Аналітичне дослідження впливу технологічних факторів йонного азотування маловуглецевої неіржавіючої сталі на показники її поверхневого шару Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Петрищев А.С. Оптимізація техніко-економічних показників технології металізації окалини швидкорізальних сталей

Виконано розробку та оптимізацію багатофункціональної системи залежностей техніко-економічних показників металізації окалини швидкорізальних сталей. Знайдено та досліджено оптимальні області техніко-економічних показників та витратних коефіцієнтів, у результаті чого виявлено можливість підвищення якості одержаної сировини з найбільш вигідним вмістом легувальних елементів у ній та зниження собівартості виплавки сталі з його використанням.

Ключові слова: техніко-економічні показники, техногенні відходи, легування, сталь, математична модель, собівартість, легувальні елементи.

Petryshchev A. Optimization of technical and economic indexes of fast-cutting steels scale metallization technologies

Development and optimisation of multipurpose system dependences of technical-and-economic indexes of scale of fast-cutting steels metallization was made. Optimum areas of technical-and-economic indexes and account factors and therefore possibility of improvement in quality of the received raw materials with the most favourable contents of alloying elements in it and lowerings steel smelting cost price with its use was discovered and examined.

Key words: technical-and-economic indexes, technogenic waste, alloying, steel, mathematical model, cost price, alloying elements.

УДК 669.14.018.025

Д-р техн. наук В. Ю. Ольшанецький1, канд. техн. наук О. В. Нестеров1, д-р техн. наук С. I. Гоменюк2, канд. техн. наук С. М. Гребенюк2

1 Національний технічний університет,2 Національний університет;

м. Запоріжжя

АНАЛІТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ФАКТОРІВ ЙОННОГО АЗОТУВАННЯ МАЛОВУГЛЕЦЕВОЇ НЕІРЖАВІЮЧОЇ СТАЛІ НА ПОКАЗНИКИ ЇЇ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ

Проведено кількісний аналіз результатів йонно-плазмового азотування зразків (твердість та ширина поверхневого шару) феритних хромових сталей з метою подальшої оптимізації технології використовуваного процесу хіміко-технічної обробки.

Ключові слова: азотований шар, йонно-плазмовий процес, дифузійне насичення, хромова сталь, поліноми залежностей.

Для виготовлення виробів для згоряння різних видів палив та систем випуску відпрацьованих газів у світовій практиці пропонується ряд листових матеріалів: висо-кохромисті феритні сталі типу 08X18Т1, 15Х25Т, ме-талокомпозитні матеріали, зокрема алюміновані конструкційні вуглецеві сталі. Але світовий досвід розробки матеріалів для використання у техніці показує, що з метою підвищення конкурентоздатно сті є можливість виробництва економнолегованих листових сталей, хімічний склад, структура і комплекс властивостей яких відповідає суто умовам експлуатації таких виробів і систем. Наприклад, у Японії і Німеччині розроблені низь-

ковуглецеві хромисті сталі типу УШ-409В, ШИМ 4512, які додатково леговані алюмінієм, азотом і титаном, що дозволило знизити вміст хрому до 10-12 %. Ці сталі широко використовуються для виготовлення систем випуску відпрацьованих газів автомобілів.

Для отримання підвищення корозійностійко сті ма-ловуглецевої феритної сталі, наприклад з 8 % (мас.) хрому, яка була б здатна забезпечити ресурс експлуатації виробів, не менший за світові аналоги, нами було проведено дослідження можливостей зміни стану поверхні виробів шляхом йонного азотування в атмосфері тлійного розряду маловуглецевої сталі з саме таким вмістом хрому.

© В. Ю. Ольшанецький, О. В. Нестеров, С. І. Гоменюк, С. М. Гребенюк, 2012 76

Азотування отриманих зразків проводили на установці ИОН-20-И2 фірми «ЗФФТ0М-И0Н» (Болгарія). Як насичувальний газ використовували аміак. Температуру азотування та тиск аміаку варіювали в границях від 500 до 580 °С і від 3 до 5,5 шЬаг відповідно. Витримка зразків при йонному азотуванні становила в середньому 4 шд.

