авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 ||

«Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» Д.Н. Коротаев ...»

-- [ Страница 5 ] --

tp3 2,32;

tp12 0,13;

tp13 2,77;

tp23 0,04;

tp123 1,28.

Число степеней свободы df = N – 1 = 8 – 1 = 7. Уровень значимо сти принимаем = 0,05. Табличное значение критерия Стьюдента при df = 7 и для = 0,05 составляет tp = 1,895.

Проверка значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента показала, что коэффициенты b12, b23, b123 являются незна чимыми. Следовательно, уравнение регрессии для параметра оптими зации Y1 имеет вид:

Y1 = 74,78 + 17,21X1 – 27,29X2 + 12,29X3 + 14,71X1X3.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы о влиянии технологических факторов ЭИЛ (напряжение, ем кость, время обработки) на силу адгезионного взаимодействия. При увеличении напряжения X1 и времени обработки X3 сила адгезии уве личивается, а при увеличении емкости X2 – уменьшается. Наряду с линейными эффектами значимыми являются также эффекты взаимо действия X1X3;

совместное влияние напряжения и времени обработки также вызывает увеличение силы адгезии. Следовательно, для уменьшения силы адгезии необходимо стремиться при увеличении емкости конденсаторов, уменьшать напряжение и время обработки поверхностей.

Анализируя полученное уравнение регрессии, можно отметить, что наибольшее влияние на силу адгезии имеет емкость конденсато ров установки ЭИЛ Х2. Влияние напряжения Х1 тоже достаточно ве лико, но значительно меньше Х2.

Продолжим оптимизационное исследование методом «крутого восхождения», предусматривающего движение по градиенту в об ласть оптимума [94].

Анализ результатов первой серии опытов позволяет выбрать наи более эффективный фактор, которым является емкость конденсаторов установки ЭИЛ. Для этого параметра произвели выбор направления движения в область оптимума. Движение в многомерном простран стве производим дискретно, шагами. Для нахождения оптимума ис пользуем один из градиентных методов оптимизации метод «кру того восхождения» (Бокса Уилсона) [94], в котором используется градиентный метод оптимизации в сочетании с факторным экспери ментом для локального описания поверхности отклика.

В соответствии с методом крутого восхождения, на первом этапе поверхность отклика аппроксимируют полиномиальной моделью первого порядка, на основе которой определяют направление движе ния по градиенту независимых факторов в зону оптимума. Затем пу тем постановки опытов с учетом направления в факторном простран стве, выбранного с помощью градиента, достигают почти стационар ной области, т.е. области оптимума.

На рис. 5.1 представлена геометрическая интерпретация опреде ления направления движения при методе «крутого восхождения» для функции типа y = f(x1, x2), причем y1у2у3. Поверхность отклика в ок рестностях некоторой точки, достаточно удаленной от точки экстре мума, можно аппроксимировать гиперплоскостью:

k y b0 bi xi i Значения коэффициентов уравнения b0 и b1 получают по резуль татам эксперимента, проведенного по плану полного факторного экс перимента. Величины коэффициентов будут оценивать наклоны ги перплоскости, т.е. составляющие градиенты по соответствующим коор динатным осям:

y.

b i x i x y 9 y 3 7 1 x Рис. 5.1. Геометрическая интерпретация определения направления движения в область оптимума методом крутого восхождения Таким образом, задача определения наикратчайшего пути к экс тремуму функции отклика состоит в нахождении расположенной на ги перплоскости прямой l, исходящей из начальной точки и обеспечи вающей наиболее быстрое изменение функции отклика y max.

l Иными словами, изменение функции отклика будет наибольшей в направлении градиента функции:

2 y y y y....

grady X X X l max 1 2 k Если факторы Хi изменить пропорционально значениям соответ ствующих им коэффициентов, то будет обеспечено движение вдоль линии крутого восхождения. Значения факторов оптимизационного исследования приведены в табл. 5.4.

С целью движения по линии крутого восхождения определяем шаг движения по каждому фактору, для чего определяем величину х:

x max xmin xi =.

Таблица 5. Значения факторов оптимизационного исследования Параметры исследова- Факторы ния Х1 Х2 Х Напряжение, В Емкость, мкФ Время обработки, мин Коэффициенты урав- 17,21 -27,29 12, нения, bi 344,2 1446,37 6, Произведение bi Xi Шаг (округленный), z -5 + 22 - 0, 120 80 120 14 То есть x1 = 20 ;

x2 = 53 ;

x3 = 0,5.

2 2 Находим шаг z = biXi, предварительно определив параметр по формуле, bmax где 0 1. Принимаем = 0,4;

bmax = 27,29 (наибольший коэффи циент табл. 5.4).

= 0,4/27,29 = 0,015.

Получаем шаг для х1: 344,2 0,015 5;

для х2: 1446,37 0,015 22;

для х3: 6,15 0,015 0,1 и результаты заносим в табл. 5.5.

Для факторов определяем основной уровень:

80 120 14 120 3 Для х1: 100 ;

для х2: 67 ;

для х3: 2,5.

2 2 Таблица 5. Условия и результаты оптимизационного исследования Опыты на ли- Факторы Параметр оп тимизации F, нии крутого Х1 Х2 Х восхождения нН Напряжение, Емкость, мкФ Время обра В ботки, мин 1) Мысленный 95 89 2,4 56, 2) Реализован- 80 111 2,3 30, ный 3) Реализован- 75 133 2,2 21, ный 4) Мысленный 70 155 2,1 10, 5) Реализован- 65 177 2,0 18, ный Далее проводим «мысленные» опыты, которые заключаются в вычислении значений функции отклика в точках факторного про странства, лежащих по пути к оптимуму, т.е. осуществляем мыслен ное движение к оптимуму. В табл. 5.5 представлены результаты дви жения по линии крутого восхождения. Для удобства расчетов кодовые значения факторов были переведены в натуральные путем декодиро вания [94] и значения «мысленных» опытов определяли по формуле F = 329,53 2,82U 0,52C 122,52T 1,47UT.

Крутое восхождение было прекращено при емкости С мкФ. Дальнейшее исследование было ограничено пороговым зна чением емкости конденсаторов установки ЭИЛ. К тому же, как видно из табл. 5.5, параметр оптимизации (сила адгезии) начинает возрастать. Наилучший результат, получен в 4-м «мысленном»

опыте, а в 5-м «реализованном» опыте сила адгезии возросла, что дает основание считать, что область оптимума достигнута, и дальнейшее исследование по оптимизации проводить нет необхо димости.

Следовательно, для достижения минимального уровня силы тре ния оптимальные условия электроискрового легирования следующие:

напряжение U 65 – 75 B, емкость конденсаторов С 135 – 170 мкФ, время обработки T 2,0 – 2,2 мин. Полученные данные коррелируют с результатами исследований авторов работы [165], где показано что с увеличением энергетических режимов обработки ЭИЛ микротвер дость и износостойкость модифицированного слоя повышаются до определенных значений, а затем начинают снижаться.

Таким образом, на вышеуказанных режимах целесообразно обра батывать элементы трибосистем, функционирующие в реальных ус ловиях эксплуатации. При этом снижение адгезионной составляющей силы трения при одновременном увеличении микротвердости приво дит к повышению износостойкости модифицированных поверхност ных слоев стальных деталей.

5.2. Применение газовых межэлектродных сред в технологии восстановления и повышения износостойкости поверхностей электроискровым легированием ЭИЛ как способ восстановления может найти широкое распростра нение при ремонте прецизионных трибосопряжений гидропривода, сис тем топливной аппаратуры дизельных двигателей, деталей точной ме ханики, электрических контактов в различных релейных системах и т.п.

Как выяснилось, активность процесса анодного массопереноса при ЭИЛ и стабилизированная толщина покрытия зависят от многих факторов, главными из которых являются: материал легирующего электрода и подложки, энергия разрядов, а также межэлектродная среда. В техноло гиях восстановления конкретных изделий выбор материалов легирую щих электродов лимитирован как ограниченной номенклатурой выпус каемых электродных материалов, так и жесткими условиями техноло гического и металлургического родства основного материала и покры тия. Подбором газовой межэлектродной среды можно активно воздей ствовать на процесс обеспечения необходимой толщины покрытия, ко торая в совокупности с оптимизацией энергетических режимов сущест венно повышает эффективность восстановительного процесса.

В табл. 5.6 приведены результаты по влиянию газовой межэлек тродной среды на толщину модифицированного покрытия. Оценка проводилась по относительной толщине покрытия, которая рассчиты валась как отношение максимальных толщин покрытий, полученных в различных газовых средах (i), к толщине покрытия, созданного на воздухе (в), т.е.

