CC BY
0КВАЛИМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АЗОТИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
ТУРБИН
Аннотация. В статье представлены результаты квалиметрической оценки азотирования стальных деталей с помощью функции желательности и паутины качества (дифференциальным методом). Ключевые слова: азотирование сталей, функция желательности, паутина качества
Введение
Уровень развития машиностроения, достигнутый к настоящему времени, характеризуется повышенной интенсивностью эксплуатационных режимов энергетических установок. Изменение и усложнение условий эксплуатации турбин требует постоянного совершенствования материалов и технологий их изготовления.
Азотирование повышает твердость поверхностного слоя детали, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в атмосфере, воде, паре, кавитацион-ную стойкость и т.д. Поэтому именно этот вид химико-термической обработки используется для повышения качества деталей турбин.
Материал и методика исследования
Материалами для исследования служили стали 12Х13, 20Х13, 15Х11МФ, 25Х2М1Ф, 25Х1МФ.
Азотирование - последняя операция в технологическом процессе изготовления деталей. Перед азотированием проводят полную термическую и механическую обработку. Механические свойства сталей и соответствующие режимы термообработки приведены в табл. 1.
Заготовки для деталей, подвергаемых азотированию, проходят предварительную термообработку:
• Отжиг: Т=840±10°С, охлаждение с печью до 250° С
• Закалка: Т=1040±10°С, охлаждение в полимер или масло
• Отпуск: Т=760±10°С, выдержка 10 часов плюс время на прогрев заготовки и садки; охлаждение на воздухе.
В процессе механической обработки детали должны быть подвергнуты промежуточному отпуску для снятия остаточных напряжений.
Таблица 1
Механические свойства при Т=20°С
Марка стали Ов МПа От МПа 5 % V % кси кДж / м2 Термообработка
12Х13 600 420 20 60 900 Закалка 1000-1050°С, воздух; Отпуск 700-790°С, воздух
20Х13 500 20 Отпуск 680-780°С
15Х11МФ 700 500 15 55 Закалка 1030-1060°С, масло, Закалка 700-740°С, масло
25Х2М1Ф 900 750 10 40 300 Нормализация 1030-1060°С, Отпуск 680 - 720°С, воздух
25Х1МФ 900 750 14 50 600 Закалка 880 - 900°С, масло, Отпуск 640 - 660°С, воздух
Методика эксперимента
Качество азотированного слоя оценивается по твёрдости азотированной поверхности, глубине и хрупкости азотированного слоя. Контроль качества азотированного слоя про-
водился на специальных образцах-свидетелях, которые подвергались азотированию совместно с деталями.
Определение твёрдости азотированной поверхности
Измерение твердости азотированной поверхности проводилось по методу Виккерса. Твёрдость замерялась на двух зачищенных до шероховатости 0,16 мкм параллельных боковых поверхностях каждого образца-свидетеля. Отпечатки ставились вдоль центральной оси по всей длине образца-свидетеля, но не менее 3-х отпечатков на сторону. Измерение твёрдо-
сти азотированной поверхности производили на приборах для измерения твёрдости:
• ИТ5010 при нагрузке более 5 кгс;
• Мюгоше! 2 фирмы БИЕНЬЕЯ при нагрузке менее 1кгс;
Нагрузка на индентор выбирается в зависимости от заданной твёрдости и глубины азотированного слоя по табл. 2.
