Повышение надежности и долговечности поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок путем совершенствования технологии их ремонта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Казакевич Григорий Алексеевич

• Казакевич Григорий Алексеевич
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Казакевич Григорий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗНАШИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОРПУСА АВТОСЦЕПКИ

1.1 Общие сведения об автосцепном устройстве

1.2 Изнашиваемые поверхности корпуса автосцепки

1.3 Технологии повышения износостойкости и надежности работы поверхностей зацепления корпусов автосцепок

1.3.1 Наплавка изношенных поверхностей для восстановления и упрочнения изнашиваемых деталей

1.3.2 Процессы термической обработки для повышения износостойкости и надежности восстановленных наплавкой поверхностей корпуса автосцепки

1.3.3 Методы химико-термической обработки, используемые и рекомендуемые для повышения износостойкости и надежности восстановленных наплавкой поверхностей корпуса автосцепки

1.4 Особенности процесса борирования и его применение для упрочнения деталей подвижного состава

1.4.1 Классификация процесса борирования

1.4.2 Механизм образования борированных слоев

1.4.3 Применение борирования на железнодорожном транспорте и других отраслях промышленности для упрочнения деталей

Выводы по главе

2 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И РАБОТЫ АВТОСЦЕПНОГО УСТРОЙСТВА

2.1 Условия работы поверхностей контура зацепления и деталей механизма сцепления. Дефекты автосцепного устройства

2.2 Материалы, применяемые для изготовления корпуса автосцепки и деталей механизма сцепления

Выводы по главе

3 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИССЛЕДОВАНИИ

3.1 Химические реактивы и стали

3.2 Приборы и оборудование

3.3 Методики исследования

3.3.1 Методика проведения процесса борирования

3.3.2 Методика металлографического анализа

3.3.3 Методика расчета эвтектических температур и концентраций

3.3.4 Методика построения схем диаграмм состояния сплавов

3.3.5 Статистическая обработка результатов и методика планирования экспериментов

3.3.6 Методика расчета остаточных напряжений

Выводы по главе

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА КОРПУСОВ АВТОСЦЕПОК

4.1 Анализ фазового состава двойных и многокомпонентных диаграмм состояния при борировании

4.2 Анализ способов построения многокомпонентных диаграмм состояний и расчетов температур эвтектических реакций

4.3 Построение схемы пятикомпонентной диаграммы состояния

4.3.1 Построение схемы пяти компонентной диаграммы состояния и поверхности ликвидус

4.3.2 Расчет эвтектических температур и построение поверхности солидус

4.4 Определение температурно-временных условий борирования процесса на установке ВЧ 25А

4.4.1 Определение температурно-временных условий нагрева ТВЧ при обработке в твердом агрегатном состоянии поверхностей

4.4.2 Определение температурно-временных условий нагрева ТВЧ при жидкотвердом состоянии обрабатываемых поверхностей

4.5 Исследование составов борирующих смесей

4.6 Разработка индуктора для упрочнения плоских поверхностей

4.7 Критерии надежности и долговечности сталей при эксплуатации поверхностей зацепления корпусов автосцепок

4.7.1 Критерии надежности эксплуатации борированных поверхностей зацепления корпусов автосцепок

4.7.2 Критерии долговечности эксплуатации борированных поверхностей зацепления корпусов автосцепок

4.8 Влияние борированных слоев на механические свойства сталей

4.9 Предварительная оценка результатов борирования поверхностей зацепления корпусов автосцепок путем моделирования технологического процесса

Выводы по главе

5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС БОРИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ БОЛЬШОГО ЗУБА КОРПУСА АВТОСЦЕПКИ

5.1 Подготовка тяговой поверхности большого зуба корпуса автосцепки

5.2 Подготовка оборудования

5.3 Подготовка насыщающих и защитных смесей

5.4 Приготовление насыщающей и защитной обмазок

5.5 Нанесение обмазок на обрабатываемую тяговую поверхность большого зуба

5.6 Нагрев ТВЧ и проведение процесса борирования

5.7 Очистка тяговой поверхности большого зуба

5.9 Контроль результатов обработки

5.10 Возможные дефекты обработанной тяговой поверхности зуба автосцепки

Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности и долговечности поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок путем совершенствования технологии их ремонта»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Повышение скоростей движения и грузоподъемности подвижного состава железнодорожного транспорта приводит к интенсивному изнашиванию деталей и узлов, к возрастанию сил взаимодействия между рельсом и колесом, к снижению устойчивости транспортного средства в рельсовой колее.

Автосцепное устройство представляет собой набор элементов и приспособлений, предназначенных для зацепления друг с другом вагонов и тянущего локомотива, формируя подвижной состав, при этом сохраняя расстояние между вагонами одинаковым и позволяя подвижному составу входить в повороты, оставляя соединение достаточно гибким. Автосцепное устройство в процессе эксплуатации испытывает различные нагрузки, в том числе: нагрузки растяжения при страгивании и движении состава; нагрузки сжатия при торможении и остановке; ударные и изгибающие нагрузки в момент зацепления, аварийного торможения состава; кручение при вхождении подвижного состава в поворот, или пересечении стрелочного перевода. Оно не защищено от пыли, грязи, атмосферных осадков, эксплуатируется в широком интервале температур. Отдельные поверхности деталей автосцепного устойства работают в условиях постоянного трения и интенсивного абразивного изнашивания без смазывающего материала. Дополнительно к материалам этих деталей предъявляются высокие требования к конструктивной прочности и запасу пластичности.

Корпус является основной частью автосцепки: он воспринимает и передает усилия, ударные нагрузки, а поверхности зацепления в результате трения постоянно изнашиваются. На протяжении своего жизненного цикла каждый корпус автосцепки в идеальном случае должен проходить капитальный ремонт через 3 года эксплуатации, при котором изношенные поверхности зацепления восстанавливаются наплавкой сварочными

технологиями. В силу особенностей процесса электродуговой наплавки и структуры наплавленных слоев отремонтированные корпуса автосцепок не дорабатывают до следующего капитального ремонта. Как правило их надежная работоспособность сохраняется только в течение 2 лет. Общесетевое количество восстановленных наплавкой корпусов автосцепок, например, в 2024 г. составило ~ 370 тыс.шт., которые не доработают до очередного капитального ремонта. Следовательно, вместо 10 ремонтов в период жизненного цикла каждый корпус восстановленной автосцепки по изнашиванию поверхностей зацепления будет проходить 15 ремонтов, что значительно повышает материальные, энергетические и трудовые затраты ремонтного производства.

Принимая во внимание необходимость повышения пробега вагонов и локомотивов до 500 тыс.км. по критерию износостойкости поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок, разработка методов повышения долговечности и надежности их эксплуатации является насущной и актуальной научно-технической задачей железнодорожного транспорта.

Степень разработанности темы исследования. Работами по повышению износостойкости различных деталей подвижного состава методами термической и химико-термической обработки занимались Лахтин Ю.М., Крукович М.Г., Великанов А.В., Федин В.М., Борц А.И., Курасов Д. А., Эльперин В. И. и др. Работами по повышению износостойкости деталей автосцепного устройства занимались Минкевич А.Н, Андрюшечкин В.И., Борщ Б.В. и д.р. Весьма эффективными направлениями повышения износостойкости многих деталей подвижного состава являются процессы поверхностно-объемной закалки и борирования при использовании нагрева ТВЧ.

Объектом исследования выступает технологический процесс упрочнения поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок СА-3, восстановленных наплавкой и эксплуатирующихся на грузовых вагонах.

Предметом исследования являются структуры поверхностного слоя контура зацепления корпусов автосцепных устройств модели СА-3, составы насыщающих и защитных обмазок, режимы термической обработки.

