Интенсификация азотирования в электростатическом поле Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

-----------і

Л

V

ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ И ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.785.532

С.В. Агафонов

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ АЗОТИРОВАНИЯ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

В статье приведены расчеты математического планирования и практические исследования по получению оптимальных параметров процесса азотирования в электростатическом поле. Показана универсальная установка для азотирования.

Одна из важнейших задач современного машиностроения, в том числе и сельскохозяйственного, -повышение надежности и долговечности деталей машин в условиях всевозрастающих скоростей и удельных нагрузок, что приводит к повышению технического ресурса и межремонтных сроков эксплуатации узлов и машины в целом.

Эффективность эксплуатации машины определяется, главным образом, долговечностью, т.е. свойством длительно выполнять в заданных условиях свои рабочие функции с допустимыми отклонениями и перерывами на ремонт в течение всего времени эксплуатации ограниченного физическими, экономическими и моральными факторами.

Процессы разрушения в подавляющем большинстве случаев возникают и получают свое развитие в поверхностных и приповерхностных зонах металла, где в основном зарождаются трещины и другие дефекты, которые, в конечном счете, и обусловливают характер его разрушения. Поэтому в решении проблемы повышения надежности и долговечности деталей машин и механизмов важнейшая роль должна принадлежать методам поверхностного упрочнения, среди которых наиболее эффективным является химикотермическая обработка.

Этот достаточно хорошо известный технологический процесс уже сравнительно давно нашел свое применение в производстве. Однако до сих пор большинство его видов имеют весьма существенный недостаток - сравнительно большую длительность технологического цикла. Поэтому одна из главных задач заключается в изыскании возможностей их интенсификации.

Результаты многочисленных исследований показали, что интенсификация процессов химикотермической обработки может быть достигнута не только за счет повышения температуры процесса и соответствующего регулирования состава и активности насыщающей атмосферы, но и путем применения различных ионизирующих средств, использования вакуума, разного рода катализаторов, высоких давлений и т.п. [1].

Среди перечисленных способов наибольшее внимание исследователей привлекают электрофизические методы [2-5].

Их перспективность заключается в том, что они не только интенсифицируют процесс насыщения, но и путем создания у поверхности обрабатываемых деталей электростатического барьера для нежелательных по зарядовому состоянию ионов и ионных комплексов позволяют программировать процесс, т.е. получать более качественный диффузионный слой.

Задача настоящей работы заключалась в разработке технологии азотирования в электростатическом поле и оборудования для его осуществления, применительно к ремонтному производству гидронасосов-гидромоторов энергонасыщенных агрегатов.

Химико-термическая обработка в электростатическом поле имеет ряд преимуществ перед химикотермической обработкой в коронном разряде. Используется напряжение примерно в 10 раз меньше, чем при коронном разряде, более полно используется рабочее пространство муфеля печи, так как электродами для создания поля служат детали и стенки муфеля. Наряду с интенсификацией приблизительно в 2 раза заметно повышаются эксплуатационные свойства упрочненной поверхности.

Объяснить это можно тем, что связи между переходными металлами (железом) и внедряемыми атомами (азотом) имеют металлический характер при образовании фаз внедрения. А так как Fe имеет в своей электронной оболочке недостроенную d-полосу, то при внедрении N должен отдать часть своих валентных

электронов d-полосе металла и переходить в металлическое состояние, что и обуславливает высокую подвижность ионов N в решетке Fe.

Значительное время детали аксиально-поршневых насосов, изготовленных из стали 38Х2МЮА, подвергались азотированию по обычной технологии после размерного восстановления, испытывались в производственных условиях и показали хорошие эксплуатационные качества (за 40 часов - 0,4мм толщины слоя). Это послужило импульсом для создания установки для осуществления интенсивной технологии азотирования в электростатическом поле.

Установка для азотирования в электростатическом поле (ЭИП-2) состоит из муфельной печи(4) с электрообогревом, затвора муфеля (7), обеспечивающим его герметичность и подвод через электрод напряжения, щита управления (11) и газобаллонной системы (16) для подачи и регулировки осушенного аммиака, блока высокого напряжения и приборов регулирования электрическими параметрами процесса (рис. 1).

