CC BY
11ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ НАПЛАВЛЕННЫХ СЛОЕВ
Крукович Марат Григорьевич
доктор технических наук, доцент
Российский университет транспорта (МИИТ)
г. Москва
Федотова Анна Дмитриевна
аспирантка
Российский университет транспорта (МИИТ)
г. Москва
Казакевич Григорий Алексеевич
Аспирант
Российский университет транспорта (МИИТ)
г. Москва
WAYS TO OPTIMIZE WEAR RESISTANCE OF LAYERS DEPOSITED BY MELTING
Krukovich Marat Grigorievich
Doctor of Sciences, аssociate professor Russian University of Transport (MUT),
Moscow
Fedotova Anna Dmitrievna
graduate student Russian University of Transport (MUT),
Moscow
Kazakevich Grigory Alekseevich
graduate student Russian University of Transport (MUT),
Moscow
DOI: 10.31618/nas.2413-5291.2021.1.66.404
АННОТАЦИЯ
Проведен анализ технологии получения наплавленных износостойких слоев и отмечены основные недостатки, снижающие эксплуатационные характеристики. Показана возможность научного обоснования для выбора температуры обработки и необходимых концентраций исходных элементов многокомпонентных систем путем расчета эвтектических температур и концентраций, а также путем построения схем многокомпонентных диаграмм состояния сплавов. Выбор оптимальных температур наплавки сплошных или дискретных слоев снижает энергетические затраты и определяет фазовый состав слоев и их эксплуатационные свойства.
ABSTRACT
The analysis of the technology for obtaining deposited by melting wear-resistant layers is carried out and the main disadvantages that reduce the operational characteristics are noted. The possibility of scientific substantiation for the choice of the processing temperature and the required concentrations of the initial elements of multicomponent systems by calculating eutectic temperatures and concentrations, as well as by constructing schema of diagrams of multicomponent systems is shown. The choice of the optimal melting temperatures of continuous or discrete layers reduces energy costs and determines the phase composition of the layers and their operational properties.
Ключевые слова: наплавленные слои; многокомпонентные системы; износостойкость; дивергентная концентрационная сетка; многогранные фигуры; трафарет распределения элементов; поверхность солидус; оптимизация фазового состава.
Key words: deposited layers by melting; multicomponent systems; wear resistance; divergent concentration grid; multifaceted figures; elements distribution stencil; solidus surface; optimization of the phase composition.
Восстановление изношенных размеров деталей и инструментов или их упрочнение методами нанесения сплошных или дискретных слоев с использованием концентрированных источников нагрева (электрической дугой, лазером, токами высокой частоты, электронно-лучевым воздействием) находят широкое применение в технике [1 - 4]. Вместе с тем свойства наплавленных слоев не всегда отвечают требуемым параметрам, к которым относят наличие растягивающих напряжений в отдельных зонах,
недостаточную твердость и снижение свойств подслоя обработанной поверхности. Даже при нанесении специальных многофазных
упрочняющих сплошных или дискретных покрытий эти недостатки сохраняются, а к ним добавляется неоднородность фазового состава, которую сложно контролировать. Применяемые методы последующей химико-термической обработки частично решают вопросы исправления вышеупомянутых недостатков, однако во многом они носят эмпирический характер.
Поэтому, целью данной работы является поиск направлений технологических воздействий и теоретическое их обоснование, обеспечивающих решение вопросов оптимизации эксплуатационных характеристик наплавленных слоев. Оптимизация в данном случае заключается в определении минимальной температуры плавления,
обеспечивающей снижение энергетических затрат на обработку, и определения фазового состава наплавленных слоев, задающего основы износостойкости и дальнейшего регулирования эксплуатационными свойствами.
Во многих случаях выбор параметров электрофизического воздействия (мощности электрической дуги, временными и электрическими характеристиками воздействия лазера и электронного пучка и т.п.) назначают исходя из опытных данных, вследствие отсутствия теоретических обоснований оптимального выбора содержания компонентов покрытий, их фазового состава и температуры процесса. Исходным технологическим чертежом такого обоснования
для многокомпонентных систем являются диаграммы состояния сплавов.
В этих случаях целесообразно использовать разработанные методы расчета эвтектических температур и концентраций многокомпонентных систем по температурам плавления исходных компонентам [5] и построения схем многокомпонентных (п>3) диаграмм состояния сплавов в традиционных координатах «температура - концентрация» [6].
Сущность метода построения схем многокомпонентных диаграмм состояния состоит в использовании дивергентной концентрационной сетки (Рис. 1). Схемы диаграмм представляют собой трехмерные пространственные фигуры, в основании которых находятся концентрационные п-многогранники с дивергентной
концентрационной сеткой [7]. Третьей координатой является температура. Грани пространственной фигуры представляют собой двойные диаграммы сплавов.
