автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов и анализа эксплуатационных свойств зубчатых передач

На правах рукописи

СЕМЕНОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И АНАЛИЗА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

21 ОКТ 2015

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

0055634/1

Москва - 2015

005563471

Работа выполнена в ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» и ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Филиппов Георгий Анатольевич, директор Института качественных сталей ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кудря Александр Викторович, профессор НИТУ «МИСиС»

доктор технических наук, профессор Петрова Лариса Георгиевна, главный научный сотрудник

ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

доктор технических наук, профессор Терентьев Владимир Федорович, главный научный сотрудник ФГБУН «ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН»

Ведущая организация: ФГОБУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)»

Защита состоится 18 ноября 2015 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 217.035.01 ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 23/9, стр. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» и на сайте http://chermet.net

Отзывы на автореферат с указанием даты составления, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять по указанному адресу в двух экземплярах на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 1 октября 2015 года. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, с.н.с. ^^ис^еег^Г Александрова Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Зубчатые колеса являются наиболее распространенными деталями машин для большинства отраслей машиностроения. Современные зубчатые колеса транспортных машин (особенно в газотурбинных двигателях), подвержены высоким силовым, температурным и вибрационным нагрузкам.

Для совершенствования производства высоконагруженных зубчатых колес внедряются современные технологические процессы химико-термической обработки (ХТО): вакуумная и ионно-вакуумная (далее — ионная) цементация (нитроцементация), ионно-плазменное азотирование и др., вытесняющие традиционные способы ХТО.

Основополагающие проблемы способов ХТО на разных этапах их развития нашли свое освещение в трудах таких отечественных ученых, как А.Н. Минкевич, Д.А. Прокошкин, И.С. Козловский, Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов, Н.М. Рыжов, В.М. Зинченко, Я.Д. Коган и др.

Передовые процессы химико-термической обработки в 3—5 раз интенсифицируют диффузионное насыщение, повышают качество упрочненных слоев, значительно снижают расход электроэнергии и технологических газов. Эти процессы в наибольшей мере отвечают требованиям интенсивной, гибкой, энергосберегающей и экологически чистой технологии поверхностного упрочнения.

При решении проблем обеспечения надежности и долговечности машин особое место занимают вопросы повышения контактной выносливости рабочей поверхности, выносливости зубьев при изгибе, сопротивления изнашиванию и заеданию (адгезионному схватыванию), которые лежат в основе определении геометрических характеристик и технологии упрочнения зубчатых передач и, как следствие, их габаритов, массы и эксплуатационной надежности.

Необходимость уменьшения размерных показателей зубчатых передач, дающих значительный вклад в массу и габариты современных транспортных машин, обусловливает снижение коэффициентов безопасности. В результате авиационные и автомобильные зубчатые колеса являются высоконапряженными и высокооборотными, что приводит к повышению требований к используемым теплостойким

сталям и диффузионным слоям. Ожидается, что диффузионные покрытия зубчатых колес газотурбинных двигателей 5-го - 6-го поколений должны соответствовать следующим значениям эксплуатационных свойств: предел контактной выносливости (определяемый в зоне зацепления) - 1500-2000 МПа; предел усталости при изгибе (контролируемый у основания зуба) - 900—1200 МПа; рабочая температура поверхностей зубчатых колес - более 350-450 °С; температура мгновенных вспышек — 500—800 °С и более.

Использование новых сталей и упрочняющих технологий требует уточнения, а в отдельных случаях, пересмотра методов расчетных оценок эксплуатационных свойств зубчатых колес. Приходится учитывать тот факт, что основы расчетов по контактной и циклической прочности были созданы в середине прошлого столетия. В настоящее время они уже не отражают возможные резервы повышения эксплуатационных свойств, поскольку выполняются по эмпирическим зависимостям без учета легирования стали, химического и фазового состава несущего слоя, формируемого в процессе ХТО.

Кроме того, на данный момент не в полной мере отработаны рекомендации по оптимальному применению вакуумной и ионной цементации (нитроцементации), ионно-плазменного азотирования, а также комбинированной ХТО (заключающейся в проведении после вакуумной цементации ионно-плазменного азотирования) в зависимости от всего комплекса геометрических параметров зубчатых передач и их эксплуатационных свойств.

В современном двигателестроении нашли широкое применение комплексно-легированные теплостойкие стали, которые применяют для таких ответственных деталей, как шестерни газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок и скоростей скольжения. При вакуумной цементации, их основополагающие свойства, определяющие работоспособность (контактная выносливость, износостойкость, сопротивление усталостному разрушению при изгибе и заеданию), определяются строением заэвтектоидной зоны слоя. На насыщенной поверхностности деталей образуется развитая карбидная фаза сложного состава (цементит и тугоплавкие карбиды легирующих элементов).

Вакуумная цементация (нитроцементация) характеризуются многообразным сочетанием управляющих факторов. В связи с этим за-

труднительно обеспечить экспериментальным путем оптимальный выбор варианта технологического режима особенно для упрочнения деталей из теплостойких сталей, к эксплуатационным характеристикам которых предъявляются высокие, а иногда и взаимоисключающие требования. Определение технологических факторов указанных процессов ХТО эмпирическим путем требует больших финансовых вложений и временных затрат, что приводит к задержке выпуска новой конкурентоспособной техники. В этой связи большие возможности для эффективного и оптимального проектирования технологических режимов новых методов ХТО предоставляет разработка их математических моделей, что определяет актуальность настоящей работы.

Результаты исследований, проведенных в данном направлении, представляют практический интерес как для авиационного моторостроения, так и для производства двигателей для вертолетов, автомобилей, специальных машин гражданского и иного назначения, судостроения.

Цель исследования: Повышение эффективности разработки технологических процессов ХТО для обеспечения требуемого уровня эксплуатационных свойств высоконагруженных зубчатых колес на основе управления структурой диффузионных слоев путем построения и применения физических и математических моделей, а также оптимального выбора технологических факторов при вакуумной, ионной цементации (нитроцементации) и ионно-плазменном азотировании.

Для достижения указанной цели определены задачи исследования:

1. Прогнозирование значений эксплуатационных свойств высоко-нагруженных зубчатых колес на основе установления закономерной связи между характеристиками диффузионных слоев, содержащих карбидные и карбонитридные фазы различного состава и морфологии, и сопротивлением контактному и изгибному усталостному разрушению, а также абразивному и адгезионному изнашиванию, заеданию зубчатых колес из теплостойких сталей.

2. Разработка новых и корректировка существующих расчетных моделей, дающих возможность анализировать совокупность напря-

жений в различных точках зубчатого зацепления, определять температурные и энергетические характеристики в зоне контакта зубчатого зацепления для оценки адгезионного взаимодействия, применительно к цементованным, нитроцементованным и азотированным слоям.

3. Разработка алгоритма оптимального выбора способа и варианта режима химико-термической обработки на основе установления требований, предъявляемых к насыщенности и структуре диффузионных слоев.

4. Установление граничных условий модели ХТО, отражающих взаимодействие атмосфер низкого давления, в том числе активированных внешним электрическим полем, с насыщаемой металлической поверхностью, определение характеристик массопереноса из рабочей атмосферы в обрабатываемую деталь атомов насыщающих элементов.

5. Разработка физической модели формирования структуры цементованных и нитроцементованных слоев теплостойких комплексно-легированных сталей на основе применения теории диффузии и кинетической теории к анализу образования карбидных (карбони-тридных) фаз сложного состава с учетом легирования сталей и физических условий процесса насыщения.

6. Разработка расчетной модели вакуумной цементации (нитроце-ментации), дающей возможность с высокой степенью достоверности прогнозировать распределение углерода (углерода и азота) по толщине диффузионного слоя в зависимости от технологических факторов и химического состава сталей.

7. Установление областей применения цементации, нитроцемен-тации и азотирования в целях упрочнения высоконагруженных зубчатых колес, включая авиационные и автомобильные, на основе применения обобщенной модели и разработка научно-обоснованных рекомендаций по применению основных способов химико-термической обработки в зависимости от геометрии зубчатого зацепления, а также его нагрузочно-скоростных характеристик.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов подтверждается применением современного оборудования,

прошедшего сертификацию в установленном порядке, а также использования апробированных методик исследований и испытаний. Обоснованность теоретических расчетов и выводов по проведенным исследованиям подтверждается соответствием их экспериментальным результатам, в том числе, полученными другими исследователями, а также общепринятым научным представлениям, в частности, о закономерностях диффузионных явлений и механизмах разрушения металлических материалов.

Научная новизна исследования:

1. Выполнено уточнение расчетных соотношений теории Г. Ней-бера и Т. Екобори, дающее возможность адекватно прогнозировать значения предела контактной и изгибной усталости цементованных слоев комплексно-легированных сталей в зависимости от их фазового состава и насыщенности углеродом.

