Руководитель представительства «ЙОНИТЕХ» ООД,
В.В. Богданов, гл. техэксперт
ООО «Ионные технологии»
А.В. Оборин, директор
И.С. Соколова, инженер-исследователь
АО «Мичуринский завод «Прогресс»
С.В. Юсков, гл. технолог
ПАО АНПП «Темп-Авиа»
В.В. Палавин,  зам. нач. ЦЗЛ

Перспективные требования к узлам и системам аппаратов проектируемых для эксплуатации в атмосфере и космосе предусматривают увеличение ресурса при одновременном снижении массы изделий и стоимости их производства. Таким образом, требуется обеспечить развитие одновременно трёх взаимозависимых факторов, ибо только так можно соответствовать требованиям 5-го технологического уклада. Для гарантированного осуществления этой задачи необходимо применение не только современного оборудования, но и в первую очередь опережающих технологических решений, основанных на научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах (НИОКР), принципах ноу-хау и фундаментальных знаниях.

При создании как военной, так и гражданской воздушно-космической техники  широко используют мелкомодульные зубчатые передачи. На сегодняшний день существует проблема небольшого эксплуатационного ресурса мелкомодульных деталей (рисунок 1), в условиях интенсивной вибрации с перегрузкой 20 – 30 g. Постоянный износ также происходит в высокооборотистых многоступенчатых зубчатых передачах, используемых, например, в приборах авиагоризонта.

Инженеры компании «Ионные Технологии» г. Пермь начали в 2016 году поисковые работы по директивной технологии упрочнения мелкомодульных сложноконтурных зубчатых зацеплений из легированных и нержавеющих сталей, применяемых в навигационных приборах, а также в исполнительных механизмах инерциальных систем управления и наведения. Основная цель – обеспечить не менее чем 3-х кратное увеличение ресурса шестерён с модулем зуба 0,2 – 0,5 мм. Исследуемые стали 38Х2МЮА, 14Х17Н2, 16Х16Н3МАД, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т.Работы выполнялись в кооперации и в интересах «Мичуринского завода «Прогресс» и АНПП «ТЕМП-АВИА» г.Арзамас.

Основным способом упрочнения было выбрано ионно-вакуумное азотирование (ИВА) – насыщение металлических изделий азотом в среднем вакууме, в котором возбуждается аномальный тлеющий электрический разряд. В результате воздействия электромагнитного поля, рабочий газ (азот, водород, аргон и др.) ионизируется, создавая вокруг катода и размещённых на нём деталей низкотемпературную плазму, по этой причине азотирование в вакууме называют также плазменным или ионно-плазменным. В настоящее время ИВА находится в динамическом развитии, возможности постоянно совершенствуются, что позволяет стремительно расширять сферу применения, при этом многократно снижать стоимость упрочнения единицы продукции и время обработки.

азотирования узлов механизмов зубчатых передач азотирование деталей спецтехники
Рисунок 1. Общий вид азотируемых малогабаритных деталей для ответственной и специальной техники аэрокосмического комплекса

Основные трудности при упрочнении деталей малого размера представляет адекватное определение температуры на поверхности, применение новейших бесконтактных способов упрощает этот контроль. Также малая масса изделия с развитой поверхностью определяет высокую чувствительность измерительного оборудования и требования к источнику импульсной плазмы. Для объективного представления о динамике и результатах процесса было выполнено сотни металлографических и дюрометрических исследований. В отечественной практике подобный комплекс НИОКР выполнен впервые.

Результат превзошёл планируемые показатели, в процессе работ были выявлены зависимости формирования упрочнённых слоёв на глубины от 10  до 150 мкм. Обнаружены оптимальные условия возникновения твёрдых и не хрупких нитридов с равномерным распределением по всей поверхности зуба, что и обеспечивает высокие эксплуатационные свойства изделия в целом.

За прошедшее время разработанная технология кратковременного низкотемпературного азотирования прошла серийную отработку, получены стабильные результаты, количество упрочнённых изделий составляет тысячи штук. Удалось существенно повысить контактную и усталостную прочность, износостойкость и надежность упрочняемых изделий.

В 2018 году заключены договора на поставку оборудования с организациями, участвовавшими в работах, защищена магистерская диссертация в ПНИПУ по этой тематике, исследования  продолжаются в интересах группы предприятий и КБ.

