18_Kaplun.doc Оптимізація технології азотування сталі 38ХМЮА в тліючому розряді за параметром зносостійкості в розплаві … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 106 Каплун В.Г., Матвіїшин П.В., Машовець Н.С. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЇ АЗОТУВАННЯ СТАЛІ 38ХМЮА В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ ЗА ПАРАМЕТРОМ ЗНОСОСТІЙКОСТІ В РОЗПЛАВІ СКЛОНАПОВНЕНОЇ ПЛАСТМАСИ Азотування в тліючому розряді є ефективною технологією модифікації поверхні металів, яка до- зволяє змінювати властивості поверхневих шарів (твердість, товщину, фазовий склад, градієнт зміни вла- стивостей по товщині) в широких межах [1, 2], що має велике значення для підвищення експлуатаційних характеристик конструкційних елементів. Оптимізація властивостей поверхневих шарів з врахуванням умов експлуатації забезпечує максимальну зносостійкість пар тертя [3, 4]. Властивості азотованого шару добре управляються 4-ма технологічними параметрами: температурою дифузійного насичення, тиском у вакуумній камері, складом насичуючого середовища і часом азотування. Теоретичними і експеримента- льними дослідженнями [3,4] показано, що найбільший вплив на фазовий склад азотованих шарів має те- мпература і тиск в процесі дифузійного насичення. Тому з метою скорочення кількості експериментів при дослідженні процесу зношування азотованих зразків було використано 2-х факторний рототабельний план другого порядку (план Бокса) [5]. В процесі досліджень змінювалися такі фактори: температура в межах 500÷6200С, тиск у вакуумній камері в межах – 125 ÷ 355 Па. Тривалість азотування та вміст арго- ну у газовому середовищі фіксувалися, і становили відповідно 480 хв та 25 об. % Ar. Ці параметри виб- рані з умови забезпечення максимальної товщини і твердості азотованого шару для сталі 38 ХМЮА на основі попередніх досліджень, якими було встановлено, що товщина азотованого шару залежно від часу азотування змінюється за параболічною залежністю і після 8 год дифузійного насичення практично не змінюються. Залежність поверхні азотованого шару сталі 38 ХМЮА від вмісту аргону в насичуючому середовищі має екстремальний характер з максимумом при 25 об. % Ar. Для отримання моделі використовувався алгебраїчний поліном другого порядку [5]: ,2222 2 111211222110 xbxbxxbxbxbby ⋅+⋅+⋅⋅+⋅+⋅+= (1) де 221112321 ,,,,, bbbbbb – коефіцієнти регресії; 21, xx – змінні фактори. Для запису умов експерименту і обробки експериментальних даних рівні факторів кодувались. Прийняті такі змінні фактори: - температура азотування – 1X ; - тиск в вакуумній камері – 2X . При кодуванні значень 1X і 2X верхній рівень позначають +1, нижній – 1, а нульовий 0. Ко- дування фактора iX визначається виразом: i ii i XX x ε − = 0 , (2) де i – номер фактора; iX – натуральне значення i-го фактора; iX 0 – натуральне значення нульового рівня i-го фактора; iε – інтервал зміни i-го фактора. Експериментальні дослідження проводились на рівнях та з інтервалами, які наведені в табл. 1. Матриця плану для композиційного рототабельного планування другого порядку наведена в табл. 2. Дослідження зношування азотованих зразків проводились на сталі 38ХМЮА в середовищі роз- плаву склонаповненого поліаміду ПС68-30 з вмістом 30 % скловолокна. Таблиця 1 Рівні та інтервали зміни факторів Рівні варіювання Позначення Фактори – 1,414 – 1 0 + 1 + 1,414 Інтервал варіювання X1 Температура, °С 500 520 560 600 620 40 X2 Тиск, Па 125 160 240 320 355 80 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Оптимізація технології азотування сталі 38ХМЮА в тліючому розряді за параметром зносостійкості в розплаві … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 107 Таблиця 2 Робоча матриці та результати експериментальних досліджень Робоча матриця Товщина азотованого шару Н ом ер р еж и- м у