Разработка метода расчета режимов ионной нитроцементации, обеспечивающих заданный химический и фазовый состав диффузионного слоя легированных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Семенов, Михаил Юрьевич

• Семенов, Михаил Юрьевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семенов, Михаил Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

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

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Преимущества и недостатки высокотемпературной газовой нитроцементации

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

1.3. Нитроцементация комплексно-легированных теплостойких сталей

1.4. Технологические возможности и преимущества ионной нитроцементации

1.5. Анализ математических моделей газовой цементации

и нитроцементации низколегированных сталей

1.6. Особенности математического моделирования процессов ХТО с образованием избыточной фазы

1.7. Неизотермические процессы диффузионного насыщения

и трудности, связанные с их моделированием

1.8. Выводы и направления исследований

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Опытно-промышленная установка ИХТО

2.2. Варианты проведения технологических процессов

ХТО

2.3. Материалы и объекты исследований

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

2.5. Методика проведения испытаний на износостойкость

Стр.

и контактную выносливость

2.6. Выводы

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИОННОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ КОМПАНЕНТЫ

3.1. Структура математической модели

3.2. Разработка граничных условий модели

3.2.1. Граничные условия II рода и рациональные области их использования

3.2.2. Граничные условия III рода

3.3. Определение коэффициентов диффузии

3.4. Выбор методики численного решения и проверка адекватности модели

3.5. Выводы

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

МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

4.1. Основные характеристики нитроцементованного слоя

4.2. Моделирование одностадийных режимов ИНЦ

4.3. Моделирование двухстадийных режимов ИНЦ

4.4. Моделирование циклических режимов ИНЦ

4.5. Моделирование термоциклических (неизотермических)

режимов ИНЦ

4.5.1. Возможные причины ускорения диффузии

насыщающего элемента при термоциклической обработке

4.5.3. Экспериментальное исследование процессов ИЩ по неизотермическим режимам

4.5.3. Уточнение значения эффективного

коэффициента диффузии при неизотермических процессах ионной нитроцементации

Стр.

4.5.4. Анализ термоциклических режимов ИНЦ

4.6. Разработка технологических режимов ИЩ для упрочнения деталей буровых долот

4.7. Выводы

5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ИНЦ

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

5.1. Карбонитридная фаза нитроцементованного слоя теплостойких сталей

5.1.1. Строение нитроцементованного слоя комплексно-легированных теплостойких сталей

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

5.1.3. Влияние избыточной карбидной фазы на износостойкость

5.1.4. Влияние карбидной фазы на контактную выносливость

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

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

5.4. Экспериментальная проверка закономерностей влияния легирования на морфологию карбонитридной Фазы

5.5. Модель растворения частиц избыточной фазы

5.6. Анализ влияния технологических параметров ИНЦ с

ст

- и -

ото

образованием избыточной карбонитридной фазы на характеристики диффузионного слоя

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

5.8, Выводы

6. РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ЗАДАЧИ

6.1. Целесообразность решения обратной диффузионной задачи

6.2. Методика решения обратной диффузионной задачи

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

6.4. Методика решения обратной диффузионной задачи

для произвольного технологического процесса

6.5. Практическое применение решения обратной диффузионной задачи для произвольного

технологического процесса'

6.6. Выводы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода расчета режимов ионной нитроцементации, обеспечивающих заданный химический и фазовый состав диффузионного слоя легированных сталей»

ВВЕДЕНИЕ.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

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

2. Обоснованную экспериментально методику построения

- -19 -

-L ^

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

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

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

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

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

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

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ:

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

2. Разработана математическая модель неизотермических процессов ионной нитроцементации, учитывающая установленную рас-четно-экспериментальным путем температурную зависимость эффективного коэффициента диффузии углерода.

3. Па основе разработанной математической модели и выполненного с ее помощью анализа установлены закономерности, отражающие влияние технологических параметров процесса на характеристики диффузионного слоя.

4. Установлена закономерная связь контактной выносливости диффузионного слоя теплостойких сталей с его характеристиками в виде зависимостей предела контактной выносливости от эффективной толщины слоя, градиента концентрации и объемной доли карбо-нитридной фазы.

5. Определены термодинамические и кинетические соотношения, связывающие размер и морфологию частиц карбонитридов цементит-ного типа и специальных карбонитридов с концентрацией легирующих элементов в стеши и температурой процесса. На основе полученных соотношений разработана математическая модель процесса ИНЦ комплексно-легированных теплостойких сталей, прогнозирующая распределение концентраций углерода и азота в диффузионном слое, объемную долю избыточной фазы и размерно-количественное распределение ее частиц.

