автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Оптимизация технологического процесса вакуумной цементации сталей для буровых долот

На правах рукописи

ГОЛОВСКОЙ АЛЕКСЕЙ ЛЬВОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЕЙ ДЛЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение) Специальность 05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара-2006

Работа выполнена на кафедре "Материаловедение и технология материалов" Самарского государственного технического университета

Научные руководители: профессор, доктор технических наук Муратов Владимир Сергеевич доктор технических наук Лившиц Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: профессор, доктор физ.-мат. наук

Выбойщик Михаил Александрович профессор, доктор технических наук Данилушкин Александр Иванович

Ведущая организация: ОАО «Черметавтоматика», г. Москва

Защита состоится "25" октября 2006 г. в 14.00 в б корпусе, ауд. №28 на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 в Самарском государственном техническом университете по адресу: 443010 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 133.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.02

Автореферат разослан "ТО 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.02 д.т.н.

А. Ф. Денисенко

i. общая характеристика работы

Актуальность темы. Повышение эффективности производства и качества выпускаемой продукции в долотной промышленности требует полного использования возможностей, заложенных в технологиях обработки конструкционных материалов, из которых изготовляются буровые долота.

Проблема повышения эксплуатационной надежности буровых долот является комплексной и предполагает привлечение современных методов химико-термичсской обработки. Важнейшей частью этой проблемы является улучшение свойств материала поверхностного слоя деталей, в частности за счет цементации.

Свойства цементованного слоя и определяемый ими ресурс работы долота в значительной степени зависят от профиля распределения углерода по толщине слоя. Современные конкурентные отношения в промышленности и требования международного стандарта качества ИСО 9000 диктуют необходимость создания автоматизированного и легко перестраиваемого оборудования для цементации буровых долот с целью получения регулируемого профиля распределения углерода по толщине цементованного слоя детали. В этой ситуации актуальными являются задачи автоматизации процесса цементации и разработки оптимальных технологических режимов процесса. Опыт эксплуатации цементационных печей показал, что одним из перспективных с точки зрения производительности, качества и повторяемости результатов является автоматизированный процесс вакуумной цементации в атмосфере ацетилена.

Цель работы. Разработка и реализация на автоматизированном оборудовании технологических режимов вакуумной цементации долотных сталей, обеспечивающих улучшение свойств поверхностного слоя шарошки бурового долота и рост производительности оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить основные технологические параметры процесса вакуумной цементации, определяющие качество цементованного слоя;

- разработать проблемно-ориентированную математическую модель вакуумной цементации в атмосфере ацетилена;

- отработать методику экспериментального определения переменных во времени коэффициентов массопереноса, углеродного потенциала атмосферы, а также коэффициентов диффузии углерода в долотных сталях для различных режимов вакуумной цементации;

- идентифицировать параметры (углеродный потенциал атмосферы печи, коэффициенты диффузии и массопереноса) разработанной проблемно-ориентированной математической модели по экспериментальным концентрационным профилям углерода;

- установить закономерности влияния на коэффициенты диффузии и массопереноса химического состава долотных сталей и параметров процесса вакуумной цементации — расхода ацетилена, температуры в печи;

- определить оптимальные по точности получения требуемого профиля концентрации углерода и производительности установки алгоритмы управления процессом вакуумной цементации в условиях технологических ограничений;

- реализовать разработанные оптимальные алгоритмы на автоматизированной печи для вакуумной цементации, обеспечивающие улучшение качества деталей буровых долот и повышение производительности печи;

- провести исследование концентрационного профиля и свойств цементованного слоя, полученного на долотных сталях с использованием разработанных оптимальных режимов;

- провести сравнительный анализ структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами традиционной газовой, неоптимальной вакуумной и оптимальной вакуумной цементации для выявления закономерностей формирования структуры и свойств цементованного слоя и сердцевины.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы металлографического и рентгеноспектрального анализа, метод инфракрасно-абсорбционного определения углерода, метод фольговых проб, методы измерения механических свойств и твердости, аналитические методы решения задач математической физики, методы теории оптпмалыюго управления системами с распределенными параметрами, методы идентификации и методы статистической обработки результатов эксперимента.

Научная новизна. Разработана проблемно-ориентированная на использование в оптимизационных процедурах математическая модель вакуумной цементации с различными коэффициентами массопереноса, зависящими от вида режимов.

Решены краевые задачи оптимального управления процессом вакуумной цементации в атмосфере ацетилена долотных сталей как объектом с распределенными и переменными параметрами по критериям максимальной производительности печи и максимальной абсолютной точности распределения концентрации углерода по толщине цементованного слоя детали в условиях ограничений параметров процесса цементации.

Выявлены и проанализированы закономерности влияния вакуумной цементации на распределение химических элементов от поверхности вглубь детали и по сечению зерен, находящихся в сердцевине деталей долот.

На основании сравнительного анализа структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами традиционной газовой, нсоптимальной и оптимальной вакуумной цементации, выявлены закономерности формирования структуры и свойств цементованного слоя. Научные положения, выносимые на защиту:

- проблемно-ориентированная на использование в оптимизационных процедурах математическая модель вакуумной цементации с различными коэффициентами массопереноса, зависящими от вида режимов;

- технологические режимы на основе алгоритмов оптимального управления процессом вакуумной цементации долотных сталей в атмосфере ацетилена как объектом с распределенными и переменными параметрами, по критериям максимальной производительности печи и максимальной абсолютной точности распределения концентрации углерода по толщине цементованного слоя детали в условиях ограничений параметров процесса цементации;

- закономерности влияния химического состава долотных сталей и параметров процесса вакуумной цементации — расхода ацетилена и температуры в печи на коэффициенты математической модели;

- закономерности влияния вакуумной цементации на распределение химических элементов от поверхности вглубь детали и по сечению зерен, находящихся в сердцевине шарошек буровых долот;

- сравнительный анализ структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами традиционной газовой, неоптимальной вакуумной и оптимальной вакуумной цементации.

Практическая значимость. Практическая значимость полученных результатов заключается в разработанных алгоритмах вакуумной цементации долотных сталей, оптимальных по быстродействию и по абсолютному отклонению полученного профиля углерода от требуемого.

Выявленные закономерности влияния химического состава долотных сталей и параметров процесса вакуумной цементации - расхода ацетилена и температуры в печи на коэффициенты математической модели — позволят избежать трудоемких экспериментов при идентификации процессов вакуумной цементации с различными температурами и расходами.

Проведение сравнительного анализа структуры и свойств долотных

сталей, обработанных методами вакуумной и традиционной газовой цементации, позволило выявить преимущества процесса вакуумной цементации и рекомендовать его для изготовления долот улучшенного качества.

Разработанные алгоритмы внедрены в производство в качестве технологических режимов цементации и обеспечивают повышение производительности вакуумных печей на 13% при высоком уровне качества шарошек буровых долот.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на международных, российских и университетских конференциях: на международной молодежной научной конференции "XXVIII Гагаринские чтения" (Москва, 2002), 5-й международной конференции "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" (Самара, 2003), 2-й международной научно-практической конференции "Материалы в автомобилестроении" (Тольятти, 2003), 5-й Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 2002), всероссийской научно-технической конференции "Высокие технологии в машиностроении " (Самара, 2004-2005).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 11 научных публикациях в журналах и материалах научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 130 наименований и приложений. Работа изложена на 149 страницах и содержит 46 рисунков и 16 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность зав. кафедрой "Материаловедение и порошковая металлургия" д.ф-м.н., проф. Амосову А. П. и к.т.н., доценту Пугачевой Т. М. за поддержку в форме советов и рекомендаций по проведению исследований и постановке экспериментов, а также руководству ОАО "Волгабурмаш" за содействие в проведении экспериментов на современном оборудовании.

ii. основное содержание работы

Во введении содержится обоснование актуальности темы диссертации, изложены основные положения, выносимые на защиту, показана научная и практическая ценность результатов работы.

В первом разделе содержится анализ опубликованных отечественных и зарубежных исследований, посвященных современному состоянию и определению перспективных направлений цементации сталей, а также анализ ма-

тематических моделей цементации.

Установлено, что свойства цементованного слоя в значительной степени зависят от профиля распределения концентрации углерода по толщине слоя. Распределение углерода по толщине слоя характеризуется концентрацией углерода на поверхности с„ов = с(х)\х^, падением содержания углерода Ас, = сте-с(х3/3) на расстоянии.* = хг/3 и наличием обезуглероженного участка на поверхности изделия. Здесь х3 - глубина цементованного слоя с концентрацией углерода, равной 0,35%. Оптимальное содержание углерода на поверхности, при котором обеспечивается максимальное сопротивление хрупкому разрушению, составляет спое =0,6-0,8%. Толщина слоя х = х,/3, где имеет место незначительное падение содержания углерода («горизонтальная площадка»), определяется падением концентрации углерода Ас, < (а /100)- с„„„. Допустимое значение коэффициента а для шарошек буровых долот лежит в пределах а-5-10% .

