Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 44
Текст из файла (страница 44)
В отличие от существующих схем привакуумной нитроцементации впервые применена в промышленнойтехнологии постоянная подача аммиака. Применение новой технологиипозволило повысить предел текучести на сдвиг упрочненного слоя на30 %, а контактную выносливость более чем в 1,5 раза по сравнению страдиционной технологией ХТО [133].а)б)Рисунок 5.21 – Микроструктура нитроцементованного слоя на зубьяхколес из стали ВКС-10, обеспечивающего максимальную контактнуювыносливость (объяснения в тексте): а) диффузионный слой; б)приповерхностная область325а)б)Рисунок 5.22 – Микроструктура нитроцементованного слоя на зубьяхколес из стали ВКС-10, обеспечивающего максимальную выносливостьприизгибе(объяснениявтексте):а)диффузионныйслой;б)приповерхностная областьКак показал проведенный в главе 1 настоящей работы анализ, сталямВКС-5 (16Х3НВФМБ-Ш) и 20Х3МВФ-Ш, легированным 3 % Cr,приблизительносоответствуетстальCSS-233(см.таблицу1.3),легированная 5 % хрома при отсутствии никеля.
Как следует изполученных в главе 4 настоящей работы предлагается при разработке326новых теплостойких сталей данного типа упрочнения (не дисперсионнотвердеющих) целесообразно увеличивать легирование хромом вплоть до4,5-5,0 %, а, возможно, и более.Как представляется, еще большие возможности предоставляетприменение дисперсионно-твердеющих сталей типа ВКС-10, достаточноблизким аналогом которой является сталь CBS-50 Nil (см.
таблицу 1.3).Вместе с тем за рубежом разработаны цементуемые (нитроцементуемые)дисперсионно-твердеющие теплостойкие стали, характеризующиеся ещеболеевысокимисвойствами,такиекакCSS-42L,Ferrium C61иFerrium C61, содержащие 12-18 % кобальта. В практике отечественногоагрегатостроения аналоги данных сталей в настоящее время еще не нашлисвоего применения. Вместе с тем, в связи с практически обусловленнойнеобходимостью снижения массы и увеличения теплостойкости особовысоконагруженных зубчатых колес для авиационных и других наиболееответственныхагрегатовтранспортныхмашинприменениеновыхматериалов является насущной необходимостью.Такимтеплостойкихобразом,сталей:можноа)выделитьобычные,дваосновныхлегированныеподклассазначительнымколичеством хрома (не менее 3 % по массе), небольшим количествомникеля (не более 1,0-1,5 % по массе), относительно большим количеством(как правило, в сумме несколько более 2 % по массе) сильныхкарбидообразующих элементов (Mo, W, V и др.), которые обеспечиваютупрочнение за счет образования тугоплавких карбидов (карбонитридов) впроцессе цементации (нитроцементации); б) дисперсионно-твердеющиестали,упрочняемыенавторичнуютвердость,вкоторыхкарбидообразующие элементы Mo, W, V в большинстве вариантовлегирования присутствуют в заметно большем количестве (не менее 3 %, ачаще 4-5 %).
Упрочнение на вторичную твердость обеспечивается за счетстабилизации аустенита никелем (3,0-3,5 % в сталях ВКС-10 и CBS-50 Nil,3277-10 % в сталях Ferrium C61 и Ferrium C61) и (или) кобальтом (в сталяхCSS-42L, Ferrium C61 и Ferrium C61).Преимуществом второго подкласса теплостойких сталей являетсявозможность применения в особо высокоскоростных и нагруженныхзубчатых передачах, где допускается нагрев рабочих поверхностейпримерно до 500 °С.
Данные стали характеризуются более высокимихарактеристиками по сопротивлению многоцикловой усталости за счетупрочнениямелкодисперснымичастицамитугоплавкихкарбидов(карбонитридов).Вместе с тем, как показали выполненные в главе 4 настоящей работычисленные эксперименты, подкласс обычных теплостойких сталей типаВКС-5 не исчерпал полностью своих возможностей при условиисовершенствованиясистемыихлегированиявсоответствииспредлагаемыми рекомендациями. Так, в частности, при проведении ХТО вцелях обеспечения максимальной абразивной износостойкости данныестали обеспечивают после насыщения более высокие значения твердостии, следовательно, сопротивления абразивному изнашиванию. Также сталиданного подкласса могут быть использованы в особо ответственныхпередачах транспортного агрегатостроения, не связанного с авиацией, гдедопускается применение сталей, характеризующиеся несколько менеевысокой теплостойкостью.Кроме того, применение данных сталей экономически целесообразноввиду меньшего содержания дефицитных и дорогостоящих легирующихэлементов, применяемых в сталях типа CSS-42L.3285.5.
Номограммы для определения факторов технологических режимоввакуумной цементацииОдной из особенностей вакуумной цементации является наличиеряда независимых управляющих факторов (общая продолжительностьпроцесса; количество циклов, состоящих из стадий активного насыщения ипассивного диффузионного выравнивания; соотношение стадий циклов),от которых зависят результирующий уровень свойств. Кроме того режимывакуумной цементации могут быть периодическими (при постоянномсоотношениистадийтехнологическихцикла)факторовиапериодическими.вакуумнойцементацииСовокупностисоответствуютконцентрационные профили насыщенности упрочненных слоев углеродом,распределения содержания карбидных фаз на основе цементита итугоплавких карбидов, среднего диаметра их частиц, а также твердости поглубинеслоя.цементованныхПрислоевэтомосновныезубчатыхэксплуатационныеколес:контактнаяисвойстваизгибнаявыносливость, а также сопротивление заеданию могут быть с достаточнойдля практических целей точностью определены расчетным путем по этимданным.
