CC BY
101
УДК 621. 793. 6
ЭЛЕМЕНТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ ДИФФУЗИОННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ
Ю.Н. МАКИН, С.К. ГРУЗДКОВ, А.М. САВВИНА
В статье рассмотрены элементы математической модели ремонта деталей авиационной техники диффузионной металлизацией.
Ключевые слова: восстановление, магнитные свойства, диффузионная металлизация, хромирование, диверсификация.
В рамках стратегии формирования общей теории авиаремонтного производства [1], научной работы, где МГТУ ГА имеет исторический приоритет [2], важнейшей задачей является разработка методов формализации технологических процессов ремонта и математических моделей процессов восстановления, принципиальной особенностью которых является возможность выбора оптимального метода восстановления из ряда альтернативных [3]. В методическом аспекте это реализовано на примерах математического моделирования и алгоритмирова-ния восстановления деталей АТ пайкой, а также проектирования ремонтного процесса очистки ремфонда средствами микробиологии [4, 5, 6].
В статье [7] показаны элементы математической модели диффузионной металлизации как перспективного средства комплексного восстановления свойств деталей электромагнитных устройств авиационной техники. Задача проектирования в данном случае предусматривает выбор метода диффузионного насыщения, состава насыщающих смесей и режимов обработки для восстановления и сохранения при проведении технологического процесса заданных техническими условиями на изготовление квалиметрических параметров качества материала магнито-провода. В работе [8] приведены результаты указанного моделирования по параметрам: магнитные свойства и коррозионная стойкость; шероховатость; фрикционные свойства; наличие диффузионного слоя в глухих отверстиях; локальные изменения магнитных свойств в однородном материале; жесткость и геометрические параметры; возможность послевосстановительной механической обработки.
В данной работе показаны возможности технологии диффузионной металлизации как диверсификационного продукта на рынке товаров и услуг.
В качестве методического примера исследования возможности использования технологии как диверсификационного продукта взята вновь разработанная технология диффузионной металлизации электромагнитных устройств (поскольку удовлетворяет перечисленным выше методическим направлениям в проектировании).
Представленная в [8] технология локального изменения магнитных свойств в однородном материале магнитопровода основывалась на том, что стандартные тороиды покрывались соответствующими защитными составами шликерным методом и подвергались диффузионному хромированию неконтактным способом из газовой и паровой фазы. Моделирование процесса показало, что местное изменение магнитных свойств может быть достигнуто как путем создания благоприятных условий для протекания диффузии, так и путем дозированного предварительного изменения свойств с целью замедления пpоцecca диффузии в заданной зоне. Эта технология является альтернативной и может расширить сеть ее потенциальных потребителей.
Процесс диффузионной металлизации ускоряется при наличии активаторов (как правило -галогенидов), поэтому один из путей создания благоприятных условий для диффузии - предварительная активация поверхности. Возможность снижения процесса диффузии может быть реализована путем ввода в поверхность детали (поверхностным легированием) элементов, препят-
ствующих диффузии. Таким элементом может быть, например, углерод, который обеспечивает мелкозернистую структуру за счет снижения скорости роста зерен, создает в металле прослойку из карбидов, затрудняющую диффузию. Кроме того, если углерод, внесенный в материал при поверхностном легировании, не весь будет связан в карбидах, то остаточная концентрация углерода в зоне диффузии также позволит снизить магнитные свойства. Для оценки влияния предварительного воздействия были изготовлены кольцевые образцы, которые подвергались предварительной активации либо поверхностному легированию. В качестве активатора использовался йод, слой которого был нанесен на внутреннюю и внешнюю поверхности кольца. Плоские участки не обрабатывались, то есть обработке подвергалось 50% площади образца.
Возможность торможения диффузионного процесса исследовалась на аналогичных образцах, подвергнутых электроискровой обработке на установке «Элитрон» с использованием графитового электрода. Обработке подвергались, как и в случае предварительной активации, внешняя и внутренняя цилиндрические поверхности образца. Было исследовано три режима легирования - под воздействием мягкого (ток обработки 0,2 А), жесткого (3 А) и промежуточного (1,5 А) режимов.
После обработки все детали, а также контрольные образцы (не подвергавшиеся предварительному воздействию) были подвергнуты диффузионной металлизации контактным методом комплексом хром-олово, затем исследовались микроструктура и магнитные свойства обработанных образцов. Магнитные свойства были рассмотрены в сравнении со свойствами образца в исходном состоянии (не прошедших никакой обработки).