6. Разработана методика решения обратной диффузионной задачи, дающая возможность рассчитывать оптимальные значения параметров ИНЦ для заданного распределения насыщающих элементов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Разработан расчетный метод проектирования технологических процессов ионной нитроцементации, включающий в себя математи-

ческуто модель ионной нитроцементации и соответствующее программное обеспечение. Расчетный метод дает возможность существенно сократить затраты на разработку режимов ИЩ и находить оптимальные технологические решения для двух групп легированных сталей: низколегированных и комплексно-легированных теплостойких.

На основе анализа результатов расчета концентрационных кривых углерода и азота разработаны рекомендаций по оптимальному выбору параметров технологических процессов ИНЦ.

Показана целесообразность применения циклических режимов, которые дают возможность сократить время обработки и получить слои с концентрационной горизонтальной площадкой протяженностью до 1 мм. Выявлена особая эффективность термоциклических режимов, применение которых ведет к дополнительному уменьшению времени процесса и повышению насыщенности слоя азотом.

Предложены варианты технологических режимов ИНЦ, дающие возможность обеспечить фазовый состав и насыщенность нитроце-ментованных слоев, отвечающих высокому уровню износостойкости и контактной выносливости деталей буровых долот и зубчатых колес, которые приняты ВНИИВТ и ММПП "Салют" для промышленного опробы-вания.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Семенов, Михаил Юрьевич

6.6. Выводы.

1. Разработана методика рещения обратной диффузионной задачи, включающая в себя метод построения оптимизационной функции и -алгоритм ее минимизации. Предложен вид оптимизационной функции и осуществлен обоснованный выбор алгоритма ее минимизации для двух случаев: для типового двухетадийного процесса и симметричного циклического процесса.

2. Разработано программное обеспечение для IBM-совместимых компьютеров, осуществляющее расчет параметров оптимального технологического процесса по типовому двухстадийному режиму (с использованием детерминированного метода) и по симметричному циклическому режиму (с использованием метода случайного поиска). чтт/^тугтт Tri тм тт-> r-TTTi т

ХЛОЪЛИЬ СОЮЪ'ДЬ fl zziöjjldl AlO.

Разработан универсальный расчетный метод проектирования технологических процессов ионной нитроцементации, включающий в себя математическую модель и соответствующее программное обеспечение, обеспечивающий на основе прогнозирования характеристик диффузионного слоя и его эксплуатационных свойств оптимальный выбор параметров технологического процесса высокотемпературной ИБЦ для двух групп легированных сталей. В первую группу сталей входят применяемые в автомобильной промышленности низколегированные стали, насыщение которых выполнено в пределах однофазной аустенитной области. Вторую группу образуют используемые на авиационных моторостроительных предприятиях теплостойкие комплексно-легированные стали, в диффузионном слое которых формируется избыточная карбонитридная фаза.

1. Разработана математическая модель ионной нитроцементации для прогнозирования распределения концентрации углерода и азота в твердорастворной области. Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений; граничные и начальные условия. Экспериментально-расчетным методом получены граничные условия II и III рода в виде параметрических выражений потока углерода и азота в единицу времени, а также в виде выражений коэффициентов массопереноса, углеродного и азотного потенциалов, соответственно, выраженных через технологические параметры процесса МНЦ. Выполнен оптимальный выбор выражений коэффициентов диффузии углерода и азота, а также коэффициентов взаимного влияния, с учетом легирования стали. Проведена проверка адекватности математической модели экспериментальным данным, которая показала удовлетворительную сходимость экспериментальных и расчетных концентрационных кривых что определяет возможность надежно прогнозировать характеристики диффузионного слоя и установить рациональные режимы обработки.

2. Показана целесообразность применения в математической модели ИЭД граничных условий в виде III рода в связи с их универсальностью, а также повышенной точностью по сравнению с граничными условиями в виде II рода. Расчетная модель в граничных условиях III рода, реализованная в программном обеспечении для IBM-совместимых ЭВМ, дает возможность прогнозировать распределение концентрации углерода и азота в диффузионном слое, полученном в результате проведения ИНЦ по одностадийным, двухста-дийным и циклическим режимам изменения углеродного потенциала активной атмосферы.

3. Выполнен анализ на основе расчетного метода влияния технологических параметров при различных вариантах проведения ИНЦ на характеристики диффузионного слоя низколегированых и комплексно-легированных сталей. На основе выполненного анализа, разработаны рекомендации по выбору режимов ИНЦ, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств деталей машин. Показано влияние состава газовой атмосферы, температуры, соотношений углеродных потенциалов атмосферы и продолжительностей стадий активного насыщения и диффузионного выравнивания на характеристики диффузионного слоя - эффективную глубину и градиент снижения концентрации. Соотношение параметров технологического процесса необходимо выбирать в зависимости от заданного вида концентрационной кривой, легирования стали, возникновения в ходе диффузионного насыщения внутренних источников насыщающих элементов чсгСТМЦ йЗбЫТОчНОЙ ф&ЗЫ.