Рис. 1 Основания схем четырехкомпонентной, пятикомпонентной и шестикомпонентной диаграмм состояния (а) и концентрационное распределение компонента А (б) (трафарет распределения для любого элемента).
В частности, содержание компонента А (Рис. 1, а) изменяется от 100% до 0 % по сторонам АВ и АD. При этом его содержание на остальных сторонах п - угольника соответствует нулевому значению. Следовательно, компонент А по площади концентрационного многоугольника
распространяется от двух сторон при п = 4 от АВ и АD, при п = 5 от АВ и АЕ и при п = 6 от АВ и АF, а по объёму всей диаграммы - от двух соответствующих боковых граней п - угольной призмы. Такая трактовка позволяет сделать вывод, что закономерность распределения каждого компонента системы описывается некоторыми площадями в изотермическом сечении п -угольника, которые могут быть определены по единому для всех систем правилу площадей [8]. Согласно этому правилу суммарное содержание всех элементов в любой точке концентрационного многоугольника соответствует площади этого многоугольника, а содержание конкретного элемента в фигуративной (рассматриваемой) точке соответствует части всей площади, выраженной в процентах. То есть площади фигуры, противолежащей вершине искомого элемента и заключенной между линиями координатной сетки, проходящими через эту фигуративную точку, и сторонами многоугольника. Эта площадь выражается в процентах от всей площади многоугольника. Количество элемента А в рассматриваемой точке М для
четырёхкомпонентной системы соответствует площади квадрата МОСТ (Рис. 1) и составляет 12% (0,4 0,3 100%). Количество других элементов в этой точке составляет: В=28% (0,7 0,4 100%); С=42% (0,6 0,7 100%); £=18% (0,6 0,3 100%).
Для пяти и шести компонентных систем количество компонента А в точке М соответствует площади заштрихованной области (Рис. 1, а). Эта площадь рассчитывается геометрическим путём, разбивая заштрихованный многоугольник на простые фигуры (например, треугольники). Рассчитанное таким образом распределение компонента А по площади концентрационных многоугольников может быть представлено в виде изоконцентрационных линий, т.е. в виде трафарета, который естественно одинаков для всех элементов каждой системы (Рис. 1, б). Прикладывая трафарет к каждой вершине, определяют содержание элементов в заданной точке.
Угол расхождения (а) каждой координатной линии от предшествующей линии в дивергентной системе рассчитывают по формуле:
Л 4\ 180 а = (1 —) * —,
V п/ с
где п - число компонентов в системе (сторон многоугольника);
с - количество делений равномерной концентрационной шкалы.
Очевидно, что при п = 4 угол расхождения равен 0, т.е. для четырехкомпонентной системы концентрационная сетка является прямоугольной и параллельна сторонам квадрата.
Недостатками дивергентной системы координат являются: неравномерное
распределение элементов по площади концентрационного многоугольника; отсутствие некоторых сплавов с равным соотношением трёх элементов для п =4, четырёх элементов для п =5 и т.д.
Например, для четырех компонентных сплавов можно использовать четырехкомпонентные диаграммы, примененные для обоснования температурно-концентрационных условий
процесса борирования (Рис. 2). Для обработки быстрорежущих сталей обоснование следует проводить с использованием пятикомпонентной диаграммы (Рис. 3) [8].
В соответствии с представленными схемами диаграмм определение температуры плавления конкретного сплава проводят по политермическим разрезам. Например, для никелевого сплава, содержащего ~ 33% №, политермический разрез по содержанию бора (Рис. 4) хорошо показывает температурно-концентрационные условия
нанесения плавлением защитного покрытия и равновесный фазовый состав слоя, который в конечном итоге определяет износостойкость наплавленного слоя. Количество фаз в равновесном состоянии рассчитывается по политермическим разрезам по правилу отрезков.
Дополнительное повышение износостойкости обеспечивается введением в шихту для наплавки некоторого количества труднорастворимых карбидов или боридов. В частности, для сплавов системы многокомпонентных
квазивысокоэнтропийных сплавов (Fe-Cr-W-Mo-V, №-Сг-В^!, Со-Сг^^О [10, 11] с добавкой карбида вольфрама ^С) 5-10 масс. % может быть использована построенная поверхности солидус схемы диаграммы Бе - В - Мп - С - Сг (Рис. 5), либо рассчитаны температуры перехода сплавов в жидкое состояние по описанной методике [5].
Рис. 2 Рассчитанная поверхность солидус схемы диаграммы состояния Ж-Ев-Сг-В: общий вид сверху.
