CC BY
32
Литература
1. Пульцин, М. Н. Титановые сплавы и их применение в машиностроении [Текст] / Н. М. Пульцин. - М. : Машгиз, 1962. - 167 с.
2. Глазунов, С. Г. Конструкционные титановые сплавы [Текст] / С. Г. Глазунов, В. Н. Моисеев. - М. : Металлургия, 1974. - 368 с.
3. Колачев, Б. А. Физические основы разрушения титана [Текст] / Б. А. Колачев, А. В. Мальков. - М. : Металлургия, 1983. - 160 с.
4. Химико-термическая обработка металлов и сплавов [Текст] : справ. / под ред. Л. С. Ляховича. - М. : Металлургия, 1981. - 420 с.
5. Способ модификации поверхности титановых сплавов. Патент РФ МПК С23С14/48 [Текст] / Гусева М. И., Смыслов А. М., Сафин Э. В., Измайлова Н. Ф. - № 2117073;заявл. 08.07.1997; опубл. 10.08.1998, Бюл. № 22.
6. Аксенов, И. И. Вакуумная дуга: источники плазмы, осаждение покрытий, поверхностное модифицирование [Текст] / И. И. Аксенов, А. А. Андреев, В. А. Белоус, В. Е. Стрельницкий, В. М. Хорошин. - Киев : Наукова думка, 2012. - 727 с.
7. Картмазов, Г. Н. Коррозионно-эрозионностойкие покрытия для рабочих лопаток паровых турбин [Текст] / Г. Н. Картмазов, Ю. В. Лукирский, Г. В. Кирик, В. Г. Маринин, Ю. И. Поляков, А. А. Дейнека // Наука та шноваци. - 2012. - Т. 8, № 3. -С. 17-22. doi: 10.15407Zsdn8.03.017
8. Васильев, В. В. Структура и механические свойства многокомпонентных покрытий на основе TiN и ^АШ, легированных X Re, №, Сг, Si, Мо [Текст] / В. В. Васильев, В. И. Коваленко, А. А. Лучанинов, В. Г. Маринин, Е. Н. Решетняк, В. Е. Стрельницкий, Г. Н. Толмачев // Актуальные проблемы прочности: тез. докл. 55 Междунар. конф. - Харьков, 2014. - С. 140.
9. Коваленко, В. I. Обладнання для дослщження ерозй покритав при мжро ударному дiяннi [Текст] / В. I. Коваленко, В. Г. Маришн // Вопросы атомной науки и техники. Серия ФРП и РМ. - 1998. - Вып. 5 (71). - С. 83-85.
10. Коваленко, В. И. Исследование стойкости к эрозии поверхностных слоев сталей при воздействии кавитации [Текст] /
B. И. Коваленко, Л. И. Мартыненко, В. Г. Маринин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2015. - Т. 2, № 5 (74). -
C. 23-27. doi: 10.15587/1729-4061.2015.40196
11. Маришн, В. Г. Взаемозв'язок кав^ацшно! стшкосп та мшротвердост покритав [Текст] / В. Г. Маришн // Вопросы атомной науки и техники. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. - 2009. - Вып. 6 (64). - С. 181-183.
-□ □-
Розроблена проста для використання та енергетично дощльна нанотехнологiя борування деталей з легованог сталi 30ХГСА, яка скорочуе тривал^ть обробки при одержанш висо-коя^сних боридних шарiв. Виконана математична обробка результатiв дозволяе визначати конкретш температуру та тривал^ть борування виходячи з заданог глибини шару боридiв. Розрахунок коефщенту дифузп бору тдтвердив прискорення процесу у 3 рази
Ключовi слова: борування, сталь, дифузшш шари, мжрот-
верд^ть, глибина шару, математична модель, номограма □-□
Разработана простая для использования и энергетически целесообразная нанотехнология борирования деталей из легированной стали 30ХГСА, которая сокращает продолжительность обработки при получении высококачественных боридных слоев. Выполненная математическая обработка результатов позволяет определять конкретные температуру и длительность борирования исходя из заданной глубины слоя боридов. Расчет коэффициента диффузии бора подтвердил ускорение процесса в 3 раза Ключевые слова: борирование, сталь, диффузионные слои, микротвердость, глубина слоя, математическая модель, номограмма
-□ □-
УДК 621.785.53
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.55015]
РОЗРОБКА ШВИДК1СНОТ ТЕХНОЛОГИ БОРУВАННЯ ЛЕГОВАНОТ СТАЛ1
К. О. Костик
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра ливарного виробництва Нацюнальний техшчний уыверситет «Хармвський пол^ехшчний шститут» вул. Фрунзе, 21, м. Хармв, УкраТна, 61002 E-mail: eklitus@yandex.ru
1. Вступ
Одним з найефектившших засоб1в тдвищення термшу служби деталей машин е 1х поверхневе змщ-нення, яке значно тдвищуе зносостшюсть, мщшсть, отр детал1 руйнуванню.
В наш час в1дом1 р1зш методи поверхневого змщ-нення: поверхнева терм1чна обробка, мехашчне змщ-нення (наклеп), електро1скрова обробка, наплавка, наварка 1 р1зш види х1м1ко-терм1чно1 обробки.
Широко застосовуються в промисловоси таю види xiMiK0-TepMi4H0i обробки, як цементащя, азотування та борування. Основним недолжом традицшних ме-тодiв е значна тривалшть процеив та необхщшсть у використанш спещального складного обладнання [1].