4. На основании проведенных экспериментальных исследований неизотеомических режимов ионной нитродементации сформировано положение об определяющем влиянии Фазового наклепа на ускорение диффузии при термоциклировании. Б результате применения термо-циклирования в процессе нитродементации, увеличивается протяженности диффузионного слоя на 30-50 %. На основании принятых Физических положений разработана математическая модель неизо-хермичеекой ионной нитродементации. Получена температурная зависимость коэффициента диффузии для неизотермических условий. Она основана на учете влияния температуры на упругие свойства кристаллической решетки, а также оценке количества атомов насыщающих элементов, диффундирующих в области дефектов кристаллического строения. Показана удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных концентрационных кривых.

5. Выполнены комплексные исследования химического и фазового состава диффузионного слоя, его структуры и свойств при обработке двух групп легированных сталей. Установлены требования к характеристикам диффузионного слоя - его насыщенности углеродом и азотом, количеству избыточной карбонитридной Фазы, выполнение которых обеспечивает высокое сопротивление изнашиванию (в .условиях микрорезания и адгезионного взаимодействия) или контактной усталости. Показано, что уменьшение скорости изнашивания, находится в прямой зависимости от количества карбонитридной фазы и, как следствие, от насыщенности диффузионного слоя углеродом и азотом. Зависимость контактной выносливости от насыщенности диффузионного слоя имеет выраженный максимум, соответствующий объемной доле избыточной фазы, равной 10-18 %. О

- eau ~

6. Разработаны параметры технологического процесса ИВД буровых долот из стали 2ÛXH3M, обеспечивающего высокие значения контактной выносливости.

7. На основании проведенных экспериментальных исследований диффузионных слоев комплексно-легированных сталей и модельных сплавов различного состава установлено, что избыточная фаза в диффузионных слоях состоит из легированного хромом цементита и относительно небольшого количества специальных карбидов и нитридов, которые образуются в виде дисперсных частиц, имеющих размер менее 0,5 мкм. Преобладающая карбидная фаза - легированный цементит образуется в виде сетки по границам зерен либо в виде глобулярных частиц размером 1-3 мкм.

3. Разработана расчетная модель нитроцементации легированных сталей с образованием избыточной карбонитридной фазы, включающая в себя систему дифференциальных уравнений, описывающих: 1) диффузионное перераспределение углерода из активной среды в объем металла с учетом стоков в карбиды цементитного типа; 2) скорость зарождения частиц, зависящую от степени пересыщения твердого раствора насыщающими элементами и от легирования стали; 3) диффузионный рост образовавшихся частиц. Расчетная модель дает возможность прогнозировать распределение концентрации насыщающих элементов в диффузионном слое, а также размерно-количественное распределение в нем частиц избыточной фазы в зависимости от параметров технологического процесса ИНЦ с учетом химического состава стали. Математическая модель реализована в программном обеспечении для ЭВМ. Сравнение расчетных результатов с экспериментальными показало хорошую сходимость модели.

9. Выполненный при помощи разработанной расчетной модели анализ межзеренного и дислокационного механизма образования цементитной фазы подтверждает целесообразность легирования стали хромом в количестве не менее 3 %. Хром, являясь достаточно сильным карбидообразующим элементом, снижает энергетический выход реакции образования цементита по дислокационному механизму в большей степени, чем по зернограничному. Это увеличивает стабильность цементита и способствует его формированию в виде частиц благоприятной глобулярной формы.

10. При помощи математической модели ИЩ с образованием избыточной карбонитридной фазы разработаны технологические процессы ИЩ деталей из теплостойких сталей, обеспечивающие получение диффузионных слоев с высокими эксплуатационными свойствами: зубчатые колеса топливной системы авиадвигателя из стали 20ХЗМВФ твердостью 61-64 ЖС.

11. Разработана методика рещения обратной диффузионной задачи, включающая в себя методику построения оптимизацционной функции и алгоритм ее минимизации. Предложен вид оптимизационной функции и осуществлен обоснованный выбор алгоритма ее минимизации для двух случаев: для типового двухстадийного процесса и симметричного циклического процесса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семенов, Михаил Юрьевич, 1999 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лахтин Ю.М., Арзамаеов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлурга, 1385. - 256 с.

2. Кальнер В.Д., Юрасов С.А. Современные методы цементации и нитроцементации. - М.: Машиностроение, 1987. - 65 е.

3. Козловский И.С. Современные стали для автомобильных и тракторных зубчатых колее и их ХТО // Вестник машиностроения. -

> <-"■ ^ тО г—i--* г* i

xaoi. ~ 1ч о. - u.