Целью диссертационного исследования является разработка метода повышения долговечности восстановленных наплавкой поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок грузовых вагонов.

Для реализации поставленной цели были выделены следующие задачи диссертационного исследования:

- провести анализ условий работы, технологий восстановления и причин преждевременного выхода из строя восстановленных наплавкой поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок;

- сформулировать условия дополнительной обработки для исправления дефектов наплавленных слоев;

- провести анализ возможных способов термической и химико-термической обработок для получения необходимых свойств на низкоуглеродистых и низколегированных сталях, из которых изготавливают корпуса автосцепок; выбрать процесс упрочнения и теоретически обосновать условия проведения процесса, фазовый состав слоя и необходимую структуру, обеспечивающие необходимые свойства восстановленным поверхностям;

- провести адаптацию процесса поверхностного упрочнения с целью повышения износостойкости поверхностей контура зацепления, обеспечивающих повышения долговечности восстановленных корпусов автосцепок;

- исследовать свойства образцов после восстановления наплавкой и упрочнения;

- показать, что восстановленные наплавкой поверхности контура зацепления корпуса автосцепки и упрочненные с высокой степенью достоверности обеспечивают повышение надежности и долговечности эксплуатации в течение 3 лет до следующего капитального ремонта,

а сочетание технологии восстановления наплавкой комплексно легированными электродами, содержащими С - - Мп - Сг - N1 - V -Т1, и процесса упрочнения создают возможность обеспечения пробега корпуса автосцепки более 500 тыс. км.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- определены закономерности процессов износа восстановленных поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок и условия исправления дефектов наплавленных слоев с применением дуговой сварки;

- разработан новый технологический процесс получения композиционных борированных слоев из обмазок с нагревом ТВЧ, обеспечивающий получение необходимой твердости и износостойкости на низкоуглеродистых и низколегированных сталях, предназначенных для изготовления корпусов автосцепок;

- предложен метод, сочетающий технологию восстановления наплавкой комплексно легированными электродами, содержащими С - - Мп - Сг - N1 - V -Т1, и разработанный процесс борирования, который обеспечивает надежность и долговечность эксплуатации восстановленных поверхностей зацепления корпусов автосцепок в течение 3 лет до следующего капитального ремонта, а также создают возможность обеспечения их пробега более 500 тыс. км.

Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:

- научное обоснование и определение температурно-концентрационных условий процесса борирования и фазового состава получаемых композиционных слоев для упрочнения поверхностей зацепления корпусов автосцепок при совершенствовании технологии ремонта путем построения поверхности ликвидус и солидус схемы 5-ти компонентной диаграммы состояния системы Fe - В - Мп - С - Сг в традиционных координатах температура - концентрация;

- использование эффективных современных подходов к расчету эвтектических температур и концентраций в многокомпонентных металлических системах, результаты которых были применены в работе при совершенствовании технологии ремонта;

- предиктивная оценка результатов борирования поверхностей зацепления корпуса автосцепки путем расчета толщины композиционных борированных слоев по полученным уравнениям регрессии, связывающим основные факторы варьирования с погрешностью менее 10%;

- совершенствование технологии ремонта, заключающееся в сочетании операции восстановления электродуговой наплавкой изношенных поверхностей контура зацепления головной части корпуса автосцепки с операцией борирования из обмазок с нагревом ТВЧ, которое обеспечивает долговечность эксплуатации в течение 3 лет до следующего капитального ремонта;

- разработка технологии упрочнения восстановленных наплавкой контурных поверхностей зацепления головной части корпуса автосцепки, предусматривающая применение составов насыщающих смесей на основе карбида бора и полиборида магния для получения борированных слоев с оригинальной композиционной структурой при нагреве ТВЧ;

- повышение надежности и долговечности эксплуатации восстановленных электродуговой наплавкой поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок гарантируется путем проведение процесса борирования из обмазок с нагревом ТВЧ при 1120 оС, которое обеспечивает исправление структуры наплавленного слоя и структуры зоны термического влияния, частичное «залечивание» поверхностных дефектов наплавленных слоев (шлаковых и газовых раковин), устранение растягивающих остаточных напряжений и формирование остаточных напряжений сжатия на обрабатываемой поверхности. В результате, полученные структуры композиционных борированных слоев, обладают высоким запасом

пластичности, достаточной износостойкостью, пониженным коэффициентом трения и стабильностью структуры во всем интервале температурных и механических воздействий при эксплуатации;

- адаптацию процесса борирования из обмазок с нагревом ТВЧ к технологии ремонта поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок, которая в сочетании с электродуговой наплавкой комплексно легированными электродами, содержащими С - - Mn - Сг - М - V -Ti, создает условия высокой надежности и долговечности эксплуатации грузовых вагонов до 500 тыс. км. пробега;

- по результатам проведенной работы получен патент на изобретение способа восстановления корпусов автосцепок вагонов.

Методология и методы исследования. В процессе работы над исследованием были использованы следующие базовые методы: металлографический, дюрометрический, испытания износостойкости и определения механических свойств при растяжении и сжатии, методики построения многокомпонентных диаграмм состояния и расчета эвтектических температур, математическое планирование экспериментов, статистическая обработка результатов исследований.

Положения, выносимые на защиту. Проведенный анализ, реальные и численные эксперименты позволяют вынести на защиту следующие положения:

- совершенствование технологии ремонта изношенных поверхностей контура зацепления головной части корпуса автосцепки, заключающееся в сочетании операции восстановления электродуговой наплавкой с операцией борирования из обмазок с нагревом ТВЧ, которое обеспечивает долговечность эксплуатации в течение 3 лет до следующего капитального ремонта;

- разработку технологии упрочнения восстановленных наплавкой контурных поверхностей зацепления головной части корпуса автосцепки, предусматривающую применение составов насыщающих смесей на основе

карбида бора и полиборида магния для получения борированных слоев с оригинальной композиционной структурой при нагреве ТВЧ;

- научное обоснование и определение температурно-концентрационных условий процесса борирования и фазового состава получаемых композиционных слоев для упрочнения поверхностей зацепления корпусов автосцепок при совершенствовании технологии ремонта путем построения поверхности ликвидус и солидус схемы 5-ти компонентной диаграммы состояния системы Fe - В - Мп - С - Сг в традиционных координатах температура - концентрация;

- повышение надежности и долговечности эксплуатации восстановленных электродуговой наплавкой поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок гарантируется путем проведение процесса борирования из обмазок с нагревом ТВЧ при 1120оС, которое обеспечивает исправление структуры наплавленного слоя и структуры зоны термического влияния, частичное «залечивание» поверхностных дефектов наплавленных слоев (шлаковых и газовых раковин), снятие растягивающих остаточных напряжений и формирование остаточных напряжений сжатия на обрабатываемой поверхности;

- получение нетрадиционной структуры композиционных борированных слоев на упрочненных поверхностях контура зацепления корпуса автосцепки в результате сочетания температурно-концентрационных, временных и электрических условий насыщения, а также химического состава обрабатываемой поверхности при нагреве ТВЧ, которая не допускает хрупкого разрушения, приемлемую твердость в интервале 300 - 450НВ и большую износостойкость, чем термообработанная на различную твердость сталь 20Г1ФЛ.

Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности результатов проведенных исследований обеспечивается системным анализом научно-технической и патентной литературы; применением обоснованных методов проведения научных исследований;

анализом теоретических и экспериментальных зависимостей, полученных в результате исследований; сходимостью полученных в работе результатов экспериментальных и теоретических исследований с доверительной вероятностью 0,9 и их согласованностью с результатами других исследователей. Апробация результатов проводилась в лабораторных условиях.