Установлена взаимосвязь между причинами отказа, долговечностью долот и профилем распределения концентрации углерода в слое для различных способов цементации. Поэтому если способ цементации и используемое оборудование позволяют получать регулируемый профиль распределения углерода в слое, то целесообразно поставить задачу разработки таких технологических режимов процесса, при которых будет получен требуемый профиль распределения углерода за минимально возможное время.

С позиций теории управления задача оптимизации распадается на две:

- задача повышения производительности печей при заданном качестве;

- задача достижения предельно высокого уровня качественных показателей.

Установлено, что механизмы взаимодействия различных факторов при вакуумной цементации в атмосфере ацетилена сложны и по-разному трактуются в современной литературе. Поэтому становится очевидной необходимость разработки математической модели вакуумной цементации, проводимой в атмосфере ацетилена, а также проведение идентификации этой модели с целью ее использования в оптимизационной процедуре.

Во втором разделе приведены методики исследования влияния процесса вакуумной цементации на свойства шарошек буровых долот. Для исследований использованы серийные плавки долотных сталей 14ХНЗМА и 15НЗМА. После проведения химико-термической обработки произведен анализ свойств и микроструктуры этих сталей. Измерения предела прочности на разрыв ав, предела текучести аи2, относительного удлинения § и относитель-

ного сужения У проведены на разрывной машине для статических испытаний Р100 по ГОСТ 1497-84. Испытания на ударную вязкость осуществлены на образцах длиной 60 мм, толщиной и шириной по 10 мм с видом концентратора U с радиусом R - I мм согласно ГОСТ 9454-78. Испытания на твердость проведены с помощью прибора для измерения твердости металлов и сплавов по методу Роквслла модели ТК-14-250 по ГОСТ 9013-59. Испытания на микротвердость проведены с помощью прибора для измерения микротвердости Lcitz Wetzlar по ГОСТ 9450-76. Измерения произведены путем вдавливания алмазной четырехгранной пирамидки Кнуппа с ромбическим основанием под нагрузкой от 0,010 до 0,050 кгс. Для исследования микроструктуры использованы микроскопы Olympus РМЕЗ, МПМ-2ФЦ и ММИ-200.

Количественный анализ произведен с помощью точечного метода А, А. Глаголева в 20-и полях зрения.

Рентгеноспектральный анализ распределения элементов по сечению зерна и от поверхности вглубь образца проведены с помощью рентгеновского микроанализатора Supcrprobe 733.

Применив в исследованиях вышеперечисленные методики, выявлено влияние вакуумной цементации на структуру и свойства цементованного слоя и сердцевины деталей долот. Сравнение структуры и свойств приведено на рисунках 2 13 и в таблицах 1^-3.

В третьем разделе разработана структура математической модели вакуумной цементации в атмосфере ацетилена.

В условиях существенно малой глубины цементованного слоя по сравнению с толщиной детали математическое описание диффузии углерода в стали, основанное на законах Фика, принимает форму дифференциального уравнения диффузии:

дс(.х,тудт = 0д2с(х,г)/ех2,х^(0,со),те(0,х). (1)

Физику переноса углерода из атмосферы на поверхность детали наиболее адекватно отражают граничные условия третьего рода:

-D-dc(x,T)/dx\xj, = ß(ry(ca(r)-c(x,T)\x^), ге(0,«>), (2)

а в глубине детали действуют адиабатические условия второго рода: те (О,*). (3)

Начальное распределение концентрации углерода принимается постоянным: с(х,0) ~с0 = const, т = 0, (4)

cemílIZcjT)ZO, (5)

с'^>с(г). (6)

Здесь Р[г) — переменный коэффициент массопереноса; с0{т) - углеродный потенциал атмосферы; О - коэффициент диффузии; г - время, х — толщина детали; с атах - предельно допустимый уровень углеродного потенциала атмосферы по технологическим возможностям печи и сажеобразования; с'^ - предельно допустимый по содержанию карбидов уровень концентрации углерода в детали, определяемый охрупчиванием цементованного слоя; с(т) - концентрация углерода в цементованном слое.

Для частного технологически обоснованного случая: ¡,тм), при 1=0,2,4...

Са(т) =

Р(Т) =

0,Te(Ti,TM) при ¿ = 7Д5... Р,,те(т,,т,+1 ), при i = 0,2,4...

P2,Te( TisrM ), при i = 1,3,5...

(7)

(8)

Следовательно, решение задачи для случая, когда управляющая величина представляет собой c„(r) = свта -1(т) функцию Хевисайда, имеет вид:

с{х,т) = с0+{са{т)-с0)-{ег/с{х/{2-4о^)}- (9)

-ехр{р(т)/d-х+ p(zf ■ t/d)-erfc(x/(2■-Jd-t)+ /?(г)-Vr/VZ>)} где т- время, erfc x~l-erf х, erf х - интеграл вероятностей.

Чтобы учесть начальное распределение углерода перед каждым последующим интервалом, целесообразно воспользоваться методом функций Грина

Таким образом, решение линейной неоднородной краевой задачи (2) -г (4) имеет вид:

с{х.т) = }/(#)■ G(x.lT)d£-D ■ {r)-G{x,0,r-f )dt, (10)

О О

где = известное распределение в момент переключения г = , i-

номер интервала переключения, - промежуточные величины, G{x,£,z)

- функция Грина, представляющая собой:

, i Г_1*з011 fJiii£l - 1

= -Ы ^J+el <d*\-2-P{t)- [ei °^ .(11)

Тогда в частном случае, например, для двухиптервального управления (i = 2) /(¿) будет соответствовать выражению (9) и полностью математиче-

екая модель характеризуется следующим выражением:

о

Таким образом, математическая модель для п - интервалов:

с. (X, г) = ]<:„_, е, г)• ах, 4, - О • ]- && • <г )• Д г - г Ут . (13)

о о ^

Для эффективного использования модели и ее адекватности процессу необходимо идентифицировать коэффициенты р,, /?, и Д а также углеродный потенциал атмосферы с„(т). Для решения этой задачи проведено два экспериментальных цикла науглероживания с одинаковыми параметрами технологического процесса. Температура Т = 1050° С, расход ацетилена Д = 3750нл/ч, общее время процесса г = 26мин. При этом время науглероживания г, = 20мин . и время диффузии г2 = 6мин., площадь науглероживаемой поверхности = 9,5м2 и давление р = 4,5мбар. Для проведения эксперимента в вакуумную печь марки \ШТ — (ЬСР) закладывали два образца из стали 14ХНЗМА и два из стали 15НЗМА диаметром 40 мм и длиной 100 мм. Для уменьшения влияния погрешностей съема стружки и дальнейшего сжигания для определения концентрации углерода с каждого свидетеля съем стружки произведен дважды. Предельная погрешность съема стружки ±0,005 мм. Далее производилась оценка содержания углерода в стружке путем сжигания ее на газоанализаторе «Ьесо С-200». Предельная погрешность сжигания стружки на газоанализаторе составляет ±0,024%С.

Для определения углеродного потенциала использован метод фольговых проб. По итогам сжигания нескольких фольговых проб выполнена оценка углеродного потенциала в печи, который составил саках = 4,17%С.

Наиболее характерные из полученных углеродных профилей представлены на рисунке 1.

Глубина, ни

—□—Сталь 14ХНЗМА(1) - -д- - Сталь 14ХНЗМА(2)

—О -Сталь 15НЗМА(1) о Сталь 15НЗМА(2)

Рисунок 1 - Концентрационные профили углерода (В обозначении графиков цифры в скобках обозначают номер съема стружки) Идентификация коэффициентов р,, Р2 и О осуществлена с помощью метода наименьших квадратов. Для каждой кривой средние значения коэффициентов определены отдельно в зависимости от марки стали.

Например, для стали 14ХНЗМА получены следующие значения: О = 6,194-10-" м2/с, р,= 2,222-Ю'7 м/с, р2 =6,944 ■ 10-* м/с; для стали 15НЗМА: £> = 5,527 • 10 "м2 /с, Р, = 2,209■ 10'7м/с, р2 = 6,584-10-*м/с.

