УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЛИТОЙ СТАЛИ КОМПЛЕКСНЫМ ДИФФУЗИОННЫМ НАСЫЩЕНИЕМ БОРОМ И ХРОМОМ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

УДК 621.785

УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЛИТОЙ СТАЛИ КОМПЛЕКСНЫМ ДИФФУЗИОННЫМ НАСЫЩЕНИЕМ

БОРОМ И ХРОМОМ

В.И. МОСОРОВ1, ст. преп., аспирант, А.М. ГУРЬЕВ2, доктор техн. наук, профессор, Б.Д. ЛЫГДЕНОВ1, доктор техн. наук, доцент, Д. С. ФИЛЬЧАКОВ1, ст. преп., аспирант, (1ВСГТУ, г. Улан-Удэ, 2АлтГТУ, г. Барнаул)

Статья поступила 31 марта 2011 г.

Мосоров В.И. - 610013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская 42, в, Восточно-Сибирский государственный технологический университет, e-mail: vlmosorov@yandex.ru

Приведены результаты оптимизации процесса борохромирования. Исследована микроструктура диффузионных бо-рохромированных слоев и их микротвердость.

Ключевые слова: борохромирование, восстановленный хром, математическое планирование, матрица планирования, микроструктура, микротвердость, литая сталь 25Л.

ВВЕДЕНИЕ

Химико-термическая обработка (ХТО) является одним из эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения надежности и долговечности ответственных деталей машин, инструмента и технологической оснастки. В настоящее время химико-термическая обработка имеется на любом машиностроительном предприятии, тем не менее можно утверждать, что она делает лишь свои первые шаги, а ее возможности практически не ограничены [1]. Наиболее перспективным методом ХТО можно считать многокомпонентное насыщение.

В настоящей работе рассматривается процесс борохромирования - насыщение углеродистой литой стали бором и хромом. Цель борохромирова-ния - улучшение физико-химических характеристик боридных слоев, обладающих высокой хрупкостью, недостаточной коррозионной стойкостью и жаростойкостью [2, 3].

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ

В качестве материала для исследований использовали литую углеродистую сталь 25 Л. В основу состава насыщающей смеси для поверхностного упрочнения стальных деталей был принят карбид бора (В4С) как

поставщик атомов бора. Следующим компонентом, входящим в состав насыщающей смеси, взят восстановленный хром (Сг), являющийся поставщиком атомов хрома. Для активизации процесса насыщения использовался тетрафторборат калия (КББ4).

При оптимизации процесса борохромирования решается многофакторная задача по поиску оптимальных условий проведения процесса с составлением математической модели изучаемого процесса. В результате анализа априорной информации были выделены следующие факторы, влияющие на структурно-механические показатели борохромиро-ванных слоев стали 25 Л:

• время выдержки процесса;

• температура;

• состав насыщающей смеси: 27 % В4С + 40 % Сг + 30 % АШ, + 3 % КББЛ.

восст 2 3 4

Области определения указанных факторов были выделены на основании предварительных исследований, при этом для такого фактора, как состав насыщающей смеси, варьирование значений сводится к изменению процентного соотношения компонентов. В составе насыщающей смеси используется восстановленный хром. Восстановление проводили при температуре 1000 °С (рис. 1) в среде следующего состава:

30 % АЮ3+68 % (75 % Сг203 + 25 % А1) + 2 % Щ,С1.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Т а б л и ц а 1 Факторы и уровни их варьирования

Рис. 1. Процесс восстановления хрома при температуре 1000 °С

В табл. 1 приведены значения уровней и интервалов варьирования исследуемых факторов.

Процесс борохромирования проводили одновременным диффузионным насыщением стали 25Л атомами бора и хрома образцов, изготовленных в форме параллелепипеда длиной 20 мм, шириной 10 мм и высотой 5 мм из отливок. Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе Мео/о/-21, а для определения механических свойств диффузионных слоев использовали микротвердомер ПМТ-3.

Рассматривался полный факторный эксперимент (ПФЭ) типа 2 , где число факторов к = 3, число уровней р = 2. Для расчета коэффициентов достаточно провести N = 8 опытов, число повторных экспериментов п = 5. В табл. 2 приведены матрица планирования, рабочая матрица и параметр оптимизации У - толщина боридного слоя. Статистическая обработка результатов измерений параметров оптимизации включает определение ошибки эксперимента (ошибка воспроизводимости), ошибки опытов и наблюдений (измерений) [4]. При определении ошибок наблюдений принимается во внимание число повторных измерений и: выявление ошибок опытов связано с учетом числа повторений опытов-наблюдений п, а при оценке ошибок всего эксперимента необходи-

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

-1 0 +1

Х1 - время выдержки процесса, ч 2 3 4 1

Х2 - температура обработки, °С 950 1000 1050 50

Х3 - состав насыщающей смеси, % 27/40/30/3 32/35/30/3 37/30/30/3 5/5/0/0

мо знание числа опытов N. При определении ошибок опытов оценивают дисперсии опытов, а в случае установления ошибки эксперимента учитывают величину дисперсии воспроизводимости.

При оценке дисперсии воспроизводимости применяется формула, вид которой зависит от условий проведения отдельных опытов (условий дублирования опытов). В случае однородности дисперсий ошибок отдельных опытов и их равномерного дублирования дисперсия воспроизводимости рассчитывается по формуле

N п

Л{у} -

УУ(ущ - Уп)

/ . / . к 1 1

(1)

N (п -1)

Определенная по формуле (1) дисперсия воспроизво-

у

димости составила Л1^} - 1,13.

