Совершенствование технологического процесса азотирования на основе методов статистического анализа и моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование технологического процесса азотирования на основе методов статистического анализа и моделирования

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

На правах рукописи

Хасанова Лейла Александровна

Рыбинск - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева».

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Жуков Анатолий Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Белкин Павел Николаевич

кандидат технических наук, доцент Вершинина Нэлли Ивановна

Ведущее предприятие ОАО «Автодизель» (ЯМЗ)

Защита состоится «16» декабря 2009 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.03 в ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева»

Автореферат разослан «___» __________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Каляева Н. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большинство деталей различных узлов, механизмов и изделий в целом работают в условиях взаимного контакта, передавая различные усилия или крутящие моменты. Ресурс работы таких сопряженных пар определяется свойствами поверхностных слоев сопрягаемых деталей. Наиболее распространенным типом сопрягаемого узла является зубчатое соединение. В большинстве случаев разрушение зубчатых колес, как и других многочисленных деталей машин, начинается на поверхности и в поверхностных слоях. Фундаментальные комплексные исследования процессов улучшения поверхности, выполненные Ю. М. Лахтиным, Я. Д. Коганом, С. А. Герасимовым, В.М. Зинченко, А.Г. Сусловым, В. Ф. Безъязычным, В. М. Приходько, Л. Г. Петровой, О. В. Чудиной и др. позволили создать новое научное направление - инженерия поверхности деталей. Одной из основных задач этого направления является формирование оптимальных параметров структуры, фазового состава и свойств поверхностных слоев зубчатых колес за счет совершенствования технологического процесса азотирования с учетом условий работы детали и рекомендуемой для нее марки стали.

Многие зубчатые колеса имеют недостаточный ресурс из-за контактного разрушения и износа упрочненного слоя. Разброс долговечности однотипных зубчатых колес, изготовленных и упрочненных в одинаковых условиях производства, достигает 10 и более раз. Это указывает на существенное влияние технологических факторов на характеристики азотированного слоя и на отсутствие надежных и адекватных математических моделей для прогноза и обеспечения заданных параметров слоя в зависимости от технологических факторов и марки (химического состава) стали. Учитывая сложный и многофакторный характер данной задачи для ее решения целесообразно использовать методы математической статистики. Возможность эффективного использования статистических методов обусловлена наличием значительного объема литературных и производственных данных по качеству азотированного слоя для различных марок сталей.

Возможности технологического процесса азотирования обусловлены тем, что многообразие формирующихся структурных и фазовых особенностей азотированных слоев, особенно в легированных сталях, не полностью использованы. В этой связи большое значение приобретает совершенствование технологии азотирования, с целью формирования заданной структуры и свойств азотированного слоя, обеспечивающие необходимые характеристики изделий. Это возможно на основе использования обобщенной математической модели процесса азотирования адекватно отражающей реальный процесс.

Таким образом, тематика диссертационной работы, направленная на решение проблемы получения требуемых показателей азотированного слоя зубчатых колес с учетом условий эксплуатации, представляется актуальной, поскольку позволит обеспечить стабильное качество азотированного слоя деталей.

Цель работы. Разработка и внедрение мероприятий по совершенствованию технологического процесса азотирования и оценки напряженного состояния азотированного слоя, обеспечивающих работоспособность азотированного слоя.

Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи:

Разработать обобщенную математическую модель расчета показателей качества слоя на основе анализа кинетики формирования азотированного слоя.

Выявить степень и характер влияния химического состава сталей на показатели качества азотированного слоя методом статистического анализа с использованием ППП STATISTICA 6.0.

Установить взаимосвязь показателей качества упрочненного слоя с эксплуатационными свойствами азотированных зубчатых колес, используя статистические методы оценки.

Определить упругие свойства (модуль Юнга) азотированных слоев на промышленных сталях. Выполнить анализ напряженного состояния азотированного зубчатого колеса на основе решения контактной задачи методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS.

Провести промышленные испытания и опробование основных результатов исследования и разработанного программного обеспечения.

Выработать рекомендации по оптимальным технологическим режимам азотирования зубчатых колес.

Научная новизна работы.