Экспериментально выявлены закономерности влияния температуры Т и расхода ацетилена С на коэффициенты математической модели. При этом использован метод планирования эксперимента для интервала расходов ацетилена Сшаг = ЮООнл/ час относительно = 3000ил / час и интервала температур Г„от = 50° С относительно Т0 = 1050° С. Подготовка и проведение опытов происходили аналогично эксперименту, поставленному для построения математической модели и описанному выше. В результате эксперимента получены кривые распределения углерода, по которым идентифицированы коэффициенты диффузии Б и массопсреноса р,, р,.

Например, для стали 14ХНЗМА в ходе регрессионного анализа получены коэффициенты:

О = (6,815 +1,474 -х2)-10", [.м/с] (12*)

Р, =(1,373+0,247-х, +0,235-хг)-Ю-7_ [м/с]

р2 =(4,581 + 1,075-х, +1,092-х,)-10^\[м/с] (14)

где х, = -——х2

шаг шаг

Для стали 15НЗМА:

В = (5,922 + 2,207-х2)-10-", [М2/С] (15)

р, =(1,394 + 0,233-х, + 0,203-х, )• 10-'^ [м/с] (1б)

р2 = (4,681 + 0,671-х, +0.972-х2)-10'^ [м/с]

С помощью этих зависимостей, позволяющих избежать трудоемких экспериментов, можно рассчитать коэффициенты диффузии О и массопере-носа р,, р3.

В четвертом разделе обоснованы, поставлены и решены задачи оптимального управления процессом вакуумной цементации как объектом с распределенными параметрами. В математической постановке эти задачи формулируются следующим образом. Для объекта управления (1) (4) с учетом переменного коэффициента /?(г) согласно (8) и в условиях ограничений (5) (7) определить алгоритм изменения углеродного потенциала атмосферы, рассматриваемый как ограниченное техническими возможностями системы управляющее воздействие и доставляющее минимум функционалу ./,:

= тах \с(х,т° )-с'(х) I, (18)

- задача максимальной точности;

или доставить минимум функционалу при условии достижимости допустимой области (19), определяемой величиной с1[}д, конечным распределением концентрации углерода с(х, г" ):

тах^с(х,т°)-с-(х)\£емд. (19)

Здесь с'(х) - требуемый конечный профиль распределения концентрации углерода,

(20)

- задача максимальной производительности.

В отличие от известных постановок в качестве критерия оптимальности (18) в задаче максимальной точности или условий (19) в задаче максимальной производительности нами используется оценка абсолютного, а не среднеквадратичного отклонения по толщине цементованного слоя профиля углерода с(х,т° ) от заданного с'(х), так как эта оценка адекватно отвечает

технологическим требованиям.

Анализ литературных данных показывает, что наиболее рациональным с точки зрения износостойкости шарошек буровых долот является профиль распределения углерода, показанный на рисунке 2. Также здесь представ-

лены допустимые отклонения по стандартным требованиям предприятия

■ i Требуемый профиль углерода

— — Допустимые отклонения по стандартным требованиям предприятия

— - -Отклонения, задаваемые при оптимизации

........-Профиль углерода по неогшмальной технологии

— - - Прскгиль углерода по оптимальной технологии

Рисунок 2 - Требуемый профиль углерода Параметризация оптимальных задач позволяет использовать для их решения альтернансный метод оптимизации (AMO),

Используя принцип максимума Понтрягина удается свести поиск неизвестной функции с„(т), к поиску ее параметров, в качестве которых рассматриваются длительности интервалов постоянства этой функции и количество / этих интервалов. Таким образом, удалось установить, что оптимальное управление состоит из ряда чередующихся интервалов активного насыщения с максимально допустимым углеродным потенциалом атмосферы сатах и последующего выравнивания концентрации при минимальном значении потенциала са(т) = 0. Отсюда следует, что задача поиска функции оптимального управления cJr) = cao„Jr) в классе вещественных функций значительно сужается (параметризуется) и сводится к поиску количества i и длительностей ту, j = l,i интервалов постоянства функции т).

Согласно AMO, число i интервалов постоянства функции cQm„(x) в задаче быстродействия определяется индексом ближайшего меньшего к заданной погрешности вЗП() члена убывающего ряда неравенств:

*<'>«,» ev\,„ >- ... >- = e,„f > 0, (21)

составленного для минимально достижимых предельных отклонений распределения концентраций от заданного =mmJ,.i = l,s в классе оптимальных по точности управляющих воздействий £„,„„(г) с i интервалами посто-

янства; где еы!- абсолютная предельная величина такого отклонения при заданных условиях. Таким образом, функция сжпт(т) имеет i интервалов постоянства, если

Л,,2г,2£в™г1«.. (22)

Поэтому для определения количества интервалов i необходимо вычислить члены ряда (21). Путем решения соответствующих задач оптимальной точности для заданного количества интервалов и при известном i поиск функции са0„т(т) сводится к определению вектора:

re>=*/'WV..r,(,)) (23)

где г;<0,у = l,i - длительность j — го интервала.

Метод поиска вектора r(i) основан на свойствах результирующего распределения с(х, rtm ). В процедуре AMO установлено, что число точек S, называемых предельными, координаты х, в которых выполняется равенство: \с(х,т° )-с'(х)\ = Езад, (24)

должно быть не менее числа i интервалов оптимального управления саопт(т), если е, >- е"'»,i„, и должно быть на единицу больше /, если ег = , т.е. i > i,

Е^'Кш >- £, У £Ютт И J > Í+l, о , = S^miti .

Поскольку для непрерывной вместе со своими производными функции с(х, т° ) в качестве граничных точек хг могут выступать лишь точки х = 0, х = 1 и точки экстремумах^, к-1,2 функции отклонения ср(х)-с(х,т° )-с'(х), общее число которых не превышает /+/, то указанные свойства в совокупности с условиями существования экстремумов в точках хЗК фиксируют равенства вида:

cpíxra~)=±s,,m = J,s

Зх

— (25)

= 0,к = l,r,r £ i

¿=1, если £<'-Чт,„ V £3 >-я=1+], если £ = Е«™

Равенство (24) в / граничных точках можно рассматривать как систему уравнений с г неизвестными = 1,1 для случая £"''К„П >*£,>- .

Решение системы (25) получено с помощью программного пакета МаЛСАЭ методом сопряженных градиентов после подстановки в (25) выражения (10). Для технически обоснованной ситуации, например при цемен-

тации шарошек буровых долот из стали 14ХНЗМА на глубину 1,7 мм, оптимальное управление са(т) состоит из четырех чередующихся интервалов активного насыщения с максимально допустимым углеродным потенциалом атмосферы с„„„ и последующей диффузии в отсутствие науглероживающей атмосферы са(г) = 0, При этом продолжительности чередующихся интервалов составили: Т)= 46 минут; т2= 83 минуты; т3= 1,5 минуты; т4= 5 минут.

В ходе опытно-промышленного опробования разработанной оптимальной технологии вакуумной цементации получен оптимальный профиль углерода. Сравнение неоптимального, полученного по существующей технологии, и оптимального профилей углерода приведено на рисунке 2. Из этого рисунка видно, что оптимальный профиль реализуется с меньшими отклонениями от требуемого профиля углерода. Учитывая, что при этом сокращается длительность процесса вакуумной цементации на 13%, можно утверждать, что внедрение оптимальной технологии обеспечивает значительный экономический эффект.

В пятом разделе проведен анализ основных свойств, определяющих стойкость деталей буровых долот, и приведены результаты сравнительного анализа структуры и свойств долотных сталей после традиционной газовой, неоптимальной вакуумной и оптимальной вакуумной цементаций.

На первом этапе сравнены структуры, полученные непосредственно после вакуумной и газовой цементаций без учета последующей термической обработки. Рассмотрены две марки долотных сталей: 14ХНЗМА и 15НЗМА. Все образцы шлифовали, а затем протравливали составом из 4 мл азотной кислоты в 100 мл спирта. Фотография микроструктуры произведена на микроскопе Olympus РМЕЗ.

Сравнение показало, что микроструктура цементованного слоя после вакуумной цементации (1050°С) заметно крупнее, чем после газовой (940°С). Например, для стали 14ХНЗМА балльность структуры мартенсита после вакуумной цементации составила 6 - 7-й балл, а после газовой 4 - 5-й балл.

Микроструктура сердцевины после вакуумной цементации немного крупнее, чем после газовой цементации. Во всех случаях она состоит из сор-битообразного перлита с дисперсным ферритом.

На втором этапе сравнены структуры, полученные после вакуумной и газовой цементаций и прошедшие последующую термическую обработку. Для образцов из стали 14ХНЗМА это сравнение представлено на рисунках 3 -=- 6. После цементации образцы прошли высокий отпуск (только для стали 14ХНЗМА) при температуре 640°С с охлаждением на воздухе, закалку при

температуре 780°С с охлаждением в масле, а затем низкий отпуск при температуре 180°С.

