CC BY
65
сухого помола, так и для мокрого. Содержание воды в загрузке для мокрого помола равно около 50%. Для измельчения частиц размером 15 мк и крупнее эффективнее использовать сухой помол. Для более мелкой дисперсности продукта мокрый помол будет целесообразней.
Для обеспечения эффективной, высокопроизводительной работы вибрационные мельницы должны снабжаться приспособлениями и устройствами, обеспечивающими непрерывную подачу исходного материала и отбор готового продукта, а в ряде случаев и его классификацию (сепарацию) [7]. В число этих устройств входят:
- дозаторы;
- транспортирующие механизмы для подачи исходного материала и транспортирования готового продукта (элеваторы, шнеки);
- промежуточные емкости (бункеры);
- классификаторы (сепараторы) различных типов для отделения готового продукта;
- вентиляторы, обеспечивающие воздушную сепарацию и пневмотранспорт;
- пылеосадительные устройства (циклоны).
Промышленные установки, сочетающие в себе вышеперечисленное оборудование, обеспечивают максимальную производительность, высокое качество конечного продукта, удобное обслуживание, и все это при наименьших затратах труда. Отсутствие даже одного из перечисленных устройств может привести к экономически неэффективному измельчению материалов.
Вибрационные мельницы широко используются в различных отраслях промышленности для измельчения материалов и в связи с этим обращают на себя пристальное внимание ученых. Проводятся исследования в области совершенствования конструкций мельниц и технологии их работы. Рассмотренная в данной статье классификация вибрационных мельниц позволила систематизировать их по конструктивным особенностям и физическим признакам, что даст возможность в дальнейшем выбрать наиболее подходящую установку для определенного измельчаемого материала.
Статья поступила 16.01.2015 г.
Библиографический список
1. Гаврунов А.Ю., Богданов В.С. Вибровращательная мельница с продольно-поперечным движением мелющих тел // Вестник ТГТУ. 2013. Т. 19. № 4. С. 864-869.
2. Гаврунов А.Ю. Вибровращательная мельница с продольно-поперечным движением мелющих тел: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.13. Белгород, 2014. 18 с.
3. Глухарев Н.Ф. Сухое измельчение в условиях электронейтрализации: монография. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. 192 с.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник. М.: Госхимиздат, 1961. 832 с.
5. Кошелев А.В. Исследование эффективности параметрического резонансного привода для совершенствования виб-
рационных мельниц: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06. Нижний Новгород, 2014. 18 с.
6. Кошелев А.В. Экспериментальное исследование эффективности работы параметрического резонансного привода // Фундаментальные исследования. 2014. № 11. С. 996-999.
7. Кугель Р.В., Коновалов Д.О., Элькин А.Ю. Вибропомольные установки: устройство, назначение, выбор // Вибрационное измельчение материалов. М.: Промстройиздат, 1956. С. 3-5.
8. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов: монография. М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. 238 с.
УДК 53.08: 621.78:681.78: 669
НАНОМЕТРОЛОГИЯ В ТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ - ОСНОВА ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ НАУКИ
© А.А. Афанасьев1, К.С. Ивлева2, Д.С. Прохоренков3
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Россия г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
Научно-технический прогресс достиг сегодня такого уровня, что используемая при исследованиях аппаратура должна быть совершенной и сверхточной, а для изготовления ее деталей требуются измерительные приборы эталонной точности. Достижение предельных возможностей в нанометрии связано с использованием высокоразрешающих методов сканирующей зондовой микроскопии: растровой оптической, растровой электронной, сканирующей туннельной и атомно-силовой в сочетании с лазерной интерферометрией и фазометрией. На основе сканирующего зондового электронного микроскопа MIRA-3 LM проведены исследования микростуктур стали 65Г, результаты которых позволяют сделать научные выводы с большей эффективностью, чем прежде.