1. Получены регрессионные статистические модели для оценки и прогноза качества азотированного слоя в зависимости от химического состава материала.

2. Установлена взаимосвязь показателей качества азотированного слоя с эксплуатационными свойствами зубчатых колес.

3. Предложен критерий качества азотированного слоя Kр, по величине которого можно рассчитать контактную прочность и интенсивность изнашивания азотированного слоя, а следовательно предсказать характер разрушения слоя (выкрашивание или износ)

4. Разработана методика определения модуля упругости азотированного слоя и впервые определены модули Юнга азотированных слоев на сталях: 38Х2МЮА, 40ХНМА, ЭИ415, 18Х2Н4МА, ЭИ 736, ЭИ961.

5. Впервые выполнен анализ напряженного состояния зуба шестерни с учетом азотированного слоя методом конечных элементов с использованием ППП ANSYS 10.0. Ввод азотированного слоя при моделировании напряженного состояния зубчатого колеса увеличивает адекватность численных методов оценки возникающих в зацеплении азотированных зубчатых колес контактных напряжений.

Практическая значимость работы.

Разработана и внедрена на ОАО «НПО «Сатурн» математическая модель и алгоритм расчета показателей качества азотированного слоя от технологических факторов и химического состава стали, обеспечивающая возможность компьютерного управления качеством упрочненного слоя, а также оптимизации технологических режимов азотирования. Программа зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ свидетельство об отраслевой регистрации № 7824 на разработку программы «NITROTOMOS (азотированный слой)».

Получены многофакторные регрессионные статистические модели для оценки и прогноза показателей качества азотированного слоя. Это позволяет не только прогнозировать характеристики азотированного слоя в зависимости от марки стали, но также решать и обратную задачу: для требуемой твердости и толщины слоя (при соответствующих технологических режимах) выбирать марку стали.

В результате проведения исследований на ОАО «НПО «Сатурн» предложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса за счет оптимального соотношения компонентов насыщающей среды (N2:H2; N2:Ar) с учетом марки стали и условий эксплуатации зубчатых колес.

Положения, которые составляют основу работы и выносятся на защиту.

Математическая модель расчета показателей качества азотированного слоя в зависимости от технологических факторов на основе анализа физико-химических процессов азотирования.

Результаты статистического анализа влияния химического состава легированных сталей (для 27 марок) на показатели качества и эксплуатационные свойства азотированного слоя с использованием предложенного критерия качества (работоспособности) слоя.

Методика и результаты измерения модуля упругости азотированного слоя на сталях.

Результаты численного моделирования напряженного состояния азотированного зубчатого колеса.

Результаты практического использования методов статистического анализа и моделирования при производстве азотируемых зубчатых колес для ГТД.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XXIX конференции молодых ученых и студентов. г. Рыбинск, 2005, на международной молодежной научной конференции XXXII Гагаринские чтения, Москва, 2006, на 5-ой и 7-ой международной конференции «Авиация и космонавтика, Москва, (2006, 2008), на международной школе - конференции молодых ученых, аспирантов, и студентов РГАТА имени П. А. Соловьева, Рыбинск, 2006; на IX Международной молодежной научно-практическая конференции, г. Днепропетровск, Украина, 2007, на международной молодежной научной конференции XV Туполевские чтения, Республика Татарстан, г. Казань, 2007, на научной конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», Рыбинск, 2007, на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» Республика Татарстан, г. Казань, 2007, на всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», Республика Башкортостан, г. Уфа, (2007, 2008), на международном молодежном научно-производственном форуме «Будущее высоких технологий и инноваций за молодой Россией», г. Санкт-Петербург, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях. Получено 1 свидетельство об отраслевой регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений, списка использованных источников. Изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 22 рисунка, 5 приложений, библиографический список содержит 150 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована перспективность и актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, показана ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ условий эксплуатации и основных видов разрушения азотируемых зубчатых колес ГТД. На основе анализа условий эксплуатации изложены требования, предъявляемые к азотированному слою. Установлено, что преобладающим видом разрушения являются износ и выкрашивание азотированного слоя. Выполнен анализ рекомендаций по совершенствованию технологического процесса газового азотирования, направленных на обеспечение стабильного качества изделия.