Результаты первого этапа:

Отработку режимов упрочнения мелкомодульных зубчатых передач для ответственной и специальной техники проводили на деталях типа "трибка" и "зубчатое колесо". Детали применяются в электромеханическом приводе, предназначенном для работы в координаторе для осуществления функций стабилизации и управления угловым положением нагрузки относительно двух взаимно перпендикулярных осей и формирования сигналов об угловом положении нагрузки относительно осей подвеса.

Упрочняемые изделия выполнены из сталей различных классов: мартенситно-ферритных – 14Х17Н2 (AISI431,X20CrNi72), аустенитно-мартенситных – 16Х16Н3МАД, а также конструкционной легированной стали 38Х2МЮА (1.8509). После ионного азотирования детали имеют матово-серый цвет (рис. 2в).

абв
Рисунок 2. Вид деталей до (а), во время (б) и после (в) ионного азотирования

В результате ионного азотирования на деталях формируется равномерно развитый диффузионный слой, обладающий поверхностной твердостью в 3 раза большей, чем исходный металл, с одновременным отсутствием хрупкости. На рисунках 3 - 6 представлена микроструктура фрагментов обработанных деталей.

Таблица 1. Характеристики азотированного слоя на стали 16Х16Н3МАД
Поверхностная микротвердость HV 0.1, кгс/мм21000 - 1090
Глубина слоя по микроструктуре, hм, мкм25 - 30
Хрупкость по шкале ВИАМ1 балл, не хрупкий
Таблица 2. Характеристики азотированного слоя на стали 14Х17Н2 (AISI 431, X20CrNi72)
Поверхностная микротвердость HV 0.1, кгс/мм21160 - 1200
Глубина слоя по микроструктуре, hм, мкм35 - 40
Хрупкость по шкале ВИАМ1 балл, не хрупкий

 

микроструктура азтированной детали 
Рисунок 3. Микроструктура фрагмента детали «Шестерня» (m = 0,2) из ст. 16Х16Н3МАД после ионного азотирования с упрочненным слоем по профилю зубьев,  увеличение в 50 раз
микроструктура азтированной детали
Рисунок 4. Микроструктура фрагмента детали «Трибка» из ст. 14Х17Н2 (m = 0,4) после ионного азотирования с упрочненным слоем по профилю зубьев, увеличение в 50 раз
Рисунок 5. Профиль азотированной “Трибки” упрочненным слоем по профилю зуба, увеличение в 50 раз

Низкотемпературные кратковременные процессы ионного азотирования обеспечивают размерную и чистовую точность (изменение размеров до 7 рабочих мкм;  шероховатость Ra=0,32 – 0,16 мкм).

Рисунок 6. Микроструктура боковой поверхности зуба в зоне делительной окружности, увеличение в 500 раз
 
Рисунок 7. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя 

В результате проведённого комплекса работ, увеличился эксплуатационный ресурс специальной техники более чем в три раза, что подтверждено заводскими испытаниями широкополосной случайной вибрацией (ШСВ) и опытной эксплуатацией в изделиях авиа-ракетно-космической техники. Для модернизированного электромеханического привода  с новыми деталями отпала необходимость постоянной прокачки для сохранения равномерного износа зубьев.

На сегодняшний день ионно-вакуумное (плазменное) азотирование можно рассматривать, как передовую технологию поверхностного упрочнения для авиакосмической промышленности. Применение различных типов ионной химико-термической обработки (ХТО) в массовом производстве изделий военного и гражданского назначения позволяет внедрять инновационные конструкторско-технологические решения, поднять на принципиально новый уровень качество продукции, существенно снизить затраты и обеспечить многократный рост производительности труда. Ионная ХТО является экологически чистым и малозатратным процессом упрочнения, что,
несомненно, ставит её в ряд природоподобных технологий.

Почитать подробнее о наших возможностях

 
К твердости и износостойкости узлов механизмов могут предъявляться дополнительные требования. Особенно это может быть востребовано для узлов механизмов зубчатых передач. В 2016-2018 гг специалистами ООО “Ионные Технологии” для ОПК ОАО "Мичуринский завод "Прогресс" (Россия, Мичуринск) и ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА" (Россия, Арзамас) была отработана технология по упрочнению узлов механизмов мелкомодульных зубчатых передач методом ионно-плазменного азотирования.