Материалы диссертационной работы рассмотрены на кафедре «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ИТТСУ РУТ (МИИТ) и на ежегодных аттестациях аспирантов. Основные результаты работы были доложены на научной конференции «Неделя науки -21», Москва МИИТ; XXXVI, XXXVII, XXXVIII, ХХХ1Х, ХХХХ1-ой Международных научно-технических конференциях «Новые материалы и технологии в машиностроении", Брянск БГИТУ (2021, 2022, 2023, 2024, 2025 гг.).

1 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗНАШИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОРПУСА АВТОСЦЕПКИ

Xарактерной чертой развития современного машиностроения и транспортной техники является непрерывное усложнение условий эксплуатации и рост энергонапряженности.

Это предъявляет все более высокие требования по эксплуатационным характеристикам, надежности и долговечности деталей машин и механизмов. В ряде случаев проблема работоспособности изнашиваемых деталей машин транспортной техники может быть решена методами термической и химико-термической обработок. При этом наиболее рациональным является комплексный подход к решению этой проблемы, который предусматривает анализ взаимосвязи материала, вида его термической обработки, исходной структуры и свойств упрочняющего диффузионного слоя, состояния поверхности в процессе изнашивания и разрушения. Важным аспектом комплексного подхода является разработка технологических рекомендаций, позволяющих обосновано подойти к конструированию структуры диффузионного слоя с определенным фазовым составом целевого назначения для конкретных условий эксплуатации.

Повышение скоростей движения и грузоподъемности подвижного состава железнодорожного транспорта приводит к росту динамических сил, действующих на локомотивы, вагоны и железнодорожный путь. Это приводит к интенсивному изнашиванию деталей и узлов, к возрастанию сил взаимодействия между рельсом и колесом, к снижению устойчивости транспортного средства в рельсовой колее. Дополнительно увеличивается воздействие транспортных средств на путь, которое приводит к расстройству путей и повышенным затратам на их содержание.

Бесперебойная работа и безопасность железных дорог зависят от надежности и долговечности используемых узлов и механизмов.

Преждевременный износ может привести к множеству проблем, включая аварии, непредвиденные простои, перебои в работе, дорогостоящее техническое обслуживание и ремонт. Эти проблемы, в свою очередь, приводят к снижению эффективности работы транспортных средств, уменьшению удовлетворенности пассажиров и заказчиков грузовых перевозок и, в конечном счете, негативно сказываются на репутации и финансовых показателях отрасли.

В связи с разработкой плана реконструкции железных дорог, которые не удовлетворяли потребностям в перевозках грузов, была принята для внедрения автосцепка ИРТ-3, которая позже была переименована в СА - 3 (советская автосцепка - третий вариант) разработанная в Институте реконструкции тяги И.Н. Новиковым, В.Г. Головановым, А.Ф. Пуховым и В.А. Шашковым под руководством проф. В.Ф. Егорченко. Интенсивный перевод подвижного состава на автосцепное устройство начался в 1935 г. и закончился в 1957 г.

В то же время при бурном росте промышленного производства в стране и соответствующем росте объемов перевозок технические возможности автосцепного устройства постепенно переставали удовлетворять возросшим требованиям, поэтому проходило непрерывное совершенствование всех сборочных узлов автосцепного устройства. Большой вклад в эту работу внесли, кроме перечисленных выше ученых, также В.В. Коломийченко, Н.Г. Беспалов, З.О. Каракашьян, Н.А. Костина и ряд других ученых.

Автосцепное устройство предназначено для автоматического сцепления единиц подвижного состава и передачи продольных сил. Оно состоит из корпуса автосцепки с расцепным приводом, поглощающего аппарата, тягового хомута, ударной розетки, упоров и центрирующего механизма.

Корпус автосцепки СА-3 отливают из мартеновской стали или электростали. Он является основной частью автосцепки, которая воспринимает и передает силы, ударные нагрузки, в нем размещены детали механизма сцепления. Головная часть корпуса пустотелая (карман

автосцепки), переходящая в удлиненный хвостовик, имеющий отверстие для соединения с тяговым хомутом. Она имеет два зуба: большой зуб с тремя усиливающими ребрами и малый зуб с вертикальным технологическим и облегчающим отверстием. В пространство между зубьями (зев автосцепки) выступают две детали механизма сцепления — замок и замкодержатель, которые в плане составляют контур зацепления. В кармане головной части размещается механизм сцепления, состоящий из замка, замкодержателя, предохранителя, подъемника, валика подъемника и болта [1 - 4].

Основным видом износа поверхностей контура зацепления является абразивный износ, так как деталь работает на открытом воздухе при значительных перепадах температур. Износ тяговых и ударных поверхностей зубьев корпуса автосцепки может привести к увеличению зазоров в контуре зацепления. Это в свою очередь может быть причиной увеличения ударных нагрузок на все рабочие поверхности, например, замка, что вызовет дальнейший прогрессирующий износ и саморасцеп. Таким образом, работоспособность, надежность и безотказность автосцепного устройства в работе связаны с безопасностью движения поездов.

Изношенные поверхности корпуса автосцепки подвергаются восстановлению размеров путем наплавки методами сварочного производства. При этом долговечность восстановленных поверхностей деталей составляет ~75% от долговечности исходных поверхностей. Причиной этого являются дефекты наплавленного металла (газовые и шлаковые раковины) и его хрупкое дендритное строение, хрупкая видманштеттовая структура металла основы под наплавленным слоем (зона термического влияния) в результате неоднократного перегрева и остаточные сварочные растягивающие напряжения на восстановленной поверхности. Таким образом, восстановленные поверхности обеспечивают надежность и долговечность эксплуатации корпуса автосцепки до 2 лет.

Исправление возникших несовершенств может быть частично осуществлено методами химико-термической обработки: цементацией,

азотированием и борированием. При этом цементация потребует последующей закалки с дополнительного нагрева для образования мартенсита и необходимой твердости, при этом закалочные структуры неустойчивы при нагреве во время эксплуатации, который в микрообъемах на поверхностях трения может достигать 1000 оС [5, 6].

Азотирование обеспечит некоторое повышение твердости и образование напряжений сжатия на поверхности, но сохранит хрупкую структуру наплавленного слоя и металла основы в результате низкой температуры обработки (550 - 650 оС), недостаточной для прохождения процессов перекристаллизации.

Борирование может обеспечить композиционную структуру в широком интервале твердости (250 - 1300 кгс/мм2) с температурной устойчивостью (до 900 оС), сжимающие остаточные напряжения на поверхности, что в конечном итоге обеспечит надежность и долговечность эксплуатации восстановленного корпуса автосцепки в течение 3 лет, т.е. до очередного капитального ремонта.

Исходя из вышесказанного, корпус является основной частью автосцепки: он воспринимает и передает усилия, ударные нагрузки, а поверхности зацепления в результате трения постоянно изнашиваются. На протяжении своего жизненного цикла каждый корпус автосцепки в идеальном случае должен проходить капитальный ремонт через 3 года эксплуатации, при котором изношенные поверхности зацепления восстанавливаются наплавкой сварочными технологиями. В силу особенностей процесса электродуговой наплавки и структуры наплавленных слоев отремонтированные корпуса автосцепок не дорабатывают до следующего капитального ремонта. Как правило их надежная работоспособность сохраняется только в течение 2 лет. Общесетевое количество восстановленных наплавкой корпусов автосцепок, например, в 2024 г. составило ~ 370 тыс.шт., которые не доработают до очередного капитального ремонта. Следовательно, вместо 10 ремонтов в период

жизненного цикла каждый корпус восстановленной автосцепки по изнашиванию поверхностей зацепления будет проходить 15 ремонтов, что значительно повышает материальные, энергетические и трудовые затраты ремонтного производства.

Таким образом, поиск технологических процессов, способных решить поставленную проблему является весьма актуальным, а наиболее приемлемым процессом упрочнения является борирование, которое повысит надежность и долговечность восстановленных поверхностей. При этом, учитывая, что изнашиванию подвергаются только отдельные участки взаимодействующих поверхностей, рационально применение процесса борирования из обмазок с нагревом ТВЧ.

