автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование влияния структуры азотированных сталей на контактную усталость и разработка технологии предварительной термической обработки и ионного азотирования зубчатых колес из стали 16Х2НЗМФБАЮ-Ш

МОСКОВСКИ! ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛПЩ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Э. БАУМАНА

ШУВДОВАНЗШ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУР« АЗОТИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ НА КОНТАКТНУЮ УСТАЛОСТЬ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРЕДВАРИтельной ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ИЗ СТАЛИ 16Х2НЗМ$БАЮ-Ш

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработкь . металлов

На правах рукописи

КАРПУХИН СЕРГЕЙ ДМИТРИЕВИЧ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственном Техническом Университете имени Н.Э. Баумана.

Научшй руководитель - заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

доктор технических наук, профессор АРЗАМАСОВ Б.Н.

Научшй консультант - кандидат технических наук, доцент

ГЕРАСИМОВ С.А.

(финальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

СОРОКИН Т.М: - кандидат технических наук, доцент РЯБЧЕНКО Е.В. .

Ведущее предприятие - Калужский турбинный завод

Защита диссертации состоится 2/ декаоря 1992 года на заседании специализированного совета К ü5;i.Ib.I3 Московског Государственного Технического Университета им. H.Ii. Баумана п. адресу': 107005, Москва, 2-я Бауманская, 5.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЫГГУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан miJ* ^ 1991 года.

Учений секретарь -

специализированного совета, \—

кандидат технических наук, доцент и Шуб1ш H.H.

Подписано к печати //■ / У У? г. Объем I п.л. Тираж 1ио экз. Заказ Л __Ротапринт ШТУ им. Н.Э. Баумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время поверхностное упрочнение азотированием широка применяется для повышения твердости и износостойкости стальных деталей машин. Преимуществом азотированного' слоя является высокая твердость и износостойкость, превосходящая износостойкость, например, цементованного слоя в 2-4 раза. Азотирование обеспечивет минимальные деформации деталей й в связи.с этим, как правило, является заключительной операцией всей технологической цепочки изготовления детали.

Шесте с тем азотированный слой слабо противостоит контактному разрушению и азотирование не.используется для деталей, работающих при контактных напряжениях свыше 700-800 МПа, так как в соответствии с ГОСТ 21354-87 предел контактной выносливости азотированных сталей в ^ 1,5 раза юлке цементованных и не превышает 1050 МПа. Поэтому высоконапряженные высокоточные детали машин, такие как зубчатые колоса', изготавливаются с применением цементации й требуют последующего шлифования. Трудоемкость шлифования зубчатых колес составляет до 40% от всей трудоемкости их изготовления. Повышение предела контактной выносливости азотируемых сталей является актуальной задачей, так как позволит перевести часть нагруженных зубчатых колес на упрочнение азотированием, которое сохраняет точность размеров, формы и шероховатость поверхности, полученных в процессе высокоскоростного тонкого зубофрезерова-ния, соответствующих 5-6 степени точности по ГОСТ 1643-81.

Однако' вопрос контактной усталости азотированных сталей изучен недостаточно. В этой связи, с"металловедческой точки зрения, особу» актуальность приобретает изучение структурных аспектов контактной усталости азотированных сталей. Решающее влияние на структуру азотированпого слоя и сердцевины ("композиционного материала азотированный слой - матрица") оказывает химический состав стали, технология предварительной термической и химико-термической обработок. В настоящем исследовании сделана попытка па каядсй из этих операций и- всех в комплексе создать структуру азотированной стали, наилучшим образом противостоящей контактной усталости, и рекомендовать сталь способную обеспечить заданную структуру.

Цель и задачи исследования. Целью работы являлось изучение влияния структуры азотированного слоя на контактно-усталостные характеристики и разработка технологических процессов предвари-

тельной термической обработки и ионного азотирования, обеспечи-ващих повышение контактной выносливости азотированных сталей.

В задачи исследования входило:

1. Выявление области силовых и геометрических параметров азотируемых зубчатых колес на основе анализа существующих представлений о механизме контактной усталости.

2. Обоснование выбора стали 16Х2ЮМФБАЮ-Ш (ВКС-7) для азотируемых деталей машин, работающих в условиях высоких контактных напряжений.

3. Исследование влияния размера аустенитного зерна на структуру и контактно-усталостные характеристики азотированного слоя и разработка технологии предварительной термической обработки стали ВКС-7 с целью получения мелкого зерна аустенита.

4. Исследование влияния технологических факторов ионного азотирования на структуру, фазбвый состав и свойства азотированного слоя и разработка технологии ионного азотирования для оосс-печения максимальной контактной выносливости стали ВКС-7.

В задачи работы входило также промышленное опробование технологических решений, направленных на повышение ресурса работы зубчатых колес и снижения трудоемкости их изготовления.