Как и предполагалось, предварительная обработка оказывает существенное влияние на магнитные свойства детали. Максимальная магнитная проницаемость после диффузионной металлизации контрольных образцов (без активации) возросла на 250%; магнитная индукция насыщения практически не изменялась. По сравнению с контрольным образцом, предварительная активация поверхности йодом позволила еще более увеличить цтах. Магнитная проницаемость при такой обработке возрастает на 270% .
Более существенное воздействие оказывает электроискровое легирование углеродом и это воздействие ведет к меньшему росту цтах. После электроискрового легирования и диффузионной металлизации цтах достигает (в зависимости от режима легирования) 210 ... 230% от исходного состояния. Ожидалось, что наименьшее значение максимальной магнитной проницаемости будет получено при наиболее жестком режиме предварительного электроискрового легирования, однако замедление процесса диффузии, судя по микроструктуре, прошло неоднозначно. Анализ микроструктуры показал, что при использовании предварительной активации йодом улучшается текстура материала и увеличивается размер зерна. Толщина слоя возрастает, но незначительно (не более чем на 5 . 7% по отношению к контрольному образцу).
Предварительное электроискровое легирование ведет к уменьшению размера зерна по сравнению с контрольным образцом. Толщина слоя также снижается, но незначительно, не более чем на 8 ... 14% в зависимости от режима обработки. При этом образец, обработанный на мягком режиме, имеет четко выраженную прослойку карбида хрома. Это связано с тем, что при электроискровой обработке на жестком или промежуточном режимах углерод, вследствие разогрева детали, имеет меньший градиент концентрации вблизи поверхности, тогда как при обработке на мягком режиме углерод скапливается в узком слое, что способствует образованию прослойки карбидов хрома, затрудняющих встречную диффузию примесей из глубины детали и легирующего хрома в деталь, в то время как углерод, не связанный хромом, может диффундировать в деталь. Косвенным подтверждением является снижение у данного образца индукции насыщения на 7 ... 8%, однако необходимы дополнительные исследования, объясняющие полученный эффект.
Полученные результаты позволяют создавать более технологичные конструкции электромагнитов, шаговых двигателей, индукционных датчиков и иных аналогичных устройств, в ко-
торых для управления магнитным потоком требуется менять (уменьшать или увеличивать) сечение магнитной цепи. Используя диффузионную металлизацию с предварительной обработкой, можно на заданном участке менять магнитное сопротивление детали без изменения сечения (что связано, обычно, с прецизионной токарной обработкой).
Химико-термическая обработка металлов может применяться для диффузионной металлизации стальных изделий и может быть использована в общем машиностроении и при ремонте для придания деталям высокой износостойкости и коррозионной стойкости.
Для этих целей были разработаны методы и составы для хромирования сталей, железоникелевых и никелевых сплавов, а также порошковых материалов на основе железа и никеля изделий, повышающие насыщающую способность и снижающие себестоимость процесса [9]. Их использование целесообразно при изготовлении изделий с высокими антикоррозионными, антифрикционными и прочностными характеристиками поверхностного слоя при сохранении заданных геометрических характеристик деталей после химико-термической обработки в пределах допусков, а также при изготовлении изделий с заданными магнитными характеристиками. Они лишены такого недостатка, как низкой производительности процесса и неэффективности использования легирующих элементов, как следствие нагрева большого количества материала, не участвующего в образовании покрытия и завышенного расхода энергии на нагрев, а также то, что контакт поверхности детали с порошком ведет к повышению шероховатости и соответственно к недостаточным износостойкости, антифрикционным свойствам поверхности и повышению электрического контактного сопротивления.
Проведенные исследования показали, что:
• разработанные технологические рекомендации позволяют планировать все работы по организации внедрения процесса диффузионной металлизации как при ремонте, так и при производстве электромагнитных устройств;
• возможно направленное воздействие на свойства диффузионного слоя и глубину зон основного материала путем предварительной обработки поверхности детали;
• предварительное электроискровое легирование поверхности образца углеродом ведет к уменьшению размера зерна металла, магнитной проницаемости и снижает крутизну кривой намагничивания после диффузионной металлизации и уменьшению толщины диффузионного слоя по сравнению с образцом без предварительной обработки, что оказалось существенным даже на образцах сечением 4 х 4 мм, где объем зоны диффузии с предварительной обработкой составил по отношению к объему детали около 2%. При уменьшении этого соотношения ухудшение магнитных свойств будет существенно увеличиваться;
• наиболее эффективно указанное воздействие для магнитомягких материалов. В этом случае оно эквивалентно изменению магнитного сопротивления материала, ослабляя или усиливая воздействие процесса диффузионной металлизации за счет изменения толщины диффузионного слоя, химического состава и текстуры диффузионного слоя;
• предварительная обработка позволяет дополнительно воздействовать на геометрические размеры детали, поскольку с изменением толщины диффузионного слоя возможно и изменение размеров детали после обработки, обеспечивая тем самым необходимый размер при восстановлении детали;
• технологические процессы диффузионной металлизации могут использоваться в качестве диверсификационных.
