Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Посвящена прежде всего выдающемуся открытию великого русского ученого и инженера Д.К. Чернова, которое предопределило деление века железа на две эпохи: «до чернова» и «после Чернова». В 1868 г. Д.К. Чернов на заседании Русского технического общества в своем докладе показал, что на температурной шкале обработки стали особое значение имеют две точки: ‘ a ’ и ‘ b ’, вошедшие затем в науку как точки Чернова. Д.К. Чернов первым установил, что стали являются полиморфными твердыми телами и при закалке от температуры выше точки ‘ a ’ претерпевают фазовое превращение. Физический смысл точки ‘ b ’ авторы настоящей статьи связывают с температурным порогом рекристаллизации стали. Показано, что в эпоху «после чернова» цивилизация железа достигла совершенно удивительного прогресса и, по сути, стала эпохой металлов. Однако большое количество металлов (около половины) не являются полиморфными от природы (Pd, Nb и т.д.). Их можно подвергать полиморфным превращениям с помощью воздействия водородом - водородной обработки. Подробно изложено явление водородофазового наклепа, которое является основой водородной обработки металлических материалов, основой новой парадигмы материаловедения. Эта новая область материаловедения успешно решает проблемы надежности таких важных областей техники, как металлургия, атомная энергетика, химические и нефтехимические производства, авиация и космонавтика и т.д. В долгосрочной перспективе практическая задача водородного материаловедения в целом и ВОМ в особенности состоит в том, чтобы держать на должном уровне материаловедческое обеспечение вхождения в жизнь водородной энергетики, а в последующем - обеспечить материаловедческую базу движения человечества по экологически чистому вектору «водородная энергетика ® водородная экономика ® водородная цивилизация».

Методом просвечивающей электронной дифракционной микроскопии выполнено исследование сплава аустенитного класса 40ХНЮ до и после электролитно-плазменной обработки - нитроцементации. Электролитно-плазменная нитроцементация проводилась в водном растворе в течение 5 минут при температуре 700 °С. Установлен фазовый состав сплава, определены размеры, объемные доли присутствующих фаз, а также карбидных и карбонитридых фаз и мест их локализации, в каждой фазовой составляющей установлен тип дислокационной субструктуры и рассчитана скалярная плотность дислокаций. Установлено, что до электролитно-плазменной обработки матрицей сплава является ГЦК-фаза Al0,7Cr0,3Ni3. Это зерна, резко различные по размеру. Вдоль границ крупных зерен располагаются мелкие зерна. Установлено, что внутри крупных зерен фазы Al0,7Cr0,3Ni3 присутствуют частицы других фаз: 1) пластинчатые частицы NiAl (ОЦК-фаза) и 2) частицы округлой формы AlCrNi2 (ГЦК-фаза). Кроме того, фазы NiAl и AlCrNi2 присутствуют в виде отдельно расположенных или групп однофазных зерен, по границам которых находятся частицы карбида Cr23C6. В приповерхностной зоне обработанного электролитно-плазменной нитроцементацией образца, как и в исходном состоянии сплава, присутствуют фазы Al0,7Cr0,3Ni3, AlCrNi2 и NiAl. Матрицей сплава по-прежнему является фаза Al0,7Cr0,3Ni3. Однако нитроцементация привела к частичному расслоению твердых растворов Al0,7Cr0,3Ni3 и AlCrNi2, о чем свидетельствует нарушение дифракционных картин, полученных с этих участков структуры (появление сателлитов, тяжей у основных рефлексов), и характерный контраст на изображении типа «соль-перец». Произошло выделение наноразмерных частиц нитрида Cr2N внутри зерен Al0,7Cr0,3Ni3.

