Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Так, для стали 16Х3НВФМБ-Штеплостойкостьограничивается350°С,длядеталейизстали13Х3Н3М2ВФБ-Ш допускается нагрев до 480-500 °С.С целью оценки сопротивления схватыванию указанных материаловпроведен расчет на заедание по энергетической модели (см. п. 2.5) двухтипов зубчатых колес, применяемых в авиационном моторостроении [7]:Зона 1Рисунок 5.10 – МикроструктураЗона 2диффузионногоСердцевинаслоястали10Х3Н3М2ВФБ-Ш после вакуумной цементации и ионно-вакуумногоазотирования в течение 15 часов при температуре 480 °С [7]- модуль передачи 2,5 мм; количество зубьев z1 = 21, z2 = 23; шириназубчатого венца 28 мм; температура исходного нагрева масла 0 = 200 °С(зубчатая передача № 1);- модуль передачи 4 мм; количество зубьев z1 = 24, z2 = 27; шириназубчатого венца 28 мм; температура исходного нагрева масла 0 = 200 °С(зубчатая передача № 2).Число оборотов шестерни варьировали в пределах от 5 до 25 тысяч вминуту. В ходе расчета зубчатого зацепления обороты шестернипересчитали на окружные скорости скольжения (Vск), которые составили305от 15,1 до 75,3 м/с (зубчатая передача № 1) и от 28,3 до 141,4 м/с (зубчатаяпередача № 2).Вкачестведополнительногокритерияоценкидопустимогосоотношения нагрузочно-скоростных параметров зубчатого зацеплениядля стали 16Х3НВФМБ-Ш также принимали во внимание отражающееограничение по теплостойкости неравенство 350 °С; а для стали13Х3Н3М2ВФБ-Ш – 480 °С.Для различных значений окружных скоростей скольжения получилимаксимальные значения распределенных нормальных нагрузок (Pmax,Н/мм), при которых в соответствии с энергетической теорией схватыванияне происходит, а длительная температура разогрева рабочих поверхностейне превосходит пороговых значений теплостойкости (рисунок 5.11).Полученные кривые показывают, что более теплостойкая сталь10Х3Н3М2ВФБ-Ш,технологиисхватываниюподвергнутая(комбинированнаяприупрочнениюХТО),существеннопообеспечиваетбольшихинновационнойсопротивлениенагрузках,чемсталь16Х3НВФМБ-Ш, подвергнутая традиционной обработке – вакуумнойцементации.
При больших скоростях скольжения эффект от применениястали 13Х3Н3М2ВФБ-Ш, подвергнутой комбинированной ХТО, заметновозрастает.Так,присравнительномалыхскоростяхскольжения(приблизительно до 60 м/с) максимальные допустимые нагрузки приприменении более теплостойкой стали, упрочненной по новому методу,возрастают примерно на 10 %. При высоких скоростях скольженияположительный эффект от использования новых материалов и технологийсоставляет 17-20 %.306а)б)Рисунок 5.11 – Зависимость максимально допустимой распределеннойнормальной нагрузки Pmax от окружной скорости скольжения Vск взубчатых передачах № 1 (а) и № 2 (б): 1 – сталь 13Х3Н3М2ВФБ-Ш,подвергнутая комбинированной ХТО; 2 – сталь 16Х3НВФМБ-Ш,подвергнутая вакуумной цементации [7]Максимальный эффект от применения стали 13Х3Н3М2ВФБ-Ш,подвергнутой комбинированной ХТО, наблюдается в высокомодульнойпередаче № 2, в которой окружные скорости скольжения достигаютмаксимальных значений.Таким образом, при дальнейшем росте скоростных показателей всовременных авиационных зубчатых передачах рекомендуется применятьболеетеплостойкиесталитипа13Х3Н3М2ВФБ-Ш,поверхностноеупрочнение которых целесообразно проводить по схеме комбинированнойХТО (включающей в себя вакуумную цементацию и ионно-плазменноеазотирование) [7] или вакуумной нитроцементации [342].Подобного эффекта следует ожидать и при применении зубчатыхпередач с высоким коэффициентом перекрытия, шевронных колес, а такженесимметричных зубьев, в которых существенно возрастает нагрев307рабочих поверхностей, что аналогично повышению скоростей скольженияв обычных зубчатых передачах.Следует отметить, что, согласно проведенным расчетам на основеэнергетической теории, при высоких нагрузках в зацеплении заеданиезубчатых колес из стали 16Х3НВФМБ-Ш может происходить уже притемпературах рабочих поверхностей от 280 °С, а из 13Х3Н3М2ВФБ-Ш– от 330 °С, т.е.