Э = i/в. (5.1) Таблица 5. Относительная толщина покрытия легированного слоя при ЭИЛ сталей Р6М5 и 9ХС Энергия в Р6М5 9ХС импульсе, Дж СО2 О2 СО2 О 0,022 2,08 0,83 2,12 0, 0,09 2,32 0,29 1,96 0, 0,25 2,22 0,57 2,63 0, Анализируя полученные данные можно заключить, что упрочне ние в среде углекислого газа целесообразно применять для прецизи онных узлов трения, где износ не превышает 100 – 150 мкм. В частно сти, прецизионные пары трения, подшипники скольжения, детали гидравлической и топливной аппаратуры.

В кислороде, в связи с интенсификацией тепловых реакций, энер гия анодной эродированной микрочастицы высокая, а сам размер час тицы меньше размеров частиц, полученных в углекислом газе. Тепло вое воздействие анодного потока в этой связи распространяется на большую глубину в поверхностном слое детали. Применение кисло рода в процессах ЭИЛ можно рекомендовать для изделий, где не тре буется увеличения линейного размера, а необходимо повышение из носостойкости, твердости, стойкости режущего инструмента. Легиро вание в окислительной среде можно использовать не только как метод упрочнения и восстановления, но и как способ поверхностной акти вации для последующего нанесения покрытия другим способом.

Триботехнические исследования предусматривали измерение си лы трения и скорости изнашивания при трении модифицированных поверхностей. Трение моделировалось на стандартной машине 2070 СМТ-1, имеющей следующие технические характеристики:

1. Диапазоны изменения частоты вращения вала нижнего образца (контртела): от 75 до 1500 мин-1.

2. Диапазоны изменения момента трения: от 1 до 20 Нм.

3. Предел допускаемого значения среднего квадратичного откло нения случайной составляющей приведенной погрешности измерения момента трения в режиме статического нагружения 1 %.

4. Диапазоны измерения усилий на образцы: от 200 до 2000Н.

5. Предел допускаемого значения среднего квадратичного откло нения случайной составляющей приведенной погрешности измерите ля усилий в режиме статического нагружения 1 %.

Испытания проводили по схеме «диск-колодка», при этом при менялось два варианта колодок: с цилиндрической (рис. 5.2, а) и пло ской (рис. 5.2, б) формой поверхности трения. Для закрепления пло ских образцов и их точной фиксации относительно диска был изго товлен специальный держатель, который представлен на рис. 5.3.

Применение колодок двух разновидностей обеспечивало точность и достоверность измерения отдельных триботехнических параметров.

Так, цилиндрические колодки в процессе фрикционного взаимодейст вия создают равномерную эпюру контактных нагрузок, поэтому чис ленные значения коэффициентов трения, определенные с их помощью будут характеризоваться большей достоверностью. Для определения линейного и массового износа использовались плоские колодки.

Р Р а) б) Рис. 5.2. Схема триботехнических испытаний: а – диск-колодка;

б – диск-плоский образец Контртелом во всех триботехнических исследованиях служил диск диаметром 50 мм из конструкционной стали 50. Длительность испыта ния, периодичность измерения износа и количество повторений обеспе чивало надежность получения кривых накопления износа, по которым определялись параметры изнашивания, такие как скорость и интенсив ность изнашивания, длительность периода приработки и другие.

3 Рис. 5.3. Схема закрепления плоского образца:

1 – держатель оправки;

2 – оправка;

3 – плоский образец;

4 контртело Массовый износ определялся гравиметрическим методом, путем взвешивания образцов до и после трения, на аналитических весах ЛВР-200. Геометрические параметры износа измерялись лупой Бри нелля с 24-х кратным увеличением и ценой деления шкалы 0,05 мм.

Одновременно с процессом истирания снималась трибограмма, фик сировавшая момент трения в месте контакта образцов.

Степень упрочнения поверхностной структуры оценивалась по размеру лунки износа, полученной в условиях граничного трения о контртело на режимах с превалирующим адгезионным изнашиванием.

В табл. 5.7 приведены значения относительной скорости изнаши вания, которая рассчитывалась по формуле Iтр = Иi/Ив, (5.2) где Иi – лунка износа на поверхности, упрочненной ЭИЛ в газовой среде;

Ив – лунка износа на поверхности, упрочненной в воздухе.

Таблица 5. Относительная скорость изнашивания стали Р6М5 при трении о диск из стали 50, легированной электродом ВК6М Iтр Энергия в импульсе, Дж СО2 О 0,022 1,10 0, 0,25 1,45 0, 1,15 1,52 0, Табличные результаты говорят о том, что из рассматриваемых га зовых сред эффективнее сопротивляется изнашиванию поверхность, сформированная в среде кислорода. Модифицированные в кислороде образцы обладают наибольшей глубиной упрочненной зоны [109]. С увеличением энергии в импульсе глубина упрочненной зоны увели чивается, но в то же время растет и шероховатость поверхности. По этому на высоких режимах, где энергия в импульсе превышает 0, Дж, легированию в кислороде следует подвергать детали, поверх ность которых не требует особой чистоты. К таким деталям могут быть отнесены детали механизмов литейных цехов, лопатки дробест руйных аппаратов, а так же многие детали дорожных, строительных машин.

В углекислом газе можно упрочнять различные детали машин, но в каждом отдельном случае режимы следует подбирать в зависимости от требуемой глубины упрочненной зоны, чистоты поверхности, тол щины и твердости слоя. Упрочнение следует использовать для сочле ненных деталей машин, работающих со смазкой, типа «вал – под шипник», а также турбинные лопатки для газовых турбин. Легирова ние в среде углекислого газа эффективно для деталей работающих в условиях статического изнашивания, так как азот воздуха способст вует получению пористых структур, удерживающих масло и улуч шающих антифрикционные свойства поверхности.

Исследование триботехнических свойств модифицированных по верхностей проводили в диапазоне нагрузок 0,2 2,0 кН при скоро стях скольжения 0,05 2,0 м/с при трении в режиме граничной смаз ки. Износ определяли по ширине истертой лунки h.

Упрочнение осуществлялось на различных режимах легирования в среде углекислого газа, кислорода и воздуха. При этом формирова лись поверхности с высокой шероховатостью и требовали финишной обработки. Поэтому после обработки ЭИЛ упрочненные поверхности доводились до необходимой одинаковой шероховатости.

На рис. 5.4 приведены кривые износа плоской колодки из стали Р6М5 при трении о диск из стали 50 при различной энергии в им пульсе Е на режимах: нормальная нагрузка N = 800 Н и скорость скольжения V = 1,0 м/с.

На рис. 5.5 представлено влияние энергии единичного искрового импульса на скорость изнашивания в различных средах.

Анализ выполненных исследований показывает, что в рассматри ваемом диапазоне упрочняющих воздействий износостойкость моди фицированного слоя повышается с увеличением энергии единичного искрового разряда независимо от состава газовой среды. Кислород и, в меньшей степени, углекислый газ стимулируют формирование бо лее износостойких структур с лучшими трибологическими свойства ми. Так, кривые накопления износа при трении образцов, упрочнен ных в кислороде и углекислом газе, носят стабильный характер с плавным переходом приработочного периода в установившийся, что нельзя сказать о структуре обработанной на воздухе. Последнее ука зывает на худшую прирабатываемость модифицированного слоя, сформированного на воздухе, проявляющуюся в нестабильности мгновенной скорости изнашивания, продолжительном периоде на чального изнашивания и большей величине приработочного затупле ния режущей кромки инструмента.

h, мм 4 0 120 180 240 300 t, мин а) h, мм 0 120 180 240 300 t, мин б) h, мм 0 120 180 240 300 t, мин в) Рис. 5.4. Износ колодки из стали Р6М5 в газовых средах: а СО2;

б воздух;

в О2;

1 – Е = 0,022 Дж;

2 – Е = 0, 25 Дж;

3 – Е = 1,15 Дж Рис. 5.5. Зависимость скорости изнашивания от энергии в импульсе: 1 – воздух;

2 – СО2;

3 – О Скоростная и силовая зависимости коэффициента трения приве дены на рис 5.6. Уровень силовых удельных нагрузок рассчитывали по формуле N. (5.3) P Bd где N нормальная нагрузка;

B ширина колодки;

d длина лунки износа.

