автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение износостойкого поверхностного слоя пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей



На правах рукописи

ИГОНИН Владислав Анатольевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПЛАСТИН ШТАМПОВ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ АБРАЗИВОСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения Специальность 05.02.07-Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ЛЕИ 2010

ПЕНЗА 2010

004616397

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный

университет».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита диссертации состоится 29 декабря 2010 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте университета www.pnzgu.ru

Автореферат разослан » ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ЗВЕРОВЩИКОВ Владимир Зиновьевич;

кандидат технических наук, профессор МАШКОВ Анатолий Николаевич

СЕЙНОВ Сергей Владимирович;

кандидат технических наук ЧЕРНИКОВ Владислав Сергеевич

Ведущее предприятие: ГОУ ВПО «Пензенский государственный

университет архитектуры и строительства»

доктор технических наук, доцент

И. И. Воячек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие технологии и оборудования связано с созданием новых способов повышения износостойкости и долговечности деталей машин и механизмов, которые во многом определяются свойствами поверхностных слоев металла.

Для многих деталей строительных, дорожных и сельскохозяйственных машин, прессового оборудования по производству керамических изделий, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы, долговечность и надежность работы лимитируется главным образом абразивным износом рабочих поверхностей. При этом скорость изнашивания зависит от характера контактирования, механических свойств материала, абразивных частиц, действующих нагрузок и составляет от 0,1 до 100 мкм/ч. Отделение частиц износа происходит в результате как микрорезания (вязкого или хрупкого), так и усталостного разрушения металла при малоцикловом (в пластической области) и многоцикловом (в упругой области) характере нагружения. Многообразие условий абразивного изнашивания приводит к различным сочетаниям этих процессов разрушения микрообъемов поверхностных слоев металла.

Изнашивание сопровождается изменением формы, размеров и состояния поверхностей деталей, что приводит к снижению функциональных свойств и производительности технологического промышленного оборудования, возрастанию вероятности отказа. От износостойкости деталей зависят затраты на поддержание оборудования и машин в работоспособном состоянии, а также себестоимость производимой продукции. Производители стремятся повысить качество продукции, сохранив невысокую себестоимость, за счет внедрения новых технологий.

Сроки службы деталей машин и механизмов в значительной мере определяются эксплуатационными свойствами поверхностных слоев металла. Износ, усталостные и коррозионные разрушения, ограничивающие долговечность деталей, обычно проявляются в поверхностных слоях металла.

Для уменьшения абразивного износа в большинстве случаев необходимо обеспечивать высокую поверхностную твердость деталей при сохранении пластичности в глубине металла.

В современном машиностроении используют различные технологические методы упрочнения поверхностей, позволяющие повысить эксплуатационные свойства деталей.

Однако, несмотря на большое разнообразие технологических методов повышения износостойкости поверхностей деталей, проблемный характер носит упрочнение стальных пластин штампов, работающих в условиях интенсивного абразивного износа.

Массовый характер производства изделий, например керамического и силикатного кирпича, и высокая себестоимость пластин штампов для их

формования создают серьезные технологические проблемы для производства конкурентоспособной продукции, необходимой для строительства (кирпич, блоки, изделия из керамических материалов и т.п.).

Поэтому разработка новых эффективных способов упрочнения рабочей поверхности и повышения долговечности деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа, в частности пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей, является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы: повышение износостойкости поверхности и долговечности пластин штампов для формования изделий из керамических и силикатных материалов путем упрочнения поверхностного слоя диффузионным порошковым борированием.

Объект исследования - износостойкость пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей методом прессования во взаимосвязи с упрочнением поверхностного слоя металла диффузионным борированием.

Предмет исследования - методы и средства технологического обеспечения по достижению износостойкой рабочей поверхности пластин штампов для прессования абразивосодержащих смесей.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

- теоретически обосновать обеспечение износостойкой поверхности стальных пластин диффузионным борированием;

- исследовать напряженное состояние абразивной смеси при прессовании в штампах и определить давление на различных участках пластин штампов для прогнозирования наиболее подверженных износу участков пластин;

- экспериментально исследовать влияние концентрации компонентов порошковой борсодержащей смеси на микротвердость и глубину упрочненного слоя;

- исследовать влияние технологических факторов на износостойкость пластин при прессовании абразивосодержащих смесей;

- выполнить испытания пластин штампов на износ в производственных условиях с построением топографии поверхности пластин;

- разработать рекомендации по повышению износостойкости пластин в условиях интенсивного абразивного износа.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием научных положений технологии машиностроения, законов механики сплошных сред и физики граничного трения, теории упругости и пластичности металлов, методов математического моделирования и теории многофакторного планирования эксперимента.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на современных ПК с использованием про-

граммного пакета МаЛСАБ и других стандартных и специально разработанных программ.

Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность научных результатов обеспечивается корректной математической постановкой задач, адекватно отражающих физические закономерности процессов изнашивания поверхности и упрочнения металла, сопоставлением теоретических результатов и экспериментальных данных, а также результатами производственных испытаний. Достоверность и воспроизводимость опытов подтверждают результаты статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна:

1. Выявлены взаимосвязи износостойкости поверхности пластин с режимами и условиями диффузионного упрочнения металла бором, которые позволили определить глубину упрочнения и прогнозировать формирование заданных эксплуатационных характеристик.

2. Впервые установлены взаимосвязи величины и глубины упрочнения металла с продолжительностью диффузионного насыщения поверхности бором для нового состава порошковой смеси (решение о выдаче патента на изобретение).

3. Установлены статистические показатели изменения топографии поверхности боковых и торцевых пластин штампов, упрочненных борирова-нием, после износа, вызванного прессованием абразивосодержащих смесей.

4. Определены показатели качества поверхностного слоя упрочненных борированием пластин, обеспечивающие повышение износостойкости до трех раз по сравнению с закаленными после цементации пластинами при прессовании керамических и силикатных изделий (кирпича).

5. Аналитически решена краевая задача диффузии бора в поверхность упрочняемой пластины, в зависимости от концентрации бора в бор-содержащей порошковой смеси, что позволило прогнозировать глубину упрочнения и рекомендовать равномерный нагрев порошковой смеси до начала диффузии для создания в ней однородной концентрации бора.

На защиту выносятся:

1. Аналитические выражения для оценки напряженного состояния уплотняемой при прессовании абразивосодержащей смеси.

2. Для прогнозирования зон интенсивного износа пластин предложена методика определения давления на различные участки пластин при прессовании смеси и выбивке уплотненного брикета материала из штампа.

