автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка технологии поверхностного деформационного упрчнения теплостойких сталей для высоконапруженных зубчатых колес с целью повышения их эксплуатационных свойств

г 1 и V •

- 2 ЯНВ №

московский государственный технический университет имени н.э. баумана

На правах рукописи

пахомова светлана альбертовна

разработка технологии поверхностного деформационного упрочнйшя теплостойких сталей для высоконагруженных зубчатых кмес с целш повьшенир. их эксплуатационных свойств

Специальность 06.16.01 - Металловедение в термическая обработка

металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени - кандидата технически! наук

<]М

•Л'

Москва - 1994 Г.

Работа выполнена в Мооковоком Гооударотвэнном Техническом •Мивераитете имени Н.Э. Баумана

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук

Н.М. Рыжов

- Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

Васильева Е.В.

доцент, кандидат технических наук _ Климов В.Н.

Ведущее предприятие: Научно- исследовательский институт

.двигатедестроения ОЩЦ)

Защита диссертации состоится " 18 " января__ 1995 года на

заседании циоаертационного совета К 053.15.13 Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская, Б.

Ваш отзыв н автореферат в сдном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

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

Телефон для справок 267-09-63.

Автореферат разослан "___"_______________года.

Ученый секретарь дяаоертацчонного сопота,

кандидат технических наук, доцент Шубин И.Н.

Подписано к почата 94 г,____объем I п.л. тираж .100 экз.

Заказ * _5£4,____________Ротапринт МГО им.Н.Э.Баумана

\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность работы. Одной из важных задач машиностроения является повышение эксплуатационных свойств зубчатых колос. Перво степенное значение она им-эт для авиационной техники, так как непосредственно связана с безаварийностью двигателей, повишением ресурса их работы.

Эффективным методом улучшения качества поверхностных слоев зубьев, определяющих работоспособность цементованных и шлифованных зубчатых колес, является поверхностное пластическое деформир""ванне. Для упрочнения зубьев кол :<с преимущественно используют дробеударную обработку (ДО).

В настоящее время установлена высокая эффективность применения деформационного упр>. шения для повышения циклической пр' чность, деталей. Однако влияние дробеударной обработки на износостойкость и, особенно, контактную выносливость, изучено недостаточно. Отсутствуют научнообоснованные рекомендации по выбору режимов упро^на ния цементуемых сталей различного химического состава.

Недостаточно исследована эффективность современных способов обработки дробью: гидродробеструйного упрочнения и упрочнения микрошариками. Поверхностное пластическое деформирование этими способами проводится без учета технологической наследственности, так как не выяснено влияние технологии предшествующей химико-термической обработки (ХТО) (в том числе новых процессов насыщения - ионной цементации и шггроць. .юнтации) на эффективность деформационного упрочнения. Кроме того противоречивый характер носят результаты исследований, посвященных влиянию последеформациошгого нагрева на эксплуатационные свойства зубчатых колес.

Известно, что наиболее высокой устойчивостью к тепловым и силовым воздействиям обладает мартенсит с ячеистой структурой, получаемой при одновременном осуществлении пластического деформи-рпания и нагрева. Возможность формирования такой структуры в цементованном слое при тепловой ¿(робеударной обработке (ТДО) может служить фактором повышения рабочей температуры деталей.

Цель работы: 'лишение износостойкости, контактной и изгибн.й виносливос"~и высоконагруженных зубчатых колес из цементуемых теплостойких сталей на основе разработки технологии дробауд..рной обработки, осуществляемой при нормальной либо повышенной температуре в сочетании с последеформационным отпуском.

1. Определение закономерностей изменения субструктуры мартенсита цементованного слоя, твердости, остаточных макронапряжений и шероховатости поверхности в зависимости от режимов дроОеударного упрочнения.

2. Установление факторов, влияющих на изменение сопротивления контактной усталости цементованных сталей различного химического состава при дроСоуд-'рной обработке.

3. Оценка аффективности применения посладеформациошюго отпуска для повыше шя свойств теплостойких сталей.

4. Установление влияния технологической наследственности, создаваемой ХТО в диффузионном слое теплостойких сталей (насыщенность углеродом; пластичность мартенситной матрици; наличие остаточного аустенита), на эффективность деформационного упрочнения.

Б. Оценка эффективности деформационного упрочнения теплостойких сталей, подвергнут! ионной цементации и нитроцеыентации.

6. Определение эффективности тепловой дробеударной обработки и последующего отпуска для увеличения сопротивления контактной усталости 1<гл! повышенных температурах эксплуатации.

7. Разработка технологии поверхностной деформационной обработки, обеспещшащей повышение эксплуатационных свойств деталей из теплостойких сталей.

Научная новизна. Установлено, что изменение контактной выносливости при. дробеударной обработке не когрелирует с изменением характеристик качества поверхностного слоя, а преимущественно определяется субструктурой мартенситной матрицы цементованного слоя, формирующейся е результате протекания двух конкурирующих процессов. Один из них связан с выр.ошиванием структурной неоднородности мартенсита в результате его частичного распада и перестроения дислокационной структуры; другой - с локализацией микродеформаций и микронапряжений у структурных концентраторов. На степень развития этих процессов влияют состав стали, исходная структура цементованного слоя и режимы ДО. Причем локализация микропластической деформации ослабляется при наличии остаточного аустенита и усиливается с {юи.ом объемной концентрации избыточной карбидной фазы. В результате, несмотря на одинаково высокий уровень показателей упрочне ния (твердости поверхности, остаточных напряжений сжатия), обработка дробью кПО рациональному режиму) повышает долговечность хромо-никелевых сталей, но не 'повышает долговечность тешюст<..лш

стшюй, у которых карбидная фаза более развита, а остаточный аустенит практически отсутствует.

Установлено, что для повышения контактной выносливости теплостойких сталей, дроОеудврную обработку необходимо сочетать о )шэ кин отпуском. Последоформаципгешй нагрев снижает опасные локальные напряжения около включений н&рбидов и уменьшает подвижность дефектов кристаллического строения мартенсита вследствие его деформационного старания. Развитие этих процессов обусловливает также повн-гаетше изгибной выносливости и износостойкости.

Вскрыто влияние предшествующей химико-термической обработки на эффективность деформационного упрочнения. Показано, что повышение релаксационной способности мартенситной матр1ШН путем исключения операции обработки холодом и увеличения температуры послезака-лочного отпуска, а также снижение объектов доли избыточной карбид ной фазы за счет уменьшения концентрации углерода в диффузионном слое - увеличивают контактную выносливость теплостойких е:тат>Я. Эффект применения ДО усиливается при проведении диффузионного ¡т ешцения ионными способами за счет более однородного распределении избыточных карбидов и стабильности насыщения.

Определено влияние тепловой дробеударной обработки на оуб структуру мартенсита цементованного слоя. Показано, что ТЛ«> >лес печивает, а последеформациогашй отпуск усиливает формировать нче-истой дислокационной структуры, обусловливающей высокую долговечность теплостойки сталей при повышенной температуре испытаний.

Практическая ценность рр'оты, С учетом технологической после дстввнности, формируемой химико-термической обработкой, разработя на технология дробеударного упрочнения, выполняемого при нормальной и повышенной температуре, которое в сочетании с последеформациои ным отпуском, обеспечивает повышение контактной выносливости теп лостойких сталей в 2-4 раза, изгибной выносливости - в 1,5-2 ря:<ч и износостойкости - в 2-2,6 раза.

Результаты работы использованы при разработке и тедрении на предприятиях авиационной промышленности руководящих технически* материалов РТМ * 1.4.1422 "Гидродробеструйная упрочняипая обработка рабочих поверхностей зубчатых колес из цементуемых стала й" и Производственной инструкции Ы * 1.4.1635 "Упрочнение зубчата* колес поверхностным пластическим деформированием".

Апробация работы. Результаты работы доложены и обоукдены на научно-технических конференциях "Несущая способность и качеств^ зубчатых передач" в 1985 г. в Алма-ате и "Современные проблемы технологии машиностроения" в 1986 г. ь Москве, а также на научных семинарах кафедры "Материаловедение и термическая обработка" МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных р'"5от, в том числе авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, спис :а литературы из 104 наименований и приложения; содержит.//^"/ страницы машинописного текста, /3 рисунков и/^таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы и ее научная новизна.

В первой главе дан обзор отечественной и зарубежной литературы но существующим способам деформационного упрочнения сталей в целях повышения контактной и изгибной выносливости, а также износостойкости .

Показано, что эффективным методом повышения качества поверх-* ностного слоя зубьев, ответственных за эксплуатационные свойства цементованных и шлифованных зубчатых колес является дробеуларная обработка. Приведено описание и дана сравнительная оценка ее различных способов. Сделан вывод о том, ч. _) технологическими преимуществами обладают гидродробеструйное упрочнение (ГДУ) и упрочнение микрошарикачи (УМШ). Первый - из-за применения смазываице-охлаждаю-¡V«! жидкости и качественных деформирующих тел - шариков от подшипников, а второй - из-за мало. ^ размера дроби, которая обеспечивает упрочнение поверхностей впадин зубчатых колес небольшого модуля.

Установлено, что существующие данные по влиянию пластической деформации при нормальной и повышенной температуре на структуру и свойства цементованного слоя недостаточны и противоречивы. Влияние дробеударной обработки представлено без учета насыщенности углеродом цементованного слоя сталей, в том число теплостойких, отличающихся повышенной склонностью к карбидообразованию.