Они составляют Р (2...16) 106 Па, что соответствует варианту упруго-пластического контакта в режиме полусухого трения с доми нирующим адгезионным механизмом поверхностного разрушения [130, 132]. Относительно высокие значения коэффициентов трения (f = 0,1...0,17) подтверждают это предположение.

f 0, 0, 0, 0, 0 0,5 1 1,5 2 V, м/с а) f 0, 0,15 0, 0, N, H 0 400 800 1200 б) Рис. 5.6. Влияние скорости скольжения (а) и нормальной нагрузки (б) на коэффициент трения: 1 – Е = 0,09 Дж, воздух;

2 – Е = 0,25 Дж, воздух;

3 – Е = 0,09 Дж, углекислый газ;

4 – Е = 0,25 Дж, углекислый газ;

5 – Е = 0,25 Дж, кислород Наиболее низкие значения триботехнических характеристик у поверхностей модифицированных на воздухе и в кислороде указыва ют на наличие оксидных пленок, отличающихся повышенными анти фрикционными свойствами [115;

255].

На основании представленных на рис. 5.4 кривых износа расчет ным путем находим глубину лунки износа с учетом взаимодействия цилиндра с жестким полупространством.

Результаты расчета глубины лунки приведены в табл. 5.8.

Таблица 5. Глубина лунки износа образца при трении о диск, мкм Газовая Энергия Время, мин среда в им- 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 пульсе, Дж 0,022 10 12,1 19,6 25,6 28,9 34,2 36,1 38 40 44,1 46, Воздух 0,25 7,2 16,1 19,6 19,6 22,5 24 25,6 27,2 28,9 30,6 36, 1,2 0,1 0,4 1,6 3,6 8,1 13,2 18,2 19,6 22,5 23,5 25, 0,022 6,4 16,9 19,6 21 24,8 27,2 30,6 32,4 34,2 36,1 36, СО2 0,25 2,5 10 12,1 16,9 18,2 19,6 22,5 24 24 25,6 27, 1,2 1,22 5,6 10 11 12,1 12,1 12,1 13,2 14,4 14,4 14, 0,022 0,049 0,1 0,57 0,73 1,1 1,1 1,26 1,26 1,48 1,93 1, О2 1,2 0,009 0,016 0,03 0,11 0,18 0,32 0,36 0,36 0,38 0,53 0, Из сравнения результатов триботехнических испытаний с времен ной зависимостью прироста толщины легированного слоя (см. рис 4. – глава 4), следует, что более высокая износостойкость модифициро ванного слоя, упрочненного в кислороде, соответствует меньшей тол щине покрытия. Износостойкость поверхности полученной в кислоро де, следовательно, зависит от глубины зоны термического влияния.

При трении модифицированного слоя, упрочненного на воздухе и в кислороде, покрытие на изнашиваемой поверхности исчезает по ис течении периода приработки. Так, после 30 60 минут трения глуби на лунки износа достигла 26 35 мкм при первоначальной толщине покрытия 25 40 мкм (без учета припуска под полирование). Следо вательно, при выходе в зону установившегося процесса износостой кость поверхности обеспечивается только за счет структуры зоны термического и диффузионного влияния.

Иная картина наблюдается при трении модифицированного слоя, упрочненного в углекислом газе. Более высокая толщина покрытия в большинстве случаев гарантирует ее сохранность по истечении пе риода приработки и обеспечивает повышенную износостойкость по сравнению со структурой, упрочненной на воздухе, в установившийся период процесса трения.

В области установившегося процесса скорость изнашивания мо дифицированных структур на режимах Е = 0,022 Дж и Е = 0,25 Дж независимо от состава газовой среды остается практически неизмен ной, что наглядно просматривается по углам наклона кривых износа.

Однако продолжительность периода приработки принимает меньшие значения при эксплуатации поверхностей, упрочненных в углекислом газе и кислороде. Последнее указывает на лучшую прирабатывае мость поверхностных слоев, полученных в кислороде и углекислом газе, более высокий градиент механических свойств в модифициро ванных слоях.

5.3. Выбор электродного материала и состава газовой среды при электроискровом упрочнении Любой вид упрочнения представляет собой процесс создания структуры с повышенной свободной (или внутренней) энергией, в удельном выражении представляемой химическим потенциалом [133;

150]. Повышение химического потенциала при упрочнении реализует ся с помощью трех основных структурно-энергетических механизмов:

повышения плотности дефектов кристаллического строения, преимущественно дислокаций;

переход материала в более энергоемкое полиморфное состояние;

формирования более энергоемкой структуры за счет внесения свободной энергии легирующими компонентами и образования новых фаз.

Каждая технология упрочнения характеризуется своим домини рующим структурно-энергетическим механизмом упрочнения. Так, деформационное упрочнение связывают с ростом плотности дислока ций, закалку – с изменением полиморфного состояния, а диффузион ную металлизацию и химико-термическую обработку – с полиморф ными превращениями на фоне легирования. При электроискровом ле гировании проявляются все основные механизмы упрочнения. Дейст вительно, высококонцентрированный тепловой импульс формирует динамическое тепловое поле с большими температурами и градиен тами, приводящими к оплавлению материала в зоне воздействия и термопластической деформации в примыкающих областях. Высокие температура и скорость нагрева и охлаждения стимулируют поли морфные превращения в материале, а термопластическая деформация инициирует рост плотности дефектов кристаллического строения.

Поток активного анодного вещества и межэлектродной среды обеспе чивает эффект легирования.

Из условия аддитивного влияния отдельных структурно энергетических механизмов упрочнения общее повышение прочности материала при электроискровом легировании можно описать уравне нием д п л, (5.4) где общее повышение прочности при ЭИЛ;

д повышение прочности за счет термопластической деформации;

п повышение прочности за счет полиморфных превращений;

л повышение прочности за счет легирования.

При ЭИЛ закаленных сталей, имеющих мартенситную структуру, значимость полиморфных превращений в упрочнительном процессе низка. Так, распад мартенсита приводит к разупрочнению, а металли ческие аморфные формирования носят «островково-пленочный» ха рактер, которые при эксплуатации подвержены кристаллизации и проявляют себя только в самый начальный период работы. С учетом изложенного выражение (5.4) можно упростить:

д л (5.5) Плотность дислокаций за счет термопластической деформации при ЭИЛ носит экстремальный характер в зависимости от энергии единичного искрового разряда [110]. Для быстрорежущей стали Р6М максимальная плотность дислокаций достигает = 3,8 1012 см-2 при исходной плотности дислокаций закаленной структуры исх = = 1,9 1012 см-2, т.е. повышение составляет не более чем в два раза.

Повышение прочности за счет процессов легирования определя ется концентрацией активного элемента и его способностью к образо ванию с матричным материалом структур с повышенной свободной энергией. Учитывая, что при ЭИЛ микроструктурный массоперенос осуществляется за счет конвективных металлургических процессов и диффузии, процесс легирования в целом будет зависим от энергии искрового импульса. Конвекционные металлургические процессы в «микрованнах» расплава в момент осаждения капельной фазы анод ного массового потока и формируют главным образом переходную зону между конденсированной массой и упрочняемым материалом. В силу микролокальности и кратковременности этого процесса, зона, сформированная за счет конвекционных металлургических реакций будет незначительна по сравнению с ролью диффузионных явлений.

Одним из главных факторов, активизирующим диффузионные про цессы при ЭИЛ, становится высокая температура и повышенная плотность линейных дефектов кристаллического строения в зоне взаимодействия. С учетом изложенного, можно предположить, что зависимость повышения физико-механических характеристик за счет процессов микролокального легирования, как функции энергии ис крового разряда, будет адекватна дислокационной.

Упрочнение материала с энергетической точки зрения представ ляет процесс увеличения химического потенциала. Под химическим потенциалом понимают содержание свободной (или внутренней) энергии в единице объема (или массы) вещества, т.е.

F F 1 U, (5.6) M V V где химический потенциал;

F – свободная энергия;

М – масса ве щества;

V – объем материала;

плотность материала.

Связь между упрочнением материала и его объемным химиче ским потенциалом прослеживается при сравнении этих двух парамет ров с позиции теории размерностей. Действительно, U Дж Н м Н Н 2 ~ 2, V м3 м3 м м а их количественная связь отмечается многими исследователями [26;

249;

255].

Для удобства сравнительного анализа упрочнения за счет термо пластической деформации и легирования, введем понятие эквива лентной плотности дислокаций, исходя из следующих феноменологи ческих положений. Повышение внутренней энергии при внедрении легирующего элемента складывается из свободной энергии, вносимой активным компонентом и поглощенной энергии, затраченной на фор мирование новой структуры. В удельном выражении (отнесенной к одному молю), этот процесс при формировании твердых растворов оценивается энтальпией смешения (Н). При образовании новых хи мических соединений – энтальпией образования (Е). Тогда прира щение химического потенциала составит:

Сi H i т. р ;

(5.7) ni Сi Ei х.с, (5.8) ni где т. р приращение химического потенциала при образовании твердых растворов;

х.с приращение химического потенциала при образовании химических соединений;

Н i энтальпия смешения;

Еi энтальпия образования;

Сi – концентрация в долях;

ni атом ный вес диффузанта.