Т, °С Р, Па Мікро- твердість H100, МПа нітридної зони hN , мкм дифузійної зони hд, мкм Знос U, мкм після шляху тертя 4,6·105 м Інтенсивність зношування І·10-9 після шляху тертя 4,6·105 м Знос U, мкм нітридної зони після шляху тертя 0,1·105 м 1 600 320 8940 3,0 410 193,2 0,42 12,2 2 520 320 9350 6,0 290 156,4 0,34 11,5 3 600 160 8600 6,2 430 230,0 0,50 13,4 4 520 160 9520 7,0 300 147,2 0,32 11,0 5 500 240 9800 10,0 260 184,0 0,46 9,0 6 620 240 8030 1,0 450 197,8 0,45 15,0 7 560 125 9100 4,0 360 174,8 0,38 12,0 8 560 355 9200 5,0 350 170,2 0,37 11,3 9 560 240 9300 6,0 360 165,6 0,36 11,5 10 560 240 9350 5,5 365 164,5 0,37 11,1 11 560 240 9310 4,5 360 165,0 0,36 11,0 12 560 240 9290 5,0 355 166,0 0,35 11,2 13 560 240 9300 3,5 350 164,8 0,37 11,0 Дослідження зносостійкості зразків проводилися на спеціальній машині тертя [6], яка моделюва- ла умови роботи пари тертя «шнек-циліндр» термопластавтоматів. Знос зразків визначався через кожні 0,5 млн обертів робочого валу (шлях тертя 0,58 · 105м) на універсальному інструментальному мікроскопі УИМ-10 з точністю до 0,5 мкм. Вимірювання проводились в одних і тих самих точках на двох взаємно- перпендикулярних діаметрах. Перед вимірюванням зразки очищалися від пластмаси. Кожний результат визначався як середнє арифметичне значень з 10 замірів. Кожний експеримент повторювався 3 рази і знос визначався як середнє арифметичне з результатів трьох дослідів. На основі математичної обробки результатів експериментів (табл. 2) одержана залежність інтен- сивності зношування від температури і тиску процесу азотування після 4,6·105м шляху тертя, при часі дифузійного насичення 8 год в середовищі 75 об.% N2+25об.%Ar яка описується рівнянням: ( ) ( )22 2 12121 0091,00491,0025,00093,00307,03461,0 xxxxxxI H ++−−+= . (3) На рис. 1 наведені графіки залежності інтенсивності зношування сталі 38ХМЮА від температу- ри азотування при різних тисках в насичуючих середовищах, які одержані на основі рівняння (3). Вико- ристовуючи наведені графіки, знайдені оптимальні значення температури (Т = 545 °С) і тиску (Р = 240 Па) при яких досягається мінімальна інтенсивність зношування. Рис. 1 – Залежність інтенсивності зношування сталі 38ХМЮА від температури дифузійного насичення при різних значеннях тиску в вакуумній камері PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Оптимізація технології азотування сталі 38ХМЮА в тліючому розряді за параметром зносостійкості в розплаві … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 108 Кінетика зношування зразків азотованих за різними режимами залежно від шляху тертя наведена в табл. 3 і на рис. 2. Таблиця 3 Характеристики зношування сталі 38 ХМЮА після азотування за різними режимами Знос U, мкм при L · 105, м Інтенсивність зносу І · 10-9 при L · 105, м Номер режиму Мікро- твердість H100, МПа Товщина дифузійної зони hд, мкм 1,16 2,32 3,5 4,6 1,16 2,32 3,5 4,6 Градієнт твердості по товщині МПа/мкм 1 8940 410 44,6 85,8 133,7 193,2 0,35 0,37 0,382 0,42 21,9 2 9350 290 30,2 65,4 108,5 156,4 0,26 0,28 0,310 0,34 32,2 3 8600 430 42,9 88,0 157,5 230,0 0,37 0,41 0,450 0,50 20,0 4 9520 300 25,3 55,1 95,2 147,2 0,22 0,24 0,270 0,32 31,7 5 9800 260 29,0 62,6 122,8 184,0 0,25 0,31 0,351 0,46 38,1 6 8030 450 35,7 71,9 126,8 197,8 0,31 0,36 0,392 0,45 17,9 7 9100 360 39,4 83,5 127,7 174,8 0,34 0,35 0,365 0,38 25,3 8 9200 350 38,3 81,2 126,0 170,2 0,33 0,34 0,360 0,37 26,3 9 9300 360 37,1 78,9 119,0 165,6 0,32 0,33 0,340 0,36 25,8 Опти- мальний 9500 320 24,4 53,4 91,0 142,6 0,21 0,23 0,26 0,31 28,3 0 50 100 150 200 250 0 1,16 2,32 3,5 4,6 L·105, м 6 2 4 3 опт U, мкм 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1,16 2,32 3,5 4,6 L·105, м 6 2 4 3 опт І·10-9 а б Рис. 2 – Залежність зносу (а) та інтенсивності зношування (б) від шляху тертя при різних режимах