Работами по повышению износостойкости деталей подвижного состава методами термической и химико-термической обработки занимались Лахтин Ю.М., Минкевич А.Н, Андрюшечкин В.И., Крукович М.Г., Великанов А.В., Федин В.М., Борщ Б.В., Борц А.И., Курасов Д. А., Эльперин В. И. и др.

Весьма эффективными направлениями повышения износостойкости многих деталей подвижного состава являются процессы поверхностно-объемной закалки и борирования.

В данной работе рассматривается проблема повышения надежности и долговечности эксплуатации корпуса автосцепки, а именно контура зацепления и деталей механизма сцепления грузовых и пассажирских вагонов путем применения борирования из обмазок с нагревом ТВЧ.

Закономерности управления структурообразованием при борировании были заложены в работах Минкевича А.Н., Кидина И.Н., Андрюшечкина В.И., Шаля М.А. [7 - 12] путем оплавления борированных слоев и развиты в работах Ляховича Л.С., Ворошнина Л.Г., Ткачева В.Н., Бельского Е.И., Косачевского Л.Н., Круковича М.Г., Прусакова Б.А., Сизова И.Г. [13 - 20].

Успешному решению вопроса управления структурой и свойствами борированных слоев, получаемых на низколегированных сталях, и научному

обоснованию выбора температур обработки способствовало в данной работе применение методики построения схем многокомпонентных диаграмм состояния (п>3) в традиционных координатах температура-концентрация и методики расчета эвтектических концентраций и температур по температурам плавления компонентов, эвтектических смесей двойных диаграмм состояния и рассчитанных температур плавления при взаимодействии новых эвтектических смесей [20 - 25].

Применение методик позволило определить условия формирования компактных и композиционных борированных слоев в кристаллическом и жидкотвердом состояниях упрочняемых поверхностей с сохранением их шероховатостей при нагреве ТВЧ.

Выполненные исследования по разработке насыщающих обмазок для борирования с нагревом ТВЧ с получением компактных и композиционных борированных слоев с широким комплексом эксплуатационных свойств позволяют повысить надежность и долговечность изнашиваемых поверхностей контура зацепления автосцепного устройства грузовых вагонов в течение 3 лет. При этом сравнение износостойкости сталей, обработанных по стандартным технологическим процессам и упрочненных борированием позволяют сделать вывод, что межремонтный пробег упрочненных деталей по износостойкости может быть увеличен до 500 тыс. км.

1.1 Общие сведения об автосцепном устройстве

Автосцепное устройство представляет собой набор элементов и приспособлений, предназначенных для зацепления друг с другом вагонов и тянущего локомотива, формируя подвижной состав, при этом сохраняя расстояние между вагонами одинаковым и позволяя подвижному составу входить в повороты, оставляя соединение достаточно гибким. Автосцепное устройство в процессе эксплуатации испытывает различные сложные

нагрузки, в том числе: нагрузки растяжения при страгивании и движении состава; нагрузки сжатия при торможении и остановке; ударные и изгибающие нагрузки в момент зацепления, аварийного торможения состава; кручение при вхождении подвижного состава в поворот, или пересечении стрелочного перевода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Казакевич Григорий Алексеевич, 2026 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Лукин, В.В. Общий курс: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / В.В. Лукина. - Москва : Маршрут, 2004. - 424 с. - Текст: непосредственный.

2 Коломийченко, В.В. Автосцепное устройство железнодорожного подвижного состава / В. В. Коломийченко, Н. А. Костина, В. Д. Прохоренков, В. И. Беляев. - Москва : Транспорт, 1991. - 232 с. - Текст: непосредственный.

3 Быков, Б.В. Конструкция и ремонт автосцепного устройства подвижного состава железных дорог России / Б.В. Быков. - Москва : Маршрут, 2005. - 48 с. - Текст: непосредственный.

4 Мотовилов, К.В. Автосцепное устройство вагонов. Конструкция, эксплуатация и ремонт / К.В. Мотовилов. - Москва : МИИТ, 2003. - 93 с.

- Текст: непосредственный.

5 Дроздов, Ю.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, В.Н. Пучков. - Москва : Машиностроение, 1986.

- 224 с. - Текст: непосредственный.

6 Крукович, М.Г. Трибологические материалы / М.Г. Крукович, Э.Р. Тонэ. - Москва : МИИТ, 2007. - 104 с. - Текст: непосредственный.

7 Минкевич, А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов / А.Н. Минкевич. - Москва : Машиностроение, 1965. - 491 с. - Текст: непосредственный.

8 Минкевич, А.Н. Структура и фазовый состав диффузионного слоя при цианировании стали / А.Н. Минкевич, Л.Н. Расторгуев, В.И. Андрюшечкин - Изв. Вузов «Черная металлургия», 1960. - № 7.

- С. 171-179. - Текст: электронный.

9 Шаля, М.А. Антифрикционные свойства сульфоцианированных сталей / М.А. Шаля, Г.К. Бордюг - МиТОМ, 1968. - № 7. - С. 36-37.

- Текст: электронный.

10 Кидин, И.Н. Азотирование сталей при печном и электронагреве И.Н. Кидин, В.И. Андрюшечкин - МиТОМ, 1964. - № 3. - С. 53-57.

- Текст: электронный.

11 Андрюшечкин, В.И. Борирование стали 38ХНМ с применением нагрева ТВЧ. / В.И. Андрюшечкин, А.И. Башнин. - МиТОМ., 1981. - №4.

- С. 23 - 25. - Текст: электронный.

12 Ляхович, Л.С. Прогрессивный метод борирования инструмента и технологической оснастки с использованием паст / Л.С Ляхович, М.Г. Крукович, Ю.В. Туров. - Экспресс информация. «Металлообработка». БелНИИНТИ. - Мн.: БелНИИНТИ. - 1977. - 32 с. - Текст: непосредственный.

13 Ворошнин, Л.Г. Борирование стали. / Л.Г. Ворошнин, Л.С. Ляхович. - Москва : Металлургия, 1978. - 240 с. - Текст: непосредственный.

14 Ворошнин, Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов. / Л.Г. Ворошнин. - Мн.: Беларусь, 1981. - 205 с. - Текст: непосредственный.

15 Бельский, Е.И. Упрочнение литых и деформированных инструментальных сталей. / Е.И. Бельский, М.В. Ситкевич, Н.С. Траймак.

- Мн.: Наука и техника, 1982. - 280 с. - Текст: непосредственный.

16 Бельский, Е.И. Химико-термическая обработка инструментальных материалов. / Е.И. Бельский, М.В. Ситкевич, Е.И. Понкратин, В.А. Стефанович. - Мн.: Наука и техника, 1986. - 247 с.

- Текст: непосредственный.

17 Ляхович, Л.С. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. / Справочник. Под ред. Л.С. Ляховича. - Москва : Металлургия, 1981. - 424 с. - Текст: непосредственный.

18 Ши Юонг Борирование из паст в тлеющем разряде высокотемпературного плакирующего слоя железа / Ши Юонг, Сун Икаи, Ю. Ионд, Юанг Лиею. - ЦзиньшуЖечули, 1990. - № 11. - С. 35-37.

- Текст: электронный.

19 Ткачев, В.Н. Микроструктура и свойства боридных слоев, образующихся при индукционном нагреве стали / В.Н. Ткачев, Б.Н. Поляков, В.И. Сидельникова. - МиТОМ, 1979. - № 1. - С. 2-5. - Текст: электронный.

20 Крукович, М.Г. Пластичность борированных слоев / М.Г. Крукович, Б.А. Прусаков, И.Г. Сизов. - Москва : Физматлит, 2010.

