Особенности формирования на бронзах защитных покрытий, полученных в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

З.

Список литературы

Влияние состояния поверхности пуансонов на силовой режим, износостойкость инструмента и качество деталей при пробивке листовой малоуглеродистой стали / [С. З. Юдович, Ю. Т. Сычук, Ю. А. Фурманов, В. А. Глаз -ков] // Кузнечно-штамповочное производство. - 1973. -№ 4. - С. 17-19.

Штамповочное резание по прямоугольному контуру посредством рифленых пуансонов с плоско-параллельными режущими кромками : пер. с болг. / [Цанко И. Цан-ков, Емил С. Костов] // Электропромышленность и приборостроение. - 1980. - Т. 5. - № 12. - С .459-462. Михаленко Ф. П. Стойкость разделительных штампов / Ф. П. Михаленко - М. : Машиностроение, 1986. - 224 с.

Box G. E. Some New Three Zevel Designs for the Study of Quantitative Variables / Box G. E., Behnken D.W. // Tehnometrics. - 1960. - P. 455-475.

Спиридонов А. А. Планирование эксперимента : уч. пособие / А. А. Спиридонов, Н. Г. Васильев. - Свердловск : Изд-во УПИ им. С. М. Кирова, 1975. - 150 с. Спиридонов А. А. Планирование эксперимента при исследовании и оптимизации технологических процессов : уч. пособие / А. А. Спиридонов, Н. Г. Васильев. -Свердловск : Изд-во УПИ им. С. М. Кирова, 1975. -140 с.

Нагорный Ю. И. Расчет работы разделения при пробивке рифленым пуансоном / Ю. И. Нагорный, Ю. Т. Сычук, С. З. Юдович // Изв. ВУЗов. - 1990. - № 2. - С. 9194.

Одержано 25.01.2011

Сичук Ю.Т., Нагорний Ю.І., Чигиринський В.В. Вплив параметрів процесу пробивки рифленими пуансонами на силові витрати й коефіцієнти геометричної точності деталей

Досліджено вплив параметрів процесу пробивки рифленими пуансонами гарячекатаних маловуглецевих листових сталей на силовий режим і якість штампованих деталей; методами множинного регресійного аналізу отримані математичні моделі, які показують залежність силових витрат і якості штампованих деталей від досліджених параметрів процесу.

Ключові слова: пуансон, рифлення, пробивка, зйом, утяжка, поясок, сколювання.

4

Sychuk Yu., Nagorniy Yu., Chigirinskiy V. Influence of fluted punches piercing process parameters on force consumption and details geometrical accuracy coefficients

The influence offluted punches piercing process parameters of hot-rolled low-carbon sheet steels on force regime and stamp details quality was researched. The mathematical models which express dependencies between force consumption, stamp details quality and investigated process parameters were received using multiple regression analysis method.

Key words: punch, flutes, piercing, skiming, bending, cutting zone, breaking.

УДК 621.793.6:669.35

Д-р техн. наук Б. П. Середа, Д. О. Кругляк Государственная инженерная академия, г. Запорожье

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НА БРОНЗАХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ В УСЛОВИЯХ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА

Показаны результаты исследований структуры и свойств титаноалюмосилицированых и хромоалюмосилицированых покрытий на медных сплавах, полученных в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, защитное покрытие, медные сплавы.

Введение ся во времени температура вначале за счет внешнего

Формирование многокомпонентных силицирова- прогрева, а затем за счет воспламенения ведет к тому,

ных покрытий происходит в условиях теплового са- что ни тепловое, ни химическое равновесие до полно-

мовоспламенения или горения порошковых сред, со- го окончания процесса и остывания продуктов невоз-

держащих газотранспортные добавки. Изменяющая- можно. Скорости протекания химических процессов

© Б. П. Середа, Д. О. Кругляк, 2011

І88К 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №2, 2011

65

определяются кинетическими закономерностями, зависящими как от температуры, так и от диффузионных факторов. Предполагая на стадии прогрева, что торможение диффузионных процессов газовой фазы невелики, а скорость изменения температуры мала по сравнению со скоростью протекания химических реакций, можно считать, что каждому температурному значению соответствует равновесный состав продуктов.

Для разработки конкретных способов получения защитных покрытий на бронзах в условиях саморасп-ространяющегося высокотемпературного синтеза требуется выяснения термодинамических особенностей процесса [1-3].

Целью работы является определение оптимальных условий формирования легированных силицированых слоев на медных сплавах выполнив термодинамический анализ газовой фазы.