3. Математические модели взаимосвязи параметров упрочненного слоя с технологическими факторами диффузионного насыщения при бори-ровании.

4. Результаты экспериментальных исследований изменения макрогеометрии пластин при износе с построением топографии поверхности пластин.

5. Результаты сравнительных испытаний износостойкости образцов из конструкционных углеродистых сталей, упрочненных борированием и цементацией, а также изготовленных из закаленной износостойкой легированной стали.

6. Аналитическое решение краевой задачи диффузии бора в поверхность металла в зависимости от концентрации бора в порошковой борсодержащей смеси.

7. Новый состав порошковой смеси для борирования стальных пластин с катализаторами для стабилизации диффузионного процесса при отсутствии герметизации контейнеров с пластинами.

8. Математическая модель влияния технологических факторов на износостойкость пластин штампов при прессовании.

Практическая ценность:

- разработана методика прогнозирования предельно допустимого износа пластин штампов;

- решена задача повышения износостойкости пластин штампов для прессования керамического и силикатного кирпича путем диффузионного борирования;

- разработан новый состав порошковой, борсодержащей смеси с катализаторами процесса диффузии;

- предложена технология диффузионного насыщения бором пластин из конструкционной низкоуглеродистой стали, что позволило повысить их долговечность в производственных условиях в 2,5...3 раза;

- разработана технология восстановления изношенных пластин штампов шлифованием и повторным борированием;

- внедрение результатов исследований на промышленных предприятиях страны позволило получить годовой экономический эффект в размере 225 ООО руб.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на ОАО «Завод Строммаш» (г. Пенза) и ОАО «Себряковский комбинат асбестоцементных изделий» (г. Михайловка Волгоградская обл.). Обеспечено повышение износостойкости и долговечности пластин штампов при изготовлении керамического кирпича методом полусухого прессования в 2.5...3 раза.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2008); Международной научно-практической конференции «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (Пенза, 2008); Всероссийском форуме «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2008); Международном симпозиуме «Надежность и качество - 2009» (Пенза, 2009); Международной научно-практической конференции «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009); научно-

техническом семинаре «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства» (Москва, 2009, 2010); Международной научно-технической конференции «Актуальные задачи машиноведения, деталей машин и триботехники» (Санкт-Петербург, 2010); Ме>едународной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2010); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (2007-2010).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получено решение о выдаче патента по заявке № 2009149278 «Порошкообразный состав для борирования стальных изделий».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и пяти приложений. Работа изложена на 145 страницах основного текста, включает 43 рисунка и девять таблиц.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, приведены цель и задачи исследования, а также изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору и анализу технологических способов повышения износостойкости поверхностей деталей. Проведен обзор литературных источников и опыта промышленности по теме диссертации. Существенный вклад в исследование стойкости материалов к воздействию незакрепленных абразивных частиц внесли такие ученые, как М. М. Хру-щов, М. А. Бабичев, В. Н. Кащеев, И. В. Крагельский, М. М. Тененбаум, В. Н. Ткачев, Б. И. Костецкий, В. Ф. Лоренц, С. И. Розенберг, П. И. Яще-рицын, А. Н. Мартынов и другие ученые.

Подробно проанализированы известные методы упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием, химико-термической обработкой и нанесением покрытий. Дана оценка физико-механическим свойствам и качественным характеристикам поверхностного слоя, получаемым при различных методах упрочнения. Показана эффективная область применения этих методов для упрочнения различных деталей.

На основе выполненного анализа показано, что для повышения износостойкости пластин штампов, работающих в условиях интенсивного абразивного износа при прессовании абразивосодержащих смесей, наиболее перспективным следует считать метод диффузионного порошкового борирования.

Этот метод позволяет получать поверхностные слои металла с высокой твердостью и износостойкостью, с физико-механическими характеристиками, обеспечивающими повышение долговечности пластин штампов при уплотнении абразивосодержащих смесей, при невысокой себестоимости пластин.

Во второй главе приведено теоретическое исследование износа боковых и торцевых пластин штампов при уплотнении абразивосодержащих смесей путем прессования.

Исследовано напряженное состояние уплотняемой смеси, что позволило определить наиболее значимые факторы, влияющие на износ. Одним из таких факторов является давление в зоне контакта уплотняемой абрази-восодержащей массы с поверхностью пластины штампа.

Схемы уплотнения, напряжений и сил, действующих на выделенный элементарный объем абразивосодержащей смеси, приведены на рис. 1. На верхнюю свободную поверхность засыпанной смеси, действует распределенная нагрузка q от пуансона штампа. Двумя параллельными сечениями 1—1 и 1-П выделим элементарный объем прессуемого материала толщиной сВг, длиной / и единичной шириной т. Вертикальные напряжения аЛ изменяются по высоте Ъ засыпки смеси, при этом примем распределение напряжений равномерным по горизонтальным участкам в плоскостях сечений 1-1 и Н-Н. Напряжения ау определяют давление на боковые пластины штампа, а напряжения ту учитывают наличие сил трения на боковых участках выделенного элемента.

/

/ /;

/■

//

///-

У77

¿Л

/ / / / / Л

; ; ; /

у11

/ /

<5

У

77777

77-ГГГГГГТ

а)

ТУ л

4

1

Рщр Рь

Л ' г

\ин 1 ■ -

Л

£

шр

б)

Рис. 1. Схемы: а - уплотнения; б - напряжений и сил, действующих на элементарный объем

Рассматривая условие равновесия выделенного элемента с учетом пористости и сжимаемости, получим после преобразований уравнения для определения напряжений, возникающих при прессовании в виде

zy = fmp-kil п+с?г)'еУ> &

где qn = а ■ к^ - уравнение С. С. Казакевича;

У Н Н Е tgq> 1 ah

qn — давление, создаваемое на уплотняющей пластине (нижней или верхней) штампа (пуансона), МПа; к - коэффициент уплотнения; q£ - давление, возникающее при уплотнении смеси (учитывает сцепление и внутреннее трение частиц уплотняемого материала), МПа; к - коэффициент бокового (распорного) давления (зависит от текущей ординаты А.); у - показатель степени; fmp и ф - коэффициент и угол внутреннего трения смеси, соответственно; а — эмпирический коэффициент (зависит от свойств уплотняемой смеси), МПа; ß — показатель степени (определяется экспериментально); Н- высота уплотненного брикета (изделия), мм; ДА - величина осадки смеси, мм; Л, - текущая ордината, отсчитываемая от плоскости уплотняющей пластины (пуансона), мм; С — сцепление частиц уплотняемой смеси, МПа.

| ) ( t \tb+Qe_

1 s

I

<38

ah

ВС

Рис. 2. Схема распределения напряжений при прессовании

Полученные зависимости позволяют установить характер изменения напряжений С/,, ау и ху в процессе уплотнения и после окончания прессо-

вания. Используя выражения (1—3), построим распределение напряжений при прессовании (рис. 2), из которого видно, что изменение напряжений ау и ху носит линейный характер по высоте Нуплотненной в брикет

смеси. Наклон эпюры по линии АВ свидетельствует о неравномерности уплотнения.

