CC BY
1
УДК 669.01; 004.94
ОЦЕНКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
В.Г. Новиков
В работе проводится анализ технологии улучшения механических характеристик сталей. Приводится описание и анализ технологии цементации, ее особенности, условия проведения. Приведены общие характеристики процессов, а также свойств получаемых изделий.
Ключевые слова: металлы, сталь, конструкционная сталь, углерод, качество, цементация, механические характеристики.
Невероятный диапазон и гибкость свойств, а также относительно низкая стоимость производства делают сталь по-прежнему наиболее широко используемым металлическим материалом.
Сталь, например, может быть очень мягкой и поэтому отлично подходит для глубокой вытяжки. Напротив, сталь может быть очень твердой и хрупкой, как в мартенситных сталях. Современное производство стали предъявляет очень высокие требования, которые обычно включают оптимальное сочетание свойств, таких как прочность на разрыв, с одной стороны, и пластичность, то есть деформируемость, с другой [1-3]. Кроме того, необходимо постоянно учитывать рентабельность производства, что является следствием постоянного изменения цен на легирующие элементы (например, никель).
Наиболее важным составным элементом стали является углерод. Он содержится в стали в виде соединения, называемого цементитом, Fe3C. Повышенная массовая доля углерода делает сталь более твердым, но в то же время более хрупким материалом [4-6]. Если сталь резко остывает так, что процессы диффузии (в первую очередь диффузия углерода) не происходит до конца, затем в структуре стали появляются новые микроструктуры, преимущественно насыщенные углеродом. Если быстрое охлаждение происходит из аустенитной области, могут образовываться тонколамеллированные микроструктуры (сорбит или трозит), а также игольчатый/гранулированный бейнит или игольчатый мартенсит [7,8]. Удельный вес стали почти такой же, как удельный вес чистого железа, и составляет около 7850 кг/м.
Однако к стальным изделиям могут предъявляться особые требования к механическим характеристикам, например, твердости.
Для повышения механических характеристик стали применяют цементацию. В процессе цементации происходит насыщение тонкого поверхностного слоя материала углеродом. Это придаёт поверхности стали качественные характеристики. После закалки её наружный слой становится твёрдым и прочным. При этом внутренняя масса сохраняет свои прежние свойства.
Для проведения процесса цементации исходная заготовка должна быть нагрета до 850950 градусов. Среда, куда помещается деталь, может быть твёрдой, жидкой, а также газообразной. При достижении такой температуры происходит выделение углерода и внедрение его в обрабатываемый материал.
Эту процедуру можно проводить только со сталью, у которой количественное содержание углерода составляет 0,2%. Примером является Сталь 20. Процесс цементации происходит длительное время, потому что за час насыщается не больше 0,1 мм поверхности материала.
Протекание процесса в твёрдой среде (рис.): в качестве источника углерода используется древесный уголь. При его отсутствии могут применяться углекислый натрий или кальций.
Используемые компоненты дробятся на части не больше 10 мм. Важным условием является отсутствие пыли. С этой целью смесь просеивается.
Работа проводится в ёмкости из жаростойкой стали. Технологический процесс состоит из шагов:
1. Детали помещаются в ящики, а сверху засыпается смесь.
2. Герметично закрытые ёмкости помещаются в печь.
3. Предварительно нагрев ведётся до 700-800.
4. После достижения такой температуры на втором этапе она повышается до 850-950. После этого начинает происходить диффузия атомов углерода в металл.
349
Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. Вып. 12
Карйюризатад Схема цементации
В зависимости от заданного размера насыщаемого слоя длительность процедуры может достигать от одного до нескольких часов.
Обычно цементация в среде газа используется на производстве для обработки одновременно большого количества деталей. В качестве среды применяется искусственный газ. Глубина насыщения углеродом стали составляет 2 мм. Работа проводится в герметичных печах. Нагрев заготовок ведётся до температуры 910-950. После подачи в печь газа цементация продолжается в течение 15 часов.
В расплавленных солях: расплавленными солями являются карбонаты металлов. Их низкая температура плавления позволяет формировать жидкую среду. Нагрев до температуры 850 происходит в специальных ваннах, куда затем помещаются обрабатываемые детали.
Недостатком такого способа является малый слой насыщения поверхности углеродом. Он не превышает 0,5 мм. Осуществляется процесс на протяжении 3 часов. Такой способ имеет свои преимущества, поскольку обрабатываемые детали не подвергаются деформации.