На основании обзора литературных данных определены направления исследований настоящей работы.

Р9ЛУШ0.ХЛ9ЙЙ описана мртодика экидаримангальшх исследований. Обьект^чи исследований служила роликовые и плоские обра. ,и т

цементуемых сталей разной теплостойкости: 12Х2Н"А (160 °С), I2X2HB5A (260 °С). 20ХЗ.«ВФ-Ш (300 °0) И Г6ХРНЖ*.®-И (250 °0). В виду слогтаго структурного состояния цементованного слоя этих стилей, для более детального пвследоведаи оубструктури мартеиситиоя матрицы, использовал:-", однг'азпыа г.олегюниколэеые сплавы 031522 (<0,пз % С; 20,0-23,0 % ni) и 25Н20 (0,2-0,3 % С; 19,5-21,5 % Ni).

Подготовку образцов проводили и заводских условиях по технолог ии, принятой для изготовления рцсо.тонсгруетшнх зуб чатах колос: цег-чнтяиня (rnrwa <ш; кончая) при 930«-IО отпуск при 650 °С: закалка в чавлэ от Э1п-920 '"0; обработка холодом при -70 °С; '»некий отпуск при ВЬО-ЗЕО °С. После у; алглтя припуска 0,15 мм шлифованием, осуществляли дробеударную обработку cnocooaw ГДУ и ЭТДШ. ТДО состояла в ебдупка дробью поверхности, нагретой до температур« 160-240 5С„ :сснтрол!фу1 .03 термоэдвктрлчеасгм пирометром. °еким; ДО и ТДО характеризовали временем упрочнения элемента поверхности хэл' на которую дробь падает под эффективными углами 90-45°, ч энергией деформирования В, сообщаемой дробью единице повертит» за время тм, изменяемое в пределах 1-10 минут.

Для комплексного исследования диффузионного слоя (до и поел, упрочнения) использовали: мшроструктурныЯ и послойны Л химический анализ; физико-химический фазовий анализ карбидной зоны; измерение кигсротвердости, шероховатости поверхности и остаточных макронапря-жоний, а также релаксационной стойкости и элэктросспротивлэния.

Исгштшгея ..а контактную выносливость ярореомк в соответствии с ГОСТ 25.50I-&8 на роликосш. образцах по схеме качения о проскапь-зыванием (6 %, что соответствовало условиям работы зубьев колос в зоне мгашмальной контактной прочности) при температуре Г 00, "Í20 и 176 °С и макешальпом контактном напряжении о -=1800 и 2100 ;ЯТа,

L zmax

Испытания на выносливость при изгибе осуществлял}: на матине МУИ-6000 (ГОСТ 2860-88), а на износостойкость - на машине СШ1-2.,

Е_ТЕахьеЙ_Ы.аЕе приведены результаты исследования влияния дгобеударной обработки на показатегч упрочнения, стр;. стуру цементованного слоя и контактную выносливость исследуемых сталей.

Наклеп дробью оказывает практически одинаковое влияние на показатели упрочнени" поверхностного ^тоя всех цементовашшх стал*. Показатели упрочнения растут с увеличением энергии деформирования и достигают максимальных значений при Е=80-90 кДж/м2 (т =ч мин при ГДУ, тэл=2 мин при УМШ). При этом режиме деформирования степень упрочнении составляет 10-15 % при абсолютном приросте микротвердости Я 0,2=80-120, толщина упрочненного слоя - 0,2-0,25 мм.

максимальные остаточные напряжения сиатия (при ГДУ на глубине 40 мкм)- 1200-1400 МПа. Шеро" ^ватость поверхности не ухудшается при ГДУ и увеличивается (Па с 0,6 до 0,9 мкм) при УМШ.

Стендовые испытания показали отс^'ствие корреляционной связи между показателями упрочнения и контактной I носливостью. Долговечность повышается только при дробеударной обработке хромоникелевых сталей ко режиму Е--40-45 кДк/м2 мин при ГДУ, тод=1 мин при

УШ1). Долговечност' теплостойких сталей не повышается либо снижается в зависимости от рекима упрочнения и марки стали.

Контакт!, .я выносливость при деформационном упрочнении в реша-шей степе;»: зависит от изменений субструктуры мартенситной матрицы цементованного слоя, которая непосредствеюю в.таяет на зарозде-же трещин контактной усталости. Характер и степень этих изменений зависит от реиимов дробеударной обработки, состава стали и исходной структуры цементованного слоя, в частности от присутствия в последнем избыточной карбидной фазы и остаточного аустенита. Поведение мартенсита при отсутствии этих фаз оценено на основании сравнительного анализа результатов исследований модальных гшлезонико-левых сплавов 03Н22 и 251120. Параметром, контролирующим изменение дислокациошой структуры, является плотность дефектов кристаллического строения, определяемая продолжительностью шш энергией деформационного воздействия.