Процесс уплотнения абразивосодержащих смесей происходит при проскальзывании частиц относительно поверхностей боковых и торцевых пластин, что сопровождается интенсивным абразивным износом с образованием микростружек и рисок (царапин). Характер разрушения поверхностей пластин при износе зависит от состава уплотняемой смеси, наличия в ней частиц, микротвердость которых превышает микротвердость поверхности пластин штампов, и их размеров. Длина пути абразивных частиц, контактирующих с отдельными участками пластин при прессовании материала, неодинакова. Следовательно, и интенсивность износа по высоте пластин будет различной. Установлено, что наименьший износ происходит в начале и в конце активной зоны уплотнения. Полагая, что величина относительных перемещений изменяется по линейному закону, график перемещений частиц уплотняемой смеси представим в виде треугольника с высотой ДА (рис. 3). В начале движения пуансона относительное перемещение частиц смеси мало. При достижении высоты Л/г перемещение частиц относительно поверхности пластины штампа возрастает, а на участке Н снова уменьшается. Схема перемещения уплотненной смеси при выбивке уплотненного брикета смеси приведена на рис. 4.

уплотняемой смеси

Рис. 3. Схема перемещения частиц уплотняемой смеси при прессовании

уплотняемой смеси

4. Схема перемещения уплотненной в брикет смеси при выбивке

Приняв, что нормальное напряжение в уплотненном брикете а у эквивалентно давлению на пластину в месте контакта ее с уплотняемой смесью, выражение (2) представим в виде

р = к••

а

ААГ+_С_ Н) +18Ф

-Г -к-™

■>тр I

(4)

Зная основные характеристики уплотняемой абразивосодержащей смеси, можно определить величину давления на пластины штампа. Наибольший износ происходит на боковых пластинах штампа при перемещении частиц смеси под воздействием пуансона штампа. Поэтому построим эпюру давлений на боковые поверхности штампа для различной высоты засыпки И, равной 95, 115 и 135 мм. Тогда деформация по высоте АИ составит 7, 27 и 47 мм соответственно. Для стандартной абразивосодержащей смеси с влажностью 8 %, используемой для прессования кирпича, основные характеристики составят: а = 3><103 МПа; Р = 8; С = 2 МПа; ф = 20°; к = 0,1...0,4; / = 248 мм-,/тр= 1§ф = 0,36. Эпюры давлений, построенные для этих данных, приведены на рис. 5.

В начальный момент (при уплотнении смеси) давление на стенки резко увеличивается (нижняя пластина штампа), а затем несколько уменьшается к верхней пластине штампа. Наибольшее влияние на величину давления оказывает величина засыпки, необходимая для получения равно-плотного и равнопрочного брикета. С увеличением величины засыпки давление на пластины штампа резко возрастает. Давление в зоне деформации Д/г определялось по выражению (4).

В третьей главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований формирования борированного слоя при химико-термической обработке пластин в порошковом боризаторе на основе техни-

ческого карбида бора В4С. Борированный слой характеризуется структурой, микротвердостью, глубиной упрочнения и различными дефектами.

Установлено, что наибольшей износостойкостью в условиях интенсивного абразивного износа обладают поверхностные слои, состоящие из двух фаз боридов РеВ и Ре2В (рис. 6), микротвердость которых достигает 12000... 17000 и 18000...23000 МПа, соответственно.

Дана оценка возможным дефектам двухфазного борированного слоя, которые обусловлены возникновением остаточных напряжений (трещины, сколы и отслаивание). Поэтому рекомендуется ограничивать толщину диффузионного слоя величиной 0,1...0,2 мм, что позволяет предотвратить появление отмеченных дефектов для пластин из стали 20.

Исследован процесс диффузии бора из слоя порошковой смеси конечной толщины И в полуограниченное тело с отражающей границей. Роль отражающей границы играла верхняя поверхность смеси с окисным слоем. Поскольку в слое порошка толщиной к бор содержится не «в чистом виде», а входит в химические соединения, то естественно предположить, что его концентрация Щх, 0 в слое подчиняется закону нормального распределения с центром в точке х = а и дисперсией а (рис. 7).

Фаза Рев

Фаза РегВ

ерахадная зона ! )

снрбной металл - ''¿С-О.///^-

Рис. 6. Схема микроструктуры борированного слоя

Рис. 7. Схема диффузии бора в металл

Методом косинус-преобразования Фурье получено аналитическое решение краевой задачи диффузии бора в полуограниченное тело:

1 4Р,

Ф

= = 2а2., 42»

ЛГп

4 ^ЕН

'Р ' /

' +Ф

V

Чь-

+е

й. 4Р,

Ф

12_ 2А

•е 3 х

+Ф

2А

(5)

где До - концентрация бора до начала диффузии; Б - коэффициент диффузии; / - время диффузии; л' - толщина диффузионного слоя; а - центр распределения; о - дисперсия;

1 1г. а . х п а" х~ „' а х

2ЁЙ'

1 о ах,,

«2 *2

2а о ^ 2о — а"

Используя программу Ма^САО, для принятых значений технологических факторов и коэффициентов, были построены графические зависимости влияния концентрации бора в порошковой смеси на глубину упрочнения. Показано (рис. 8), что с уменьшением дисперсии концентрация бора в порошковой смеси существенно падает, следовательно, фактор локализации бора замедляет его диффузию. Диффузия происходит из обедненного бором слоя порошковой смеси, что приводит к появлению так называемого «эффекта иглы» (см. рис. 6 и 10). Поэтому рекомендуется плавное прогревание поверхностного слоя для равномерного распределения бора в смеси до начала его диффузии в металл.

С от ей. ОЛ

1- СШ.а.а!

2-СШ.1.а10'3

3- СШ.'.а!

4- СШ.$.а!аг

01 О

: Л-

Ърт.

........ 2......3 ............. г 4

50

100 150 к мкм Рис. 8. Распределение бора при разных значениях дисперсии

Установлено (рис. 9), что с приближением центра распределения а концентрации к верхней границе металла (см. рис. 7) концентрация диффундирующего бора в поверхностных слоях металла существенно возрастает, что приводит к образованию однородного слоя боридов.