С повышением в поверхностном слое материала количества углерода появляется возможность подвергать детали значительной закалке. После такой термической обработки они приобретают твёрдость 60 и больше единиц по Роквеллу. При этом внутренняя часть изделий не претерпевает изменений.
Твёрдый поверхностный слой хорошо выдерживает трение. В процессе работы перегрев деталей не сопровождается риском их разрыва. Это обеспечивается мягкостью внутренних слоёв изделий.
Сталь 20 является пороговым материалом. Стали с меньшим содержанием углерода являются низколегированными, которые процессу цементации не подлежат.
Таким образом, цементация позволит добиться улучшенных механических характеристик изделий из сталей при относительно не высокой цене производственного процесса, а также невысокой трудоемкости.
Список литературы
1. Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. М.: Высшая школа, 2000. 637с.
2. Совершенствование технологических процессов машиностроительных производств: монография / А.С. Янюшкин и др.; под общ. ред. А.С. Янюшкина. Братск: Братский гос. ун-т, 2006. 302 с.
3. Безпалько В.И. Материаловедение и технология материалов: учебное пособие / под ред. А.И. Батышев, А.А. Смолькин. М.: НИЦ Инфра-М, 2013. 288 с.
4. Волков Г.М., Зуев В.М. Материаловедение: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования. М.: ИЦ Академия, 2012. 448 с.
5. Дедюх Р.И. Материаловедение и технологии конструкционных материалов. технология сварки плавлением: учебное пособие для прикладного бакалавриата. Люберцы: Юрайт, 2016. 169 с.
6. Колесов Н.С., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. М.: Высшая школа, 2008. 535 с.
7. Новиков В.Г. Оценка и специфика быстрорежущих, высоколегированных и конструкционных сталей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 10. С. 622-624.
8. Кондратова А.И. Повышение качества и эксплуатационных характеристик стальных изделий // Интеграция науки, общества, производства и промышленности: проблемы и перспективы: Сборник статей по итогам Международной научно-практической конференции (Омск, 04 ноября 2021 г.). Стерлитамак: АМИ. С. 62-64.
Новиков Владислав Геннадьевич, студент, therealnovikov@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVALUATION OF THE METHOD FOR INCREASING THE MECHANICAL CHARACTERISTICS
OF STRUCTURAL STEELS
V.G. Novikov
The paper analyzes the technology for improving the mechanical characteristics of steels. The description and analysis of cementation technology, its features, conditions of carrying out are given. The general characteristics of the processes, as well as the properties of the products obtained, are given.
Key words: metals, steel, structural steel, carbon, quality, carburizing, mechanical characteristics.
Novikov Vladislav Gennadevich, student, therealnovikov@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 658.562
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-351-355
СПЕЦИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
М.Ю. Наркевич
В настоящей работе приведен краткий анализ основных математических моделей, позволяющих описать зависимость оценки качества M от значения выбранных одного или нескольких показателей качества продукции p. Представленные зависимости разделены на две основные группы: линейные и нелинейные. По каждой группе кратко представлены их достоинства и недостатки.
Ключевые слова: оценка качества продукции, управление качеством продукции, показатели качества, математические модели.
С целью оценки качества продукции и услуг, прогнозирования и управления качеством применяются различные математические модели [1].
При этом, актуальным остается вопрос выбора того или иного вида математической зависимости, с достаточной точностью характеризующей количественную оценку качества продукции. Согласно [2], под продукцией, понимается материализованный результат процесса трудовой деятельности и предназначенный для использования потребителями в целях удовлетворения их потребностей различного характера. Основное отличие продукции от услуги заключается в том, что последняя, как правило, является нематериальной [3].
Наукой, занимающейся определением количественных методов оценки качества продукции, является квалиметрия [2]. Термин «квалиметрия» происходит от латинского «qualitas» - качество, свойство и «metior» - мерить, измерять; предложен Азгальдовым Г.Г. и Гличевым А.В. в СССР в 1968 г. Квалиметрия, как область науки, занимается исследованием методологии и проблематики количественного оценивания качества объектов любой природы [4]. Ква-лиметрический метод оценки качества широко используется, например при оценке соответствия требованиям промышленной безопасности на опасных производственных объектах [5].
Имея математическую модель количественной оценки качества и принятую шкалу оценивания возможно:
