автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка метода расчета режимов ионной нитроцементации, обеспечивающих заданный химический и фазовый состав диффузионного слоя легированных сталей

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ К. 3. БАУМАНА

СЕМЕНОВ Михаил Юрьевич

УДК 621.785.533:669.14

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА РЕЖИМОВ ИОННОЙ НИТРОЯЕМЕНТАЦИИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЗАДАННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ДИФФУЗИОННОГО

СЛОЯ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Научный руководитель: профессор,

доктор технических наук

•Г,» TW TT т г

гилилэ n.m.

Москва - 1939

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................. б

1. СОСТАВ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ШТРЩЕМЕНТСВАШОГО СЛОЯ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ШТРОЦЕМЕНТАЦИИ

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)...........................1Б

1.1. Преимущества и недостатки высокотемпературной газовой нитроцементации........................... It)

1.2. Требования к составу и структуре нитроцементован-ного слоя низколегированны х сталей............... 22

1.3. Нитроцементация комплексно-легированных теплостойких сталей............;.................... 2?

1.4. Технологические возможности и преимущества ионной нитроцементации................................... 29

1.5. Анализ математических моделей газовой цементации

и нитроцементации низколегированных сталей........ 38

1.6. Особенности математического моделирования процессов ХТО с образованием избыточной фазы...... 51

1.7. Неизотермические процессы диффузионного насыщения

и трудности, связанные с их моделированием........ 66

1.8. Выводы и направления исследований................. 72

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. ................................ 77

2.1. Опытно-промышленная установка ИХТО................ 77

2.2. Варианты проведения технологических процессов

ХТО............................................... 81

2.3. Материалы и объекты исследований.................. 82

2.4. Методика исследования структуры, химического и фазового состава диффузионных слоев............... 86

2.5. Методика проведения испытаний на износостойкость

Стр.

и контактную выносливость......................... 88

2.6. Выводы............................................ 90

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИОННОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ КОМПАНЕНТЫ.................................... 93

3.1. Структура математической модели................... 93

3.2. Разработка граничных условий модели............... 95

3.2.1. Граничные условия II рода и рациональные области их использования................... 95

3.2.2. Граничные условия III рода.................106

3.3. Определение коэффициентов диффузии................116

3.4. Выбор методики численного решения и проверка адекватности модели...............................121

3.5. Выводы............................................128

4. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ИНЦ ПРИ ОБРАБОТКЕ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ

МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. .........................133

4.1. Основные характеристики нитроцементованного слоя..133

4.2. Моделирование одностадийных режимов ИНЦ...........135

4.3. Моделирование двухстадийных режимов ИНЦ...........146

4.4. Моделирование циклических режимов ИНЦ.............153

4.5. Моделирование термоциклических (неизотермических)

режимов ИНЦ.......................................163

4.5.1. Возможные причины ускорения диффузии

насыщающего элемента при термоциклической обработке..................................163

4.5.3. Экспериментальное исследование процессов ИЩ по неизотермическим режимам............166

4.5.3. Уточнение значения эффективного

коэффициента диффузии при неизотермических процессах ионной нитроцементации...........176

Стр.

4.5.4. Анализ термоциклических режимов ИНЦ........188

4.6. Разработка технологических режимов ИЩ для упрочнения деталей буровых долот..................195

4.7. Выводы............................................197

5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ИНЦ

комплексно- легированных теплостойкие сталей, УЧИТЫВАЮЩАЯ образование ЧАСТИЦ избыточной карбонитршшой ФАЗЫ....................................200

5.1. Карбонитридная фаза нитроцементованного слоя теплостойких сталей...............................200

5.1.1. Строение нитроцементованного слоя комплексно-легированных теплостойких сталей........200

5.1.2. Связь количества карбидной фазы и концентрации углерода в диффузионном слое........211

5.1.3. Влияние избыточной карбидной фазы на износостойкость............................212

5.1.4. Влияние карбидной фазы на контактную выносливость...............................216

5.2. Физическая и математическая модели образования легированного цементита по механизму внешнего науглероживания................................... 223

5.3. Кинетика и математическая модель образованияия специальных карбидов и нитридов ванадия, вольфрама, молибдена, ниобия по механизму внутреннего науглероживания и азотирования........260

5.4. Экспериментальная проверка закономерностей влияния легирования на морфологию карбонитридной Фазы..............................................266

5.5. Модель растворения частиц избыточной фазы.......273

5.6. Анализ влияния технологических параметров ИНЦ с

ст

- и -

ото

образованием избыточной карбонитридной фазы на характеристики диффузионного слоя.............N....278

5.7. Разработка технологии ионной нитроцементации авиационных зубчатых колес с применением расчетного метода проектирования..................288

5.8, Выводы. ........................, .............. ,296

6. РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ЗАДАЧИ...................300

6.1. Целесообразность решения обратной диффузионной задачи............................................300

6.2. Методика решения обратной диффузионной задачи.....301

6.3. Методика решения задачи оптимизации параметров процесса ИНЦ для двухетадийного режима............303

6.4. Методика решения обратной диффузионной задачи

для произвольного технологического процесса.......305

6.5. Практическое применение решения обратной диффузионной задачи для произвольного

технологического процесса'......................... 310

6.6. Выводы............................................311

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.............................. 313

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. .........................318

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................332

ВВЕДЕНИЕ.

