Учредители
• Институт машиноведения им. А.А. Благонравова
Российской академии наук
• Московский государственный индустриальный университет
Издатель
Московский государственный индустриальный университет
Журнал зарегистрирован 30 декабря 2004 г. Федеральной службой
по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых
коммуникаций и охране культурного наследия
Свидетельство о регистрации ПИ ¹ ФС 77-19294
РЕДКОЛЛЕГИЯ ЖУРНАЛА
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Ганиев Р.Ф., академик РАН, директор Института машиноведения
им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ) РАН
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР
Скопинский Â.Í., ä.ò.í., профессор (ÌÃÈÓ)
ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА
Баранов Þ.Â., ä.ò.í., ïðîô. (ÈÌÀØ ÐÀÍ)
Овчинников Â.Â., ä.ò.í., ïðîô. (ÔÃÓÏ «ÐÑÊ ÌÈû)
ЧЛЕНЫ РЕДКОЛЛЕГИИ
Алешин Í.Ï., академик ÐÀÍ, ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Асташев Â.Ê., ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Беляков Ã.Ï., ä.ý.í., ïðîô. (Êðàñíîÿðñê)
Бобровницкий Þ.È., ä.ô.-ì.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Вайсберг Ë.À., ä.ò.í., ïðîô. (Ñàíêò-Ïåòåðáóðã)
Горкунов Ý.Ñ., ÷ëåí-êîðð. ÐÀÍ, ä.ò.í., ïðîô. (Åêàòåðèíáóðã)
Григорян Â.À., ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Дроздов Þ.Í., ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Индейцев Ä.À., ÷ëåí-êîðð. ÐÀÍ, ä.ô.-ì.í., ïðîô. (Ñàíêò-Ïåòåðáóðã)
Колесников À.Ã., ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Кошелев Î.Ñ., ä.ò.í., ïðîô. (Í. Íîâãîðîä)
Лунев À.Í., ä.ò.í., ïðîô. (Êàçàíü)
Махутов Í.À., ÷ëåí-êîðð. ÐÀÍ, ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Пановко Ã.ß., ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Перминов Ì.Ä., ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Петров À.Ï., ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Полилов À.Í., ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Поникаров Ñ.È., ä.ò.í., ïðîô. (Êàçàíü)
Приходько Â.Ì., ÷ëåí-êîðð. ÐÀÍ, ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Резчиков À.Ô., ÷ëåí-êîðð. ÐÀÍ, ä.ò.í., ïðîô. (Ñàðàòîâ)
Рототаев Ä.À., ä.ò.í., ïðîô., àêàä. РАРАН (Ìîñêâà)
Теряев Å.Ä., ÷ëåí-êîðð. ÐÀÍ, ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Федоров Ì.Ï., ÷ëåí-êîðð. ÐÀÍ, ä.ò.í., ïðîô. (Ñàíêò-Ïåòåðáóðã)
Чаплыгин Þ.À., ÷ëåí-êîðð. ÐÀÍ, ä.ò.í., ïðîô. (Ìîñêâà)
Шляпин À.Ä., ä.ò.í, ïðîô. (Ìîñêâà)
Штриков Á.Ë., ä.ò.í., ïðîô. (Ñàìàðà)
ВНИМАНИЮ ПОДПИСЧИКОВ!
Подписка на журнал
«Машиностроение и инженерное образование»
проводится в издательстве МГИУ
Òåë.: (495) 620-39-92.
Å-mail: mio@msiu.ru
Подписной индекс Роспечати 36942
© ГОУ ÌÃÈÓ, 2011
МАШИНОСТРОЕНИЕ
И ИНЖЕНЕРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
¹ 2`2011
Выходит 4 раза в год
В номере
ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Þ.Ã. Ãóðåâè÷, Â.Å. Овсянников, Â.À. Фролов
Диффузионное хромирование деталей
из ферритно-перлитного серого чугуна .................................... 2
АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МАШИН
Ñ.Â. Õåéëî, Â.À. Ãëàçóíîâ, Ð.Þ. Сухоруков
Решение задачи кинематики
поступательно-направляющего манипулятора .........................11
М.А. Ширинкин
Структурный анализ пространственных механизмов
параллельной структуры с четырьмя
и шестью степенями свободы ................................................ 17
МАШИНЫ И СИСТЕМЫ МАШИН
И.В. Кузнецов, В.И. Бажанов
Улучшение показателей двигателя внутреннего сгорания
с керамическим покрытием на рабочей
поверхности цилиндра .......................................................... 22
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Î.Â. Àëåõèí, Â.Ï. Алехин
Особенности пластического течения поверхностно
упрочненных образцов из молибдена и железа ....................... 27
О.В. Семендеева, Н.В. Учеваткина, В.В. Овчинников
Анализ особенностей имплантации титановых сплавов ............ 36
À.Ä. Øëÿïèí, Ä.À. Èâàíîâ, À.Þ. Омаров
Свойства гидрокиси сплава алюминия, получаемого
при производстве водорода .................................................. 48
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАШИН И СИСТЕМ
Ê.À. Àãàõè, Â.Í. Кузнецов , À.Ì. Локощенко,
Â.Ê. Ковальков, Ë.Â. Фомин
Моделирование процесса ползучести на основе
аппроксимации экспериментальных данных ........................... 52
Ä.Þ. Богомолов, Â.Â. Ïîðîøèí, Â.Þ. Радыгин
Мезоскопическое моделирование течения сплошной среды
в узких каналах с учетом шероховатости их поверхностей ........ 58
Уважаемые читатели!
