Концепція досліджень зносостійкості металевих деталей, азотованих в тліючому розряді з автономними параметрами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 69 Пастух І.М., Соколова Г.М. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-m ail: past im@mail.ru КОНЦЕПЦІЯ ДОСЛІДЖЕНЬ ЗНОСОСТІЙКОСТІ МЕТАЛЕВ ИХ ДЕТАЛЕЙ, АЗОТОВАНИХ В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ З АВТОНОМНИМИ ПАРАМЕТРАМИ УДК 621.785.532 На основі анал ізу су ку пності фактор ів впливу сфор мована модель досліджень зносостійкості металевих де- талей, азотованих в тл іючому р озр яді з автономними (незалежними) пар аметр ами технологіч ного режиму . Клю чові слова: трибосистема, зносостійкіс ть, а зотування , тліючий розря д, не залеж ні параметри Вступ Поняття «азо тування в тліючому розряді з незале жними параметрами» логічно випливає з енер- гетично ї моделі процесу, сформульованої в [1]. Головна теза ц ієї моде лі поля гає в тому, що кожний з субпроцесів, які маю ть місце при азотуванн і в тліючому розряді, найб іль ш продуктивн ий в певному діа- пазоні енергій час ток, що бомбардують повер хню, маючи певну ш видкість (енерге тичний р івень ), о три- ману як наслідок взаємодії з полем в межа х облас ті като дного па діння . При цьому цей потік формують не тільки заря джен і частки (іони). В деяки х випа дка х (за лежно від параметр ів те хнологічного режиму - так зва ни х режимни х, як то скла д газового середовища, температура процесу, триваліс ть обробки та ене- ргетични х – напруга като дного па діння, густи на с труму) їх на віть перевищує потік ней тральни х час ток, утворени х в резуль таті резонансної перезарядки, ймовірніс ні характерис ти ки котрого іно ді на порядок перевищують ана логічн і показники іон ізац ії. Про те аналіз та прогнозування впли ву параметрів те хноло- гічного режиму на кінцеві результа ти дещо проблематичний з дво х причин. По-перше, опорним аналіти- чним параметром порівняння, яки й використовує ться для практичного застосування енерге тичної моделі процесу, є система відносни х енерге тични х фактор ів. Проте їх абсолю тна величина може порівнюва тись кількісно тіль ки в межа х о дного матеріалу. По-друге, теоретичний оп тимум, тобто система параметрів режиму, зда тни х забезпечи ти задан і з вра ху ванням умов майбутньої екс плуа тації характеристики моди- фікованої повер хн і, рідко може бути реалізований на практиці. Справа в тому, що ве дучим параметром режиму є температура процесу, яка у звичайних умова х підтримується завдяки певній комбінації енерге- тични х характеристи к. При ц ьому в першу чергу змінюю ть напругу між е лектродами розрядної камери (автоматично, якщо не зас тосовується балас тни й реостат). Зале жно від п лощ і дета лей, о хо плени х розря- дом, а також з вра ху ванням наявнос ті ло кальн и х виня тків на повер хн і ци х де талей (гострі ребра, вузьк і щілини, о твори малого діаметра та інше ), які служа ть концен траторами поля та зб іль шують ло кальну те- мпературу, змінюють (збільшую ть) с трум розряду. З названих причин реально можлива комбінац ія па- раметрів не завж ди відповідає оптимуму, оскіль ки потужн іс ть розряду, я ка і формує температуру проце- су в принципі залежи ть від обох енерге тични х характеристик, а вони в свою чергу також окрім всього іншого залежа ть від умов горіння розря ду, я кі обумовлені особливос тями конс трукції розря дної камери та підвіски са дки . Слід також зауважи ти, що скла дові потужності по-різному формують умови модифі- кації, оскіль ки напруга розряду в основному впливає на енерге ти ку часток потоку, які бомбардують по- вер хню, а густи на струму (з врахуванням зазначени х вище факторів) – на кіль кісн і характерис тики пото- ку, що бомбардують повер хню часток. Саме ця складова енерге ти ки розряду пояснює можливіс ть дося г- нення певни х резу льта тів при азотуван ні з оберненою полярніс ть , тобто отримані в ході дослідни х про- цесів на установка х, в яки х де таль була е лектрично з’є днана з пози ти вним полюсом джере ла живлення . В цьому випадку іонів в околі модиф ікованої повер хн і взага лі не може бути . Пос тановка проблем и Узага льнен і по ложення мето дики