Одним з актуальних питань е розробка нових швидюсних методiв борування. Виршення цього питания сьогодш досягаеться використанням методiв борування при шдукцшному, юнно-плазмововому, лазерному на^ванш та у вiброкиплячому шар^ що дозволяе
©
скоротити час цшою застосування дорогого та складного обладнання i великих енерговитрат.
Iснуючi середовища для борування в обмазках та порошкоподiбних сумiшах прискорюють процес в незна-чнiй мiрi, хоча i не потребують спещального обладнання.
Тому на сьогоднi актуальним е розробка просто! для використання та енергетично дощльно'Г технологii бору-вання та пошук нового насичувального середовища, яке дозволить значно скоротити тривалкть хiмiко-термiчноi обробки при одержаннi високоякiсних боридних шарiв.
2. Аналiтичний огляд та постановка задачi
В промисловостi використовують три основнi ме-тоди борування:
- в твердих середовищах (в обмазках (пастах) або порошкоподiбних сумшах);
- в рiдких середовищах (борування в розчиш елек-тролiтiв i борування в металевих i сольових розплавах (безелектролiзне));
- в газоподiбних середовищах (борування в середо-вишд боранiв i галогенiдiв).
Борування в твердих середовищах [2] дощльно роз-дiлити на процес насичення в порошках елементного (аморфного або кристалiчного) бору, порошках сплавiв (наприклад, феросплавах), хiмiчних сполук бору (бориди)
i в порошкових сумiшах на основi оксиду бору (В2О3) з добавкою вщновника (металотермiчний метод). Борування в твердих середовищах ввдбуваеться при високих температурах (900-1000 °С) i потребуе тривалоГ витримки (до 6-10год). Виготовлення робочоГ сумiшi, упаковування та распаковування ящиюв - трудомктю ручнi операцii.
Також iснують рiзнi методи нагрiвання при бору-ванш, такi як iонно-плазмове, лазерне, борування при шдукцшному нагрiвi, у вiброкиплячому шарi та iн.
Борування в обмазках займае промiжне положен-ня мiж боруванням в твердих i рiдких середовищах. Залежно вiд складу обмазки, температури процесу i способу на^вання цей метод борування наближаеть-ся до одного з них. Розрiзняють борування в умовах швидюсного електронагрiвання, повiльного (зазви-чай тчного) нагрiвання i борування в енерговид^яю-чих пастах. Найбiльше використання знаходять пер-шi два способи. У разi використання пiчного нагрiву активш обмазки слiд оберiгати вiд окиснення. Кон-систенцiя пасти визначаеться в основному вибраною технологiею Г! нанесення на деталк пульверизацiею, зануренням, кистю шаром 1,5-2,5 мм. Пiсля нанесення кожного шару пасти вироби просушують на повь трi (при 20 °С, 10-15 год) або в сушильнш шафi (при 100-250 °С, 0,5-2,0 год). Пiдготовленi таким чином вироби можна на^вати будь-яким способом [3].
Борування в порошкоподiбних сумшах переважно здiйснюеться в герметичних контейнерах. При цьому способi швидюсть формування шару вища, а вис-нажуванiсть сумiшей менша. З вщомих в даний час насичувальних середовищ для твердого борування найбшьший iнтерес представляють порошковi сумiшi на основi технiчного карбiду бору або металотермiчнi сумiшi. Перед використанням ва компоненти порошкових насичувальних середовищ просушують i по-дрiбнюють, карбщ бору необхiдно додатково прогрiти при 300-500 °С протягом 1-5 год. З метою тдвищення
насичувальноГ здатносп складу окрiм карбiду бору додають ще й активатори.
Електролiзне борування проводять в розплавi бури [4]. У рядi випадкiв в буру додають нейтральш солi (№С1 та iн.). В розплав занурюють зiбранi на пристроГ деталi, заздалепдь просушенi над дзеркалом ванни. При елек-тролiзi деталi е катодом, густина току 0,08-0,25 А/см2. Зазвичай борування проводять при 850-1050 °С протягом 2-10 годин, що дозволяе отримати шар боридiв 20-240 мкм. По заюнченш процесу борування струм електролiзу ввдключають, деталi витягують з розплаву i пiддають безпосередньо гартуванню або охолодженню на повггр! Деталi вiдмивають вiд залишкiв бури в киплячш водi. Для прискорення цього процесу iнодi застосовують ультразвук. Недолжом процесу е швидкий вихвд з ладу тиглiв, велика витрата бури, а також швидке вичерпання та зменшення ГГ активность Негативною стороною процесу е агресившсть розплавленоГ бури, яка чинить сильну роз'Гдаючу дiю на метал.
Рвдинне (безелектролiзне) борування [5] проводять в розплавах нейтральних (без бору) солей з додаванням речовин, яю мктять бор (В, В4С та ш.); в розплавах боратiв з введенням В, В4С, феробору i ш.; в розплавах боратiв з доданням хiмiчно активних металiв (Са, А1, Ti i iн.) або металургшних розкислювачiв (феромарган-цю, феросилiцiю, силжокальщю, силiкомарганцю i iн.). Найперспективнiшими для промислового використо-вування е розплави останнього типу, тобто розплави на основi боратiв лужних i лужноземельних металiв. Насичення проводять при 850-1050 °С протягом 2-10 год.
