CC BY
18
Belova Galina Sergeevna, student (e-mail: galya.belova.94@mail.ru) State technical university, Samara, Russia Amosov Evgeniy Aleksandrovich, cand. tech. sci.
State technical university, Samara, Russia
OBTAINING THE SILICON NITRIDE POWDER FOR ASIDE TECHNOLOGY SHS
Abstract. The azide SHS technology for the production of nanopowder of silicon nitride is described in this article. The advantages of this technology to obtain nanopowder are shown. The optimal chemical equations and conditions to obtain silicon nitride are chosen. A model of average particle silicon nitride size estimating in dependence on temperature is proposed Keywords: the silicon nitride, self-propagating high-temperature synthesis, nanopowder, the temperature of the reaction
УДК 621.891; 621.923
ФОРМИРОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ Бишутин Сергей Геннадьевич, д.т.н., профессор, директор учебно-научного института транспорта (e-mail: nad-bisch@yandex.ru) Брянский государственный технический университет, Россия
Описаны механизмы формирования поверхностных слоев деталей при абразивной обработке. Определены основные параметры процесса обработки, влияющие на формирование износостойких поверхностных слоев.
Ключевые слова: абразивная обработка; термическое воздействие; силовое воздействие; износостойкие поверхностные структуры; поверхностный слой.
Наиболее часто финишным этапом обработки поверхностей трения является абразивная обработка, при которой износостойкость большинства деталей машин определяется в первую очередь состоянием их поверхностных слоев [1-3]. Выявленное разнообразие структур и фазового состава приповерхностных слоев железоуглеродистых сплавов после абразивной обработки обусловлено прежде всего различными уровнями распределения легирующих элементов, термического и силового воздействий [4-5].
При абразивной обработке поверхностные слои заготовки подвергаются горячей высокоскоростной деформации (время деформирования материала при шлифовании обычно составляет 10-5...10-6 с). Высокоскоростная пластическая деформация способствует формированию неравновесного состояния материала, изменяет характер распределения и увеличивает плотность р несовершенств кристаллической структуры обрабатываемого материала: дислокаций, дефектов упаковки, вакансий, мало- и высокоугловых границ. Дефекты кристаллической структуры материала сильно влияют на формирование поверхностных слоев при структурно-фазовых пре-
вращениях, что можно использовать как фактор создания требуемых приповерхностных структур.
Рассмотрим наиболее характерные для процессов абразивной обработки механизмы формирования структур поверхностных слоев.
Первый механизм реализуется при температуре нагрева обрабатываемой поверхности, не превышающей температуру начала структурно-фазовых превращений материала заготовки, что наблюдается при шлифовании незакаленных сталей, хонинговании и суперфинишировании. В этом случае поверхностный слой условно можно разделить на три зоны (рис.1). В зоне А наблюдается самая высокая интенсивность деформаций 81 и скоростей деформирования 8 обрабатываемого материала (как показывают расчеты, для отдельных сталей достигается 81 >1,0, а 8 = 105...106 с-1). В этой зоне материал находится в диспергированном состоянии - в виде мелких блоков (субзерен) с высокоугловыми границами, имеющих характерную ориентацию вдоль вектора главного движения резания Бг. Очевидно, что структура материала в зоне А не способна к дальнейшей эволюции, а сам материал имеет максимальную степень упрочнения при плотности дислокаций 10-15...10-16 м-2. Однако нельзя исключать того, что уровень температур в этой зоне при существующих скоростях деформирования будет способствовать восстановительным процессам, уменьшающим плотность несовершенств структуры материала.
Рис 1. Схема поверхностных структур, формирующихся при доминировании силового воздействия абразивной обработки: 1 - граничный слой;
2 - деформированное зерно с развитой дислокационной (блочной) структурой; 3 - исходное зерно материала заготовки
В зоне Б интенсивность деформаций и скоростей деформаций много меньше (8! = 0,1.0,5; 8 = 104...105 с- ). В ней наблюдается блочная или фрагментарная (ячеистая) структура (в зависимости от типа кристаллической решетки обрабатываемого металла). Наиболее характерный размер блока составляет Ьб = 0,3.1,5 мкм. Разориентация между соседними блоками не является хаотической и почти не зависит от степени деформации
металла. При деформациях, характерных для данной зоны, блоки могут объединяться в группы (фрагменты).
Размер фрагмента Ьф = (3.10) Ьб [6], т.е. фрагмент содержит от 30 до 1000 блоков. Фрагментарная разориентация более выражена, чем блочная, и растет с деформацией материала.