- 384 с. - Текст: непосредственный.

21 Крукович, М.Г. Разработка теоретических и прикладных аспектов управления структурой и свойствами борированных слоев и их использование при производстве транспортной техники. Дис. доктора технич. наук: 05.16.01 - Москва, 1995. - 416 с. - Текст: непосредственный.

22 Крукович, М.Г. Расчет эвтектических концентраций и температур в двух и многокомпонентных системах / М.Г. Крукович.

- МиТОМ., 2005. - № 10. - С. 9 - 17. - Текст: непосредственный.

23 Крукович, М.Г. Расчет эвтектических параметров систем и построение многокомпонентных схем диаграмм состояния / М.Г.Крукович, Е.А. Бадерко // Новые материалы и технологии в машиностроении.

- Брянск: БГИТУ, 2011. - С. 45-52. - Текст: электронный.

24 Kroukovitch M.G. Surface friction and wear of refractory steels after thermo-chemical treatment. Advances in mechanical behavior, plasticity and damage. - Proceedings of EUROMAT 2000. - Vol. 1. ELSEVIER SCIENCE Ltd. P. 609 - 614. - Текст: непосредственный.

25 Krukovich M.G. Technology to Improve the Performance Properties of Heterogeneous Boronized Layers / Materials Performance and Characterization 9. - Published ahead of print, 15 May 2020.

- Р. 329 - 338. - Текст: непосредственный.

26 ГОСТ 3475-81. Устройство автосцепное подвижного состава железных дорог колеи 1520 (1524) мм. Установочные размеры : межгосударственный стандарт : издание официальное : утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитетов СССР по стандартам от 05.02.81 № 486 : взамен ГОСТ 3475-62 : дата введения 1982-01-

01 (Переиздание (июнь 1998 г.) с изменениями №2 1,2 утвержденными в августе 1986 г., феврале 1991 г. (ИУС 11-86, 5-91) / Разработан Министерством путей сообщения СССР. - Москва. - Издательство стандартов, 1998.

27 Коновалов, Е.Г. Автосцепное устройство. 15.03.2016. [Электронный ресурс] - URL: https://en.ppt-online.org/126135 - Текст: электронный.

28 Мальков, К.М. Восстановление деталей подвижного состава железных дорог износостойкой наплавкой порошковыми проволоками / Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Москва : ВНИИЖТ, 1971. -184 с. - Текст: непосредственный.

29 Патент RU № 28475. МПК B61G 3/00 (2000.01). Автосцепное устройство железнодорожных вагонов с износостойкой наплавкой поверхностей деталей. Опубликовано: 2003.03.27. / Андронов В.А., Павлов Н.В., Лозинский В.Н., Коротков В.А., Зотов А.С., Ефимов В.П., Головизнин Б.Л., Абрамов Е.В., Ступин Д.А.

30 Бычковский, В.С. Технология ремонта корпуса автосцепки СА-3 грузового вагона / В.С. Бычковский, А.В. Карпов, Н.Г. Филиппенко / Молодой ученый, 2015. - № 12 (92). - С. 152 - 156. URL: https://moluch.ru/archive/92/20161/ (дата обращения: 13.12.2024). - Текст: электронный.

31 Бабенко, Э.Г. Расчет режимов электрической сварки и наплавки / Э.Г. Бабенко, Н.П. Казанова. - Хабаровск, 1999. - 54 с. - Текст: непосредственный.

32 Патент RU №57226. МПК B61G 3/00 (2006.01). Автосцепное устройство железнодорожного вагона (варианты). Опубликовано: 2006.10.10. / Головизнин Б.Л. Абрамов Е.В., Ефимов В.П., Масалков А.В., Андронов В.А., Кононский А.Ф., Шишков В.А., Пономарев С.А., Башкиров К.В., Григурко В.В., Харыбин И.А., Яковенко Н.М., Ступин Д.А., Левин А.Б., Коротков В.А., Струнец В.К., Павлов Н.В., Лутохин Е.В., Давыдов Н.В.

33 Ступин Д.А., Абраменко Д.Н. Технологии ремонта сваркой деталей автосцепки СА-3 на вагонах // XVI Международная научно-техническая конференция «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты», 12 - 14 июля 2022 г. [Электронный ресурс] - URL: http//Wagon-cargo.ru/news/teknologii-remonta-svarkoy-avtostsepki-ca-3-na-vagonakh. - Текст: электронный.

34 ГОСТ Р 57177 - 2016. Национальный стандарт Российской Федерации. Индукционно-металлургический способ наплавки. Технологический процесс : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21.10.2016 № 1474-ст : дата введения 2017-06-01 (Переиздание (февраль 2020 г.). - Москва. - Стандартинформ, 2020.

35 ТУ 318700-072-17368431-2014 Технические условия (для ремонтных деталей) «Износостойкая наплавка ИМС (индукционно-металлургическим способом) деталей локомотивов, моторвагонного подвижного состава, пассажирских вагонов локомотивной тяги колеи 1520 мм».

36 ГОСТ Р 57898-2017. Национальный стандарт Российской Федерации. Индукционно-металлургический способ наплавки. Наплавочные материалы : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 02.11.2017 № 1633-ст : дата введения 2018-06-01 (Переиздание (март 2020 г.). - Москва. - Стандартинформ, 2020.

37 ТУ 318700-071-17368431-2014. Технические условия (для нового вагоностроения) «Износостойкая наплавка ИМС (индукционно-металлургическим способом) деталей локомотивов, моторвагонного подвижного состава, пассажирских вагонов локомотивной тяги колеи 1520 мм»

38 Самаркина, И.К. Исследование и развитие трещин при упрочнении деталей подвижного состава индукционно-металлургическим способом / И.К. Самаркина, А.А. Соболев, Н.А. Битюцкий, И.В. Павелев, С.А. Стопницкий // Бюллетень результатов научных исследований. - 2023. - Вып. 1. - С. 105 - 113. - Текст: электронный.

39 Абраменко, Д.Н. Повышение износостойкости литых деталей грузовых вагонов дуговой наплавкой слоя стали со структурой игольчатого феррита / Дисс. канд. техн. наук, 2008. - ВНИИЖТ. - 05.16.01.

40 Патент РФ № 2060143B24, B39/00. Способ упрочнения поверхностей деталей индукционной наплавкой. Опубликован 20.05.1996. / Зайченко Ю.А., Сенаторов С.А., Карнаев Н.А., Соколов В.Н., Мохов А.Г.

41 Патент РФ № 2 673 437 B61G 3/00(2006.01), C21D 1/10(2006.01). Способ создания твердого поверхностного слоя на детали автосцепки грузового вагона. Опубликовано: 2018.11.26. / Савушкин Р.А., Кякк К.В., Тереньев М.И., Безобразов Ю.А., Бройтман О.А., Дзлиев С.В., Перевалов Ю.Ю.

42 Патент RU № 2 755 188 C21D 9/00(2006.01), C21D 1/10(2006.01), C21D 1/18(2006.01). Способ упрочнения корпуса автосцепки и корпус автосцепки, упрочненный этим способом. Опубликовано: 2021.09.14. / Безобразов Ю.А., Бройтман О.А., Терентьев М.И., Пономарев С.А.

43 Патент RU 2100451 МПК С2Ш 1/00. Способ термической обработки литых деталей из малоуглеродистой и низколегированной стали. Опубликовано: 27.12.1997. / Федин В.М., Ушаков Б.К., Девяткин В.П., Косарев Л.Н., Шоташвили Я.М., Власов А.А., Поляков В.Ф., Щербаков В.Ю.

44 Патент RU 2 415 182 C21D 1/42(2006.01), C21D 1/78(2006.01), C21D 1/18(2006.01), B23P 6/00(2006.01). Способ термической обработки деталей автосцепки. Опубликовано: 27.03.2011. / Борц А.И.