Разработанная методология формирования математических моделей вновь вводимых в технологическую практику процессов восстановления функциональных свойств изделий показала, к чему должен стремиться и какие задачи на перспективу должен решать проектировщик технологии:
• полное выявление утрачиваемых в процессе эксплуатации функциональных свойств изделия как внешних, так и внутренних;
• восстановление “внешних” и “внутренних” функциональных характеристик изделия;
• улучшение функциональных и эксплуатационных свойств изделия и повышение их стабильности;
• перенос вновь разработанной ремонтной технологии в производственный процесс изготовления данного изделия;
• перенос этой технологии в проектировочную конструкторскую и технологическую практику других функционально близких изделий;
• изучение возможностей использования разработанной технологии в качестве самостоятельного диверсификационного продукта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Макин Ю.Н. Основы общей теории авиаремонтного производства: учеб. пособие. - М.: МГТУ ГА, 2004.
2. Макин Ю.Н. Об историческом приоритете МГТУ ГА в разработке общей теории авиаремонтного производства // Научный Вестник МГТУ ГА, серия История, философия, социология. - 2008. - № 129. - С. 30 - 36.
3. Макин Ю.Н. Моделирование технологических процессов восстановления изделий с целью выявления резервов повышения эффективности авиаремонтного производства // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2001. - № 35. - С. 100 - 107.
4. Фролов В.П., Макин Ю.Н. Моделирование технологического процесса восстановления изделий авиатехники методом пайки // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2002. - № 52. - С. 125 - 132.
5. Фролов В.П., Макин Ю.Н. Алгоритм математической модели пайки // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - № 63. - 2003. - С. 34 - 39.
6. Коняев Е.А., Макин Ю.Н., Доценко Г.Н. Микробиологический метод очистки деталей авиадвигателей от нагароподобных загрязнений // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2002. - № 52. - С. 133 - 138.
7. Груздков С.К., Макин Ю.Н. Перспективы металлизации как средства комплексного восстановления свойств деталей авиационной техники // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2003. - № 63. - С. 40 - 45.
8. Макин Ю.Н., Груздков С.К. Элементы математической модели ремонта деталей авиационной техники диффузионной металлизацией // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2004. - № 74 (8). - С. 54 - 61.
9. А.с. № 1829434, приоритет изобретения 12 апреля 1989 г. Состав для хромирования стальных изделий / В.Ф. Рыбкин, В.П. Сладков, Ю.Н. Макин, Г.А. Кручинский. - М.: ГОСПАТЕНТ СССР, 1992.
10. Пат. № 1792452, приоритет изобретения 24 августа 1990 г. Способ химико-термической обработки изделий / В.Н. Зенушкин, С.В. Калыкин, Ю.Н. Макин. - М.: ГОСПАТЕНТ СССР, 1992.
11. Пат. № 2001160, приоритет изобретения 12 мая 1992 г. Способ обработки деталей магнитопровода на основе железа и его сплавов / С.К. Груздков, В.Н. Зенушкин, Ю.Н. Макин, М.И. Гроссман, С.В. Калыкин. - М.: Роспатент, 1993.
ELEMENTS OF MATHEMATICAL MODEL OF AVIATION TECHIQUE DETAILS RESTORING BY DIFFUSION METALLIZATION
Makin J.N., Gruzdkov S.K., Savvina A.N.
In clause the elements of mathematical model of repair of details of air engineering Diffusivity of metals are considered. Key words: restoring magnetic properties, diffusion metallization, chromplate, diversification.
Сведения об авторах
Макин Юрий Николаевич, 1952 г.р., окончил МАИ (1975), доктор технических наук, профессор МГТУ ГА, академик Академии наук авиации и воздухоплавания, автор более 110 научных работ,
область научных интересов - технологические процессы ремонта авиационной техники и их математическое моделирование, общая теория авиаремонтного производства.
Груздков Сергей Константинович, 1954 г.р., окончил МИИГА (1976), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, инженер МГТУ ГА, автор более 50 научных работ, область научных интересов - технологические процессы ремонта авиационной техники.
Саввина Анна Михайловна, окончила МГТУ ГА (2011), аспирантка МГТУ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - моделирование и алгоритмирование технологических и производственных процессов ремонта авиационной техники.