Методика проведения исследования

Расчет равновесного состава продуктов проводили для исходной смеси, состоящей из М веществ, содержащих /-химических элементов. При фиксированных значениях V и Т из этих элементов в результате химических реакций могут образоваться т - веществ, присутствующих в к = 0, 1...д различных фазах. Набор веществ включает 1 атомарный и (т-1) молекулярных компонентов, реакции образования которых представлены в формуле уравнений диссоциации:

]

где 1к = 0, 1. тк - номер продуктов, принадлежащего к-й фазе;

/ = 0, 1. / - номер химического элемента; ак. - число атомов/-го сорта в /-м веществе.

Математическая формулировка задачи сводится к минимизации термодинамического потенциала:

(

\

1п-

-+ок

= [ (п1к )]п

при ограничениях на неизвестные п^ , вытекающих из закона сохранения вещества

ЁЁа к, • пк = Ь,

и правила фаз Гиббса

/ + д < 1 + 2

при требовании их неотрицательности

п/к ^ 0,

где Мк =Ё п1К, N = Ё Мк, Ож =-£*-.

При расчете горения система (2)-(5) дополняются уравнением сохранения энергии:

Ё Ь(Тн )=ЁЁ п,к 1/к ( ),

где I(Т) = ДН/Т +(Нт -Н0) - полная физическая энтальпия;

ДН/Т - теплота образования вещества из элементов в стандартном состоянии при Т0 = 298,15 К.

Определение продуктов реакций позволяет смоделировать процесс формирования защитных слоев в условиях СВС, а на основании расчета адиабатических температур горения СВС-систем мы сможем решить уравнение теплового баланса рассматриваемых систем.

Микроструктуру упрочненных слоев исследовали на световом микроскопе «№орЬо1-21», анализ фазового состава осуществляли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3. Микротвердость покрытий определяли на приборе ПМТ-3.

Расчет равновесного состава продуктов реакции в порошковых СВС-смесях выполняли при помощи прикладного пакета программы «Аста» [4]. При расчете использовали базу данных термодинамических свойств индивидуальных веществ, содержащую наиболее надежную информацию о значениях энтропии, энтальпии, удельной теплоемкости, свободной энергии Гиббса, а также о величине теплоты образования более 1500 веществ. Отсутствующую в базе данных «АСТРА» термодинамическую информацию брали в работах [5, 6]. Давление во всех случаях принимали равным атмосферному (0,098 МПа), а температуру варьировали от 500 до 1500 К с шагом 100 К.

Результаты исследований и их обсуждение

В результате горения порошковых смесей с газотранспортным агентом (ГТА) возможно образование газовой фазы, содержащей соединения 12, КН4С1 с входящими в нее химическими элементами. С увеличением температуры наблюдается увеличение количества галогенидов. Это подтверждает возможность переноса легирующих элементов для образования покрытий.

Существование предельных температур, до которых возможно распространение фронта горения, вносит определенные ограничения по использованию режима горения в качестве технологического. Напротив, режим теплового самовоспламенения свободен от этих ограничений. Разбавляя исходную порошковую смесь инертным веществом, вплоть до 75-80 % масс., можно добиться снижения максимальной температуры процесса до технологически необходимых температур.

Основными соединениями в газовой фазе в диапазоне температур 400-1200 К являются: 8И2, 8И3, ЛИ, ЛИ2, СгС12, ТЮ12, ТЮ14, а также йод в атомарном и молекулярном виде.

к 1к

С увеличением температуры количество продуктов в газообразной фазе возрастает и выделяются конденсированные продукты. Характерно, что в области температур 400-1200 К доля конденсированной фазы падает, что связано с испарением используемых носителей. Одновременно, начиная с температуры 800 К, происходит распад продуктов реакции, что подтверждает появление продуктов разложения и резкое увеличение количества молей газа.

Количественная оценка парциального давления основного галогенида - транспортера над насыщаемой поверхностью позволила для рассматриваемой системы выбрать в качестве активатора йод, обеспечивающий наиболее благоприятные условия переноса кремния и легирующих элементов в подложку.

Исследование структуры и фазового составов по-

крытий (рис. 1) показало, что в зависимости от температурно-временных параметров насыщения слои получаются либо однофазными, либо многофазными. В результате процесса титаноалюмосилицирования и хромоалюмосилицирования на поверхности образцов образуется покрытие серибристого цвета, прочно связанное с основным металлом. Микротвердость поверхности диффузионного слоя составляет 8000 МПа.