Рассмотрены процессы, происходящие при формировании структуры и свойств поверхностного слоя при азотировании, приведена классификация показателей качества азотированного слоя.

На основании литературных данных и нормативных документов выполнен сравнительный анализ используемых азотируемых сталей.

Анализ методов моделирования напряженного состояния зубчатого зацепления показал, что наиболее эффективным является метод численного моделирования методом конечных элементов с использованием ANSYS.

На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлены химические составы исследуемых сталей; методики проведения исследований; оборудование и приборы, использованные при проведении исследований. Исследования проводились на конструкционных азотируемых сталях промышленной выплавки: 38ХМЮА, ЭИ 415, 18Х2Н4МА, ЭИ 736, ЭИ 961, 40ХНМА, применяемых в настоящее время на производстве для изготовления зубчатых колес редукторов ГТД.

Опытные образцы в количестве 18 штук из исследуемых сталей подвергались термической обработке - закалке и высокому отпуску на твердость 300 - 320 HB по принятой на ОАО «НПО «Сатурн» серийной технологии для конкретной марки стали и газовому азотированию. Кроме этого с целью повышения адекватности результатов статистического анализа и значимости в общую выборку дополнительно были введены данные по азотированию 10 марок сталей из литературных источников. Таким образом, сформированная выборка исследуемых сталей характеризуется: 1) широким диапазоном содержания углерода (0,15…0,87%), марганца (0,15…0,80%), кремния (0,17…0,40%); 2) существенным различием количества и содержания легирующих элементов, то есть степенью легирования Cr-Ni-Mo-Ti-V; Cr-Ni-Mo-W-V. Это позволило с высокой достоверностью оценить влияние различных легирующих элементов на характеристики азотированного слоя.

В работе использовались современные методики и средства оценки качества азотированного слоя: металлографические исследования с использованием оптических микроскопов Nikon Epiphot 200, Nikon SMZ 1500 при увеличении от (х100) до (х500) и сканирующего электронного микроскопа JOEL JSM 6400LV при увеличении до 5000 (10000); качественный и количественный анализ элементов, участвующих в образовании слоя соединений, и результатов процесса азотирования путем построения профиля концентрации азота от края к сердцевине образца используя энергодисперсионный и волновой рентгеновские спектральные методы анализа (ЭДС и ВДС) с использованием сканирующего электронного микроскопа JOEL JSM 6400LV в сочетании с ЭД (анализатор INCA Energy+) и ВД (анализатор Wave) спектрометрами; измерение твердости сердцевины по ГОСТ 9012-59 (Бринеллю) на твердомере ТБ 5004-03 и ГОСТ 9013-75 (Роквеллу) на твердомере Buehler MacroMet 5101; твердости поверхности по ГОСТ 2999-75 (Виккерсу) Buehler MacroVickers 5114; микротвердости по ГОСТ 9450-76 (Виккерсу) на микротвердомере MicroMet 5114 при нагрузке 50 гр. Определение модуля Юнга азотированного слоя проводили по методике использующей ударное взаимодействие индентора с испытуемым образцом на установке разработанной в РГАТА (разработчики В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, В.К. Кононенко), также использовали методику определения модуля Юнга по упругому отпечатку на поверхности слоя при вдавливании сферического индентора.

Статистическая обработка данных проводилась с помощью пакета прикладных программ «STATISTICA» 6.0. При проведении экспериментальных исследований использовали метод математического планирования. Анализ напряженно-деформированного состояния зуба зубчатого колеса проведен с использованием ППП ANSYS 10.0.

Третья глава посвящена экспериментально-теоретическим исследованиям свойств азотированного слоя с использованием методов математической статистики и компьютерного моделирования. В настоящее время отсутствуют систематизированные данные о взаимосвязи твердости и толщины азотированного слоя с химическим составом, то есть с маркой стали. Очевидно, что наличие таких данных является основой для более правильного выбора марки стали и для обеспечения требуемых свойств азотированного слоя.