Таблица 2
Выбор нагрузки на индентор
Твердость по Виккерсу Глубина азотирован- Марка материала Нагрузка на
НУ ного слоя, мм индентор, кгс
(не менее) (тах)
900 0,3-0,5 38Х2МЮА
650 0,3-0,5 25Х1МФ, 15Х1М1Ф, 25Х1М1ФА, 20Х1М1Ф1ТР, 25Х2М1Ф, 12Х1МФ
650 0,2-0,3 10Х2МФБ
600 0,25-0,5 34ХН1МА
550 0,3-0,5 38ХН3МФА 10
450 0,3-0,5 40Х
700-800 0,15-0,25 20Х3МФ
650 0,2-0,3 12Х13, 20Х13, 30Х13, 15Х11МФЛ, 15Х11МНФБ, 15Х11МФ, 18Х11МНФБШ
600 0,15-0,2 08Х16Н13М2Б 5
650 0,08-0,12 Сегменты сопел, вне зависимости от марки материала 1
Определение глубины азотированного
слоя
Глубина азотированного слоя может определяться тремя методами: по излому, микроструктуре и твёрдости.
Измерение глубины азотированного слоя по излому выполняется на половинках образцов-свидетелей после их ударного разрушения с помощью отсчётного микроскопа МПБ-2 или МПБ-3. За глубину азотированного слоя принимается размер светло-серебристой полосы, расположенной по периметру излома образца. Замер производится не менее чем в 3-х местах.
Измерение глубины азотированного слоя по микроструктуре производится на микрошлифе, изготовленном в поперечном сечении образца свидетеля на инструментальном оптическом микроскопе при увеличении 80х. Микрошлифы отрезаются на расстоянии не менее 5мм от торца образца-свидетеля. Травление микрошлифов проводится 2%-ным спиртовым раствором азотной кислоты. Глубина азотированного слоя определяется измерением глубины поверхностной зоны с большей степенью травимости, расположенной по периметру микрошлифа. Замер производится не менее чем в 3-х местах по периметру микрошлифа.
Определение глубины азотированного слоя методом твёрдости производится на поперечном микрошлифе, изготовленном на расстоянии не менее 5 мм от торца образца свидетеля. Замер твёрдости проводится по ГОСТ 2999-75 на твердомере типа Мюгоше! 2 фирмы БИЕНЬЕЯ при нагрузке 500 грамм (НУ 0.5), с шагом 30 мкм. За глубину азотированного слоя принимается расстояние от поверхности в перпендикулярном ей направлении до точки, в которой твёрдость равна граничному значению. Граничное значение твёрдости должно на 50НУ превышать значение твёрдости сердцевины. За твёрдость сердцевины принимается твёрдость, измеренная на тройном расстоянии глубины азотирования (среднее значение из трёх измерений твёрдости)
Определение хрупкости азотированного слоя
Определение хрупкости азотированного слоя производится по виду отпечатка от алмазной пирамиды, полученного при измерении твёрдости азотированной поверхности. Оценка хрупкости слоя производится по шкале хрупкости азотированного слоя в соответствии с табл. 3.
Таблица 3
Шкала хрупкости азотированного слоя
Группа
Вид отпечатка
Определение
I
II
III
IV
Нехрупкий
Слегка хрупкий
Хрупкий
Очень хрупкий
Характеристики и свойства конструкционных сталей после проведения азотирования
Результаты экспериментов приведены в табл. 4. В этой таблице указаны температура и время выдержки на первой и второй ступенях азотирования.
В работе проведено исследование структуры двух образцов после азотирования. В образце №1 был обнаружен брак, и проведено его повторное азотирование. Структура образ-
цов №1 и №2 (после повторного азотирования) представлена на рис. 1.
Образец №1 имеет малую толщину слоя (0,12 мм), на нем видны трещины в слое, которые связаны с неравномерным распределением температуры при азотировании из-за разницы коэффициентов термического расширения е-фазы азотированного слоя и сорбита. Глубина светлого азотированного слоя образца №2 намного больше, следовательно, и качество азотированной стали лучше.