Приведены результаты исследования влияния основных технологических факторов - концентрации карбида бора (В4С) и древесного угольного карбюризатора (ДУ) в порошковой смеси, а также времени (/) диффузии бора на микротвердость (Н\1) поверхности и глубину (И) диффузионного борированного слоя. Эксперименты были выполнены по методике многофакторного планирования, что позволило получить математические модели в виде

Нц = - 3,62 + 0,392 В4С + 1,308ДУ + 2,015/-0,0304 В4С • ДУ --0,176ДУ ■ Г-0,038 В4С • Г+ 0,0038 В4С -ДУ • V, И = -8,75 - 32 В4С + 1 ОДУ -23,75/- 0,25 В4С • ДУ + 0,625 В4С • I.

С от. вд. 1

1- С(к№.а1

2- ClKta.ll

0.5

• • - ' - ' О

50 100 150 К мкм Рис. 9. Распределение бора по глубине упрочненного слоя (для различных значений центра группирования концентрации бора в смеси)

Проверка по критерию Фишера показала, что модели являются адекватными с доверительной вероятностью 95 %.

Результаты исследований показали, что стабильный двухфазный упрочненный слой образуется при борировании пластин из стали 20 с предварительной цементацией в порошке следующего состава:

50 % В4С + 5 % № + 7 % ДУ +

+ 38 % (75 % Ре304 + 25 % ВГКЦ-75-0,5),

при температуре 950 °С, продолжительности процесса диффузионного насыщения материала в течение 6 ч (ВГКЦ-75-0,5 - высокоглиноземистый коррозионностойкий цемент на основе алюминатов кальция ТУ5737-006-00284345-99). Толщина упрочненного слоя в результате борирования достигает 130...155 мкм, а микротвердость составляет 17500. ..18500 МПа.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям формирования качественных характеристик поверхностного слоя и износостойкости образцов, упрочненных борированием в порошковой смеси предложенного состава.

Большое влияние на износ деталей оказывает шероховатость поверхности. Поскольку упрочнение пластин штампов диффузионным борированием является финишной операцией, то были выполнены исследования влияния борирования на исходную шероховатость поверхности образцов. Измерения шероховатости проводились на профилометре-профилографе «Сейтроник ПШ8-4». На рис. 11 приведена диаграмма изменения шероховатости поверхности образцов до и после борирования, а на рис. 12 представлены профилограммы этих поверхностей.

Полученные результаты свидетельствуют о незначительном изменении параметров микрорельефа поверхности после борирования.

\2

11

Рис. 10. Микроструктура борированного слоя, х200

I

■ шероховатость поверхности до борирования й шероховатость поверхности после борирования

Рис. 11. Диаграмма изменения шероховатости поверхности

до и после борирования (время борирования Г = 6 ч; температура борирования Т= 950 °С)

гД-'-Ип

Л/У ^ \

1 ' ' I --С- ■ ...... ■■■!

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

650 700

Я> * 0.Шж. Ят' 2857жп Й! - 2.3395т • 87,75жм, ¡'2042нкп

ЖГП

Ш\25\'30М0Х50\ ьи 7}! '■'70 Щ щ .90 \ Ж]

л ■ 1л '! ^

П к » ; .\

......IV ■ ..........:.........Г........!........гЛ ........1..........!......... ......|......{.......Ш'

—___—, .,. ..., ,...-—------ .,.... ..,.....—, , , ,

1

0,5 0 -0,5 -1 -1,5

600

1 000 1 200 1 400 1 600 1 600 2 000

Яа * 0.500мт Ятх • 3.214 пт. Яг - 2.583тн. 13750 жм. 5- К,40 мт

щхтшшгиг«\штшв\жш

Рис. 12. Профилограммы и параметры шероховатости: а - исходная; б - после борирования (г = 6 ч)

После борирования происходит также изменение линейных размеров пластин. Отмечается некоторое увеличение размеров, причем при толщине борированного слоя 0,15 мм контролируемые размеры увеличились на 0,07±0,001 мм, а при толщине слоя 0,18 мм — на 0,095±0,001 мм. Таким образом, величина приращения размеров зависит от глубины борированного слоя, что необходимо учитывать при проектировании технологии упрочнения пластин штампов.

Исследование влияния технологических факторов на износостойкость пластин штампов проводились на машине трения на образцах по методике многофакторного планирования, что позволило сократить объем опытов и повысить достоверность результатов.

В результате поисковых однофакторных экспериментов и на основании анализа производственных условий при исследовании процесса износа образцов переменными были приняты следующие технологические факторы: частота вращения системы п, мин"1 (скорость относительного движения v, м/с); нагрузка на образцы Р, Н (давление р, МПа); зернистость абразивного материала г, мм; время обработки г, мин.

В качестве параметра оптимизации был принят массовый съем (износ) металла , мг, который определялся взвешиванием образцов до и после обработки на аналитических весах.

В качестве шлифующего материала использовалась абразивная шкурка на тканевой основе различной зернистости. Образцы из стали 20, как и пластины штампов, подвергались цементации с закалкой и цементации с последующим диффузионным борированием с закалкой.

При исследовании был реализован полный факторный эксперимент типа 24 по методике ротатабельного композиционного униформ-планирования.

Получены математические модели, характеризующие влияние основных технологических факторов на износ поверхностного упрочненного слоя образцов после упрочнения борированием в порошках Q и цементации с закалкой

А«бШ) = 171,54-203,64л-56,49р-64,7г + 0,19г-0,0013ир + 0,003яг + + 1,22Рг - 0,012/4 + 0,0007я2 + 0,031Р2+ 17,46г2 + 0,014г2;

Диц(е') = 479,7 - 595, Оп - 169,4 Р - 187,83г + 0,24г - 0,004иР + 0,008«; + + 3,45Рг- 0,033/4 + 0,0019п2 + 0,087Р2 + 45,11г2 + 0,04г2.

Для графической иллюстрации влияния отдельных технологических факторов на приведенный износ с образцов были построены частные двухфакторные зависимости (рис. 13,14).

Установлено, что наиболее значимыми факторами, влияющими на износ поверхностного слоя стальных пластин упрочненных борированием и цементацией, являются скорость движения пластины и давление. Следовательно можно прогнозировать работоспособность пластин штампов при назначении режимов прессования.

1 ...............¡.?.......¡.-. .....)1..............................♦.......................-........................!........................