Газове борування здшснюеться в газах, яю мiстять бор (В2Н6 i ВС13), розбавлених газами, що не мктять бору (воднем, аргоном, очищеним азотом, амiаком). 1накше на стiнках реактора i на деталях ввдкладаеться шар елементного бору, i швидкiсть борування зменшуеться. При замiнi водню азотом або амiаком швидкiсть процесу зни-жуеться, проте зменшуеться його вибухонебезпека, тому така замша дощльна. 1стотно впливають на результати газового борування швидюсть подачi газу i його тиск в реактор^ а також хiмiчний склад стал! Режим борування призначають, виходячи з необхвдно'Г товщини шару, наприклад, для отримання дифузшних шарiв 0,15-0,2 мм на середньовуглецевих сталях борування проводять при температурi 800-860 °С протягом 5-6 год. Недолiком процесу е токсичшсть, вибухонебезпека i використання складного спещального газового обладнання.
При насиченш в пастах часто використовуеться на-^вання струмами високоГ частоти. Це дозволяе значно скоротити час, затрачуваний на на^в виробiв. Процес дифузп бору при нагрiваннi сталi СВЧ протiкае зi швидю-стю 0,03-0,05 мм/хв, структура i властивосп дифузiйних шарiв аналогiчнi тим, що утворюються в умовах на^ву в печi при боруваннi в розплавах. При цьому можна варш-вати швидюсть на^вання у широких межах, не змшюю-чи структури i властивостей борованого шару. Вигiднiше застосовувати велику швидкiсть нагрiвання, оскiльки це приводить до прискорення процесу насичення.
Вибiр методу борування диктуеться його техноло-гiчнiстю, обладнанням, яке е на виробництв^ конф^у-рацiею, розмiрами, умовами роботи i ступенем досяг-нутого пiдвищення стiйкостi змiцнюваних виробiв. У масовому виробництвi обробка нескладних, середшх за розмiрами виробiв переважно здшснюеться елек-тролiзним i газовим боруванням. При обробщ дрiбних
складних за конфжуращею виробiв доцiльнiше рвдкий або порошковий методи борування. Порошковий метод бiльш прийнятний, якщо змщнюват вироби не вимага-ють подальшоï термообробки. Крупногабаритнi вироби, особливо при необхщносп ïx мiсцевого борування або поеднання борування з термiчною обробкою, доцiльно насичувати в обмазках (в пастах).
Для запобжання вiдшаровування або вщколюван-ня боридного шару необхвдно забезпечити його добру адгезiю з матрицею основного металу.
Дуже висока твердость шару утруднюе подальшу мехашчну обробку, i у багатьох випадках вона не потрiбна. Якщо подальша меxанiчна обробка все ж таки необxiдна, використовують алмазний iнструмент i шлiфувальнi круги з корундом, карбвдом кремнiю.
Як i для вах дифузiйниx процеав, для формування бориду характерне збшьшення об'ему. Змiна розмiрiв визначаеться, перш за все, товщиною шару i вживани-ми матерiалами. Зазвичай спостерiгаеться збiльшення розмiрiв на 20-25 % ввд глибини шару. Для високолего-ваних сталей ця змша значно бiльша i досягае 80 % ввд глибини шару [7].
Корозшна стiйкiсть нелегованих або малолегованих сталей при боруванш полшшуеться. Наприклад, якщо деталi помiстити у 18 %-вий розчин соляноï кислоти, ввд-буваеться практично повне розчинення основного мета-лу, сам же борованний шар залишаеться непошкодженим.
Вiдомо [8], що службовi властивостi борованих ви-робiв залежать головним чином ввд товщини, структури i властивостей боридшл зони. Проте, iстотний вплив на працездатшсть борованих деталей надае i перехщна зона. Зокрема ïï товщина, xiмiчний склад i структура визначають характер розподiлу залишкових напру-жень, мщшсть зв'язку борованого шару з основним металом, схильшсть його до сколювання, умови ство-рення i розвитку втомних трщин, можливiсть продав-лювання шару та iн. Тому вплив структури переxiдноï зони на вказаш властивостi слiд враховувати при вибо-рi сталей i призначент режиму насичення.
3. Мета та задачi дослщження
Борованi легованi сталi застосовуються для виго-товлення деталей технолопчного призначення. По-верхневе насичення бором сталi 30ХГСА проводиться
з метою тдвищення зносостшкост деталей складноï конфiгурацiï. Метою роботи е розробка простоï для використання та енергетично доцiльноï нанотехноло-riï борування деталей з легованоï сталi, яка спрямова-на на скорочення тривалостi xiмiко-термiчноï обробки при одержаннi високоякiсниx боридних шарiв, що забезпечують необxiднi експлуатацшш властивостi.
Для досягнення поставленоï мети були виршува-лися наступнi задач!
- вивчити вплив температури та тривалосп роз-робленоï технологи борування на ркт глибини шару боридiв та поверхневу твердiсть;
- отримати математичну модель та номограму за-лежноси глибинi шару боридiв одночасно вщ змiни температури та тривалост обробки;
- знайти ефективний коефвдент дифузп бору для легованоï сталi 30ХГСА для пiдтвердження приско-рення процесу борування за розробленою технолопею.
4. MaTepiai дослщження, технологiчнi режими проведення борування та методики проведення дослщжень
4. 1. Дослщжуваний мaтepiaл та тeхнологiчнi ре-жими борування
Матерiалом дослщження е легована сталь 30ХГСА.
Борування здшснювали у пастi. Як вiдмiчалося ранiше, основним i суттевим недолжом традицiйниx методiв борування е тривалкть процесу 2-10 годин. Для прискорення процеив використовують порошковi сумiшi, наприклад:
1) 40-90 % аморфного бору, 10-60 % емалi типу ЕВТ. Для отримання однорiдноï пасти сумш розво-дять водою [9];
2) 45-65 % карбщу бора, 4-7 % фтористого натрж, 20-25 % залiзноï окалини, 4-8 % графггу, 7-15 % доло-мiту MgCO3-CaCO3 [10].