Таблица 4
измерений
Марка стали HV Глубина слоя Группа хрупкости Т,0С Время выдержки, час
1 2 1 2
12Х13 684-715 0,2 1 580 14
12Х13 697-748 0,23 1
12Х13 725-793 0,3 1
12Х13 672-731 0,25 1
20Х13 785-838 0,3 1 580 14
20Х13 720-753 0,3 1
20Х13 698-726 0,27 1
20Х13 657-678 0,3 1
15Х11МФ 1131-1284 0,3 1 580 14
15Х11МФ 958-1189 0,3 1
15Х11МФ 1087-1246 0,3 1
15Х11МФ 935-1040 0,28 1
25Х2М1Ф 815-852 0,3 1 500 560 10 8
25Х2М1Ф 867-958 0,35 1
25Х2М1Ф 795-883 0,35 1
25Х2М1Ф 894-1023 0,4 1
25Х1МФ 1045-1157 0,35 1 500 560 10 8
25Х1МФ 1087-1198 0,35 1
25Х1МФ 1104-1213 0,4 1
25Х1МФ 984-1065 0,35 1
Рис. 1. Структура образцов после азотирования
Оценка качества азотирования сталей
С помощью функции желательности [1, 2] была проведена оценка качества азотирования исследованных марок сталей. В качестве параметров оптимизации были выбраны
• Твердость по Виккерсу НУ
• Глубина азотированного слоя (Ь)
Данные для построения функции желательности приведены в табл. 5.
Все исследуемые марки стали превосходят значения ГОСТ, поэтому за базу принимались значения стали 20Х13. В табл. 6 приведены рассчитанные по следующей формуле показатели желательности
й = ехр
1
У у
где 0<у<да - вспомогательный показатель (частный параметр оптимизации).
Номограмма желательности для рассматриваемых показателей качества азотирования приведена на рис. 2.
Таблица 5
Данные для расчета функции желательности
1
е
Градация качества 20Х13 15Х11МФ 25Х1МФ 25Х2М1Ф1
НУ Ь НУ Ь НУ Ь НУ Ь
Плохое <950 <0,15
Удовлетворительное 9501000 0,150,20
Хорошее 10001050 0,200,25 0,24 1024,5
Отличное 10501100 0,250,30 1073,5 0,28 1059
Превосходное >1100 >0,30 0,26
Значение ГОСТ 650 0,2 650 0,2 650 0,25 650 0,25
Рис. 2. Номограмма желательности азотирования сталей
Таблица 6
Показатели желательности
Градация Вспомога- Показатель
качества тельный желатель-
показатель у ности d
Плохое 0 0
Удовлетво- 1 0,37
рительное 1,5 0,51
Хорошее 2 0,61
3 0,72
4 0,78
Отличное 6 0,85
8 0,88
10 0,9
Превосход- >10 >0,9
ное
Из номограммы можно сделать следующие выводы:
• сталь 20Х13 обладает удовлетворительными качествами, но уступает требованиям ГОСТ по глубине слоя;
• сталь 25Х2М1Ф по обоим показателям относится к хорошему качеству;
• сталь 25Х1МФ обладает отличным качеством по глубине азотированного слоя, но уступает на один пункт по твердости;
• сталь 15Х11МФ по твердости занимает отличную категорию, а по глубине слоя -хорошую.
Показатели
Построение паутины качества (дифференциальный метод)
В работе также была построена диаграмма сопоставления показателей качества (паутина качества), на которой наглядно видно, по какому параметру следует принимать управленческие и технические решения. Для построения выбираются основные показатели свойств и откладываются на квалиметрических шкалах. В табл. 7 приведены основные показатели качества азотированного слоя для разных марок сталей, на основании которых строится паутина качества, изображенная на рис. 3.
Таблица 7
азотированного слоя
Марка стали Твердость, HV Глубина слоя, Ь, мм Время, t (час) Температура, 0С
15Х11МФ 1073,5 0,24 14 580
25Х1МФ 1024,5 0,28 18 560
25Х2М1Ф 1059,0 0,26 18 560
Твёрдость
время,ч
- 1075
, ч
14
/ту
С 580
- 15Х11МФ -25Х1МФ .—25Х2М1Ф
Глубина слоя
Рис. 3. Паутина качества азотированных сталей
температура
На основании паутины качества, представленной на рис. 3, можно сделать вывод, что наилучшим качеством по всем показателям обладают азотированные детали из стали 15Х11МФ.