2. Теоретически и экспериментально определена зависимость приоритетного механизма зарождения контактно-усталостных трещин в приповерхностной или подповерхностной зоне диффузионного слоя в зависимости от нагрузочного и теплового режимов работы передачи, определяющих пиковые значения приведенных контактных напряжений.

3. На основе трибологического анализа контакта в зубчатых передач, упрочненных ХТО, реализован принципиально новый динамический подход к расчету на схватывание поверхностей, учитывающий совокупное влияние на развитие адгезионных процессов геометрических, тепловых и нагрузочных факторов.

4. Впервые получена экспериментально и теоретически обоснованная зависимость углеродного потенциала рабочей среды низкого давления от температуры процесса. Определена ведущая реакция диссоциации ацетилена, одного из основных углеродсодержащих газов, применяемых при вакуумной и ионно-вакуумной цементации.

5. Разработана физическая модель формирования карбидной (кар-бонитридной) фазы при цементации (нитроцементации) комплексно-легированных сталей, учитывающая влияние основных легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, молибдена и других на диффузионное перераспределение легирующих и насыщающих элементов

на протяжении цеметованного (нитроцементованного) слоя, а также зарождение частиц карбидных (карбонитридных) фаз, их рост и частичное растворение при циклическом варианте технологического процесса.

6. Установлены закономерности влияния содержания легирующих элементов, а также технологических факторов цементации (нитроце-ментации) на механизмы формирования и морфологию карбидных (карбонитридных) фаз в комплексно-легированных сталях.

7. Разработана математическая модель формирования диффузионных слоев при вакуумной цементации (нитроцементации) комплексно-легированных сталей, дающая возможность достоверно прогнозировать химический и фазовый состав диффузионных слоев в зависимости от химического состава стали и технологических факторов процесса: температуры и временной зависимости науглероживающей (азотирующей) способности атмосферы.

8. Разработана методология оптимального выбора способа ХТО высоконагруженных зубчатых колес на основе оценки контактной выносливости упрочненных слоев.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны критерии оценки технологических возможностей новых способов химико-термической обработки (вакуумных и ионных цементации и нитроцементации) по обеспечению несущей способности зубчатых колес для заданных условий эксплуатации.

2. Реализована в прикладных программных средствах обобщенная модель оценки условий эксплуатации и характеристик зубчатых колес, упрочненных путем цементации и нитроцементации, дающая возможность осуществлять расчетным путем оптимальный выбор вариантов технологических режимов. Получены три свидетельства о государственной регистрации программ для электронно-вычислительных машин.

3. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по совершенствованию химического состава теплостойких сталей с учетом влияния их легирования на закономерности карбидообразования при цементации (нитроцементации).

4. Предложены номограммы проектирования периодических режимов вакуумной цементации зубчатых колес с целью достижения заданных значений эксплуатационных свойств.

5. На основе расчетного метода проектирования разработаны варианты технологических режимов вакуумной цементации и ни-троцементации в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» по теме «Создание комплекса вакуумных и ионно-вакуумных технологий химико-термической обработки деталей машин с получением наноструктурированного состояния диффузионных слоев».

Автор защищает:

1. Закономерности влияния на сопротивление контактному и из-гибному усталостному разрушению, а также заеданию химического и фазового состава диффузионного слоя теплостойких сталей.

2. Расчетную модель адгезионного взаимодействия в зубчатом зацеплении, основанную на решении тепловой и энергетической задач.

3. Закономерности диффузионного массопереноса углерода и азота из рабочих атмосфер низкого давления, включая ионизированные, в насыщаемые стали.

4. Физическую и математическую модели вакуумной цементации (нитроцементации) комплексно-легированных сталей, учитывающую образование карбидных (карбонитридных) фаз разного химического состава и морфологии.

5. Граничные условия, отражающие закономерности диффузионного массопереноса углерода и азота из рабочих атмосфер низкого давления, включая ионизированные, в насыщаемые стали разных систем легирования.

6. Научно-обоснованные рекомендации по оптимальному выбору основных способов химико-термической обработки высоконагруже-ных зубчатых колес: цементации, нитроцементации и азотирования, а также по оптимизации технологических факторов вакуумной цементации (нитроцементации) для обеспечения требуемого уровня основных эксплуатационных свойств, определяющих несущую способность конкретной зубчатой передачи.

Личный вклад автора.

Автором выполнен представленный в диссертации анализ факторов, оказывающих влияние на работоспособность высоконагружен-ных зубчатых колес, сформулированы теоретические выводы, разработаны или уточнены физические и математические модели, которые формализованы непосредственно автором в виде прикладных программ для электронных вычислительных машин, получены расчетные результаты. Лично автором выполнен представленный в настоящей работе анализ расчетных и экспериментальных результатов, сформулированы теоретические и практические выводы из них. Также автор участвовал в проектировании на основе применения разработанных расчетных методов технологических режимов вакуумной цементации и нитроцементации. Автор работы осуществил планирование и принял участие в постановке экспериментов, на основе которых разработаны представленные в работе расчетные модели, а также в ходе которых проводилась проверка их адекватности.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции по программе «Технические Университеты России» (Москва, 1996 г.), на 3-м Собрании металловедов России (Рязань, 1996 г.), на 11-м Конгрессе Международной организации по термической обработке (MOTO) (Флоренция, Италия, 1998 г.), на 2-й Международной научной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» (Орск, 2011 г.), на международном семинаре МГТУ им. Н.Э. Баумана и Группы компаний «ФИНВАА» «Современные методы и технологии термической и химико-термической обработки изделий в вакууме и в среде защитных газов» (Москва, 2012 г.), на 8-й конференции «Инновационные технологии термообработки» (Москва, 2014 г.), на 13-й Международной научно-технической конференции «Новые стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (Запорожье, Украина, 2014 г.), на 13-й научно-технической конференции «Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения» (Москва, 2014 г.), на международном симпозиуме «Наука. Инновации. Техника и техноло-

гии: Проблемы, достижения и перспективы» (Комсомольск-на-Амуре, 2015 г.), на научных семинарах кафедр «Материаловедение» и «Технологии обработки материалов» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2013-2015 г.г.

Основные публикации по теме диссертационной работы. Результаты исследования опубликованы в 54 печатных трудах. В том числе: в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, опубликовано 29 статей; получено 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим цели, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пунктам: 2. «Теоретические и экспериментальные исследования фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, происходящих при различных внешних воздействиях», 3. «Теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры (типа, количества и характера распределения дефектов кристаллического строения) на физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов», 5. «Теоретические и экспериментальные исследования влияния фазового состава и структурного состояния на зарождение и распространение трещин при различных видах внешних воздействий» и 6. «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов объемной и поверхностной термической, химико-термической, термомеханической и других видов обработок, связанных с термическим воздействием, а также специализированного оборудования» паспорта специальности 05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов» (технические науки).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 351 наименования, приложения. Общий объем работы составляет 384 страницы; диссертация содержит 104 иллюстрации и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен анализ высоконагруженных зубчатых колес, применяемых в авиационном двигателестроении. Установлено, что с развитием конструкций силовых установок, возрастают нагрузочные и скоростные характеристики зубчатых передач, что влечет рост требований к их эксплуатационным свойствам: контактной и изгибной выносливости, а также к сопротивлению адгезионному и абразивному изнашиванию. Необходимость применения зубчатых передач с увеличенным коэффициентом перекрытия, шевронных колес и т.п. обусловливает рост температур в зубчатом зацеплении. Это справедливо также и по отношению к иным транспортным средствам, для которых большое значение имеет ограничение по массе.

Рост силовой и тепловой напряженности зубчатых колес обуславливает необходимость применения сложнолегированных теплостойких сталей. Отмечается усложнение системы легирования применяемых в высоконагруженных зубчатых передачах упрочняемых ХТО теплостойких сталей: 20ХЗМВФ-Ш, 16ХЗНВФМБ-Ш (ВКС-5) и других. В данных сталях образуются различные карбидные и кар-бонитридные фазы (рисунок 1), количество и морфологию которых необходимо надежно контролировать.

Помимо указанных выше широко применяемых в авиационном двигателестроении сталей 20ХЗМВФ-Ш, 16ХЗНВФМБ-Ш и других, внедрена дисперсионно-твердеющая особо теплостойкая сталь 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш (ВКС-10), использование которой приводит к усложнению термической и химико-термической обработки.