1Афанасьев Александр Александрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой стандартизации и управления качеством, тел.: 89192808124, e-mail: [email protected]
Afanasiev Aleksandr, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Standardization and Quality Management, tel.: 89192808124, e-mail: [email protected]
2Ивлева Ксения Станиславовна, бакалавр, тел.: 89606359625, e-mail: [email protected] Ivleva Ksenia, Bachelor of science, tel.: 89606359625, e-mail: [email protected]
3Прохоренков Дмитрий Станиславович, инженер, тел.: 89606322001, e-mail: [email protected] Prokhorenkov Dmitry, Engineer, tel.: 89606322001, e-mail: [email protected]
Ключевые слова: нанометрология; микроструктуры сплавов; нанотехнологии; электронное сканирование; нанометрия; электронная микроскопия.
NANOMETROLOGY IN TECHNICAL RESEARCHES AS A BASIS FOR FURTHER DEVELOPMENT OF SCIENCE A.A. Afanasiev, K.S. Ivleva, D.S. Prokhorenkov
Belgorod State Shukhov Technological University, 46 Kostyukov St., Belgorod, 308012, Russia.
The level achieved by the modern scientific and technological progress requires advanced super precise equipment, whose parts are to be manufactured with the use of reference accuracy instrumentation. Achievement of capability frontier in nano measurement is associated with the use of high-resolution methods of scanning probe microscopy: scanning optical, scanning electron, scanning tunneling and atomic force microscopy combined with laser interferometry and phase measurement. On the basis of MIRA-3 LM scanning probe electron microscope the microstructures of 65G steel have been researched that allows to derive more effective scientific conclusions than before.
Keywords: nanometrology; alloy microstructure; nanotechnologies; electronic scanning; nano measurement; electron microscopy.
Создание новой техники, наукоемких технологий и новых материалов, усложнение процессов производства различных высокотехнологичных изделий во многом определяется уровнем метрологического обеспечения измерений. Для реализации повышенных требований необходимы новые технические решения в области метрологии, включающие создание методов и средств контроля линейных размеров и перемещений, имеющих конечной целью достижение нормированной точности в нанометровом диапазоне (НМД). Дальнейшее развитие теоретических основ, например материаловедения, определяется более тонким изучением механизмов фазового и структурного формирования строения металлов и сплавов при нагреве-охлаждении, плавлении-кристаллизации или иной термической обработке. Здесь уместно повторить актуальный для нанотехнологий тезис: «Если нельзя правильно измерить - то невозможно создать», так как уровень точности и достоверности измерений может либо способствовать развитию нанотехнологий, либо быть сдерживающим фактором [1].
Метрологии (нанометрии) и стандартизации принадлежит особая роль ключевых основополагающих элементов приборно-аналитической, технологической и интеллектуальной составляющих нанотехнологий и наноиндустрии. Это объясняется тем, что в настоящее время научно-технический прогресс достиг такого уровня, что используемая при исследованиях аппаратура должна быть сверхточной и совершенной, а для изготовления ее деталей требуются измерительные приборы эталонной точности. Каждой единице измерения соответствует свой эталон, для каждого случая создается свой измерительный элемент.
Цель настоящей работы - дать обобщенное представление о возможностях современного нанометро-логического инструментария для структурного исследования известной марки стали 65Г, чтобы сделать более глубокие выводы в сравнении с уже имеющимися. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
- провести научный анализ существующего нано-метрологического инструментария с целью выявления возможности эффективного применения высокоточного прибора для структурных металловедческих исследований при наличии априорных характеристик, полу-
ченных до проведения настоящего исследования;
- получить дополнительные сведения при исследовании стали 65Г выбранным прибором для уточнения особенностей дефектов структуры, влияющих на эксплуатационные характеристики изделия.
На сегодняшний день в литературе имеется не так много полных научных обзоров, касающихся измерительных инструментов и приборов, применяемых в прямых измерениях нанометрового диапазона. Поэтому авторам настоящей статьи представляется уместным дать обобщенное представление об инструментарии для этих целей.