формування моделі трибосистем при азотуван ні в тліючому розряді ви кла ден і в [2]. Наве дена в ц ій роботі с хема взаємозв’язків в самому загальному вигляді відо- бражає найбільш спрощену систему взаємозв’язків між окремими факторами, котрі в основному і фор- мують кінце вий резуль та т дослідженн я – модель трибосистеми. Очеви дно, що висновки з вказа ної робо- ти с лід розгля да ти тіль ки я к передумову для розробки де таль ного алгоритму визначення та сп іввідно- шення між ви хідними та кінце вими характеристиками модифікації мета лево ї повер хн і. В той же час не- залежно від того, які характеристи ки бу дуть прийня ті в якос ті опорни х для оцінки прида тнос ті певного те хнологічного режиму модифікац ії повер хн і (рівно як і вза галі метод обробки об’єктів модиф ікац ії), кі- нцевою метою дослідження є пошук шля ху до призначення (в тому числі і автомати зованого) оптим а ль- ни х параметрів те хнологічного режиму обробки з метою отримання та ки х нас лідків модифікації, які за- безпечували б максимально необхідну відповідно до умов експлуатац ії працездатніс ть. Природно, пов и- Концепція досліджень зносостійкості металевих деталей, азотованих в тліючому розряді з автономними параметрами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 70 нні бути за дія ні і критер ії, які відображають економіку процесу, проте ця те за в першу чергу стосується вибору методу модифікац ії, тобто вже на с та дії призначення способу обробки повинн і бу ти зважен і вс і переваги та не доліки те хнологічного процесу, включаючи і показники , котр і характеризую ть саме еко- номічну доцільн іс ть зас тосування те хнологічного процесу (з вра хува нням специфіки конкре тного п ід- приємства). Цю тезу слід першочергово вра ховува ти в тому сенсі, що в певн и х си туац ія х впровадження навіть б ільш прогресивного та економічно вигіднішого те хно логічного процесу вимагає в умовах кон к- ретного п ідприємства значни х кап італовкла день на його ре конструкц ію, що може звес ти нанівець доц і- льн ість зас тосування те хно логії. Концепція ме тод ики досліджень Загальний а лгоритм та сис тема взаємозв’язків між факторами, які вливаю ть на формування мо- делі модифікації метале вої повер хн і показано на рис. 1. В зага льн ій постановц і модифікац ія розподіля- ється на процеси, котр і впливаю ть на весь об’єм об’єкта або певну його частину. Подібни й розподіл в певній м ірі дещо умовний, оскільки повер хнева обробка не може мати нескінченно малу глибину. Мож- ливо доречним було б встанови ти певн і граничні співвідношення між розмірами модифікованого шару та об’єкта обробки вза галі. Одн им із найчастіше ви користовувани х мето дів повер хневої модифікації ме та- лів є азо тування, а в означеній груп і перспективним з точки зору наслідків та е кономіки є а зотування в тліючому розряді, ко тре проводитьс я при певному режимові. Параметри цього режиму, як зазначалось раніше, розділяю ться на режимні та енергетичн і. Характерис тики (параметри) можуть бути абсолютни- ми, відносними, с табільними протя гом всього циклу обробки, змін ними, взаємозалежними (залежн іс ть може бути повною або частковою з різними комбінаціями підпорядкованості) чи автономними (незалеж- ними один від одного ). Відповідно до цього встановлюю ться кри терії енерге тики процесу, оскільки в за- лежності від того, я кий субпроцес повинен бути превалюючим, той чи ін ший критер ій може бути вир і- шальним. На прикла д, ін тенсивніс ть по току часток, що бомбардують повер хню, в основному визначаєть- ся густиною струму, а їхня енергія – напругою між е лектродами розрядної камери. Ви хідними характе- ристиками стану повер хні є матеріал, з якого виготовлено об’єкт модифікації, особливості його форми, що в першу чергу впливає на динаміку ви хо ду процесу на температурний режим. Останню тезу слід роз- гля да ти, ви ходячи з наступни х по ложень. Ос кіль ки наявн ість концентра торів поля призводи ть до лока- льного швидкого нагр іву повер хн і, то ш видкість виво ду на режимну температуру повинна бути відпов і- дною. Не до тримання цього положення призводить до то го, що лока льно об’єкт обробки нагріває ться з біль шою шви дкіс