Рассмотрена причина разрушения плоских водородопроницаемых мембран на основе тантала и ниобия вследствие дилатации, вызванной растворением водорода. Показано, что проблема повышения периода их функционирования может быть решена двумя путями: использованием ниобиевых и танталовых сплавов, менее склонных к водородной хрупкости; изменением конструкции мембран для более однородного распределения напряжений, возникающих при дилатации. Приведены результаты экспериментов по изучению влияния шага точечной контактной сварки мембран из танталовой и ниобиевой фольги толщиной 40 мкм, сваренной со стальной подложкой, на период их работы и величину водородопроницаемости. Испытанию подвергались композиционные мембраны, на внешнюю поверхность которых после сварки методом магнетронного распыления наносился слой Pd. Измерения проведены при 580 °С, избыточном давлении 500 кПа газовой смеси 1 часть Ar / 5 частей H2. Площадь мембран составляла 7,85·10-3 м2. Показано, что обеспечение условий для равномерного распределения напряжений в мембране путем их точечной сварки с подложкой по площади позволяет существенно (до 400 %) повысить период их работы, снижая вероятность возникновения трещин. Описана конструкция укрупненной лабораторной установки для выделения водорода из газовых смесей. Установка создана для одновременной эксплуатации до 10 плоских мембран общей площадью до 0,6 м2. Установка спроектирована с учетом возможности демонтажа мембранного модуля с ретортой, что позволит при промышленной эксплуатации подобного оборудования осуществлять замену вышедших из строя модулей без остановки всего производства. Приведены результаты ее испытаний с мембранным модулем общей площадью мембран 0,18 м2 с использованием композиционных мембран Ta (40 мкм)/Pd (0,155 мкм) и Nb (40 мкм)/Pd (0,39 мкм).

Целью исследования является повышение качества поверхности изделий из титановых сплавов, обработанных методом копировально-прошивной электроэрозионной обработки путем подбора рациональных параметров обработки с помощью математической модели, полученной методом факторного эксперимента. В качестве материала электрода-инструмента выбрана медь марки М1 ГОСТ 1173-2006. Обрабатываемый материал - титановый сплав ОТ-4 ГОСТ 19807-91. Данные материалы обладают уникальными свойствами, такими как высокая прочность, низкая теплопроводность, высокая сопротивляемость. Высокие физико-механические свойства титановых сплавов в совокупности с постоянно усложняющимися профилями поверхности изделий ограничивают применение лезвийной обработки. Широко используемым альтернативным методом получения сложнопрофильных изделий из материалов высокой твердости является метод электроэрозионной обработки. Однако не полностью изучен вопрос прогнозирования качества поверхности, полученной данным методом. Рассмотрена эмпирическая модель, полученная методом факторного эксперимента, позволяющая прогнозировать шероховатость обработанной поверхности. Описана методика проведения экспериментальных исследований, показано используемое оборудование. Приведены варьируемые параметры регрессионного анализа ( I , T on, U ), составлена матрица планирования, вычислены коэффициенты регрессии, определены значимые коэффициенты, получена эмпирическая модель, проверенная на адекватность. Проведена обратная замена параметров матрицы, получена окончательная модель. Приведены изображения гиперповерхности функции отклика в координатном пространстве при постоянных параметрах I , T on, U . Определен характер изменения функции отклика Ra при изменении параметров. Выявлены предельные значения шероховатости. Получена эмпирическая модель, позволяющая прогнозировать качество поверхности, полученной методом КПЭЭО, в зависимости от параметров обработки.

В соответствии с основными критериями эффективности плазменных технологий резки металлов - производительностью, качеством реза и надежностью работы оборудования - поставлены задачи исследования данной работы. Они заключаются в поисках новых проектных решений, позволяющих повысить эффективность плазменной резки металлов. Поскольку основным фактором проектирования является обеспечение газодинамической работы плазмотрона, в работе основное внимание обращено на поиск новых конструктивных способов газодинамической стабилизации плазменной дуги. Исследованы различные способы газовихревой стабилизации в плазмотронах для резки металлов. Исследованы одно- и двухпоточные плазмотроны с различными конструкциями завихрителей. Показано влияние угла ввода плазмообразующего газа на кинематические характеристики плазменной струи. Увеличение радиальной составляющей скорости на выходе из завихрителя позволяет увеличить равномерность распределения скоростей и кинетические свойства струи в зоне воздействия на разрезаемый металл, что, в свою очередь, повышает качество и производительность резки. В результате применения модернизированного завихрителя максимальная скорость резки увеличилась на 25 %. При резке тонколистовых металлов целесообразно использовать технологию узкоструйной плазмы. Данная технология построена на разделении потока плазмообразующего газа на два - плазмообразующий и стабилизирующий - с раздельной подачей газа в сопловой узел для дополнительного обжатия плазменной дуги на выходе из основного сопла плазмотрона. В результате струя такого двухпоточного плазмотрона обладает более высокими кинетическими свойствами (имеет более высокие максимальные скорости), чем струя однопоточного плазмотрона, однако сохраняет свои свойства на более коротком расстоянии.