Рисунок 3 — Цементованный слой Рисунок 4 - Цементованный слой

после вакуумной цементации х1000 после газовой цементации х1000

Рисунок 5 - Сердцевина после ваку- Рисунок 6 - Сердцевина после га-умной цементации х1000 зовой цементации хЮОО

В отличие от первого этапа микроструктура цементованного слоя после вакуумной цементации незначительно крупнее, чем после газовой. Например, для стали 14ХНЗМА балльность структуры мартенсита после вакуумной цементации составила 3 - 4-й балл, а после газовой 2 - 3-й балл. Значения балльности показывают, что проведение закалки значительно уменьшает размер зерна цементованного слоя при обоих видах цементации.

Микроструктура сердцевины после вакуумной цементации и последующей термической обработки практически не отличается по балльности от микроструктуры, полученной после газовой цементации. Сердцевина стали 14ХНЗМА в обоих случаях состоит из сорбита с дисперсным ферритом, а стали 15НЗМА - из сорбитообразного перлита с дисперсным ферритом.

Детали и образцы для измерения свойств подвергались цементации на глубину 1,7 мм. Исключением являются образцы для исследования прочности на разрыв и предела текучести, поверхность которых защищена от цементации. Дальнейшую термическую обработку проводили по режимам, которым подвергались образцы для исследования микроструктуры. Каждое

значение прочности на разрыв, относительного удлинения, относительного сужения и ударной вязкости является средним значением, полученным от минимум пяти испытаний, проведенных в одинаковых условиях. Для определения твердости проведено 10 замеров и вычислено среднее значение. Погрешность составляла ±1% от измеряемой величины.

Значения твердости цементованного слоя стали 14ХНЗМА после вакуумной и газовой цементаций с учетом окончательной термической обработки представлены на рисунке 7.

Глубина, мм

—Неогпимальная технология вакуумной цементации стали 14ХНЗМА —•—Оптимальная технология вакуумной цементации стали 14ХНЭМА —♦—Газовая цементация стали 14ХНЗМА

Рисунок 7 - Распределение твердости по глубине цементованного слоя, НЯС

На рисунке 7 видно, что твердость на поверхности деталей, обработанных обоими методами, одинакова. При сравнении твердости на глубине х = х,/2 заметно, что твердость после вакуумной цементации выше, чем после газовой. Это явление можно объяснить тем, что при вакуумной цементации «горизонтальная площадка» с постоянным содержанием углерода длиннее, чем после газовой.

Сравнение механических свойств было разделено на два этапа.

На первом этапе были исследованы образцы, прошедшие только цементацию. Анализ полученных данных показал, что прочность на разрыв и предел текучести долотных сталей после вакуумной цементации несколько ниже, чем после газовой. Это можно объяснить более высокой температурой нагрева при вакуумной цементации (1050°С), чем при газовой (940"С), и укрупнением зерна, кроме того, в случае газовой цементации охлаждение происходит в масле, поэтому сердцевина после газовой цементации имеет более дисперсную структуру, чем после вакуумной.

На втором этапе сравнение прочности на разрыв, предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения долотных сталей про-

ведено с учетом окончательной термической обработки.

Результаты испытаний образцов представлены в таблице 1. Таблица 1 — Механические свойства долотных сталей после вакуумной и га-

зовой цементаций с учетом окончательной термической обработки

Вакуумная цементация Газовая

Марка стали 11еогггнмал ьная ТЕХНОЛОГИЯ Оптимальная технология цементация

а». С0.2, 6,% Ч", Св> Оод, 8, ч\ С», 8, У,

МПа МПа % МПа МПа % % МПа МПа % %

14ХНЗМА 1380 1280 12,7 54 1350 1240 10 55 1180 1030 13 54

15НЗМА 1120 1060 11 56 1130 1090 12 56 880 760 17 60

Анализируя данные таблицы 1, можно отметить, что прочность на разрыв долотных сталей после вакуумной цементации с учетом окончательной термической обработки выше, чем после газовой, на 15 - 25%, а предел текучести выше на 20 - 30%. Механические свойства долотных сталей, обработанных по неоптимальной и оптимальной технологиям вакуумной цементации, практически не отличаются.

Увеличение предела прочности на разрыв и предела текучести можно объяснить известным явлением перераспределения в микрообъемах и выделения по границам аустенитного зерна примесей неметаллического характера при охлаждении сталей после высокотемпературного нагрева. В связи с тем что окончательно сформированное зерно не всегда наследует границы «высокотемпературного зерна», выделение вредных примесей по границам последнего способствует очищению границ зерен, вновь формирующихся при последующем нагреве под закалку. Предполагается, что при вакуумной цементации за счет повышенной температуры происходит более интенсивное выделение примесей на границах зерна, чем при газовой, приводящее к очистке зерна от примесей. Таким образом, при формировании окончательного зерна при нагреве под закалку на границах зерен после вакуумной цементации меньше примесей, чем после газовой, что и обеспечивает улучшение свойств.

Влияние окончательной термообработки на ударную вязкость представлено в таблице 2.

Испытания на ударную вязкость осуществлены на образцах длиной 60 мм, толщиной и шириной по 10 мм с видом концентратора и с радиусом Я = 1 мм. При этом использована машина для испытания на удар маятникового типа «Болдвин 81 - 1».

Таблица 2 - Сравнительный анализ ударной вязкости КСи, кДж/м2

КСи, кДж/м2

Марка стали Вакуумная цементация + ТО Газовая цементация + ТО Вакуумная цементация Газовая цементация

Неоптимальная технология Оптимальная технология

14ХНЗМА 113 115 92 50 48

15НЗМА 250 248 250 100 95

Из приведенных в таблице 2 данных видно, что ударная вязкость образцов, прошедших полную ХТО, выше, чем ударная вязкость образцов, прошедших только цементацию. Этого следовало ожидать, так как положительное влияние послецементационной термообработки на ударную вязкость сталей давно известно. При сравнении ударной вязкости в зависимости от вида цементации заметно, что ударная вязкость после вакуумной цементации с окончательной термообработкой немного выше, чем после газовой. Это явление объясняется теми же причинами, что и увеличение предела прочности на разрыв и предела текучести, приведенными выше. Ударная вязкость долотных сталей, обработанных по нсоптимальной и оптимальной технологиям вакуумной цементации, практически одинакова.

Проведен количественный анализ микроструктуры цементованного слоя и сердцевины деталей из стали 14ХНЗМА путем исследования фотографий, результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 — Количественный анализ микроструктуры цементованного слоя и сердцевины

Цементованный слой Вакуумная цементация Газовая цементация Сердцевина Вакуумная цементация Газовая цементация

Количество карбидов, % 6,6 4,7 Количество феррита, % 16,4 16,8

Количество аустенита, % 17,3 12

Количество сорбита, % 83,6 83,2

Количество мартенсита, % 76,1 83,3

Количественный анализ цементованного слоя показывает, что после вакуумной цементации карбидов и остаточного аустенита немного больше, чем после газовой. При количественном анализе сердцевины разницы в объемных долях компонентов не выявлено.

С целью объяснения эффекта улучшения механических свойств после вакуумной цементации проведено сравнение распределения микротвердости и распределения элементов по ссчению зерна стали 14ХНЗМА. Распределе-

ние микротвердости показано на рисунке 8.

210 190 * 170 £ 150

| 110 I 90

50

Рисунок 8 — Распределение микротвердости по сечению зерна, ПК Распределение серы и фосфора показано на рисунках 9 и 10.

Рисунок 9 - Распределение серы Рисунок 10 - Распределение фосфора

Исследования по распределению элементов по зерну показали, что непосредственно после вакуумной цементации границы зерен и области рядом с ними обогащены фосфором, серой, кремнием и молибденом. Обогащение границ этими элементами объясняет высокие показатели микротвердости на границах зерен непосредственно после вакуумной цементации. На границах зерен образца, прошедшего вакуумную цементацию и последующую термообработку, все элементы распределяются равномернее, чем в предыдущем случае, что подтверждает измеиение месторасположения границ зерен после закалки. Границы зерен образца, прошедшего газовую цементацию и последующую термообработку, обогащены вредными примесями - фосфором и серой, молибденом и кремнием. Повышенное содержание этих элементов на границах зерен приводит к их охрупчиванию, что объясняет пониженные показатели механических свойств после газовой цементации по сравнению с вакуумной цементацией.