45 Крукович, М.Г. Пути оптимизации износостойкости наплавленных слоев / М.Г. Крукович, А.Д. Федотова, Г.А. Казакевич.

- «National science journal». Национальная ассоциация ученых, 2021.

- № 66-1 (66). - С. 34-41. - Текст: непосредственный.

46 Крукович, М.Г. Моделирование процесса азотирования сталей / М.Г. Крукович, С.А. Герасимов, И.Г. Сизов : монография. - Иркутск : Изд-во ИРНИТУ, 2024. - 224 с. - Текст: непосредственный.

47 Савельев, С.Н. Поверхностное упрочнение деталей, восстановленных наплавкой, нитроцементацией и борированием. // Дис. канд. техн. наук : ВАК РФ 05.16.01, - Курск, 2003. - 138 с.

- Текст: непосредственный.

48 Попов, А.А. Теоретические основы химико-термической обработки стали. / А.А. Попов. - Свердловск: Свердл. отд. Металлургиздат, 1962. - 120 с. - Текст: непосредственный.

49 Криштал, М.А. Трековая авторадиография для исследования микрораспределения некоторых элементов в металле. / М.А Криштал, Л.И. Иванов, Е.М. Гринберг. - МиТОМ, 1970. - №8. - С. 74-76.

- Текст: электронный.

50 Курасов, Д. А. Справочник технолога по ремонту электроподвижного состава железнодорожного транспорта. / Д.А. Курасов, В.И. Эльперин. - Киев: Техника, 1989. - 192 с.

- Текст: непосредственный.

51 Минкевич, А.Н. Применение борирования для повышения стойкости быстроизнашиваемых деталей подвижного состава. /

A.Н Минкевич, М.Г. Крукович, Е.А. Колмыкова, А.Д. Шуринов,

B.Х. Сорокина. // Межвузовский сб. научн. трудов. Повышение работоспособности деталей и сварных узлов подвижного состава железнодорожного транспорта. - Москва : Изд. МИИТа, 1986. - № 783.

- С. 27 - 32. - Текст: непосредственный.

52 Патент RU 2 592 651 МПК С23С 8/70, B60B 19/00. Упрочнения поверхности стального колеса железнодорожного транспорта. Опубликован:

27.07.2016. / Колесников И. В., Мигаль Ю. Ф., Мантуров Д. С., Сычев А. А., Бардушкин В. В.

53 Шевчук, Е.П. Формирование обширной диффузионной зоны при борировании стали 20. / Е.П. Шевчук, В.А. Плотников, А.В. Джес. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - Т. 15. - № 3.

- 2018. - С. 424 - 428. - Текст: электронный.

54 Ишков, А.В. Физико-химические и инженерные основы создания функциональных боридных покрытий на сталях при ТВЧ нагреве / А.В. Ишков, Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский. // Научно-технический вестник Поволжья, 2010. - № 2. - С. 92 - 97. - Текст: непосредственный.

55 Ишков, А.В. Износостойкие боридные покрытия для почвообрабатывающих органов сельхозтехники / А.В. Ишков, Н.Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, А.А. Максимов. // Вестник АГАУ, 2010. - Т.71. - № 9. - С. 71 - 75. - Текст: непосредственный.

56 Ишков, А.В. Влияние технологических факторов на износ поверхностно-упрочненных стрельчатых лап / А.В. Ишков, Н.Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, А.А. Максимов. // Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 2010. - Т.72. - №10. - С. 92-96.

- Текст: непосредственный.

57 Лялякин, В. П. Свойства износостойких композиционных покрытий, полученных скоростным борированием / В.П. Лялякин, В.Ф. Аулов,

A.В. Ишков, Кравченко И.Н., Ю.А. Кузнецов // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022. - № 2. - С 47-56. - Текст: непосредственный.

58 Аулов, В.Ф. Получение износостойких композиционных боридных покрытий на стали 65Г при ТВЧ-нагреве. / В.Ф. Аулов,

B.В. Иванайский, А.И. Ишков, В.П. Лялякин, Д.В. Коваль, Н.Т. Кривочуров, А.А. Соколов. // Технология машиностроения, 2015. - № 2. - С 30-34.

- Текст: непосредственный.

59 Мишустин, Н.М. Состав, структура и свойства износостойких покрытий, полученных на сталях 65Г и 50ХГА при скоростном

ТВЧ-борировании. / Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, А.В. Ишков. // Известия Томского политехнического университета. - Томск: Изд. ТПУ, 2012.

- Т. 320. - №2. - С. 68-72. - Текст: непосредственный.

60 А.св. №1643630 SU МПК C23C 8/6 Заявлено: 28.02.89. Способ скоростного борирования стальной детали. Опубликовано 23.04.91. / Кривочуров Н.Т., Иванайский В.В., Ишков А.В., Иванайский А.А. Сухинин А.С.

61 А.Св. № 663755 SU МПК С23С 9/04 Заявлено: 02.03.77. Способ скоростного борирования стальной детали. Опубликовано 25.05.79. / Кривочуров Н.Т., Иванайский В.В., Ишков А.В., Иванайский А.А. Сухинин А.С.

62 Патент RU № 2622502. МПК С23С 8/70 Способ скоростного борирования стальной детали. Опубликовано 16.06.2017. / Ишков А.В., Сухинин А.С., Кривочуров Н.Т., Иванайский А.А., Иванайский В.В.

63 Ситкевич, М.В. Технологические особенности получения термодиффузионных боридных слоев в условиях ТВЧ-нагрева / М.В. Ситкевич, В.Г. Дашкевич // Перспективные материалы и технологии: материалы международного симпозиума 22-26 мая 2017. - Витебск: ВГТУ, 2017. - Ч. 2. - С. 21-23. - Текст: непосредственный.

64 Быков, Б.В. Технология ремонта вагонов: Учебник для средних специальных учебных заведений ж.д. трансп. / Б.В. Быков, В.Е. Пигаев.

- Москва : Желдориздат, 2001. - 559 с. - Текст: непосредственный.

65 Инструкция по ремонту и обслуживанию автосцепного устройства подвижного состава железных дорог (с изменениями и дополнениями, утвержденными 65 заседанием Совета, протокол от 26-27 октября 2016 г.) - 94 с. - Текст: электронный.

66 ГОСТ 22703-2012 Детали, литые сцепных и автосцепных устройств железнодорожного подвижного состава : межгосударственный стандарт : издание официальное : утвержден и введен в действие Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии

и сертификации от 24.05.2012 № 41 : взамен ГОСТ 22703-91 : дата введения 2013-03-01 (Переиздание (декабрь 2019 г.) с изменениями № 1 (ИУС 11-2018, 6-2019) / ОАО "ВНИИЖТ" - Москва. - Стандартинформ, 2022.

67 ГОСТ 977-88 Отливки стальные : межгосударственный стандарт : издание официальное : утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитетов СССР по стандартам от 22.12.88 №2 4458 : взамен ГОСТ 977-75 : дата введения 1990-01-01 (Переиздание (август 2004 г.) с изменениями № 1 (ИУС 11-95). - Москва. - Стандартинформ, 2004.

68 ГОСТ 32885-2014 Автосцепка модели СА-3. Конструкция и размеры : межгосударственный стандарт : издание официальное : утвержден и введен в действие Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации от 30.07.2014 № 68-П : дата введения 2015-06-01 (Переиздание (декабрь 2022 г.) с изменениями № 1 (ИУС 12-2012) / ОАО "ВНИИЖТ". - Москва. - Стандартинформ, 2022.

69 Воздвиженский, В.М. Прогноз двойных диаграмм состояния. / В.М. Воздвиженский. - М.: Металлургия, 1975. - 224 c. - Текст: непосредственный.