О/. Ц.8 ОЯ ¿.км

Рис. 13. Зависимость износа Рис. 14. Зависимость износа от давления

от времени и скорости движения и зернистости абразивного материала

Величина предельно допустимого износа исследовалась в производственных условиях при прессовании керамического кирпича методом полусухого прессования на пластинах штампов из стали 20, упрочненных закалкой с предварительной цементацией и борированием. Количество кирпича, изготовленного на одном штампе составило 650—700 тыс. шт. Износ измерялся на 50 торцевых и 50 боковых пластинах. Измерения производились индикатором (цена деления 0,001 мм) в узлах сетки, нанесенной в рабочей зоне пластин. При измерении учитывались погрешности изготовления. На основе статистической обработки результатов измерений были построены топографии поверхностей боковых и торцевых пластин штампов после износа (рис. 15).

Рис. 15. Топография поверхности предельного износа боковых пластин

Анализ полученных топографий поверхностей свидетельствует, что износ боковых пластин штампов (рис. 15), которые в два раза длиннее торцевых, существенно больше, чем износ торцевых (рис. 16). Значения среднего износа в различных точках боковых и торцевых пластин штампов приведены в табл. 1. Аналогичные исследования топографии поверхностей износа пластин штампов, изготовленных по заводской технологии путем цементации с закалкой, показали, что стойкость пластин снизилась прак-

тически в три раза. Количество кирпича, произведенного на штампе, составило лишь 250-300 тыс. шт., после чего потребовалась замена пластин из-за возникновения дефектов на изделиях.

Таблица 1

Значения среднего износа боковых и торцевых пластин

Средний износ боковых пластин, мкм Средний износ торцевых пластин, мкм

№ 1 - :2 ■ ■3 4 , 6 ■7 8 9 И) И № 1 а - 4 5 6

I 33 147 127 166 175 189 163 103 56 45 60 1 72 77 42 57 46 29

и 5 342 355 475 536 393 399 392 287 255 84 и 36 59 119 43 48 53

11! 15 277 224 260 253 266 250 212 170 170 59 Ш 0 32 100 30 14 18

IV 5 133 118 130 134 146 130 86 65 76 62 IV 10 47 106 29 29 12

V 26 191 178 174 161 198 166 100 76 90 6 V 33 78 116 46 22 18

VI 6 102 39 6 2 12 6 28 32 152 32 VI 70 82 79 61 37 8

Статистическая обработка результатов измерений с оценкой по критерию Колмагорова показала, что распределение замеров износа подчиняется закону нормального распределения. Допустимая величина предельного износа пластин составляет от 0,3 до 0,5 мм на сторону.

Проведенные сравнительные испытания на износ показали, что износостойкость образцов, подвергнутых борированию, в 2...2,5 раза выше, чем у образцов из цементованной стали, ив 1,5...2 раза выше, чем у образцов из стали 14ХГС.

В пятой главе показана перспективность практического применения технологии повышения износостойкости пластин штампов путем упрочне-

ния поверхности борированием на основе разработанного нового состава порошковой борсодержащей смеси. Приведены практические рекомендации по выбору параметров технологических режимов упрочнения, состава смеси, оборудования и оснастки для обеспечения условий эффективной диффузии бора.

Разработана технология восстановления изношенных стальных пластин штампов повторным борированием при предварительном шлифовании поверхностей пластин.

Выполнено обоснование технико-экономической эффективности внедрения результатов исследований в производство. Получен значительный экономический эффект за счет уменьшения простоя оборудования и повышения качества кирпича при использовании новых износостойких пластин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе аналитического обзора литературных источников и опыта промышленности показана взаимосвязь показателей износостойкости пластин штампов с диффузионным упрочнением поверхности борированием.

2. Для оценки интенсивности износа поверхностей пластин при прессовании предложена методика определения давления уплотняемой аб-разивосодержащей смеси на боковые и торцевые пластины штампов.

3. Установлено, что интенсивность износа пластин штампов при прессовании абразивосодержащих смесей определяется главным образом величиной давления на абразивную среду, которое составляет от 300 до 2000 МПа, и скоростью движения пуансона от 0,1 до 0,2 м/с. Обеспечено повышение износостойкости пластин за счет упрочнения поверхности диффузионным борированием в новом порошковом составе в 2,5...3 раза по сравнению с цементацией и закалкой на промышленных предприятиях.

4. Разработаны математические модели оценки износа поверхностного слоя в зависимости от технологических факторов при прессовании керамических и силикатных изделий. Допустимая величина износа пластин составляет 0,3...0,5 мм.

5. Предложен новый состав смеси для диффузионного борирования в порошках, позволяющий увеличить глубину диффузионного слоя на 20...35 мкм при многократном использовании смеси, увеличить насыщающую способность поверхности металла бором и повысить технологичность процесса за счет возможности использования атмосферы печи без герметизации контейнеров с деталями.

6. Теоретически исследован процесс диффузии, что позволило прогнозировать глубину упрочненного слоя в зависимости от концентрации бора в порошковой смеси и времени диффузии, предотвратить охрупчива-ние упрочненного слоя и образование дефектов в виде сколов, трещин и отслаивания металла.

7. Получены эмпирические зависимости для определения микротвердости и глубины износостойкого слоя при варьировании компонентов борсодержащей смеси и времени диффузионного насыщения.

В. Годовой экономический эффект за счет уменьшения простоя прессов, увеличения выпуска кирпича и повышения его качества при использовании износостойких пластин, упрочненных диффузионным борировани-ем, составил 225 ООО руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Игонин, В. А. Совершенствование технологии борирования стальных пластин [Текст] / В. А. Игонин, В. О. Соколов, А. И. Игонин // Вестник СГТУ. - 2009. -№ 3 (41). - С. 167-169.

2. Игонин В. А. Повышение долговечности борированных пластин штампов после абразивного износа [Текст] / В. 3. Зверовщиков, А. Н. Машков, В. А. Игонин // Новые промышленные технологии - 2010. -№4. - С. 24-26.

Публикации в других изданиях

3. Игонин, В. А. Повышение износостойкости сменных пластин штампов [Текст] / В. А. Игонин // Наука и инновации в технических университетах : материалы Всероссийского форума. - СПб., 2008. - С. 153-154.

4. Игонин, В. А. К вопросу моделирования процесса абразивного изнашивания [Текст] / В. А. Игонин, В. О. Соколов, А. И. Игонин // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектами CAD/CAM/CAE/PDM : материалы Международной практической конференции. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2008. - С. 53-56.

5. Игонин, В. А. Повышение работоспособности сменных пластин штампов для прессования кирпича [Текст] / В. А. Игонин, В. О. Соколов,

A. И. Игонин // Технологическое обеспечение качества машин и приборов : материалы Международной практической конференции. - Пенза : Приволжский дом знаний, 2008. - С. 24-28.