Для визначення оптимальних технологічних параметрів процесу при отриманні азотованих шарів з у' та є- фазами у складі структури були розроблені математичні (загальний та лінійні) плани експериментів, які б ураховували співвідношення температур, тисків насичувальнош газу та часи витримки.

Таблиця 1 - Глибина легування

Загальна математична обробка результатів дослідження режимів йонного азотування

Для такої обробки скористалися методом найменших квадратів, який дозволяє, окрім надання потрібної інформації, ще й усунути деякі неточності самих експериментальних досліджень. Враховуючи, що досліджувані величини в нашому випадку залежать від трьох вказаних вище чинників, надамо ці залежності у вигляді моделей другого порядку:

Н = а()Тір+а{Гі+а2Тр +щТ + а41р +

+ р + и~і + о%Т і р .

— Ь(уГїр + Ь]Ті + Ь-^Гр + ЬуГ +

+ Ь^ір + Ь$і + Ь(^ р + Ь~і + Ь%Т і р .

Т емература Г,°С Тривалість і, год Тиск р, шбаг Глибина поверхневого легування /г, мкм

580 2 3 55

580 2 5,5 70

580 6 5,5 100

500 6 3 110

500 2 5,5 25

540 4 4,25 150

500 6 5,5 20

520 2 6 25

540 4 4,3 150

580 6 3 150

620 10 7 150

640 12 8 200

480 10 7 15

460 12 8 10

Таблиця 2 - Твердість матеріалу

Т емература Г,°С Тривалість /, год Тиск р, шбаг Твердість, НУ

1 2 3 4

580 2 3 873,5

580 2 5,5 927

580 6 5,5 873,5

500 6 3 832

500 2 5,5 1340,5

540 4 4,25 911,5

500 6 5,5 1739,5

520 2 6 1034

540 4 4,3 908,5

580 6 3 890

540 4 4,25 908

де а07аІ7а27а37а47а57аб7аІ7а8,

Ь0,Ь^,Ь2,Ь3,Ь4,Ь5,Ь6,Ь7,Ь8 - невідомі постійні коефіцієнти.

Після застосування традиційної процедури методу найменших квадратів, користуючись таблицями 1 та 2, отримуємо такі залежності з числовими коефіцієнтами:

Ь = -0,1 \1Тір + 0,7697Ї+ 0,916Тр- 5,275Г + + 63,4ббір - 416,137ґ - 60,168р + 3087,07 +

+ 0,43-10"7 Г2ґУ,

НУ = -0,926Тір + 2,5357У - 0,163 Тр +

+ 1,226Г + 455,89ір -1319,436ґ +

+ 203,947;? - 0,301 + 0,363Т2і2 р2.

(3)

Графічні залежності показані на рисунках 1.4-1.9 (для глибини легування) і на рис. 2.10-2.15 - для твердості матеріалу Ці залежності становлять повну інформаційну картину щодо впливу на цільові функції, задані в чотиривимірному просторі з урахуванням по-парних факторів впливу у тривимірних перерізах відповідних гі пер поверхонь. Оскільки такою роду інформація є дуже загальною (хоча насиченою і цікавою), в подальшому було вирішено перейти до лінійних моделей з наперед вибраними центрами ортогональних планів для знаходження шляхом руху за градієнтом максимальних змін чинників технологічного процесу йоннош азотування (факторів впливу) для оптимізації останньою.

(4)

ш-

т

Ш:

ті

ті

109-

Рис. 1.1. Залежність для глибини легування при Т = 500 °С

Рис. 1.2. Залежність для глибини легування при Т = 600 °С

25»

ж-

15*

11»

99'

«

Ш

1М»

■ і

5М

ч

Рис. 1.3. Залежність для глибини легування при і = 2 год

Рис. 1.4. Залежність для глибини легування при і = 6 год

і т

Рис. 1.5. Залежність для глибини легування при р = 2 шЬаг

Рис. 1.6. Залежність для глибини легування при р = 6 тЬаг

мво-

аюо-

тн ^/-'/і-: ч-* /■ ,.у

\Ш

Рис. 2.1. Залежність для твердості при Т = 500 °С

Рис. 2.3. Залежність для твердості при і = 2 г

Рис. 2.2. Залежність для твердості при Т = 600 °С

Рис. 2.4. Залежність для твердості при / = 6 г

Рис. 2.5. Залежність для твердості прир = 2 шЬаг

Для цього складемо загальну матрицю планування (табл. 3) та як приклад загальну таблицю факторів впливу (табл. 4) для розрахунків глибини азотованого шару та його твердості). Багатофакторну лінійну модель у кодованих координатах спочатку задали співвідношенням

у = + Ь^х^ + Ь2х2 + Ьъхъ. (5)

де Ь(у Ъу Ь2, Ъъ - кутові коефіцієнти моделі.