Соответственно, выражение (5.7) для твердых растворов и (5.8) при образовании новых химических соединений.

Под эквивалентной плотностью дислокаций будем понимать при ращение условной плотности дислокаций, соответствующей прира щению химического потенциала за счет легирования. Ее численное значение можно определить по выражению b, (5.9) q где эквивалентная плотность дислокаций;

b – вектор Бюргерса;

плотность материала;

q0 – энергия единичной связи;

прира щение химического потенциала.

В раскрытом виде, при образовании твердых растворов b Ci i. (5.10) ni q При образовании новых химических соединений b Ci i. (5.11) ni q При легировании в специальных газовых средах появляется до полнительный эффект упрочнения, который может быть учтен введе нием коэффициента эффективности газа (Кг), тогда (5.9) примет вид:

К г b г (5.12) q или b Ci i г К г ni q. (5.13) К b C ii г г q0 ni В табл. 5.9 приведены численные значения энтальпий смешения ряда металлов в железе [249], а в табл. 5.10 значения энтальпий обра зования карбидов и нитридов [9]. Отрицательное значение указывает, что процесс образования структуры сопровождается поглощением энергии или повышением химического потенциала.

Таблица 5. Энтальпия смешения ряда металлов в железе [249] Элемент Ti V Cr Co Ni Zr Nb Mo Pd, -28 -11 -2 -1 -2 -26 -25 -3 - кДж/моль Для удобства выбора оптимального материала легирующего электрода и прогнозирования прочностных свойств модифицирован ных структур, разработаны номограммы, позволяющие по структур но-энергетическим свойствам (i или i) определять эквивалент ную плотность дислокаций с учетом роли межэлектродного газа. По следовательность определения искомой величины показана в виде «ключа» (см. рис. 5.7 и 5.8).

Таблица 5. Энтальпия образования ряда карбидов и нитридов [9] Карбид Нитрид, кДж/моль, кДж/моль TiC -232,3 TiN -337, ZrC -200,4 ZrN -366, HfC -227,6 HfN -371, VC -102,3 VN -252, V2 C -148,7 TaN -247, Nb2C -190,7 Nb2N -256, NbC -141,0 NbN -238, TaC -198,2 Ta2N -271, Cr23C6 -593,1 Cr2N -105, Cr7C3 -205,0 CrN -118, W3 C -46,2 Mo2N -69, WC -35,3 W2 N -72, q q На представленных номограммах A ;

B.

b - А. 2, 1, -12 7 3, В.10 mi,% 0 2 45 - r. 10, см Рис. 5.7. Номограмма определения эквивалентной плотности дислокаций:

1 закаленный образец;

2 – СО2;

3 – N2;

4 – O2;

5 Ar Из номограмм следует, что сильными упрочнителями являются материалы, обладающие наибольшими отношениями (Нi/ni*) или (Ei/ni*). Из чистых металлов к ним можно отнести титан, цирконий, ниобий, палладий и др. Из карбидов – TiC, ZrC, HfC и Cr23C6, а из нит ридов – TiN, ZrN, HfN, Ta2N.

Однако величина упрочнения определяется также и концентраци ей активного элемента, численные значения которой определяются относительной диффузионной координатой [31] x, (5.14) z 2 Dt где x – глубина слоя;

D – коэффициент диффузии;

t – продолжительность процесса.

С увеличением z концентрация активного элемента снижается, или с увеличением коэффициента диффузии – возрастает. В общем случае наблюдается тенденция снижения коэффициента диффузии элементов с более высокой свободной энергией. Следовательно, материалы, являю щиеся сильными потенциальными упрочнителями, вероятнее всего об ладают низкой диффузионной активностью.

Для окончательного выбора электродного материала, необходима проверка его на диффузионную активность. В первом приближении для описания распределения концентрации активного элемента мож но воспользоваться решением диффузионной задачи при условии, что концентрация на границе между покрытием и подложкой остается по стоянной, или С(x,t) = C0 + (Cn – C0) erfc z (5.15) или в безразмерном виде С ( x, t ) C erfc z, (5.16) C n C где С0 – начальная концентрация активного элемента в упрочняемом материале;

Сn – концентрация активного элемента на границе раздела «покрытие – подложка».

2 z d. (5.17) erfcz 1 e - А. -12 В.10 m i,% 0 2 1* 2* 3* 10 - 4* 5* r. 10, см Рис. 5.8. Номограмма определения эквивалентной плотности дислокаций при упрочнении титана: 1* закаленный образец;

2* – СО2;

3* – N2;

4* – O2;

5* – Ar;

легирующий электрод: 1 – Pd;

2 – Ni;

3 – Co;

4 Cr Для выбора электродного материала разработана специальная программа, блок-схема алгоритма которого представлена на рис. 5.9.

5.4. Корреляционно-регрессионный анализ режимов и условий электроискрового легирования Тенденции моделирования процессов упрочнения активно исполь зуются при исследовании процессов упрочняющей обработки, разра ботке и усовершенствовании технологий. Моделирование позволит по лучать поверхностные слои с заданной структурой и свойствами. Разви тие методов моделирования многофакторных процессов в многокомпо нентных гетерогенных системах дает возможность проводить «актив ный» эксперимент и значительно сокращает время исследований [241].

Ввод Энергия активации, энталь пия смешения, энтальпия образования, атомный вес, Кг Вводится Перебор нет оптимальная химических газовая среда элементов да Выход Коэффициент диффузии Глубина проникновения Концентрация элемента Химический потенциал Условная плотность дислокаций нет Сi С ус да нет Записать в массив r rmax Рис. 5.9. Блок-схема алгоритма выбора электродного материала Наибольшее распространение в инженерии поверхности получи ли формальные модели, основанные на математической статистике (обработка экспериментальных результатов) и оптимизации (плани рование экспериментов, корреляционный анализ).

Проведем парный корреляционно-регрессионный анализ для раз личных технологических условий электроискрового легирования.

С помощью факторных группировок исследуются связи между изучаемыми явлениями и их признаками. В основе аналитической группировки лежит факторный признак, и каждая выделенная группа характеризуется средними значениями результативного признака.

Коэффициент корреляции определяет интенсивность связи между величинами и находится по формуле ( xi x )( yi y ).

r 2 ( xi x ) ( yi y ) Рассмотрим влияние электродного материала и энергии в им пульсе на толщину легированного слоя. При этом определим значи мость влияния энергии в импульсе (х) на толщину легированного по крытия (y), полученного различными электродными материалами в исследуемых газовых средах. Предварительные расчеты представле ны в табл. 5.11.

Таблица 5. Аналитическая группировка данных при легировании электродом ВК6М № xi, yi, ( xi x ) ( yi y ) ( yi y ) 2 ( xi x ) ( yi y ) ( xi x ) Дж мкм 1 0,02 45 -0,505 5 0,255025 25,00 -2, 2 0,09 30 -0,435 -10 0,189225 100,00 4, 3 0,25 35 -0,275 -5 0,075625 25,00 1, 4 0,73 38 0,205 -2 0,042025 4,00 -0, 5 0,86 43 0,335 3 0,112225 9,00 1, 6 1,20 49 0,675 9 0,455625 81,00 6, 3,15 x, 0,525 y Коэффициент корреляции r = 0,6, следовательно, связь между рассматриваемыми величинами средняя и прямая.

Величина коэффициента корреляции не является доказательством наличия причинно-следственной связи между исследуемыми призна ками, а является оценкой степени взаимной согласованности в изме нениях двух признаков. Необходимо определить насколько право мерно заключение по выборочным данным в отношении наличия корреляционной связи в генеральной совокупности значений.

При малых выборках для ответа на вопрос, можно ли судить о наличии корреляции по коэффициенту корреляции, полученному из частичной совокупности, используется t-критерий Стьюдента. Рас четное значение t определяется по формуле r n2, t расч 1 r где (n - 2) – число степеней свободы f.

Теоретическое значение t определяется по таблице распределения Стьюдента. Для установления значимости коэффициента корреляции проверяется гипотеза о некоррелированности величин в генеральной совокупности. Если tрасч, определенное по формуле, больше tтабл при заданном уровне значимости, то предположение о нулевом значении коэффициента корреляции в генеральной совокупности не подтвер ждается. Если tтабл tрасч, то в генеральной совокупности корреляции может не быть.

Табличное значение критерия Стьюдента tтабл. = 2,776. Определя ем расчетное значение:

0, 4 1,475.

t расч 0, Так как tтабл tрасч, значимость коэффициента корреляции в гене ральной совокупности не подтвердилась.