Прямое наблюдение структуры фолы, вырезанных из упрочненного слоя роликовых образцов этих сплавов, .оказало, что пластическая деформация, вызыващая образование новых дислокаций, сткмулируш их взаимодействие с имеющимися структурными дефектами на границах реек. Четкость границ последних при этом теряется. В результате такого взаимодействия, протекающего в условиях локального нагрева и подчиняющегося законам синергетики, образуются протякенные в пределах одного зерна плотные дислокационные сотки и заключенные между ¡шми объемы с относительно низкой плотностью дислокаций. Такие фрагментированные структуры относятся к дисипативным и означают минимизацию энергии всей дислокационной системы.

Снижение -среднего уровня микроискажений структуры при дробеу дарн^й обработке подтверадается уменьшением ширины интерференцион ной линии (220) мартенсита (рис. I). Сформированной при Е=40-4Ь кДк/м2 частично фрагмантированной структуре соответствует минимальное значение ширины линии. При режимах наклепа с Е>45 кДж/м2 усиливаются процессы локализации микропластической деформа^ш и "икронапряжений у структурных концентраторов, растет Общая внут

О 15 'j 45 60 75 E, кДтУ«2

Гис. I. Изменение физического упирения интерференционной '

линии (220) мартенсита в зависимости от времени ГДУ С?,? и энергии деформирования Е стр-,ей: I - I2X2H4A; 2 - 20ХЗМВ£-Ш; ö - 16ХЗНЕФМБ-Ш

Рис. 2. Изменение долгечечности N50 сталей 12Х2Н4А (I),

12Х2НВ$А (2), 20ХЗ№5-Ш (3) и 16ХЗНММБ-Ш (4) в зависимости от рамени ГДУ и п^ергии деформирования Е (ргтимы испытаний: б"2 ^/=1820 МПг. (I), 2100 МПа (2,3,4); ¿ = 120 °С (1,2,3), I =175 °С (4))

рошшя напряженность структуры, на что указывает увеличение ширины интерференционной линии (см. рис. I).

В отличие от однофазных зилезоникалевых сплавов, процесс пластической деформации мартенсмтной матрицы в цементованном слон осложняется присутствием остаточного аустешп и, особенно, избыточной карбидной фазы. Остаточный аустенит облегчает релаксацию высоких локальных напряжений н, затрачивая нн свое превращение в мартенсит часть внерг ч дофорнирования, с.дер;,»шаит развитии микронеоднородной деформап"ч. Включения карбидов, наоборот, усиливалг неоднородность пластической деформации, создавая у своих границ высокие микроискаженшя н свойствешше им локальные напряжения кристаллической рошегки. Высокий уровень таких щшрн^&Ш слукит нри-Ч1Шой образования следов деформаций в отделы« к карбдош частицах и их разрушения.

Различие в исходной структуре цементованного слон иссле.цуимых сталей обусловливай!' неодинаковое» влияние дфооеуцарной обработки на их контактную выносливость. Цементованный слой хрсмоникалоиа* шалей Х2Х2Н4А и 12Х2НВФА крон» мартенсита отпуска содер;.и;т слабо развитую избыточную кирбяднуи фазу (4-5 %) и до СО % осгшчнжно ыуотоимта. Ь результате мартонситно-аустенитная матрица &рс*кшпи-левш. сталей, упрочненная но рациональному рег.иму (1' 40-16 кД-5/м^), обладает погашенным сопротивление/.! контактной усталости (рис. 2). При большой энергии деформирования из-за развитии вблизи карбидных частиц опасной степени струн..урной неоднородности, контактная долговечность этих сталей снижается.

В деформируемом слое теплостойкой стали 16Х31Ш-ШБ-Ш карбидная Фаза достигает 20 %, а остаточный аустенит практически «теутстьу-от. В тс же лрамя марагенситнии матрица из-за высокой леглроьшшос-ти обладает низкой релаксационной способностью. Возникающие яри ДО около недеформируомых частиц участки с высоким уровнем микронапря-жэний. инициируют образование микротроцин и сникают сопротивление контактной усталости дажо при "мягких" реаимах угг мнения.

В стали 20ХЗМВФ-Ш, в отлично от стали 16ХЗНММБ-Ш, в структу -ре цементованного слоя присутствует до 10 % остаточного аустенита. Последний при дробеударной обработке несколько нейтрализует отри цательное влияние карбидной фазы и сдергивает развитие опасной степени оу^структурной неоднородности. По етой причшю сопротивление контактной усталости стали 20ХЗШа>-Ш начинает снижаться посла ДО с Е>4Б кШ«/мг.