Высоконагруженные зубчатые колеса применяют с упрочненным поверхностным слоем, используя способы ХТО, среди которых перспективными следует считать вакуумную и ионную цементацию (нитроцементацию), обеспечивающие насыщение с высоким углеродным потенциалом. Для теплостойких сталей современные способы газовой цементации с регулируемым углеродным потенциалом

Рисунок 1 - Типичная микроструктура диффузионного слоя теплостойкой стали после вакуумной цементации (нитроцементации): выделяются активная карбидная зона (1), где присутствуют наряду со специальными карбидами (карбонитридами) более крупные частицы легированного цементита; зона дисперсных тугоплавких карбидов (2)

оказываются непригодными, так как они обеспечивают науглероживание только в пределах твердорастворной области концентраций. При образовании развитой карбидной фазы регулирование газовых процессов становится невозможным.

В настоящее время превалируют экспериментальные методы определения технологических факторов процессов ХТО, что не рационально, особенно для вакуумной и ионной цементации (нитроцементации), характеризующихся большой вариативностью их сочетания. В этой связи возникла необходимость в разработке методологии расчетного проектирования вариантов технологических процессов. Решение такой задачи особенно актуально для цилиндрических прямозубых эвольвентных колес, как наиболее распространенной, а, следовательно, и репрезентативной высоконагруженной детали, к которой предъявляются требования по всем важнейшим эксплуатационным свойствам.

С учетом совместного действия высоких нагрузок и больших скоростей современных зубчатых передач основными эксплуатационными свойствами, определяющими их несущую способность, являются глубинная контактная выносливость и сопротивление заеданию. Вместе с тем, имеются только экспериментальные данные, дающие возможность лишь приблизительно оценивать несущую способность диффузионных слоев на соответствие предъявляемым требовани-

ям. Большинство существующих методик расчета ориентированы на применение приближенных параметрических соотношений, при этом, в соответствии с государственным стандартом расчет на заедание не обязателен. При этом при расчете в полной мере не учитываются возможности современных способов ХТО.

Для реализации возможностей современных материалов необходимо использовать передовые способы ХТО: вакуумные и ионно-вакуум-ные в ацетилене. При этом ионная цементация, несмотря на существенные преимущества (большая технологическая гибкость, возможность легко экранировать не насыщаемые области и др.), не является способом ХТО, расширенное применение которого рационально. Технологии вакуумного азотирования на данный момент не освоены даже на уровне опытных разработок. Ионно-плазменное азотирование, обеспечивающее максимальную поверхностную твердость, имеет ограничения, которые не позволяют рассматривать его как полноценную замену цементации. Таким образом, разрабатываемый расчетный метод проектирования технологических процессов ХТО должен базироваться на вакуумной цементации (нитроцементации). Вместе с тем целесообразно предусмотреть возможность выбора между указанными способами упрочнения и азотированием и комбинированной ХТО.

Современные способы цементации (нитроцементации) дают возможность в широких пределах варьировать технологические факторы, а, следовательно, характеристики диффузионных слоев и эксплуатационные свойства. В этой связи, в целях максимального раскрытия возможностей передовых способов ХТО и ускорения проектирования технологий обработки, как правило, отстающих по времени от конструкторских решений, учитывая возросшие возможности информационных технологий проектирования, представляется обоснованным заменить экспериментальные методы подбора вариантов технологических режимов более точными расчетными методами.

При этом известные на данный момент согласно опубликованным в отечественной и зарубежной научной литературе по рассматриваемому вопросу обширным данным существующие модели вакуумной цементации (нитроцементации) не предусматривают возможность математического описания насыщения углеродом (углеродом и азотом) сталей с образованием карбидной (карбонитридной) фазы сложного со-

става, состоящей из легированного цементита и специальных тугоплавких карбидов (карбонитридов, нитридов) сильных карбидообразующих элементов. Вместе с тем, наряду с насыщенностью диффузионного слоя, количество, состав и морфология карбонитридных фаз оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства. Расчетные методы, дающие возможность оценить в зависимости от характеристик диффузионного слоя определяющие несущую способность высоконагружен-ных и скоростных зубчатых передач эксплуатационные свойства: глубинную контактную выносливость и заедание, не разработаны.

Во второй главе разработаны методика и алгоритм оптимального выбора способа ХТО (рисунок 2).

В основу данной методики положено установление предварительных требований к диффузионным слоям высоконагруженных зубчатых колес по обеспечению контактной долговечности, поскольку, как показывает практика, именно контактная долговечность является определяющим эксплуатационным свойством насыщенных слоев, лимитирующим их несущую способность.

В качестве критерия применимости способа упрочнения зубчатого колеса выбрано условие выполнения соотношения:

a*p'SH = Jj ^-<Ty)2+(<Ty-crz)2+(<Tz-<Tx)2+ 6 {rly + т%+т1)-Бн<стн ,.m,

где стпр — эквивалентные приведенные контактные напряжения, вычисляемые исходя из принятого М.М. Савериным условия усталостной прочности, предложенного C.B. Серенсеном, вытекающего из теории прочности Барзинского-Ягна-Баландина; SH — коэффициент безопасности, ст., т - нормальные и касательные напряжения, определяемые в каждой точке диффузионного слоя известными методами, стНШп - предел контактной выносливости, определяемый в каждой точке упрочненного слоя в зависимости от его насыщенности, а также морфологии карбидных (карбонитридных) фаз.

Графически условие применимости способа упрочнения зубчатого колеса представлено на рисунке 3. Оно заключается в не пересечении кривой предельных контактных напряжений, определяемой несущей способностью диффузионного слоя, эпюрой приведенных контактных напряжений, зависящей от нагрузки.

Рисунок 2 - Общий алгоритм расчетного метода проектирования технологического процесса ХТО зубчатых колес

Установлено, что применяющиеся до настоящего времени методы определения предела контактной выносливости не соответствуют результатам экспериментальной оценки возможностей новых цементуемых и азотируемых сталей. Так, до настоящего времени возможности диффузионных слоев существенно занижаются: так для цементованных слоев рекомендовано считать, что предел контактной выносливости (в МПа) стНШп = 23 ЯКС, а для азотированных - стЛЛ = 1050 МПа (ГОСТ 21354-87), вне зависимости от химического состава стали и параметров диффузионного слоя. Занижение несущей способности

а

О /¡з

О Л0

г

а

б

Рисунок 3 - Характерные эпюры приведенных контактных напряжений (стф-.!>у()

и семейства кривых распределения предельных контактных напряжений (ст1н1ш1' а2н\т' а3яшп')> соответствУюЩих различным вариантам технологических режимов: а) цементации и нитроцементации; б) азотирования (а - напряжение; г - координата по нормали к полюсу контакта; Ь0 - расстояние от поверхности, соответствующее максимуму приведенных контактных напряжений)

слоя приводит к необоснованному увеличению массогабаритных характеристик передачи.

В целях максимального использования возможностей способов ХТО при определении окончательных требований к характеристикам диффузионного слоя предложено вместо параметрических выражений предела усталости а (и соответственно оНПт, а также предела

выносливости при изгибе) типа эмпирической формулы Худремон-та-Майлендера, рекомендованной для практического использования в 1950-х гг. А.И. Петрусевичем и применяющейся до настоящего времени, новые аналитические выражения. Они получены в результате уточнения соотношений дислокационной теории предела усталости Г. Нейбера и Т. Екобори. Их особенность заключается в учете присутствия сложной карбидной (карбонитридной) фазы в комплексно-легированных теплостойких сталях. Выражения связывают фазовый состав и насыщенность диффузионного слоя указанных сталей с пределами контактной и изгибной выносливости:

сг_1 =2 1 + л/З

-1

где£> - диаметр частицы специального карбида (карбонитрида) в данной точке диффузионного слоя; с1 - средний диаметр зерна матри-

цы (мартенситного кристалла); т. - напряжение внутреннего трения в мартенсите, зависящее от насыщенности слоя углеродом и азотом (для ВКС-5 т. = 37,5 + 0,5С, где С- суммарная массовая доля насыщающих элементов); а - коэффициент, характеризующий теоретическую прочность на отрыв (учитывает несжимаемость атомов по Котреллу); Е — нормальный модуль упругости матрицы; б0 - размер критической области концентрации напряжений (зависящий от вида нагружения, контактного или изгибного, равный 100 и 200 нм соответственно); Кк - интегральный коэффициент влияния цементита, равный:

Кк={1 + К0крц-рц)\

где /<°к — коэффициент влияния единичных частиц цементита, которые ввиду высоких хрупкости и анизотропии прочностных свойств (в соотношении 1:1:2,55) являются преимущественными местами зарождения усталостных трещин, К3 = 0,8;р - объемная доля содержания цементита в данной точке слоя.

Полученные соотношения реализованы в разработанных в рамках настоящей работы программах для ЭВМ. Рассчитанные значения удовлетворительным образом адекватны экспериментальным данным (рисунок 4).