Таблиця 3 - Зміна температури, часу витримки та

Рис. 2.6. Залежність для твердості прир = 6 шЬаг

Чисельні значення кутових коефіцієнтів моделі для глибини азотованою шару без урахування подвійних факторів впливу були визначені у цьому випадку за формулами:

N

ТУі

Ь0 = ^— = у = 69,375, (6)

° N

де Уі - і-ті експериментальні значення глибини азо-■ при азотуванні

Номер досліду Одиниця вимірювання Хі Т емпература, °С ^2 Тривалість процесу, год Тиск газу в камері, шЬаг

Інтервал варіювання 40 2 1,25

Основний рівень (0) 540 4 4,25

І верхній рівень (+1) 580 6 5,5

І нижній рівень (-1) 500 2 3

Таблиця 4 - Загальна таблиця факторів впливу та результатів дослідження з урахуванням подвійних факторів впливу

Номер досліду *і *2 *3 *1 *2 Л'2 Л'з х1 х3 к, мкм (Л НУ, мкм (уек)

1 -1 -1 + 1 + 1 -1 -1 25 795

2 + 1 -1 + 1 -1 -1 +1 70 927

3 -1 + 1 + 1 -1 +1 -1 20 909

4 + 1 + 1 + 1 + 1 +1 +1 100 874

5 -1 -1 -1 + 1 +1 +1 25 1147

6 + 1 -1 -1 -1 +1 -1 55 874

7 -1 + 1 -1 -1 -1 +1 110 832

8 + 1 + 1 -1 + 1 -1 -1 150 890

тованош шару;

у - середнє значення цієї глибини;

N

Туіхі,

N

(7)

де Ы-кількість дослідів; хі] - г-тий фактор впливу;

] - номер фактору.

Значення цих коефіцієнтів моделі згідно розрахунками за формулами (6) і (7), приводять до лінійного рівняння:

у = 69,375 + 24,375*-! + 25,625х2 + 15,625х2, (8)

для якого коефіцієнт множинної кореляції (К) дорівнює 0,8736, відповідно формулі [1]:

Я

уІХ}, х2,х3

лф]2 + ь} + ь2

(9)

Далі було використано багатофакторну модель в кодованих координатах, враховуючи на по пар ний вплив температури, тривалості процесу або тиску газу в камері у певних знакових співвідношеннях, і відповідно до кожного випадку знайдено коефіцієнти кореляції. Додаткові коефіцієнти математичної моделі у цьому випадку будуть визначатись формулою

Ь■■ =^-V

иуі -(*/*4

N

(10)

де Ьу - кутовий коефіцієнт багатофакторнош впливу, а]'= 1, 3; и = 1,3.

Коефіцієнти кореляції при багагофакторному впливі були розраховані за формулами аналогічними (9).

Тоді згідно з наведеними вище формулам будемо мати рівняння з коефіцієнтами множинної кореляції:

У(12) = 69,375 + 24,375х1 + 25,625х2- 15,625х2 +

+ 5,625x^2, (11)

і?

У іХ^,Х2,Хз,Л],Л2

щъ{ + ъ1+ъ1 + ъ?2)

N

І УЇ-К-у

7=1

= 0,8828; (12)

-2

К

у! хъх2,х3,х2,х3

N (Ьі +Ь~2+Ь^ + &2з)

N

1Уі-н-у

7=1

= 0,9771; (14)

-2

У(13) = 69,375 + 24,375х! + 25,625х2 - 15,625х3 +

+ 6,875x^3,

Я

■у/Х],Х 2,Х3,Х},Х3

N

^УІ-Х-у

і=1

(15)

= 0,8873.(16)

-2

Розрахунки показали, що найкращий коефіцієнт кореляції відповідає одночасному впливові тривалості процесу і тиску газу в камері на експериментальні значення. У результаті приходимо до нової робочої матриці (табл. 5).