В чэткертой 17"<9з изложены результаты шшяшь. низкого поел» лоформащгашюго отпуска на долговечность теплостойких сталей.

Нагрев упрочненного дробью цементованного слоя теплостоЛких стялай прл температуре 150-200 °С практически не наменяет мшеро-:: .-р гость и здги&'этдльио i> 15 ») умоиьыает геличину осгаточшх ;;гжрошшря1»ний сгатия.

На основании комплексы« исследований субструктурн гселозипп-тшшис сплавов а цешш'окшшых сталей определено, что послэдо^ор-!т.циои'г;Л iiorp.'-!:, шзпвая релаксацию самых сильных нскаглшй в ¡.••соетко мартенсита, а такке ¿сполнктелыюе упрочнение мартенсита ьемчетки» <uvj таfop'íPUHOTiHoi'o старения, формирует боиви однерод-пул и стШхльную структуру мартенсита с повнеошшм сопротивлением !":1;ропл=лст:!чеслл;!ч wttcpMciun'. В результате эффективность дробиуда-г'ío 1 сср:-.'5отк'.; рдч теплостоЛких сталей проявляется л'.аь при ей проведении з сочетании с послецуюдам низким отпуском (рис. 3). При stc»j, яс> Торивцволгов упрочнение следует проводить по рациональному ракшу {£=40-45 кДя/м2), обесточивающему сисокое качество ловирх-Бсоти а ;го яисчьащему опасных шкроповрвядэний в цементоваян слое (си. I). Однако, гюлоиггелыюо влиян..о деформационного

cTPpi»ntt!í долговечности в 3 раза по ерршонию о пезо а-

no:¡) пролплевте::! п узком интервале тетаерагур (I60-IGÜ "С), рщво чоторых р;,гьш*ц?ося процессы нарестарнвалия, сояровоуцаьдиеси

CHXUfSiBW! ДО.":! О ее 4HOCTIÍ.

Ü cr,4.)f¡i;«,ii с ошуекчх, операция обработки дробьы сл-ловтси oo;.üo 7 as но jsoi'ji ч, »ой: возможно применение более интенешпшх рокс&в ^р-.шпи-Ы'его упрочнения. Баоокуо долговечность 'в ¿-.2,5 рлэ» г-и-гз исуодцсЛ) обеспечивает ГДУ продолкитольиостьв т =-3-5 ran.

Уст^ктявно, что де^орг. цгонпое ynpownte в сочетания с поспэлуинм» hiciKHM отпуском гтфзктивно не только для коэтшмнсЭ пшюсдивооги, по такта и для других йксплуатациогашх своПсхв sytf

iTHX КОДОС.

Пзгибная ыяюсливость нементовашшх сталей, упрочненных it., рациональным режимам ДО и отпуска, повышается в 1,5-2 раза за счет формирования более стабильной дислокационной структуры мартенсит -й матрицы, которая }г>елнчиваат сопротивление зарождению усталостной трещшш в цементованном слое.

Износостойкость исследованных сталей увеличивается a Z-Z •• pasa в результате уменьшения износа приповерхнос-ной зоны, <ф->рми рованной посла наклепа и 0Т1гуска по рациональшм рехимам.

g

Л'ягю-6 , цикл,

а

20

12

г

без 1/НЛЬ лепа ! I У

> ч

Г

ьо

120

160

200 ¿п.

Рис. 3. Зависимость долговечности Детали 16ХЗНВФМБ-Ш от температур. отпуска ¿от (время выдержки 2 ч) после ГДУ по различным режимам: I -ТЗА =1 мин; 2 - "Съл мин ;е*им испытаний: ^,=2100 МПа, Ь =175 °С)

У^ю6

цикл 16 •

12 -

исх. ДО ДО+отп, ТД0 ¿масла - 100 °С

исх. Щ> (:м£сла»175 °С

Рис. 4. Контактная выносливость стали 12Х2НВЕА в зависимости

от температуры испытания (1-4 - Ь =100 °С, 1',А'- ^ ПЬ °С;

>г тех

=2100 МПа) после различных режимов обработки

миьтюшариками: 1,1'- без упрочнения; 2 - ДО =1 мин); V _ *Р + отпуск (160 сС, 2ч); 4,4'- ТД0 4, 4'- ТД0 =1 мин, I = Т6С °С)

В пятой глава приведены результаты исследования влияния технологической наело дственности, создаваемой химико-термической обработкой, на эффективность деформационного упрочнения.

Отмочено, что к числу основных факторов, зависящих от технологии ХТО, относятся: насыщенность цементованного слоя углеродом; морфология мартенсита и концентрация углерода в кем; осшяюя доля избыточной карбидной фазы и ее распределение по толщине приповерхностной зоны цементованного слоя; наличие в последнем ^статочного аустенита.