Проведен анализ существующих гипотез о механизме зарождения контактно-усталостной трещины на глубине слоя, ввиду превышения приведенными напряжениями предела контактной выносливости (М.А. Саверин, P.P. Гальпер, Н.М. Рыжов, В.Н. Кудрявцев и др.) и на поверхности слоя, ввиду ее местного повреждения (C.B. Пине-гин, Е.М. Морозов, Л.И. Куксенова и др.).

Проведенными численными расчетами установлена зависимость места возникновения максимальных контактных напряжений, которые могут превышать предел выносливости, как в подповерхностном слое, так и на поверхности — при высоких значениях коэффициента трения, соответствующих высоким температурам нагрева поверхности (в том числе в условиях «масляного голодания»), близким к температурам схватывания.

По результатам расчетов уточнены зависимости приведенных контактных напряжений в приповерхностной области упрочненного слоя зубчатых колес от коэффициентов трения, полученные

а б

Рисунок 4 - Зависимости предела выносливости стали 16ХЗНВФМБ-Ш от содержания углерода на поверхности (С): я) при изгибе, сплошная линия -

расчетная, ■ - экспериментальные данные А.Н. Уткиной и др., □ - данные Н.М. Рыжова и др., ▲ - данные, полученные для аналогичной стали 20ХЗМВФ-Ш Л.Б. Тарасенко и др., Э.Б. Булгаковым и др.; б) при контактном нагружении, сплошная линия - расчетная, о - экспериментальные данные, полученные автором совместно с Н.М. Рыжовым, ▲ - данные Н.М. Рыжова

Б.С. Ковальским и принятые C.B. Пинегиным. Показано, что условие контактной выносливости выражается, как сt -SH < <тн lim. При этом при нормальных условиях трения в масляном слое максимальные приведенные контактные напряжения, вызывающие контактно-усталостное разрушение, возникают в подповерхностном слое детали.

Получены регрессионные соотношения, связывающие насыщенность, содержание карбидной (карбонитридной) фазы, твердость поверхности и износостойкость цементованных (нитроцементованных) слоев теплостойких сталей, отражающие линейную зависимость между указанными характеристиками, экспериментально установленную для комплексно-легированной стали при объемной доле карбидной фазы до 15 % (рисунок 5).

Высокоскоростные зубчатые колеса необходимо также рассчитывать на заедание. Для оценки несущей способности диффузионного

Рисунок 5 - Зависимость скорости изнашивания 1у (мкм3/мин) от концентрации карбонитридной фазы на поверхности Ук (% объем.).

слоя при высоких температурах численными методами решали общую задачу теплопроводности в зубчатом зацеплении:

д& дг9

-= я, -Т~>

дт 1 а^2

где 9 — текущая температура; 2 - расстояние от поверхности контакта вглубь металла; т - время; а - коэффициент температуропроводности.

Граничные условия принимали для случая контакта с сопряженной поверхностью, когда имеет место превращение работы силы трения в тепловую энергию, которая расходуется на прирост температуры:

39 _

дт '

где ^ и с] — плотность и теплоемкость металла соответственно.

Если текущая точка зацепления находится вне контакта, то имеет место теплообмен с окружающей средой — смазочным материалом, температура которого принимается равной Э0:

где щ — коэффициент внешней теплоотдачи, А^ - коэффициент теплопроводности.

а

б

Рисунок 6 - Физическая модель энергетического метода расчета на заедание: а) V- скорость скольжения, Р - нормальная нагрузка, 1,2 - контактирующие тела, 3 - адгезионные связи, 4 - карбонитриды; б) схема внедрения твердого цилиндрического тела в условиях идеальной пластичности; здесь Л - приведенный радиус, 5 - полуширина пятна контакта, Ив - глубина внедрения

В качестве начального условия приняли 3 =&(|.

Принятая физическая модель адгезионного взаимодействия учитывает определяющее влияние пластической деформации на возможность возникновения заедания, а также возможности снижения вероятности развития схватывания путем проведения ХТО, которое обеспечивает экранирование сопряженных трибологических поверхностей карбонитридной фазой, а также повышение твердости поверхности диффузионного слоя (рисунок 6).

На основе рассчитанных температуры нагрева вследствие работы силы трения и энергии пластической деформации сопряженных поверхностей оценили вероятность заедания по интенсивности адгезионного взаимодействия (количеству адгезионных связей Ыа) согласно формуле:

где К - коэффициент, отражающий количество атомов, на которых возможно образование адгезионных связей с учетом экранирования взаимодействующих поверхностей карбидной (карбонитридной) фазой; к - постоянная Больцмана; Г - мгновенная температура на поверхности зацепления, К; к - постоянная Планка; у, и у2 - значения удельной работы силы поверхностного натяжения (поверхностной энергии границы раздела металл - внешняя среда) для материалов

Таблица 1 - Проверка адекватности расчетов цементованного слоя

на заедание

Способ определения температуры (сталь 16ХЗНВФМБ-Ш) Температура при начальной нагрузке (напряжение в контакте -890 МПа), °С Температура в момент заедания (напряжение в контакте - 1480 МПа), °С

Эксперимент 275 360

Расчет 296 396

зубчатого колеса и шестерни; Ак - удельная площадь контакта; £тр -свободная энергия, выделившаяся вследствие работы силы трения; £пл — свободная энергия, выделившаяся вследствие пластической деформации; тк - время существования контакта в зацеплении.

В качестве критерия предотвращения заедания приняли Ig N < -1. Полученные результаты расчета зубчатых передач разработанным методом соответствуют экспериментальным данным М.А. Рыжова (табл. 1).

Выполнена оценка влияния мартенситного и карбонитридного упрочнения при цементации и комбинированной ХТО на несущую способность диффузионных слоев стали типа 16ХЗНВФМБ-Ш. Для этого проведен анализ увеличения прочностных свойств вследствие образования в ходе ХТО новых фаз. Для расчета влияния цементит-ной фазы на изменение напряжения пластического течения использовали модель Анселла-Ленела; упрочнение вследствие огибания дислокациями некогерентных частиц специальных карбидов оценивали согласно модели Орована; упрочнение вследствие сопротивления наноразмерных частиц нитридов срезу определяли по формуле, рекомендованной Келли и Николсоном, а вследствие несоответствия модулей упругости дисперсных частиц и матрицы — по модели Келли. Рассчитали, что предел текучести (ст02) после комбинированной ХТО возрастает по сравнению с цементацией примерно на 35 %.

На основе использования приближенного соотношения, обоснованного Д. Табором: Н » Зст02, где Н - твердость в МПа, и с учетом таблиц перевода единиц твердости (DIN EN ISO 18265), определили, что твердость цементованных слоев на стали ВКС-10 после финишного ионно-плазменного азотирования возрастает с 58 до 66 HRC, что подтверждается экспериментальными измерениями твердости подвергнутых комбинированной обработке сталей мартенситного класса Р.Гороцкевича и др. (Польша), доходящей до 70 HRC. Таким образом,

на основании расчетов показана целесообразность применения комбинированной ХТО комплексно-легированных сталей для особо тяжелых условиях эксплуатации зубчатых передач.

В третьей главе впервые определена структура математической модели вакуумной цементации для расчета концентраций углерода в диффузионном слое для углеродистых, низколегированных и хро-моникелевых сталей.

Математическая модель включает выражение II закона Фика:

gCc _ д дт дх

/ GC, D,

с

дх

где Сс - концентрация углерода; Dc - коэффициент диффузии углерода в аустените; т - время; ж - координата.

При описании циклических процессов, включающих чередование стадий активного насыщения (активной) и диффузионного выравнивания (пассивной), использовали граничные условия III рода, в которых поток углерода зависит не от времени процесса, а от концентрации углерода на поверхности:

дСГ(х = 0) / \

— £>с—Ц;-= /с(г) = ßc\Rc -Сс(х = 0)j и Сс(х = (i) = const (на ста-

^^ ОО

дии активного насыщения); /с(г)=0 и JCQdx = const (на пассивной

о

стадии), где / = /с(т) - изменяющийся в ходе процесса поток углерода через поверхность раздела фаз; пс и ßc - углеродный потенциал (условный) и коэффициент массопереноса углерода соответственно.

Начальное условие: Сс = const.

Установлено, что при вакуумной цементации в чистом ацетилене углеродный потенциал технологической атмосферы равен химической активности свободного углерода, то есть 1,0. При этом указанному значению химической активности в аустените соответствует придельная растворимость (рисунок 7).

Экспериментальным путем получена регрессионная зависимость от температуры процесса и концентрации ацетилена в рабочей атмосфере углеродного потенциала при ионной цементации. Расчетно-эм-пирическим путем установлены зависимости от температуры процесса коэффициента массопереноса углерода при вакуумных и ионных процессах.

