6 Специальная часть.docр

Специальная часть

Введение

Поскольку ожидается, что зубчатые колеса ГТД пятого и шестого поколений будут работать в еще более тяжелых условиях по нагрузкам, скоростям и температурам, чем применяемые в настоящее время, возникала необходимость в разработке материалов, превосходящих по эксплуатационным свойствам вышеуказанные стали. Так, предполагается, что удельная нагрузка во вновь проектируемых зубчатых передачах достигнет 700 Н/мм, а скорость скольжения – 100 м/с; при этом рабочая температура поверхностей зубчатых колес превысит 200 °С, а температура мгновенных вспышек – 500 °С.

Расположение поверхностных слоев зуба

Для обеспечения прочности, изгибной и контактной выносливости зубьев зубчатой передачи необходимо обеспечить твердость рабочих поверхностей зубьев.

Рисунок 1 - Схема расположения поверхностных слоя

Повышение твердости поверхности осуществляется различными методами поверхностного упрочнения и в результате образуются поверхностные слои, толщины с одной стороны зуба и с другой (рис.1) в сумме могут быть равны или больше толщины зуба .

Способы упрочнения зубьев шестерен химико-термической обработки.

Наиболее распространенными способами упрочнения являются поверхностные химико-термическая обработка: - цементация - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 ^oС. Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %). Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h = 1…2 мм). Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %). В результате, приобретая твердую (60…64 HRC) поверхность, детали сохраняют вязкую (при твердости 38…43 HRC) сердцевину, устойчивую к ударным нагрузкам. Недостаток цементации-большие деформация и коробление деталей. Для их устранения требуется шлифование, при котором удаляется наиболее твердая и несущая часть слоя и увеличивается трудоемкость изготовления деталей; - газовая цементация - процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором. Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами. Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки. Преимущества способа:

а) возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);

1. сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;

2. возможность полной механизации и автоматизации процесса;

• ионно-плазменное азотирование (ИПА) - это разновидность химико-термической обработки деталей машин, обеспечивающая диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом (азотом и углеродом) в азотно-водородной плазме при температуре 400…600 °С.

• (ВНЦ) - Вакуумная нитро-цементация - реализуется саморегулирование процесса насыщения.

Ионно-плазменное азоторование

В настоящее время большое распространение получило применение технологии ИПА, так как позволяет сэкономить основное оборудование и производственные площади, снизить станочные и транспортные затраты, уменьшить расход электроэнергии и активных газовых сред. Метод ИПА имеет следующие основные преимущества:

• более высокая поверхностная твердость;

• отсутствие деформации после обработки и высокая чистота поверхности;

• повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанной детали;

• более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурные превращения;

• сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600…650С;

• возможность получения слоев заданного состава;

• возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;

• отсутствие загрязнения окружающей среды;

• повышение культуры производства;

снижение себестоимости обработки в несколько раз.

Преимущества ИПА проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства.

На рисунке 2 изображена схема установки для ионно-плазменного азотирования.

Рисунок 2 - Схема установки для ионно-плазменного азотирования (1 – деталь, 2 –вакуумный контейнер, 3 – блок электропитания, 4 – прибор регулирования температуры, 5 –газовая гребенка, 6- вакуум – насос)

В разреженном пространстве между катодом (деталью) и анодом (вакуумный контейнер) возбуждается тлеющий разряд в среде газа, содержащего атомы и ионы азота. В качестве насыщающей атмосферы используют аммиак из баллонов, смесь азота с водородом или тщательно очищенный от кислорода азот. При возбуждении тлеющего разряда к поверхности детали устремляется поток положительно заряженных ионов азота. При ударах ионов о катод выделяется тепло, за счет которого происходит разогрев поверхности детали. Низкое давление обеспечивает равномерное и полноценное покрытие детали свечением. Рабочее давление в камере печи составляет 1…10 мм рт.ст. Температура плазмы колеблется от 400 до 950°С. Формирующаяся на поверхности пленка состоит из двух слоев: нижнего диффузионного и верхнего нитридного.

Обеспечение стабильной температуры упирается в процессы теплообмена, происходящие непосредственно внутри камеры для ИПА. Для снижения интенсивности обменных процессов со стенками камеры используются специальные, непроводящие тепло экраны. Они позволяют значительно сэкономить на потребляемой мощности. Температура процесса вкупе с длительностью влияют на глубину проникновения нитридов, что вызывает изменения в графике глубинного распределения показателей твердости. В данном случае температура ниже 500 градусов наиболее оптимальная для азотирования легированных сталей поскольку эксплуатационные характеристики повышаются без изменения твердости сердцевины и термического разрушения внутренней структуры.  В результате в диффузионном слое прилегающая развитая нитридная зона снижает вероятность образования межкристаллитной коррозии, обеспечивая достаточный для активного трения квалитет шероховатости. С таким соотношением слоев зубчатое колесо с успехом будет использоваться в механизмах, работающих на износ.