Все эти факторы оказывают влияние на степень проявления неод--породности пластической деформации и на сопротивление поверхностного слоя контактным нагрузкам. Главным фактором является насыщенность цементованного слоя углероден, определяющая объемную юлю избыточной карбидной фазы, а также твердость поверхностного сл^л, по которой обычно в производственных условиях оце'твают его качество.

Применяемый на современных предприятиях одностадийный режим газовой цементации, обусловливает высокую концентрацию углерода э диффузионном слов теплостойких сталей и связанн} .о с ней повышенную долю избыточной карбидной фазы. При этом эффективность дробеударного упрочнения сютается. Показано, что для теплостойких сталей обработка дробью становится эффективной, если газовая цементация £ 1=940+10 °0, т=10 ч) проведена по двухстадайному рекину. 1^след-Ш1й включает стадию активного насыщения и стадию диффузионного выравнивания с резко ешкшшгай объемной концентрацией нвешцаицего вещества. Определено, что оптималышм является режиг газовой цементации с соотношением длительностей первой и второй стадии процесса 60 и 40 %. При этом доля иг /ыточной карбида й фазы в диффузионном слое составляет ^ 15 %, а твердость поверхности 62 1Ш0а.

Исследования показали, что эффект применения деформационного ,лрочнения усиливается, если диффузионное насыщение проводить ионными способами, отличающимися стабильностью результатов насыщения и более равномерным распределением карбидов в цементованном слое.

Сущэствешюе увеличение доли остаточного аустенита (до 25 %) в поверхностном слое игали 16Х31ГОМВ-Ш, путем исключения операции обработки холодом, в 1,6-2 раза повышает контактную выносливость деформационно упрочненных обра^цо. . По^ кителыюе влияние этс~') фактора связано с тем, что диспергированные гг ослойки аустенита облегчают протекание релаксационных процессов.

Повышении" релаксационной способности мартенситной матрицы способствует также "вэличение температуры послезакалс шого отпуска и в тем большей степени, чем выше его температура. Наиболее аффективным для стали 16ХЗНВФМБ-■ I'' является отпуск при 320 °С: более высокий нагрев разупрочняет мартенситную матрицу.

Определены рокимы ДО цементуемых сталей, учятываидие технологическую наследственность химико-термической обработш!, оцениваемой, КсЖ это принято в заводских условиях, твердостью поверхности:

1)' при твердости цементованной поверхности меньшей 62 няс^ (объемная доля карбидной фазы менее 15 %), энэигая упрочнения должна составлять 60-90 кДж/м2 (тэ.=4-6 аш при лДУ);

2) при твердости цементованной поверхности больше? 63 1тоэ (объемная доля карбидной фазы более 20 %), необходимо ограничивать энерпш деформирования в пределах Е=40-45 кДнс/м2 мин при ТДУ).

'Контактными испытанияш установлено, что применение рациональной технологии деформационного упрочнения, учитывающей технологическую наелодс ценность, в сочетании с последеформациошшм отпуском, дает возможность повысить долговечность рабочих поверхностей зуб;эв колес в 2,5-3 раза.

В шестой главе показано положитъльное влияние тепловой дроОо-ударной обработки на сопротивление контактно,; усталости теплостойких сталей при повышенной температуре испытаний.

При одаогрэманном воздействии пластической деформации н нагрева, в цементованном слое основные изменения претерпевает "реечное" строение пакетного мартенсита. В нем образуются участки "ковровой" составляющей структуры, служащие основой для формирования ячеек. Возникнув при Е=40-45 кДж/м2, ячеистая структура не исчезает при дальнейшем наклепе с Е=80-90 кДк/мг, а испытывает количественные изменения: уменьшается размер лчеек с 3-4 мкм до 1-2 мкм; увеличивается толщина стенок и плотность скопления в них дислокаций. Частицы избыточной карбидной фазы, усиливая неоднородность микропластической деформации в ^ртенситной матрице, затрудняют форгтрование благоприятной дислокационной структуры.

Показано, что показатели упрочнения при тепловой дробеу.парной обработке, осуществляемой при температуре до 200 °С практически не отличаются от полученных при обработке дробью ненагретых деталей.

Установлено, что изменение дислокационной структуры и упрочнение приповерхностной зоны цементованного слоя сопровождается

повышением сопротивления контактной усталости теп. остойких сталей (рис. 4). Оптимальным является реким ТДО (t=I60 "С, Е=40--4Б кДк/м2), при котором формируется незамкнутая ячеистая дислокационная структура с пониженным общим уровнем микроисквжзпий кристаллической решетки мартенсита. При Е>46 кДж/м2 контактная выносливость снижается в связи с увеличением плотности структурных несовершенств и неравномерности их распределения.