Зона В непосредственно контактирует с исходной структурой материала. Размер фрагментов в этой зоне наибольший (практически соизмерим с зернами основы). В зернах наблюдаются локальные дислокационные сгущения, не приводящие к значительной разориентации отдельных объемов
12 13 2
кристаллов. Плотность дислокаций меняется от 10 ...10-1- м до исход-
1Л-10 1Л-11 -2
ных значений - 10 .10 м .
Описанный механизм формирования поверхностных структур реализуется при доминировании силового воздействия абразивной обработки. В этом случае поверхностные слои имеют наименьшую толщину И (до 20.25 мкм). Детали машин с такими поверхностными слоями отличаются повышенной износостойкостью.
Второй механизм формирования поверхностных структур наиболее характерен для процессов шлифования закаленных сталей. В этом случае приповерхностные слои разогреваются до температур Тн, достаточных для начала структурно-фазовых превращений обрабатываемого материала в ходе его отпуска, динамического возврата и рекристаллизации. Характер структурных изменений при отпуске сталей зависит от температуры, продолжительности отпуска (времени ^ нахождения поверхностных слоев при температурах >Тн) и содержания углерода в стали. В связи с этим первые две зоны поверхностного слоя (рис. 2) содержат продукты распада исходной структуры.
_Р
С
Рис. 2. Схема поверхностных структур, формирующихся при доминировании термического воздействия абразивной обработки: 1 - граничный слой; 2 - деформированное зерно продуктов распада исходной структуры
3 материала заготовки
Верхние приповерхностные слои, содержащие продукты распада, подвергаются пластической деформации и образуют зону А (рис. 2). Горячая деформация приводит к ориентированию (вдоль вектора Бг) и упрочнению продуктов распада, повышая плотность дислокаций в этой зоне на один-два порядка.
В зоне Б плотность дислокаций несколько ниже, чем в зоне А, из-за активного протекания восстановительных процессов и меньшей деформации металла этого слоя.
В зоне В расположены структуры исходного материала с повышенной плотностью дислокаций. Повышению плотности дислокаций способствуют значительные напряжения, образующиеся в поверхностном слое в результате указанных превращений и неравномерного нагрева обрабатываемого материала.
Толщина поверхностного слоя при описанном механизме его формирования может достигать нескольких десятых миллиметра и более. Поверхностные слои, содержащие продукты распада исходной структуры материала, как правило, приводят к снижению эксплуатационных показателей деталей.
Третий механизм формирования поверхностных слоев наблюдается при шлифовании закаленных сталей на форсированных режимах. В данной ситуации температура нагрева Тн, скорости нагрева (Ун) и охлаждения (Уо) приповерхностных слоев способствуют вторичной закалке материала заготовки. Обычно вторичная закалка происходит, если Тн> 750°С, а величины Ун и Уо достигают более 10000...15000 °С/с. Поверхностный слой при этом состоит из трех характерных зон: зоны вторичной закалки (продукты распада исходной структуры повторно закаливаются), зоны отпуска (содержит продукты распада исходной структуры), зоны исходной структуры материала с повышенной плотностью дислокаций. Толщина первой зоны обычно составляет несколько сотых или десятых миллиметра, толщина второй зоны - до миллиметра. Формирование таких слоев сопровождается возникновением значительных остаточных напряжений I рода, нередко приводящих к образованию макротрещин на поверхности заготовки. Такой механизм формирования поверхностных структур реализуется при выборе нерациональных режимов обработки, значительном износе и засаливании абразивного инструмента или при целенаправленном структурировании поверхностных слоев (например, для формирования «белых» (при травлении представляют собой светлые участки), особо износостойких слоев).
Таким образом, формирование тонких поверхностных структур (и структурного состояния поверхностного слоя в целом) определяется температурой Тн нагрева поверхностного слоя, временем 1;т нахождения поверхностных слоев при температурах >Тн, скоростью нагрева (Ун) и охлаждения (Уо) поверхностных слоев, интенсивностью деформаций (81) и скоростей деформаций (8) обрабатываемого материала. Величины Тн, 1Т, Ун, Уо характеризуют температурное воздействие абразивной обработки, па-
раметры 8! и 8 - силовое воздействие. С помощью этих величин можно описать основные условия формирования поверхностных структур стальных деталей (табл.1).