V А

Рис. 1. Принципиальная схема установки ИЭП-2:1 - пульт управления; 2 - высоковольтный выпрямитель; 3 - кабель высокого напряжения; 4 - печь ИЭП-2; 5,12 - вытяжная вентиляция; 6 - вывод отработанных газов; 7 - крышка-затвор; 8 - термопара; 9 - газопровод; 10 - ИРТ 5920М (измеритель регулятор технологический); 11 - щит управления; 13 - осушитель; 14 - фильтр; 15 - вентиль;

16 - баллон с аммиаком

Рис. 2. Общий вид установки ИЭП-2

Процесс азотирования протекает при атмосферном давлении и приложении постоянного напряжения на электроды. Электропитание электродов осуществляется от высоковольтного выпрямителя, выполненного в виде двух раздельных блоков, пульта управления и высоковольтной части.

Процесс азотирования в электростатическом поле является многофакторным процессом. И поэтому для его оптимизации необходимы активные математические методы, например, метод математического планирования эксперимента.

Настоящее исследование посвящено разработке оптимальных технологических параметров процесса азотирования в электростатическом поле с использованием методов математической оптимизации эксперимента.

При решении данной задачи в качестве переменных были выбраны пять основных факторов, наиболее полно характеризующих процесс формирования азотированного слоя:

• степень диссоциации аммиака, %(х1);

• температура процесса, °С(х2);

• длительность процесса, час(хз);

• напряжение на электродах, В(х4);

• знак потенциала на образце (х5).

В верхней части табл. 1 приведены априорные данные о варьировании этих фактов.

Таблица 1

Матрица планирования 25-2 и результаты опытов

Код Ф Факторы Параметры

Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 У1^1 У2^2 Уэ^3 d эксп. d расч

Основной уровень 0,5 525 20 1700

Интервал варьирования 0,05 25 5 200

Верхний уровень(+) 0,55 550 25 1900 «+»

Нижний уровень(-) 0,45 500 15 1500 «-»

1 - - - - - 803/0,70 60/0,94 0,14/0,04 0,30 0,29

2 + + - - - 933/0,91 34/0,96 0,22/0,30 0,55 0,55

3 - - + + - 974/0,93 131/0,78 0,17/0,09 0,40 0,49

4 + - + - + 847/0,79 122/0,82 0,18/0,11 0,43 0,40

5 - + + - + 792/0,67 103/0,88 0,28/0,54 0,70 0,72

6 + - - + + 548/0,01 424/0 0,11/0,05 0,20 0,17

7 - + - + + 870/0,84 119/0,82 0,25/0,41 0,72 0,63

8 + + + + - 894/0,87 35/0,96 0,33/0,72 0,84 0,76

Параметрами оптимизации служили: поверхностная твердость образца по Виккерсу НV 100/10(т.е. при нагрузке 100 Н в течение 10 с (у1); износостойкость азотированного слоя, мг/см2 (у2); глубина азотированного слоя, мм (уз).

Так как напряжение на электродах должно зависеть от их геометрических размеров и формы, то во всех случаях опыты проводились с цилиндрическими образцами диаметром 12 мм, изготовленных из стали 38Х2МЮА, при отношении радиусов муфеля R и образца г R/r=1,4.

Величина напряжения на электродах, обуславливаемая размерами муфеля и обрабатываемыми деталями, определялась по рис.3.

Таким образом, азотирование в электростатическом поле можно считать пятифакторным процессом и для полной реализации такого процесса требуется 25 = 32 опыта.

В нашем случае целесообразнее провести дробный факторный эксперимент вида 25-2, построив 1/8 -реплику от полного эксперимента. Необходимые 8 опытов матрицы планирования были проведены. Результаты исследования представлены в табл. 1.