Влияние карбидных включений на локализацию микроп."астической деформации при ТДО проявляется в меньшей степени, чем при ДО. При обработка дробью нагретых деталей, разрушения карбидных частиц не происходит.

Дополнительное повышение контактной выносливости теплостойких сталей вызывает низкий отпуск после ТДО. Невысокий иоследеформцци-онный нагрев стимулирует релаксацию локальных микронапряжений и стабилизирование ячеистой структуры мартенсита за счет дальнейшего развития начавшегося при тепловой дробеударной обработке деформационного старения. Установлено, что оптимальным для теплостойки* сталей является отпуск при 200-220 °0 в течение 2 ч, обеспечива? щий повышение контактной выносливости в 3-4 paja по сравнению с исходным состоянием.

Стендовые испытания показали, что упрочнение, возникшее при рациональных режимах тепловой дробеударной обработки и отпуска, термически устойчиво. Вследствие высокой стабильности сформк, тонной при такой обработке дислокационной структуры, повышение температуры испытания от 100 до 176 °С, незначительно снижает долговечность теплостойких сталей (см. рис. 4). Таким обр^чом, тепловая дробеударная обработка дает возможность повысить температуру эксплуатации деталей из теплое 1йких сталей на 75-100 °0.

оБЩшз вывода

I. Дробеударная обработка - важный технологический фактор управления структурой цементованного слоя, изменение которой непосредственно влияет на процессы контактной усталости. Развитие этил, процессов сдерживается, если мартенситная матрица цомонтовшшого слоя имеет ячеистое )_лс.покационное строение, пониженный сродний уровень микроискажэний и высокую стабильность. Нормирование ra»«-« структуры возмотаз при строгом :<П6; отеческом воздойпгпии, у'П'т!'-вчипем исходную Структуру цементованного слоя, с-Ьтав tvf?Ái и тях пологи») !1ре.то9с1р.урцей химико-термическся обработки,

Ifpii .-.черте not ; .дарования. пряв'лчагаей рч';;гс t;vi.\ r'i?mt-

ваются процесс-! локализации микропластической деформации у структурных концентраторов, сопровождшосдаеся формированием участков структуры с высоким уровнем микродеформаций (микронапряжений), снижающих сопротивление контактной усталости. Процессы развития структурной повреадаемости интенсифицируются с увеличением в цементованном слое количества избыточной карбидной фазы и ослабляются при наличии остаточного аустенита.

Я. Дробеударная обработка по рациональному режиму (Е=40-45 кДк/м2) повышает (в 1,3-1,6 раза) контактную выносливость хромони-келевых,сталей 12Х2Н4А и 12Х2НВФА велодет ие того, что упрочнение цементованного слоя, в котором содер;атся остаточный аустенит (до 25 %) и слаборазвитая избыточная карбидная фаза (4-6 %), не сопровождается развитием опасной степени структурной повреждаемости. Сопротивление контактной усталости теплостойких сталей 20ХЗМВФ-Ш (при ДО с Е>45 кДж/м2), и 16ХЗНВШБ-Ш (при всех режимах ДО), снижается из-за низкой релаксационной способности высоколегированного мартенсита цементованного слоя, содержащего малое количество остаточного аустенита соответственно и М5 %) и высокую долю карбидной фазы (до 20 %).

3. Установлено, что контактная выносливость не коррелирует с показателями упрочнения поверхностного слоя, которые, практически одинаковы у всех цементованных сталей: растет с увеличением энергии деформирования и достигают высоких значений при Е=В0-Э0 кДж/м2. При этом степгчь упрочнения составляет 10-15 %, толщина упрочненного слоя - 0,20-0,25 мм, максимальные остаточные напряжения сжатия - 1200-14и0 МПа. Шероховатость поверхности не ухудшается при ГДУ и увеличивается (Иа с 0,6 до 0,9 мкм) при УМШ.

4. Установлено, что для повышения контактной выносливости теплостойких сталей (в 2,5-3 раза по срагнению с исходным состоянием), дробеударную обработку (Е=40-'_ кДж/м2) необходимо сочетать с низким отпуском. Последеформационный нагрев (160-180 °С, 2 ч), вызывая релаксацию высоких локальных микронапрякений и. дополнительное закрепление дислокаций ат<..дами углерода,' формирует более однг тодную и стабильную субструктуру мартенситной матрицы при сохранении ее высокьго упрочнения.

Низкий отпуск делает операцию обработки дробью более технологичной, так как снижает необходимость строгого дозирования наклепа и расширяет диапазон режимов упрочнения (Е=40-75 кДж/м2).

5. Установлено, что дробеударная обработка в сочетании с по-следеформационннм отпуском по рациональным режимам повышает изгиб-

ную выносливость (в 1,5-2 раза) и износостойкость (в 2-2,5 раза) цементованных теплостойких сталей.

