CC BY
56
практическая конференция «Молодежные инновации», сб. док. / Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Ч. 1. С. 124
3. Зябрева Д.С. К вопросу о процессах "дробления", "ломания" или "разделения" витка стружки // VIII Молодежная научно-практическая конференция «Молодежные инновации», сб. док. / Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. Ч. 1.С. 107
Зябрева Дарья Сергеевна, магистрант, tarketta@,mailru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PROBLEMS CRUSHING CHIPS IN MODERN PRODUCTION
D.S.Zyabreva
The article is devoted to crushing metal chips and related issues. Confirmed the need to develop theoretically based design methodologies indexable inserts, which requires additional research.
Key words: metal shavings, indexable insert, turning, front surface
Zyabreva Daria Sergeevna, magister, tarketta@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 669.14.018.291:621.891:66.07-971.4:[536:004.94]
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАЛИ 25Х3М3НБЦА С ГАЗОВЫМИ СРЕДАМИ В ПРОЦЕССЕ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ С РЕСУРСНЫМ СМАЗЫВАНИЕМ
П.И. Маленко, О.Ю. Гончаров
Выполнено термодинамическое моделирование взаимодействия образцов исследуемой стали 25Х3М3НБЦА с газовыми средами в процессе трения скольжения с ресурсным смазыванием при заданных давлениях, температурах и составах газовой среды. Показано, что составы слоев на поверхности образцов практически не зависят от исходного состава слоев, который получен после никотрирования, причем состав слоев при более высокой температуре больше способствует жаростойкости образцов, чем слои, образующиеся при низких температурах.
Ключевые слова: термодинамическое моделирование, газовые среды, процесс трения скольжения с ресурсным смазыванием, конструкционная теплостойкая никотрированная сталь, кинетические факторы.
Газофазное карбонитрирование железа и сплавов на его основе обычно проводят в смеси аммиака и углеродсодержащих газов, таких как метан, эндогаз, экзогаз. При сгорании природного газа с недостатком воз-
духа получают эндогаз, а с избытком воздуха - экзогаз. Составы эндогаза и экзогаза зависят от соотношения компонентов сжигаемой смеси и условий сжигания.
Эндогаз (например, состава: 20 % СО, 40 % Н 2, 40 % N2) обычно применяют в чистом виде или в смеси с другими газами для газовой цементации и карбонитрирования. Атмосфера эндогаза является восстановительной и обеспечивает постоянство углеродного потенциала при малом содержании водяного пара.
Экзогаз (например, состава: 4 % СО2, 11 % СО, 11 % Н2, 5 % СН4, 59 % N2) содержит углекислый газ и является окислителем, способствуя ускорению процесса азотирования. Углекислый газ в смеси с аммиаком является также науглероживающим компонентом.
Разновидностью низкотемпературного газофазного карбонитрирования является никотрирование, заключающееся в обработке изделий на основе железа в атмосфере, состоящей из 50 % аммиака и 50 % эндогаза при 570 0С, обеспечивающее получение на поверхности изделий из углеродистых и легированных сталей малопористого карбонитридного слоя е-железа, значительно повышающего стойкость деталей к истиранию. Существенным недостатком способа является возможность образования взрывоопасных смесей из-за высокого содержания водорода.
Вариантом никотрирования является разработанный фирмой "Ай-хелин" "Нитрок-процесс" способ карбонитрирования при 570 0С в смеси аммиака и неочищенного экзогаза при соотношении 1:1 или 1:2. На поверхности деталей, обработанных по методу "Нитрок", за два часа образуется гомогенный малопористый оксикарбонитридный слой толщиной 10...15 мкм. Полученные в нитрок-процессе карбонитридные слои обладают меньшей пластичностью и износостойкостью по сравнению со слоями, полученными "никотрированием", что обусловлено пониженной насыщенностью карбонитридного слоя углеродом в связи с невысоким углеродным потенциалом атмосфер на базе экзогаза в сравнении с эндогазовы-ми атмосферами.
Цель работы - термодинамическое моделирование взаимодействия образцов исследуемой конструкционной теплостойкой никотрированной стали с газовыми средами в процессе трения скольжения с ресурсным смазыванием при заданных давлениях, температурах и составах газовой среды.
Материалы и методика проведения исследований. Для исследуемой конструкционной теплостойкой стали 25Х3М3НБЦА использован режим никотрирования: температура - 580 0С, время обработки - 8 часов, состав насыщающей смеси NH3 : СН4 (эндогаз) - 50:50 объем. %, давление 10 Па. Для указанных условий никотрирования толщина поверхностной карбонитридной зоны, выполняющего основные триботехничекие
функции по защите деталей от повреждаемости, в виде "белой" нетравя-щейся полосы составила 23 мкм, а эффективная глубина диффузионного подслоя, так называемой зоны внутреннего азотирования, которая предопределяет в основном несущую силовую способность поверхностного слоя материала - 231 мкм. Химический состав стали 25Х3М3НБЦА приведен в табл.1.