0 1 2 3 4 5 6 И/г

Рис.3. Выбор оптимального напряжения на электродах (и) при азотировании (нитроцементации) в электростатическом поле 510 °С (850 °С) в зависимости от размеров обрабатываемой детали (г) и муфеля печи ^}:

1 - г=0,5-10-2м; 5 - г=3-10-2м;

2 - г=1-10-2м; 6 - г=4-10-2м;

3 - г=1,5-10-2м; 7 - г=5-10-2м

4 - г=2-10-2м;

В связи с тем, что выбранные нами параметры оптимизации у1, у2, У3 являются компромиссными (например, твердость и износостойкость азотированного слоя не является коррелирующими технологическими параметрами), то возникла необходимость введения обобщенного качественного критерия-параметра.

Таким параметром может служить так называемая обобщенная функция желательности [6]. Под желательностью <1 понимается тот или иной желательный уровень свойства. Функцию желательности можно аналитически представить в виде функции Харрингтона [7].

<1=еХр{-еХр(^)}, где z - параметр от -2 до 4 при 1 от 0 до 1.

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

-3 -2 -1 _± , 0 1 2 3 4 5

У1 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 НУ, МПа

У2 500 420 340 260 180 100 20 ', мг/см2

Уз 0,08 0,16 0,24 0,32 0,40 0,48 0,56 И, мм

Рис. 4. Функция Харрингтона и шкала желательностей поверхностей твердости НУ, износостойкости W и глубины азотированного слоя h

1

0

График функции желательности с учетом введенной нами шкалы для всех трех параметров оптимизации представлен на рис. 4.

Таким образом, в интервале -2^^4 можно разработать шкалу для любого количества параметров оптимизации у1, у2, у3... Уп, а по ним определить их желательности 11, 12 ...йп. Причем при значении Z=0 на графике наблюдается точка перегиба, и этот уровень может служить техническим уровнем (для него 1=0,37). Следовательно, можно считать, что экспериментатора будут удовлетворять все свойства, имеющие й>0,37.

После определения «желательности» для каждого из свойств (в нашем случае, Н^ W и ^ вводят обобщенную функцию желательности, которая определяется как среднее геометрическое желательностей отдельных свойств [6].

В табл.1 в нижней части столбцов приведены данные желательности рассматриваемых свойств, а в последнем столбце - их обобщенные желательности.

В табл. 2 приведены данные следующей серии опытов.

Интерпретация уравнения линейной модели процесса азотирования в электростатическом поле показывает, что для достижения у^тах(й^-1), т.е. для получения более качественного азотированного слоя, необходимо увеличение значений факторов Х2, хз, Х4 (соответственно температуры, длительности процесса и напряжения на электродах) и уменьшения значения фактора Х1 (степени диссоциации аммиака). Качественный фактор Х5 (знак потенциала на образце) при этом должен оставаться на нижнем уровне, т.е. иметь знак «минус».

Полученное линейное уравнение удовлетворительно описывает процесс азотирования в электростатическом поле и позволяет достичь «почти стационарной» области при помощи метода крутого восхождения Бокса-Уилсона.

Таблица 2

Крутое восхождение при оптимизации получения качественного азотированного слоя

Код Факторы Параметры

Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 У1^1 У2^2 У3^3 d

Ы -0,012 0,147 0,075 0,025 -0,005

М\ -0,0006 3,675 0,375 5

Шаг с округлением Д\ -0.01 5 1 20

Опыты 9 0,49 530 21 1720 870/0,84 42/0,96 0,22/0,30 0,62

10 0,48 535 22 1740 920/0,90 38/0,96 0,24/0,37 0,68

11 0,47 540 23 1760 988/0,95 40/0,96 0,28/0,54 0,79

12 0,46 545 24 1780 870/0,84 41/0,96 0,28/0,54 0,76

13 0,45 550 25 1800 894/0,87 36/0,96 0,34/0,73 0,85

Анализ «почти стационарной» области показывает, что эта область имеет достаточно сложную поверхность отклика. Например, на ней возникает два максимума (в опыте 8 d=0,84 - табл. 1 , а в опыте 13 d=0,85 -табл. 2) и поэтому несмотря на адекватность линейной модели [10] следовало бы описать «почти стационарную» область нелинейными уравнениями, применив некомпозиционное планирование второго порядка.