тю, температура місць, де є концентрац ія поля, перевищує, за дану те хно логічним ре- жимом. Небезпека по дібно го порушення те хно логії обробки в першу чергу по лягає в ймовірності пере- вищення температури відпуску, тобто показни ки модифікац ії можуть бути меншими, н іж ви хідний с тан. Вибору певни х комбінацій параметр ів те хно логічного режиму передує дослідження впливу параметрів те хнологічного режиму на майбутню структуру модифікованого повер хневого шару. Для вс тановлення означени х закономірностей с лід вибрати мето дику, я ка забезпечувала б найбільшу об’єктивніс ть та від- повідніс ть їх реальн им процесам. Окрім зазначеного вище впли ву матеріалу, форми, ключове значення відіграє попередня хіміко-термічна обробка (ХТО). Резуль та ти азо тування об’єктів, котр і попередньо пройшли ХТО, значно кращі порівня но з тими, що не оброблялись . Проте азо тування подібни х дета лей вимагає підвищеного рівня кон тролю як температури взага лі, так і динаміки її зміни . Ще оди н аспект, який може вплива ти на якіс ть модифікації – рівномірніс ть характерис ти к повер хневого шару після ХТ О, що в свою чергу в певній мірі обумовлюватиме аналогічний по казни к піс ля обробки. Ще о дна небезпека азотування де та лей із значним коли ванням характеристи к повер хні п ісля ХТ О полягає в тому, що при- значення параметрів те хнологічного режиму стає проблематичним, оскільки ця фаза процесу у значній мірі зале жить і від ви хідного стану повер хні. Ще о дин з головни х факторів, я кий повинен бути вра хо ва- ним у стадії вибору параметрів те хнологічного режиму обробки – умови майбутньої експлуа тації. Ця те- за відіграє ключову роль при прогнозуванні попередньої с труктури повер хн і. В самому загальному ви- гля ді с труктура модифіковано ї повер хн і може включати зону нітридів та зону внутрішнього азотуван ня. В деяки х випа дка х майбутньо ї експ луатац ії бажана с труктура повер хневого шару може відрізня тись від класичної. Наприкла д, надмірна твердіс ть повер хні, яка як правило характерна модифікованому шарові із значним вміс том шару нітридів, може призвес ти до його суттєвої кри хкос ті, що недопус тимо, напри- кла д, для обробляючого інструменту. З вра хуванням означени х фактор ів формується модель проектної структури повер хні, а відтак – модель попередньої с труктури повер хні. Різниця м іж ц ими поня ттями поля гає насамперед в тому, що попередня структура вра ховує окрім всього іншого реальний попередн ій стан повер хні, включаючи реальну нерівномірніс ть характери- стик повер хн і. Отримана таким чином модель попереднього с тану повер хн і дозволяє вибра ти як енерге- тичн і кри терії процесу, так і конкре тн і значення показн иків енер гети ки. Дослідженню вп ли ву енергетични х характеристи к те хно логічного процесу на реальну структуру передує обґрунтування методи ки аналізу структури повер хн і, оскіль ки вона у значній мір і може вплину- Концепція досліджень зносостійкості металевих деталей, азотованих в тліючому розряді з автономними параметрами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 71 ти на об’єктивніс ть резуль та тів по дібного дослідження. Отриману реальну структуру аналізують , вибра- вши певн і параметри структури. На основі ц ієї процедури визначають не тіль ки реальн і показни ки, ко трі відображають модиф іковану повер хню, а ле й модель зв’язку с труктури з параметрами процесу. Модифікація Об’ємна Поверхнева Азотування Азотування в тліючому розряді (АТР) Режим Параметри Енергетичні Режимні А бс ол ю тн і В ід но сн і За ле ж ні А вт он ом ні Зм ін ні С та бі ль ні Поверхня Матеріал Характеристики Форма Попередня ХТО Рівномірність характеристик Попередня структура поверхні Умови експлуатації Проектна структура поверхні Показники енергетики процесу Енергетичні критерії процесу Реальна енергетика процесу Вплив параметрів процесу на структуру поверхні Реальна структура поверхні Зв’язок структури з енергетикою процесу Методика аналізу структури поверхні Параметри структури поверхні Реальні значення параметрів структури поверхні Зносостійкість Характеристики зносостійкості Умови випробувань Реальні значення зносостійкості Модель зв’язку