4. Козловский И.О. Химико-термическая обработка шестерен. -М.: Машиностроение, 1970. - 259 с.

5. Лахтин Ю.М. Поверхностное упрочнение сталей и сплавов

/ Ч»,Л«Л11 i г, •-• хтО Л Л Л < ,) П)Г

// шИхОМ. - хаоо. - i>l j.1. - О. О.

6. Термическая обработка в машиностроении: Справочник. -М.: Машиностроение, 1980. - 783 е.

7. Прженосил Б. Нитроцементация. - Л.: Машиностроение,

11Í/U. ~ сии с.

8. Зинченко В.М., Георгиевская Б.В. Состояние и перспективы развития термической и химико-термической обработки на автомобильных заводах // Технология автомобилестроения. - 1977.

> тО ¡Г*

-14 О. - с. <с~о.

9. Крылов В.И., Семенова Л.М., Слобин Б.З. Влияние дефектов ка усталостную прочность зубчатых шестерен из стали 25ХГТ

// МиТОМ. - 1971. - № 12. - С. 33-37.

10. Повышение усталостной прочности шестерен тракторов при оптимальной технологии нитроцементации/ Л.М. Семенова,

- ОХ» -

M.П. Сидельковский, А.H. Минкевич и др. /7 МиТОМ. - 1973. -

гтО г\ п or? on

14 а. - и.

11. Тельдеков Б.à., Мерилова Е.А. Исследование влияния прокаливаемости насыщенного слоя на служебные свойства зубчатых колее трансмиссии трактора // Вопросы проектирования, изготовления и прочности деталей машин: Сб. науч. тр. -Волгоград, 1979. - С. 5-14.

12. Маневский O.E., Соколов И.И. Противозадирная стойкость цементованных и нитроцементованных сталей /7 МиТОМ. - 1977. -№4. - С. 66-68.

13. Schmuch J. Propietes comporees des surfases des pieces cementles et carbonitrurees // Journales defude defults de surfase des aciers speciause. - 1975. - № 1. - P. 10-26.

14. Champin B., Seraphim J.. Tricot R. Effects compares des traitementes de cementation et carbon i t r i zat i on sul les propietes dempoi des aciers pour engrenades /7 Mémoires scientifiques rerul metallurgie. Ferrias. - 1977. - № 2. -

Г5 ЛГ»

V. £,U~û<C,.

15. Семенова Л.M., Сидельковский М.П., Минкевич A.H.. Роль кислорода в образовании "темной составляющей" - дефекта нитроцементованного слоя /7 Прогрессивные методы химической обработки металлов и сплавов: Сб. науч. тр. - М.: Металлургия -

.1 rvr?r, л л г\о л л П

id с а. - о. хи^-ххи.

16. Семенова Л.М., Сидельковский М.П., Минкевич А.H. 0 природе "темной составляющей" - дефекта нитроцементованного слоя /7 Известия вузов. Черная металлургия. - 1972. - № 6. -

■ î Л .1 t ? <~!

ХХ4~ХХО.

17. Зинченко В.М., Георгиевская Б.В. Фазовый состав и микроструктура нитроцементованных сталей 25ХГТ и 25ХГМ

/V Технология автомобилестроения. - 1376. - № 1. -С. 13-23.

18. Семенова Л.М. К вопросу о фазовом составе и строении нитроцементованного слоя /7 Новое в термической обработке: Сб. науч. тр. (Рига). - 1969. - № 9. - С. 129-132.

13. Семенова Л.М., Минкевич А.Н. Возникновение троостита в закаленном нитроцементованном слое /7 Известия вузов. Черная металлургия. - 1369. - № 9. - С. 32-36.

20. Зинченко В.М. Структура и фазовый состав нитроцементованного слоя /7 Технология машиностроения. - 1976. - № 3. - С. 6-10.

21. Шапочкин В.И. Влияние повышенного азотного потенциала при высокотемпературной нитроцементации на структуру и свойства низколегированных сталей: Дис...канд. техн. наук. - Волгоград, 1982. - 265 с.

22. Старова Е.П. Малолегированная быстрорежущая сталь с азотом. - М.: Машгиз, 1953. - 56 с.

23. Rouse S.R. Structure of carburazed and carbonitrized cases /7 Métal1 Progress. - 1360. - № 12. - P. 86-93.

24. Лахтин Ю.М., Коган Я. Д. Азотирование стали. - М. : Машиностроение, 1976. - 255 е.

25. Кальнер В.Д. Новые способы ХТО конструкционных сталей в автомобилестроении // МиТОМ. - 1978. - № 7. - С. 67-69.