Таблица 1. Краткая характеристика и условия формирования поверхност-
_ ных структур при абразивной обработке_
Доминирующее воздействие абразивной обработки
Поверхностный слой Силовое Паритет воздействий Термическое
Основные условия формирования Тн < Тв (Мн) Тн > А^ (Мн), tв ^ tз Аз(Ат) > Тн > Ал, tв > t3 тн >Аз(А,), tв > tз, Уо > Ук
Характер структур Сильно деформированная исходная структура материала Структурная неоднородность локальных объемов поверхностных слоев Сочетание деформированных структур отпуска с переходом к исходным струк-турам материала Сочетание структур вторичной закалки и отпуска
Примечание. Мн - температура начала мартенситного превращения; Ас1 - температура превращения перлита в аустенит; Ас3 - температура окончания превращения феррита в аустенит; Аст - температура окончания растворения избыточных фаз; Тв - температура начала возврата; 1з - время завершения структурно-фазовых превращений; Ук - критическая скорость охлаждения материала при закалке.
Величины Мн, Ас1, Асз, А сь ^ ^ , Ук характеризуют процесс формирования поверхностных структур каждого конкретного железоуглеродистого сплава при термическом и силовом воздействиях.
Влияние температурного фактора при абразивной обработке стараются свести к минимуму или, по крайней мере, ограничить из-за возможности появления дефектов в виде прожогов на обрабатываемой поверхности [7]. В этих условиях тонкие поверхностные структуры формируются преимущественно вследствие пластической деформации поликристаллического материала. Следует отметить, что в ряде случаев высокие температуры в зоне резания приводят к значительному снижению плотности дислокаций в приповерхностных слоях. Глубинные поверхностные слои подвергаются незначительной пластической деформации, поэтому в них наблюдаются небольшие, беспорядочно расположенные полосы скольжения и малые дислокационные петли.
Таким образом, формирование износостойких микро- и наноструктур поверхностных слоев в значительной степени зависит от исходного состояния обрабатываемого материала и может регулироваться степенью деформации, а в отдельных случаях и температурой.
Сформировать износостойкий поверхностный слой без негативного влияния температурного фактора можно путем увеличения числа выхаживающих ходов круга и скорости вращения заготовки, снижения глубины шлифования, применения высокопористых и прерывистых шлифовальных кругов, а также путем перехода на более грубые режимы правки или применение непрерывных способов правки круга. Указанные решения влияют на интенсивность и длительность термического и силового воздействий абразивной обработки на поверхностный слой. Список литературы
1. Мышкин, Н.К. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии/ Н.К. Мышкин, М.И. Петроковец. - М.:Физматлит, 2007. - 368 с.
2. Бишутин, С.Г. Качество и износостойкость шлифованных поверхностей деталей автомобилей/ С.Г. Бишутин. - Брянск: Десяточка, 2011. - 100 с.
3. Бишутин, С. Г. Повышение износостойкости поверхностей деталей машин при финишной абразивной обработке /С.Г. Бишутин// Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. - 2013. - №2(38). - С.11-15.
4. Бишутин, С.Г. Износостойкость сформированных при шлифовании поверхностных слоев деталей машин/ С.Г. Бишутин, М.И. Прудников; под ред. С.Г. Бишутина. -Брянск: БГТУ, 2010. - 100 с.
5. Бишутин, С.Г. Износостойкость деталей машин и механизмов: учеб. пособие/С.Г. Бишутин, А.О. Горленко, В.П. Матлахов; под ред. С.Г. Бишутина. - Брянск: БГТУ, 2010. - 112 с.
6. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов: учеб. для вузов/ И.И. Новиков. - М.: Металлургия, 1986. - 480 с.
7. Бишутин, С.Г. Тепловыделение в зоне трения «абразивный инструмент-обрабатываемый материал»/ С.Г. Бишутин, Н.В. Тюльпинова // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2007. - №10. - С.23-28.
Bishutin Sergey Gennadjevich, Dr.Tech.Sci.,professor, director of educational scientific institute of transport Bryansk state technical university, Bryansk, Russia (e-mail: nad-bisch@yandex.ru)
FORMING OF WEARPROOF SUPERFICIAL LAYERS OF DETAILS OF MACHINES AT ABRASIVE TREATMENT
Abstract. The mechanisms of forming of superficial layers of details are described at abrasive treatment. The basic parameters of process are certain treatments influencing on forming of wearproof superficial layers.
Key words: abrasive treatment; thermal influence; power influence; wearproof surface structures; superficial layer.