Повышение эксплуатационных свойств деталей машин., инструмента и другой машиностроительной продукции при снижении удельной металлоемкости требует применения прогрессивных упрочняющих технологий. По этой причине разработка интенсивных ресурсо- и энергосберегающих технологий, обеспечивающих высокое и стабильное качество деталей машин, является одной из наиболее актуальных задач прикладной науки в области машиностроительного производства.

Среди современных упрочняющих технологий, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики деталей машин, центральное место принадлежит химико-термической обработке, в частности, цементации и нитроцементации.

Цементация и нитроцементации дают возможность формировать диффузионные покрытия, обладающие наиболее высокой несущей способностью и износостойкостью. Эти методы широко применяют для упрочнения высоконагруженных деталей машин, таких как зубчатые колеса, крупногабаритные подшипники, буровой инструмент, детали сельскохозяйственных машин, контактирующие с абразивными частицами. Цементация и нитроцементация находят широкое применение для упрочнения деталей авиационных двигателей. В настоящее время роль этих технологических процессов возросла в связи с возросшими требованиями к нагрузочно-скоростным характеристикам широкого круга деталей машин.

Для реализации этих требований важное значение имеет применение процессов химико-термической обработки.

осуществляемых в низкотемпературной плазме тлеющего разряда -ионной цементации и нитроцементации. Как показали исследования в нашей стране и за рубежом эти новые процессы в наибольшей мере отвечают требованиям интенсивной, гибкой и ресурсосберегающей технологии.

Процессы ионной химико-термической обработки в -2,5-4 раза интенсифицируют диффузионное насыщение, ограничивая его 2-4 часами, повышают качество диффузионных слоев (почти в 2 раза увеличивается износостойкость и контактная выносливость), значительно (на 80-90 %) уменьшается расход электроэнергии и те хнолог иче с ких г азов.

Благодаря высокой эффективности и экологической чистоте установки ионной цементации в Германии и ОША встраивают в линии механической обработки. Выпускаемые установки имеют микропроцессорное управление. Их отличает технологическая гибкость, возможность быстрого перехода на другой режим обработки, что особенно важно для условий серийного производства. Однако установки ионной цементации за рубежом успешно используются и на автомобильных предприятиях, т.е. в условиях крупносерийного и массового производства.

Особенно высокая эффективность свойственна ионной нитроцементации (ИНЦ). Важное преимущество ИНН перед цементацией -возможность получения в диффузионном слое повышенных концентраций азота, что дополнительно улучшает свойства; заметно возрастает твердость, износостойкость, контактная выносливость. При этом из-за отсутствия внутреннего окисления легирующих элементов в диффузионном слое не развиваются дефектные структуры. В результате снимаются ограничения на толщину диффузионного слоя (не более 1 мм при газовом процессе) и предельную (до 0,35 %)

концентрацию азота в нем. При ИНЦ возможно формирование протяженных (2 мм и более) качественных диффузионных слоев, что заметно увеличивает несущую способность деталей машин.

Вместе с тем ИНЦ - наименее разработанный технологический процесс. До настоящего времени преобладает экспериментальный метод выбора технологических режимов, который не позволяет реализовать большие технологические возможности нового процесса.

Технологическое оборудование для ИНЦ допускает выполнение различных вариантов технологических процессов: одностадийных, двухстадийных, циклических, термоциклических, комбинированных с изменяющимися активностью газовой.среды и температурой.

Многообразие вариантов ИНЦ, с одной стороны, создает благоприятные условия для обеспечения заданной насыщенности диффузионного слоя, но, с другой стороны, практически исключает оптимальный выбор режимов обработки на основе экспериментальных исследований.

Реализация технологических возможностей ИНЦ диктует необходимость создания надежного расчетного метода проектирования технологии диффузионного насыщения, основанного на математической модели процесса.

Построение такой моделиь в основе которой лежит описание кинетики диффузионного насыщения с двумя элементами при выбранных технологических параметрах, представляет собой сложную техническую задачу. Ее решение осложняется отсутствием достаточно разработанных научных представлений о внешнем маесопереносе углерода и азота в ионизированной атмосфере, что объясняется сложностью и многообразием процессов в катодной области тлеющего разряда. В этой связи особую значимость

приобретает построение ключевого звена математической модели -граничного условия - отражающего взаимодействие углерод- и азотсодержащих частиц между собой и с обрабатываемой металлической поверхностью.