Автор защищает:

1. Научно обоснованный выбор стали для азотирования деталей машин, работающих в условиях высоких контактных напряжений, на основе установленных причин низкой контактной выносливости азотируемых сталей перлитного класса.

2. Результаты экспериментальных исследований по контактной усталости азотированной стали 16Х2НЗМФБАЮ-Ш:

- установленные закономерности контактной выносливости азотированной стали в зависимости от исходной структуры перед азотированием;

- установленные закономерности контактной выносливости азотированной стали в зависимости от структуры даЭДузионого слоя и технологических параметров ионного азотирования, формирующих эту структуру.

Научная новизна работы.

1. Научно обоснована низкая контактная выносливость широко используемых конструкционных улучшаемых сталей перлитного класса типа 38Х2МЮА.

2. На основе электронномшфоскопических исследований выявлено положительное влияния никеля в азотируемых сталях на рас-

гределениэ нитридных и карбидных фаз как в диффузионном слое, ■эк и в сердцевине.

3. Установлено влияние размера аустенитного зерна на кон-•актную выносливость азотированной стали.

4. Выявлена эффективность способов и режимов измельчения аустенитного зерна предварительной термической обработкой.

5. Установлена закономерность изменения контактной выносли-га'сти азотированных сталей в зависимости от плотности и размеров эделений нитридов, а также величины микродеформации кристалли-[бской решетки а-твердого раствора.

Практическая ценность и реализация результатов работы в тромшдленности. Разработаны оригинальная технология предварительной термической обработки заготовок и технология ионного вотирования высоконапряженных азотированных зубчатых колес из эекомендоваяной стали вкс-7, что позволило повысить предел контактной выносливости азотированных сталей в >1,5 раза.

В соответствии с разработанной технологией упрочнения изготовлена партия зубчатых колес опытного судового планетарного аддуктора в НПО "Мащроект" г.Николаева. Проведенные испытания эедукгора по полной программе подтвердили эффективность предло-кенных подходов. Техническая новизна разработанных технологий юдтверкдена'авторскими свидетельствами на изобретения.

В целом в работе впервые доказана практическая возможность использования поверхностного упрочнения азотированием для изготовления высоконапрякенных зубчатых колес. Апробация работы. Основные положения работы обсуждены на Всесо-сзннх научно-технических конференциях "Новые технологии термической и химико-термической обработок деталей машин и инструмента" (Тольятти, 1986 г.), "Современные методы расчета и проектирования зубчатых передач" (Уфа, 1987 г.), "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработок деталей мамин и инструмента" (Махачкала 1990 г.), научных семинарах кафедра "Материаловедение и термическая обработка" КГТУ им.Н.Э.Баумана.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работу, получены 2 авторских свидетельства и 2 положительных решения по заявкам на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация излокена на 115 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 15 таблиц; состоит из введения, б глав, выводов, списка литературы из I2G

наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

В первой главе на основе теоретического анализа напряжений, возникающих при контактном сжатии двух тел, показано, что возможны два случая контактных.: разрушений: глубинное разрушение, когда трещина образуется под слоем или на■определенной глубине от поверхности, как правило, на глубине действия максимальных приведенных касательных напряжений; поверхностное разрушение, берущее начало на поверхности упрочненного слоя.

Исходя из формул энергетической теории прочности и- гипотезы максимальных приведенных касательных напряжений для случая первоначального контакта' по линии, используя установленную Р.Р.Гальпером зависимость между глубинными котактными разрушениями и свойствами азотированного слоя, показано, что для большой группы высоконапряженных деталей машин, в том числе зубчатых колес диаметром до 600 мм, контактная выносливость определяется поверхностными контактными разрушениями/ проблема повышения сопротивляемости которым и рассматривается в работе.

Анализ существующих гипотез возникновения и развития усталости в металлах и сплавах позволил выявить два принципиальных положения: во-первых, возникновение и развитие усталостной трещины связано с пластической деформацией' материала (движением дислокаций) в микрообъемах; во-вторых, любая неоднородность структуры является концентратором напряжений и вероятным источником возникновения усталостной трещины.

Исходя из исследований О.Н.Романива, Л.А.Эрасмуса.многоцикловой усталости -высокопрочных сталей с мартенситной структурой с высоким уровнем напряжений, можно предположить, что усталост ная выносливость азотированного слоя, имеющего высокую твердость, высокий уровень внутренних остаточных напряжений, должна определяться стадией зарождения трещины.

