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

Рисунок 6.1 - 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.6.1) 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:

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

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

3. 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.

Ионное азотирование.

Технология ионного азотирования зубчатых колес основана на применении высокопрочных комплексно-легированных сталей мартенситного класса 16Х3НВФМБ-Ш(ВКС-5), 16Х2Н3МФБАЮ-Ш(ВКС-7), 10Х3Н3М2ВФБ-Ш(ВКС-10), разработанных ВИАМом в качестве цементируемых. Из этой группы сталей основное применение получила сталь ВКС-5. Для менее нагруженных азотируемых зубчатых колес опробована также сталь марки 30Х2НВА.

Применение теплостойких сталей продиктовано тем, что из-за ограниченной толщины азотированного слоя возрастают требования к прочности и твердости сердцевины, которые непосредственно определяются свойствами стали. Требуемый уровень этих свойств составляет:Q 0,2меньше или равно 1000 МПа, 30-35 HRC. При недостаточном сопротивлении сердцевины пластической деформации возможно продавливание слоя , развитие на рабочей поверхности зуба глубинных контактных разрушений.

Прочность и твердость сердцевины зависят от предварительной термической обработки , которая формирует исходный уровень этих свойств и режима азотирования . После термического улучшения горячештампованной заготовки- закалки и высокого отпуска при температуре 580-620 градусов- твердость стали составляет 35-40 HRC. При азотировании важно сохранить этот уровень твердости . Однако для того , чтобы обеспечить возможно большую толщину слоя и, как следует , более высокую его несущую способность , требуется проводить диффузионное насыщение при повышенной температуре и большем времени выдержки , т.е. тех факторах , при которых возможно разупрочнение стали.

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 6.2 изображена схема установки для ионно-плазменного азотирования.

Рисунок 6.2 - 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. 6.3).

Рисунок 6.3 - 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.

Режим ВНЦ со ступенчатым уменьшением температуры привел к формированию неоптимальной структуры диффузионного слоя с пересыщенной карбонитридной зоной и, как следствие, с умеренным количеством остаточного аустенита. При ступенчатом увеличении температуры создаются условия для частичного растворения карбонитридной фазы, сформированной на предыдущей низкотемпературной стадии, и округления частиц избыточной фазы. В результате насыщенность карбонитридной зоны уменьшилась, что способствовало увеличению количества остаточного аустенита. Наилучшие результаты получены при постоянной подаче аммиака и постоянной температуре процесса, способствовавших стабилизации остаточного аустенита и увеличению его количества.

Сопоставление результатов ВНЦ по оптимальному режиму с результатами вакуумной цементации показало, что диффузионные слои, сформированные в ходе вакуумной нитроцементации, могут успешно конкурировать с цементованными слоями. При проведении процессов в течение 6 часов при ВНЦ, как и при вакуумной цементации, получены слои эффективной толщиной 0,9…1,2 мм при протяженности активной карбонитридной (карбидной) зоны, равной 0,3…0,4 мм. Общая насыщенность слоя углеродом и азотом на поверхности составила 1,2…1,4 %, из которых на азот пришлось 0,15…0,20 % (при цементации концентрация углерода на поверхности составила 1,2…1,4 %).

Благодаря уменьшению концентрации углерода изменяется структура избыточной фазы: предотвращается образование грубой карбидной сетки, вместо которой формируются более округлые и мелкие карбонитриды, отвечающие требованиям по сопротивлению контактной усталости. Следует отметить, что мелкодисперсные карбонитриды, выделяющиеся в результате трехкратного старения, не обнаруживаются при помощи оптического микроскопа.

Представляется, что благоприятное изменение структуры избыточной фазы в присутствии азота связано с большей термодинамической стабильностью карбонитридов сильных карбидообразующих элементов по сравнению с соответствующими карбидами и, следовательно, с большей скоростью их зарождения, обеспечивающей повышение их дисперсности. Одновременно повышение термодинамической стабильности избыточной фазы обуславливает преимущественное зарождение ее частиц на дислокациях и вакансионных ансамблях внутри зерен вместо образования сетки по их границам.