параметрів структури поверхні з параметрами процесу Модель зв’язку параметрів зносостійкості з параметрами процесу Модель зв’язку параметрів зносостійкості з параметрами структури поверхні Модель керованого формування зносостійкості залежно від умов експлуатації Аналітичний апарат керованого формування зносостійкості залежно від умов експлуатації Інженерна методика керованого формування зносостійкості залежно від умов експлуатації Програмні продукти керованого формування зносостійкості залежно від умов експлуатації Рис. 1 – Схема взаємозв’язкі в моделі модифі кації пове рхні азотуванням в тлі ючому розряді Концепція досліджень зносостійкості металевих деталей, азотованих в тліючому розряді з автономними параметрами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 72 Дослідження зносостійкос ті отриманої в резуль та ті обробки повер хн і проводи ться піс ля вибору характерис ти к, оскіль ки в певни х умовах експ луатац ії пріорите т кожно ї з ни х – змінний . Ва жли ве зна- чення має також вибір умов випробувань, оскільки о днотипна, без вра ху вання реально го стану повер хн і те хнологія випробувань на зносостійкіс ть може призвести до отримання необ’єктивно ї карти ни резуль- та тів обробки або термін досліджень с тане невиправдано значним. Пода льше дослідження передбачає розробку моделей зв’я зку параметрів зносостій кості з пара- метрами процесу модифікац ії, з вра хуванням реаль ни х значень параметрів с труктури – моделі зв’язку показників зносостійкос ті із структурою повер хн і. Компле кс означени х моде лей дозволяє сформувати модель керованого управлінн я процесом за критерієм зносостійкості, я ка станови ть основу для розробки аналітичного апарату керованого формування зносостійкості. З огля ду на рівень скла днос ті ана літичного апарату розробляється інженерна методи ка керованого формування зносостійкос ті, а в зале жності від р і- вня її скла дності вирішує ться доц ільн іс ть розробки програмни х продуктів, ко трі дозволи ли б автомати- зувати процес управлін ня те хнологією. Висновки Запропонована структура взаємозв’язків факторів та скла дови х моделі модифікац ії повер хн і азо- туванням в тліючому розряді з незалежними параметрами може становити основу для автоматизац ії про- цесу керованого формування зносостійкості об’єктів обробки. Літе ратура 1. Пас ту х И. М. Теория и пра ктика безводородного а зотирования в тлеющем разряде / И. М. Пас - ту х. – Х. : Националь ный научный цен тр «Харь ковский физико-те хнический инс ти тут», 2006. – 364 с. 2. Пас ту х І. М. Методи ка формування моделі трибосистем при азотуванні в тліючому розряді / І. М. Пас ту х, М. В. Лук’янюк, В. О. Курская , Г. И. Соко лова // Вісник Хмельниць кого національного уні- версите ту. Те хнічн і нау ки. – 2013. – №5. – С. 12-15. П р о б л е м и т р и б о л о г і ї “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” E-mail: tribosenator@gmail.com Поступи ла в редакц ію 27.05.2015 Концепція досліджень зносостійкості металевих деталей, азотованих в тліючому розряді з автономними параметрами Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 73 Pastukh I.M., Sokolova G.M . Concept of research of the wear resistance of metal parts, nitrided in glow dis- charge with independent parameters. On the basis of imp act comp lex the mod el of the study of the wear resistance of metal p arts, nitrided in a glow dis- char ge with the autonomous (indep endent) p arameters of technological regime was generated. The structure of the relation- ship of factors and comp onents of the model can be the basis for automating of the p rocess of the wear resistance of metal p arts controlled formation. Keywords: nitration, tribosy stem, glow dischar ge, model, indep endent p arameters. References 1. Pastukh I. M. Theorija i pra ktyka bezvodorodnogo azotirovania v tleushchem razrjade. Kharkov, Na - tional Sc ience Center "Kha rkov Institute of Physics and Technology". 2006. 364 p. 2. Pastuh I.M., Luk’yanyukM.V., Kurskaya V.O., Sokolova G.I. Metodika formuvannya modelI tribosistem pri a zotuvannI v tlIyuchomu ro zryadI. VIsnik Hmeln itskogo natsIonalnogo unIversitetu. TehnIchnI nauki. 2013. # 5. S. 12–15.