Таблица 1
Химический состав стали 25Х3М3НБЦА
Доли Содержание элементов
Гв С Сг Мо N1 Б! Мп т 1г Б Р
% масс. 92,71 0,26 3,0 3,0 0,6 0,12 0,17 0,1 0,02 > 0,01 > 0,01
Мол. доли 0,9273 0,0121 0,032 0,0175 0,0057 0,0024 0,0017 0,0006 0,0001 0,0002 0,0002
Термодинамические расчеты равновесных концентраций компонентов в многокомпонентных гетерогенных системах проводились с использованием известных [1] алгоритмов, основанных на решении системы уравнений, полученных из условия максимума энтропии, и реализованных в компьютерных программах. Для выполнения расчетов использовался программный комплекс АСТРА [1]. Оценка взаимодействия в системе "сплав-газ" проводилась в рамках термодинамической модели многослойных структур [2], в которой окалина представлялась набором параллельных поверхности слоев, различающихся по составу. Слои рассматривались в качестве локально равновесных подсистем с собственными равновесными параметрами. Соответственно, для каждой такой подсистемы проводились независимые расчеты методами равновесной термодинамики. При моделировании изменений состава по глубине сплавов задавался параметр: gi = mm /(тт + mг), соответствующий доле газа (от 0,01 до 0,999) в поверхностных слоях по глубине, тт - масса конденсированных компонентов, тг - масса газа. Сведения о термодинамических свойствах компонентов, образующихся в рассматриваемых системах, брали из справочника [3] и базы данных программы АСТРА.
При оценке взаимодействия сплавов с газовыми средами в качестве основного состава сплава использовался состав стали, который приведен в таблице (в мол. долях): Гв 0,9273 Сг 0,0322 Мо 0,0175 N 0,0057 Б! 0,0024 Мп 0,0017 Ш 0,0006 2г 0,0001 5 0,0002 Р 0,0002.
Результаты исследований и их обсуждение.
При расчетах состава слоев после механической обработки образцов задавались следующие параметры системы: атмосферное давление
P = 105 Па, температуры T = 573 К и T = 973 К, соответствующие предельным температурам разогрева образцов при разных условиях трения.
В составе системы учитывалось наличие исходных никотрирован-ных слоев и масла ИС-45, элементный состав которого приведен в табл. 2.
Таблица 2
Элементный состав индустриального масла ИС-45
Индустриальное масло ИС-45 Элементный состав, % масс.
С Н N S О
83,3 15,4 0,1 1,1 0,1
Предполагалась также возможность образования двух твердых растворов. Первый, состоящий из компонентов сплава Fe, Сг, Mo, Si, Mn, Ш, Zr. Второй, включающий в себя образующиеся соединения Fe4N, Fe2N, С^, NbN, ШС, Si3N4, FeSi, Fe3C, СгзС2, Сг7Сз, Мп7Сз, Мо2С, MoSi2, .
Результаты моделирования образования поверхностных слоев на образцах, подвергающихся процессу трения на воздухе в присутствии индустриального масла ИС-45 представлены для Т = 573 К на рис. 1 и для Т = 973 К на рис. 2. Анализ рис. 1 показывает, что при трении скольжения с ресурсным смазыванием при 573 К поверхностный слой образца будет состоять из оксида Fe2Oз с примесью М0О3, а в промежуточном слое будет находиться оксид FeзO4 с примесью М0О2 и О2О3, кроме того, есть слой внутреннего окисления, содержащий в основном М0О2 и СГ2О3 и углерод. При более высокой температуре 973 К состав слоев меняется (рис. 2). От поверхности вглубь будут наблюдаться О2О3 (с Fe2МПО4 и SlO2), FeзO4 (сМ0О2) и слой, прилегающий к металлу - FeO.
Состав слоев при более высокой температуре больше способствует жаростойкости образцов, чем слои, образующиеся при низких температурах.
Расчеты также показали, что:
- составы слоев на поверхности образцов практически не зависят от исходного состава слоев, который получен после никотрирования;
- наличие масла на поверхности практически не оказывает влияние на составы слоев;
- некоторое отклонение состава образцов от состава стали 25Х3М3НБЦА не оказывает существенного влияния на качественный состав образующихся поверхностных слоев.