Как известно, в 1997 г. Консультативный комитет по измерениям длины рекомендовал принять в качестве нового эталона измерения длины излучение стабилизированного He-Ne/J2-лазера с длиной волны А = 632,99139822 нм. Такой эталон позволяет определить метр с погрешностью, не превышающей 0,02 нм, т.е. практически с точностью, не превышающей толщину одного атомного слоя [2].
Для удовлетворения потребностей в разнообразных технических измерениях серийно или по заказам производится большая номенклатура механических, электромеханических, электронных и оптических приборов и инструментов. Без подробного рассмотрения имеющихся измерительных средств можно указать, что для технических измерений линейных размеров в настоящее время выпускают несколько групп высокоточных приборов и инструментов. Для их настройки применяют концевые меры длины, которые изготавливают из стали, керамики или твердого сплава. По ГОСТу 9038-90 выпускают концевые меры длины четырех классов точности (0; 1; 2; 3 в порядке убывания точности), а также по согласованию между потребителем и изготовителем концевые меры из стали и твердого сплава классов точности 00 (высшая точность) и 01. По международному стандарту ISO 3650:1998 предусмотрены следующие классы: класс калибровки К (исходное образцовое средство измерения - эталон); классы допуска 0 (исходный эталон компании); далее 1 и 2 [3].
На производстве применяют пружинные головки (микрокаторы) [4] - простые, серийные и точные приборы с ценой деления 0,1; 0,05 и 0,02 мкм и пределами допускаемой погрешности 0,1; 0,03 и 0,015 мкм, но
с небольшими диапазонами измерений.
Широко используют индуктивные преобразователи и индуктивные приборы с цифровым отсчетом. Цена деления или дискретность отсчета таких современных приборов составляет 0,1; 0,05 и 0,01 мкм, диапазон измерения обычно ± 2,0 мм. Предел допускаемой погрешности приборов с дискретностью 0,01 мкм составляет 0,02-0,03 мкм.
В настоящее время распространены инкремент-ные (дискретные суммирующие) емкостные и фотоэлектрические преобразователи и приборы с цифровым отсчетом с диапазоном измерения 4-2000 мм и дискретностью отсчета 0,1 и 0,01 мкм. Предел допускаемой погрешности приборов с инкрементными фотоэлектрическими преобразователями с дискретностью показаний 0,01 мкм составляет 0,02-0,03 мкм.
Достижение предельных возможностей в нано-метрии связано с использованием высокоразрешающих методов сканирующей зондовой микроскопии [5]: растровой оптической, растровой электронной, сканирующей туннельной и атомно-силовой в сочетании с лазерной интерферометрией и фазометрией. Наиболее перспективными измерителями перемещений в нанодиапазоне являются бесконтактные оптические методы лазерной интерферометрии, обеспечивающие высокую чувствительность (<10-3 нм) к смещению объекта, линейность в широком динамическом диапазоне, высокую локальность, абсолютный характер калибровки измерений в долях длины волны лазерного излучения, возможность автоматизации получения и обработки измерительной информации. Например, трехкоординатная лазерная гетеродинная интерфе-рометрическая система для измерения перемещений в нанометровом диапазоне была разработана как компактная встраиваемая часть для проведения измерений в реальном времени в сканирующем зондо-вом микроскопе «НаноСкан-3ДЬ> (рис.1).
Интерферометрическая система состоит из двух модулей: оптического блока, размещенного на раме микроскопа, и электронного блока, вынесенного за пределы термостатирующего бокса [6]. Гетеродинный интерферометр позволяет проводить измерения истинных геометрических размеров исследуемой поверхности и ее шероховатости с гарантированной точностью при каждом измерении, обеспечивает прослеживание получаемых сведений относительно гра-дуировочных данных на основе Государственного первичного эталона длины.
Прибор можно условно отнести к оборудованию высокого разрешения первого поколения. Его оптическая схема соответствует гетеродинной модификации интерферометра Маха-Цендера с введением в интерференционный сигнал дополнительной фазовой модуляции. Частотный сдвиг 1 между интерферирующими лучами создается акустооптическим модулятором, формирующим плечи интерферометра. Излучение одночастотного стабилизированного He-Ne/J2-лазера (мощность 1 мВт, К = 632,99139822 нм) разделяется на шесть лучей, образуя три независимых канала интерферометра. Данная схема позволяет проводить измерение положения объекта одно-
временно в трех ортогональных координатах.
