кандидат технических наук;
candidate of technical sciences;
кандидат технических наук;
candidate of technical sciences;
Современные технологии являются важнейшей составляющей любого государства. Благодаря прогрессивным технологиям сегодня возможно создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин, агрегатов и отдельных их составных частей используются новые наноматериалы и нанотехнологии, которые позволяют многократно и с высокой эффективностью снижать трения, защищать детали от повреждений, экономить энергию, повышать надежность деталей машин в целом. Практически в любом механизме существуют отдельные детали, которые фокусируют на себе основную нагрузку. В нашем исследовании такой деталью является цанга зажимная из стали 65Г. Применительно к ней и был предложен метод плазменного силицирования для упрочнения ее внутренней поверхности. Так как повышение именно этой характеристики позволит увеличить срок ее эксплуатации, а значит обеспечит более надежную работу как отдельного механизма, так и производства в целом. Что в конечном счете позволит предприятию стать экономически эффективным и конкурентоспособным. В работе исследовалась величина влияния внедрения атомов кремния в поверхностный слой детали на такие характеристики как износостойкость и долговечность. Исследования и последующая обработка результатов с помощью программного пакета для статистического анализа Statistica, показали увеличение прочностных характеристик в 2,6 раза.
Modern technologies are the most important component for any state. Today, advanced technologies allow to create any mechanisms at the level of atoms and molecules. For the production of machines, aggregates and their individual components, new nanomaterials and nanotechnologies are used, which reduce friction repeatedly and with high efficiency, protect parts from damage, save energy and increase the reliability of machine parts as a whole. Virtually in any mechanism, some parts focus on the main load. In this study, such a detail is the steel clamping collet 65G. A method of plasma siliconizing is proposed for hardening its inner surface. The raise of this characteristics will allow to increase its service life, and therefore will ensure more reliable operation of both a separate mechanism and production as a whole. This allows the enterprise to become cost-effective and competitive. In this paper, the magnitude of the effect of the silicon atoms introduction into the surface layer of a part on wear resistance and durability is investigated. Research and subsequent processing of the results using Statistica software for statistical analysis shows an increase in the strength characteristics by 2.6 times.
Многочисленные исследования показывают, что до 70–80 % отказов машин происходит по причине износа их отдельных поверхностей, деталей в составе механизма, что в последствии влечет ремонт машин и оборудования, ежегодное расходование средств, выпуск большого количества запасных частей и др. Так, например, в конструкции цангового зажимного механизма наиболее «слабым» звеном является сама цанга. Именно она имеет тенденцию изнашиваться быстрее, чем сам механизм, так как обычно изготавливается из более мягкого металла и принимает на себя наибольшую нагрузку в процессе эксплуатации. Таким образом, чтобы обеспечить длительную и бесперебойную работу целого механизма, необходимо обеспечить высокую износостойкость и надежность при производстве каждой его составляющей единицы. Это и будет являться залогом качества механизмов и машин [1-8].Развитие современных технологий нанесения защитных покрытий позволяет получать впечатляющие результаты по повышению износостойкости металла. Использование покрытий на основе различных соединений толщиной не более 2 мкм обеспечивает значительный запас выносливости металла, тем самым гарантирует функциональные свойства детали и обеспечивает высокий уровень сопротивления изнашиванию в определенных условиях трения. Одним из способов нанесения защитного покрытия является метод плазменного силицирования. В основе данной производственной технологии лежит процесс плазмохимического осаждения на поверхность изделия и внедрения в нее атомов (кластеров, наночастиц) кремния из газовой фазы с помощью ВЧИ-генератора (высокочастотный индукционный). Источником упрочняющего материала – кремния служит жидкое кремнийорганическое соединение ТЭОС – химическое соединение тетраэтоксисилан (C2H5O)4Si. Поток плазмы, несущий атомы кремния, на высокой скорости соударяется с поверхностью обрабатываемого изделия, в результате чего и происходит ее упрочнение. Основное назначение процесса силицирования – повышение износостойкости, защита от коррозии при воздействии агрессивных сред и повышение жаростойкости. Получаемое в процессе силицирования прозрачное диффузионное покрытие с повышенной адгезионной прочностью к подложке за счет проникновения кремния вглубь до 50 нм состоит из многослойного гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H), внешний слой которого функционализирован углеводородными соединениями, имеющими ковалентную связь с предшествующим слоем. Получаемое покрытие позволяет достичь высокой химической инертности поверхности по сравнению с аналогами и используется для обнаружения агрессивных веществ с повышенной точностью. Покрытие в основном является прозрачным и имеет толщину менее 2 мкм. Высокая скорость напыления частиц (800 – 1000 м/с и более) позволяют формировать покрытие преимущественно без его расплавления. Цель данного научного исследования заключается в том, чтобы, используя вышеизложенную методику применительно к цанге зажимной, увеличить износостойкость ее внутренней поверхности, а значит и срок службы в целом.