [14] описано применение расчетного метода для выбораспособа химико-термической обработки и оптимального определениятехнологических факторов процесса ХТО для цилиндрической прямозубойзубчатой передачи для специальной машины дорожно-строительногоназначения.В данной работе провели расчет тяжелой автомобильной зубчатойпередачи со следующими геометрическими и нагрузочными параметрами:модуль зацепления 4 мм, число зубьев 24 и 36, ширина зубчатого венца 45мм, угол зацепления 20°, распределенная нормальная нагрузка 450 Н/мм,скорость вращения шестерни 4000 об/мин, объемная температура масла75 °C.291Как показано в главе 2 (п.
2.1) настоящей работы критериемприменимостисопротивленияспособаупрочненияконтактнойявляетсяусталости(2.1)выполнениеприусловиякоэффициентебезопасности: SH = 1,25.Для применения критерия (2.1) при помощи программы [289]получили расчетные значения нормальных, касательных и приведенныхконтактных напряжений (рисунок 5.1).Рисунок 5.1 – Контактные напряжения в зубчатой передаче дорожностроительной машины (объяснения в тексте): эпюры нормальныхнапряжений – тонкие сплошные; касательных – тонкие пунктирные;приведенных – толстые сплошныеПровели сопоставление расчетных приведенных напряжений сэпюрами допустимых контактных напряжений, рассчитанных по формуле(2.8).Значения HV для различных режимов ионного азотированияполучали путем регрессионного анализа экспериментальных данных,292которые были получены для близких аналогов сталей 40ХН2МА (AISI4340, США) [59] и 38ХМ (709M40, Великобритания) [266].Установлено, что требуемую контактную выносливость не возможнообеспечить ни при проведении ионно-вакуумного азотирования (ИА) стали40ХН2МА в атмосфере 100 % аммиака при температуре 500 °С в течение16 часов (технология № 1 по схеме [59]) (отображение экрана расчетнойпрограммы на рисунке 5.2а), ни при проведении ИА стали 38ХМ ватмосфере 25 % азота и 75 % водорода при той же температуре в течение40 часов (технология № 2 по схеме [266]) (рисунок 5.2б).Условно допустимо лишь применение ИА стали 38Х2МЮА(достаточно близкий аналог стали Nitralloy 135M) в атмосфере 100 %аммиака при температуре 500 °С в течение 16 часов (технология № 3 посхеме [56]), но и этот процесс не обеспечивает заданный коэффициентбезопасности(рисунок5.3).Необходимоещеболееувеличиватьпродолжительность процесса насыщения азотом.В качестве альтернативы азотированию предлагается вакуумнаяцементация стали 20Х2Н4А при температуре 940 °С (углеродныйпотенциал равен 1,35 % масс.) по режиму: 23 цикла, продолжительностьактивной стадии диффузионного насыщения – 2 мин, продолжительностьпассивной стадии диффузионного выравнивания – 10 мин, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