880 920 960 1000 1040 Температура, °С

Рисунок 7 — Зависимость концентраций углерода, соответствующих активности ас = 1,0 в аустените, от температуры науглероживания

Осуществлен выбор параметрического выражения коэффициента диффузии углерода в аустените, включающего температуру процесса и текущее содержание углерода в стали. Влияние легирующих элементов на скорость диффузии учтено за счет использования коэффици-

Рисунок 8 - Проверка адекватности модели при вакуумной цементации образцов из стали 16Х по варианту апериодического режима: о и • - значения концентраций углерода для двух экспериментов; сплошная линия - расчетные значения

ентов влияния химического состава стали на термодинамическую активность углерода.

Установлена удовлетворительная адекватность разработанной математической модели при сравнении расчетных значений с экспериментальными (рисунок 8). Показана возможность оптимального выбора факторов технологического процесса вакуумной цементации расчетным путем с учетом необходимости обеспечения более высоких значений износостойкости или контактной выносливости.

Б четвертой главе разработана на основе экспериментальных исследований и теоретических представлений физическая модель (рисунок 9) карбидообразования при вакуумной цементации теплостойких сталей типа 16ХЗНВФМБ-Ш и 20ХЗМВФ-Ш, включающая в себя образование избыточной фазы цементитного типа по механиз-

Рисунок 9 - Структура физической модели вакуумной цементации комплексно-легированных сталей: А-Г - этапы формирования диффузионного слоя в ходе активных стадий; А1-Г1 - процессы, отвечающие соответствующим этапам в ходе пассивных стадий

Рисунок 10 - Схемы обоснованных механизмов гетерогенного зарождения

частиц избыточной карбидной фазы К: а) на дислокации внутри зерна аустенита у; б) на границе зерен аустенита; в) на поверхности металла (ст ., сгк, а , а^ - поверхностные энергии, 0 - угол)

мам внешнего и внутреннего (I рода) науглероживания, а также специальных карбидов сильных карбидообразующих элементов по механизму внутреннего науглероживания II рода.

При цементации (нитроцементации) возможно зарождение карбидной (карбонитридной) фазы по трем механизмам: на поверхности металла; на границах зерен (некогерентные частицы в виде сетки); внутри зерен (полукогерентные частицы на дислокациях и когерентные на вакансионных ансамблях) (рисунок 10).

Принятые положения физической модели отражены в разработанной адекватной математической модели вакуумной цементации комплексно-легированных теплостойких сталей, основанной на решении задачи о совместной реакционной диффузии углерода и хрома в аустените:

дсс д к , 5 <

дт дх дх у дх дх ]

дС Сг д / °с V 5Сс V) дх дСг Сг дССг

дт дх дх дх дт

где Сс и ССг - концентрации углерода и хрома в твердом растворе соответственно; Скс и СкСг - концентрации углерода и хрома в карбидах; £)сс и £)СгСг - коэффициенты диффузии в аустените углерода и хрома,

зависящие от температуры процесса, концентрации насыщающих и легирующих элементов, которые определяли по эмпирическим формулам; £>СС| и £>Сгс — коэффициенты взаимного влияния градиентов концентрации углерода и азота. Согласно литературным данным: 1)Сгс = 0. Начальные условия определены исходным состоянием стали до цементации.

Количество карбидной фазы цементитного типа определяли как:

где и(р)=и(/, с1р/с1х) - количество частиц данного размера, зависящее от соотношения скоростей зарождения и роста; ССетс — содержание углерода в цементите; р - радиус частицы.

Скорость зарождения частиц цементита рассчитывали по формуле:

где N. - количество возможных мест зарождения по принятому механизму; к — постоянная Планка; /с - постоянная Больцмана; Т — температура процесса; Абя - энергия активации образования зародыша закритического размера в зависимости от принятого механизма зарождения; А^» - энергия перехода атома через границу раздела фаз.

Скорость роста и растворения (полного или частичного) частиц цементита описывали следующей выведенной из соотношений баланса углерода и хрома системой дифференциальных уравнений:

¿СКс =^лСсгетп{р)рЧр,

где Срс - концентрация углерода, при которой при данных температуре и количестве хрома начинается процесс зарождения частиц цементита;

С'Мш0 - количество хрома, не участвующего в процессе карбидообра-зования; ССс"'Сг - концентрация хрома в цементите, определенная эмпирически;^ - коэффициент активности, определяемый содержанием легирующих элементов.

Показано определяющее значение легирования хромом для формирования протяженных активных карбидных зон, содержащих повышенную концентрацию карбонитридной фазы на базе цементита и карбидов хрома, за счет диффузии углерода, обусловленной отрицательным градиентом концентрации хрома, молибдена, вольфрама и других карбидообразующих элементов (рисунок 11). После достижения предела растворимости углерода в аустените в отсутствие хрома и других сильных карбидообразующих элементов образование карбидной фазы происходит только на поверхности металла, градиент концентрации углерода в приповерхностной зоне приближается к нулю. Единственным возможным путем диффузии углерода вглубь металла в таком случае остаются границы зерен, которые становятся местом образования карбидов в виде сетки.

Проблему нулевого градиента свободного углерода в приповерхностной активной карбидной зоне устраняет градиент свободного хрома (часть которого перераспределилась в карбиды), который, как

Рисунок 11 - Концентрационные кривые углерода (С) и карбидообразующего элемента (Ме); / - расстояние от поверхности металла до фронта зарождения частиц карбидов; С - концентрация насыщающего или легирующего элемента (С°с, С°Ые, СМ'"М|! - исходные и минимальные концентрации соответственно)

карбидообразующий элемент, обусловливает диффузию углерода в глубину слоя и, как следствие, рост протяженности активной карбидной зоны, состоящей как из карбидов тугоплавких легирующих элементов, так и из легированного хромом цементита.

При введении в сталь не менее 3 % хрома предпочтительным является внутризеренный (дислокационный и вакансионный) механизм образования карбидных частиц глобулярной формы (рисунок 12, а) на сегрегациях хрома, которые по данным численного эксперимента содержат при 930-960 °С не менее 20 % Сг (что подтверждается данными ядерной гаммо-резонансной спектроскопии), перед зерногра-ничным механизмом выделения цементитной сетки (рисунок 12, б). В этой связи подтверждена необходимость легирования хромом в количестве не менее 3 % мае. для получения развитой карбидной фазы благоприятной формы при цементации.

При повышении температуры цементации также возрастает вероятность образования сплошной или разорванной цементитной сетки. Кроме того, с повышением содержания хрома и уменьшением температуры процесса увеличивается дисперсность карбидных частиц це-ментитного типа (рисунок 13).

Рисунок 12 - Карбиды после цементации в модельных сплавах на основе железа: а) в виде глобулярных частиц при содержании 3 % хрома; 6) в виде сетки при содержании 1 % хрома

б

Рисунок 13 - Влияние легирования хромом на карбидообразование: а) влияние концентрации хрома на расчетный среднестатистический диаметр частиц легированного цементита (температура 940 °С, продолжительность активной стадии насыщения т = 2 мин, пассивной стадии ти = 10 мин, число циклов насыщения N = 20); б) влияние концентрации хрома и температуры на преимущественный механизм

зародышеобразования

Математическая модель реализована в прикладном программном средстве, дающем возможность с удовлетворительной точностью рассчитывать химический и фазовый состав диффузионного слоя в любой момент процесса вакуумной цементации (рисунок 14).

Объяснено отрицательное влияние никеля на зарождение частиц карбидов на основе железа и хрома по внутризеренному механизму двумя причинами (рисунок 15). Во-первых, как известно, никель снижает диффузионную подвижность атомов хрома, препятствуя образованию его сегрегаций. Во-вторых, никель, стабилизируя аустенит, снижает энергетический эффект распада пересыщенного углеродом аустенита. Не влияя на интенсивность зародышеобразования на границах зерен, никель замедляет зарождение карбидов внутри зерен, что следует из зависимостей ДСЯ от энергетического эффекта карби-дообразования при различных механизмах.

В этой связи, принимая во внимание введение до 3 % никеля в состав новых теплостойких сталей, рекомендовано увеличить концентрацию хрома в них до 4,5-5,0 %.