Недостатком систем первого поколения были значительные габариты, требующие использования сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) специальных конструкций. По заказу ВНИИФТРИ был разработан прибор, предназначенный для аттестации зондов серийно выпускаемых СЗМ. Данный прибор (условно второго поколения) пригоден для комплектации серийно выпускаемых стандартных СЗМ. В качестве основы были использованы СЗМ производства США Agilent Nano Indenter G200 и Hysitron TI 750 Ubi. Ряд технических решений позволил существенно снизить габариты системы с 470x350x60 до 260x260x60 мм, при этом повысив точностные характеристики прибора. Подвод и отвод излучения осуществляется волокнами, что исключает из области термостатирования все источники тепла. Расположение триппель-призм позволяет практически исключить ошибку Аббе.
1
Рис. 1. Принципиальная схема оптического блока
интерферометра: 1 - Не-Ые-лазер; 2 - акустооптический модулятор; 3 - расширитель пучка; 4 - пьезоэлектрический сканер; 5 - триппель-призмы; 6 - коллиматоры;
7 - полуволновая фазовая пластина; М1... М10 - зеркала
К приборам СЗМ третьего поколения можно отнести сканирующие зондовые электронные микроскопы MIRA-3 LMH и MIRA-3 LMU фирмы TESKAN. MIRA-3 LMU - микроскоп с автоэмиссионным катодом имеет полностью цифровое управление параметрами и программное обеспечение с автофункциями для их подстройки, что существенно облегчает работу оператора. Кроме того, в СЭМ встроены инфракрасная телекамера для обзора рабочей зоны с образцами и механизированный столик для их установки. Сканирующий электронный микроскоп с большой камерой (LM) в высоковакуумном исполнении предназначен для широкого круга задач, в которых исследуются образцы, проводящие электрический ток либо непроводящие, с
86906
нанесенным на них токопроводящим покрытием. Микроскоп обеспечивает получение изображений очень высокого качества. Модель микроскопа MIRA-3 LMU, сохраняя все преимущества высоковакуумного микроскопа, предназначена для работы не только с высоким, но и с переменным вакуумом в камере образцов. Прибор имеет техническую возможность исследовать непроводящие образцы в их естественном состоянии без какого бы то ни было напыления токопроводящим слоем.
Среди основных преимуществ М^А-3 LM следует отметить возможность работать в широком диапазоне увеличений - от трех до миллиона раз, получая при этом трехмерную картину ^-сканирование); проводить исследования при «низком вакууме», что снижает требования к исследуемым образцам и расширяет диапазон анализируемых объектов; а также наличие большого размера камеры микроскопа, что особенно важно при проведении неразрушающего контроля структуры и химического состава различных деталей и образцов.
Если обобщить все разнообразие приборов для проведения измерений малой длины, то в настоящее время могут быть использованы такие средства, как:
- оптические микроскопы разных типов;
- рентгеновские микроскопы;
- лазерные дифрактометры;
- лазерные эллипсометры;
- лазерные измерители перемещений;
- ультрамикроскопы щелевые и поточные;
- просвечивающие и сканирующие электронные микроскопы (зондовые, атомно-силовые, туннельные).
В зависимости от типа средства измерения их разрешающая способность может колебаться от долей до десятков нанометров.
В лаборатории центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова микроскоп М^А-3 LM оснащен энергодисперсионным спектрометром с детектором X-MAX 80, предназначенным для проведения электронно-зондового микроанализа. Таким образом, на микроскопе можно проводить качественный и количественный анализ состава объектов размером менее 1 мкм. В целом на электронном микроскопе с энергодисперсионным детектором решаются многочисленные металловедческие задачи. Прежде всего изучаются состав и состояние поверхности порошков, изделий, изломов деталей, а также микроструктура металлов и сплавов, проводятся работы по входному контролю состава малогабаритных заготовок из сталей, цветных металлов и сплавов.