26. Meinhard Е. Der heutige stand des karbonitrierens /7 Metal 1 bearbei t e r - 1968. - № 3. - S. 106-110.

27. Переверзев В.М., Колмыков В.И., Воротников В. А. Влияние карбидов на стойкость цементованных сталей к изнашиванию в кварцевом абразиве // МиТОМ. - 1990. - № 4. - С. 45-47.

28. Переверзев В.М., Колмыков В.Н. О природе повышенной склонности хромистых сталей к карбидообразованию при

цементации. // Изв. АН СССР. Металлы. - i960. - № 1. - С.

.inw nnp.

xnt _<c-UU.

£9. Röhl D.. Untersuchung über die SrtbchenbiIdung in geharteten zahnadern // Stahl und Eisen. - 1962. - № 2. - S.

nnrv Г*. /I r\

лил.- <C4U .

30. Семенова Л.М. Глубокая нитроцементация деталей

// Технология, экономика и организация производства: Сб. науч. трудов. - М.: Машиностроение, 1978. - № 8. - С. 12-22.

31. Ассонов А.Д. Влияние нитроцементации на структуру и твердость поверхностных слоев углеродистых сталей

// Интенсификация процссов ХТО: Сб. науч. тр. - М.: Машиностроение, 1973. - С. 70-74.

32. Авиационные зубчатые передачи и редукторы: Справочник / Под ред. Э.Б. Булгакова. - М.: Машиностроение, 1981. - 374 с.

33. Модель диффузионного роста частиц карбидной фазы в цементованном слое теплостойких сталей / Н.М. Рыжов, М.Ю. Семенов, P.C. Фахуртдинов и др. /7 МиТОМ. - 1998. - № 9. - С.

Г»,О Г\-\

ои.

34. Гюлиханданов Е.Л., Шапочкин В.И. Кинетика насыщения стали азотом и углеродом при высокотемпературной нитроцементации с высоким азотным потенциалом /7 МиТОМ. - 1994. - № 4. - С. 2-5.

35. Рыжов Д.Н. Преимущества и возможности ионной нитроцементации и цементации /7 Конверсия в машиностроении. -1998. - № 1. - С. 36-42.

36. Schnatbaum F., Schmitt G., Dreisser F. PulsPlasmaauf kohlung mit Hochdruck-Gasabschreckung im industriellen Masstab // HTM. - 1996. - Bd. 51, Heft 5. - S. 265-270.

37. Edenhofer B. Modliohkeiten und Grenzen der

- -

Р1asmaaufkohlung // HTM. - 1990. - Bd. 45, Heft 3. - S.154-161.

38. Блинов Б.H., Богомолов В.Г., Латышев À.S. Опытная установка для ионной цементации /У МиТОМ. - 1982. - № 1. - С.

ЛГ)

39. Опытно-промышленная установка для ионной цементации стальных деталей / А.Х. Макаров, М.В. Борисов, Н.М. Рыжов и др. // Авиационная промышленность. - 1986. - № 4. - С. 50-53.

40. Смирнов А.Е., Рыжов Н.М. Массоперенос при ионной цементации // МиТОМ. - 1993. - № 9. - С. 2-7.

41. Технологические возможности ионной нитроцементации

/ А.Х. Макаров, М.В. Борисов, Н.М. Рыжов и др. // Авиационная промышленность. - 1985. - № 6. - С. 61-64.

42. Родионов А.В., Рыжов Н.М., Фахуртдинов P.C. Повышение износостойкости теплостойкой стали путем нитроцементации

// МиТОМ. - 1994. - № 6. - С. 9-13.

43. Гуров К.Р. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов. - М.: Наука, 1978. - 127 с.

44. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов: Пер. с англ.. - М.: Иностранная литература, 1960. -127 с.

45. Щербединский Г.В., Шайдуров В.И. Закономерности перераспределения углерода вблизи границы соприкасающихся сплавов /У Защитные покрытия на металлах: Сб. науч. тр. (Киев). - 1969. - Вып. 2.-0. 55-61.

46. Прусаков Г.М. Математические модели и методы в расчетах на ЭВМ. - М.: Наука, 1993. - 141 о.

47. Onsager J.L. Reciprocal relations in irréversible process // Phys. review. - 1931. - V. 37. - P. 405-417.

48. Маннинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах: Пер.

С англ. - М.: Мир, 1971. - 251 с.

49. Гуляев А.П. Материаловедение. - М.: Металлургия. 1977. - 664 с.

50. Шьюмон П.Дж. Диффузия в твердых телах: Пер. с англ. -М.: Металлургия, 1966. - 195 с.

51. Щербединский Г.В., Кондратченко Л. А. Диффузионный рост фаз в трехкомпанентных системах при наличии взаимного влиянмя элементов // Защитные покрытия на металлах: Об. науч. тр. (Киев). - 1971. - Вып. 4. - С. 27-37.