Используем в дальнейшем метод преобразованной корреляции, предложенный Р. Фишером. Распределение логарифмической функ ции коэффициента корреляции приближается к нормальной кривой для выборок небольшого объема:

1 r z ln 1 r Средняя квадратичная ошибка z-распределения зависит только от объема выборки и определяется по формуле 1 Z 0,6.

n 3 1, По таблице соотношений между r и z [124] определяем, какое z соответствует полученному коэффициенту корреляции z = 0,7.

z 0, 1,17.

Fрасч. 0, Так как расчетное значение критерия меньше табличного, то не подтверждается значимость коэффициента корреляции в генеральной совокупности.

Проверим нулевую гипотезу. Коэффициент корреляции r, рассчи танный по выборочным данным, может не совпасть с истинным ко эффициентом корреляции, соответствующим генеральной. В гене ральной совокупности = 0.

xp Если r, то нулевая гипотеза подтверждается и с веро ( n 1) ятностью Р можно утверждать, что между двумя величинами может не быть связи в генеральной совокупности.

xp Если r нулевая гипотеза отвергается и связь есть.

( n 1) В формулах xp – аргумент, который определяется по таблицам ве роятностей xp = 1,96 при Р = 95%.

1, 0,87.

r (6 1) Так как 0,6 0,87 – связи в генеральной совокупности может не быть.

Рассмотрим, какому закону подчиняются исследуемые факторы.

Строим поле корреляции, аппроксимируя полученные данными раз личными зависимостями с уравнениями регрессии (рис. 5.10 5.14).

Далее проводим оценку точности аппроксимации через относительную ошибку аппроксимации. Она представляет собой среднее отклонение расчетных значений от фактических и определяется по формуле yi yiтеор.

100%, n yi где yiтеор. теоретическое значение результирующего фактора, полу ченное после подстановки значений xi в уравнение регрессии.

Ошибка не должна превышать 8 10 %.

Поле корреляции Толщина покрытия, мкм Ряд 50 Линейный (Ряд1) 30 y = 8,7364x + 35, 20 R = 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Энергия в импульсе, Дж Рис. 5.10. Линейная зависимость аппроксимации исследуемых факторов Ошибка аппроксимации наименьшая для полиномиальной моде ли = 4,99 % и не превышает 8 – 10 %. Следовательно, данная форма связи наилучшим образом аппроксимирует полученные данные.

Окончательно принимаем, что влияние энергии в импульсе на толщи ну покрытия описывается следующим уравнением y = 22,342 x2 17,132 x + 38,63.

Коэффициент детерминации R2 = 0,5634 показывает, в какой мере вариация результирующего признака обусловлена влиянием факто ров, включенных в модель. В рассматриваемом случае доля влияния фактора – энергия в импульсе на толщину покрытия, составляет 0,56.

Поле корреляции Толщина покрытия, мкм Ряд Логарифмический (Ряд1) y = 1,0581Ln(x ) + 41, R = 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Энергия в импульсе, Дж Рис. 5.11. Логарифмическая зависимость аппроксимации исследуемых факторов Поле корреляции y = 22,342x - 17,132x + 38, Толщина покрытия, мкм 60 R = 0, Ряд Полиномиальный (Ряд1) 0 0,5 1 1, Энергия в импульсе, Дж Рис. 5.12. Полиномиальная зависимость аппроксимации исследуемых факторов при легировании электродом ВК6М Средняя квадратичная ошибка уравнения регрессии – это среднее квадратичное отклонение фактических значений y, относительно зна чений, рассчитанных по уравнению регрессии yi теор. подстановкой хi.

Она рассчитывается по формуле 2, yi yiтеор.

Se nm где m – число параметров в уравнении регрессии.

Поле корреляции Толщина покрытия, мкм 0, y = 40,984x R = 0, Ряд Степенной (Ряд1) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Энергия в импульсе, Дж Рис. 5.13. Степенная зависимость аппроксимации исследуемых факторов Поле корреляции Толщина покрытия, мкм 0,224x y = 35,094e R = 0, Ряд Экспоненциальный (Ряд1) 0 0,5 1 1, Энергия в импульсе, Дж Рис. 5.14. Экспоненциальная зависимость аппроксимации исследуемых факторов Эту величину необходимо сопоставить со средним квадратичным отклонением результативного признака Sy. Если Se Sy, то использо вание данного уравнения регрессии является целесообразным. Сред няя квадратичная ошибка регрессии yi yiтеор. 106, 6,0 ;

Se nm yi y 6,5.

Sy n Так как Se Sy, следовательно, выбор данного уравнения является обоснованным для прогнозирования толщины легированного покры тия при изменении энергии электрического импульса.

При электроискровом легировании электродом Т15К6 коэффици ент корреляции r = 0,50, следовательно, связь между рассматривае мыми величинами обратная и средняя. Влияние энергии в импульсе так же наилучшим образом описывается полиномиальной моделью (рис. 5.15) со следующим уравнением регрессии и коэффициентом детерминации:

y = 80,295x2 + 73,099x + 44,54;

R2 = 0,6276.

Поле корреляции y = -80,295x + 73,099x + 44, Толщина покрытия, мкм 90 R = 0, Ряд 40 Полиномиальный (Ряд1) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Энергия в импульсе, Дж Рис. 5.15. Полиномиальная зависимость аппроксимации исследуемых факторов при легировании электродом Т15К При данной зависимости ошибка аппроксимации наименьшая и выбор уравнения регрессии является целесообразным.

Таким образом, регрессионный анализ показывает, что влияние данного фактора (энергия в импульсе) на результирующий фактор (толщина покрытия) является существенным.

Рассмотрим аналогично влияние электрических параметров об работки на силу адгезионного взаимодействия.

Выполним аналитическую группировку данных при легировании стали 45 с напряжением в импульсе U = 80В, изменяя емкость (х) конденсаторов установки ЭИЛ (табл. 5.12). В качестве результирую щего показателя принята сила адгезии (y), возникающая между леги рованной поверхностью и зондом атомно-силового микроскопа.

Таблица 5. Аналитическая группировка данных при легировании с U = 80В xi, yi, ( xi x ) ( yi y ) ( x x ) 2 ( yi y ) 2 ( xi x ) ( yi y ) № i мкФ нН 1 14 88,3 -79,5 36,475 6320,25 1330,43 -2899, 2 60 77 -33,5 25,175 1122,25 633,78 -843, 3 120 22 26,5 -29,825 702,25 889,53 -790, 4 180 20 86,5 -31,825 7482,25 1012,83 -2752, 374 207, x, y 93,5 51, Коэффициент корреляции r = 0,94;

связь между исследуемыми параметрами сильная, по направлению обратная. Наилучшим обра зом экспериментальные данные аппроксимируются экспоненциаль ной зависимостью (рис. 5.16) с представленным уравнением регрес сии. Ошибка аппроксимации = 8,9 %. Коэффициент детерминации R2 показывает, что доля значений результативного признака (сила ад гезии), составляющая 0,8753 объясняется вариацией факторного при знака, т. е. емкостью конденсаторов.

При увеличении напряжения в импульсе до U = 100 160В со храняется сильная обратная связь r = 0,95…0,93. На рис. 5.17 пред ставлены зависимости и уравнения регрессии, которые оптимально описывают экспериментальные данные.

Рассмотрим влияние энергии в импульсе (факторный признак xi) на скорость изнашивания стального образца Р6М5 (результативный признак yi), обработанного электроискровым легированием в различ ных газовых средах.

Аналитическую группировку экспериментальных данных при ле гировании стали Р6М5 на воздухе представим в табл. 5.13.

Поле корреляции Сила адгезии, нН Ряд 40 Экспоненциальный (Ряд1) -0,0103x y = 108,78e 0 R = 0, 0 50 100 150 Емкость, мкФ Рис. 5.16. Экспоненциальная зависимость аппроксимации исследуемых факторов Таблица 5. Аналитическая группировка данных при легировании Р6М5 на воздухе yi, 10-3 ( xi x ) ( yi y ) ( xi x ) ( yi y ) xi, ( xi x ) 2 ( yi y ) № Дж мм/мин 1 0,02 6 -0,505 1,166 0,255 1,36 -0, 2 0,09 5,4 -0,435 0,566 0,189 0,32 -0, 3 0,25 4,7 -0,275 -0,133 0,075 0,02 0, 4 0,73 4,4 0,205 -0,433 0,042 0,19 -0, 5 0,86 4,3 0,335 -0,533 0,112 0,28 -0, 6 1,2 4,2 0,675 -0,633 0,455 0,40 -0, 3,15 x, y 0,525 4, Коэффициент корреляции r = 0,88;

связь между исследуемыми параметрами сильная, по направлению обратная. Наилучшим обра зом экспериментальные данные аппроксимируются степенной зави симостью (рис. 5.18), с представленным уравнением регрессии.