Первоначально, по химическому составу 11 марок сталей были рассчитаны коэффициенты корреляции между содержанием легирующего элемента, толщиной и твердостью слоя. Так как коэффициенты корреляции r?0,90, поэтому все легирующие элементы, вводимые в состав сталей, значимо влияют на характеристики азотированного слоя. При этом, все легирующие элементы по характеру влияния на свойства азотированного слоя можно разбить на две группы: 1) W, Ni, Mn, Si, Cr монотонно повышают твердость слоя и снижают толщину слоя с увеличением их содержания в стали; 2) Al, V, Ti одновременно повышают твердость слоя, толщина слоя возрастает до определенной концентрации элементов (~ 2,0%), а затем толщина слоя снижается.

Это, по-видимому, является оптимальным содержанием легирующих элементов в стали.

Для статистического анализа суммарного влияния легирующих элементов изучали 16 марок сталей, различающихся содержанием легирующих элементов, а также углерода. На основании статистического анализа с использованием программы STATISTICA 6.0 были получены многофакторные регрессионные уравнения линейного и нелинейного типа. Так как множественные коэффициенты корреляции для нелинейных уравнений (1) и (2) более высокие, поэтому их можно рекомендовать для практического использования:

h = 0,86 - 5,50.(%С) + 3,44.(%С)2 + 0,880.(%V) - 7.(%V)2 -0,019. (%Al) + +0,0007. (%Al)2 + 0,15. (%Ti) - 0,034. (%Cr) + 0,014. (%Cr)2 - 0,021. (%W) + +0,011. (%W)2 - 0,01. (%Ni) + 0,0006. (%Ni)2, мм; (?=3%), R= 0,890 (1)

HV = 550,7 + 79,7. (%С) - 11,9. (%С)2 + 95,12.(%V) - 31,56 . (%V)2 +120. (%Al) - -20,3.(%Al)2 + 170,07. (%Ti) - 209,0. (%Mo) + 114,4. (%Mo)2 + 226,2. (%Cr)- -39,9. (%Cr)2 + 80,3. (%W) - 29,5. (%W)2; (?=4%), R=0,915 (2)

Для решения задачи по оптимальному соотношению основных легирующих элементов в конкретной марке стали могут быть использованы контурные графики, построенные согласно уравнениям регрессии (рис 1). Видно, что для получения твердости 1000 HV (рис. 1а точка А). Это соотношение легирующих элементов обеспечивает получение толщины слоя h = 0,6…0,65 мм (рис.1б).

деталь качество зубчатый азотирование



а б

Рис. 1. Контурные графики твердости HV (а), толщины h (б) азотированного слоя стали 38Х2МЮА в зависимости от массовой доли хрома и алюминия

Вторым этапом статистического анализа является выявление взаимосвязи между показателями качества азотированного слоя и основными эксплуатационными характеристиками зубчатого зацепления: контактная выносливость и интенсивность изнашивания.

В качестве исходных данных для статистического анализа использовали собственные производственные данные ОАО «НПО «Сатурн» и экспериментальные данные из литературных источников.

В результате статистического анализа по программе STATISTICA 6.0 были получены зависимости предела выносливости (?Hlim) образцов из исследуемых сталей от толщины (h) и твердости (HV) азотированного слоя:

для стали

18Х2Н4МА - ?Hlim = 411,2 + 1882,0·h - 4669,0·h2 + 3566,0·h3;

?Hlim = 59,85 + 0,924·HVп;

для стали

38ХНМФА - ?Hlim = 500,9 + 1459,0·h - 3632,0·h2 + 2728,0·h3; (3)

?Hlim = 71,44 + 0,829·HVп

для стали

20ХН3МФА - ?Hlim = 556,6 + 1325,0·h - 3769,0·h2 + 3221,0·h3;

?Hlim = 73,54 + 0,898·HVп

Проведен анализ интенсивности изнашивания в зависимости от толщины (h) и твердости (HV) азотированного слоя и получены корреляционные уравнения:

Ih·106 = 13,04·h-0,58 (4)

IHV·106 = 47,74 + 0,085·HVп- 0,00018·HV2п (5)

Для комплексной оценки качества и работоспособности азотированного слоя на зубчатом колесе с учетом твердости слоя (HVп) и сердцевины (HVс) и относительной толщины (h/r) слоя предлагается использовать критерий качества (работоспособности) слоя:

(6)