При выполнении договорной работы по выявлению дефектов структуры, появляющихся в зависимости от режимов обработки сталей, было установлено, что в состоянии структуры имеются значительные колебания в дисперсности фаз даже при одном и том же, казалось бы, неизменном режиме термической обработки в соответствии с технологическим регламентом. Регламент соответствовал режимам классической технологии термообработки [7].
Исследованию подвергались образцы из стали
65Г, вырезаемые из серийных изделий, выпускаемые одним из предприятий Центрально-Черноземного района. Стандартный вид обработки на предприятии (по предписанному регламету) - закалка в минеральном масле при температуре 860-870°С с последующим низким отпуском при температуре 280-300°С.
На фотографиях (рис. 2-5) внизу представлена линейная шкала в нанометрах и все характеристики режима сканирования поверхности наношлифа. Такое обозначение наношкалы позволяет проводить линейные измерения дисперсных частиц структурных составляющих металлов и их сплавов в диапазоне от одного до нескольких десятков нанометров.
На рис. 2 показана фотография наноструктуры образца № 1, изготовленного из изделия, выдержавшего нормативные сроки эксплуатации. Наноструктура представляет собой нижний бейнит, состоящий из игл, между которыми располагаются мелкие зерна цементита.
На фотографии приведены режимы сканирования и шкала с ценой деления 2 нм. Более детализированная картина структурных составляющих позволяет наряду с измерением сделать более глубокие исследования однородности по объему наношлифа, дисперсности, остаточных явлений в результате вторичной кристаллизации и др. Измерения позволяют провести статистическую обработку размеров дисперсных частиц, чего нельзя было сделать эффективно в классических металловедческих наблюдениях.
На рис. 3, 4 показаны результаты исследований образцов, изготовленных из изделий, показавших меньший срок эксплуатации в сравнении с нормативным сроком из-за повышенного износа, связанного с меньшей твердостью структуры.
На фотографиях видно, что бейнит представляет собой структуру с четко зафиксированными состояниями диффузионного процесса дальнейшего выделения, коагулирования и сфероидизации вторичного цементита. Представлены те же самые режимы сканирования и шкала с ценой деления 2 нм.
На рис. 5 показан результат исследования образца, изготовленного из изделия, показавшего самый малый срок эксплуатации в сравнении с нормативным сроком из-за сильного износа. На фотографиях видно, что основа металла представляет собой структуру пластинчатого сорбита. Кроме того, сканирование запечатлело с правой стороны этап диффузионного формирования пластинчатого перлита с другими линейными характеристиками. Такая структура характерна для изделия, медленно охлажденного до температуры 650-730°С с последующим резким охлаждением или в масле, или в воде. Таким образом, здесь при проведении термической обработки не используется основное превращение при закалке - мартенсит-ное превращение. Структура образца 2 получается по механизму неполной закалки с образованием не отпускных структур мартенсита закалки, а сорбитизо-ванных структур после непосредственного резкого охлаждения образца, нагретого до температуры ниже критической («псевдозакалки»).
Рис. 2. Микроструктура образца № 1: структура - нижний бейнит
Рис. 3. Микроструктура образца № 2: первичное формоизменение бейнита
Рис. 4. Микроструктура образца № 3: последующее формоизменение бейнита
Рис. 5. Микроструктура образца № 4: структура сорбита и его видоизменения
Таким образом, приведенные результаты нано-метрологических исследований структуры стали 65Г наглядно показывают возможность более углубленного металловедческого исследования металлов и сплавов.
Результаты исследований приведенных образцов
позволяют сделать заключение о том, что камерная печь имела неодинаково нагретые под закалку изделия.
Сканирование образцов позволяет проводить исследования влияния различных режимов термической обработки в динамике и получать более информатив-
ные фотографии в сравнении с классическими методами исследования микроструктур сталей и сплавов. Исследования в нанометровом диапазоне позво-
ляют обнаруживать неравновесные диффузионные процессы распада и формирования фаз и структур.