Ошибка аппроксимации = 0,66 %. Коэффициент детерминации R показывает, что доля значений результативного признака (скорость износа), составляющая 0,9881 объясняется вариацией факторного признака, то есть энергии в импульсе.


Поле корреляции Ряд Сила адгезии, нН Логарифмический (Ряд1) 60 y = -21,809Ln(x ) + 195, R 2 = 0, 0 50 100 150 Емкость, мкФ а) Поле корреляции y = -0,0013x - 0,3064x + 137, Толщина покрытия, мкм R = 0, Ряд Полиномиальный (Ряд1) 0 50 100 150 Энергия в импульсе, Дж б) Поле корреляции y = -0,0022x + 0,1472x + 82, Толщина покрытия, мкм 100 R = 0, Ряд Полиномиальный (Ряд1) 0 50 100 150 Энергия в импульсе, Дж в) Рис. 5.17. Кривые аппроксимации исследуемых факторов при электроискровом ле гировании: а – U = 100В, = 1,5%;

б – U = 120В, = 5%;

в – U = 160В, = 1,1% Поле корреляции Интенсивность износа, J x 10^-3 мм/мин -0, y = 4,2533x R = 0, Ряд Степенной (Ряд1) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Энергия, Дж Рис. 5.18. Степенная зависимость аппроксимации исследуемых факторов при обработке на воздухе При электроискровом легировании в среде углекислого газа и ки слорода сохраняется сильная обратная связь. На рис. 5.19 представле ны зависимости и уравнения регрессии, которые оптимально описы вают экспериментальные данные.

Проведем множественный корреляционный анализ исследуемых факторов. В реальности на большинство физико-механических и три ботехнических результативных признаков оказывают влияние более чем один факторный признак.

Множественной корреляционной связью является связь между несколькими факторными (x1, x2, … xk) и одним результативным при знаком y. Такую связь характеризует прежде всего матрица парных коэффициентов корреляции (табл. 5.14).

Таблица 5. Матрица парных коэффициентов корреляции y x1 x2 … xk Факторы y r01 r02 r0k 1 … x1 r12 r1k r10 1 … x2 r20 r21 r2k 1 … … … … … … … xk rk0 rk1 rk2 … В табл. 5.14 величины rij являются линейными коэффициентами корреляции и характеризуют силу линейной связи между i-м и j-м признаками. По главной диагонали всегда будут располагаться значе ния равные единице, так как связь между одноименными признаками будет функциональной. Табл. 5.14 является «симметричной» относи тельно главной диагонали, т.е. r01 = r10, r21 = r12 и т.д.

Поле корреляции Интенсивность износа, Ряд Jx10^-3 мм/мин Экспоненциальный (Ряд1) -2,3336x y = 4,5228e R = 0, 0 0,5 1 1, Энергия, Дж а) Поле корреляции Интенсивность износа, J x 10^-3 мм/мин 2, Ряд 2 Степенной (Ряд1) 1, -0, y = 0,1072x 0, R = 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Энергия, Дж б) Рис. 5.19. Кривые аппроксимации исследуемых факторов при электроискровом легировании в газовых средах: а – углекислый газ, б – кислород Анализ табл. 5.14 необходимо начинать с первой строки: в ней отражена сила влияния каждого из факторных признаков на резуль тативный признак. Очевидно, что слабыми связями можно пренеб речь и исключить соответствующие признаки-факторы из дальней шего рассмотрения.

Необходимо также исключить мультиколлениарность (коррели рованность факторных признаков между собой). В качестве критерия отсутствия мультиколлениарности можно использовать соблюдение следующих неравенств:

rx j y rx j xk и rx y rx x.

jk k Сравниваются абсолютные значения линейных коэффициентов корреляции. Если не выполняется хотя бы одно из неравенств, то ис ключается тот факторный признак, который менее сильно коррелиру ет с результативным признаком.

В нашем случае результативным показателем является скорость изнашивания J 10-3 мм/мин (Y), исследуемыми факторами: напряже ние между легирующим электродом и поверхностью U, B(X1), толщи на легированного слоя, мкм (Х2), длительность искрового разряда, мкс (Х3), микротвердость покрытия, ГПа (Х4), сила адгезии F, нН (Х5).

Группировка экспериментальных и расчетных статистических данных представлена в табл. 5.15.

Таблица 5. Аналитическая группировка данных, полученных при легировании стальных образцов на воздухе Y,10-3 Х1, В Х2, мкм Х3, мкс Х4, ГПа Х5, нН Факторы мм/мин 1 6 80 35 112 8,5 2 5,2 100 50 118 11,5 3 4,7 120 78 120 11,5 4 4,3 140 48 123 15,7 5 4,2 160 41 105 17,3 6 4 180 32 110 17,3 Итого 28,4 780 284 688 81,8 Ср. знач. 4,73 130 47,3 114,7 13,6 108, Ср. кв.

откл., S 0,69 34,2 15,1 6,2 3,3 26, Коэф. ва риации 14,5 26,3 32,0 5,4 24,4 24, Так как коэффициент вариации не превышает 33 %, то совокуп ность является однородной, и среднее значение факторов – надежно.

Определяем парные коэффициенты корреляции по формуле ( xi x )( yi y ).

r 2 ( xi x ) ( yi y ) Результаты расчетов представлены в корреляционной матрице (табл. 5.16).

Таблица 5. Корреляционная матрица y x1 x2 х3 х4 x Факторы y 1 -0,95 -0,02 0,12 -0,94 0, x1 0,95 1 -0,23 -0,36 0,96 -0, x2 0,02 0,23 1 0,61 -0,28 0, х3 -0,12 0,36 -0,61 1 -0,32 0, x4 0,94 -0,96 0,28 0,32 1 -0, x5 -0,14 0,42 -0,91 -0,83 0,40 Проверяем отсутствие мультиколлениарности между факторами:

rx1y rx1x2 0,95 0,23 – условие выполнено;

rx2y rx1x2 0,02 0,23 – условие не выполнено.

rx1y rx1x3 0,95 0,36 – условие выполнено;

rx3y rx1x3 0,12 0,36 – условие не выполнено.

rx1y rx1x4 0,95 0,96 – условие не выполнено;

rx4y rx1x4 0,94 0,96 – условие не выполнено.

rx1y rx1x5 0,95 0,42 – условие выполнено;

rx5y rx1x5 0,14 0,42 – условие не выполнено.

rx2y rx2x3 0,02 0,61 – условие не выполнено;

rx3y rx2x3 0,12 0,61 – условие не выполнено.

rx2y rx2x4 0,02 0,28 – условие не выполнено;

rx4y rx2x4 0,94 0,28 – условие выполнено.

rx2y rx2x5 0,02 0,91 – условие не выполнено;

rx5y rx2x5 0,14 0,91 – условие не выполнено.

rx3y rx3x4 0,12 0,32 – условие не выполнено;

rx4y rx3x4 0,94 0,32 – условие выполнено.

rx3y rx3x5 0,12 0,83 – условие не выполнено;

rx5y rx3x5 0,14 0,83 – условие не выполнено.

rx4y rx4x5 0,94 0,40 – условие выполнено;

rx5y rx4x5 0,14 0,40 – условие не выполнено.

Проанализировав вышеприведенные условия, исключаем фактор ные признаки, сила связи между которыми превышает силу связи ме жду этими признаками и результативным признаком Y. В результате проверки оказалось, что реально на переменную Y оказывают влияние факторы – Х1 (напряжение между легирующим электродом и поверх ностью) и Х4 (микротвердость покрытия).

Используя программу «Factor» [124], рассчитаем множественный коэффициент корреляции Rm и множественные коэффициенты регрес сии (b1 – b5).

Rm = 0,98;

b1 = 0,012;

b2 = 0,006;

b3 = 0,008;

b4 = 0,097;

b5 = = 0,003.

Каноническое уравнение множественной регрессии имеет сле дующий вид:

y y b1 x1i x1 b2 x2i x2 b3 x3i x3... bn xni xn.

Раскрывая скобки и приводя подобные слагаемые, получим обычный вид множественного уравнения регрессии:

y b1 x1i b2 x2i... bn xni a.

Коэффициенты уравнения множественной регрессии показывают абсолютную величину влияния факторов на уровень результативного показателя и характеризуют степень влияния каждого фактора на анализируемый показатель при фиксированном среднем уровне дру гих факторов.

Для сравнения роли различных факторов в формировании изу чаемого показателя необходимо дополнить абсолютные величины от носительными. Например, частные коэффициенты эластичности по казывают, на сколько процентов, в среднем, изменяется показатель y с изменением признака xi на один процент при фиксированном положе нии других факторов, и рассчитываются по формуле xi, Эi bi yi где bi – коэффициент регрессии при i-м факторе.