Недолiком першого складу сумiшi для борування сталевих виробiв е вщсутшсть активаторiв дифузш-них процеав, внаслiдок чого час борування залишаеться достатньо великим - бшьше 4 годин. Крiм цього, тсля нанесення обмазки необxiдно виконання сушки виробiв при 800 °С, що ускладнюе теxнологiчний процес i призводить до додатковоï витрати електрое-нергiï та потребуе додаткового термiчного обладнання. Основним i суттевим недолжом другого складу е присутшсть кисню в залiзнiй окалинi та в складi доломiту, складнiсть приготування сумiшi через ве-лику юльюсть компонентiв, обов'язкова герметизацiя контейнера. При цьому, тривалшть процесу насичення становить не менше 8 годин.
Нами запропонована нова сумш для прискорення процеав насичення поверxнi металу бором на основi нанодисперсноï боровмiсноï речовини. На тдготов-ленi зразки наносили шар пасти з сумш! яка мштить 80-86 % нанодисперсного полiбориду магнiю (рис. 1), 7-10 % фтористого лтю i 7-10 % фтористого натрж, товщиною до 3 мм [11]. На^вання здiйснювали в ка-мернiй печi тривалiстю вщ 15 до 120 хвилин при змж температури вiд 800 до 900 °С [12].
Рис. 1. Електронна мкроскотя полiбориду магнiю
4. 2. Методи дослщження структур i властивостей борованих шapiв на стaлi
Мiкроструктуру та товщину дифузiйниx шарiв дослiджували методом оптичноï мiкроскопiï на мь кроскопi М1М-8 за стандартною методикою при рiзниx збiльшенняx.
За товщину борованого шару, в яку входять бориди та перехщна зона, приймали вщстань змши мжротвер-досп вiд поверхневих значень до твердост серцевини.
Мiкротвердiсть зразкiв визначали на приладi ПМТ-3 при навантаженнi 50, 100 г i витримцi 7-15 с за стандартною методикою (ГОСТ 9450-76).
5. Експериментальш даш та i'x обробка
При насиченнi сталi 30ХГСА бором утворюються XÍMÍ4HÍ сполуки бору Í3 залiзом FeB i Fe2B, так 3BaHÍ бориди. При утворенш борованого шару спочатку вщ повeрхнi углиб металу проростають окрeмi голкопо-дiбнi кристали бориду Fe2B. Поступово цi кристали зливаються в сущльний шар. У мiру подальшого на-сичення бором на поверхш утворюеться ще один шар
з бориду FeB. Мжроструктури борованих шарiв за рiзними режимами навeдeнi на рис. 2.
Борування при шчному нагрiвi з паст забезпечуе отримання твердосп повeрхнi в межах 22-20 ГПа. Твердеть серцевини i товщина шару коливаеться за-лежно вщ швидкостi охолодження. В зонi борованого шару твердеть знижуеться вiд 22 ГПа до 16-15 ГПа, що пов'язано зi змiною фазового складу самого шару, тобто окрiм бориду FeB i Fe2B з'являються карбщи i бориди легувальних eлeмeнтiв сталей. Не зважаючи на дуже високу твердеть, борид володiе меншою крихю-стю, нiж карбiди.
Висока мщшсть бориду пояснюеться складним типом зв'язку в цих сполуках. Наявшсть единого 2р-элек-трона на зовшшнш орбiтi атома бору не тшьки збiльшуе мiцнiсть зв'язку мiж атомами бору i металу, але i зумов-люе наявнiсть ковалентного зв'язку мiж атомами бору. Атоми бору зв'язаш мiж собою в ланцюжки FeB.
3i збiльшeнням часу витримки ХТО вщ 15 до 90 хв при шчному нагрiвi до температури гартування 850 °С леговано! сталi боридний шар росте (рис. 2, а—в). При-чому зростання борованого шару швидшае вiд 60 хв i бшьше. Змiна часу борування приводить до збшьшен-ня загально! глибини дифузiйного шару вщ 35 мкм (за 15 хв) до 136 мкм (за 90 хв), що значно шдвищуе ефект вщ борування i покращуе експлуатацшш властивостi виробiв.
При пiдвищeннi температури ХТО вщ 800 °C до 900 °C при витримцi 60 хвилин сталi 30ХГСА спосте-р^аеться рiст боридного шару, причому зростання борованого шару швидшае при 850 °C та бшьше. Це пов'язано с тим, що при збшьшенш температури шдви-щуеться швидкiсть дифузп (рис. 2, в-д).
3i збшьшенням температури борування збшьшу-еться глибина дифузшного шару загалом вiд 62 мкм (800 °C) до 163 мкм (900 °C), що сприятливо впливае на шдвищення ефекту вщ борування та покращення eксплуатацiйних властивостей готових виробiв.
Щоб скоротити час процесу борування, до чого прагне кожен виробник, як вщомо, необхщно шд-вищувати температуру ХТО, виходячи з отримання нeобхiдних властивостей готових виробiв. Для бiльш детального вивчення цього питання була побудована математична модель глибини шару боридiв залежно вiд температури та часу змщнювально! обробки.