Регрессионные зависимости:

?Hlim= 812,72 + 60,623.ln(Kp) - сталь 38ХНМФА; (7)

?Hlim= 826,08 + 54,886.ln(Kp) - сталь 20ХН3МФА

При расчетах зубчатых колес на контактную выносливость согласно ГОСТ 21354-87 используется модуль упругости Юнга. Так как в настоящее время значения модуля Юнга азотированного слоя не известны в расчетах используется модуль Юнга стали, сердцевины зуба, что очевидно снижает достоверность расчетов. Поэтому в работе, впервые выполнена экспериментальная оценка модуля упругости азотированного слоя для различных марок сталей.

Разработана методика по измерению модуля Юнга азотированного слоя на основе решения задачи Герца для случая упругого микровдавливания сферического индентора в плоскую поверхность.

Анализ результатов экспериментов по определению модуля Юнга азотированного слоя показал, что модуль упругости слоя превышает модуль упругости основного материала на 100МПа, что является существенным различием.

Выявлено сильная положительная корреляция между модуля упругости и твердостью азотированного слоя, и отсутствие корреляции с толщиной азотированного слоя. Это позволяет прогнозировать значение модуля Юнга азотированного слоя для стальных различных марок.

Четвертая глава посвящена разработке обобщенной математической модели для расчета показателей качества и свойств азотированного слоя учетом основных параметров технологического процесса и химического состава (марки) стали. Математическая модель разрабатывалась на основе имеющихся аналитических зависимостей, описывающих процесс газового азотирования, а также результатов собственных экспериментальных исследований.

На начальной стадии разработки модели аналитические уравнения были систематизированы и сгруппированы в соответствующие блоки согласно общей принципиальной схеме процесса азотирования, который состоит из следующих основных стадий:

Диссоциация аммиака, формирование насыщающей атмосферы с определенными характеристики

Адсорбция и диффузия азота внутрь материала (изделия)

Формирование соответствующих нитридных фаз и азотированного слоя в целом согласно химическому составу стали;

Окончательное структурообразование азотированного слоя с соответствующими показателями: твердость, общая толщина слоя, толщина нитридной зоны и зоны внутреннего (твердорастворного) упрочнения.

Таким образом, при разработке математической модели и алгоритма расчета были использованы следующие основные аналитические выражения.

Так как определяющим параметром газовой смеси, обуславливающим протекание реакции азотирования является величина азотного потенциала ?N, поэтому в зависимости от состава насыщающей атмосферы необходимо рассчитать значение ?N по выражению:

Для азотно-водородной смеси:

(8)

где А -- доля аммиака NH3 в газовой смеси;

В -- объемная доля Н2 в газе-разбовителе;

? -- степень диссоциации NH3;

P -- общее давление смеси.

Аналогичные зависимости были получены для азото-кислородной и азото-аргоновой среды насыщения.

Необходимая степень диссоциации аммиака выбирается по диаграммам фазовых равновесий с учетом температуры и фазового состава азотированного слоя.

Формирование структуры азотированного слоя, состоящего из поверхностной зоны нитридов (??- и ?-фазы) и зоны внутреннего азотирования (твердый раствор железа в ?- или ?-железе) происходит в результате диффузии азота в этих фазах.

Временная зависимость толщины (h) диффузионного слоя в изотермических условиях описывается степенной зависимостью:

Для расчета толщины слоев (h) на различных конструкционных и инструментальных сталях с учетом аддитивности влияния легирующих элементов использовали следующую зависимость.

(9)

где h0 -- толщина слоя на железе, рассчитанная в результате решения уравнений диффузии;

Аi и аi -- эмпирические коэффициенты, получены при аппроксимации функций влияния содержания каждого легирующего элемента стали (Si, Мn, Сu, Мо, W, V, Ni, Тi, Zr, Nb, А1 и др.), масс. % (определены на ЭВМ используя программу ППП STATISTICA для Cr - Ai = 1,401; ai = -0,0898; W - Ai = 0,7033; ai = -0,1191; Al - Ai = 0,724; ai = 0,319; Ti- Ai = 0,253; ai = -0,273; V-Ai = 0,5241; ai = 0,2527 и т.д);

xi -- массовая доля i-го легирующего элемента стали, % (может быть взято ее среднее значение из справочных данных).