Для стадий инкубационного- периода усталостного разрушения решающими являются дислокационные реакции - движение дислокаций, их взаимодействие между собой и с другими структурными несовер шенствами, а также повышение плотности дислокаций до критических значений на препятствиях, 'Г^ким образом возникаю^ области с высокой концентрацией напряжений,, часто превышающих макроскопические значения прочности сплава. Релаксация возникающих пиковых напряжений возможна либо в результате прорыва оарьиров и возник-

новения новых очагов микропластичности в смежных объемах, либо за счет образования зародышей хрупких трещин в результате ухода дислокаций в полость образующейся субмихротрещины. Период развития млкротрещин до размеров макротрещин и их развитие до разру-шония детали является заключительным этапом процесса.

Итак, накопление усталостной повреждаемости связано с локализацией деформации в микрообъемах, что требует создания структур способных сопротивляться движению дислокаций и возникновению остаточной микродеформации.

Согласно работам В.И.Сарраха очагами микропластической деформации в высокопрочных сталях служат участки с повышенной концентрацией внутренних напряжений второго рода. Суммируясь с внешними напряжениями, микронапрякения способствуют локальному перенапряжению отдельных микрообъемов и ранней микротекучести.

Процесс азотирования позволяет создавать в слое барьеры для движения дислокаций с различным механизмом их торможения: от точечных препятствий в виде растворенных атомов азота в решетке а-железа, до зон Гинье-Престона и некогерентных нитридных частиц, которые одновремешю формируют структурную неоднородность азотированной стали, порождая совокупность концентраторов напряжений различной "мощности". Следовательно, изменяя структуру азотированного слоя за счет подбора химического состав стали, разработки технологии предварительной термической и химико-термической обработки, представляется возможным воздействовать иа контактно-усталостные характеристики азотированной стали.

Дальнейшие исследования связаны с изучением зависимости контактно-усталостных характеристик от структуры "композиционного материала азотированный слой - матрица".

Во второй главе приведено описание оборудования и методики нсследовагтй. Объект&чи исследования служили стали перлитного класса (38Х2МШ) и мартенсптвого класса (16Х2НЗМФБАЮ, 38ХШШ, 10ХЗГНМФА), используемые в качестве азотируемых, и цементуемая сталь 18Х2Н4ВА. Наряду со сталями исследовались специально вып-лавлепшо сплавы на основе железа с 4 I хрома и никеля от О до 3 %. Азотирование проводилось п плазме тлетеего разряда на опытно-промышленной установке типа ИОН-ЗО в различных газовых средах и в шахтных печах в среде частично диссоциированного аммиака в заводских условиях.

В работе проводился качественный фазовый рентгеноструктур-ный анализ, а также определялась величина областей когерентного

рассеяния и микродеформаций кристаллической решетки а-твардогс раствора. Съемка рентгенограмм осуществлялась на дифрактоматре ДРОН-3. Для определения величины блоков и микродвформаций в работе использовался метод гармонического анализа формы линий рентгенограмм при разложении их профиля в ряды Фурье.

Электронномикроскопическое исследование азотированного слоя и матрицы методом тонких фоль г и угольных экстракционных решиш на просвет проводилось на электронных микроскопах тьзи вз-540 н ЛХ)Ь-200 сх. Использовались как метод монокристаллической микродифракции, так и методы светлопольного и темнопольного контраста

Фрактографическое исследование изломов азотированных образцов проводилось методом скшшрупдей электронной микроскопии ггрл формировании изображения вторичными электронами на растровой электронном микроскопе ТЕЗи ££-340.

Испытания на контактную усталость проводились в* соответствии с ГОСТ 25.501-78 на машинах ЦКВ-К с точечным контактом по схеме качения без проскальзывания для определения долговечности при напряжении огтах= ЬООО Н. Для построения кривой контактноа усталости при линейном контакте использовались роликевыо стенды, работающие по схеме качения с проскальзыванием.

В третьей главе обоснован выбор стали для азотирования зубчатых колес,работающих с высокими контактными напряжениями.

Анализ литературных данных и экспериментальные результаты работы позволили установить влияние легируодих элементов на структуру и свойства азотированного слоя. Для получения азотированного слоя способного наилучшим образом противостоять контактным разрушениям сталь должна содержать минимально возконноа количество углерода для уменьшения вероятности образования хрупкого пористого слоя е-фазы. Суммарное содержание штридообразущих элементов -достаточно в пределах 3-4% для получения высокого уровня твердости.азотированного слоя. Дальнейшее повышение количества этих элементов не приводит, к существенному росту твердости, но заметно снижает глубину азотированного слоя. Нежелательно легирование стали алшинием, который способствует расширению области гомогенности высокоазотистой е-фазы.