х, мм

X, мм

Рисунок 14 - Проверка адекватности модели: а) экспериментальные (значки,

два эксперимента) и расчетные концентрационные кривые углерода при вакуумной цементации стали 16ХЗНВФМБ-Ш при 940 "С по апериодическому циклическому режиму; 6) средний диаметр карбидных частиц при вакуумной цементации стали 16ХЗНВФМБ-Ш при 940 °С по периодическим циклическим режимам: 1,1' - т = 2 мин, тп = 10 мин, число циклов N = 20; 2, 2' - тя = 2 мин, тя = б мин, N = 38; 1,2- эксперимент; 1', 2' - расчет

Выявлены общие и частные закономерности образования тугоплавких карбидов молибдена, вольфрама и ванадия в теплостойких сталях при цементации и нитроцементации. Так, в результате численных экспериментов и металлографических исследований (рису-

нок 16) установлено, что молибден образует при цементации (высокотемпературной нитроцементации) более крупные (размером около 0,5-0,7 мкм в среднем) частицы карбидов типа Мо.,С, которые зарождаются как внутри зерен (преимущественно), так и по их границам.

Рисунок 15 - Карбидная сетка после цементации в модельном сплаве на основе железа, содержащего 3 % хрома и 3 % никеля

50 мкм

Рисунок 16 - Микроструктуры модельных сплавов на основе железа после цементации, содержащие: я) 1 % V; 6) 1 % \>С; в) 1 % Мо

Вольфрам образует мелкодисперсные частицы (около 0,3 мкм в среднем) типа \>СС и Ш2С практически исключительно внутри зерен. Ванадий образует при цементации дисперсные частицы УС, а при нитро-цементации - УЫ.

Разработана адекватная математическая модель вакуумной нитро-цементации теплостойкой стали нового поколения 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш, упрочняемой по механизму дисперсионного твердения. Описывающая диффузионное перераспределение углерода, азота и хрома система дифференциальных уравнений после исключения малозначащих элементов имеет следующий вид:

5сс _ а

дт дх дС

D).

f£c

дх

D;

дС

сх

дх I дх

дт дх

D{

дС„

сх

дх

Di

сСг

сх

дх

дС

С.г

ее':

дт

D

м дСг ' N Cr

Cr

ОХ

sccr _ S дт дх

D.

Cr ßCCr

6С

Cr

Cr

СХ

дт

где önn — коэффициент диффузии в аустените азота; DCN = DNC, £>NCr и DcCr -коэффициенты взаимного влияния градиентов концентрации углерода и азота, азота и хрома, а также углерода и хрома соответственно. Граничные и начальные условия по углероду и хрому приняли по аналогии с цементацией. Граничное условие по азоту при постоянных температуре процесса, равной 880 °С, и подаче аммиака азотный потенциал nN по результатам экспериментальных исследований приняли в виде константы: пы = 0,4 %.

Показана удовлетворительная адекватность модели вакуумной нитроцементации. Так, расхождение расчетных и экспериментальных результатов (абсолютная ошибка) по азоту не превышает 0,05 %, по углероду - 0,10 % (рисунок 17).

Показана целесообразность замены вакуумной цементации ни-троцементацией для стали ВКС-10 с повышенным содержанием никеля, вызывающего образование цементитной сетки при цементации.

Рисунок 17- Экспериментальные (пунктирные с маркерами) и расчетные (сплошные) концентрационные кривые углерода и азота, соответствующие технологическому режиму вакуумной нитроцементации, проводящемуся по апериодической схеме: 6 циклов - тл = 2 мин, т. = 28 мин; 7 циклов - ха = 3 мин, та = 57 мин, где та и тй - продолжительность стадий активного насыщения и диффузионного выравнивания соответственно

При большей стабилизации аустенита путем легирования его азотом образуется по механизму дисперсионного твердения дисперсная кар-бонитридная фаза благоприятной морфологии при распаде аустенита после кратного отпуска.

В отличие от вакуумной цементации при разработке математической модели ионной цементации (нитроцементации) теплостойких сталей определение углеродного потенциала вызывает существенные трудности, обусловленные большими значениями углеродного потенциала при малых концентрациях ацетилена в рабочей атмосфере.

На основе экспериментальных данных, термодинамического анализа, а также применения принципа Паули впервые определена ведущая реакция диссоциации ацетилена в плазме тлеющего разряда:

2С2Н2->2[С]у_Ре + 2СН+Н2.

Определение ведущей реакции разложения ацетилена дало возможность получить адекватную зависимость углеродного потенциала от концентрации ацетилена при температурах цементации.

В пятой главе рассмотрено применение расчетных методов разработки технологии химико-термической обработки в целях оптимального выбора способа ХТО: а) хромоникелевых сталей для зубчатых колес дорожно-строительной техники; б) теплостойких сталей для зубчатых колес авиационных передач.

Для средне- и низколегированных сталей показана целесообразность применения вакуумной цементации по сравнению с азотированием для данного вида деталей по технологическим и экономическим соображениям. Вакуумная цементация продолжительностью 4,6 ч по периодическому циклу при температуре 940 °С способна обеспечивать формирование диффузионного слоя эффективной толщиной 0,8 мм с заданными эксплуатационными свойствами зубчатых колес модуля 4 мм из стали 20ХНЗА взамен ранее применявшихся газовых процессов цементации устаревших сталей типа 18ХГТ. Концентрация углерода на поверхности равна 0,9 мае. % .

Показано, что при модуле зубчатого колеса свыше 2,5 мм целесообразно проводить вакуумную цементацию. При более малом модуле колеса предпочтительно азотирование. Вместе с тем, при поверхностном упрочнении колес больших размеров (например, для главных судовых редукторов диаметром 1200 мм), при невысоких значениях подповерхностных контактных напряжений целесообразно проводить азотирование в целях исключения трудоемкой финишной операции зубошлифования.

По результатам проведенных расчетов в зависимости от геометрии зубчатых колес из теплостойких сталей для авиационных передач с учетом нагрузочных характеристик зубчатых передач (распределенной нагрузки р [Н/мм] и модуля т [мм]) определены области наиболее целесообразного применения цементации (нитроцемента-ции) и азотирования (рисунок 18).

1

2

Г > ---- г ^ ' г-

"\4.

Рисунок 18 - Зависимость допустимой удельной нагрузки для цементованных (1), нигроцементованных (2) и азотированных слоев (3 и 4) от модуля колеса при числе зубьев, равном 20; эффективная толщина азотированных слоев принята постоянной и равной 0,4 мм; коэффициент безопасности для цементованных и нитроцементованных слоев равен 1,25, азотированных - 1,25 (3) и 1,4 (4)

По разработанной расчетной методике выполнено проектирование вариантов технологических режимов вакуумной цементации зубчатых колес для вертолетов из теплостойкой стали 16Х2НЗМФБАЮ-111 (ВКС-7), обеспечивающих максимальные значения контактной и изгибной выносливости. В диффузионных слоях, характеризующихся максимальной изгибной выносливостью, полностью отсутствует цементитная фаза. Для обеспечения максимальной контактно-усталостной прочности целесообразно формировать слои, содержащие в приповерхностном слое небольшое количество цемен-титной фазы (не более 12 % на поверхности).

В качестве примера приведены результаты выбора двух методов упрочнения зубчатых колес, обеспечивающих требуемый уровень контактной выносливости и заедания:

1-й: т = 2,5 мм; = 21, г2 = 23; р = 400 Н/мм; V = 40 м/с - сталь 16ХЗНВФМБ-111, вакуумная цементация;

2-й: т = 4,0 мм; г, = 24, г2 = 27; р = 650 Н/мм; V = 100 м/с - сталь 13ХЗНЗМ2ВФБ-Ш, комбинированная ХТО.

7,5 10 12,5 15 17,5

Суммарное время процесса, час

7,5 10 12,5 15 17,5

Суммарное время процесса, час

7,5 10 12,5 15 17,5

Суммарное время процесса, час

Рисунок ¿9-Номограммы для определения технологических факторов вакуумной цементации стали ВКС-5, обеспечивающих: а) требуемую эффективную толщину слоя; б) требуемую концентрацию углерода на поверхности; в) требуемую протяженность активной карбидной зоны (цифры у кривых - доля стадий активного насыщения)

На основе анализа результатов расчета, подтвержденных экспериментальными исследованиями, разработаны общие рекомендации по достижению максимальных значений основных эксплуатационных свойств путем оптимизации характеристик диффузионных слоев теплостойких сталей. Так, в целях обеспечения максимального сопротивления абразивному и адгезионному изнашиванию, а также схватыванию, концентрацию избыточной фазы на поверхности, экранирующей твердый раствор, целесообразно увеличивать вплоть до 50 %. Зависимость предела контактной усталости теплостойких сталей от концентрации карбидов на поверхности имеет максимум, соответствующий 10-15 % карбонитридной фазы в зависимости от марки стали. Для максимального сопротивления усталостному разрушению при изгибе требуется проводить насыщение теплостойких сталей без образования карбидов цементитного типа в упрочненном слое.

Расчетным путем получены номограммы для определения оптимальных вариантов периодических режимов вакуумной цементации для обеспечения заданной контактной и изгибной выносливости, а также сопротивления заеданию цементованных слоев на теплостойкой стали ВКС-5 (рисунок 19).