существенно меньших, чем температуры их предельнойтеплостойкости. Данное обстоятельство отражает значение пластическойдеформации как необходимого условия развития заедания как крайнегосостояния адгезионного взаимодействия.Такжерешализадачуоптимальноговыборавариантовтехнологического режима вакуумной цементации для двух зубчатыхпередач ГТД: – модуль 2,5 мм; № 2 – модуль 4 мм [347].По соображениям расчетного теплового режима для зубчатойпередачи № 1 выбрали теплостойкую сталь 16Х3НФМБ-Ш, для зубчатойпередачи № 2 - особо теплостойкую сталь 13Х3Н3М2ВФБ-Ш (послеИПД). Для стали 10Х3Н3М2ВФБ-Ш при большем содержании сильныхкарбидообразующих элементов и никеля, стабилизирующего аустенит,характерна более высокая концентрация углерода, соответствующаяначалу выделения цементитной фазы.
Кроме того, если закалка стали16Х3НФМБ-Ш проводится с температуры 940 °C, то зубчатые колеса изстали 10Х3Н3М2ВФБ-Ш закаливаются с температуры 1010 °C, прикоторой область образования цементита еще более сдвигается в сторонувысоких концентраций углерода.В связи с изложенным, оптимальную концентрацию углерода наповерхности (после снятия припуска на шлифование около 0,20 мм) длязубчатой передачи № 1 приняли, равной 1,0 %, для зубчатой передачи № 2– 1,1 %.308С учетом модуля зубчатой передачи в соответствии с неравенством(2) рассчитали эффективную глубину слоя.
Для передачи № 1 онасоставила 0,7 мм, для передачи № 2 – 1,1 мм.Необходимо отметить, что установление оптимальных режимоввакуумной цементации путем экспериментального перебора являетсяисключительнотрудо-иресурсоемкойзадачей,посколькутехнологический режим данного процесса определяется совокупностьюбольшого числа управляющих факторов (см. рисунок 2.6).В этой связи проектирование режимов вакуумной цементацииосуществляли при помощи математической модели, описанной в главе 3настоящей работы, основу которой представляет решение диффузионнойзадачи в граничных условиях, отражающих особенности вакуумнойцементации.
Модель учитывает химический состав стали; зарождение,рост и частичное (полное) растворение частиц карбидной фазы сложногосостава.Математическаямодельустанавливаетзависимостьмеждутехнологическими факторами вакуумной цементации и характеристикамидиффузионного слоя (С0,20 – концентрация углерода на поверхности послеснятия припуска на механическую обработку; а также hэфф).В результате расчета по модели получили следующие оптимальныережимы вакуумной цементации зубчатых колес [347]:- зубчатая передача № 1 – t = 940 °C; QC = 0,03 м3/мин;общ = 200 мин; а = 2 мин; п = 18 мин; N = 10 циклов;- зубчатая передача № 2 – t = 940 °C; QC = 0,03 м3/мин;общ = 540 мин; а = 2 мин; п = 25 мин; N = 20 циклов.При этом расчетные характеристики диффузионного слоя составили:- зубчатая передача № 1 – C0,20 = 0,99 %; hэфф = 0,73 мм;- зубчатая передача № 2 – C0,20 = 1,12 %; hэфф = 1,07 мм.309Расчетные концентрационные кривые углерода после вакуумнойцементации по указанным режимам представлены на рисунке 5.12.1,4Концентрация углерода, %1,210,80,60,40,2000,20,40,60,811,2Расстояние от поверхности, ммРисунок 5.12 – Кривые концентраций углерода в результате вакуумнойцементации зубчатых колес № 1 (пунктирная линия) и № 2 (сплошнаялиния) по разработанным вариантам технологических режимов [347]Металлографический анализ микроструктуры диффузионного слоя,полученного на стали 13Х3Н3М2ВФБ-Ш, подвергнутой вакуумнойцементации по вышеуказанному режиму, разработанному для зубчатыхколес передачи № 2, показал, что присутствие частиц цементитной фазы(активная карбидная зона) ограничено тонкой приповерхностной зоной(рисунок 5.13), удаляемой в ходе финишной механической обработки(зубошлифование) на глубину 0,15-0,20 мм.310Рисунок 5.13 – Микроструктура диффузионного слоя зубчатого колеса изстали13Х3Н3М2ВФБ-Ш,подвергнутогоцементациипорежиму,обеспечивающему максимальное сопротивление изгибной усталостиАналогичныеданныеполученыпорезультатамметаллографического анализа цементованных слоев на зубчатых колесахпередачи № 1 из стали 16Х3НВФМБ-Ш по разработанному вариантутехнологического режима.Таким образом, разработаны режимы вакуумной цементации двухвысоконагруженных зубчатых передач ГТД, обеспечивающие достижениемаксимальных значений циклической прочности.На основе разработанного в рамках настоящей работы расчетногометодапроектированиягосударственногосовместнотехническогоссотрудникамиуниверситетаим.МосковскогоН.Э.Баумана(А.Е.