Особенности строения и разный химический состав силицидных слоев оказывают заметное влияние на характер распределения микротвердости по толщине силицированых покрытий (рис. 2). Снижение максимальной твердости получаемых покрытий по сравнению с использованием традиционных составов на основе кремния является весьма положительным фактором для определенных условий эксплуатации.

а б в

Рис. 1. Микроструктура многокомпонентных силицированых покрытий, полученных СВС на медных сплавах (х 100):

а - БрАЖМц-10-3-1,5; б - ЛМцЖ-55-4-1; в - БрАЖ-9-4

7500

га 6500 -

5500 -

О

ч:

А

£ 4500

о'

3500

2500

- ,

1\, 2

40 60 80 100 120 140

Толщина силицированого слоя, мкм

160

Рис. 2. Распределение микротвердости по толщине покрытий: 1 - Т1-Л1-Б1, 2 - Сг-Л1^

1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №2, 2011

67

На установке для испытания материалов на истирание выполнены исследования влияния силициро-ваных покрытий на износ образцов (V = 2,5 м/с, Р = = 1,0 МПа). В качестве контртела использовали бруски из быстрорежущей стали Р6М5, закаленные до твердости НЯС 62-65 [7]. Испытаниям подвергали две партии образцов по 10 штук каждая: первая партия без покрытия, вторая с силицироваными покрытиями толщиной 40-100 мкм. За критерий износа была принята способность обработанной поверхности испытываемых образцов сопротивляться истиранию, которая оценивалась промежутком времени от начала испытаний до появления на диаграммной ленте самописца всплесков, вызванных процессом схватывания материала образца и контртела.

Выводы

1. В результате термодинамического анализа реакций СВС-смесей, в процессе горения, разработаны физико-химические схемы превращений, включающие три стадии: стадию прохождения реакций горений, стадию реакций распада газотранспортного носителя, стадию прохождения химических транспортных реакций и реакций обмена с подложкой. В режиме теплового самовоспламенения определены пять стадий: стадия инертного прогрева, стадия теплового самовоспламенения, стадия падения температуры до температуры силицирования, стадия экзотермической выдержки и стадия охлаждения.

2. Исследованы структура и некоторые свойства полученных титаноалюмосилицироганых и хромоалю-мосилицированых покрытий на медных сплавах.

3. Показано, что дополнительное легирование металлом-восстановителем повышает стойкость силици-рованых покрытий в условиях сухого трения.

Список литературы

1. Обробка металів тиском при нестаціонарних температурних умовах : монографія / [Б. П. Середа, І. В. Кругляк, О. А. Жеребцов, Ю. О. Бєлоконь]. Запоріжжя : ЗДІА, 2009 - 252 с.

2. Мержанов А. Г. Процессы горения и синтеза материалов / А. Г Мержанов. - Черноголовка : ИСМАН, 1998. -512 с.

3. Середа Б. П., Палехова И. В. Получение многокомпонентных защитных покрытий методом газотранспортной СВС-технологии / Б. П. Середа, И. В. Палехова // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. - 2006. - № 2. - С. 66-69.

4. Синярев Г. Б. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов / Г. Б. Синя-рев, Н. А. Ватолин, Б. Г. Трусов. - М. : Наука, 1982. -263 с.

5. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений : справочник / [под ред. Т. Я. Косолаповой]. -М. : Металлургия, 1986. - 928 с.

6. Термические константы веществ : справочник / [под ред. В. П. Глушко]. - М. : Наука, 1978. - 274 с.

7. Титлянов А. Е. Создание износостойких слоев на медных изделиях / А. Е. Титлянов, А. Т. Радюк, В. Е. Кузнецов // Материаловедение. - 1998. - № 12. - С. 42-44.

Одержано 02.03.2011

Середа Б.П., Кругляк Д.О. Особливості формування на бронзах захисних покриттів, отриманих в умовах саморозповсюджувального високотемпературного синтезу

Показано результати досліджень структури і властивостей титаноалюмосиліційованих та хромоалюмосиліційованих покриттів на мідних сплавах, отриманих в умовах саморозповсюджувального високотемпературного синтезу.

Ключові слова: саморозповсюджувальний високотемпературний синтез, захисне покриття, мідні сплави.

Sereda B., Kruglyak D. Features of protective coverings forming on bronze in the conditions of self-propagating high-temperature synthesis

The results of structure and properties investigation of Ti-Al-Si and Cr-Al-Si coverings copper alloys received by self-propagating hightemperature synthesis (SHS) were shown.

Key words: self-propagating high-temperature synthesis, protective covering, copper alloys.