На основе применения математического моделирования проведен анализ технологических режимов вакуумной нитроцементации стали дисперсионно-твердеющей стали ВКС-10. Предложены режимы ВНЦ, обеспечивающие максимальную контактную и изгибную выносливость.

Показана целесообразность применения особо теплостойкой стали ВКС-10 в целях обеспечения максимального сопротивления схватыванию (заеданию) вместо теплостойких сталей типа ВКС-5.

Выделены два подкласса теплостойких сталей, применяемых в высоконагруженных зубчатых передачах, на основе различных механизмов упрочнения и уровней теплостойкости: теплостойкие стали типа ВКС-5, упрочняемые цементацией, закалкой, обработкой холодом и низким отпуском, теплостойкость которых ограничивается температурой 250-280 °С, а также дисперсионно-твердеющие стали типа ВКС-10, в схему полной термической обработки которых включается кратный отпуск при температуре 500 °С.

Проанализированы перспективы развития системы легирования обычных теплостойких сталей, традиционно широко применяемых

в отечественном авиационном двигателестроении. Предложены научно обоснованные рекомендации по совершенствованию системы легирования в целях повышения прочностных свойств цементованных и нитроцементованных слоев в условиях циклического нагруже-ния за счет снижения насыщенности диффузионных слоев углеродом и увеличения концентрации сильных карбидообразующих элементов в карбонитридах и твердом растворе.

Как указано выше, дисперсионно-твердеющие стали целесообразно подвергать нитроцементации вместо вакуумной цементации. Замена вакуумной (ионной) цементации нитроцементацией также целесообразна при высокой концентрации нитридообразующих элементов (N13, V, А1 и т.д.); для ажурных зубчатых колес, а также колес, к которым предъявляются максимальные требования по точности; в зубчатых колесах малого модуля, где недопустимы протяженные диффузионные слои, при высоких требованиях, предъявляемых к эксплуатационным свойствам. Наибольшая эффективность характерна для ионной нитро-цеменетации, при которой обеспечивается более интенсивная диссоциация азотсодержащих газов — как правило, аммиака.

В заключении подведены итоги данной работы, представлены основные выводы и результаты, показаны перспективы дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Разработана методология оптимального выбора технологий химико-термической обработки, обеспечивающей повышение эффективности проектирования технологических процессов химико-термической обработки высоконагруженных зубчатых колес путем математического моделирования напряженного состояния и процессов цементации и нитроцементации. Таким образом, решена научная проблема, имеющая важное хозяйственное (промышленное) значение, а также изложены новые научно обоснованные технологические и технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие отечественного машиностроения, а именно:

1. Взамен параметрических эмпирических выражений разработаны точные расчетные методы прогнозирования пределов кон-

тактной (на рабочей поверхности) и изгибной (у основания зуба) выносливости диффузионных слоев комплексно-легированных сталей, упрочненных цементацией и нитроцементацией, в зависимости от фазового и химического состава насыщенных слоев, размеров частиц карбонитридных фаз и зерен мартенситной матрицы в комплексно-легированных сталях на основе уточнения выражения, вытекающего из дислокационной теории усталости Т.Екобори и теории концентрации напряжений Г.Нейбера. Впервые теоретически обоснована нелинейная зависимость способности диффузионных слоев теплостойких сталей сопротивляться циклическим изгиб-ным и контактным нагрузкам от насыщенности и фазового состава упрочненного слоя.

2. Разработан новый экспериментально подтвержденный метод прогнозирования вероятности возникновения схватывания и заедания сопряженных поверхностей упрочненных различными способами ХТО зубчатых колес на основе учета характеристик диффузионных слоев путем численного решения тепловой задачи в зубчатом зацеплении и применения энергетического подхода к оценке интенсивности адгезионного взаимодействия. Определена зависимость износостойкости в абразивных средах от насыщенности упрочненных цементацией и нитроцементацией диффузионных слоев комплексно-легированных теплостойких сталей.

3. На основе расчетов распределения напряжений в области контакта с учетом коэффициента трения установлена зависимость места зарождения контактно-усталостных трещин: в подповерхностной зоне при эластогидро-динамическом трении или в приповерхностной зоне при сухом трении.

4. Разработаны адекватные математические модели вакуумной и ионной цементации и нитроцементации зубчатых колес из хромони-келевых сталей на основе численного решения диффузионных задач в граничных условиях, определенных на основе экспериментальных и теоретических исследований. Впервые установлена достоверная зависимость углеродного потенциала при вакуумной цементации от температуры процесса. На основе результатов экспериментальных исследований ионизированной газовой атмосферы и термодинамических расчетов определена ведущая реакция разложения ацетилена

на насыщаемой стальной поверхности, определяющая механизм диффузионного насыщения углеродом.

5. Впервые разработана физическая модель вакуумной цементации и нитроцементации комплексно-легированных теплостойких сталей на основе экспериментальных и теоретических исследований карбидной (карбонитридной) фазы сложного состава, включающей в себя легированный цементит и частицы тугоплавких карбидов (кар-бонитридов) сильных карбидообразующих элементов, образующихся на поверхности обрабатываемого металла, на границах зерен аусте-нита и дислокационных кластерах с учетом образования сегрегаций углерода и хрома на дефектах кристаллического строения при влиянии других легирующих элементов (преимущественно никеля) и температуры процесса. Установлен механизм влияния легирования стали хромом на формирование активной карбидной зоны, основанный на взаимном влиянии градиентов диффузии хрома и насыщающих элементов.

6. На основе кинетических расчетов и экспериментальных исследований образующихся в насыщенных слоях теплостойких сталей фаз вскрыты закономерности влияния хрома и других легирующих элементов, а также технологических факторов науглероживания на процесс формирования диффузионных слоев, содержащих развитую карбидную (карбонитридную) фазу, в том числе на зарождение, диффузионный рост и частичное растворение частиц легированного цементита и карбидов сильных карбидообразующих элементов и, как следствие, на их размеры, распределение и морфологию. По результатам выполненных исследований рекомендовано увеличивать содержание хрома в теплостойких сталях нового поколения, легированных никелем. Определены закономерности образования тугоплавких карбидов молибдена, вольфрама и других карбидообразующих элементов при цементации путем численных и натурных экспериментов.

7. На основе принятой физической модели науглероживания теплостойких сталей впервые разработана адекватная математическая модель вакуумной цементации (нитроцементации) комплексно-легированных сталей, дающая возможность достоверным образом прогнозировать характеристики диффузионных слоев в зависимости от

технологических факторов цементации (нитроцементации), а также химического состава стали: насыщенность и фазовый состав слоя, морфологию и размер частиц карбидной (карбонитридной) фазы.

8. Разработана методология проектирования режимов химико-термической обработки высоконагруженных деталей машин на примере цилиндрических эвольвентных прямозубых передач для редукторов авиационных газотурбинных двигателей в зависимости от их нагрузочно-скоростных и геометрических характеристик, включающая в себя определение расчетным путем напряженного состояния в зубчатом зацеплении, установление минимально допустимых значений эксплуатационных свойств, выбор способа ХТО, определение требуемых параметров диффузионного слоя и нахождение итерационным методом при помощи разработанной математической модели вакуумной цементации комплексно-легированных сталей оптимальных технологических факторов химико-термической обработки.

9. Обобщенная расчетная методика и алгоритм проектирования режимов ХТО высоконагруженных зубчатых передач, а также математические модели вакуумной цементации и нитроцементации реализованы в прикладных программных средствах на языке Object Pascal в интегрированной среде Embarcadero Delphi ХЕ5. Расчетным путем разработаны номограммы, дающие возможность оптимального выбора технологических факторов периодического варианта режима вакуумной цементации стали ВКС-5 в зависимости от заданных эксплуатационных свойств диффузионного слоя.

10. Указанные математические модели, разработанные в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы», в соответствии с совместным государственным контрактом № 16.523.11.3010 Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана и Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов по теме «Создание комплекса вакуумных и ионно-вакуумных технологий химико-термической обработки деталей машин с получением наноструктурированного состояния диффузионных слоев», использованы при проектировании конкретных технологических режимов.

11. При помощи разработанных программных средств выполнен анализ режимов вакуумной цементации (нитроцементации) комплексно-легированных сталей, на основании которого получены научно-обоснованные рекомендации по оптимальному выбору режимов, обеспечивающих получение диффузионных слоев, характеризующихся максимальными значениями сопротивления контактным и изгибным циклическим напряжениям, сопротивления адгезионному изнашиванию и заеданию, а также износостойкости, а также насыщенных слоев, реализующих оптимальные соотношения указанных эксплуатационных свойств. Определены на основе применения расчетной методики научно обоснованные области применения основных способов ХТО: цементации, нитроцементации и азотирования для упрочнения вы-соконагруженных цилиндрических эвольвентных прямозубых передач из теплостойких сталей с различными нагрузочно-скоростными и геометрическими характеристиками.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах:

1. Комплексная система управления процессом ионной нитроцементации / Н.М. Рыжов, А.Е. Смирнов, К.И. Кириллов, М.Ю. Семенов // МиТОМ. 1996. № 1. С. 11-15.