В результате исследований тонкой.структуры модельных сплавов Ре-4 %Сг и Ре-4 ЖСг-3 азотированных при температуре 520 °С в печи в течение 60 часов, установлено положительное влияние легирования никелем на однородность выделяющихся в процессе азотирования нитридов хрома. В сплаве без никеля наряду с рнвно-

мерно распределенными нитридами по телу зерна размером 3-5 нм, «плотность!) р = (0,8-1,2) х 10 м-3, наблюдаются цепочки круп-¡¡их нитридов, ваделившкхся на несовершенствах кристаллической решетки а-твердого раствора (границах зерен, блоков, дислокациях) размером Ю-зо нм. В сплаве с 3* никеля наблюдается более однородное распределение частиц нитридной фазы размером 3-8 нм и плотносты) р = (2,0-2,2) х 10 22 м"3. Более равномерное выделе-гае нитридов хрома в модельном сплаве Рв-4 ХСг-З %//( по сравнению со сплавом Те-4 Кг, возможно, связано с замедлением никелем диффузионной подвижности атомов хрома, что приводит к появ-;:е;мю большего числа кластеров - зародышей нитридной фазы, обра-зухгаихся по твердорастворному механизму, требупцему диффузии как атомов азота, так й атомов нитридообразуодих элементов.

Исследования, широко применяемой при азотировании' стали 38Х2МШ позволили объяснить ее низкую контактную выносливость двумя основными причинами: во-первых, чрезвычайно большой величиной микродефордашш кристаллической решетки а-твердого раствора (е^= 0,0040 i 2хЮ"4), которая связана с образованием преиму-вюственно когерентных матричных выделений и соизмерима с микродеформацией в закаленных цементованных сталях, и, во-вторых, выделением на границах исходных аустенитных зерен карбидных и нитридных фаз.. Оказалось, что кроме 7'-фазы по границам зерен образуется цементитнал сотка, как в азотированном слое, так и в сердцевине.

Выявленные особенности структуры приводят к ослаблению мекатоьошх связей по границам исходных аустенитных зерен, возникновению дополнительных напряжений вследствие объемных и размерных изменений формы и объясняют пониженное сопротивление хрупкому разрушения стали. Фрактогра^яческив исследования изломов азотированного слоя подтвердили данный вывод: разрушение в слое происходит хрупко, трещина распространяется по границам сыших аустенитных зерен по механизму интеркристаллитного скола.

Изучение структуры азотированной стали Э8ХНЗМФА показало, что на границах исходных аустенитных зерен этой стали как в азо-тирорэнном слое, так и в сердцевине отсутствует цементитнал сетка. несмотря на такое же количество углерода как в стали 38Х2МРА. Предполагается, что повышение однородности структуры связано с наделением никеля па границах зер<зн.

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что для повышения контактной выносливости азотированных деталей целесо-

образно применять малоуглеродистые, . теплостойкие стали мартен-ситного класса, повышенная дефектность структуры которых приводит к ггре мужественному ооразованию некогерентных выделений шгг-ридных фаз и, соответственно, к меньшей величине ыикродеформации кристаллической решетки а-твердого раствора, легировшшых никелем, что способствует повышению однородности выделения карбидных и нитридных фаз как в азотированном слое, так и в сердцевине.

Анализ сталей, используемых в судостроительной промышленности, где предполагалось опробование результатов работы, с учетом требований как к азотированному слою, так и дополнительных требований к матрице - высокая теплостойкость, прочность, прока-ливаамость, наследственная мелкозернистость, - позволил рекомендовать теплостойкую сталь мартенситного класса 16Х2НЗЫФБА1&-Ш (ВКС-7), разработанную в БИАЫе в качестве цементуемой и наилучшим образом удовлетворяющую требуемому комплексу свойств "композиционного материала азотированный слой-матрица".

Электронномикроскопические иследования азотированной стали ВКС-7 подтвердили положительное влияние легирования никелем, которое приводит к более равномерному выделению нитридов легирующих элементов, образующихся по твердорастворной реакции в диффузионном слое и отсутствию выделений цементитной сетки по грали-цам исходных аустенитных зерон.

иартенситная структура матрицы приводит к уменьшению величины микродеформации кристаллической решетки а-твардого раствора (ек= 0,0028 1 2кЮ~4) в 2 раза по сравнению со сталью 38X2МШ при том же уровне упрочнения после азотирования.

Отсутствие выделения по границам хрупкой 7^-фазы, уменьшение глубины проникновения развитой нитридной сети: из 7'-фазы по сравнению со сталью 38Х2ЫШ и отсутствие цепочек крупных выдэле-ний цементита по границам зерен приводит, как показали фракто-графнческие исследования изломов, к более вязкому, квазихрупкому транскристаллитному развитию трещины в азотированном слое.

При температуре азотирования 540 °С сталь ВКС-7 обеспечивает получение азотированного слоя глубиной до 0,7 мм, при втом твердость поверхности составляет 850 н?5, эффективная толщина слоя с твердостью до БОО НУ5 составляет 0,35-0,4 ым.