Стабильность рабочих процессов магнитореологических систем имеет существенную зависимость от температурных характеристик рабочих сред, поэтому в рамках рассмотрения динамики процессов, протекающих в магнитореологических системах, необходимо учитывать влияние на них термодинамических параметров. Магнитореологическим системам присущи большие тепловыделения в объемах рабочих сред как под действием внешних электромагнитных полей, так посредством процессов жидкостного трения, которые резко повышаются по мере роста вязкости рабочих сред. В магнитореологических системах нового поколения, предусматривающих комбинированный метод управления расходными характеристиками рабочей среды, можно избежать излишнего роста вязкости за счет перераспределения вклада различных составляющих комбинированного управляющего сигнала, например увеличения вклада гидродинамических или неньютоновских реологических эффектов в процесс регулирования потока магнитореологической жидкости. Но эффекты турбулентности также повышают выраженность тепловыделений при жидкостном трении и приводят к иным новым факторам нестабильности рабочих процессов. Турбулентность потока негативно сказывается на времени переходных процессов и значительно увеличивает время выхода системы на стационарные режимы. Ввиду этого основным гарантом стабильности рабочих процессов является стабильность температуры рабочей среды - эффективное термостатирование. В то же время, если рассматривать динамику магнитореологических систем, наибольшим временем переходных процессов в объеме магнитореологической рабочей среды обладают именно термодинамические процессы. Даже при обеспечении качественного термостатирования рабочей среды все равно имеет место градиент значений температуры по сечению потока, что дает право говорить о наличии недорегулирования температурных параметров жидкости в некотором моменте времени. Это связано с тем, что процессы жидкостного трения и тепловыделения протекают по всему жидкому объему, а процессы охлаждения организованы по поверхности жидкого объема, что свидетельствует о необходимости учета термодинамики процесса при моделировании динамики магнитореологических систем. Разработанная оригинальная конструкция реологического дросселя-термостата, содержащего термоэлектрические полупроводниковые элементы, способна повысить эффективность термостатирования. Предложен метод оптимизации проектирования и расчета динамических и геометрических характеристик реологического дросселя-термостата. Представлены результаты численного моделирования рабочего процесса элемента управления термодинамическими параметрами системы термостатирования магнитореологического привода нового поколения.

Представлены экспериментальные данные апробации технологических режимов термической обработки в условиях участка производства мелющих шаров повышенной твердости АО «ЕВРАЗ-НТМК», запущенного в эксплуатацию в 2018 г. На примере производства шаров Ø 120 мм из стальной заготовки марки 55Г за счет изменения температурно-временных параметров термической обработки были получены изделия, соответствующие 3-й группе твердости по ГОСТ 7524-2015, при целевом назначении стали данной марки на 2-ю группу. Особое внимание уделено возможности изготовления шаров 5-й группы твердости с регламентированной не только поверхностной, но и объемной твердостью. Экспериментальные исследования проведены на сталях марок Ш-3Г и 75ХГФН. Наиболее критичными в плане формирования итоговых свойств являются: температура и характер ее распределения по поверхности заготовки на выходе из стана, время подстуживания, температура заготовки перед подачей в закалочный барабан, а также температура охладителя и время выдержки в закалочном барабане. Получено, что критерию объемной твердости удовлетворяют все режимы из рассмотренных, это свидетельствует о достаточной прокаливаемости сталей. Однако на поверхности и макрошлифах шаров из более легированной стали выявлены трещины, распространяющиеся вглубь металла на глубину до 45-50 мм, что неминуемо приведет к разрушению мелющих тел в процессе эксплуатации. Возможность массового производства шаров 5-й группы твердости обеспечивается точным соблюдением температурно-временных параметров термической обработки и обусловливается высокой автоматизацией комплекса оборудования, контролем и корректировкой всех технологических параметров в онлайн-режиме. Условия реализации технологических режимов термической обработки мелющих шаров на новом шаропрокатном участке АО «ЕВРАЗ-НТМК» позволяют получать высокую твердость шаров на марках стали меньшего целевого назначения, что показывает его существенный потенциал.