-коэффициенты показывают, на какую часть среднеквадратиче ского отклонения изменится переменная y с изменением соответст вующего фактора x на величину среднеквадратического отклонения.

Этот коэффициент позволяет сравнивать влияние колебания различ ных факторов на вариацию исследуемого показателя, что позволяет выявить факторы, в развитии которых заложены наибольшие резервы изменения результативного показателя:

Sx i bi, Sy где Sx и Sy – среднеквадратические отклонения.

Чтобы оценить долю влияния каждого фактора в суммарном влиянии факторов, включенных в уравнение регрессии, рассчитыва ется -коэффициенты:

rx y i i i R где rxi y коэффициент корреляции;

R2 – коэффициент детерминации.

Результаты расчета и ранжирование относительных коэффициен тов представлены в табл. 5.17.

Как видно из представленных результатов наибольшее влияние на скорость изнашивания обработанных ЭИЛ поверхностей оказыва ют: напряжение между легирующим электродом и поверхностью (x1) и микротвердость сформированного покрытия (x4).


Следовательно, уравнение в каноническом виде с учетом наибо лее значимых факторов будет выглядеть следующим образом:

y 4,73 0,012 x1 130 0,097 x4 13,6.

В натуральном виде: y 0,012 x1 0,097 x4 7,61.

Таблица 5. Относительные коэффициенты и ранг факторов Факторы Значения коэффициентов Ранг факторов по величине Средний коэффициентов ранг Эi Эi i i i i x1 0,33 0,60 0,59 1 1 1 x2 0,06 0,13 0,002 5 3 5 x3 0,19 0,07 0,01 3 5 4 x4 0,28 0,47 0,46 2 2 2 x5 0,07 0,12 0,02 4 4 3 Таким образом, при увеличении напряжения между электродами на 1 В скорость изнашивания поверхности уменьшится в среднем на 0,012 10-3 мм/мин;

при увеличении микротвердости покрытия на ГПа скорость изнашивания уменьшится на 0,097 10-3 мм/мин.

5.5. Повышение надежности элементов трибосистем гидроцилиндров Проблема повышения надежности и долговечности элементов гидропривода строительно-дорожных машин ставит задачу совер шенствования конструкторско-технологических решений и методов повышения работоспособности деталей, узлов трения гидроцилинд ров, в первую очередь герметизирующих устройств (ГУ) и исполни тельных органов (штоков, поршней).

Гидромеханические агрегаты и устройства, в частности, гидро цилиндры, широко применяются в строительно-дорожных машинах [43]. Их надежность и ресурс во многом зависят от работоспособно сти герметизирующих устройств (ГУ), особенно в условиях значи тельных динамических нагрузок, высоких и низких температур и аг рессивных сред [4;

171]. Обеспечение длительной работоспособности ГУ в названных условиях эксплуатации требует совершенствования конструкции ГУ с применением специальных материалов для уплот нительных элементов ГУ и качественной финишной обработки, а также упрочнения сопряженных металлических поверхностей што ков, поршней, валов [120;

126].

В работах [157;

164;

166;

167;

170;

172] показано, что полимер ные композиционные материалы (ПКМ) на основе политетрафторэ тилена ПТФЭ, обладают высокими триботехническими свойствами, и применение этих ПКМ взамен резиновых элементов позволяет в не сколько раз повысить износостойкость и срок службы уплотнитель ных элементов. Упрочнение металлических поверхностей возможно различными термическими, химико-термическими, термомеханиче скими, электрофизическими и другими способами.

С целью повышения надежности гидроцилиндров, использовали комплексный подход – изменение конструкций уплотнительных эле ментов с использованием ПКМ и технологии поверхностного упроч нения ЭИЛ.

На рис. 5.20 показаны разработанные конструкции уплотнений штока и поршня для гидроцилиндра Ц-75 строительно-дорожных ма шин с применением ПКМ на основе ПТФЭ для уплотнительных и на правляющих элементов штока и поршня.

В такой конструкции исключается фрикционное взаимодействие металл-металл. Внутренние и внешние утечки рабочей жидкости так же исключаются уплотнениями штока и поршня, благодаря надежно му контакту уплотняющих лепестков уплотнительных колец с помо щью резиновых эспандеров и давления рабочей жидкости.

Для упрочнения рабочих поверхностей исполнительных органов гидроцилиндра предлагается метод электроискрового легирования.

Исследование и оптимизация электрических режимов ЭИЛ (раз дел 5.1) и вида материала легирующего электрода (глава 4) на адгези онную составляющую силы трения позволило обработать поверхно сти в наиболее эффективных технологических условиях. Образцы для обработки изготавливали из конструкционных углеродистых сталей, традиционно применяемых для штоков гидроцилиндров.

Обработка образцов осуществлялась на установке «IMES-01-2», предназначенной для электроискровой обработки деталей машин на раз личных режимах;

при этом напряжение между электродами варьирова лось в пределах: напряжение U 65 – 75 B, емкость разряда конденсато ров С 135 – 170 мкФ, частота разряда составляла 400 Гц, время обра ботки T 2,0 – 2,2 мин. Поэтому обработка поверхностей образцов, а впоследствии штоков осуществлялась на указанных режимах.

Рис. 5.20. Конструкции уплотнений гидроцилиндра: а) штока;

б) поршня: эспандер;

2 – кольцо уплотнительное;

3 – втулка направляющая;

4 – шток;

5 пор шень Наиболее эффективными с точки зрения уменьшения силы адге зионного взаимодействия, а, следовательно, и адгезионной состав ляющей силы трения являются электроды на основе карбида титана с никель-молибденовой связкой, модифицированных добавками дато литового концентрата CaB[SiO4](OH) и электроды на основе карбида вольфрама с добавками Ni-Cr-B-Si, при помощи которых и были сформированы покрытия.

С целью исследования степени повышения износостойкости об работанных ЭИЛ поверхностей проводили испытания стальных об разцов на установке трения по схеме «кольцо диск», устройство и принцип работы которой приведены в работе [169]. Электроискровым легированием обрабатывали торцовую поверхность кольца.

Оценку работоспособности и долговечности проводили ускорен ными стендовыми испытаниями гидроцилиндра Ц-75, укомплекто ванного штоком с ЭИЛ-покрытием и уплотнительными элементами из ПКМ на основе ПТФЭ, описанными в [170;

172], при давлении рабочей жидкости 5,0…6,0 МПа. Гидравлическая схема стенда представлена на рис. 5.21, внешний вид – на рис. 5.22.

В станине 6 установлен гидроцилиндр 3, который жестко закреп лен с основанием станины, а шток соединен с пружиной, находящей ся под кожухом 4. Пружина предназначена для возврата штока в ис ходное положение. В штоковую полость гидроцилиндра подается давление, которое фиксирует манометр 7, при этом давление «слив ное» измеряется манометром 8. Необходимое давление создается на гнетателем 2, переключение направления движения штока осуществ ляется распределителем 5.

В качестве критерия работоспособности гидроцилиндра принята величина внешних утечек рабочей жидкости через герметизирующее устройство штока, а также предельно допустимая величина износа уплотнительных элементов в условиях ускоренных испытаний. Утеч ки оценивались визуально и с помощью гигроскопичной бумаги. По сле отработки 1000 циклов рабочая жидкость собиралась с поверхно сти штока и у проходной крышки на бумагу, которая взвешивалась на аналитических весах. Величина износа уплотнительных элементов оценивалась по окончании испытаний измерением диаметра уплотни тельной манжеты.

Ускорение испытаний достигается обеспечением:

непрерывности испытаний во времени при поступательном движении штока с заданной скоростью;

Рис. 5.21. Гидравлическая схема стенда для испытаний гидроцилиндра: 1 – гидро цилиндр;

2 – манометр;

3 – вентиль;

4 – мерная емкость;

5 – гидрораспределитель;

6 – гидробак;

7 – насос;

8 – предохранительный клапан увеличения скорости скольжения по сравнению с эксплуатаци онной скоростью;

повышения точности измерений за счет использования средств измерения с более высокой точностью по сравнению с инструментом, применяемым в условиях эксплуатации.

Стенд ускоренных испытаний обеспечивает работу штока на за данном режиме с контролем следующих параметров:

давление в двух полостях гидроцилиндра;

скорость скольжения исполнительных органов;

линейный износ штока;

наружные утечки рабочей жидкости по штоку.

Стенд обеспечивает скорость скольжения поверхности штока от носительно сопрягаемой поверхности в пределах 0,04…0,12 м/с, давле ние в рабочей полости до 6 МПа. Точность измерения линейных разме ров 0,001 мм. Измерения проводились относительным методом рычаж ной скобой типа СР с ценой деления 0,001 мм при температуре рабочего пространства 20 ± 1,5 С. Испытания заканчивались при появлении ка пельной течи по штоку.