Для изучения влияния вакуумного нагрева на состояние поверхности стали проведены исследования по распределению микротвердости и распределению элементов от поверхности вглубь образца на 1 мм. Распределение микротвердости вглубь показано на рисунке 11.

1- " ■ Вакуумная цементация без ТО * вакуумная цементация с окончательной ТО - * - Газовая цементация с окончательной ТО

;

;

..... - - ----1 л----1 . —Т- 4 :

-4 ^ : . ...............

-------- __________________..!...........

0 5 „ 10 15 20

Расстояние от границы мрка, мкм

Рисунок 11 — Распределение микротвердости от поверхности вглубь образца Распределение элементов от поверхности вглубь образца на 1 мм показано на рисунках 12 и 13.

Рисунок 12 - Распределение хрома Рисунок 13 - Распределение марганца

Из приведенных на рисунке 11 графиков видно, что микротвердость от поверхности до глубины 0,2 мм на образце после нагрева в вакууме и выдержки в 1 час ниже, чем на образце после нагрева в течение часа с 800°С до 940°С и 15-минутной выдержки для подъема углеродного потенциала в газовой печи. Концентрация хрома в обоих случаях уменьшается с приближением к поверхности, что свидетельствует о сублимации атомов хрома. При вакуумном нагреве сублимация хрома интенсивнее, поэтому на поверхности его концентрация меньше. Содержание кремния и марганца увеличивается вблизи поверхности в обоих случаях. Концентрация марганца от поверхности до глубины 0,6 мм после газового нагрева выше, чем после вакуумного. Меньшая концентрация хрома и марганца на поверхности после вакуумного нагрева создает более благоприятные условия для диффузии углерода, чем после газового нагрева, т.к. эти элементы замедляют диффузию углерода в стали.

Таким образом, экспериментальные исследования показали, что вакуумная цементация положительно влияет на свойства долотных сталей, полученные после полной термической обработки (цементация, высокий отпуск,

закалка, низкий отпуск). Также из сравнительного анализа твердости видно, что после вакуумной цементации значения твердости на половине глубины цементованного слоя выше, чем после газовой.

заключение

1. Разработана проблемно-ориентированная математическая модель вакуумной цементации долотных сталей и проведена ее параметрическая идентификация по экспериментальным данным. Установлена необходимость использования модели с переменными коэффициентами массопереноса.

2. Поставлены и решены задачи оптимальности по производительности печи и точности технологии процесса цементации. Получены алгоритмы оптимального управления, обеспечивающие максимально возможную в условиях ограничений производительность печи, при абсолютном допустимом отклонении профиля углерода от требуемого.

3. На основании установленных закономерностей влияния температуры, продолжительности процесса цементации, расхода ацетилена, соотношения этапов науглероживания и диффузии на структуру и свойства цементованного слоя разработаны технологические режимы вакуумной цементации долотных сталей.

4. После корректировки существующих технологических режимов вакуумной цементации достигнуто уменьшение общего времени процесса на 13%. При этом максимальные отклонения полученного углеродного профиля от требуемого с использованием новой технологии уменьшились с 0,1 до 0,05%С.

5. Установлено, что структура шарошек буровых долот непосредственно после вакуумной цементации крупнее, чем после газовой, что связано с более высокой температурой проведения вакуумной цементации (1050°С в отличие от 940°С для газовой цементации). Однако после проведения окончательной термической обработки (высокий отпуск, закалка и низкий отпуск) разница в балльности структур отсутствует.

6. Установлено положительное влияние процесса вакуумной цементации на механические свойства шарошек буровых долот. По пределу прочности на разрыв вакуумная цементация обеспечивает прирост на 15 - 25% по сравнению с газовой цементацией, а по пределу текучести на 20 - 30%.

7. Результаты работы использованы при разработке технологических режимов вакуумной цементации шарошек буровых долот на ОАО «Волга-бурмаш», а также применяются в учебном процессе СамГТУ. Соответствующие акты приведены в приложении к диссертации. Годовой экономический эффект от внедрения новой технологии составил 1290000 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Головской Л. Л. Особенности процессов цементации стали в условиях пониженного давления. /Материалы докладов V Всероссийской научно-практической конференции. — Современные технологии в машиностроении. Пенза, 2002. с.14-15.

2. Головской А. Л. Оптимизация процессов цементации в условиях пониженного давления. /Материалы докладов международной молодежной научной конференции. - XXVIII Гагаринские чтения. Москва, 2002.

3. Головской А.Л., Лившиц М, Ю., Муратов B.C. Математическая модель высокотемпературной цементации в условиях пониженного давления. / Материалы международной научно-технической конференции. - Высокие технологии в машиностроении. Самара, 2002. с. 154- 157.

4. Головской А. Л. Математическое моделирование процесса вакуумной цементации сталей комплексно легированных Cr, Ni и Мо. / Материалы докладов тринадцатой межвузовской конференции. - Математическое моделирование и краевые задачи. Самара, 2003. с. 27 - 30.

5. Головской А.Л., Лившиц М.Ю., Липкинд В.Я. Системная оптимизация химико-термичсской обработки металла по эксплуатационным критериям. Труды V Международной конференции. Самара: Самарский научный центр РАН. Проблемы управления и. моделирования в сложных системах, 2003. с. 145 - 154.

6. Головской А. Л., Муратов В. С., Надулин М. В. Особенности технологического процесса вакуумной цементации сложнолегированных сталей. / Материалы докладов II международной научно-практической конференции. - Материалы в автомобилестроении. Тольятти, 2003.

7. Головской А. Л., Муратов B.C., Надулин М.В. Сравнительный анализ структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами вакуумной и традиционной газовой цементации. /Материалы докладов международной научно-технической конференции. — Высокие технологии в машиностроении. Самара, 2004. с. 161 - 163.

8. Головской А. Л., Муратов В. С., Надулин М. В. Особенности структуры и свойств сталей 14XII3MA и 15НЗМА после вакуумной цементации. Журнал «Заготовительные производства в машиностроении», №9, М., 2005. с. 41 -43.

9. Муратов B.C., Головской А.Л., Лившиц М.Ю., Дерсвянов М.Ю. Разработка технологических режимов процесса вакуумной цементации долотных сталей. /Материалы докладов международной научно-тсхничсской конференции. - Высокие технологии в машиностроении. Самара, 2005. с. 195 — 197.

10. Головской А. Л., Муратов В. С. Разработка технологических режимов процесса вакуумной цементации шарошек буровых долот. Журнал «Заготовительные производства в машиностроении», №11, М., 2005. с. 51 — 53.

П.Деревянов М.Ю., Головской А.Л. Оптимизация технологического процесса вакуумной цементации шарошек буровых долот. / Материалы докладов третьей всероссийской научной конференции. — Математическое моделирование и краевые задачи. Самара, 2006.

Тираж 100 экз. Заказ № 1439.

Отпечатано на ризографе.

Самарский государственный

технический университет

Отдел типографии и оперативной полиграфии.

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ЦЕМЕНТОВАННОГО СЛОЯ.

1.1. Формирование структуры и свойств упрочненного слоя, существующими методами цементации.

1.2. Особенности вакуумной цементации как объекта управления.

1.3. Анализ математических моделей газовой цементации.

1.4. Обоснование целей и задач исследования.

2. МЕТОДИКИ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧ.

2.1. Выбор марок сталей для исследований.

2.2. Методики экспериментального сравнительного анализа структуры и механических свойств долотных сталей.

2.3. Методика рентгеноспектрального анализа распределения элементов по сечению зерна и от поверхности вглубь образца.

2.4. Методика экспериментального определения коэффициентов массопереноса, диффузии и углеродного потенциала атмосферы.

2.5. Методика планирования экспериментального анализа взаимовлияния основных параметров процесса.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВАКУУМНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ В АТМОСФЕРЕ АЦЕТИЛЕНА.

3.1. Моделирование процессов массопереноса.

3.2. Конструктивная математическая модель массопереноса.

3.3. Математическая модель диффузии при вакуумной цементации.

3.4. Идентификация математической модели вакуумной цементации.

3.5. Закономерности влияния расхода ацетилена и температуры на коэффициенты диффузии и массопереноса.

4. ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВАКУУМНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ.

4.1. Современные методы оптимизации процессов тепломассопереноса.

4.2. Параметризация задачи быстродействия.

4.3. Альтернансный метод оптимизации.

4.4. Фазовые ограничения в задаче оптимизации процесса вакуумной цементации.

4.5. Универсальный алгоритм оптимизации вакуумной цементации.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ВАКУУМНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ В АТМОСФЕРЕ АЦЕТИЛЕНА НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДОЛОТНЫХ СТАЛЕЙ.

5.1. Основные свойства, определяющие стойкость деталей долот.