Журнал «Машиностроение и инженерное
образование» входит в Перечень ведущих
рецензируемых научных журналов и изданий,
в которых должны быть опубликованы
основные научные результаты диссертаций
на соискание ученых степеней доктора
или кандидата наук.
1
ISSN 1815-1051
Стр.1
ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Þ.Ã. Ãóðåâè÷, Â.Å. Овсянников, Â.À. Фролов
УДК 621.19
ДИФФУЗИОННОЕ ХРОМИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ФЕРРИТНО-ПЕРЛИТНОГО СЕРОГО ЧУГУНА
Þ.Ã. Ãóðåâè÷, Â.Å. Овсянников, Â.À. Фролов
В статье представлена разработанная технология диффузионного хромирования
деталей из ферритно-перлитного серого чугуна с целью повышения их
износостойкости. Экспериментально было установлено, что такой способ
хромирования деталей из чугуна с последующей поверхностной закалкой
обеспечивает твердость поверхностного слоя, соизмеримую с лазерной закалкой
высокопрочного чугуна, а абразивный износ, сопоставимый с этим показателем
хромистого чугуна.
Ключевые слова:
Введение
В машиностроении для изготовления деталей
машин очень часто используется ферритноперлитный
серый чугун марок Ñ×15, Ñ×20.
Однако более широкое его внедрение в производство
связано с проблемами, возникающими
при его упрочнении. Поверхностная закалка
токами высокой частоты (ТВЧ) не применяется
для серых чугунов из-за длительности процесса
превращения феррита в аустенит, а объемная
закалка приводит только к образованию перлитных
структур [1–3]. Традиционные методы
диффузионного хромирования чугуна позволяют
получить лишь небольшую толщину упрочненного
слоя (10–40 ìêì) èç-çà образования
карбидов [4].
В настоящее время наиболее часто для
упрочнения деталей из серого чугуна используются
достаточно трудоемкие и энергоемкие
методы, такие как электролитическое хромирование
и лазерная закалка [5], которые позволяют
получить сравнительно небольшую толщину
упрочненного слоя (äî 0,25 ìì).
Целью настоящей работы являлась разработка
простой, надежной и экономически выгодной
технологии поверхностного упрочнения
деталей из ферритно-перлитного серого чугуна,
состоящей в диффузионном хромировании поверхности
путем взаимодействия с оксидом
хрома и последующей поверхностной закалке
детали.
2
Машиностроение и инженерное образование, 2011, ¹ 2
© Þ.Ã. Ãóðåâè÷, Â.Å. Овсянников, Â.À. Ôðîëîâ, 2011
Теоретическое обоснование
метода диффузионного
хромирования
Известно, что поверхность железа является
хорошим катализатором для диссоциации хлоридов
и закиси железа (FeO), чему способствует
его поверхностная энергия. Произведем термодинамический
расчет для реакции
Cr2O3 + 3Cãð → 2 Crò
индексы «г» и «т» означают газообразную
и твердую фазы.
где Сгр
На основе известных данных [6] получим выражение
для определения энергии Гиббса в зависимости
от температуры:
∆G1a
где ∆G1a
ðà, Ê.
= 188401,42 – 123,06Ò,
температуре 1173–1373 К имеет значения, приведеннные
ниже.
Энергия Гиббса ∆G1a
T, К
∆G1a
, Дж 1,82·105
1173 1273 1373
1,32·105
7,87·104
Таким образом, термодинамический расчет
показал, что реакция (1а) при температуре
1173–1373 К протекать не ìîæåò, что было подтверждено
экспериментально [7].