В якосп вхiдних змiнних вибиралися температура борування (Xj), яка змшювалась вщ 800 °С до 900 °С та
тривалiсть хiмiко-тeрмiчноl обробки (х2) в дiапазонi 15—90 хв. В якостi вихiдних змiнних - глибина борованого шару (y). Для побудови математично! модeлi, що може мати вигляд рiвняння регресп [13, 14], було проведено 10 паралельних експерименлв з достатньою кшьюстю зразкiв сталi в точках поза планом, на шд-ставi яких були отримаш сeрeднi значення y.
д е
Рис. 2. ММкроструктури шару боридiв сталi 30ХГСА при рiзних режимах обробки: а - 850 °С, 15 хв; б - 850 °С, 60 хв; в - 850 °С, 90 хв; г - 800 °С, 90 хв; д - 900 °С, 60 хв; е - 900 °С, 90 хв; х 400
Враховуючи, що з даних експериментального ма-терiалу можна «зняти» з достатнiм ступенем точностi значення вхi дних i вихi дних змiнних, для побудови рiв-няння регресriбулореалiзовано повнийцентральнийор-тогональний композицiйний план другого порядку [15]. Мжроструктури деяких точок плану представлен на рис. 2. Нормування значень вхщних змiнних здшсню-валося за формулами:
x. — Х1
Х2 — Х2
I,
(1)
(2)
де х1, х2 - нормованi значення вхiдних з_мшних, x1,x2 — натуральш значення вхщних змшних Х1,Х2 - середне значення вхщних змiнних (Х1 = 850, Х2 = 52,5), Ji, J2 - ш-тервали вартвання вхiдних змiнних (J1=50, J2=37,5).
Математична модель представляеться полiномом виду:
У i = b0 + а1Х1 + а2Х2 + a3 (Х2 —b) + a4 (Х2 —Р) + а5Х1Х2, (3)
в
г
Х =
I1
де a, - ощнюват коефiцiенти, ß - параметр, що розра-ховуеться залежно вщ числа точок ядра композицш-ного плану 2n-p, плеча «зоряних» точок a i числа точок плану за формулою:
£¡=1 (xi)^2n-p + a
ß =
N
N
(4)
Загальний вигляд вхвдних змiнних для розрахунку коефвденпв моделi а! наведений в табл. 1.
Таблиця 1
Данш для побудови ортогонального центрального композицшного плану
Номер експеримента Х1 Х2 x2 -ß x2-ß yij
1 Хтах x2™ (x™)2 - 0,6667 (x™)2 - 0,6667 yii
2 x,min xr (x™)2 - 0,6667 (x™)2 - 0,6667 yi2
3 x™ x2min (x™)2 - 0,6667 (xf )2 - 0,6667 yi3
4 x,min x2min (x™)2 - 0,6667 (xf)2 - 0,6667 yi4
5 xmax середне x2 (x™)2 -0,6667 (x^^1^)2 -0,6667 yi5
6 x,mm середне x2 (x7n)2 - 0,6667 (x»"««)2 -0,6667 yi6
7 средне xi (x^™*)2 -0,6667 (xf)2 - 0,6667 yi7
8 ..середне xi xf (x«,»«)2 -0,6667 (xf )2 - 0,6667 yi8
9 средне xi середне x2 (x^e«)2 -0,6667 (xf™*)2 -0,6667 yi9
Коефвденти a, визначенi за формулами [16]:
ai=c1 £N1x'yJ,i=1,...,n (5)
, N Г/ • \2 1 • a, = C2£j=1 (X-1 ) -ß У1, i = n + 1,...,2n
a, = C2[(j )2"ß}j, i = n + 1,...,2n (6)
a, = C3£>ix;yj, A, = 1,...,n, i = 2n + 1,...,k (7)
1 VN j nVN
=n £ ¡=1yj-ߣ ,=1a
(8)
У формулах (5)-(8) сь с2, с3 - коефiцiенти для ль нiйниx, квадратичних i парних взаемодш незалежних змiнниx вiдповiдно, n - число лшшних членiв модел! N - кiлькiсть експериментiв.
Для полшома другого ступеня виду (3) значення вказаних параметрiв наведенi в табл. 2.
Для ощнки точност отриманоï моделi обчислю-валися суми квадрапв вiдxилень експериментальних значень вихвдних змiнниx вiд розрахункових, отрима-них за моделлю (SR), i ощнки дисперсп ( SR )
SR (уэксп урасч) , S2
S2 = SR, Ф
(9) (10)
де ф = N -(k + 1) - число ступенiв свободи, N - число екс-периментiв (N=9), k - число ощнюваних параметрiв (k=5).
Таблиця 2
Значення napaMeTpiB ортогональних центральних композицiйних планiв для розрахунку коeфщiентiв моделi
N ß с1 с2 сэ
9 0,6667 0,1667 0,5 0,25
Для перевiрки гiпотези про адекватнiсть викори-стали критерш:
F < F ,
- '-кр'
F =
SR/ Ф1
s2/ Ф2'
(11) (12)
де FRp - табличне значення критерт Фiшера для до-вiрчоï ймовiрностi 95 % i вщповщних чисел ступенiв свободи ф1 = 3 та ф2 = 9. Якщо виконуеться умова (11), модель вважаеться адекватною, якщо F>FRp, гшотеза про адекватнiсть моделi вiдxиляеться.
Оцiнка значимостi коефiцiентiв моделi проводила-ся на основi критерiя:
a, > t4>si!
(13)
де tRp - критичне значення розподшу Стьюдента для довiрчоï ймовiрностi 95 % i числа ступешв свободи ф2 = 9, s, - середне квадратичне ввдхилення, яке визна-чаеться з формули (10).