5.2. Влияние вакуумной цементации на формирование структуры долотных сталей.

5.3. Влияние вакуумной цементации на свойства долотных сталей.

5.4. Влияние вакуумной цементации на распределение микротвердости и химических элементов в стали 14ХНЗМА.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Главной задачей социально-экономического развития страны является ускорение интенсификации производства на базе научно-технического прогресса. При этом максимальное использование таких резервов, как снижение материалоемкости, себестоимости, улучшения качества продукции, является долгосрочной задачей по повышению эффективности общественного производства.

Повышение эффективности производства и качества выпускаемой продукции в долотной промышленности неразрывно связано с более полным использованием возможностей, которые заложены в конструкционных материалах, из которых изготовляются буровые долота, и технологиях обработки этих материалов.

Проблема повышения эксплуатационной надежности буровых долот является комплексной и предполагает привлечение современных методов химико-термической обработки. Важнейшей частью этой проблемы является улучшение свойств материала поверхностного слоя деталей, в частности за счет цементации.

Свойства цементованного слоя и определяемый ими ресурс работы долота в большой степени зависят от кривой распределения углерода по толщине слоя. Современные конкурентные отношения в промышленности и требования международного стандарта качества ИСО 9000 диктуют необходимость создания автоматизированного и легко перестраиваемого оборудования для цементации буровых долот с целью получения регулируемого профиля распределения углерода по толщине цементованного слоя детали. В этой ситуации актуальными являются задачи автоматизации процесса цементации и разработки оптимальных технологических режимов процесса.

Опыт эксплуатации цементационных печей показал, что одним из перспективных с точки зрения производительности, качества и повторяемости результатов, является автоматизированный процесс вакуумной цементации в атмосфере ацетилена.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Разработана проблемно-ориентированная на использование в оптимизационных процедурах математическая модель вакуумной цементации с различными коэффициентами массопереноса, зависящими от вида режимов.

Решены краевые задачи оптимального управления процессом вакуумной цементации в атмосфере ацетилена долотных сталей как объектом с распределенными и переменными параметрами по критериям максимальной производительности печи и максимальной абсолютной точности распределения концентрации углерода по толщине цементованного слоя детали в условиях ограничений параметров процесса цементации.

Выявлены и проанализированы закономерности влияния вакуумной цементации на распределение химических элементов от поверхности вглубь детали и по сечению зерен, находящихся в сердцевине деталей долот.

На основании сравнительного анализа структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами традиционной газовой, неоптимальной и оптимальной вакуумной цементации, выявлены закономерности формирования структуры и свойств цементованного слоя. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Практическая значимость полученных результатов заключается в разработанных алгоритмах вакуумной цементации долотных сталей, оптимальных по быстродействию и по абсолютному отклонению полученного профиля углерода от требуемого, что обеспечивает высокое качество цементации при максимальной производительности оборудования.

Выявленные закономерности влияния химического состава долотных сталей и параметров процесса вакуумной цементации - расхода ацетилена и температуры в печи на коэффициенты математической модели - позволяют избежать трудоемких экспериментов при идентификации процессов вакуумной цементации с различными температурами и расходами. Подстановка рассчитанных по этим закономерностям коэффициентов в разработанную математическую модель, обеспечивает расчет режимов технологического процесса вакуумной цементации.

Проведение сравнительного анализа структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами вакуумной и традиционной газовой цементации, позволило выявить преимущества процесса вакуумной цементации и рекомендовать его для изготовления долот улучшенного качества.

Разработанные алгоритмы внедрены в производство в качестве технологических режимов цементации и обеспечивают повышение производительности вакуумных печей на 13% при высоком уровне качества шарошек буровых долот.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Проблемно-ориентированная на использование в оптимизационных процедурах математическая модель вакуумной цементации с различными коэффициентами массопереноса, зависящими от вида режимов;

2. Технологические режимы на основе алгоритмов оптимального управления процессом вакуумной цементации долотных сталей в атмосфере ацетилена как объектом с распределенными и переменными параметрами по критериям максимальной производительности печи и максимальной абсолютной точности распределения концентрации углерода по толщине цементованного слоя детали в условиях ограничений параметров процесса цементации;

3. Закономерности влияния химического состава долотных сталей и параметров процесса вакуумной цементации - расхода ацетилена и температуры в печи - на коэффициенты математической модели;

4. Закономерности влияния вакуумной цементации на распределение химических элементов от поверхности вглубь детали и по сечению зерен, находящихся в сердцевине шарошек буровых долот; 5. Сравнительный анализ структуры и свойств долотных сталей, обработанных методами традиционной газовой, неоптимальной вакуумной и оптимальной вакуумной цементации.

7. Результаты работы использованы при разработке технологических режимов вакуумной цементации шарошек буровых долот на ОАО «Волгабурмаш», а также применяются в учебном процессе СамГТУ. Соответствующие акты приведены в приложении к диссертации. Годовой экономический эффект от внедрения новой технологии составил 1290000 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертации исследований получены следующие основные результаты.

1. Разработана проблемно-ориентированная математическая модель вакуумной цементации долотных сталей и проведена ее параметрическая идентификация по экспериментальным данным. Установлена необходимость использования модели с переменными коэффициентами массопереноса.

2. Поставлены и решены задачи оптимальности по производительности печи и точности технологии процесса цементации. Получены алгоритмы оптимального управления, обеспечивающие максимально возможную в условиях ограничений производительность печи, при абсолютном допустимом отклонении профиля углерода от требуемого.

3. На основании установленных закономерностей влияния температуры, продолжительности процесса цементации, расхода ацетилена, соотношения этапов науглероживания и диффузии на структуру и свойства цементованного слоя разработаны технологические режимы вакуумной цементации долотных сталей.

4. После корректировки существующих технологических режимов вакуумной цементации достигнуто уменьшение общего времени процесса на 13%. При этом максимальные отклонения полученного углеродного профиля от требуемого с использованием новой технологии уменьшились с 0,1 до 0,05%С.

5. Установлено, что структура шарошек буровых долот непосредственно после вакуумной цементации крупнее, чем после газовой, что связано с более высокой температурой проведения вакуумной цементации (1050иС в отличие от 940иС для газовой цементации). Однако после проведения окончательной термической обработки (высокий отпуск, закалка и низкий отпуск) разница в балльности структур отсутствует.

6. Установлено положительное влияние процесса вакуумной цементации на механические свойства шарошек буровых долот. По пределу прочности на разрыв вакуумная цементация обеспечивает прирост на 15 -25% по сравнению с газовой цементацией, а по пределу текучести на 20-30%.

1. Башнин, Ю.А. Технология термической обработки Текст./ Б.К. Ушаков, А.Г. Секей,-М.: Металлургия, 1986.

2. Земсков, Г.В. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов Текст./ P.JI. Коган, М.: Металлургия, 1978. - 208 с.

3. Бондаренко, В.А. Технологические процессы машиностроительного производства Текст. /Под общ. редакцией С.И. Богодухова, Оренбург: ОГУ, 1996.

4. Осипов, Н.М. Разработка и внедрение способов цементации для тяжелона-груженных изделий из коррозионно-стойких сталей мартенситного класса. Текст.: дисс. канд. техн. наук: 05.16.01 Самара, 1991.

5. Рябченко, Е.В. Ионная цементация Текст./Техника машиностроения. 2002. -№1.-с. 77-80.

6. Заваров, А.С. Термическая обработка в кипящем слое Текст./А.П. Баскаков, С.В. Грачев, М.: Металлургия, 1981. - 84 с.

7. Химико-термическая обработка металлов и сплавов Текст./Справочник под общ ред. J1.C. Ляховича, М.: Металлургия, 1981. - 424 с.

8. Кальнер, В.Д. Цементация и нитроцементация стали Текст./М.: Машиностроение, 1973. 40 с.

9. Литовченко, А.Н. Цементация изделий с регулированием концентрации углерода с поверхности путем изменения массообмена в загрузке. Текст.: дис. канд. техн. наук. Челябинск, 1986. - 169 с.

10. Стойкость буровых долот Текст./Под общ. редакцией К.Б. Кацова. Киев: Наукова думка, 1979.

11. П.Козловский, И.С. Химико-термическая обработка шестерен Текст./М.: Машиностроение, 1970.

12. Жидовцев, Н.А., Долговечность шарошечных долот Текст./ В. Я. Кершен-баум, Э. С. Гинзбург и др. М.: Недра, 1992. - 266 с.

13. Тонодзука, Ф. Руководство по производственной технологии газовой цементации Текст./Киндзоку дзайре, 1977.

14. Авторское свидетельство № 560004.

