WEB-ресурс научно-практических конференций

К.т.н. Рудик О.Ю.

Хмельницький національний університет, Україна

ЗАСТОСУВАННЯ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ ПОКРАЩЕННЯ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

Покращити фізико-механічні властивості деталей можна різними способами, в тому числі й хіміко-термічною обробкою. Порівнювали два види азотування – в шахтній електричній печі у середовищі аміаку та іонне азотування (ІА) в азотоаргонній суміші, яке характеризується відсутністю забруднення навколишнього середовища та підвищенням культури виробництва. Так як довговічність деталей визначається величиною, характером розподілу та зоною дії залишкових напружень ( ЗН ), досліджували їх зміну в залежності від параметрів азотування різними способами.

Визначаються ЗН в основному, двома методами: шляхом вимірювання товщини зразка після послідовного зняття шарів в зоні з залишковими внутрішніми напруженнями; рентгеноструктурним методом sin2 y . Обидва методи характеризуються значним відсотком похибок, але найбільше розповсюдження отримав механічний метод М.М. Давиденкова , основний принцип визначення ЗН за яким полягає у тому, що розтин та оголення поверхні еквівалентні прикладенню напружень зворотного знаку. При зрізі деяких частин тіла в залишеній частині виникають деформації. Задача полягає у тому, щоб за відомими значеннями деформацій визначити напруження на поверхні зрізу, які їх викликали. При цьому приймається, що деформації залишеної частини тіла не залежать від порядку проведення зрізів, які повинні виконуватись таким чином, щоб не могли виникнути додаткові напруження від самого процесу зрізу.

Тому вибрали метод пошарового зняття металу за допомогою електролітичного травлення, що забезпечує гладкішу поверхню, ніж звичайне травлення. Механічні методи пошарного зняття матеріалу, наприклад, шліфування та ін., непридатні для визначення ЗН , тому що після них виникають свої ЗН , які накладаються на ЗН від зміцнення. Крім цього , в процесі зняття шарів досліджуваний зразок деформується (згинається), внаслідок чого шліфування тонкого шару металу однакової товщини по всій поверхні – досить важка задача.

Використовували самописець БВ -662 з індуктивним датчиком, який дозволяє автоматично записувати стрілу прогину зразка в процесі його травлення. При кінцевій механічній обробці зразки поліпшеної сталі 45Х шліфувались при легких режимах та достатньому охолодженні, а потім підлягали іонному азотуванню.

Зразок (пластинка розміром 2,5х10х100 мм) захищався з трьох сторін розплавленою сумішшю парафіну та каніфолі. Кінцевик індуктивного датчика впирався на корундову пластинку, яка в розчині електроліту не травиться. Електроліт (розчин азотної та плавикової кислот у воді) забезпечував швидкість травлення в інтервалі 3...5 мкм/хв.

При розрахунку ЗН записана в процесі травлення зразка крива розбивалась на інтервали, рівні 10 мм на найбільш активних ділянках зміни кривої деформації і 20 мм – на менш активних ділянках. У точці кривої зміни стріли прогину розраховувались ЗН , знак яких визначався знаком тангенса кута нахилу дотичної у цій точці перерізу.

Розрахунок ЗН проводили за формулою:

                                                           (1)

де E – модуль пружності досліджуваного шару, Па;

а – товщина зразка, мм;

b – ширша зразка, мм;

dx / da – швидкість зміни деформації, яка визначається за кривою стріли прогину зразка.

На ділянках інтенсивної зміни та в точках перегину кривої стріли прогину розрахунок ЗН проводили з урахуванням модуля пружності матеріалу залишеної частини зразка:

                (2)

де E _о – модуль пружності матеріалу основи зразка (для сталі 45Х E _о = 21,09 ? 1010 Па);

Е _n – модуль пружності матеріалу покриття;

h _n – товщина покриття, мм;

u – половина товщини стравленого шару, мм.

Е _п = kE _о ,                                                     (3)

де   п ри

t ₁ – товщина покриття ,

t ₂ – загальна товщина зразка, мм.

Результати досліджень вказують, що в сталі 45Х після іонного азотування виникають ЗН стиску, величина яких на поверхні змінюється від 240 до 490 МПа і зменшується за глибиною азотованого шару, наближуючись до нульового значення.

Поверхневі ЗН ростуть із збільшенням тривалості азотування, але після 4 год. усталюються на рівні 480…500 МПа . Тому подальші дослідження впливу параметрів ІА на розподіл ЗН у зміцненому шарі проводились при чотиригодинній тривалості процесу.

На величину ЗН суттєвий вплив має температура ІА, зниження якої з 600 до 520°С (у середовищі азоту) веде до підвищення максимальних напружень з 240 до 400 МПа .

Великий вплив на величину ЗН має склад насичуючої атмосфери. Додання в азотну плазму аргону до певної межі інтенсифікує процес дифузійного насичення і збільшує ЗН , максимум яких (490 МПа ) отримано в атмосфері 75% об. азоту і 25% об. аргону. При подальшому збільшенні відсоткового вмісту аргону величина ЗН зменшується. Отже, їх залежність від складу насичуючої атмосфери має екстремальний характер.

Аналогічні результати отримані при дослідженні впливу залежності тиску насичуючої атмосфери на ЗН . Максимальні ЗН визначені при тиску 265 Па.

Таким чином, зміною технологічних режимів ІА можна ефективно впливати на величину та характер розподілу ЗН по перерізу деталей. Але ці параметри зміцненого шару не регламентуються ні ДЕСТ , ні ТУ на виготовлення або відновлення деталі. Відштовхуючись від умов експлуатації технологічного обладнання можна підібрати або відрегулювати ЗН так, щоб отримати найоптимальніші умови роботи їх деталей. Тому дослідження ЗН при ІА відкриває перспективи такого їх використання, щоб формувати в поверхневих шарах деталей оптимальні наперед задані епюри ЗН .

З цією метою проводилась оптимізація ЗН азотованої сталі 45Х. Змінними параметрами при факторному аналізі вибрали: температуру азотування ( T ), вміст азоту ( N ₂ ) і тиск насичуючої плазми ( P ). Рандомізація дослідів проводилась за допомогою таблиці випадкових чисел. Після реалізації повного факторного експерименту отримали рівняння регресії

Y = 418,125 – 28,625 T + 6,І25 N ₂ + 2,І25 P,                       (4)

аналіз якого дозволяє оцінити вплив технологічних факторів на ЗН в азотованій деталі: температура ІА має найбільший вплив на їх величину – із збільшенням якої ЗН зменшуються. Підвищення азотного потенціалу насичуючої плазми (збільшення вмісту азоту в атмосфері та її тиску) викликає зростання ЗН стиску.

Таким чином, при чотиригодинній тривалості процесу і температурі 560°С максимальні ЗН отримали:

- при ІА – 490 МПа (75% об. азоту і 25% об. аргону, тиск 265 Па);

- при азотуванні в шахтній електричній печі – 310 МПа (аміак).

Крім цього, порівняно з газовим азотуванням в печах при ІА скорочуються витрати робочих газів до 100, а електроенергії до 3 разів з повною відповідністю технології всім сучасним вимогам з охорони довкілля.