Статья поступила 10.02.2015 г.
Библиографический список
1. ОАО «НИИизмерения» // Нанометрология. 2014 [Электронный ресурс]. URL: http://www.micron.ru/innovation/nano (25.12.2014).
2. Тодуа П.А. Метрология в нанотехнологии // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 1-2. С. 61-69.
3. ИСО 3650-98. Геометрические характеристики изделий (GPS). Эталоны длин. Эталонные блоки. М.: НТС, 1998. 28 с.
4. ГОСТ 28798-90. Головки измерительные пружинные. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2005. 7 с.
5. Друк Н.Р. Информационные технологии построения мо-
делей отбора данных в лазерных измерительных системах вибрации поверхностей // Вестник БГТУ. 2013. № 3. С. 68-71.
6. Исследование метрологических характеристик измерительного сканирующего зондового микроскопа с применением калибровочных решеток типа TGZ / К.В. Гоголинский, К.Л. Губский, А.П. Кузнецов [и др.] // Измерительная техника. 2012. № 4. С. 18-21.
7. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: учебник для вузов. СПб.: Химиздат, 2007. 784 с.
УДК 621. 787
РАСЧЕТ ПРОФИЛЬНОГО РАДИУСА РОЛИКА ПРИ ОБКАТКЕ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ
© С.А. Зайдес1, В.Ф. Горбунов2, А.В. Горбунов3
1,2Иркутский национальный исследовательский технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
3ОАО «ИркутскНИИхиммаш»,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Академика Курчатова, 3.
Дано обоснование методики расчета величины профильного радиуса ролика при обработке нежестких валов. Установлено, что размер профильного радиуса зависит от критической деформации, размера зоны взаимного влияния, диаметров заготовки и ролика.
Ключевые слова: нежесткий вал; поверхностный слой; пластическая деформация; глубина упрочнения; профильный радиус.
CALCULATION OF ROLLER PROFILE RADIUS UNDER NON-RIGID SHAFT ROLLING S.A. Zaides, V.F. Gorbunov, A.V. Gorbunov
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. JSC «IrkutskNIIhimmash»,
3 Akademika Kurchatova St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper validates the calculating methodology of a roller profile radius value under non-rigid shafts machining. The profile radius size depends on the critical deformation, the size of the mutual influence zone, workpiece and roller diameters. The roller profile radius has a greater effect on the intensity of cold work hardening than on hardening depth. When critical deformation exceeds 8%, the value of roller profile radius virtually doesn't depend on the workpiece diameter. Keywords: non-rigid shaft; surface layer; plastic deformation; hardening depth; profile radius.
Роль поверхностного слоя
Разработка технологического процесса поверхностного пластического деформирования предполагает выбор профильного радиуса и диаметра ролика. Экспериментально установлено, что чем больше диаметр ролика, тем большее усилие требуется для достижения требуемой глубины упрочнения [8]. Однако
при обработке нежестких валов возникает ограничение по величине усилия прижима инструмента к заготовке из-за недопустимой величины прогиба или угла закручивания. Кроме того, для нежестких валов рациональная глубина упрочнения ограничена размером зоны взаимного влияния, которая зависит от размера зерна. Для достижения такой глубины упрочнения в
1Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, е-mail: [email protected]
Zaides Semen, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Machine-Building Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e-mail: [email protected]
2Горбунов Владимир Федорович, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: 89086532181, e-mail: [email protected]
Gorbunov Vladimir, Candidate of technical Sciences, Associate Professor of the Department of Designing and Standardization in Mechanical Engineering, tel.:89086532181, e-mail: [email protected], [email protected]
3Горбунов Андрей Владимирович, кандидат технических наук, тел.: 89500553866, e-mail: [email protected], [email protected]
Gorbunov Andrei, Candidate of technical sciences, tel.: 89500553866, e-mail: [email protected], [email protected]