15. Цепов, С.Н. Особенности науглероживания стали при вакуумной цементации Текст./МиТОМ,- №8. 1979. - с. 50 - 54.

16. Усатый, Ю.П. Вакуумная цементация стали 18ХГТ Текст./Э.Н. Мармер, С.Г.Мурованная, Ф.А.Палей, Л.И.Волкова, МиТОМ. -№11.-1977. с.74-76.

17. Гончаров, А.Г. Механические свойства сталей после вакуумной и газовой цементации Текст./ Р.П. Уварова, МиТОМ. №5. - 1990. - с. 10 - 12.

18. Цепов, С.Н. Особенности структурообразования в приповерхностных слоях металла при вакуумной цементации Текст./М.А. Криштал, МиТОМ. №5. -1983.-с. 27-29.

19. Криштал, М.А., Прочностные свойства сталей после вакуумной цементации Текст./ С.Н. Цепов, В.В. Малахов, В сб.: Технология автомобилестроения. Сер. С-ХШ. М.: НИИНавтопром, 1981, №4. с. 24 - 26.

20. Гюлиханданов, Е.Л., Расчет концентрационного профиля углерода при цементации сталей в контролируемых атмосферах природного газа Текст./ В.В. Кисленков, С.Н. Проворотов, МиТОМ. 1981. №8. - с. 7 - 9.

21. Моделирование и автоматизация на базе ЭВМ процессов ХТО автомобильных деталей Текст./М.: ЦНИИТЭИАВТОПРОМ, 1987. 82 с.

22. Лыков, А.В. Теория теплопроводности Текст./М.: Высшая школа, 1967.392 с.

23. Самарский, А.А. Теория разностных схем Текст./М.: Наука, 1977. 645 с.

24. J. Iron steel inst. 1972. - №210. - p. 785 - 789.

25. Trans inst. MC. 1979. - vol.1. - №3. - p. 159 - 164.

26. Comput Mater. Technol. Proc. Int. Conf. Tinroping, 4-5, June, 1980. Oxford. -1981.-p. 69-79.

27. Известия ВУЗов. T.4. M. - 1978. - №1. - с. 161 - 164.

28. Traitment thermique. 1985. - №195. - p. 31 - 39.

29. Лахтин. Ю.М. Химико-термическая обработка металлов Текст./Б.Н. Арза-масов. М.: Металлургия. 1985. 216 с.

30. Мельник, П.И. Диффузионное насыщение железа и твердо-фазные реакции в сплавах Текст./М.: Металлургия. 1993 г.

31. Дроздов, П.Д. Номограммы нелинейного процесса вакуумной цементации сталей Текст./А. В. Драницин. Тез. докл. на Всероссийской научно-технической конференции. Новые материалы и технологии. - Москва, 2000. -с. 14-15.

32. Артеменко, А.И./Справочное руководство по химии, И.В. Тикунов, В.А. Малеванный: Справ, пособие 2-е изд. М.:Высшая школа. 2003. - 367 с.

33. Grafen, W. Die beeinflussung der kohlenstoffubertragung bei der unter-druckaufkohlung Текст./В. Edenhofer, HTM 54 (1999) 5. p. 335 341.

34. Edenhofer, B. Einsatzharten ein prozess mit neuen entwicklungen und perspek-tiven Текст./НТМ 56 (2001) 1. p. 14 - 22.

35. Фромм, E. Газы и углерод в металлах Текст./Е. Гебхардт, Пер. с нем. М.: Металлургия. 1980. с. 712.

36. Ibid. 1984. - Bd - 39. - №2. - p. 50 - 54.

37. Лущик, М. М./Сборник трудов института "Теплопроект", 1975. с. 54 62.

38. Suzuoka, T./Trans. Japan. Inst. Metals, 1961, v. 2, №1. p. 25.

39. Криштал, M. А. Многокомпонентная диффузия в металлах Текст./А. И. Волков, М.: Металлургия, 1985, - 176 с.

40. Metaloznomsturo i obrobka cieplna, wizesien paroziernik. 1975. -№17.-p. 24-30.

41. Криштал, M. А. Механизм диффузии в железных сплавах Текст./М.: Металлургия, 1972. 400 с.

42. Metallurgica Italiana. 1982. - vol.14. - №3. - p. 177 - 183.

43. Heat Treat of Metals. 1975. - vol 2. - №1. - p. 12 - 20.

44. Metallurgical Transationist. 1972. - vol 3. - p. 28 - 65.

45. Моделирование и разработка алгоритмов оптимизации термохимической обработки деталей двигателей Текст.: отчет о НИР (заключ.)ЛСуйбышевский политехнический институт; рук. М.Ю. Лившиц, Куйбышев, 1988. с. 57 - 59.

46. Андреев, Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов Текст./ М.: Машиностроение, 1983. 299 с.

47. Чалый, В.Д. Планы эксперимента высоких порядков для идентификации объектов Текст./Учеб. пособие. М.: Изд-во МИФИ, 1987. - 64 с.

48. Слотин, Ю.С. Композиционное планирование регрессионного эксперимента Текст./М.: Знание, 1983. 52 с.

49. Хартман, К., Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов Текст./Э. Лецкий, В. Шеффер, М.: Мир. 1977. 552 с.

50. Новик, Ф.М. Математические методы планирования экспериментов в металловедении Текст./Сборник задач. М.: МИСиС, 1972. с. 131.

51. Адлер, Ю.П. Введение в планирование эксперимента Текст./Изд. Металлургия. 1969.

52. Бураковски, Т. Состояние и перспективы применения диффузионных слоев с высокой износостойкостью Текст./Я. Сенаторски, Я. Тациковски, Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. № 3. с. - 11 - 13.

53. Бокштейн, С.З. Диффузия в неравновесном металле Текст./Физика металлов и металловедение. 1968. т. 25. Вып.4. с. 702.

54. Андреев, Ю.Н. О сравнении двух методов решения задачи получения заданного распределения углерода за минимальное время Текст./Е.З. Черняховский. МиТОМ. 1989. № 3. с. 17 - 19.

55. Гахов, Ф.Д. Краевые задачи Текст./М., 1953.

56. Дезин, А.А. Общие вопросы теории граничных задач Текст./М.: Наука. Гл.ред.физ.-матлит., 1980.-207 с.

57. Симоненко, И.Б. Математический анализ и его приложения Текст./Ред.; Рост.ун-т.- Ростов: Изд-во Рост.ун-та, 1981.-165с.

58. Лаврентьев, М.М. Математический анализ и дифференциальные уравнения Текст./Межвуз. сб. науч. тр./Ред. Новосиб.ун-т.-Новосибирск: Новосиб.ун-т, 1987.-164 с.

59. Краснов, M.JI. Операционное исчисление Текст./Устойчивость движения. -М.: Наука, 1964.- 103 с.

60. Лаврентьев, М.А. Методы теории функций комплексного переменного Текст./4-е, испр. изд. изд.- М.: Наука. Гл.ред.физ.-матлит., 1973.- 736 с.

61. Пападимитриу, X. Комбинаторная оптимизация Текст./К. Стайглиц, Алгоритмы и сложность. Пер. с англ. М.: Мир, 1985.

62. Севостьянов, П.В. Многокритериальная идентификация и оптимизация технологических процессов Текст./Туманов Н.В. Минск: Наука и техника, 1990.-345 с.

63. Пешель, М. Моделирование сигналов и систем Текст./М.: Мир. 1981.

64. Штоф, В. А. Моделирование и философия Текст./АН СССР, М.: Наука, 1966.-300 с.

65. Лившиц, М.Ю. Системная оптимизация процессов нагрева в промышленных установках Текст./Тезисы докладов и сообщений. V Минский международный форум по тепло и массообмену. Минск, 2004. Т.1, с.257-259.

66. Никольский, С.М. Курс математического анализа Текст./М.: Издательство физико-математической литературы, 2001. 592 с.

67. Усовершенствованная высоковакуумная печь Текст./Носуасиит. Ofen fiir langlebide Produkte. HTM: barter - techn. mitt. 2005, 60, №1,2. C. 22. 1.

68. Бутковский, А.Г. Методы управления системами с распределенными параметрами Текст./М.: Наука, 1975. 568 с.

69. Бутковский, А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами Текст./М.: Наука, 1965. 474 с.

70. Бутковский, А.Г. Оптимальное управление нагревом металла Текст./С.А. Малый, Ю.Н. Андреев, М.: Металлургия, 1972. 439 с.

71. Бутковский, А.Г. Управление нагревом металла Текст./С.А. Малый, Ю.Н. Андреев, М.: Металлургия, 1981.-271 с.