Таблиця 5 - Конкретна робоча матриця лінійною «планування» кодованих значень факторів варіювання для розрахунків глибини та твердості азотованого шару

Номер досліду XI Х2 хз х&з

1 -1 -1 +1 -1

2 + 1 -1 +1 -1

3 -1 + 1 +1 +1

4 + 1 + 1 +1 +1

5 -1 -1 -1 +1

6 + 1 -1 -1 +1

7 -1 + 1 -1 -1

8 + 1 + 1 -1 -1

+ 5,625х2х3,

Знайдемо нові розрахункові значення функцій відгуку, а саме:

І уь = 69,375 + 24,375х! + 25,625х2 - 15,625х3 +

(17)

П Ун]/= 906 - 14,75х1 - 29,75(х2 + х3) + 45х2х3. (18)

При цьому за умови рототабельності дисперсії

2 2 2 °1 = °2 = ■■■ = °_у = ДеУ ЗМІНЮЄТЬСЯ від 0 до 4, середнь-

оквадратична похибка (наприклад, для випадку глибини К) відповідає залежностям:

N

2 (аУі) = ЛГ-(т + і)-о І-1

(19)

У(23) = б9>375 + 24,375х2 + 25,625х2 - 15,625х3 +

- 19,375х2х3,

(13)

N

Gj =

К)

= +1

ЛГ-(й2 + і)

= ±4,288, (20)

стійкості. Дифузійна зона з є- фазою значно підвищує зносостійкість поверхні, але при динамічних навантаженнях можливі сколи азотованого шару. Тому оптимальним сполученням у складі йонно-азотованого шару вважається суміш у' + є-фаз, яку було отримано на трьох зразках дослідної сталі за режимом: температура 540 °С, тривалість ~ 4 шд, тиск аміаку ~ 4 mbar.

Список літератури

1. Олынанецкий В. Е. О физических подходах к математическому моделированию функциональных связей / В. Е. Олынанецкий // Нові матеріали і технолога в металургії та машинобудуванні. - 2003. - № 1. - С. 80-86.

Одержано 27.04.2012

Олыиенецкий В.Е., Нестеров А.В., Гомеиюк С.И., Гребеиюк С.Н. Аналитическое исследование влияния технологических факторов ионно-плазменного азотирования малоуглеродистой нержавеющей стали и показатели ее поверхностного слоя

Проведен количественный анализ результатов ионно-плазменного азотирования образцов (твердость и ширина полученного поверхностного слоя) ферритных хромистых сталей с целью последующей оптимизации технологии используемого процесса химико-термической обработки.

Ключевые слова: азотированный слой, ионно-плазменный процесс, диффузионное насыщение, хромистая сталь, полиномы зависимостей.

Ol’shanetskiy V., Nesterov A., Gomenyuk S.,Grebenyuk S. Analytical research ofion-plasma nitriding technological factors influence of low carbon stainless steel and indicators of its surface layer

Quantitative analysis of samples ion-plasma nitriding (hardness and width of the resulting surface layer) offerritic chromium steels for the purpose of optimizing technology process using chemical and thermal treatment was done.

Key words: nitrided layer, ion-plasma process, diffusion saturation, chromium steel, dependency polynomials.

Аналогічна ситуація має місце і у випадку лінійної регресії для НУ

Подальші результати досліджень підтвердили логіку розрахунків. При всіх режимах йоннош азотування спостерігалась явно виражена дифузійна зона з твердістю, що значно відрізнялася від твердості основного матеріалу (НУ ;і 05 250-300). Так, поверхня зразків, які були азотовані на /-фазу, мала твердість НУ005 800-870 при їлибині азотованого шару 70-120 мкм. Поверхня інших зразків, що були азотовані на є- фазу, мала твердість НУГі 05 900-1100 при їлибині азотованого шару 20-60 мкм.

Отримання дифузійної нітридної зони будь-якого складу позитивно впливає на підвищення корозійної