С учетом влияния термодинамических факторов эффективную толщину слоя определяли по выражению:

(10)

где gc - приведенная свободная энергия для сталей нитридообразования легированных несколькими нитридообразующими элементами, рассчитывается по формуле (15):

 (11)

где ?G0 - изменение свободной стандартной энергии при образовании нитридов;

Ni - мольная доля i-го легирующего элемента, %,

xi - стехиометрический коэффициент в реакции образования нитридов,

gi - приведенная свободная энергия образования соответствующих нитрида легирующего элемента.

Для малых содержаний легирующих элементов (меньше 5 - 10%) в стали

(12)

где МFe - молекулярная масса железа, г/моль;

Мi - молекулярная масса i-го легирующего элемента, г/моль;

сi - концентрация i-го легирующего элемента, %.

Расчетная формула для определения твердости азотированного слоя имеет следующий вид:

(13)

(14)

где - коэффициент активности азота в стали при наличии легирующих элементов;

?HV - приращение твердости слоя ?-фазы по отношению к твердости подложки, измеряемой на расстоянии 25 мкм от поверхности образца;

HVст - твердость подложки.

С учетом влияния термодинамических факторов было получено выражение для расчета твердости азотированной поверхности:

- для сталей с содержанием углерода 0,20 - 0,45 %С

(15)

- для сталей с содержанием углерода 0,80 - 1,50 %С

(16)

На рис. 2 показана микроструктура азотированного слоя с оптического Nikon Epiphot 200 и сканирующего электронного микроскопа JOEL JSM 6400LV для стали 18Х2Н4МА.

Расчетные и экспериментальные значения толщины и твердости азотированного слоя представлены в табл.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Микроструктура азотированного слоя стали18Х2Н4МА

Табл.1 Расчетные и экспериментальные значения толщины и твердости азотированного слоя

Показатели	экспериментальные	расчетные
Толщина, мм	0,35-0,36	0,371 (по 9)
		0,365 (по 10)
Твердость, HV0,5	830	856 (по 13)
		863 (по 15)

Сравнение расчетных значений с экспериментальными показало, что предложенная методика расчета может быть рекомендована для практического использования.

Разработана методика по измерению модуля Юнга азотированного слоя на основе решения задачи Герца для случая упругого микровдавливания сферического индентора в плоскую поверхность.

Анализ результатов экспериментов по определению модуля Юнга азотированного слоя показал, что модуль упругости слоя превышает модуль упругости основного материала на 100МПа, что является существенным различием, которое необходимо использовать при выполнении расчета зубчатого зацепления по ГОСТ 21354-87.

Предложена методика численного моделирования напряженно-деформированного состояния азотированного зубчатого колеса, выполненная в ППП ANSYS 10.0. Характер распределения напряжений вдоль эвольвенты зуба (рис. 3) показал наличие двух зон с максимальным значением возникающих напряжений, что является основанием для разработки механизма разрушения азотированного слоя за счет выкрашивания, вследствие встречного развития усталостных трещин, возникающих в зонах максимальных контактных напряжений.



Рис. 3 Распределение эквивалентных напряжений на азотированной поверхности вдоль эвольвенты зуба

Пятая глава посвящена производственному опробованию разработанного программного обеспечения.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что суммарная погрешность определения толщины азотированного слоя по разработанной методике не превышает 10%, а по твердости поверхности - 6 %, а распределения концентрации азота по толщине слоя~13%, что приемлемо для практики. Полученные данные по распределению концентрации азота позволяют предсказать появление соответствующих нитридных фаз.

Таким образом, разработанная программа «NITROTOMAS» может быть использована в производственной практике и в экспериментальных работах для прогнозирования толщины, твердости азотированного слоя и структуры азотированного слоя стали при различных режимах азотирования.