52. Замятнин М.М. Расчет процессов химико-термической обработки стали на основе теории диффузии. - Л.: Дом научно-технической пропаганды, 1966. - 32 с.

53. Щербединский Г.В., Трубчиков В.В., Исаков М.Г. Метод определения коэффициентов диффузии и массопередачи в тройных системах типа Ге-Ме-С // Защитные покрытия на металлах: Сб. науч. тр. (Киев). - 1973. - Вып. 7. - С. 49-57.

54. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. - М.: Машиностроение, 1968. - 491 с.

55. Щербединский Г.В., Исаков М.Г., Трубчиков В.В. Одновременное насыщение и выгорание двух элементов в трехкомпанентном сплаве при конечной скорости массопередачи на поверхности // Защитные покрытия на металлах: Сб. науч. тр. -(Киев). - 1973. - Вып. 7. - С. 57-63.

56. Ляхович А.С. Влияние хрома на глубину и свойства цементованного слоя низкоуглеродистой стали /7 МиТОМ. - 1975. -

ьтОо /ч <-. .1 г> N О. - О.

57. Михайлов Л.А. Расчет параметров процесса и газового режима при цементации // МиТОМ. - 1978. - № 7. - С. 71-75.

58. Провоторов С.Н. Численные расчеты диффузионных

- 324 -

процессов при химико-термической обработке сталей в контролируемых атмосферах: Автореф. дис...канд. техн. наук. -Л., 1983. - 16 с.

59. Буслович Н.М., Махтингер Э.Я., Михайлов Л.А. Закономерности взаимодействия газовой среды с поверхностью металла в процессе цементации // МиТОМ. - 1976. - № 6. - С. 28-31.

60. Номограммы нелинейного процесса нитроцементации

/ Б.Д. Кальнер, О.Ю. Юрасов, В.Б. Гласко и др. // МиТОМ. - № 12. - 1992. - С. 11-17.

61. Семенова Л. М., Неширокий A.B., Мешков А.М. Современное состояние и опыт внедрения процессов химико-термической обработки // МиТОМ. - 1987. - № 5. - С. 5-12.

62. Расчет концентрационных кривых углерода при цементации в активированной газовой среде / A.B. Родионов, Н.М. Рыжов, P.C. Фахуртдинов и др. // МиТОМ. - 1991. - № 7. - С. 28-31.

63. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. -М.: Металлургия, 1986. - 486 е.

64. Новик А. Аномалия диффузии в металлах /У Новости физики твердого тела. - 1973. - Т. 2. - С. 23-29.

65. Дубинин Г.Н. Диффузионное хромирование сплавов. - М.: Машиностроение, 1964. - 451 с.

66. Горбунов Н.С., Горячев П.Т. Фазовые превращения при диффузионном насыщении // Применение диффузионных процессов в промышленности: Сб. науч. тр. - Запорожье: Изд. Запорожского "УкрНММспецсталь", 1970. - С. 18-19.

67. Свойства элементов: Справочник / Под ред. Г.В. Самсонова. - М.: Металлургия, 1976. - 600 с.

_ -no er OclÜ

68. Мельник П.PI.. Диффузионное насыщение железа и твердофазные реакции в сплавах. - М.: Металлургия. 1993. - 128

ч*» «

69. Горбунов Н.С. Диффузионные покрытия на железе и стали. - М.: Изд. АН СССР, 1958. - 206 с.

70. Попов A.A. К теории фазовых превращений, происходящих в металлических сплавах: Автореф. дис...докт. техн. наук. -Свердловск, 1957. - 20 с.

71. Лобов Б.Я.. Кинетическая теория фазовых превращений. -М.: Металлургия, 1968. - 264 е.

72. Фромм Е., Гебхардт Е.. Газы и углерод в металлах: Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1980. - 710 с.

73. Ворошнин А.Г., Хусид Б.М.. Диффузионный массоперенос в многокомпанентных системах. - Минск: Наука и техника, 1979. -255 с.

74. Теория и технология азотирования / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, Г.-И. Шпис и др. - М.: Металлургия. - 1991. - 320 е.

75. Булгач A.A., Солодкин Г.А., Глиберман Л.А. Моделирование на ЭВМ кинетики роста нитридов в азотированном слое /7 МиТОМ. - №1. - 1984. - С. 30-35.

76. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В. Внутреннее окисление и азотирование сплавов. - М.: Металлургия, 1992. - 198 с.

77. Буренкова O.G., Семенова Л.М., Костылева Л.В. Интенсификация насыщения стали при термоциклической цементации // Термоциклическая обработка деталей машин: Сб. науч. тр. -Волгоград: Изд. Волгоградского политехнического института, 1981. - С. 98-101.