6. Выявлено влияние технологической наследственности, создаваемой химико-термической обработкой, на эффективность деформационного упрочнения.

Высокая концентрация углерода в диффузионном слое цементованных по одностадийному режиму теплостойких сталей снижает эффективность дробеударного упрочивши. Установлена целесообразность проведения процесса науглероживания по двухстадийному рекиму, исключающему пересыщение поверхности углеродом и обеспечивающему пониженное количество избыточной карбидной фазы. Определено оптимальное соотношение длительностей стадий, при котором контактная выносливость деформационно упрочненных образцов в ^ 1,6 раза вше, чем при одностадийном режиме насыщения.

Эффективность обработки дробью выше при применении ионной цементации и нитроцементации вследствие формирования более качественного слоя с равномерным распределением в нем карбидов и стабильности результатов насыщения.

Повышенная релаксационная способность марте.^ситно-аустенитной матрицы, полученная в результате исключения операции обработки холодом либо увеличения температуры послезакалочного отпуска, обеспечивает повышение контактной выносливости теплостойких сталей (в 1,5-2 раза) посла их деформационного упрочнения.

7. Установлена эффективность применения тепловой дробеударной обработки, которая за счет совместного воздействия пластической деформации и нагрева формирует ячеистую дислокацио-чую структуру мартенсита, устойчивую к силовому и тепловому воздействию. Закрепление ячеистой структуры и ск. жение локальных микронапрякений при последеформационном отпуске, дополнительно увеличивает контактную выносливость, а также расширяет диапазон температур использования .лплостойких-сталей. Определены рациональные режимы ТДО (1=160 °0, £М5 кДж/м2-) и отпуска (200-220 °С, 2 ч), повышающие в 3-4 раза долговечность и на 75-100 °С температуру эксплуатации деталей.

8. Разработана технология поверхностного деформационного упрочнения рабочих поверлностей зубьев колес, повышающая их эксплуатационные свойства. Она включает: для хромоникелевых сталей - дро-беударную обработку с Е=40-60 кДк/ьГ и отпуск при 130-140 °0, 2 для теплостойких - дробоударную обработку с Е 10-60 кДж/м2 при нормальной или повышенной температуре (160-180 °С) и отпуск соответственно при 160~1и'°С или 200-220 °0, 2 Ч.

Основное удержание диссертации отражено в работах:

i. Пахомова O.A. Контактная выносливость цементованных сталей, уп рочненных поверхностным пластическим деформированием и старением // Современные проблемы технологии машиностроения: Материалы Всесоюзной научно-технической конференции. - М., 1986. г С. 85-86.

?. Па/, мова O.A., Герасимова Н.Г., Рыков Н.М. Контактная выносливость цементованных сталей, упрочненнх поверхностным пластическим ^рформирвоанием // Несущая спосо'лость и качество зубчатых передач и редукторов маш.ш: Материалы Всесоюзной научно-технической конференции. - Алма-Ата, 1985. - С. TOO-IOI.

3. Рыков Н.М., Гуляев A.A., Пахомова С.А. Структура и контактная выносливость цементованной стали I2X2H4A после поверхностного пластического деформирования // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1986. - * 3. - С. 3p-33.

4. Рыжов Н.М., Пахомова O.A., Архипов A.M. Повышение контактной выносливости ц гентованных зубчатых колес // Прогрессивные методы термической и химикотермической обработки сплавов

/ Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М. - 1987. - С. 36-45.

б. Нахомова С.А., Рыжов Н.М. Изменена структуры и свойств мартенсита железоникелевых сплавов при дробей парном упрочнении // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1990. -Jfi 6. - С. PI-25.

6, Рыжов Н.М., Пахомова С.А. Влияние тепловой дробеударной обработки на суО'./труктуру мартенсита цементованных сталей и их контактную выносливость // Вестник МГТУ. Машиностроение. - 1993. -* 3. - jC. 75-82.

Рыжов Н.М., Пахомова O.A. Эфективност^ теплового дробеударного упрочнения цементованных стапеЯ .// Металловедение и термическая обработка металлов. - 1994. - * 5. - С. 21-24.

&. Упрочняющая обработка рабочих- поверхностей зубчатых колес из цементуемых сталей. Руководящий технический материал. РТМ. -1.4.1422-85. - М.: НИИД, - 1985. - 23 с.

9. Упрочнение зубчатых колес поверхностным пластическим деформировшшем. Производственная инструкция. ПИ. - J6-1.4 Л635-86. - м.: НЩЦ, - 1986. - 20 С.

10. A.C. * 1356470 AI СССР, МКИ4 С21Д8/00,' Способ термсмэхшгачес-кого упрочнения деталей из цементуемых сталей / U.M. Рыжов, С.А. Пахомовч. - i937.