Сталь ВКС-7 получают методом открытой выплавки с последующим алектрошлаковым переплавом, что резко снижает количество неметаллических включений в стали и, как показали работы Б.N. Нестерова, приводит к возрастанию ее контактной выносливости. •

В четвертой главе исследовано влияние предварительной термической обработки на контактную выносливость стали ВКС-7.

В работах Р.Р.Гальпера установлена однозначная связь юеаду прочностью сердцевины азотированной стали, формирующейся в процессе предварительной термической обработки, и контактной выносливостью. Однако технология изготовления азотированных деталей предусматривает большой объем механической обработки после предварительной термической обработки, что определяет, учитывая современные возможности металлообрабатывающего инструмента и оборудования, максимальную твердость сердцевины стали но более 39 HRCg (0В~ 1260 МПа).

Рекомендованная сталь ВКС-7 предложена ВИАМом в качестве цемонтуемой, поэтому в результате исследования влияния температуры закалки и отпуска на механические свойства стали разработа-" на технология предварительной термической обработки, обеспечивающая получение требуемых ыезсшшческих свойств (ов= 1283 Mía, 6 = 15,0 %, ф.= 63,2 %, ан= 83 Дж/см 2) - закалка 900 °С, масло, отпуск 600 °С в течение 2 часов.

В судостроительной промышленности большинство зубчатых колес получают из поковок, вследствие чего возможно образование крупного н неоднородного по размеру зерна аустенита по сечению поковки. Поэтому основное внимание было удолено изучению влияния размера исходного зерна аустенита на структуру и свойства стали ВКС-7 и разработке способов измельчения зерна.

Для изучения влияния размера исходного зерна аустенита необходимо было получить разную величину аустенитного зерна стали ВКС-7. С этой целью использовали различные температуры закалки и скорости нагрева под закалку.

Установлено, что при печном нагреве до температуры II00 °С происходит восстановление исходного зерна аустенита (й 7-9) при фазовом а-7 превращении, то есть проявляется явление структурной наследственности. Росту зерна препятствуют мелкодисперсные выделения карбидов (ve), карбонитридов (V(cu)), нитридов (vu, Allí), что подтверждается электронноиикроскопическими исследованиями. Нагрев, выше температуры IIOO'°C Еызывает коагуляцию я в дальнейшем растворение этих частиц, что приводит к росту аустенитного зерна до » 5-6 при температуре 1200 °0.

При увеличении скорости Еагрева повышается температура фа-зоенх превращений, но снижается температура рекристаллизации за счет фазового наклепа при а-7 фазовом переходе. При индукционном

нагреве под закалку токами высокой частоты получили зерно 15 1213 при температуре 900 °С.

Исследования азотированных слоев образцов стата ВКС-7 с размерами аустенитных зерен * 5-6 (60-40 мкм), А 8-9 (20-15 мкм), * 12-13 (5-3 мкм) показали аналогичные фазовый состав поверхности, распределение твердости по толщине диффузионного слоя. Твердость сердцевины образцов с ростом зерна увеличивается да 40 !ШСЭ, что связано с большей растворимостью карбонитридов легирующих элементов и переходе их в твердый раствор при повышении температуры закалки и, соответственно, с болео сильным эф- • фектом вторичного твердения при дальнейшем высоком отпуске.

Подтверждена теоретическая зависимость* глубины проникновения прожилок 7'-фазы в азотированном слое от размера зерна: с увеличением размера зерна от * 12-13 до'* 5-6 толщина замкнутой нитридной сетки увеличивается от 23 до 90 мкм.

Элетронномикроскопические" исследования тонких фэльг выявили повышение однородности распределения нитридов легирующих элемзн- . тов прежде всего по границам зерен: уменьшение плотности распределения частиц и их размеров, что ложно объяснить резким увеличением площади высокоугловых и малоугловых границ и, соответствию, увеличением путей граничной диффузии азота (при уменьшении размера зерна от * 5-6 до * 12-13 площадь границ зерен возрастает более чем в 70 раз).

Рентгеноструктурные исследования по -определению величины микродеформации кристаллической решетки а-твердого раствора в азотированном слое выявили их увеличение -- в 1,5 раза при увеличении зерна от * 12-13 до * 5-6, что подтверждает вывод о воз-ростании неоднородности микропластической деформации в данном случае.

Фрактографическйе исследования изломов азотированных оораз-цов обнаружили уменьшение размеров фасеток квазисксла в азотированном слое в 1. 3 раза при уменьшении размера зерна в -- 12 раз, что .очевидно, связано с увеличением барьеров распространению трецинк (границ зерон, реек мартенсита, выделэний нитридов на дефектах кристаллической решетки матрицы).