2. Рыжов Н.М., Семенов М.Ю. Износостойкость цементованного слоя легированнойсталисизбыточнойкарбиднойфазой//Трениеиизнос. 1998. Т. 19. № 2. С. 235-240.

3. Модель диффузионного роста частиц карбидной фазы в цементованном слое теплостойких сталей / Н.М. Рыжов, М.Ю.Семенов, Р.С.Фахуртдинов, А.Е. Смирнов // МиТОМ. 1998. № 9. С. 26-30.

4. Рыжов Н.М., Семенов М.Ю. Определение коэффициента диффузии углерода для расчета неизотермических режимов высокотемпературной ионной нитроцементации // МиТОМ. 2000. № 6. С. 26-30.

5. Семенов М.Ю., Фомина Л.П. Математическое моделирование процесса вакуумной цементации углеродистых и низколегированных сталей // Двигатель. 2011. № 1 (73). С. 18-20.

6. Семенов М.Ю., Фомина Л.П. Математическое моделирование процесса вакуумной цементации комплексно-легированных теплостойких сталей // Авиационная промышленность. 2011. № 2. С. 37-41.

7. Семенов М.Ю., Фомина Л.П. Оценка сопротивления заеданию деталей, подвергнутых химико-термической обработке // Общероссийский научно-технический журнал «Полет». 2011. № 6. С. 54-57.

8. Лашнев М.М., Семенов М.Ю., Смирнов А.Е. Оптимизация технологических факторов вакуумной нитроцементации комплексно-легированной стали // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2012. № 3. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/330997.html (дата обращения 25.03.2015).

9. Семенов М.Ю., Рыжов Н.М. Применение численных методов для анализа тепловых процессов в зубчатом зацеплении // Технология машиностроения. 2012. № 4. С. 48-53.

10. Семенов М.Ю., Рыжова М.Ю. Оценка сопротивления заеданию высоконагруженных зубчатых колес на основе энергетической модели // Технология машиностроения. 2012. № 5. С. 64-69.

11. Кинетика массопереноса углерода и азота в ионизированных атмосферах / М.Ю. Семенов, А.Е. Смирнов, П.Н. Демидов, М.М. Лашнев // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2012. № 9. DOI: 10.7463/0912.0452489 (дата обращения 25.03.2015).

12. Демидов П.Н., Семенов М.Ю., Нелюб В.А. Оптимальный выбор материала и способа поверхностного упрочнения высоконагруженных зубчатых колес с целью повышения сопротивления заеданию // Вестник БГТУ. 2012. № 4. С. 22-27.

13. Лашнев М.М., Смирнов А.Е., Семенов М.Ю. Применение вакуумной нитроцементации для повышения сопротивления схватыванию зубчатых колес из стали ВКС-10 // МиТОМ. 2013. № 1(691). С. 29-33.

14. СеменовМ.Ю., Смирнов А.Е.,РыжоваМ.Ю. Расчетконцентрацион-ных кривых углерода при вакуумной цементации сталей // МиТОМ. 2013. № 1(691). С. 38-42.

15. Семенов М.Ю. Управление строением цементованных слоев теплостойких сталей. Часть I. // МиТОМ. 2013. № 5(695). С. 31-38.

16. Семенов М.Ю. Управление строением цементованных слоев теплостойких сталей. Часть II. // МиТОМ. 2013. № 6(696). С. 32-37.

17. Семенов М.Ю., Демидов П.Н., Нелюб В.А. Оптимизация технологического процесса вакуумной цементации зубчатых колес из теплостойкой стали с целью повышения циклической прочности // Вестник БГТУ. 2013. № 2. С. 69-73.

18. Оценка характеристикупрочнениятеплостойкойстали, подвергнутой комбинированной химико-термической обработке / М.Ю.Семенов,

Р.С.Фахуртдинов.М.М.Аашнев,В.И.Громов,П.Н.Демидов//МиТОМ.2013. № 7(697). С. 3-9.

19. Математическая модель вакуумной нитроцементации теплостойкой стали ВКС-10 / М.Ю. Семенов, А.Е. Смирнов, М.М. Лашнев, В.В. Ступников // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2013. № 8. DOI: 10.7463/0813.0569132 (дата обращения 25.03.2015).

20. Семенов М.Ю., Гаврилин И.Н., Рыжова М.Ю. Анализ способов упрочнения зубчатых колес из теплостойких сталей на основе расчетного метода // МиТОМ. 2014. № 1 (703). С. 42-46.

21. Смирнов А.Е., Семенов М.Ю. Применение вакуумной термической и химико-термической обработки для упрочнения тяжелонагружен-ных деталей машин, приборов и инструмента. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2014. № 2. DOI: 10.7463/0214.0700036 (дата обращения 25.03.2015).

22. Семенов М.Ю. Закономерности зарождения частиц легированного цементита при науглероживании теплостойких сталей. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2014. № 5. DOI: 10.7463/0514.0710529 (дата обращения 25.03.2015).

23. Семенов М.Ю. Проектирование технологий поверхностного упрочнения высоконагруженных зубчатых колес на основе расчетного метода // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2014. № 2. С. 16-22.

24. Демидов П.Н., Семенов М.Ю., Рыжова М.Ю. Применение расчетного метода в целях выбора способа поверхностного упрочнения зубчатых передач дорожно-строительной техники // Вестник БГТУ. 2014. № 2. С. 19-24.

25. Семенов М.Ю. Закономерности формирования тугоплавких карбидных фаз при цементации теплостойких сталей // Вестник БГТУ. 2014. №2. С. 64-68.

26. Семенов М.Ю. Расчетная оценка циклической прочности цементованных зубчатых колес из теплостойких сталей // МиТОМ. 2014. № 8(710). С. 28-33.

27. Семенов М.Ю. Оценка контактной выносливости цементованных зубчатых колес из теплостойкой стали 16ХЗНВФМБ-Ш на основе численных расчетов // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2014. №3. С. 5-10.

28. Оптимизация технологических режимов вакуумной цементации зубчатых колес из теплостойкой стали ВКС-7 на основе расчетного метода проектирования / М.Ю. Семенов, А.Е. Смирнов, P.C. Фахуртдинов, О.Г. Оспенникова, В.И. Громов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 1(715). С. 27-30.

29. Семенов М.Ю. Оценка влияния условий трения на контактную выносливость подвергнутых химико-термической обработке зубчатых колес из комплексно-легированных теплостойких сталей // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2015. № 1. С. 70-79.

Прочие научные труды:

30. Свидетельство № 2014617517 Российская Федерация. Project_ KW_2014 Расчет напряженного состояния и нагрева зубчатых колес: свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / М.Ю. Семенов; заявитель и правообладатель Семенов М.Ю. - № 2014615475/69; заявл. 29.05.2014; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 24.07.2014. [1] с.

31. Свидетельство № 2014617519 Российская Федерация. SimCarb_ VKS5 Математическое моделирование процесса вакуумной цементации стали ВКС-5: свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ /М.Ю.Семенов; заявитель и правообладатель Семенов М.Ю. -№ 2014615644/69; заявл. 29.05.2014; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 24.07.2014. [1] с.

32. Свидетельство № 2015614473 Российская Федерация. VNC_Sim_ VKS10 Математическое моделирование процесса вакуумной нитроце-ментации стали ВКС-10: свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / М.Ю. Семенов, М.М. Дашнев; заявители и правообладатели Семенов М.Ю., Лашнев М.М. № 2015611367/69; заявл. 18.02.2015; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 20.04.2015. [1] с.

33. Ryzhov N.M., Semenov M.J. Computer Simulation for Plazma Carbu-rizing and Nitrocarburizing of Alloyed Steels // 11-th Congress of the Intern. Federation for Heat Treatment and Surface Engineering: Poster presentations. Florence (Italy), 1998. Vol. III. P. 37-43.

34. Управление структурой и свойствами диффузионного слоя при ионной цементации /Н.М.Рыжов, А.Е.Смирнов, М.Ю.Семенов и др. // Металловедение. Термическая и химико-термическая обработка сплавов: Сб. науч. тр. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. С. 95-107.

Подписано в печать 03.09.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 112. Отпечатано в ООО «Металлургиздат».

105005, Москва, ул. Радио, д. 9/23, стр. 2.