70 Захаров, А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. / А.М. Захаров. - Москва : Металлургия, 1990. - 240 с. - Текст: непосредственный.

71 Аносов, В.Я. Основы физико-химического анализа. / В.Я. Аносов, М.И. Озерова, Ю.Я. Фиалков - Москва : Наука, 1976. - 503 с. - Текст: непосредственный.

72 Лодочников, В.Н. Простейшие методы изображения многокомпонентных систем. / В.Н. Лодочников. // Известия института физико-химического анализа, 1924. - C. 255 - 351. - Текст: непосредственный.

73 Радищев, В.П. Метод изображения многокомпонентных систем. / В.П. Радищев // Известия сектора физико-химического анализа АН СССР, 1936. - С. 203 - 219. - Текст: непосредственный.

74 Радищев, В.П. Методы изображения многокомпонентных диаграмм. // Известия сектора физико-химического анализа АН СССР, 1938. - С. 5 - 20. - Текст: непосредственный.

75 Петров, Д.А. Диаграмма состояния пятикомпонентной эвтектической системы в координатах трехмерной проекции пентатопа. / Д.А. Петров. // Диаграммы состояния металлических систем - Москва : Наука, 1981. - С. 35 - 45. - Текст: непосредственный.

76 Ганиев, А.А. Разработка методики расчета эвтектических концентраций и температур диаграмм состояния. / А.А. Ганиев, А.Р. Халиков, Р.Р. Кабиров // Машиностроение. Металловедение и термическая обработка металлов. Вестник Уфимского государственного авиационного университета, 2008. - C. 116 - 122. - Текст: непосредственный.

77 Халиков, А.Р. Моделирование эвтектических концентраций многокомпонентных диаграмм состояния. / А.Р. Халиков. // Машиностроение. Металловедение и термическая обработка металлов. Вестник Уфимского государственного авиационного университета, 2010. - C. 188 - 194. - Текст: непосредственный.

78 Krukovich, M.G. Computation of Eutectic Concentrations and Temperature in Two-Component and Multicomponent Systems. Metal Science and Heat Treatment, 2005. - C. 447-454. - Текст: непосредственный.

79 Krukovich, M.G. Plasticity of Boronized Layrs / Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Springer Series in Materials Science, V. 237. - Springer International Publishing Switzerland, 2016. - P. 364. - Текст: непосредственный.

80 Румшинский, Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. / Л.З. Румшинский. - Москва : Наука, 1971. - 192 с. - Текст: непосредственный.

81 Касаткина, Э.Ф. Обработка результатов измерений: Методические указания к практическим занятиям по дисциплине "Метрология, стандартизация, сертификация". / Э.Ф. Касаткина. - Владимир: ВлГУ, 2018. - 42 с. - Текст: непосредственный.

82 Калинин, А. Г. Обработка данных методами математической статистики / А. Г. Калинин. - Чита: ЗИП СибУПК, 2015. - 106 с. - Текст: непосредственный.

83 Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский.

- Москва : Наука, 1971. - 283 с. - Текст: непосредственный.

84 Новик, Ф.С. Металловедение цветных, редких и радиоактивны металлов. / Ф.С. Новик. - Математические методы планирования экспериментов в металловедении. - Москва : МИСиС, 1976. - 130 с. - Текст: непосредственный.

85 Телегус, В.С. Исследование тройных систем переходных металлов VI группы с бором или углеродом и некоторых родственных систем. / В.С. Телегус. - Автореферат канд. диссертации. - Львов. Львовский гос. ун-т., 1970. - Текст: непосредственный.

86 Кузьма, Ю.Б. Двойные и тройные системы, содержащие бор: Справочник / Ю.Б. Кузьма, Н.Ф. Чабан. - Москва : Металлургия, 1990.

- 316 с. - Текст: непосредственный.

87 Busby, P.E. Diffusion and Solubility of Boron in Iron and Steel. / Busby, P.E., Warga M.E., C. Wells. - Journal Metal, 1953. - P. 1463-1468. - Текст: непосредственный.

88 Carroll, K.G. A new Iron Borocarbide. / Carroll K.G., Darken L.S., Filer E.W., Zwell L. - Nature, 1954. - P. 978-979. - Текст: непосредственный.

89 Мчедлишвили, В.А. Бор, кальций, ниобий и цирконий в чугуне и стали / В.А. Мчедлишвили, В.В. Ховрина. - Перевод с английского под редакцией С.М. Винарова. - Москва : ГНТИ ЧЦМ, 1961 - 460 с. - Текст: непосредственный.

90 Ворошнин, Л.Г. Структура сплавов системы Fe-B. / Л.Г. Ворошнин, Л.С. Ляхович, Г.Г. Панич, Г.Ф. Протасевич. - Металловедение и термическая обработка металлов, 1970. - C. 14 - 17. - Текст: непосредственный.

91 Койфман, И.С. Рентгенографический анализ бороцементита. / И.С. Койфман. - Металловедение и термическая обработка металлов, 1969.

- C. 59 - 60. - Текст: непосредственный.

92 Stadelmaier, H.H. Die Ternare Phase Fe23C3B3 im. Dreistoff system Eisen Kohlenstoff-Bor. / H.H. Stadelmaier , R.A. Gregg. - Metall. - Berlin, 1963.

- P. 412 - 414. - Текст: непосредственный.

93 Cameron, T.B. The solubility of carbon in iron. / Cameron T.B., Morral J.E. - Metall. Berlin, 1986. - P. 1481-1483. - Текст: непосредственный.

94 Stadelmaier, H.H. Die Ternare Phase Fe23C3B3 im. Dreistoff system Eisen Kohlenstoff-Bor, / H.H. Stadelmaier, R.A. Gregg. - Metall. - Berlin, 1963.

- P. 415 - 418. - Текст: непосредственный.

95 Cameron, T.B. The solubility of carbon in iron. / Cameron T.B., Morral J.E. - Metall. Berlin, 1986. - P. 1484 - 1485. - Текст: непосредственный.

96 Villars, P. Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams / Villars P., Prince A., Okamoto H. - ASM International. - The Materials Information Society, 1994. - 1500 p. - Текст: непосредственный.

97 Pradelli, G. Equilibri Allo Stato Solido Nel Sistema Cromo-manganese-boro. / Pradelli G., Gianoglio C. - Metallurgy Italian, 1976.

- P. 191 -194. - Текст: непосредственный.

98 Процюк, А.П. О термодинамическом исследовании процессов в многокомпонентных системах. / А.П. Процюк, M.X. Карапетьянц. - Журнал прикладной химии, 1977. - C. 169 - 171. - Текст: непосредственный.

99 Габдулин, С.Т. Построение диаграммы состояния системы Fe - Mn - Si - C для определения фазового состава марганцевых ферросплавов. / С.Т. Габдулин, С. Байсанов, Р.Т. Толеукадыр. -Труды университета: сб. тр. Карагандинского государственного университета, РК. - Караганда, 2020. - C. 38 - 43. - Текст: непосредственный.

100 Ding, M.X.U.K. Phase Diagram of EC-DMC Binary System and Enthalpic Determination of its Eutectic Composition. / Ding M.X.U.K., Jow T.

- Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2000. - P. 177-186. - Текст: непосредственный.

101 Ramkumer, K.L. Experimental Evaluation of Procedures for Heat Capacity Measurements by Differential Scanning Calorimetry. / Ramkumer K.L., Saxena M.K., Deb S.B. - Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2001.

- P. 387-397. - Текст: непосредственный.

102 Li S.-P. Eutectic Reaction and Microstructural Characteristics of Al (Li) -Mg2Si Alloys. / Li S.-P., Zhao S.-X., Pan M.-X., Zhao D.-Q., Ci-en X.-C., Barabash O.M. - Journal of Materials Science, 2001. - P. 1569 - 1575.