Проведенные структурные исследования позволим предположить увеличение сопротивления усталостным разрушониям азотированного слоя при уменьшении размера зерна, что и подтвердили контактные испытания на машине М-Ф-К образцов стали ВКС-7. При увеличении размера зерна от Я 12-13 (5-3 мкм) До X 5-6 (60-40 мкм) контакт-

ная долговечность н^ уменьшилась с 32,7 млн.циклов до 9,36 куш. циклов.

Разработаны различные способы получения мелкого зерна стали ВКС-7 с последующим азотированием: методом закалки с нагрева ГВЧ, закалкой с нагрева лазером, на которые поданы заявки па изобретение и получены авторские свидетельства и положительные решения. Предложена технология циклической закалки и отпуска для измельчения зерна стали ВКС-7: 1-й цикл - отпуск 650 °С, 2 часа + закалка 975 °С, I час, масло; 2-й цикл - отпуск 650 °С, 2 часа + закалка 900 °С, I час, масло; 3-й цикл - отпуск 650 °С, 2 часа »• закалка 900 °С, I час, масло, отпуск 600 °С, 2 часа. На данный способ разработана технологическая инструкция на НПО "Шятроект", в соответствии с которой обработана партия азотируемых зубчатых колес судового редуктора.

в пятой главе приведены результаты исследования влияния ре-изыов ионного азотирования .на структуру н контактную выносливость сталей.

Азотирование, как заключительная операция технологического процесса изготовления деталей, формируя определенную структуру азотированного слоя, создает тот комплекс свойств, который и определяет способность детали сопротивляться контактным разрушениям. Варьируя технологическими параметрами процесса - составом насыпающей среда, давлением, температурой, временем - можно воздействовать на структуру и свойства азотированного слоя.

Исследования влияния состава насыщающей среды проводились в азотосодеркащей атмосфере с различным содержанием водорода: в среде полностью диссоциированого аммиака и в азоте особой чистоты ГОСТ-9293-71, на-образцах сталей ВКС-7, ЮХЗГЖШ.' Установлено, что введение в азотную среду водорода способствует увеличению толщины высокоазотистой е-фазы. Результаты усталостных испытаний при напряжении 5000 Н показали снижение долговечности как образцов из стали ВКС-7, так и из стали ЮХЗГШФА, азотированных в среде с водородом, на 30$ и 25? соответственно, по сравнению с образцами азотированными в азотной среде без водорода, что можно объяснить отрицательным влиянием хрупкой е-фазы.

Изучение влияния давления азота на фазовый состав ннтридно-го фильма при различных температурах ионного азотирования позволило рекомендовать оптимальные величины давления, исходя из условия отсутствия или минимальной толщины е-фазы.

Для обеспечения высокой контактной выносливости азотнрован-

шх стало!! необходимо создавать слой с максимально возможной толщиной. Установлено влияние времени азотирования на толщину упрочненного слоя стали ВКС-7 при различных температурах азотирования. При температуре 540 °С азотированный слой глубиной 0,7 мм возможно получить но менее чем за 60 часов.

В наибольшей степени на структуру, фазовый состав и свойства как иитридаого фильма, так и диффузионного слоя оказывает влияние температура азотирования.

■ Проведенные микроструктурные и дюрометрические исследования стали ВКС-7, азотированной при температурах 460 °С, 500 °С, 540 °С, 580 °С и по двухступенчатому режиму 500 °С + Б40 °С при оптимальных давлениях и в течете времени, позволяющем получить слои не менее 0,5 мм, нэ обнаружили значительных отличия, за исключением резкого снижения твердости слоя (на 200 единиц по HV5) и увеличения толщины Е-фази при температуре 580 °С.

Электронксмнкроскопическое изучение структуры тонких фолы показало существенное влияние на изо температуру азотирования. С увеличением температуры происходит переход преимущественно когерентной связи (460 °С) нитридной фазы с матрицей внутри зерон, через полукогерентнув (500 °С и 540 °С) к преимущественно некогерентной при 580 РС, при этом уменьшается плотность распределения и увеличивается размер >штр1шшх частиц. В тоже время на теинопольннх изображениях при всех температурах азотирования наблюдаются дна типа частиц сильно стлгчашихся по размерам (в 4-5 раз): мелкие, когерентно связашше с матрицей или полукогерептно в зависимости от температуры азотирования, выде-ляшиеся внутри зерен, и кругаше, некогерентно связашше частицы, шделятлеся на дефектах. Отмеченные отличия в тонкой структура азотированного слоя приводят к различной величине микродеформация кристаллической решетки a-твердого раствора и различным размерам блоков. При этом с повышением температуры величина упругих искажений уменьшается (при увеличении температуры от 460 °С до 540 °С более чем в 1,5 раза), размер областей когерентного рассеяния незначительно увеличивается. Установлено увеличение размеуюв фасеток поверхности излома азотированного слоя образцов стали ВКС-7, разрушенного rio механизму транскрнсталлшгаго ква-эискола, при увеличении температуры азотирования, что связано с возрастанием размеров блоков.