78. Способ химико-термической обработки стальных изделий / Ю.А. Башнин, Л.А. Лисицкая, А.Ю. Башнин и др. // Бюллетень

- 326 -

Московского вечернего металлургического института. - 1993. -№ 1. - с. 14-18.

79. Пегишева O.A., Чаплина И.Н. Влияние неизотермических условий насыщения на образование карбонитридного слоя

/7 Конструкционная прочность, долговечность, упрочнение материалов и деталей машин: Тез. докл. Межреспубликанской научно-технической конференции. - Волгоград, 1990. - С. 54-59.

80. Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах: Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 808 с.

81. Термоциклическая обработка сталей, сплавов и композиционных материалов / A.C. Тихонов, В.В. Белов, И.Г. Леушин и др. - М.: Наука, 1984. - 186 е.

82. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. - Л.: Машиностроение, 1989.

- 254 с.

33. Лебедев Т.А., Оимочкин В.В., Рябова Т.О. Влияние предварительной ТЦО на свойства азотированного слоя и сердцевины конструкционных и инструментальных сталей перлитного класса // Термоциклическая обработка деталей машин: Тез. докл.

- Волгоград, 1981. - С. 120-122.

84. Лариков Л.Н., Рябов В. Р., Фальченко В.М. Диффузионные процессы в твердой фазе при сварке. - М.: Машиностроение, 1975.

- 189 с.

35. Бугаков В.З. Диффузия в металлах и сплавах. - М.: Гостехиздат, 1949. - 112 с.

86. Блантер М.О., Гарбузов Н.Е., Грановский Е.В. Взаимодействие инородных атомов с вакансиями в ниобии, тантале и железе /7 Диффузия, фазовые превращения, механические

- ОС. I -

свойства металлов и сплавов: Сб. науч. тр. - М.: Наука, 1978. -Т. 2. - С. 93-105.

87. Шиняев А.Я., Пивкина О.Г. Дефекты кристаллической решетки и скорость взаимной диффузии в сплавах переменного состава // Диффузионные процессы в металлах: Сб. науч. тр. -Тула: Изд. ТЛИ, 1979. - С. 60-64.

88. Назаров A.B., Борисов В.Т. Влияние точечных и линейных дефектов на диффузию внедренных атомов // Диффузионные процессы в металлах: Сб. науч. тр. - Тула: Изд. ТПИ, 1978. - С. 5-13.

89. Валуффи Р. Об изменении скорости самодиффузии вдоль дислокаций в ГПК-металлах: Пер. с англ. /7 Термически активированные процессы: Об. науч. тр. - М.: Мир, 1978. - С. 42-74.

90. Christ W., Gschwendtner К., Hacbner F. Beein flusung der Rekristallisation polikristallinen Kupfers durch Neutronen - bestrahlung und Verformen // Phys. stat. solidi. - 1965. - V. 10, № 1. - P. 337-344.

91. Johnson W.G. Gield points times in single crystals // J. Appl. Phys. - 1962. - V. 33, № 2. - P. 2716-2730.

92. Зеегер А. Диффузия и термическая конверсия краудионов: Пер. с нем. /7 Термически активированные процессы: Сб. науч. тр. - М.: Мир, 1978. - С. 29-41.

93. Дубинин Г.Н. Диффузионное хромирование сплавов. - М.: Машиностроение, 1964. - 451 с.

94. Криштал М.А. Структура и свойства сплавов, обработаных излучением лазера. - М.: Металлургия, 1973. - 192 с.

95. Coleman M.G., Wert С.A., Peart R.F. Isotope effect for diffusional of iron in vanadium // Phys. Review. - 1968. - V. 175, № 3. - P. 788-795.

.nr. ~ OiCO -

96. Rothman S.J., Bastal R., Hines J.J. The anisotropy of self-diffusion in alfa-uranium // Trans. Metallurg. Soc. AIME. - 1966. - V. 236, № 6. - P. 897-899.

97. Kernohan R.H., Billington B.S., Lewis A.B. Effect of neutron irradiation on the precipitation // J. Appl. Phys. -1956. - V. 27, № 1. - P. 40-41.

98. Tucker C.W., Webb M.B. Electron irradiation of alluminium- copper alloys // Acta Met. - 1959. - V. 7, № 3. -P. 187-190.

99. Лариков Л.Н., Плотникова Н.П. Диффузионные процессы при отжиге облученных металлов // Диффузионные процессы в металлах: Об. науч. тр. - Тула: Изд. ТПИ, 1978. - С. 40-49.

100. Самсонов Г.В. Развитие представлений об электронном механизме диффузионных процессов в металлах и сплавах

¿Защитные покрытия на металлах: Сб. науч. тр. (Киев). - 1971. -

т>. /I Л V? ,1 л

г>ЫП. 4. - с-, /~±о.