Однако в нашем случае осуществление такого планирования затруднительно из-за предела точности экспериментального оборудования (диссоциометр, вольтметр и др.), что не позволяет сузить шаг варьирования ряда технологических факторов.

Поэтому ограничились линейным планированием, которое дало высокие результаты и оказалось адекватным для обобщенной функции желательности.

Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

- оптимальными параметрами для выбранного технологического процесса азотирования при получении слоя заданных величин (толщины и качества) будут:

• Х1 - степень диссоциации аммиака - 0,45%;

• Х2 - температура процесса - 550°С;

• хз - длительность процесса - 25 ч;

• Х4 - напряжение на электродах - 1800 В;

• Х5 - знак потенциала на образце - «минус»;

- выявлено, что при азотировании в электростатическом поле сокращается рабочее время до 40% по отношению к процессу по обычной технологии.

Литература

1. Минкевич, А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов / А.Н. Минкевич, В.И. Андрюшечкин // Металловедение и термическая обработка. Т. 9. Итоги науки и техники; ВИНИТИ АН СССР. - М., 1975.

- С.111.

2. Электро-химоко-термическая обработка металлов и сплавов / И.Н. Кидин, В.И. Андрюшекин, В.А. Волков [и др.]. - М.: Металлургия, 1978. - 320 с.

3. Кожакару, М.О. Азотирование в электростатическом поле: дис. ... канд. техн. наук / М.О. Кожакару. - М., 1976.

4. Лахтин, Ю.М. Азотирование стали / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган. - М.: Машиностроение, 1976. - 256 с.

5. Получение покрытий на металлах в тлеющем разряде / Д.А. Прокошкин, Б.Н. Арзамасов, Е.В. Рябченко [и др.] // Защитные покрытия на металлах. - Киев: Наукова думка, 1970. - Вып. 3. - С. 7.

6. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Макарова, Ю.В. Гоановский. - М.: Наука, 1976. - 279 с.

7. Harrington, E.C. Jndustr /Е.С. Harrington//Quality Control, 1965. - Р. 21; 10.

8. Vrzhashch, E.E. The mathematical design of experiments at optimization of technological process. Problemy inzynierii rolniczej w aspekcie rolnictwa zrownowazowego / E.E. Vrzhashch, L.V. Pivnik // MateriaTy Ju-bileszowej mi^dzynarodowej Konferencji Naukowej. - Lublin, 2005. - Р. 141-145.

9. Новиков, Ф.С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении / Ф.С. Новиков.

- М., 1969-1971.

-----------+-------------

УДК 676.1.054.1 Н.А. Петрушева, Н.Г. Чистова

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА В ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ МОКРЫМ СПОСОБОМ

В статье с помощью методов математического моделирования и планирования эксперимента определены затраты электроэнергии, используемой при обработке вторичной древесноволокнистой массы и влияние на них основных технологических параметров данного процесса.

В производстве древесноволокнистых плит предварительная подготовка полуфабриката потребляет до 65 % всех затрат электроэнергии производства.

Задачей исследования процесса обработки вторичного волокна является определение влияния технологических параметров процесса обработки вторичного волокна в гидроразбивателе на удельный расход электроэнергии.

Для изучения влияния технологических параметров процесса на энергозатраты была построена математическая модель процесса и в качестве входных величин выбраны:

Х1 - продолжительность обработки вторичного волокна (т), с;

Х2 - температура вторичной массы (Т), 0С;

Хз - концентрация вторичной массы (с), %.

Выходная величина:

У - удельный расход электроэнергии (Еуд), кВтч/т.

Интервалы, уровни их варьирования представлены в табл.

Основные факторы и уровни их варьирования

Наименование фактора Обозначение Интервал варьирования фактора Уровень варьирования фактора

Нату- ральное Норма- лизо- ванное Нижний (-1) Основной (0) Верхний (+1)

Продолжительность разработки вторичного волокна, с т X1 9*102 6*102 15*102 24*102

Температура вторичной массы, 0С Т Х2 20 10 30 50

Концентрация вторичной массы, % с Хз 1 1 2 3