азотування (табл. 2): опт. – оптимальний режим азотування З табл. 3 і рис. 2 видно, що величина зносу та інтенсивності зношування змінюються в широкому діапазоні залежно від режиму азотування і зростають зі збільшенням шляху тертя. На величину зношу- вання впливають не лише твердість поверхні азотованого шару, але його товщина та градієнт твердості по глибині (рис. 3). Дослідженнями [7, 8] встановлено, що в абразивному середовищі інтенсивність зношування обе- рнено пропорційна твердості поверхні. Дана закономірність підтверджується характером зношування ні- тридної зони азотованого шару (рис. 4), твердість якої залежить від її фазового складу і співвідношення фаз. Для дифузійної зони ця закономірність порушується в зв’язку зі зміною градієнта її твердості по то- вщині. Максимальна зносостійкість азотованого шару в цілому досягається при високій твердості повер- хневого шару і меншому градієнті зміни твердості по товщині. Тому, після шляху тертя 4,6 · 105 м міні- мальну інтенсивність зношування має азотований шар з твердістю поверхні 9 480 МПа (оптимальний режим азотування) і меншим градієнтом твердості (28,3 МПа/мкм), в той час як азотований шар з макси- мальною твердістю поверхні 9 800 МПа (режим №5)і значно більшим (1,4 рази) градієнтом твердості по товщині (38,1 МПа/мкм) має більшу інтенсивність зношування. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Оптимізація технології азотування сталі 38ХМЮА в тліючому розряді за параметром зносостійкості в розплаві … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 109 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 0 10 50 100 200 300 400 ГА 4 1 5 6 3 Н100 h, мкм 8 9 10 11 12 13 14 15 8030 8600 8940 9100 9200 9290 9300 9310 9350 9350 9520 9800 Н1 00 U, мкм Рис. 3 – Розподіл твердості по товщині азотованого шару в залежності від режимів азотування (табл. 2): ГА – газове азотування в середовищі аміаку при температурі 540 °С на протязі 45 годин Рис. 4 – Залежність зносу нітридної зони від твердості поверхневого шару Таким чином, на основі проведених досліджень встановлено, що інтенсивність зношування азо- тованих шарів залежить від твердості, товщини та градієнта зміни властивостей по товщині азотованого шару. Для умов зношування сталі 38ХМЮА в середовищі розплаву склонаповненої пластмаси ПС68-30 існує оптимальний режим азотування (температура 545 °С, тиск в вакуумній камері 240 Па, тривалість азотування 8 годин, середовище дифузійного насичення 75 об. % N2 + 25 об. % Ar), який забезпечує мі- німальну інтенсивність зношування її поверхні. Література 1. Ионная химико-термическая обработка сплавов / [Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю., Панайоти Т. А.]. – М.: Изд-во МГТУ им Н. Э. Баумана, 1999. – 400 с. 2. Лахтин Ю.М. Азотирование стали / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган // М.: Машиностроение, 1976. – 256 с. 3. Каплун В.Г. Прогрессивные технологии упрочнения конструктивных элементов / В.Г. Каплун, П.В. Каплун // В кн. «Современные технологии в машиностроении». Харьков НТУ «ХПИ», 2007. – С. 388-403. 4. Пастух И.М. Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде. – Харьков: НЕЦ ХФТИ. – 2006. – 364 с. 5. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента / В.Б. Тихомиров – М.: Легкая индуст- рия, 1974. – 262 с. 6. Матвіїшин П.В. Дослідження зносостійкості пар тертя в середовищі скло наповнених пластмас / П.В. Матвіїшин, В.Г. Каплун // Проблеми трибології (Promblems of Tribology). – № 4. – 2009. – С. 80-85. 7. Хрущев М.М. Абразивное изнашивание / М.М. Хрущев, М.А. Бабичев. – М.: Наука. – 1970. – 252 с. 8. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абра- зивном изнашивании. – М.: Машиностроение, 1966. – 332 с. Надійшла 30.06.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com