Отримана модель глибини шару боридiв залежно вщ нормованих значень температури та часу змщню-вальноï обробки мае вигляд:
y = 50,88889 + 9,1685 ■ x1 + 23,0046 ■ x2 + 3,8257 ■ x42 -
-8,6743 ■ x2 - 4,5 ■ x1 ■ x2. (14)
Критерiй для перевiрки гiпотези про адекватнiсть модел! розрахований за формулою (12), дорiвнюе 1,96256, що менше табличного значення критерiя Фь шера для довiрчоï ймовiрностi 95 % i ввдповвдних чисел ступенiв свободи ф1 = 3 та ф2 = 9. Таким чином, виконуеться умова (11), модель вважаемо адекватною.
Ощнка значимост коефвденпв моделi показала (табл. 3), що уа коефiцiенти моделi (14) значимi, це доказано виконанням умови (13).
Виходячи з порiвняння значень коефщенпв отри-маноï моделi (14), можна зробити висновок, що саме тривалкть борування мае найбшьший вплив (у 2,5 рази бшьше нiж температура) на зростання шару боридiв на сталi 30ХГСА. Таке ввдхилення вiд класичного значного впливу температури, а не часу пов'язане з чиким обме-женням температурних та часових характеристик розро-бленого процесу борування.
Поверхня вщгуку у факторному простор! яка описуе значення вихвдних змшних при рiзниx значеннях вxiдниx змiнниx у заданш областi планування, наведена на рис. 3.
Таблиця 3
Результати розрахунюв значень вщхилення t s, для оцшки значимостi коефiцieнтiв моделi
Значення вщхилень t s,
Для лшшних коефщен'пв Для квадратичних коефщ1ент1в Для коефщ1ент1в при парнш взаемоди
1,78977 3,09966 2,19179
Рис. 3. Поверхня вщгуку у факторному простер змши глибини шару боридiв злежно вiд температури та часу змщнювальноТ обробки
Вiзуальний аналiз поверхш вiдклику дозволяе зро-бити висновок, що iз зростанням температури та трива-лостi, як ми i очiкували, глибина боридiв збiльшуеться, причому максимальне значення глибини боридiв дося-гаеться при максимальнiй тривалостi та температур^ що i пiдтверджуе металографiя (рис. 2, е). Математич-ний оптимум знаходиться у дiапазонi 70-80 мкм.
Математична модель (14) дшсна для борування ста-лi 30ХГСА за розробленою технологiею в дiапазонi температур 800-900 °С, тривалштю 15-90 хв. Графiчне зображення залежност глибини боридiв одночасно вщ температури та тривалостi обробки показано на рис. 4.
к
S00 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 Температура борування, °С
■ 60-80 40-60 "20-40 »0-20
Рис. 4. Номограма глибини борид1в одночасно вщ температури та тривалосп обробки
Отримана номограма (рис. 4) дозволяе визначити конкретш умови борування (температуру та трива-лшть) виходячи з задано! глибини шару боридiв.
6. Коефщент дифузп бору при ni4HOMy HarpiBi
Вiдомо, що для проведення поверхневого дифузш-ного насичення виробу необхщно створити направле-
ний дифузiйний потж атомiв насичуючого елементу з поверхш в глибину виробу, що можливе за умови одно-часного протжання трьох основних процеав:
1) утворення вшьних атомiв насичуючого елементу на поверхш виробу, що шддаеться дифузшному насиченню;
2) адсорбцп (поглинання поверхнею) атомiв наси-чуючого елементу виробом;
3) дифузп адсорбованих атомiв в глибину виробу.
Дифузiя вiдбуваеться за вакансiйним механiзм.
Вщомо, що реальний кристал мiстить певне число ва-кантних вузлiв реш^ок. Цi вакансп вiдкривають шлях для легкого здшснення дифузп. Елементарним стриб-ком при дифузп по цьому мехашзму е перескок атома у суадню вакансiю. В результатi стрибка атом i вакансiя обмiнюються мшцями.
Атом дифундуе по кристалу в результат ряду об-мiнiв мшцями з рiзними вакансiями, якi час вщ часу виявляються поблизу нього. Аналiз дiаграми стану залiзо-бор показав, що дифузшш шари на залiзi легко формуються з хорошою вщтворшстю тими елемента-ми, якi на дiаграмi стану утворюють явно виражену замкнуту у-область поблизу температурно! о« зал^ за. Виникнення фазового перетворення шд дiею зм^ ни температури i концентрацп бору в сталi пояснюе голкоподiбне зростання боридних дифузшних шарiв на поверхнi сталi. Формування дифузшного шару можливе i у разi вiдсутностi розчинностi в результат хiмiчноl взаемодп атомiв насичуючого елемента (В) i основи (Fe).
Тут дифузiя пов'язана з утворенням нових фаз (х^ мiчних сполук), що виникають в результатi реакцiй, що вщбуваються в твердiй фазi. Така дифузiя назива-еться реакцiйною. Коефвдент дифузп бору в загально-му виглядi можна записати:
D = Dr
exp
RT
(15)
де R - газова постшна, Дж/мольК D0 - коефiцiент дифузп при несюнченно великiй температурi, см2/с, Q - енергiя, яку необхщно затрачувати в процесi дифузп з одного положення рiвноваги в кристалiчнiй решiтцi в iнше, кал/г^атом.