Смирновым и Р.С. Фахуртдиновым) и ФГУП "Всероссийскийинститут авиационных материалов" (О.Г. Оспенниковой и В.И. Громовым)311выполненопроектированиецементации,технологическихобеспечивающихзаданныйрежимоввакуумнойуровеньосновныхэксплуатационных свойств высоконагруженных зубчатых колес из сталиВКС-7 для вертолетных редукторов [348].Для изготовления зубчатых колес редукторов вертолетов, гденеобходима большая протяженность упрочненного слоя ( 1,5 мм) приотносительноневысокихтребованияхктеплопрочностииизносостойкости, рекомендована сталь 16Х2Н3МФБАЮ-Ш (ВКС-7),которая разработана взамен стали 12Х2Н4А и превосходит ее посопротивлению контактной усталости, сопротивлению усталости приизгибе и прокаливаемости.
Среди комплексно-легированных сталей,применяемыххарактеризуетсявавиационномнаиболеедвигателестроении,прочнойсердцевинойстальприВКС-7умереннойтеплостойкости – до 250 °С [1].Как показано выше, для достижения максимального пределавыносливости при изгибе цементация теплостойкой стали должнаобеспечитьнасыщенностьуглеродомнаповерхностивпределахконцентраций, при которых цементитная фаза не выделяется.Полная упрочняющая обработка данной стали представляет собойвакуумную цементацию в ацетилене при 940 °С, охлаждение на воздухе,высокий отпуск, нагрев под закалку до 880 °С, закалку в потоке аргона,обработку холодом при -70 °С и отпуск при 200 °С (см.
рисунок 1.20).Структура стали ВКС-7 после такой обработки состоит измартенсита и карбонитридной фазы сложного состава (рисунок 5.14),которая, помимо более крупных (1-3 мкм) частиц легированногопреимущественно хромом цементита, содержит дисперсные (0,3-0,7 мкм)частицы высокопрочных карбидов (Mo2C, W2C, VC), карбонитридов типаNb(C,N) и нитридов AlN, поскольку химический состав стали ВКС-7(16Х2Н3МФБАЮ-Ш) включает в себя небольшое количество азота (см.312таблицу 1.2). Кроме того, в структуре присутствует некоторое количестворазличных карбидов хрома, легированных железом и марганцем.а)б)Рисунок 5.14 – Микроструктура цементованного слоя стали ВКС-7 послехимико-термической и термической обработки: а) приповерхностный слой;б) активная карбидная зона с крупными частицами легированногоцементита, а также с дисперсными частицами специальных карбидов икарбонитридовПри этом частицы легированного цементита располагаются нарасстоянии от поверхности, не превышающем 0,25-0,30 мм (см.рисунок 5.14), и в значительной мере удаляются при шлифовании наглубину 0,15-0,20 мм.
Необходимо отметить, что ножки зубьев, на которыхвозникают максимальные изгибные напряжения, не шлифуются, чтоучитывали при разработке режимов вакуумной цементации.Разрабатывали два технологических режима [348]:313для обеспечения предела контактной выносливости не ниже1680 МПа(приэффективнойтолщинеслоя1,4±0,1ммиприведенном радиусе кривизны зубьев, составляющем 14,0 мм);для обеспечения предела выносливости при изгибе не ниже 850 МПа(при эффективной толщине слоя 0,8±0,1 мм).Установлениетехнологическихфактороврежимоввакуумнойцементации осуществляли расчетным путем.По уточненной формуле (2.16) рассчитали значения насыщенностиуглеродом поверхностислоя, соответствующиезаданному уровнюсопротивления усталости при изгибе.Рассчитанныераспределениянормальныхикасательныхнапряжений, а также приведенных контактных напряжений для заданныхнагрузочныхигеометрическиххарактеристикпредставленынарисунке 5.15.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