С целью совершенствования технологического процесса азотирования выполнен расчет параметров технологического процесса азотирования сталей ЭИ 415 ЭИ961 по программе NITROTOMOS, что позволило сократить затраты на проведение опытных работ. В результате расчетно-экспериментальных исследований предложены рекомендации по выбору оптимального состава насыщающей среды (N2-H2; N2-Ar)в зависимости от марки стали и требований, предъявляемых к зубчатым колесам. Результаты численного моделирования напряженного состояния зубчатого зацепления в программе ANSYS позволяют аргументировано назначать необходимую толщину азотированного слоя, что обеспечит разработку более эффективного технологического процесса. Для обеспечения необходимой толщины азотированного слоя предложены рекомендации по выбору технологических режимов до азотирования и по ускорению диффузионных процессов в результате предварительной поверхностной обработки зубчатого колеса.

В заключении приведены основные выводы и результаты работы.

Выводы по работе

На основе анализа физико-химических процессов, происходящих при азотировании, разработана математическая модель, которая позволяет методом компьютерного моделирования выявить влияние основных технологических факторов на качество азотированного слоя и установить предельно-допустимые отклонения этих параметров.

Выявлена взаимосвязь марки стали с показателями качества азотированного слоя. Получены регрессионные статистические модели для оценки и прогноза качества азотированного слоя, что является основанием для совершенствования технологического процесса.

3. Проведен статистический анализ влияния показателей качества азотированного слоя на эксплуатационные свойства деталей. Предложен критерий работоспособности азотированного слоя Kр, который позволит выбирать значения толщины и твердости азотированного слоя в зависимости от требуемого уровня эксплуатационных свойств.

4. Впервые определены модули Юнга азотированных слоев промышленных конструкционных сталей, выполнен расчет напряженного состояния зубчатого зацепления с учетом азотированного слоя в программе ANSYS 10.0. Это позволит оценить возникающие в зацеплении азотированных зубчатых колес контактные напряжения.

5. Разработаны и внедрены практические рекомендации по совершенствованию технологического процесса азотирования за счет: использования программы NITROTOMOS, оптимизации состава насыщающей среды, определения параметров доазотирования, использование поверхностно пластической обработки зубчатого колеса для достижения значительной толщины азотированного слоя.

Основные результаты работы представлены в следующих публикациях

1. Жуков, А. А. Статистический анализ влияния химического состава сталей на показатели качества азотированного слоя [Текст] / А. А. Жуков, Л. А. Щапова // Упрочняющие технологии и покрытия, № 1, 2007 - С. 48-52.

2. Жуков, А. А. Статистический анализ влияния показателей качества азотированного слоя на эксплуатационные свойства деталей [Текст] / А. А. Жуков, Л. А. Щапова // Материалы Международной молодежной научной конференции XV Туполевские чтения, г. Казань, КГТУ им. А. Н. Туполева, 2007 - С. 38 - 403.

3. Жуков, А. А. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 7824 на разработку программы «NITROTOMOS (азотированный слой)» / А. А. Жуков, Л. А. Щапова // Государственный координационный центр информационных технологий, Отраслевой фонд алгоритмов и программ. Регистрация в государственном банке данных № государственной регистрации 50200700471.

4. Жуков, А.А. Оценка показателей качества азотированного слоя в зависимости от технологических факторов, насыщающей среды и химического состава стали [Текст] /А.А. Жуков, Л. А. Щапова // Сборник материалов XIII Российская научно-техническая конференция с международным участием, Часть 2, Курск, КГТУ, 2006 - С. 76 - 80.

5. Жуков, А.А. Исследование влияния водорода, технологических факторов и химического состава сталей на свойства азотированных деталей [Текст] /А.А. Жуков, Л. А. Щапова // Материалы IX Международной молодежной научно-практической конференции «Человек и космос», г. Днепропетровск, Украина, 2007 - С. 75 - 76.

6. Щапова, Л.А. Разработка программы для расчета технологического процесса азотирования [Текст] / Л. А. Щапова // Материалы 7-я международная конференция «Авиация и космонавтика - 2008», Москва, МАИ, 2008 - С. 46-48

7. Щапова, Л.А. Обеспечение качества и стабильности процесса азотирования [Текст] / Л. А. Щапова // Материалы Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», г. Уфа, УГАТУ, 2007 - Т.2 - С. 124 - 125.

Фамилия Щапова Л.А. изменилась на Хасанову Л.А в связи с заключением брака.

Размещено на Allbest.ur

...