Температурна залежнiсть коефiцiента дифузп бору в a- i Y-зaлiзi описуеться наступними виразами:
67 ± 5^ 2/
— I, см2/с; (16)
D^ = (7,9 ± 2,3)-10-5 exp^--
DB=(5,7 ± 1,8 )• 10-3 ехр , см2/с. (17)
Товщина борованого шару визначаеться за формулою
Ь = 2^в •т, мкм. (18)
З формули (18), знаючи експериментальш данi тов-щини шару i варiюючи температуру борування, визна-чено коефiцiент дифузп бору для сталi 30ХГСА, який змiнюеться вiд 2,8х10"9 до 4,6х10"9 см2/с.
Залежнiсть експериментального ефективного кое-фiцiента дифузп бору для леговано! сталi в порiвняннi зi значенням розрахункового коефiцiента при рiзнiй температурi борування показана на рис. 5. Як i очжу-вали, з пiдвищенням температури ефективний коеф^ цiент дифузп зростае.
пере: :: в.::
:ппГпп ¡S>
6/11 ( 78 ) 2015
З рис. 5 видно, що борування в запропонованш обмазцi дозволяе прискорити процес, у порiвняннi з розрахунковими даними у 3 рази.
Рис. 5. Залежнють розрахункового та ефективного коефщ1енлв дифузп бору у стал1 30ХГСА в1д температури борування
Для сталi 30ХГСА значення коефвдента дифузií при нескшченно великiй температурi та енергií акти-вацií будуть наступнi: 2,17 см2/с та 2,03787 кал/гатом вiдповiдно. Враховуючи реальнi умови дифузи та за-данi температурнi рамки, значення Do значно бiльше теоретичного. Тодi як енерги, яку необхiдно затрачу-вати в процесi дифузií з одного положення рiвноваги в кристалiчнiй решггц в iнше, потрiбно у 11 раз менше для здiйснення процесу насичення сталi 30ХГСА бором за розробленою технолопею борування в обмазках з нанодисперсного середовища.
7. Обговорення результат дослiдження розроблено1 технологи борування
Завдяки технологи швидкюного борування з ви-користанням нанодисперсного середовища, що розро-блена, можна скоротити тривалють обробки у 3 рази. Також така технолопя дозволяе вщшти вщ викори-стання спецiального та складного обладнання (соляш ванни, газове, юно-плазмове та лазерне устаткування). Сумш для насичення мае лише один основний компо-
нент та два активатори, що також е важливою перевагою серед юнуючих складних та багатокомпонентних середовищ.
Розроблена технолопя може використовуватися на пщприемствах, де е будь-як печi пiд гартування без додаткового встановлення чи переобладнання устат-кування.
Практичне значення математично'1 моделi та номо-грами полягае у можливост чiткого визначення кон-кретно'1 температури та тривалостi борування для от-римання необхiдноí глибини шару боридiв, виходячи з експлуатацiйних потреб деталь До того ж це позволяе варшвати умови обробки залежно вщ експлуатацш-них та технолопчних потреб.
Плануеться продовження вивчення розроблено'1 технологií наноборування для широкого спектру сталей та сплавiв, виведення закономiрностей глибини та якостi шару боридiв вiд змiни температури та тривало-стi насичення.
8. Висновки
1. Збшьшення температури i часу ХТО приводить до зростання борованих шарiв i перехiдноí зони. Борування з паст забезпечуе отримання твердост поверхш в межах 22-20 ГПа з пониженням и до 18-16 ГПа по шару до перехщно'1 зони, що пов'язане iз змшою фазового складу шарiв, в яких окрiм боридiв FeB i Fe2B з'являються карбiди i бориди хрому сталей.
2. Отримана математична модель у виглядi залежноотглибини шаруборидiввiд змiнитемператури та тривалостi процесу насичення та номограма, що побудована на основi отримано'1 залежностi дозволють визначити конкретнi умови борування (температуру та тривалють) виходячи з задано'1 глибини шару боридiв, що мае велике технолопчне значення.
3. На основi отриманих експериментальних даних глибини борованого шару залежно вщ змши температури обробки, виведено залежнють експерименталь-ного ефективного коефiцiенту дифузи бору для ле-говано'1 стал^ який експоненцiально змiнюеться вiд 2,8х10-9 до 4,6х10-9 см2/с при варшванш температури у рамках 800-900 °С, тодi як значення розрахункового коефiцiента при традицiйному боруваннi становлять 0,0017-0,21х10-9 см2/с. Таке зростання коефШенту дифузи пiдтверджуе прискорення процесу борування за розробленою технолопею.
Л^ература
Czerwinski, F. Thermochemical Treatment of Metals [Text] / F. Czerwinski. - Heat Treatment - Conventional and Novel Applications, 2012. - Р. 73-112. doi: 10.5772/51566
Kulka, M. Microstructure and properties of borocarburized and laser-modified 17CrNi6-6 steel [Text] / M. Kulka, N. Makuch, A. Pertek, A. Piasecki // Optics and Laser Technology. - 2012. - Vol. 44, Issue 4. - Р. 872-881. doi: 10.1016/j.optlastec.2011.11.016 Aghaie-Khafri, M. A study of chromo-boronizing on DIN 1.2714 steel by duplex surface treatment [Text] / M. Aghaie-Khafri, M. Mohamadpour // Journal of Metals. - 2012. - Vol. 64, Issue 6. - Р. 694-701. doi: 10.1007/s11837-012-0337-x Kartal, G. Investigating the morphology and corrosion behavior of electrochemically borided steel [Text] / G. Kartal, O. Kahvecio-glu, S. Timur // Surface and Coating Technologies. - 2006. - Vol. 200, Issue 11. - P. 3590-3593. doi: 10.1016/j.surfcoat.2005.02.210 Веропаха, Н. В. Влияние жидкостного борирования на износо- и коррозионную стойкость длинномерных изделий [Текст] / Н. В. Веропаха, Д. Н. Веропаха, А. В. Скориков и др. // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки, 2006. - Спец. вып.: Актуальные проблемы машиностроения. - С. 20-21.