Варьируя состав насыщения газа, давление, температуру и время выдержки, можно получать слои заданной структуры и фазового состава, обеспечивая строго регламентируемые свойства сталей и ее сплавов.

Применения ИПА в предлагаемом технологическом процессе заключается в следующем. Для повышения механических свойств материала деталь подвергают ИПА перед чистовой обработки, обеспечивая защиту поверхностей за счет припуска, значение которого больше максимальной толщины азотированного слоя. В результате термической обработки поверхностная твердость зубьев должна быть в пределах 64…72 HRC при глубине азотированного слоя 1,1…1,3 мм.

После ионно-плазменного азотирования (ИПА) упрочнения зубчатых колес предел выносливости зубьев при испытаниях на усталость при изгибе достигает 930 МПа. Контактная усталостная прочность после ИПА выше, а износостойкость диффузионного ионно-плазменного азотированного слоя в 2…4 раза выше износостойкости цементованного слоя.

Установка ионно-плазменного азотирования состоит из рабочей камеры, шкафа управления, системы откачки, системы водяного охлаждения, соединительный кабелей и магистралей (рис. 3).

Рисунок 3 - Установка ионно-плазменного азотирования ЭВТ 40

Рабочая камера состоит из неподвижного основания. В основании камеры размещены откачной патрубок, подвод электропитания, термопарный ввод, газоввод и штуцера системы охлаждения. Катод установлен на опорах, имеющих диэлектрические вставки.

Управление работой установки и контроль за ходом процесса обработки осуществляется автоматически по заданной программе посредством специализированного контроллера и персонального компьютера, встроенный в шкаф управления.

Все этапы установки (вакуумирование камеры, разогрев садки, выдержка и остуживание) автоматизированы. Переход от одного шага процесса к другому осуществляется либо по истечении заданного интервала времени (на выдержке), либо по достижении определенного заданного значения некоторого параметра-температуры либо давления (на разогреве садки).

В ходе технологического процесса на установке осуществляется контроль следующих параметров, которые отображаются на дисплее в виде графического протокола процесса:

• рабочее давление;

• температура;

• расходов трех рабочих газов;

• напряжение и ток разряда.

По завершении процесс определяется суммарный расход каждого из компонентов газовой смеси и расход электроэнергии, затраченной на формирование разряда в процессе обработки.

Вакуумная нитро-цементация

 

Рисунок 4- Изменение твердости HRC поверхности после различных

этапов упрочняющей обработки

 

Технология ВНЦ по сравнению с вакуумной цементацией характеризуется большей гибкостью управления. Добавление второго насыщающего компонента – азота увеличивает количество управляющих факторов технологического процесса. Кроме временных факторов (τ_общ, τ_а, τ_п, число циклов) управляющими становятся температура и расходы компонентов (рис. 5).

 

Рисунок 5 Технологические факторы ВНЦ

 

Выбор метода и анализ методов упрочнения зубчатого венца

Для проведения выбора оптимального варианта технологии химико – термического упрочнения зубчатого венца составим таблицу по проанализированным методам придания поверхности специальных свойств (табл. 1).

Таблица 1 - Сравнительные данные по методам химико - термического упрочнения зубчатого венца.

Параметр	Методы
	Ионно-плазменное азотирование	Вакуумная нитро-цементация	Финишное плазменное упрочнение
1	2	3	4
Температура нагрева, °С	400…950	900…950	920…950
Твердость слоя	64…72 HRC	58…62 HRC	60…65 HRC
Время выдержки	0,5…1 ч	0,5…6 ч	3…5 ч
Толщина диффузионного слоя, мм	0,4…2,5	0,4…2,5	0,8…1,2
Тип использованного оборудования	вакуумная печь	вакуумная печь	печь с герметической камерой

Вывод

Анализируя данные таблицы 1 , можно сделать вывод о целесообразности выбора метода ионно-плазменного азотирования. Данный метод позволяет получить высокую твердость поверхности, его износостойкость, снизить коробление деталей, оптимизировать показатели усталостной выносливости и шероховатости, влияющей на вероятность задира поверхностного слоя. Позволяет уменьшить расход электроэнергии и насыщающих газов. В данном случае имеется возможность снизить себестоимость обработки в несколько раз.

 

 

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………………

Расположение поверхностного слоя зуба………………………………………….

Выбор способа упрочнения зубьев шестерен химико-термической обработкой..

Ионно-плазменное азотирование…………………………………………………….

Ваккумная нитро-цементация………………………………………………………..

Выбор метода и анализ методов упрочнения зубчатого венца……………………

Вывод…………………………………………………………………………………..