Далее по результатам эксперимента проводится расчет коэффициентов регрессии и составление математической модели. Уравнение математической модели ПФЭ при трех факторах и двух уровнях варьирования имеет вид

у = Ь0 + Ь1х1 + ЬХ + Ь3Х3 + Ь12Х1Х2 + Ь13Х1Х3 + Ь23Х2Х3 + Ь123 Х1Х2Х3 .

(2)

Т а б л и ц а 2

Матрица планирования, рабочая матрица и результаты опытов

+

Матрица планирования Рабочая матрица Толщина

Номер опыта Х0 Х1 Х2 Х3 Х1 Х2 Х1 Х3 Х2 Х3 Х1 Х2Х3 Время насыщения, ч Температура обработки, °С Количество смеси, % борохроми-рованного слоя У, мкм

1 + + + + + + + + 4 1050 37/30/30/3 180,00

2 + - + + - - + - 2 1050 37/30/30/3 179,70

3 + + - + - - - - 4 950 37/30/30/3 180,00

4 + - - + + + - + 2 950 37/30/30/3 180,00

5 + + + - + + - - 4 1050 27/40/30/3 173,40

6 + - + - - - - + 2 1050 27/40/30/3 186,00

7 + + - - - - + + 4 950 27/40/30/3 186,00

8 + - - - + + + - 2 950 27/40/30/3 173,40

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Т а б л и ц а 3

Расчеты коэффициентов регрессии

К b1 Ь2 b3 Ь12 Ь13 b23 b123

Y 179,81250 -3,11250 —0,03750 0,11250 0,03750 3,18750 —0,03750 0,03750

Коэффициенты регрессии определяются по формулам:

8

IУ

; (3)

¿с = 1

N

N _

I ХшУы

b = J-;

iN

N _

I ХцыУы

bj = 1

(4)

(5)

Дисперсия адекватности рассчитывается по формуле

S 2 IAY

=

2

f

(7)

у N

Расчеты коэффициентов регрессии представлены в табл. 3.

Проверка адекватности математической модели

проведена по критерию Фишера

р _ . (6)

ррасч 2

Б{ У}

где / = N -(к + 1) = 8 - 4 = 4 - число степеней свободы. Расчет дисперсии адекватности приведен в табл. 4.

Определенная по формуле (7) дисперсия адекватности составила Бд = 2,37. Результаты расчетов проверки модели на адекватность приведены в табл. 5.

Таким образом, на основе проведенных исследований получена математическая зависимость толщины боридного слоя от времени выдержки, состава насыщающей смеси и температуры процесса борохромирования. Оптимальные режимы процесса борохромирования получены в опытах 6 и 7 (см. табл. 2).

Т а б л и ц а 4

Дисперсия адекватности

№ п/п Толщина Y, мкм ДY ДY2

Экспериментальное значение Расчетно-теоретическое значение

1 180,00 181,0875 —1,0875 1,182656

2 179,70 180,8625 —1,1625 1,351406

3 180,00 181,0875 —1,0875 1,182656

4 180,00 181,0125 —1,0125 1,025156

5 173,40 174,4125 —1,0125 1,025156

6 186,00 187,0875 —1,0875 1,182656

7 186,00 187,0875 —1,0875 1,182656

8 173,40 174,5625 —1,1625 1,351406

Т а б л и ц а 5 Расчет проверки адекватности модели

Параметры Y

м 1,13

S2 2,37

ад

F 2,09

расч

Fтабл 6,39

Вывод F-ч ^ -^абл , модель адекватна

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

В поперечном сечении стальных образцов после изотермического одновременного насыщения бором и хромом при изучении микроструктуры наблюдается слой толщиной до 180 мкм (рис. 2). Микротвердость борохромированного слоя достигает 27 000 МПа. При одновременном насыщении бором и хромом получили диффузионные слои на основе боридов железа (БеСг)2В, (БеСг) В.

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 2. Микроструктура стали 25Л (*200) после борохромирования

Рис. 3. Зависимость микротвердости стали 25Л от глубины слоя борохромирования

ВЫВОДЫ

Проведена оптимизация процесса борохромирования с описанием математической модели полнофакторного эксперимента типа 23, где число факторов к = 3, число уровней р = 2, приведением матрицы планирования, рабочей матрицы и параметра оптимизации У - толщины боридного слоя. Получен диффузионный слой глубиной 180 мкм, состоящий из боридов железа (Бе Сг)2В, (Бе Сг)В.

Список литературы

1. Ворошнин Л.Г. Теория и технология химико-термической обработки металлов / Л.Г. Ворошнин, О.Л. Менделеева. - Минск: БНТУ 2004. - 168 с.

2. ЛаХтин Ю.М. Химико-термическая обработка металлов / Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов. - М.: Металлургия, 1985. - 256 с.

3. Ворошнин Л.Г. Многокомпонентные диффузионные покрытия. - Минск: Наука и техника, 1981. - 296 с.

4. Новик Ф. С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении. - М.: МИСиС, 1971. -228 с.

Surface hardening of cast steel complex diffusion saturation with bore and chrome

V.I. Mosorov, A.M. Guriev, B.D. Lygdenov, D.S. Filchakov

This paper presents the results of the optimization process boron-chrome plating. The microstructure of the diffusion borohromizing layers and their micro hardness are researched.

Key words: borohromizing, recovered chrome, mathematical planning, planning matrix, microstructure, micro hardness, cast steel 25L.