Для получения данных о величине износа и интенсивности изна шивания поверхности трения реализовывалось 2 105 циклов испытаний (путь трения L = 80000 м) при заданной скорости скольжения и рабочем давлении. В процессе испытания контролировалась величина утечек ра бочей жидкости.

Рис. 5.22. Испытательный стенд гидроцилиндра: 1 – гидростанция;

2 – нагнета тель;

3 – гидроцилиндр;

4 – защитный кожух с пружиной;

5 – распределитель;

6 – станина;

7 – манометр I;

8 – манометр II По результатам исследования износостойкости необработанных и обработанных ЭИЛ поверхностей, построены кинетические зависимости скорости изнашивания стальных образцов от продолжительности испытаний (рис. 5.23).

Полученные кривые имеют участки приработки и установившегося изнашивания. Установившаяся скорость изнашивания ЭИЛ поверхно стей J 0,007 мм/мин;

без обработки ЭИЛ J 0,016 мм/мин, т.е. в 2,2 раза выше. Кроме того, из представленных зависимостей видно, что на этапе приработки скорость изнашивания необработанных поверхно стей в 2,5 3 раза превышает обработанные ЭИЛ-покрытия. После ис пытаний в течение 180 мин скорость изнашивания необработанного об разца резко увеличивается, в то же время скорость изнашивания образца с покрытием остается постоянной в течение всего периода испытаний.

J, мм/мин 0, 0, 0, t, мин 60 120 180 240 Рис. 5.23. Скорость изнашивания стальных образцов: 1 – необработанная по верхность;

2 – поверхность обработанная ЭИЛ Результаты ускоренных испытаний показали, что предлагаемые комплексные мероприятия обеспечивают герметичность уплотнения штока в течение 2 105 циклов;

величина внешних утечек в процессе испытания гидроцилиндра находится в пределах нормы (не более 20 см3 за 1000 циклов);

диаметр рабочей поверхности штока находит ся в пределах допуска на изготовление;

внутренний диаметр уплотни тельной манжеты не превышает 0,1 мм на диаметр, что обеспечивает интенсивность изнашивания не более 0,6 10-10.

Износостойкость образцов, обработанных методом ЭИЛ, повы шается более чем в 2 раза и обеспечивает стабильные условия для работы полимерных уплотнительных элементов гидроцилиндра, что существенно повышает их работоспособность и долговечность. Ве личина утечек, зафиксированная в процессе стендовых испытаний, подтверждает эффективность предлагаемых конструктивно технологических мероприятий.

Выводы С повышением окислительных свойств межэлектродной среды при ЭИЛ износостойкость легированного слоя возрастает, а коэффи циент трения имеет тенденцию к снижению. Так, в кислороде ширина истертой лунки составляет h = 0,4 – 0,9 мм, а в углекислом газе шири на истертой лунки лежит в пределах h = 2,2 – 3,8 мм в зависимости от режима упрочнения.

С повышением энергии единичного импульса износостойкость возрастает независимо от состава межэлектродной среды. Ширина истертой лунки в углекислом газе при упрочнении с энергией в им пульсе 0,022 Дж в 1,5 2 раза больше чем h с энергией в импульсе Е = 0,25 Дж. В кислороде, с энергией в импульсе Е = 0,022 Дж лунка износа в 4 раз больше, чем h, полученная с энергией Е = 1,2 Дж.

В воздухе и углекислом газе значения коэффициентов трения для стали Р6М5 близки между собой в большинстве вариантов и находят ся в пределах 0,044…0,1. С увеличением энергии в импульсе в воз душной среде, наблюдается тенденция к увеличению значений коэф фициента трения, а для образцов, упрочненных в углекислом газе и в кислороде – к снижению коэффициента трения. Для достижения уменьшения коэффициента трения в среде воздуха, обработку следует проводить с энергией в импульсе не более 0,25 Дж;

в углекислом газе и кислороде целесообразней проводить упрочнение с энергией в им пульсе Е = 0,73 – 1,15 Дж.

Продолжительность периода приработки принимает меньшие зна чения при эксплуатации поверхностей, упрочненных в кислороде и уг лекислом газе, чем на воздухе. Так, величина приработочного периода в кислороде составляет t = 60 – 90 мин, в воздухе t = 120 – 240 мин.

Оптимизационные исследования позволили определить наиболее эффективные режимы упрочнения ЭИЛ при реализации процесса в различных технологических условиях (материал легирующего элек трода, газовая межэлектродная среда). Множественным и парным рег рессионным анализом получены уравнения регрессии, позволяющие прогнозировать количественные характеристики эксплуатационных свойств при изменении внешних условий и режимов легирования.

Совместное применение ПКМ для уплотнительных элементов на основе ПТФЭ и поверхностного легирования металлических элементов конструкции гидроцилиндра – эффективный метод повышения работо способности и ресурса ГУ, особенно в жестких условиях эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время технический прогресс во многих областях науки и техники неразрывно связан с разработкой и внедрением эф фективных упрочняющих технологий. Эта тенденция обусловлена проблемой повышения стоимости и экономии стратегических метал лов (хром, вольфрам, кобальт, титан, марганец, ванадий, молибден и др.) и перехода к массовому потреблению низколегированных сталей в будущем. Все в большей мере проявляется тенденция создания по крытий узкоцелевого назначения: износо-, жаро- и кавитационно стойких, антикоррозионных и т.д. За счет сокращения объемов тради ционных для промышленности технологий упрочнения увеличивается потребность в инновационных технологиях получения многокомпо нентных поверхностных слоев. Процессы многокомпонентного на сыщения позволяют сформировать многофазную структуру поверх ностного слоя, обладающую комплексом повышенных эксплуатаци онных свойств.

Наличие в дорожно-строительных организациях РФ огромного парка автомобилей, строительно-дорожных машин (СДМ) обуславли вает повышенные требования к их эксплуатационной надежности, ка честву технического обслуживания и ремонта, упрочнению новых и восстановлению изношенных деталей в условиях острого дефицита запасных частей. Надежность и ресурс вышеперечисленных машин и их технологического оборудования в значительной степени зависят от работоспособности и срока службы узлов трения. Надежность узлов трения (трибосопряжений) определяется, главным образом, их износо стойкостью, которая зависит от эксплуатационных свойств материалов, из которых они изготовлены и качества сопряженных поверхностей.

В связи с этим обеспечение предприятий запасными частями по вышенного ресурса за счет упрочнения и восстановления изнашивае мых деталей СДМ является актуальной задачей, решение которой по зволит избежать не только простоев машин, но и сэкономить трудо вые, материальные и топливно-энергетические ресурсы.

Развитие автомобильной и дорожной отрасли требует создания поверхностей, способных повысить надежность и долговечность де талей машин и снизить их материалоемкость. Все большее распро странение получают технологии, использующие высокоэнергетиче ские методы воздействия, например, концентрированным потоком энергии. При этом, в неравновесных условиях нагрева и охлаждения происходит формирование принципиально иной структуры поверхно стного слоя. В связи с этим дальнейшее развитие должны получить ме тоды упрочнения с использование концентрированного потока энер гии, в частности электроискровое легирование, ионно-лучевая обра ботка, лазерная обработка и т.д. в том числе и в дорожной отрасли.

Любую упрочняющую технологию, с энергетической точки зре ния, можно представить как процесс формирования поверхностного слоя с повышенной величиной химического потенциала. Повышение химического потенциала при упрочнении обеспечивается поглощени ем упругой внутренней энергии за счет наведения высокой плотности дефектов кристаллического строения, внесения свободной энергии легирующими компонентами и образования новых фаз и химических соединений. Значимость указанных механизмов различна в зависимо сти от природы упрочняющего воздействия и плотности его энерге тического потока. Термодинамический анализ упрочняющих процес сов позволяет количественно оценить их соотношения в различных технологиях упрочнения и активность этих механизмов в процессе трения.

Автором данной работы проведено комплексное исследование, направленное на создание научных и технологических принципов по лучения высокоизносостойких наноструктурных легированных по верхностных слоев с особыми свойствами. Определены оптимальные режимы и условия легирования различных материалов и даны реко мендации по их практическому использованию.

Научное издание Дмитрий Николаевич Коротаев ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ НАНОСТРУКТУР ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ Монография Редактор Е.В. Садина Подписано к печати Формат 60х90 1/16. Бумага писчая Оперативный способ печати Гарнитура Times New Roman Усл. п. л. 16, уч.-изд. л. 11, Тираж 100 экз. Заказ № Цена договорная Издательство СибАДИ 644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, Отпечатано в отделении ОП издательства СибАДИ 644099, г. Омск, ул. П. Некрасова,

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.