В табл. 8 представлены данные для построения паутины качества двух исследованных образцов азотированной стали 25Х1МФ, которая показана на рис. 4.
Таблица 8
Показатели качества двух разных образцов стали 25Х1МФ
Образец Твердость, HV Глубина слоя, Ь, мм Время, t (час) Температура, 0С Наличие трещин
№1 993 0,12 18 560 есть
№2 1026,5 0,3 18 560 нет
Рис. 4. Паутина качества двух образцов азотированной стали
Из рис. 4 видно, что площадь образца 2 больше площади образца 1. Это означает, что качество материала после повторного азотирования улучшилось: повысилась твердость, увеличилась глубина азотированного слоя. Наблюдается отсутствие трещин.
Заключение Проведена квалиметрическая оценка показателей качества по уровню желательности и
дифференциальным методом. Уровень желательности всех рассматриваемых азотированных сталей на порядок и более превосходит уровень желательности значений характеристик качества, приведенных в ГОСТ. Дифференциальный метод показал преимущество азотированных деталей из стали 15Х11МФ.
Список литературы:
1. Kwang-Jae Kim, Dennis K.J. Lin. Simultaneous optimization of mechanical properties of steel by maximizing exponential desirability functions. Applied Statistics, Vol. 49, №3, 2000 - P. 311 - 325.
2. Charles Ribardo, Theodore T. Allen. An alternative desirability function for achieving "Six Sigma" quality, Qual. Reliab. Engng. Int., 19, 2003 - P. 227 - 240
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
QUALIMETRIC EVALUATION OF STEEL TURBINE PARTS Atroshenko S.A. - DSci, professor,
St.-Petersburg State Economic University. E-mail: satroshe@mail.ru.
Abstract. The article presents the results of a qualimetric evaluation of the nitriding of steel parts using the desirability function and the quality cobweb (differential method). Key words: nitriding of steel, desirability function, quality cobweb
КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕГРИРОВАННОМ СИСТЕМЫ МЕНЕДЖМЕНТА В ЭКСПЕРТНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
Аннотация. Предмет исследования - интегрированная система менеджмента качества. Объект исследования - экспертная организация ООО «ССЦ «ТехЭксперт». Цель работы - формирование и внедрение интегрированной системы менеджмента в экспертной организации. Задачей работы является раскрытие понятия интегрированной системы менеджмента, анализ соответствующей документации, разработка и внедрение интегрированной системы менеджмента в экспертную организацию.
Ключевые слова: интегрированная система менеджмента, система менеджмента качества (СМК).
В настоящее время, когда приняты такие стратегические документы, как Государственная стратегия РФ по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития и Концепция перехода РФ к устойчивому развитию, актуальными становятся вопросы, связанные с реализацией основных положений данных документов на практике. Для реализации концепции устойчивого развития, учитывающей различные аспекты деятельности, для создания устойчивых преимуществ над конкурентами, современному предприятию необходимо иметь отлаженную, эффективную систему управления своей деятельностью, для чего требуются новые методические и организационные подходы. С одной стороны, исследование результативности и эффективности систем
менеджмента и их влияние на конкурентоспособность организаций показало, что в современных условиях функционирование таких систем дает организации реальные преимущества над конкурентами на основе совершенствования организации работы предприятия. С другой стороны, важной составляющей развития управления предприятием является интенсивное развитие интеграционных процессов как внутри предприятия, так и с внешней средой, усиливая сотрудничество субъектов управления, их объединение и взаимодействие.
С конца 90-х гг. XX века многие организации, как за рубежом, так и в России проявляют все больший интерес к интегрированным системам менеджмента. Под интегрированной