Установлено, что однократного высокого отпуска явно недостаточно для полного распада остаточного аустенита, что обусловлено насыщением слоя азотом. После закалки избыточная карбонитридная фаза в диффузионном слое полностью отсутствует. Существенно, что процесс нитроцементации благодаря присутствию в слое азота обеспечивает аналогичный эффект полного растворения избыточной фазы, что и при нагреве под закалку после вакуумной цементации, при существенно меньшей температуре. В связи с изложенным, необходимость проводить высокотемпературный нагрев под закалку отпала.

Показано, что по результатам каждого из этапов упрочняющей обработки возрастает твердость поверхности образцов (рис. 5). Рост твердости определяется последовательным выделением мелкодисперсных карбонитридов и уменьшением количества остаточного аустенита в слое из-за мартенситного превращения. Следует отметить, что результирующая твердость, равная 61 HRC, не в полной мере соответствует поставленной задаче и в ходе дальнейших исследований предполагается обеспечить ее повышение за счет увеличения насыщенности слоя азотом в ходе ВНЦ. По мнению авторов, пониженная по сравнению с цементацией итоговая твердость обусловлена влиянием повышенного количества остаточного аустенита. Определение путей устранения данного недостатка явится предметом дальнейших исследований.

 

 

Рис.6. 4. Изменение твердости HRCповерхности 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. 6).

Принципы оптимизации режимов процесса ВНЦ основаны на положениях его физической модели.

Молекула аммиака, также как и молекула ацетилена, обладает свойством каталитической диссоциации на нагретой поверхности железа. На металлической поверхности, где есть свободные валентные связи, происходят беспрепятственная адсорбция и диссоциация молекул, а также диффузия продуктов распада. При этом поверхностный слой практически мгновенно покрывается монослоем углерода, что приводит к очень быстрому формированию избыточных фаз на границе раздела сред. На участках, покрытых избыточными фазами, диссоциация ацетилена и аммиака отсутствует. Таким образом, при ВНЦ реализуется саморегулирование процесса насыщения.

Необходимо обратить внимание, что углерод конденсируется на насыщаемой поверхности в чистом виде, а выделившийся при разложении аммиака азот может не только в атомарной форме растворяться в твердом растворе, но и образовывать молекулярную газообразную составляющую, десорбируемую с насыщаемой поверхности. Это обстоятельство определяет большую эффективность насыщения металла углеродом, нежели азотом, при прочих равных условиях. В этой связи, учитывая высокую скорость адсорбции и диссоциации молекул ацетилена, углеродсодержащий газ в камеру требуется подавать циклически.

 

Рис. 6.5.Технологические факторы ВНЦ

 

Важным технологическим фактором процесса является температура насыщения, которая определяет соотношение насыщенности слоя углеродом и азотом. Для большей насыщенности азотом необходимо уменьшать температуру процесса. Однако уменьшение температуры насыщения приводит к замедлению диффузионных процессов и, как следствие,  к увеличению общей продолжительность процесса для достижения заданной толщины упрочненного слоя.

1. Установлено влияние присутствия азота в диффузионном слое мартенситно-стареющей стали ВКС-10, подвергнутой вакуумной нитроцементации, на увеличение количества остаточного аустенита и получение карбонитридной фазы благоприятной мелкодисперсной структуры. Проведение совместного насыщения комплексно-легированной стали углеродом и азотом дало возможность снизить температуру нагрева под закалку и, следовательно, уменьшить коробление деталей, подвергнутых полному циклу упрочняющей обработки.

2. Проведен анализ различных схем технологических режимов вакуумной нитроцементации, что дало возможность установить оптимальную схему проведения процесса, обеспечивающую необходимую насыщенность углеродом и азотом.

3. На основе применения разработанной математической модели процесса осуществили оптимальный выбор технологических факторов вакуумной нитроцементации, обеспечивающий заданную протяженность и насыщенность упрочненного слоя.