Рис. 3 Схема пяти компонентной диаграммы состояния Сг - Мо - Ев - Ж - В.
Рис. 4 Политермический разрез схемы четырехкомпонентной диаграммы состояния системы Ж-Гв-Сг-В при 33 % N1
Рис. 5 Поверхность солидус в системе Fe - В - Мп - С - Сг [9].
Рассчитанная поверхность солидус имеет ступенчатый характер. При учете влияния высокого содержания хрома и углерода вид поверхности усложняется. Т.е. добавляется по крайней мере еще одна ступенька и понижаются температуры образования многокомпонентных эвтектик.
Таким образом, проведенный в работе анализ закономерностей формирования
эксплуатационных характеристик показывает целесообразность применения методов расчета эвтектических температур и концентраций в многокомпонентных системах, а также метода построения схем многокомпонентных диаграмм, которые позволяют обосновано назначать минимальные температуры нагрева для наплавки, определять фазовый состав слоев и предопределять их износостойкость.
Список литературы
1. Савельев С.Н. Поверхностное упрочнение деталей, восстановленных
нитроцементацией и борированием: диссертация ... кандидата технических наук : 05.16.01. - Курск, 2003. - 138 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/1827-5.
2. Чудина О.В. Комбинированные методы поверхностного упрочнения сталей с применением лазерного нагрева: теория и технология. М.: МАДИ (ГТУ), 2003. 248 с.
3. Чудина О.В. Моделирование процессов азотирования железной матрицы, дискретно легированной при лазерном нагреве/Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 4. - С. 24-28.
4. Крукович М.Г., Бирюков В.П., Сизов И.Г. Изменение морфологии боридных слоев путем лазерной и электронно-лучевой обработки// Техника и технологии XXI века. В сб. статей международного научного е-симпозиума. Россия, г. Москва, 29-30 марта 2016 г. - Киров: МЦНИП, 2016. - С. 10 - 20.
5. Крукович М.Г. Расчет эвтектической температуры и концентраций в многокомпонентных системах. МиТОМ, -№10, 2005. - С. 9-17.
6. Крукович М.Г. Построение части поверхности солидус схемы многокомпонентной диаграммы Fe-Cr-Mn-C-Б./Новые материалы и технологии. 2019, № 30. С. 50 - 54.
7. Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plasticity of Boronized Layrs/ Springer Series in Materials Science, V. 237. - Springer International Publishing Switzerland 2016. - 364 pp.
8. Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 384 с.
9. Krukovich M.G. Technology to Improve the Performance Properties of Heterogeneous Boronized Layers. Materials Performance and Characterization 9. Published ahead of print, 15 May 2020, https://doi.org/10.1520/MPC20190091.
10. Jiang P.F., Zhang C.H., Zhang S., Zhang J.B., Chen J., Liu Y. Fabrication and wear behavior of TiC reinforced FeCoCrAlCu-based high entropy alloy coatings by laser surface alloying //Materials Chemistry and Physics. 2020 DOI:10.1016/j.matchemphys.2020.123571.
11. Yanzhou Li et al. Phase assemblage and wear resistance of laser-cladding Al0,8FeCoNiCrCu0,5 Siх high-entropy alloys on aluminum // Materials Research Express. 2020.DOI:10.1088/2053-1591/aba9f7.
ПЕРЦЕПТРОН В ЗАДАЧАХ БИНАРНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ
Митина Ольга Алексеевна
кандидат пед. наук., МИРЭА - Российский технологический университет,
г. Москва Ломовцев Павел Павлович студент 2 курса,
МИРЭА - Российский технологический университет,
г. Москва
PERCEPTRON IN BINARY CLASSIFICATION PROBLEMS
Mitina Olga Alekseevna
Candidate of Science MIREA - Russian Technological University
Moscow
Lomovtsev Pavel Pavlovich
2nd year student MIREA - Russian Technological University
Moscow
АННОТАЦИЯ
В настоящее время в России растет объем продукции, производимой предприятиями. Одной из серьезных проблем для российских предприятий является создание системы автоматического определения категории товара, позволяющей обеспечить безошибочную сортировку различных объектов. Очередной товар необходимо отнести к верному классу в зависимости от его характеристик.
Перцептрон - один из наиболее популярных методов решения задачи классификации. Автоматизация процесса разделения товаров по их свойствам облегчит работу сотрудникам сортировочного центра и исключит возможность ошибки вследствие человеческого фактора.
ANNOTATION
Currently, the volume of products manufactured by enterprises is growing in Russia. One of the serious problems for Russian enterprises is the creation of a system for automatic determination of the category of goods, which makes it possible to ensure error-free sorting of various objects. The next product must be attributed to the correct class, depending on its characteristics.
