Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 41
Текст из файла (страница 41)
всего 4,6часа (технологический режим № 4) (отображение экрана расчетнойпрограммы на рисунке 5.4).Эпюры рассчитаны при помощи прикладной программы на языкеObject Pascal, разработанной в интегральной среде Embarcadero Delphi [14].Расчеты учитывали припуски на зубохонингование при азотировании,равный 0,05 мм, и на зубошлифование при цементации, равный 0,20 мм.293а)б)Рисунок 5.2. – Сравнение эпюр приведенных и допустимых контактныхнапряжений: а) режим ИА № 1; б) режим ИА № 2 (объяснения в тексте)294Рисунок 5.3. – Сравнение эпюр приведенных и допустимых контактныхнапряжений: режим ИА № 3 (объяснения в тексте)Интерфейс программы использует следующие обозначения: "x, мм"– глубина слоя [мм]; "Конц_С, %" – концентрация углерода [% по массе]на данной глубине слоя x; "Предел_КВ" – H lim [МПа]; "Sпр" – пр, МПа;"Sпр[Kп=1,25]"; "Sпр[Kп=1,50]" и "Sпр[Kп=1,75]" – пр·SH [МПа], приSH = 1,25; SH = 1,50 и SH = 1,75, соответственно (см.
рисунки 5.2, 5.3 и 5.4).При помощи программы [289] выполнен тепловой расчет зубчатойпередачи, согласно которому прогнозируемый нагрев поверхностейзубчатого колеса не превышает 135 °C. Таким образом, с точки зренияпредупреждения схватывания допустимо как применение азотирования потехнологическим режимам № 1, № 2 и № 3, так и вакуумной цементациипо режиму № 4. Вакуумная цементация по режиму № 4 допускаетпроведение закалки в той же вакуумной печи, оборудованной системойохлаждения в потоке инертного газа.295Рисунок 5.4 – Сопоставлениеконтактныхнапряженийприэпюрприведенныхтехнологическомирежимедопустимыхвакуумнойцементации № 4 (объяснения в тексте)Таким образом, для данной детали требуется проводить вакуумнуюцементацию по режиму № 4.В связи с изложенным, вакуумная цементация может быть признанаоптимальным способом поверхностного упрочнения зубчатых колестяжелой дорожной и строительной техники, обеспечивающим наилучшеесоотношение цены и качества за счет снижения затрат на технологическиегазы (как указано выше, в главе 1, во время пассивных стадий они неподаются) и ускорение процесса (за счет высокого углеродного потенциалана активных стадиях, доходящего до 1,0) [14].296При этом, по сравнению с обычными газовыми процессами,обеспечивается более высокое качество насыщенного слоя, стабильностьрезультатов, а также достижение отвечающего современным требованиямуровня культуры производства и экологической безопасности [131, 132].5.2 Определение областей применения основных способов поверхностногоупрочнения зубчатых колес из теплостойких сталейВ работе [64] на основании расчетов по методике, изложенной вп.
2.1 настоящей работы, установлена область применения цементации,нитроцементации и азотирования для упрочнения высоконагруженныхзубчатых колес из комплексно-легированных теплостойких сталей. Восновууказаннойметодикиположенообеспечениеконтактнойвыносливости диффузионных слоев.В основе расчетного метода положены следующие положения:1) протяженность диффузионного слоя, упрочненного азотированием,лимитируетсяпродолжительностьюданногопроцесса,которыйобеспечивает получение диффузионных слоев эффективной толщиной неболее 0,5 мм, а обычно в пределах 0,4 мм за технологически иэкономическицементованныхобоснованноеивремянасыщения;нитроцементованныхслоев2) протяженностьлимитируетсянеобходимостью обеспечивать достаточную протяженность внутреннейвязкой области зуба, обеспечивающую необходимый уровень изгибнойвыносливости.Дляоценки(нитроцементованных)ограниченияслоевпротяженностицелесообразноцементованныхвоспользоватьсясоотношением (1.1), связывающим модуль зубчатой передачи m [мм] иэффективную толщину слоя hэфф, преобразовав его в неравенство:эфф(5.1)297При этом нижний предел значения hэфф определяется расчетнымпутемсопоставленияэпюрприведенныхнапряженийипределаконтактной выносливости (см.
рисунок 2.4а) или, что эквивалентно,выполнения неравенства (2.11).В результате расчетов по указанной методике получили большойобъем данных [64, 346], некоторые из которых в графическом видепредставлены на рисунках 5.5-5.8. Допустимая удельная нагрузка зависитот геометрических параметров зубчатых колес.P lim,Н/ммz = 60z = 40z = 20m, ммРисунок 5.5 – Зависимость максимально допустимой удельной нагрузкиP lim для цементованных слоев от модуля колеса при различном числезубьев (цифры у кривых) [64]298P lim,Н/ммm, ммРисунок 5.6 – Зависимостьдопустимойудельнойнагрузкидляцементованных (1), нитроцементованных (2) и азотированных слоев (3 и 4)от модуля колеса при числе зубьев, равном 20; эффективная толщинаазотированных слоев принята постоянной и равной 0,4 мм; коэффициентбезопасности для цементованных и ниртроцементованных слоев равен1,25, азотированных – 1,25 (кривая 3) и 1,4 (кривая 4) [64]По нагрузочной способности нитроцементованные слои несколькопревосходят цементованные (см.
рисунок 5.6). Проявляется влияние болеевысокой твердости нитроцементованных слоев при практически равнойэффективной толщине по сравнению с цементованными.Кроме того, как указано выше, дисперсионно-твердеющие сталитипаВКС-10вакуумнойцелесообразноцементации.подвергатьЗаменанитроцементациивакуумной(ионной)вместоцементациинитроцементацией также целесообразна при высокой концентрациинитридообразующих элементов (Nb, V, Al и т.д.); для ажурных зубчатыхколес, а также колес, к которым предъявляются максимальные требования299по точности; в зубчатых колесах малого модуля, где недопустимыпротяженныедиффузионныепредъявляемыхкслои,приэксплуатационнымвысокихтребованиях,свойствам.Наибольшаяэффективность характерна для ионной нитроцементации, при которойобеспечивается более интенсивная диссоциация азотсодержащих газов как правило, аммиака.Азотированные слои, как правило, не могут конкурировать сцементованными слоями при модуле колеса более 2,5.
Сравнительнаяоценкацементованныхиазотированныхслоевприразличнойэффективной толщине азотированного слоя приведена на рисунке 5.6. Изположениякривыхследует,чтоазотированныеслоиуспешноконкурируют с цементованными для зубчатых колес с модулем до 2,5 мм.При модуле m = 2,5 азотированный слой должен иметь эффективнуютолщину 0,4 или 0,5 мм.
При таком значении модуля колесацементованный слой на зубьях будет толще, его hэфф составит 0,7 мм, какследует из соотношения (1.1).Необходимо иметь в виду, что для зубчатых колес малых модулейазотирование обеспечивает существенно больший упрочняющий эффект(особенно если применяются алюмосодержащие стали), чем цементация,так как на поверхности азотированных слоев достигаются значительноболее высокая твердость.
Повышение твердости проявляется в значенияхдопустимых контактных напряжений z max. Такой показатель для колесмодуля, равного 2,0 мм и особенно 1,5 мм, при азотировании выше, чемпри цементации. Однако, начиная с m = 2,5 мм, проявляется преимуществоцементации, которое резко увеличивается для колес большего модуля. Сувеличением модуля свыше 2,5 мм и ростом контактных нагрузокувеличиваетсяглубиназалеганиямаксимальныхприведенныхнапряжений, возникает опасность глубинных разрушений. Таким образом,область применения азотирования целесообразно ограничить зубчатыми300колесами модулем не более 2,5 мм. При обеспечении требуемой несущейспособности азотирование для них предпочтительно с технологическойточки зрения.P lim,Н/ммm, ммРисунок 5.7 – Значения допустимой удельной нагрузки для зубчатых колесразличного модуля из стали 16Х3НВФМБ, подвергнутых цементации (Ц) иазотированию (А); цифры у кривых – значения эффективной толщиныазотированного слоя в мм [64]Для зубчатых колес с модулем 3 мм и более основным способомповерхностного упрочнения должна быть цементация или вакуумнаянитроцементация.Припроведениирасчетов,результатомкоторыхявилисьзависимости, представленные на рисунках 5.5-5.8, учитывали, что послецементации (нитроцементации) проводится зубошлифование со снятиемприпуска 0,15-0,20 мм, а после азотирования – зубохонингование соснятием припуска около 0,05 мм.301H lim,МПаm, ммРисунок 5.8 – Расчетные предельно допустимые значения максимальныхконтактных нормальных напряжений при различных модулях зубчатыхколес из стали 16Х3НВФМБ-Ш, подвергнутых цементации (Ц) иазотированию (А) (цифры у кривых–значения коэффициентовбезопасности; эффективная толщина азотированного слоя принята равной0,4 мм) [346]В этой связи при поверхностном упрочнении зубчатых колесбольшого диаметра (см.