Рис. 1. Зависимость XI (мольная доля) - содержания компонентов в поверхностных слоях стали от gi - массовой доли компонентов воздуха при Т=573 К при разных соотношениях С/№ а и б содержание компонентов приведено в разном масштабе
Рис. 2. Зависимость Х[ (мольная доля) - содержания компонентов в поверхностных слоях стали от gi - массовой доли компонентов воздуха при Т=973 К при разных соотношениях С/№ а и б - содержание компонентов приведено в разном масштабе
Выводы:
1. Выполнено термодинамическое моделирование взаимодействия
образцов исследуемой стали 25Х3М3НБЦА с газовыми средами в процессе трения скольжения с ресурсным смазыванием при заданных давлениях, температурах и составах газовой среды.
2. Результаты моделирования образования поверхностных слоев на образцах, подвергающихся процессу трения на воздухе в присутствии индустриального масла ИС-45 показывают, что:
- при процессе трения при 573 К поверхностный слой образца будет состоять из оксида Fe2Ü3 с примесью M0O3, а в промежуточном слое будет находиться оксид ^304 с примесью M0O2 и O2O3, кроме того есть слой внутреннего окисления, содержащий в основном M0O2 и O2O3 и углерод;
- повышение температуры до 973 К приводит к изменению фазового состава - от поверхности вглубь будут наблюдаться O2O3 (c Fe2MnO4 и SiO2), Fe3O4 (с MoO2) и слой, прилегающий к металлу - FeO.
Работа представлена на 3-й Международной Интернет - конференции по металлургии и металлообработке, проведенной в ТулГУ 1 мая - 30 июня 2014 г.
Список литературы
1. Ватолин Н. А., Моисеев Г. К., Трусов Б. Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. М.: Металлургия, 1994. 352 с.
2. Гончаров О. Ю. Термодинамическое моделирование высокотемпературного окисления сплавов системы Fe-Cr на воздухе // Неорганические материалы. 2004. Т. 40. № 12. С. 1-7.
3. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справочное издание: в 4 т. / Л. В. Гурвич [и др.]; отв. ред. В. П. Глушко. Изд. 3-е, перераб. и расш. М.: Наука, 1978-1982. Т.1-4.
Маленко Павел Игоревич, канд. техн. наук, доц., malenkoatsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Гончаров Олег Юрьевич, канд. физ.-мат. наук, ст.н.с., olafanm.ru, Россия, Ижевск, Физико-технический институт УрО РАН
THERMODYNAMIC MODELING OF INTERACTION OF STEEL 25Х3М3НБЦА WITH GAS ENVIRONMENT DURING SLIDING FRICTION WITH THE RESOURCE LUBRICATION
P.I.Malenko, О^и^опеИагоу
A thermodynamic simulation of samples investigated steel 25Х3М3НEЦА gas lines in the process of sliding friction with lubrication resource at a given pressure, temperature and composition of the gaseous medium. It has been shown that the compositions of layers on the sample surface almost depends on the initial composition of the layers, which is obtained after nikotrirovaniya, wherein the composition of the layers at a higher temperature promotes greater heat resistance of the samples, than the layers formed at low temperatures.
Key words: thermodynamic modeling, gas environment, the process of sliding friction with the resource lubrication, heat-resistant structural steel nikotrirovannaya, kinetic factors.
Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical science, docent, malen-koatsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Goncharov, Oleg Yurievich, candidate physics-math. science, senior research fellow, olaf@nm.ru, Russia, Izhevsk, Physical-technical Institute, Ural branch of RAS
УДК 621.7; 621.791; 621.715.2
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ УПРОЧНЯЮЩИХ СЛОЕВ НА СТАЛЬНУЮ ПОДЛОЖКУ
В. А. Ерофеев, С.К. Захаров, О.В. Кузнецов
При изготовлении валков для станов горячей прокатки и штампов горячей штамповки различных типоразмеров их поверхность упрочняют дуговой наплавкой порошковой проволокой. Определение способа и режима наплавки выполнено на основе компьютерной модели формирования слоя. Режим наплавки первого слоя определялся по минимальному расплавлению подложки, а второго - по условию неполного проплав-ления первого слоя. Дуговую наплавку относительно толстого (3-6 мм) и широкого слоя целесообразно осуществлять плавящимся электродом ниточными проходами или широким слоем, получаемым при поперечных колебаниях наплавочной горелки. Дуговую наплавку относительно тонких (1-3 мм) слоёв можно выполнять только неплавящим-ся электродом с подачей присадочной порошковой проволоки в факел дуги.
Ключевые слова: технология наплавки, дуговая наплавка, упрочнение, режим наплавки.
При изготовлении валков для станов горячей прокатки и штампов горячей штамповки различных типоразмеров их поверхность упрочняют.
Нанесение упрочняющих слоёв, содержащих мелкодисперсные порошки карбида вольфрама, молибдена, тантала и хрома выполняют дуговой наплавкой с использованием порошковой проволокой, оболочка которой выполнена из стали, а сердечник представляет собой порошок твёрдых
132
