ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПЛАЗМЕННОГО СИЛИЦИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
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.

Ключевые слова:
нанотехнологии, цанговый зажим, износостойкость, плазменное силицирование.
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать

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 1

Параметры техпроцесса

 

S

T

N

n

1

20.000

30.000

4.000

1800

2

40.000

30.000

4.000

2600

3

20.000

60.000

4.000

2700

4

40,000

60,000

4.000

3100

5

20,000

45.000

2,000

2550

6

40,000

45,000

2,000

2900

7

20.000

45.000

6.000

2600

8

40.000

45.000

6.000

2800

9

30,000

30.000

2.000

2500

10

30.000

60.000

2.000

2700

11

30.000

30.000

6.000

2400

12

30.000

60.000

6.000

2800

13

30.000

45.000

4.000

2700

14

30.000

45.000

4.000

2600

15

30.000

45.000

4.000

2650

 

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 Парето

Рис.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 2

Оценка эффективности факторов силицирования

Фактор

Эффект

Станд.

ошибка

t (8)

P

+95%

+95%

Коэф.

Коэф.

станд. ошибки

95%

95%

Среднее/

Свобод. член

2620.833

44.9247

58.33835

0.00000

2517 237

2724 430

2620 833

44 92471

2517 237

2724. 430

S(L)

437.500

110 0426

3.97573

0.004086

183 741

691 259

218.750

55 02130

91.871

345.629

S(Q)

-6 250

80.9892

-0.07717

0.940383

-193.011

180.511

-3.125

40.49458

-96 506

90.256

(2)T(L)

500 000

110.0426

4 54369

0.001890

246 241

753.759

250 000

55.02130

123.121

376.879

T(Q)

106 250

80 9892

1.31190

0.225945

•80.511

293.011

53.125

4049458

-40.256

146.506

(3)N(L)

-12.500

110.0426

-0.11359

0.912360

-266 259

241.259

-6.250

55.02130

-133.129

120.629

N(Q)

-56 250

80.9892

-0.69454

0.507011

-243.011

130.511

-28.125

40.49458

-121.506

65.256

 

Таблица 3

Результаты регрессионного анализа

N=15

b*

Станд. ошибка

или b*

b

Станд. ошибка

или b

t(11)

p-критерий

Свобод. переменная

 

 

1232.917

253.6229

4.861220

0.000502

S

0 580929

0.141890

21.875

5.3429

4.094231

0.001777

T

0.663918

0.141890

16.667

3.5619

4.679122,

0.000673

N

-0.016598

0.141890

-3.125

26.7144

-0.116978

0.908986

 

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].

Список литературы

1. Гурьев А.М., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Черных Е.В., Иванова Т.Г. Химико-термическая обработка материалов для режущего инструмента // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. № 8 (58). С. 578-582

2. Богодухов С.И. Технологические процессы машиностроительного и ремонтного производства. Старый Оскол: ТНТ, 2015. 464 с.

3. Ильященко Д.П. Исследование химического состава и микроструктуры сварных соединений из стали 12Х18Н10Т, выполненных по различным технологическим схемам // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 2. С. 73-76.

4. Крушенко Г.Г., Решетникова С.Н. Применение и перспективы развития нанотехнологий//Вестник СибГАУ. 2007. Вып. 3. С. 103-106.

5. Крушенко Г.Г., Москвичев В.В., Буров А.В. Повышение износостойкости чеканочного инструмента плазменным силицированием. Технология машиностроения. 2004. № 5. С. 27-28.

6. Biswajit Das, Susmita Roy, Rai R.N., Saha S.C. Studies on Effect of Cutting Parameters on Surface Roughness of Al-Cu-TiC MMCs: An Artificial Neural Network App roach // Procedia Computer Science. 2015. Vol. 45. Pp. 745-752.

7. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки.М.: Машиностроение, 1981. 279 c.

8. Gök K., Gök A., Bilgin M.B. Finite Element Modeling as Three Dimensional of Effect of Cutting Speed in Turning Process // Journal of Engineering and Fundamentals. 2014. №1 (1). Pp. 11-22.

9. Справочник конструктора-инструментальщика: Под общ. ред. В.И. Баранчикова. М.: Машиностроение, 1994. 560с.

10. Крушенко Г.Г., Решетникова С.Н. Применение нанотехнологий для повышения физико-механических характеристик поверхности металлоизделий // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2008. Выпуск 3(20). С. 113-117.

11. Романцов Р.С., Чернышева Е.В. Сущность метода вдавливания алмазной пирамиды при исследовании характера износа губок цанги зажимной // В сборнике: Наука молодых - будущее России сборник научных статей 3-й Международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых: в 6 т. 2018. С. 257-261

12. Чернышева Е.В., Серых И.Р. Основы научных исследований, планирование и организация эксперимента: учебное пособие. Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. 103 с.

13. Справочник технолога-машиностроителя: в 2-х т. Т.2. Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. 5-е изд., исправл. М.: Машиностроение. 2003. № 1. 944 с.

14. Дальский А.М. Цанговые зажимные механизмы. Изд-во М. Машиностроение, 1966. 350 c.

15. Чернышёва Е.В., Тищенко А.В. Управление качеством как фактор успеха предприятия в конкурентной борьбе // Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации: сб. докл. VI межд. научн.пр. интернет-конференции. 2016. с. 184-188.

16. Svyazhin A.G., Siwka J., Kaputkina L.M. High-nitrogen steels - The current state and development trends // Proceed. Int. Conf. Advanced Steels. - China, Beijing. Metallurgical Industry Press. 2010. Pp. 352-356.

17. Mareš M., Horejš O. Modelling of Cutting Process Impact on Machine Tool Thermal Be-haviour Based on Experimental Data // Procedia CIRP. 2017. Vol. 58. Pp. 152-157.

18. Development of a Method for Calculating the Thickness of Thermal-Spray Aluminum Coating Used to Protect Low-Alloy Steel During Heating for Rolling. A. G. Radyuk, A. A. Gerasimova // Metallurgist, Vol. 62, No. 1-2, May, 2018 (Russian Original No.1-2, 2018) P. 176-180.

19. Статинов В.В., Серых И.Р., Чернышева Е.В., Дегтярь А.Н. Риск-ориентированный подход в области промышленной безопасности // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. №12. С. 6-12.

20. Чернышева Е.В., Серых И.Р., Статинов В.В., Чернышева А.С. Актуальные проблемы промышленной безопасности // Zbornik radova: visoka tehnička škola strukovnih studija. Niš. Serbia. 2016. С. 164-165.


Войти или Создать
* Забыли пароль?