Приведенные результаты исследований позволяют объяснить ' увеличение контактной долгогечности стела ЬКС-7 при изменении

температуры азотирования от 460 °С (9,12 мод. циклов), до Б40 °С (16,27 млн. циклов) за счет образования более однородной тонкой структуры и, соответственно, меньших микродеформаций кристаллической решетки азотированной матрицы. Дальнейшее снижение долговечности (8,96 млн. циклов) при повышении температуры до Б80 °С связано с изменением макрофактора: уменьшением твердости слоя и его пластической деформацией в процессе испытаний. Максимальную контактную долговечность (20,23 млн. циклов) обеспечивает двухступенчатый режим ионного азотирования: 1-я ступень - температура азотирования 500 °0, давление среды 399-532 Па, время азотирования 20 часов; 2-я ступень - температура азотирования 540 °С давление среды 532-665 Па, время азотирования 40 часов. При этом микродеформация кристаллической решетки и величина блоков те же, что и при температуре 540 °С, в токе время плотность распределения нитридов соответствует температуре 500 °с.

В шестой главе приведены результаты сравнительных испытаний стали ВКС-7, обработанной по предлагаемой технологии ионного азотирования и сталей, используемых при изготовлении цементованных 'и азотируемых зубчатых колес, на стендах, имитирующих условия работы зубчатых передач.

Испытания на контактную усталость проводились на роликовых образцах сталей 38Х2МЮА, 38ХНЭМФА, ВКС-7, азотированных в одной садке в среде азота особой чистоты по двухступенчатому режиму азотирования. Термическая обработка стали ВКС-7 проводилась по разработанной технологии трехкратной обьемной закалки и отпуска. Меиитавались и цементованные образцы из стали I8X2H4BA.

lio результатам испытаний построены кривые контактной уста;! и определены , пределы контаквой выносливости oH1ÍJnb им. таол.). Таким образом, предел контактной выносливости реко-миьлуимой стали, упрочненной по разработанной технологии выше придела выносливости применяемых азотированных сталей в 1,6 pa.ia и находится на одном уровне с цементованной сталью.

Таблица

Сталь ( ВКС-7 ЗвХНЗМФА 38X2МОД I8X2H4BA

с . Обработка азот и р о в а н и е цементация

°Н1 imb' Ша 2400 1800 1650 2200

Испытшшя на изгиОную усталость проводились на азотированных зубчатых колесах-, изготовленных из стали ВКС-7 и упрочненных по разработанной кратной термической обработке и двухступенчатому режиму азотирования, и цементованных - из стали 18Х2Н4ВА на электромагнитном пульсаторе. .Установлено, что азотированная сталь ВКС-7 обладает достаточным пределом изгибной выносливости (ор11тЬ= 8500 МПа), соизмеримым с пределом цементованной стали 18Х2Н4ВА (отшЬ= 9000 МПа).

' Натурные испытания судового планетарного редуктора ГТГ-2500, зубчатые колеса которого были изготовлены из рекомендованной стали ВКС-7 по разработанной технологии термической обработки и азотирования проводились на установке замкнутого контура У-507 согласно программы 049 ТПШ-001 НПО "Машпроект". Параметры испытываемых зубчатых колес: число зубьев - 27 и 49, модуль - 4 мм, ширина венца - 55 мм, угол профиля - 20 степень точности 5-4-4В по ГОСТ 1643-81, окружная скорость - 80 м/с.

Зубчатые колеса редуктора ГТГ-2500 испытшшя прошли успешно и рекомендуются для внедрения в серию.

ВЫВОДЫ

1. Установлена закономерность изменения контактно-усталостных характеристик азотированных сталей в зависимости от величии микроискажений кристаллической решетки а-твердого раствора, плотности распределения и размеров выделений нитридов, размера зерна аустенита:

- уменьшение микроискзжений второго рода стали ВКС-7 в 1,6 раза приводит к увеличению контактной долговечности на 808;

- уменьшение микроискажений второго рода в азотированном слое стали ВКС-7 в 2 раза по сравнению со сталью 38Х2М0А приводит к увеличению предела контактной выносливости с 1650 МПа до 2400 МПа;

- уменьшение зерна аустенита от Л 5-6 (60-40 мкм) до * 1213 (8-5 мкм) стали ВКС-7 обеспечивает повышение контактной долговечности в 3,5 раза.

2. Показано положительное влияние легироважя никелем на однородность выделяющихся в процессе азотирования нитридов и карбидов легирующих элементов при одновременном увеличении плотности их распределения и уменьшении размеров нитридов.