6. Игонин, В. А. Исследование закономерностей процесса борирования стальных деталей [Текст] / В. А. Игонин // Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства : сборник материалов научно-технического семинара. - М.: МАМИ, 2009. - С. 208-213.

7. Игонин, В. А. Борирование как способ повышения эксплуатационных свойств стальных деталей [Текст] / А. И. Игонин, В. О. Соколов,

B. А. Игонин // Прогрессивные технологии и оборудование механосбороч-

ного производства : сборник материалов научно-технического семинара. -М.: МАМИ, 2009. - С. 194-198.

8. Игонин, В. А. Повышение эксплуатационной надежности стальных пластин штампов для производства кирпича [Текст] / В. О. Соколов, В. А. Игонин // Надежность и качество : материалы Международного симпозиума. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - С. 178-180.

9. Игонин, В. А. Инновационная технология восстановления эксплуатационных характеристик пластин штампов [Текст] / В. А. Игонин, В. О. Соколов, А. И. Игонин // Формообразование и обеспечение качества техногенных систем : материалы Международной практической конференции. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. - С. 53-56.

10. Игонин, В. А. Изменение свойств материала и его характеристик в результате диффузионного насыщения поверхностей пластин штампов [Текст] / В. А. Игонин // Формообразование и обеспечение качества техногенных систем : материалы Международной практической конференции. -Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. - С. 49-53.

11. Игонин, В. А. Особенности процесса диффузии и образования упрочненного слоя при борировании сталей [Текст] / В. А. Игонин // Актуальные задачи машиноведения, деталей машин и триботехники : материалы Международной научно-технической конференции / БГТУ им. Д. Ф. Устинова. - СПб.: БГТУ, 2010. - С. 212-215.

12. Игонин, В. А. Влияние условий термодиффузионного борирова-ния на износостойкость конструкционных материалов [Текст] / В. 3. Зверовщиков, В. А. Игонин, А. Н. Машков // Технологическое обеспечение качества машин и приборов : материалы Международной практической конференции. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2010. - С. 32-35.

13. Игонин, В. А. Об износе стальных пластин штампов, упрочненных борированием, для изготовления керамических деталей [Текст] / В. А. Игонин // Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства : сборник материалов научно-технического семинара. -М.: МАМИ, 2010. - С. 115-119.

14. Решение о выдаче патента на изобретение № 2009149278/02 (072875) РФ, МПК С23С8/70 от 28.12.2009. Порошкообразный состав для борирования стальных изделий / Игонин В. А., Соколов В. О., Резник Е. А., Игонин А. И.

Научное издание

ИГОНИН Владислав Анатольевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПЛАСТИН ШТАМПОВ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ АБРАЗИВОСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Подписано в печать 24.11.2010. Формат 60x84Vi6. Усл. печ. л.1,16. Заказ №715. Тираж 100.

Издательство ПГУ Пенза, Красная, 40, т.: 56-47-33

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ. и

1.1 Упрочнение поверхности путем пластического деформирования.

1.2 Упрочнение поверхностей деталей нанесением износостойких покрытии. 1У

1.3 Химико-термические методы упрочнения поверхности.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНОГО

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АБРАЗИВНЫХ ЧАСТИЦ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ПЛАСТИН ШТАМПОВ ПРИ УПЛОТНЕНИИ АБРАЗИВОСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ. ^

2.1 Особенности формования изделий из абразивосодержащих смесей.

2.2 Исследование напряженного состояния уплотняемой массы сыпучего материала.

2.3 Исследование износа боковых пластин штампов при прессовании.

2.4 Определение контактного давления при уплотнении абразивосодержащих смесей в штампе.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

СТАЛЬНЫХ ПЛАСТИН ШТАМПОВ ДИФФУЗИОННЫМ БОРИРОВАНИЕМ.

3.1 Структура и свойства борированного слоя.

3.2 Теоретическое исследование процесса диффузии бора в поверхность упрочняемой детали.

3.3 Разработка нового состава для порошкового борирования.

3.4 Экспериментальные исследования влияния концентрации диффундирующих элементов и времени насыщения на качественные показатели упрочненного слоя.

3.5 Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПЛАСТИН, УПРОЧНЕННЫХ ДИФФУЗИОННЫМ БОРИРОВАНИЕМ.

4.1 Изменение микрорельефа поверхности и размеров деталей после борирования.

4.2 Влияние технологических факторов на износостойкость образцов после борирования.

4.3 Топографии поверхности износа.

4.4 Исследование износостойкости упрочненного поверхностного слоя в условиях контактного трения.

4.5 Выводы. -[уз

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Технология диффузионного упрочнения пластин штампов для прессования керамических и силикатных материалов.

5.2 Технология восстановления изношенных борированных пластин штампов.

5.3 Технико-экономическая эффективность внедрения новой технологии упрочнения поверхностей пластин штампов борированием.

5.4 Выводы.

Повышение качества продукции является необходимым условием развития машиностроения при жесткой конкуренции предприятий.

Работа промышленного оборудования, машин и механизмов сопровождается изнашиванием сопрягаемых деталей, рабочих органов и инструментов. Изнашивание сопровождается изменением формы, размеров и состояния поверхностей деталей, что приводит к снижению функциональных свойств и производительности технологического промышленного оборудования, возрастанию вероятности отказа. До 80 % машин и технологического оборудования выходят из строя вследствие износа трущихся деталей. Износостойкость деталей определяет затраты на поддержание оборудования и машин в работоспособном состоянии, влияет на себестоимость производимой продукции.

Сроки службы деталей машин и механизмов в значительной мере определяются состоянием поверхностных слоев металла. Причины, ограничивающие долговечность деталей, такие как износ, усталостные и коррозионные разрушения, обычно проявляются в поверхностных слоях металла.

Для повышения эксплуатационных свойств деталей в современном машиностроении используются различные технологические методы упрочнения поверхностей.

Технология упрочнения поверхностей деталей направлена на повышение физико-механических свойств поверхностного слоя металла, увеличение поверхностной твердости до заданных значений, формирование остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях деталей, а также уменьшение шероховатости поверхности.

Технологические методы упрочнения поверхностей многообразны. Их можно разделить на несколько групп. К первой группе относится получившее широкое распространение в промышленности упрочнение поверхностным пластическим деформированием (ППД). Это накатывание роликами и шариками наружных поверхностей, а также раскатывание и дорнование отверстий, выглаживание обрабатываемой поверхности деформирующим инструментом из твердого сплава или стальной дроби, чеканка при помощи специальных бойков с округленной рабочей частью, упрочнение взрывом и другие методы ППД.