Построение математической модели ИВД важно для двух групп сталей. В первую группу входят низколегированные стали, широко применяемые в буровой технике и в автомобилестроении, где нитроцементация традиционно считается основным процессом ХТО. Их диффузионное насыщение проводится в пределах твердого раствора без образования частиц избыточной карбонитридной фазы. Вторую группу сталей образуют комплексно-легированные теплостойкие стали, используемые в авиационной промышленности. Диффузионное насыщение таких сталей сопровождается образованием частиц развитой карбонитридной фазы сложного состава.

Известно неоднозначное влияние частиц избыточной фазы: увеличение в структуре диффузионного слоя ее объемной доли вызывает заметное увеличение износостойкости, но снижает сопротивление контактной усталости. Обеспечение заданных эксплуатационных свойств деталей из низколегированных сталей требует управления такими характеристиками слоя, как количество избыточной фазы, размерно-количественное распределение и морфология карбонитридных частиц. Для надежного определения таких характеристик требуется математическое описание процесса диффузии за пределом растворимости насыщающих элементов.

Среди технологических процессов химико-термической обработки все более широкое применение получают неизотермические режимы обработки. Использование неизотермических режимов с циклической подачей углерод- и азотсодержащих газов многократно увеличивает вариантность

технологических режимов ионной ХТО. Прогнозирование результатов обработки по таким режимам ИНЦ наиболее затруднительно вследствие отсутствия представлений о механизмах ускорения диффузии. В этой связи разработка расчетного метода по выбору оптимальных параметров неизотермических режимов требует решения вопроса об уточнении изменения эффективного коэффициента диффузии углерода и азота при температурах фазовых превращений.

Математическое моделирование процессов ИНЦ, является основой для реализации идей регулируемых процессов ионной нитроцементации и цементации, которые являются будущим термической и химико-термической обработки. Автоматизированное управление процессами диффузионного насыщения гарантирует стабильные значения механических характеристик, что позволит снизить нормы запаса прочности и, соответственно, металлоемкость изделий. Для создания таких прогрессивных технологий необходимо решение совокупности проблемных задач.

ЦЕЛВ РАБОТЫ: Создание расчетного метода проектирования технологии высокотемпературной ионной нитроцементации низколегированных и комплексно-легированных теплостойких сталей на основе моделирования процессов диффузионного насыщения азотом и углеродом в плазме тлеющего разряда.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка граничного условия - ключевого звена математической модели, отражающего взаимодействие используемой при ИНЦ технологической атмосферы с насыщаемой поверхностью металла.

2. Разработка математической модели и програмных средств для решения прямой диффузионной задачи по расчету распределения

концентрации углерода и азота в твердом растворе низколегированных сталей при выбранных технологических параметрах процесса.

3. Разработка методики решения обратной диффузионной задачи для расчета технологических параметров, обеспечивающих заданную насыщенность диффузионного слоя в низколегированных сталях.

4. Создание расчетного метода для прогнозирования результатов диффузионного насыщения при циклических и термоциклических режимах.

5. Экспериментальное исследование карбонитридной фазы в диффузионном слое легированных сталей и разработка на их основе положений физической модели формирования частиц избыточной фазы.

6. Разработка математической модели процесса ИНЦ с учетом образования избыточной фазы в диффузионном слое.

7. Анализ на основе расчетного метода влияния технологических факторов при различных вариантах проведения ИНЦ на характеристики диффузионного слоя низколегированых и комплексно-легированных сталей.

3. Разработка рекомендаций по выбору режимов ИНЦ, обеспечивающих повышение износостойкости и контактной выносливости.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1. Методику построения граничных условий в виде параметрических зависимостей между параметрами технологического процесса и насыщающей способностью ионизированной технологической атмосферы и полученные соотношения.

2. Обоснованную экспериментально методику построения

- -19 -

-L ^

математической модели ИНЦ для неизотермических режимов обработки, а также полученное для данного случая процесса выражение коэффициента диффузии.

3. Закономерности влияния на характеристики диффузионных слоев совокупности параметров технологического процесса ИНЦ.

4. Результаты экспериментального исследования избыточной карбонитридной фазы диффузионного слоя в комплексно-легированных теплостойких сталях, характеризующие закономерности влияния химического состава сталей и параметров технологического процесса на структуру диффузионного слоя и параметров структуры слоя на его эксплуатационные свойства.

5. Физическую модель карбидообразования при высокотемпературной ИНЦ теплостойких сталей. Анализ термодинамики и кинетики образования избыточной карбонитридной фазы в процессе диффузионного насыщения легированых сталей.

6. Математическую модель ИНЦ для случая образования частиц избыточной фазы и анализ результатов расчета.

7. Методику решения обратной диффузионной задачи, включающую в себя метод построения оптимизационной функции и алгоритм ее минимизации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ:

1. Разработана математическая модель высокотемпературной ИНЦ, описывающая кинетику диффузионного насыщения легированного твердого раствора, в которой в качестве граничных условий II и III рода использованы установленные параметрические зависимости плотности потока углерода и азота, а также углеродного и азотного �