3. На основе установленных закономерностей показана вознок-' ность изготовления высокоточных азотированных зубчатых колес су-

довых редукторов соизмеримых по контактной и изгибной выносливости с цементованными при одновременном снижении трудоемкости их изготовления вследствие исключения финишной операции зубоииш-фования. Получешшй результат достигнут за счет обоснованного выбора малоуглеродистой теплостойкой вторичнотвердеицей мартен-ситного класса стали ВКС-7, разработки технологии предварительной термической обработки и технолог™ ионного азотирования.

4. Установлено, что высокая контактная выносливость азотированной стали ВКС-7 связана с возможностью получения высокой твердости азотированного слоя при минимальном уровне микродеформаций кристаллической решетки а-твердого раствора, от выделений нитридов и карбидов необразущих цементитную сетку по границам исходных аустенитных зерен, равномерного распределения нитридных фаз по объему зерна, малой глубиной залегания пограничных выделений 7'-фазы, минимальной толщины или отсутствием фильма е-фазы, мелкого зерна аустенита (до #13), глубины азотированного слоя до 0,7 мм, высокой прочности сердцевины (до 1280 МПа), эффективной 'толщины упрочненного слоя более 0,3 мм при твердости не ниже 500 НУ5.

5. Разработаны способы и режимы предварительной термической обработки, позволяющей получить высокую прочность сердцевины стали ВКС-7 и мелков зерно аустенита:

- циклической объемной закалки с промежуточным отпуском с получением зерна аустенита Л 9-10:. 1-й цикл - отпуск 650 °С, 2 часа + закалка 975 °С, I час, масло; 2-й цикл - отпуск 650 °С, 2 часа + закалка 900 °С, I час, масло; 3-й цикл - отпуск 650 °С, 2 часа + закалка 900 °С, I час, масло, отпуск 600 °С, 2 часа.

- поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты, обеспечивающий получение зерна аустенита * 12-13, который защищен авторскими свидетельствами.

6. Разработана технология ионного азотирования стали ВКС-7 в среде азота особой чистоты ГОСТ 9293-74, обеспечивающая получение упрочненного слоя с максимальной контактной выносливостью:

1-я ступень - температура азотирования 600 °С, давление среды 399-532, Па, время азотирования 20 часов; 2-я ступень -температура азотирования 540 °С, давление среды 532-665 Па, Бремя азотирования 40 часов.

7. На основе успешных натурных испытаний зубчатых колес судового редуктора ГТГ-2500 на НПО "Машпроект" сталь ВКС-7, технология ее термической обработки и ионного азотирования введены в

технические условия чертежей на их изготовление. Технический эффект внедрения разработанной технологии состоит в повышении контактной выносливости азотированных зубчатых колес в ^ 1,5 раза, достижении уровня контактной выносливости цементованных сталей при более высокой износостойкости, задиростойкости и теплостойкости; экономический эффект - в уменьшении себестоимости изготовления высаконапряженных высокоточных зубчатых колес на 30% за счет устранения финишной операции зубошлифования.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. О возможности повышения контактной долговечности азотированных сталей / Б.Н. Арзамасов, С.А. Герасимов, С.Д. Карпухин и др. // Новые технологии термической и хшико-термическоЯ обработок деталей машин и инструмента: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-технич. конф., г. Махачкала, 20-22 сент. 1989 г. - М., 1990. - С. II0-II2.

2. Герасимов С.А., Карпухин С.Д., Аваков D.M. Исследование контактной долговечности азотированных сталей // Современные методы расчета и проектирования зубчатых передач: Тез. докл. Всесоюзн. научн.-технич. конференции, г. Уфа, 274 нояб. 1987 г. - M., 1987. - С. 64-65.

3. Повышение износостойкости азотированных сталей перлитного класса / С.А. Герасимов, В.Г. Пучков, С.Д. Карпухин и др. // Новые технологии термической и химико-термической обработок деталей машин и инструмента: Тез. докл. Всесоюзн. научи.-тахнич. конференции, г. Тольятти, 5-7 шшя 1986 г. -M., 1986. - С. 153-155.

4. A.c. № 1574649 СССР, МКИ4 с 21 D 1/78. Способ азотирования деталей / Б.Н. Арзамасов, С.А. Герасимов, С.Д. Карпухин и др. - M 4429446/02; Заявл. 23.05.83.; Опубл. 23.07.90. Бюл. » 30 // Открытия и изобретения. - 1990. - £ 30. - С. 12-13.

5. A.c. » 1770445 СССР, МКН4 с 21 D 1/78. Способ азотирования деталей / С.Д. Карпухин, С.А. Герасимов, Э.А..Елисеев и др. - а 4387500/02; Заявл. 03.12.90.; Опубл. 20.09.92. Бхш. » 39 // Открытия и изобретения. - 1992. - Ji 39. - С. 12-13.