зубчатое колесо главного судового редукторадиаметром 1200 мм и соответствующего модуля на рисунке 1.5),рационально заменять цементацию (нитроцементацию) азотированием,несмотря на то, что в данном случае m >> 2,5 мм [21], по причине большойтрудоемкости зубошлифования и даже отсутствия принципиальнойвозможности его осуществления.Вместе с тем, в работе [24] обращено внимание, что и в таком случаеработоспособность зубчатого колеса лимитируется его контактнойвыносливостью. В этой связи при решении вопроса о допустимости302азотирования, а также времени его проведения, обеспечивающегонеобходимую протяженность упрочненного слоя, необходимо проводитьрасчет на выполнение требований по контактной выносливости согласнометодике, изложенной в п.
2.1 настоящей работы либо адоптировать казотированию более точную расчетную методику, изложенную в п. 2.3.При установлении зависимости предела контактной выносливостиазотированныхслоевпредставляетсядопустимымиспользоватьсоотношение (2.14) с соответсвующими уточнениями, связанными сконтактным видом нагружения (см. п. 2.3), а также экспериментальнорасчетным путем модифицировать выражение напряжения внутреннеготрения(2.15)дляазотированныхслоевнаприменяемойстали,характеризующейся соответствующим химическим и фазовым составом.5.3 Применениерасчетныхметодовкразработкетехнологическихрежимов ХТО высоконагруженных зубчатых колес из теплостойкихсталей, обеспечивающих заданный уровень основных эксплуатационныхсвойствРазработанная расчетная методика использована для проектированиярядатехнологическихкомбинированнойХТО,режимоввакуумнойобеспечивающихцементациидостижениеитребуемыхэксплуатационных свойств конкретных зубчатых передач, применяемых вавиационныхмоторах,определяемыхнагрузочно-скоростнымиигеометрическими параметрами.Так, расчетный метод проектирования технологических режимовХТО применили для анализа сопротивлению заедания зубчатых передач изсталей16Х3НВФМБ-Ши13Х3Н3М2ВФБ-Шдляавиационныхгазотурбинных двигателей в целях определения уровня сопротивлениюзаеданию [7].303Расчеты проводили для зубчатых колес из стали 16Х3НВФМБ-Ш,подвергнутой цементации, и стали 13Х3Н3М2ВФБ-Ш, подвергнутойкомбинированной ХТО, состоящей из вакуумной цементации на глубинудиффузионногослоя,обеспечивающуютребуемоесопротивлениеконтактной усталости, и финишного ионно-плазменного азотирования.При проведении расчетов принимали, что в результате цементации,после снятия припуска на шлифование, равного 0,2 мм, концентрациякарбидной фазы на рабочей поверхности зубчатого колеса из стали16Х3НВФМБ-Ш примерно равна 25 % (рисунок 5.9).
Соответственнотвердостьупрочненной поверхности при температуре 0 °С составляет63 HRC (705 HB), а при температуре 300 °С понижается примерно до61 HRC (670 HB).Рисунок 5.9 – Микроструктурадиффузионногослоястали16Х3НВФМБ-Ш после вакуумной цементацииВстали13Х3Н3ВМ2Ф-Шпослевакуумнойцементацииипоследующего ионно-плазменного азотирования суммарная концентрациякарбонитридов на рабочей поверхности составляет после завершающегонасыщения азотом около 20 % с учетом припуска на зубохонингование0,05-0,10 мм (рисунок 5.10). При этом твердость поверхности зуба при20 °С обеспечивается на уровне 66 HRC (759 HB), а при 300 °С примерноравна 65 HRC (739 HB).304Необходимо также отметить, что указанные материалы различаютсяпредельной теплостойкостью [1].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