Вторую группу методов упрочнения составляют процессы термической и химико-термической обработки (ХТО).

Широкое применение получили такие методы как поверхностная закалка поверхностей деталей токами высокой частоты или газопламенным нагревом, цементация, нитроцементация, азотирование и борирование для повышения износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности деталей; сульфидирование для повышения сопротивляемости трущихся поверхностей схватыванию и задирам, особенно в условиях граничного трения; сульфоцианирование и др.

Третью группу упрочняющих методов составляют различные покрытия, как металлические, так и неметаллические.

Это хромирование для повышения износостойкости и коррозионной стойкости; химическое никелирование для повышения износостойкости преимущественно алюминиевых сплавов; фосфатирование, которое применяют для увеличения антифрикционных свойств и износостойкости подвижных сопряжений; покрытие дисульфидом молибдена также применяют для повышения антифрикционных свойств, например, поршней из алюминиевых сплавов.

Четвертую группу методов упрочнения составляют процессы наплавки и напыления материалов с высокими эксплуатационными характеристиками для повышения износостойкости, например твердыми сплавами стеллитом, сормайтом и др.

Однако, несмотря на большое количество технологических методов для повышения износостойкости поверхностей деталей, проблемный характер носит научно-обоснованный выбор наиболее эффективной упрочняющей технологии и определение режимов упрочнения для получения заданных свойств деталей.

Поэтому совершенствование известных и разработка новых технологических методов, обеспечивающих упрочнение рабочей поверхности и повышение долговечности деталей, работающих в условиях абразивного износа, в частности, пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей, является актуальной научно-технической задачей.

Наиболее эффективным способом для уменьшения абразивного износа при сравнительно малых скоростях скольжения и больших контактных давлениях является повышение поверхностной твердости металла путем борирования в твердой среде (порошкообразной смеси).

Цель диссертационной работы: повышение износостойкости поверхности и долговечности пластин штампов для формования изделий из керамических и силикатных материалов путем упрочнения поверхностного слоя диффузионным порошковым борированием.

Объект исследования — износостойкость пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей методом прессования во взаимосвязи с упрочнением поверхностного слоя металла диффузионным борированием.

Предмет исследования - методы и средства технологического обеспечения по достижению износостойкой рабочей поверхности пластин штампов для прессования абразивосодержащих смесей.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием научных положений технологии машиностроения, законов механики сплошных сред и физики граничного трения, теории упругости и пластичности металлов, методов математического моделирования и теории многофакторного планирования эксперимента.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на современных персональных компьютерах с использованием программного пакета МаШСАГ) и других стандартных и специально разработанных программ.

Научная новизна.

1. Выявлены взаимосвязи износостойкости поверхности пластин с режимами и условиями диффузионного упрочнения металла бором, которые позволили определить глубину упрочнения и прогнозировать формирование заданных эксплуатационных характеристик.

2. Впервые установлены взаимосвязи величины и глубины упрочнения металла с продолжительностью диффузионного насыщения поверхности бором для нового состава порошковой смеси (решение о выдаче патента на изобретение).

3. Установлены статистические показатели изменения топографии поверхности боковых и торцевых пластин штампов, упрочненных борированием, после износа, вызванного прессованием абразивосодержащих смесей.

4. Определены показатели качества поверхностного слоя упрочненных борированием пластин, обеспечивающие повышение износостойкости до трех раз по сравнению с закаленными после цементации пластинами при прессовании керамических и силикатных изделий (кирпича).

5. Аналитически решена краевая задача диффузии бора в поверхность упрочняемой пластины, в зависимости от концентрации бора в борсодержащей порошковой смеси, что позволило прогнозировать глубину упрочнения и рекомендовать равномерный нагрев порошковой смеси до начала диффузии для создания в ней однородной концентрации бора.

На защиту выносятся:

1. Аналитические выражения для оценки напряженного состояния уплотняемой при прессовании абразивосодержащей смеси.

2. Для прогнозирования зон интенсивного износа пластин предложена методика определения давления на различные участки пластин при прессовании смеси и выбивке уплотненного брикета материала из штампа.

3. Математические модели взаимосвязи параметров упрочненного слоя с технологическими факторами диффузионного насыщения при борировании.

4. Результаты экспериментальных исследований изменения макрогеометрии пластин при износе с построением топографии поверхности пластин.

5. Результаты сравнительных испытаний износостойкости образцов из конструкционных углеродистых сталей, упрочненных борированием и цементацией, а также изготовленных из закаленной износостойкой легированной стали.

6. Аналитическое решение краевой задачи диффузии бора в поверхность металла в зависимости от концентрации бора в порошковой борсодержащей смеси.

7. Новый состав порошковой смеси для борирования стальных пластин с катализаторами для стабилизации диффузионного процесса при отсутствии, герметизации контейнеров с пластинами.

8. Математическая модель влияния технологических факторов на износостойкость пластин штампов при прессовании.

Практическая ценность: разработана методика прогнозирования предельно допустимого износа пластин штампов; решена задача повышения износостойкости пластин штампов для прессования керамического и силикатного кирпича путем диффузионного борирования; разработан новый состав порошковой, борсодержащей смеси с катализаторами процесса диффузии; предложена технология диффузионного насыщения бором пластин из конструкционной низкоуглеродистой стали, что позволило повысить их долговечность в производственных условиях в 2,5. .3 раза; разработана технология восстановления изношенных пластин штампов шлифованием и повторным борированием; внедрение результатов . исследований на промышленных предприятиях страны позволило получить годовой экономический эффект в размере 225 ООО руб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2008); Международной научно-практической конференции «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектами САБ/САМ/САЕ/РОМ» (Пенза, 2008); Всероссийском форуме «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2008); Международном симпозиуме «Надежность и качество - 2009» (Пенза, 2009); Международной научно-практической конференции «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009); научно-техническом семинаре «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства» (Москва, 2009, 2010); Международной научно-технической конференции «Актуальные задачи машиноведения, деталей машин и триботехники» (Санкт-Петербург, 2010); Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2010); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (2007—2010).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получено решение о выдаче патента по заявке № 2009149278/02(072875) «Порошкообразный состав для борирования стальных изделий».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и пяти приложений. Работа изложена на 145 страницах основного текста, включает 43 рисунка и девять таблиц.