(1á)
– энергия Гиббса, Дж; Т – температудля
реакции (1à) при
+ 3ÑÎã
,
(1à)
– углерод, содержащийся в графите;
хромирование, закалка.
серый чугун, поверхностное упрочнение, диффузионное
Стр.2
ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Диффузионное хромирование деталей из ферритно-перлитного серого чугуна
Материалы и методы
исследования
В ходе экспериментов проводили исследования
взаимодействия оксида хрома с элементами
основы чугуна, изучали влияние технологических
факторов (температуры и времени
выдержки) на толщину диффузионного слоя,
также изучали структуру, химический состав
и физико-механические свойства диффузионного
слоя.
пературе 473–573 К [8]:
(NH4
О 7
В качестве образца была взята цилиндрическая
деталь с внешним диаметром 50 мм
и внутренним диаметром 30 мм, длиной
15 мм, из ферритно-перлитного серого чугуна
Ñ×20 составом (ìàñ. %): 3,4 Ñ; 2,2 Si; 0,8 Mn;
P ≤ 0,2; S ≤ 0,15. Твердость чугуна 131 ÍÂ. Исходная
структура – ферритно-перлитная (90 %
: 10 %), в основе содержался равномерно распределенный
пластинчатый графит. Площадь,
занятая ãðàôèòîì, составляла 8–12 %.
Порошок оксида хрома получали разложением
дихромата аммония (NH4
)2
)2Cr2 → Cr2
О 3
Cr2
О 7
+ 4H2
при темО
+ N2
.
При необходимости порошки оксида хрома
и графита, а также порошки оксида хрома
и серого чугуна смешивали в смесителе типа
«ïüÿíàÿ áî÷êà» в течение 40–60 ìèí.
Нагрев образца в контакте с порошком
оксида хрома осуществляли в открытом контейнере
до температуры 1273–1373 К и выдерживали
при ней в течение 2, 4 и 8 ÷. Затем образец
нагревали под закалку до 1676 К и охлаждали
в воде. Поверхностную закалку производили
непосредственно после диффузионного хромирования,
помещая образец в горячем состоянии
в воду комнатной температуры. После закалки
деталь подвергали низкому отпуску с выдержкой
1 ч на каждые 25 мм стенки [1].
Структуру поверхностно упрочненного слоя
образцов исследовали с помощью микроскопа
Neophot-21, для определения микротвердости
структурных составляющих использовали
прибор ПМТ-3. В ходе анализа результатов
определяли ширину неупрочненных и упрочненных
зон, измеряли микротвердость поверхностного
слоя и производили металлографический
анализ диффузионного слоя. Химический
состав диффузионного слоя определяли с помощью
рентгенофлуоресцентного анализатора
Inspeñtor-2000 GT.
Абразивный износ образцов исследовали на
установке для испытания материалов на износ,
разработанной в Челябинском политехническом
институте. Критерием износа являлась
удельная работа абразивного износа (а, Дж/мг)
упрочненного слоя серого чугуна [9].
Диффузионное хромирование
исследуемых образцов
Смесь порошков графита и оксида хрома помещали
в алундовый тигель (рис. 1), нагревали
до температуры 1373 К и выдерживали при этой
температуре 8 ч. Никаких газовых выделений в
течение выдержки замечено не было, прокладка
из бумаги не сгорела, следов металлического
хрома в тигле обнаружено не было.
Проверяли предположение о том, что поверхностной
энергии железа будет достаточно
для разрыва молекулярных связей Cr2
лекула оксида хрома будет диссоциировать на
поверхности основы серого чугуна, что приведет
к окислению углерода.
O3
С этой целью в аналогичных условиях
была исследована возможность взаимодействия
оксида хрома Cr2
ферритно-перлитного серого чугуна. Для
этого готовили смесь из порошков чугуна
и оксида хрома (с размером частиц менее
63 мкм) и помещали в алундовый тигель
(см. рис. 1). Смесь нагревали до температуры
1273 К и выдерживали при этой температуре
в течение 2, 4 и 8 ч. После взаимодействия чугуна
с оксидом хрома структура сплава соответствовала
стали с содержанием углерода, марганца
и кремния, приведенным в табл. 1.
O3
1
2
3
4
5
с углеродом основы
, и ìîÐèñ.
1. Схема расположения
в тигле исследуемых материалов:
1 – ãðàôèò; 2 – òèãåëü; 3 – ãëèíîçåì;
4 – áóìàãà; 5 – смесь
3
Машиностроение и инженерное образование, 2011, ¹ 2
Стр.3