Алиев, А. А. Диффузионное борирование стали и шероховатость поверхности [Текст] / А. А. Алиев, В. П. Булгаков, Б. С. Приходько // Вестник Астраханского государственного технического университета. - 2005. - № 2. - С. 91-94.
7. Stergioudis, G. Formation of boride layers on steel substrates [Text] / G. Stergioudis // Crystal Research and Technology. - 2006. -Vol. 41, Issue 10. - P. 1002-1004. doi: 10.1002/crat.200610711
8. Saduman, S. An approach to kinetic study of borieded steels [Text] / S. Saduman, S. Ugur, B. Cuma // Surfaceand Coating Technologies. - 2005. - Vol. 191, Issue 2-3. - P. 274-285. doi: 10.1016/j.surfcoat.2004.03.040
9. А. с. 1216249 СССР, МПК7 С 23 С 8/70. Состав обмазки для борирования стальных изделий [Текст] / Шашина Л. Т., Макаров Д. М. (СССР). - № 3793701/22-02 ; заявл. 24.09.84 ; опубл. 07.03.86, Бюл. № 9.
10. А. с. 1712462 СССР, МПК7 С 23 С 8/70. Порошкообразный состав для борирования стальных изделий [Текст] / Янцен Г. И., Астащенко В. И., Сергеева Е. И. (СССР). - № 4792103/02 ; заявл. 13.02.90 ; опубл. 15.02.92, Бюл. № 6.
11. Склад для борування сталевик виробiв. Патент Украши №»33654, МПК8 С 23 С 8/00 [Текст] / Павлюченко О. О., Костик В. О., Костик К. О. - № u200800226; заявл. 04.01.08; опубл. 10.07.08, Бюл. № 13.
12. Костик, К. О. Змщнення прес-форм лиття тд тиском по нанотехнологп [Текст] / К. О. Костик // Машинобудування. -2013. - № 12. - С. 113-118.
13. Хартман, К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов [Текст] / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер. - М.: Мир, 1977. - 552 с.
14. Seraya, O. V. Linear regression analysis of a small sample of fuzzy input data [Text] / O. V. Seraya, D. A. Demin // Journal of Automation and Information Sciences. - 2012. - Vol. 44, Issue 7. - P. 34-48. doi: 10.1615/jautomatinfscien.v44.i7.40
15. Коваленко, Б. П. Оптимизация состава холоднотвердеющих смесей (ХТС) с пропиленкарбонатом [Текст] / Б. П. Коваленко, Д. А. Дёмин, А. Б. Божко. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2006. - № 6. - С. 59-61.
16. Дьомш, Д. О. Деяга аспекти управлшня якютю чавуну з пластинчастим граф^ом [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Д. О. Дьомш. - Харгав, 1995. - 24 с.
-□ □-
Проведет експериментальн дослидження будови тканин полотняного переплетення та проаналiзоват динамiчт процеси змти структури тканин на етапах гх виготовлення: при проектувант, в умовах заправлен-ня на ткацькому верстатi та тсля зняття з верстата у рiвноважному стат. В якостi критерю обраний порядок фазовог будови, як характеристика взаемног просто-ровог орiентацiг систем ниток основи i утоку в тканит. Визначений характер змти фази будови тканини, який залежить вiд стввгдношення дiаметрiв i хвиль вигитв ниток з урахуванням гх взаемного розташування
Ключовi слова: полотняне переплетення, фаза будови тканини, динамта змти структури, мiкророзрiз тканини, взаемне розташування ниток
□-□
Проведены экспериментальные исследования строения тканей полотняного переплетения и проанализированы динамические процессы изменения структуры тканей на этапах их изготовления: при проектировании, в условиях заправки на ткацком станке и после снятия со станка в равновесном состоянии. В качестве критерия выбран порядок фазового строения, как характеристика взаимной пространственной ориентации систем нитей основы и утка в ткани. Определен характер изменения фазы строения ткани, который зависит от соотношения диаметров и волн изгибов нитей с учетом их взаимного расположения
Ключевые слова: полотняное переплетение, фаза строения ткани, динамика изменения структуры, микросрез ткани, взаимное расположение нитей -□ □-
УДК 677.024.001
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.55526|
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ДИНАМ1КИ ЗМ1НИ СТРУКТУРИ ТКАНИН ПОЛОТНЯНОГО ПЕРЕПЛЕТЕННЯ У ПРОЦЕС1 ФОРМУВАННЯ
О. В. Федорчен ко
Асистент* E-mail: etdt@ukr.net О. В. Закора
Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: zoks@ ukr.net О. Ю. Рязанова
Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: lenaoma@mail.ru *Кафедра експертизи, технологи i дизайну текстилю Херсонський нацюнальний техшчний уыверситет Бериславське шосе, 24, м. Херсон, УкраТна, 73008
1. Вступ
Найб1льш вагому частку серед продукцп ткацького виробництва складають тканини полотняного пере-
плетення. Асортимент даних тканин формувався тд впливом кторичних традицш ручного ткацтва i зараз нал1чуе багато артикулiв. Рiзноманiття асортименту, не дивлячись на те, що вш представлений одним видом
©