Результаты исследования свидетельствуют о небольшом увеличении размеров детали. Основной причиной изменения размеров деталей в процессе борирования является изменение удельного, объема поверхностных слоев металла за счет трансформации кристаллической решетки железа в решетку боридов железа. Бориды железа РеВ и Ре2В имеют различную плотность - 7,15 о и 7,32 г/см , соответственно. Следует отметить, что изменения размеров в результате борирования не превышают изменения размеров при других видах химико-термической обработки, в частности при азотировании. При постоянных параметрах процесса насыщения поверхности металла бором (температура, время, состав порошковой смеси) изменение размеров носит стабильный характер, что позволяет учесть их изменение при проектировании, соответствующими допусками. Установлено, что изменение размеров не столько связано с температурно-временным режимом насыщения, сколько с глубиной и фазовым составом борированного слоя. Кроме того, при прочих равных условиях, изменение размеров зависит от химического состава (марки) стали, так как при одинаковых режимах борирования образуются диффузионные слои различной глубины и фазового состава.

Борирование стальных пластин штампов является финишной операцией. Поэтому диффузионное насыщение пластин необходимо производить с обеих сторон, так как симметричная схема борирования приведет к минимальной величине коробления. При этом, если по каким-либо причинам будет иметь место коробление пластин, то значительная величина допусков на толщину пластины и отклонение от плоскостности (см. рис. А2) позволит не вводить дополнительную механическую обработку.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что пластины штампов, подвергаемые борированию, должны быть изготовлены с шероховатостью соответствующей требованиям чертежа, а размеры некоторых пластин могут быть при необходимости скорректированы с учетом возможности их увеличения после борирования.

4.2 Влияние технологических факторов на износостойкость образцов после борирования

Для оценки износостойкости борированной стали были выполнены экспериментальные исследования на образцах путем моделирования условий износа на машине трения.

На процесс износа оказывает влияние целый ряд факторов. Можно выделить следующие факторы, определяющие процесс износа: частота вращения ротора машины (скорость движения образца); твердость и размеры абразивных частиц; время обработки; физико-механические свойства обрабатываемого материала; исходная шероховатость обрабатываемой поверхности; поверхностно-активные вещества; нагрузка на образцы (определяет величину контактного давления).

Исследование износа проводилось по методике многофакторного планирования экспериментов с построением математической модели процесса.

В результате поисковых однофакторных экспериментов и на основании анализа априорной информации в качестве переменных факторов были приняты:

1) П - частота вращения ротора, мин"1 (скорость движения образца У,м/с);

2) Р- нагрузка, Н (контактное давление, МПа) ;

3) Z - зернистость абразивных частиц, мм;

4) t - время обработки, мин.

В качестве параметра оптимизации для оценки интенсивности износа был принят массовый съем металла Q в миллиграммах, который определялся взвешиванием образцов на аналитических весах АДВ - 20 ОМ до и после износа на машине трения.

В качестве абразивного материала использовалась абразивная шкурка на тканевой основе из электрокорунда нормального марки 15А различной зернистости.

Для определения взаимосвязи параметров процесса износа был реализован полный факторный эксперимент 24 по методике ротатабельного композиционного униформ-планирования [102].

Уровни и интервалы варьирования факторов приведены в таблице 4.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРТИЗЫ

21) Заявка № 2009149278/02(072875)

22) Дата подачи заявки 28.12.2009

24) Дата начала отсчета срока действия патента 28.12.2009

ПРИОРИТЕТ УСТАНОВЛЕН ПО ДАТЕ

22) подачи заявки 28.12.2009

72) Автор(ы) Игонин В.А., Игонин А.И., Соколов В.О., Резник Е.А., 1Ш

73) Патентообладатель(и) Игонии Владислав Анатольевич, ЬШ

54) Название изобретения ПОРОШКООБРАЗНЫЙ СОСТАВ ДЛЯ БОРИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

ВНИМАНИЕ! С целью исключения ошибок просьба проверить сведения, приведенные в заключении, т.к. они без изменения будут внесены в Государственный реестр изобретений Российской Федерации, и незамедлительно сообщить об обнаруженных ошибках. см на обороте)

01 1

188

Форма № 01а

21)2009149278/02

51) МПК

С23С 8/70 (2006.01)

Порошкообразный состав для борирования стальных изделий, содержащий карбид бора, фтористый натрий, углеродосодержащее вещество, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ВГКЦ -750,5, а в качестве углеродосодержащего вещества древесный угольный карбюризатор при следующем соотношении компонентов, мае. %: Карбид бора 45-65

Фтористый натрий 5-8

ВГКЦ -75-0,5 30-35

Древесный угольный карбюризатор 8-12

56) 811 1712462 А1, 15.02.1992; 8У 1673637 А1, 30.08.1991;

МПК С23С 8/70

ПОРОШКООБРАЗНЫЙ СОСТАВ ДЛЯ БОРИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ

ИЗДЕЛИЙ

Заявляемое изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может быть применено для повышения износостойкости поверхностных слоев сплавов на основе железа в машиностроении, станкостроении, на предприятиях строительной индустрии и в других отраслях промышленности.

Известны составы порошковых насыщающих сред на основе карбида бора, галогенных соединений щелочноземельных металлов в качестве активаторов, наполнителей: окиси алюминия или железной окалины [1,2,3,4].

Основными недостатками известных составов, является необходимость герметизации контейнеров с борируемыми деталями, недостаточная скорость насыщения и снижение насыщающей способности смеси.

Наиболее близким к изобретению является порошкообразный состав для борирования стальных изделий [3], включающий следующие компоненты, масса в %: карбид бора 45-65 фтористый натрий 3-7 железная окалина 20-25 графит 4-8 доломит 7-15

Применяемый порошкообразный доломит содержит М^С03 и СаС03 в процентном отношении (30-70). При нагреве насыщающей смеси, содержащей доломит, происходит его диссоциация:

1) МдС03 распадается на МдО и С02, интервал распада от 590°С до 800°С.

2) СаС03 распадается на СаО и С02, интервал распада от 725°С до 930°С.

При этом положительное влияние газовой фазы (двуокиси углерода С02), которая уменьшает окисление смеси, а также интенсифицирует доставку бора к насыщаемой поверхности изделия, уменьшается с повторным использованием порошкообразного состава, снижая тем самым насыщающую способность смеси.

Техническим результатом является повышение насыщающей способности состава и повышение его технологичности, за счет возможности использования печной атмосферы.

Это достигается тем, что порошкообразный состав содержащий карбид бора и фтористый натрий, согласно предлагаемому изобретению, дополнительно содержит следующие компоненты, масса в %: карбид бора 45-65 фтористый натрий 5-8

ВГКЦ -75-0,5 30-35 древесный угольный карбюризатор 8-12

ВГКЦ-75-0,5 - высокоглиноземистый коррозионно-стойкий цемент на основе алюминатов кальция (ТУ5737-006-00284345-99).