Эти зависимости явились основой для разработки методикипроектирования технологических режимов вакуумной цементации припомощи прикладных программных средств [250].Такиепрограммныесредствапомимонепосредственногоиспользования в целях проектирования режимов вакуумной цементациипредоставляют возможность автоматизированной разработки номограмм[349], которые, в свою очередь, могут применяться для определенияфакторов типовых режимов вакуумной цементации в заводской практике.Учитывая изложенное, в настоящей работе разработаны номограммыдля определения технологических факторов вакуумной цементациизубчатых колес из стали 16Х3НВФМБ-Ш, в зависимости от требуемыхэксплуатационных свойств.329В настоящей работе ограничились построением номограмм дляпериодических вариантов режимов, продолжительность единичного циклакоторых составляет 10-25 мин.Следующие номограммы предназначены для определения требуемыхпараметров диффузионных слоев.1.
Номограммы для определения эффективной толщины слоя инасыщенности углеродом поверхности (Спов), обеспечивающие заданныйпредел контактной выносливости (рис. 5.23).2. Номограммы для определения эффективной толщины слоя инасыщенности углеродом поверхности, обеспечивающие заданный пределизгибной выносливости (рис. 5.24).При применении номограмм 1 и 2 необходимо учитывать, что они,как указано выше, предполагают последующее снятие припусков нашлифование,протяженностью0,15-0,20мм,обязательноедлявысокоточных авиационных зубчатых колес.3. Номограмма для определения требуемой твердости поверхности,обеспечивающей сопротивление заеданию при задаваемых значенияхскорости скольжения и максимальных нормальных напряжениях наплощадке контакта (рис. 5.25).Для использования данной номограммы требуется установитьсоответствующую насыщенность поверхности углеродом, полученной изномограммы твердости поверхности (HV) по формуле (2.9), при твердостилегированного около 5 % Cr цементита HVц ≈ 1200 [350]; тугоплавкихкарбидов HVк ≈ 1900 (согласно усредненным данным [351]); мартенситаHVм = HVм(Сн), зависящая от концентрации углерода Сн; соответственнообъемные доли частиц цементита и тугоплавких карбидов: pц ≈ (Сн 0,8)/5,9 и pк ≈ 0,015.330Предел контактной выносливости, МПа20001,71,619001,518001,317001,21,11,016003456Модуль зубчатой передачи, ммПредел контактной выносливости, МПаа)20002,019001,71,518001,41,317001,21,1516003456Модуль зубчатой передачи, ммб)Рисунок 5.23 – Номограммы для определения параметров диффузионногослоя стали 16Х3НВФМБ-Ш для обеспечения контактной выносливости: а)для определения эффективной толщины слоя (цифры у кривых hэфф доснятия припусков на шлифование); б) для определения концентрацииуглерода на поверхности (цифры у кривых Спов до снятия припусков)331Эффективная толщинадиффузионного слоя, мм2,521,510,53456Модуль зубчатой передачи, мма)Предел изгибной выносливости, МПа10000,89500,91,11,69001,51,48501,31,28000,811,21,4Концентрация углерода на поверхности, % масс.б)Рисунок 5.24 – Номограммы для определения параметров диффузионногослоя стали 16Х3НВФМБ-Ш для обеспечения изгибной выносливости:а) пределы допустимых значений эффективной толщины слоя (до снятияприпусков на шлифование); б) для определения концентрации углерода наповерхности (цифры у кривых hэфф до снятия припусков на шлифование)3329002050Твердость поверхности HV17001500800185070013001950200060010305070Скорость скольжения, м/сРисунок 5.25 – Номограмма для определения параметров диффузионногослоя стали 16Х3НВФМБ-Ш для обеспечения сопротивления заеданию(цифры у кривых - предельно допустимые максимальныенормальныенапряжения на площадке контакта, твердость поверхности с учетом снятияприпусков на шлифование)При этом твердость мартенсита путем аппроксимации данных [261]полиномом можно оценить по формуле:HVм 60 1097 Сн 426 Cн2 .(5.3)На основании указанных выше данных получена зависимостьтвердости от содержания углерода в стали 16Х3НВФМБ-Ш (рис.
5.26).По данным [49] твердостью 800 HV (64 HRC) практическиисчерпываютсятехнологическиевозможностицементациихромоникельмолибденовых сталей. С учетом легирования вольфрамомстали16Х3НВФМБ-Швакуумнаяцементацияможетобеспечить333несколько большую твердость поверхности (около 65-66 HRC или 820-860HV).800700Твердость HV6005004003002000,20,40,60,811,21,41,61,82Содержание углерода, % масс.Рисунок 5.26 – Зависимость твердости и содержания углерода в стали16Х3НВФМБ-ШСледующие номограммы отражают связь между параметрамидиффузионногослояитехнологическимифакторамивакуумнойцементации.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