72. Сиразетдинов, Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами Текст./М: Наука, 1977. 480 с.

73. Лурье, К.А. Оптимальное управление в задачах математической физики Текст./М.: Наука, 1975. 480 с.

74. Лионе, Ж.Л. Оптимальное управление системами, описываемыми уравнениями с частными производными Текст./М.: Мир, 1972. 416 с.

75. Егоров, А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами Текст./М.: Наука, 1978. 464 с.

76. Островский, Г.М. Методы оптимизации сложных химико-технологических схем Текст./Ю. М. Волин, М.: Химия, 1970. 328 с.

77. Понтрягин, Л.С. Математическая теория оптимальных процессов Текст./В.Г. Болтянский, Р.В. Галекрелидзе, Е.Ф. Мищенко, М.: Наука, 1969. 384 с.

78. Егоров, Ю.В. Необходимые условия оптимальности управления в банаховом пространстве Текст./Математический сборник (новая серия).- 1964.- Т. 64 (106), № 1.-е. 79-101.

79. Дегтярев, Г.Л. Оптимальное управление процессами с распределенными параметрами при неполном измерении Текст./Г.Л. Дегтярев, Т.К. Сиразетдинов, Автоматика и телемеханика.- 1977.- №5. с. 5-10.

80. Бутковский, А.Г. К исследованию быстродействия подвижного управления Текст./А.Г. Бутковский, В.А. Кубышкин, JI.M. Пустыльников, Б.П. Шафа-рец, Автоматика и телемеханика.- 1980.- №9. с. 13-23.

81. Бутковский, А.Г. Оптимальные процессы в системах с распределенными параметрами Текст./Автоматика и телемеханика.- 1961.- №1. с. 17.

82. Бутковский, А.Г. На пути к геометризации управления Текст./Изв. РАН. Теория и системы управления. 1997.- №1. - с. 16-27.

83. Бутковский, А.Г. Структурная теория распределенных систем Текст./М.: Наука, 1977. 320 с.

84. Самойленко, Ю.И. Пространственно распределенные системы автоматического управления и способы их реализации Текст./Автоматика и телемеханика. 1968. - № 2. - с.57-69.

85. Чубаров, Е.П. Управление системами с подвижными источниками воздействия Текст./М.: Энергоатомиздат, 1985. 288 с.

86. Автоматизация методических печей Текст./Л.И. Буглак, И.Б. Вольфман, С.Ю. Ефроймович и др./ Под общ. ред. М.Д. Климовицкого. М.: Металлургия, 1981.- 196 с.

87. Маковский, В.А. Динамика металлургических объектов с распределенными параметрами Текст./М.: Металлургия, 1971. 384 с.

88. Ермольев, Ю.М. Конечно-разностный метод в задачах оптимального управления Текст./В.П. Гуленко, Т. И. Царенко, Киев: Наук, думка, 1978. - 164 с.

89. Асатурян, В.И. Теория планирования эксперимента Текст./М.: Радио и связь, 1983.-248 с.

90. Гласко, В.Б. Об одной обратной задаче теплопроводности Текст./В.Б. Гла-ско, Н.И. Кулик, А.Н. Тихонов И.Н. Шкляров, Журнал вычислительной математики и математической физики.- 1979.- №3. с. 768-774.

91. Гачинский, Э.Е. Управление многосвязным объектом поисковым методом с адаптацией к априорно неизвестный и меняющимся параметрам Текст./Э.Е. Гачинский, Д.Н. Фицнер, Автоматика и телемеханика.- 1980.- №9. с. 91-101.

92. Гачинский, Э.Е. Автоматическая оптимизация в задачах пространственного распределения Текст./А.И. Дроздов, JI.H. Фицнер, М.: Наука, 1978. 160 с.

93. Будак, Б.М. Приближенные метода решения задач оптимального управления Текст./Б.М. Будак, Ф.П. Васильев, М.: МГУ, 1969.- Вып.2. - с. 68-127.

94. Горбатков, С.А. Метод итерационной линеаризации для построения алгоритмов функционирования индукционных нагревателей Текст./Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок. Куйбышев, 1976.- Вып.7. - с.127-134.

95. Веселовский, Л.П. Тиристорные регуляторы переменного тока в устройствах с активно-индуктивной нагрузкой Текст./А.Г. Стоякин, Ю.Г. Черных. Тиристорно-индукционные комплексы звуковой и ультрозвуковой частоты. -Уфа, 1982. с.68-73.

96. Бурак, Я.И. Оптимизация переходных процессов в термоупругих оболочках Текст./Ю.Д. Зозуляк, Б.В. Гера. Киев: Наук, думка, 1984. - 156 с.

97. Тихонов, А.Н. О методах регуляризации задач оптимального управления Текст./ДАНСССР, 1965. Вып. 162, №4. с. 763-766.

98. Рапопорт, Э.Я. Метод расчета оптимальных режимов нагрева массивных тел внутренними источниками тепла Текст./Изв. вуз. Энергетика.- 1978.- № 6. с. 89-96.

99. Рапопорт, Э.Я. Задача оптимального по быстродействию управления нестационарным процессом теплопроводности Текст./Изв. вуз. Математика.-1976.-№11.-с. 112.

100. Егоров, Ю.В. Необходимые условия оптимальности управления в банаховом пространстве Текст./Математический сборник (новая серия).- 1964.- Т. 64 (106), №1.-с. 79-101.

101. Рапопорт, Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла Текст./М.: Металлургия, 1993. 279 с.

102. Крылов, К.А. Повышение долговечности и эффективности буровых долот Текст./О.А. Стрельцова. М.: Недра, 1983.

103. Зинченко, В.М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки Текст./М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.303 с.

104. Неупокоев, В. Г. Вопросы теории и практики проектирования, производства и эксплуатации буровых шарошечных долот Текст./Самара: Самарский Государственный Аэрокосмический Университет, 2000. 376 с.

105. Металлография железа Текст./ Т.1. Основы металлографии. Перев. с англ. М.: Металлургия, 1972. с. 240.

106. Болховитнов, Н. Ф. Атлас макро- и микроструктур металлов и сплавов Текст./Е. Н. Болховитнова. М.: Государственное научно техническое издательство машиностроительной литературы, 1959. с. 87.

107. Зинченко, В.М. Формироване фазового состава и микроструктуры поверхностных слоев цементованных деталей Текст./М.: Технология металлов. №2, 2004.

108. Глинер, Р.Е. Компьютерные расчеты рационального легирования цементуемых сталей Текст./МиТОМ. №7, 2000.

109. Дубинин, Г.Н. О перспективах развития химико-термической обработки металлов Текст./МиТОМ. №7,2004.

110. Металловедение и термическая обработка Текст./Справочник. Под общ. ред. М.Л.Бернштейна и А.Г.Рахштадта. М.: Металлургия, 1991. Т. 1. 304 с.

111. Металловедение и термическая обработка Текст./Справочник. Под общ. ред. М.Л.Бернштейна и А.Г.Рахштадта. М.: Металлургия, 1991. Т.2. 464 с.

112. Головской, А.Л. Особенности структуры и свойств сталей 14ХНЗМА и 15НЗМА после вакуумной цементации Текст./В.С. Муратов, М.В. Надулин. Заготовительные производства в машиностроении. №9,2005. - с. 41 - 43.

113. Салтыков, С. А. Стереометрическая металлография Текст./М.: Металлургия, 1976.-272 с.

114. Садовский, В.Д. и др. Сталь, № 6,1955.

115. Голыптейн, Я.Е., Муштакова Т.П. МиТОМ, № 5,1978.

116. Уманский, Я.С. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия Текст./Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л.Н. Расторгуев. М.: Металлургия, 1982,-631 с.

117. Васильев, Е.К. Качественный рентгенофазовый анализ Текст./Е.К. Васильев, М.С. Нахмасон. Новосибирск: Наука, 1986. 195 с.

118. Рыжов, Н.М. Особенности вакуумной цементации теплостойкой стали в ацетилене Текст./А.Е. Смирнов, Р.С. Фахуртдинов, Л.М. Мулякаев, В.И. Громов. МиТОМ.- №6. 2004. - с. 10 - 15.

119. Рыжов, Н.М. Управление насыщенностью углеродом диффузионного слоя при вакуумной цементации теплостойких сталей Текст./ А.Е.Смирнов, Р.С. Фахуртдинов. МиТОМ.- №8. 2004. - с. 22 - 27.

120. Рапопорт, Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации Текст./М.: Наука. 2000.

121. Фонгельсон, Р.Л. Температурная зависимость коэффициента диффузии Текст./Е.Р. Лихачев. Физика металлов и металловедение, №1,2000.