В эксперименте были использованы стандартные цанги зажимные, изготовленные из стали марки 65 Г, обладающей достаточно высокими прочностными характеристиками. Однако в связи с повышенным износом внутренней поверхности лепестков цанги проблема выдержать требуемое количество эксплуатационных циклов (закреплений) сохранялась, что снижало эксплуатационный ресурс детали [9].За основу эксперимента были взяты параметры технологического процесса, использованные при проведении плазменного силицирования формообразующих поверхностей матриц [10]. Поверхность детали перед упрочняющей обработкой обезжиривалась ацетоном и при необходимости удалялась окисная пленка. В качестве плазмообразующего газа был использован аргон. Источником упрочняющего материала (кремния) служило жидкое кремнийорганическое соединение тетраэтоксисилан. Рабочая частота, создаваемая ВЧИ-генератором, составляла 1 МГц при потребляемой мощности в пределах 35...40 кВт. Скорость плазменного потока (ламинарный), имеющего температуру 8773 К, составляла 20...40 м/с. Диаметр пятна прижога в области контакта плазменной струи с поверхностью на расстоянии 45...60 мм от среза составлял около 60 мм. Смесь газа-носителя аргона с парами тетраэтоксисилана готовилась в герметически закрытой металлической термостатированной (∼363К) емкости, в которой находился жидкий тетраэтоксисилан и через которую с помощью заглубленной трубки барботировал аргон. Эта газообразная смесь подавалась в газооформитель плазмотрона и дальше в образующийся внутри него плазмоид, где и происходило разложение тетраэтоксисилана с выделением атомарного кремния. Поток плазмы, несущий атомы кремния, на высокой скорости соударялся с поверхностью обрабатываемого изделия, внедряя в нее наночастицы металла, что приводило к ее упрочнению. Экспериментальные образцы устанавливались в патрон токарного станка с ЧПУ, который совершает в автоматическом режиме вращательные движения с заданной скоростью (рис. 1.) Рис.1. Схема процесса плазменного силицирования При проведении эксперимента были выбраны несколько параметров варьирования процесса:S – (х1) скорость плазменного потока (ламинарный) составляла 20...40 м/с;T – (х2) время плазменного силицирования 30...60 с;N – (х3) количество полных оборотов патрона (проходов) 2...6.В ходе эксперимента было обработано 15 деталей (цанг), с различными параметрами техпроцесса.Затем методом вдавливания алмазной пирамиды определялся показатель их износостойкости, т.е. количество закреплений (рабочих циклов) n [11,12]. Результаты исследований сведены в таблицу 1. Таблица 1Параметры техпроцесса STNn120.00030.0004.0001800240.00030.0004.0002600320.00060.0004.0002700440,00060,0004.0003100520,00045.0002,0002550640,00045,0002,0002900720.00045.0006.0002600840.00045.0006.0002800930,00030.0002.00025001030.00060.0002.00027001130.00030.0006.00024001230.00060.0006.00028001330.00045.0004.00027001430.00045.0004.00026001530.00045.0004.0002650 Работоспособность цанги считается удовлетворительной, если она способна закрепить не менее 100 000 заготовок (n=100000 – при обычной термообработке поверхности). Для уменьшения трудоемкости эксперимента уменьшим показатель стандартного количества закреплений до n=1000. На основании полученных данных и располагая установочными характеристиками, применив программный пакет для статистического анализа Statistica и использовав в нем функцию полного факторного эксперимента (ПФЭ) была установлена зависимость износостойкости и факторов процесса плазменного силицирования (рис. 2-7) [13,14]. Рис. 2. Диаграмма ПаретоРис.3. Зависимость износостойкости (n) от количества полных оборотов (N) Рис.4. Зависимость износостойкости (n) от скорости плазменного силицирования (S)Рис.5. Зависимость износостойкости (n) от времени плазменного силицирования (T) Рис.6. Поверхность отклика Рис.7. Диаграмма разброса На основании анализа полученных результатов, можно сделать вывод о том, что на характер износостойкости внутренней поверхности лепестков цанги зажимной из выбранных факторов наибольшее влияние оказывают только два параметра: скорость плазменного потока (х1) и время плазменного силицирования (х2) (табл. 2, рис.6). Причем зависимость является линейной, т.е. при увеличении входных величин возрастает выходная величина – износостойкость (рис.4-5). По результатам ПФЭ было получено уравнение регрессии описывающее модель: n = 1233 + 21,9X1 + 16,7X2 Таблица 2Оценка эффективности факторов силицированияФакторЭффектСтанд.ошибкаt (8)P+95%+95%Коэф.Коэф.станд. ошибки95%95%Среднее/Свобод. член2620.83344.924758.338350.000002517 2372724 4302620 83344 924712517 2372724. 430S(L)437.500110 04263.975730.004086183 741691 259218.75055 0213091.871345.629S(Q)-6 25080.9892-0.077170.940383-193.011180.511-3.12540.49458-96 50690.256(2)T(L)500 000110.04264 543690.001890246 241753.759250 00055.02130123.121376.879T(Q)106 25080 98921.311900.225945•80.511293.01153.1254049458-40.256146.506(3)N(L)-12.500110.0426-0.113590.912360-266 259241.259-6.25055.02130-133.129120.629N(Q)-56 25080.9892-0.694540.507011-243.011130.511-28.12540.49458-121.50665.256 Таблица 3Результаты регрессионного анализаN=15b*Станд. ошибкаили b*bСтанд. ошибкаили bt(11)p-критерийСвобод. переменная 1232.917253.62294.8612200.000502S0 5809290.14189021.8755.34294.0942310.001777T0.6639180.14189016.6673.56194.679122,0.000673N-0.0165980.141890-3.12526.7144-0.1169780.908986 Благодаря полученной модели возможно регулирование технологического процесса плазменного силицирования и прогнозирование износостойкости детали (табл.3) [15]. Совокупность полученных в ходе эксперимента результатов, позволяет сделать вывод о том, что при обработке поверхности цанги зажимной методом плазменного силицирования срок ее службы увеличивается в среднем в 2,6 раза. Полученный результат позволяет утверждать об увеличении износостойкости детали в процессе эксплуатации, что в конечном итоге дает возможность сэкономить финансовые ресурсы, время на замену вышедших из строя деталей, уменьшить простои производства, а главное, повысить качество производимой продукции [16-20].