101. Кива И.С., Кайдаш Н.Г. К вопросу об электронно-фононном механизме диффузии в твердых телах

^Защитные покрытия на металлах: Сб. науч. тр. (Киев). - 1973. -Вып. 7.-С. 63-67.

102. Сверхпластичность металлических материалов: Справочник / Под ред. М.Х. Шоршорова, А.С. Тихонова - М.: Наука, 1973. -219 с.

103. Еокштейн 0.3. Диффузия и структура металлов. - М.: Металлургия, 1973. - 206 с.

104. Еокштейн B.C., Еокштейн С.З., Жуховицкий А.А. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. - М.: Металлургия, 1974. - 280 с.

105. Федюкин В.К. Метод термоциклической обработки

металлов. - Л.: Изд. ЛГУ, 1984. - 192 с.

106. Шмыков A.A., Хорошайлов В.Г., Гюлиханданов Е.Л. Термодинамика и кинетика процессов взаимодействия контролируемых атмосфер с поверхностью стали. - М.: Металлургия, 1991. - 160 е.

107. Физико-химический фазовый анализ сталей и сплавов

/ Н.Ф. Лашко, Л.В. Заславская, H.H. Козлова и др. - М.: Металлургия, 1978. - 326 е.

108. Муратов Л.В.. Аналитическое выражение кривой усталости. // Труды Куйбышевского индустриального института. -1958. - № 1, вып. 7/3. - С. 19-25.

109. Grube W.L., Gray I.G. High-rate carburizing in а glow-discharge methane plasme // Metallurgical transactions. -1973. - V. 9A, № 10. - P. 1421-1429.

110. Untersuchung der Aufkohlung und Carbonnitrierung durch Ionen-leschuss. Vergleich mit den herkömmlichen verfahren / P. Collignon, G. Hisler, H. Michel und M. Gantois // HTM. - 1977.

- Bd. 32, Heft 2.-3. 69-74.

111. Кантор С.И., Черняховский Е.З., Потапова 0.0. Газовые атмосферы при цементации /У Труды ВНИИТеплопроект. - М., 1974.

- № 34. - С. 44-53.

112. Комплексная система управления процессом ионной нитроцементации / Н.М. Рыжов, А.Е. Смирнов, М.Ю. Семенов и др. /У МиТОМ. - 1996. - № 1. - С. 11-15.

113. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А.. Термодинамика сплавов железа. - М.: Металлургия, 1984. - 206 е.

114. Самарский А.А., Гулин A.B. Численные методы. - М.: Наука, 1989. - 432 е.

115. Криштал М.А. Диффузионные процессы в металлах

»TOM. - 1377, № 10. - С. 9-12.

116. Влияние предварительной холодной деформации на цементацию стали / Лахтин Ю.М., Кальнер В.Д., Седунов В.К. и др. // МиТОМ. - 1971. - № 12. - С. 22-26.

117. Семенов М.Ю., Рыжов Н.М. Моделирование неизотермических процессов ионной нитроцементации /7 Тез. докл. 3-го собрания металловедов России. - Рязань, 1996. - С. 14-15.

118. Свелин P.A. Термодинамика твердого состояния. - М.: Металлургия, 1968. - 316 е.

119. Переверзев В.М. Кинетика и механизм карбидообразования в хромистых сталях при нитроцементации // МиТОМ. - 1985. -№11. - С. 21-22.

120. Келли А., Николсон Р. Дисперсионное твердение: Пер. с англ. // Успехи физики металлов. - М.: Металлургия, 1966. - Т. 10. - 302 с.

121. Семенов М.Ю., Рыжов Н.М. Модель карбидообразования при цементации // Тез. докл. 3-го собрания металловедов России. -Рязань, 1996. - С. 39-41.

122. Ryzhov N.M., Semenov M.J. Computer Simulation for Flazma Carburizing aid Nitrocarburizing of Alloyed Steels

// 11-th Congress of the International Federation for Heat Treatment aid Surface Engineering: Foster presentations -Florence, Italy, 1998. - Vol. III. - F. 37-43.

123. Третьяков В.И., Хасянов M.A.. Влияние адсорбционной активности атомов легирующих элементов на свойства сплавов

// МиТОМ. - 1994. - № 5. - С. 27-31.

124. Семенов М.Ю., Рыжов Н.М. Износостойкость цементованного слоя легированной стали с избыточной карбидной фазой // Трение и износ. - 1998. - Т. 19. № 2. - С. 235-240.

125. Расетригин Л.А. 1965. - 256 е.

~ 001 -

Случайный поиск. - Рига: Зинатне,