- Текст: непосредственный.

103 Lewis, D. Determination of the Eutectic Structure in the Al-Cu-Sn System. / Lewis D., Allen S., Notis M., Scotch A. - Journal of Electronic Material, 2002. - P. 161 - 168. - Текст: непосредственный.

104 Luo, Ch.H. Investigation of the Phase Diagram end the Defect Structure of Non stoichiometric Li - Mn - O spiral. / Luo Ch.H., Martin M.

- Proceedings of the European Material Research Society Spring Meeting May 24 - 28. - Strasbourg, 2004. - P. 28 - 32. - Текст: непосредственный.

105 Егорова, Г.Ф. Расчет состава и температур перитектик двухкомпонентных систем по известным температурам плавления. / Г.Ф. Егорова, О.С. Афанасьева, Л.В. Кайдалова. - Математическое моделирование и краевые задачи. Материалы XI Всероссийской научной конференции (27-30 мая 2019 г., Самара, РФ). - Самара: СамГТУ, 2019.

- C. 264 - 270. - Текст: непосредственный.

106 Amuda, M.O.H Estimating the Eutectic Composition of Simple Binary Alloy System Using Linear Geometry. / Amuda M.O.H, Akabekwa R.O. - Leonardo Journal of Sciences. Issue 12, January-June, 2008. - P. 232 - 242. - Текст: непосредственный.

107 Абраменко, Д.Н. Повышение износостойкости литых деталей грузовых вагонов дуговой наплавкой слоя стали со структурой игольчатого феррита / Д.Н. Абраменко. - Автореферат диссертации канд. технических наук, 2008. - ВНИИЖТ. 05.16.01. - Текст: непосредственный.

108 Воронин, Н.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов для железнодорожной техники : Учебник для вузов ж -д. трансп. / Н.Н. Воронин, Д.Г. Евсеев, В.В. Засыпкин и др.; Под ред. Н.Н. Воронина.

- Москва : Маршрут, 2004. - 456 с. - Текст: непосредственный.

109 Кухарев, Б.С. Диффузионные модели образования новых фаз при борировании железа. / Б.С. Кухарев, С.П. Фисенко, С.И. Шабуня. - Мн.: АНК «Институт тепло - и массообмена имени А.В. Лыкова» АНБ, 1992. - 28 с.

- Текст: непосредственный.

110 Слухоцкий, А.Е. Индукторы / А.Е. Слухоцкий Под. ред. Шамова.

- Ленинград: Машиностроение, 1989. - 69 с. - Текст: непосредственный.

111 Куликов, В.П. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки. / В.П. Куликов. - Мн.: Экоперспектива, 2003. - 415 с.

- Текст: непосредственный.

112 Куликов, В. П. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки / В. П. Куликов. - ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», Белоруссия. - Могилев: Изд. ГУ ВПО, 2015. - 19 с. - Текст: непосредственный.

113 Серов, А.В. Разработка технологических процессов ручной дуговой и газовой сварки деталей машин и оборудования агропромышленного назначения / А.В. Серов, В.М. Соколова. - ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева. - Москва : ООО УМЦ «Триада», 2021. - 57 с. - Текст: непосредственный.

114 Абрамов, В.В. Остаточные напряжения и деформация в металлах / В. В. Абрамов. - Москва : Машгиз, 1963. - 245 с. - Текст: непосредственный.

115 Казакевич, Г.А. Технология получения композиционных борированных слоев высокой пластичности / Г.А. Казакевич, Крукович М.Г // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2025. - Т. 21, № 12. - С. 562-565.

- Текст: непосредственный

116 Казакевич, Г.А. Комбинированный метод обработки деталей подвижного состава / Г.А. Казакевич, М.Г. Крукович, Р.Е. Рыгин, А.А. Кульков, Д.Н. Лыткин // СТАНКОИНСТРУМЕНТ. - 2025. - № 4(041).

- С. 40-42. - Текст: непосредственный

117 Крукович, М.Г. Повышение износостойкости и надежности корпуса автосцепки / М.Г. Крукович, Г.А. Казакевич // Транспортное машиностроение. - 2025. - № 10. - С. 55-61. - Текст: непосредственный

118 Патент на изобретение № 2855642 Российская Федерация. Способ восстановления корпусов автосцепок вагонов : № 2025127171 : заявл. 03.10.25 : опубл. 02.02.26 / Куруковоч М.Г., Казакевич Г.А., Лыткин Д.Н., Рыгин Р.Е., Кульков А.А.

119 Крукович, М.Г. Технологический процесс борирования для получения защитных слоев различного целевого назначения / М.Г. Крукович, Савельева А.С. // Новые материалы и технологии в машиностроении. - 2013.

- № 18. - С. 73-77. - Текст: непосредственный

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Методика расчета эвтектических температур и концентраций в многокомпонентных системах

Решение ряда теоретических, технологических и эксплуатационных проблем термической и химико-термической обработок, сварки и наплавки, связанных с расплавлением металлических, окисных и солевых систем, требует знания диаграмм состояния или, по крайней мере, температур эвтектических реакций этих систем. В то же время для многих систем, в особенности многокомпонентных, экспериментальные диаграммы состояния еще не построены. Для компьютерного построения квазибинарных разрезов реальных многокомпонентных систем требуется соответствующее программное обеспечение и банк данных, который пока еще не составлен для большинства систем. Расчёт двухкомпонентных диаграмм состояния сплавов по термодинамическим критериям связан с большой погрешностью [23].

Выбор компонентов, образующих эвтектику может быть осуществлен на основе статистического анализа двойных диаграмм состояния [69, 70]. Исходя из типа химической связи между компонентами и близости их физико-химических свойств, эвтектика образуется при несоблюдении хотя бы одного из неравенств [23]:

^ < 1,10 или пТ > 0,55 пУ2 (А. 1)

где щ, пти пу- энтропийный, температурный и объемный факторы, соответственно. При этом: пЗ = Ба / Бв - представляет собой отношение энтропий плавления компонентов (при Бв);

пт=1 - ТА / Тв - где ТА и Тв являются температурами плавления компонентов А и В (при ТА< Тв);

В случае равенства ТА и ТВ температурный фактор равняется 0 и объемный фактор также приходит к этому значению. То есть с позиции термодинамики система не может быть определена, как эвтектическая [20].

пу=(ёл / dв)3 + Ул / Ув - 2 + Ь: где dA и dв- атомные диаметры компонентов, Ул и Ув - объемы компонентов,

где Ь - поправка на разницу в валентностях компонентов. Эвтектическая температура в двухкомпонентной системе может быть определена по статистическим критериям. Существующие рекомендации и расчетные формулы Кортеса Е., Гуляева Б.Б., Мединского Л.Б., Васильева М.В., Воздвиженского В.М. [69, 71-75] позволяют провести такую оценку только для некоторых двухкомпонентных систем с определенной погрешностью. Несмотря на установленную взаимосвязь основных характеристик ряда двухкомпонентных эвтектических систем (ТЭВТ, Т1, Т2, С1; С2), эти подходы не позволяют прогнозировать основные характеристики систем по отдельным параметрам (например, по температурам плавления компонентов эвтектики). Таким образом, для большинства двухкомпонентных систем и, тем более, для многокомпонентных систем эти подходы являются мало приемлемыми [20].

Разработанная база данных для расчета эвтектических концентраций и температур [76, 77] в двух- и многокомпонентных системах, основанная на принципе смешения идеальных растворов компонентов, взятых в одинаковом агрегатном состоянии в любых соотношениях, являясь значительным вкладом в теорию и практику образования сплавов и претендуя на всеобщий подход к расчету, также является мало приемлемым. Этот подход игнорирует металловедческие факторы, которые заключаются в образовании при взаимодействии различных элементов химических соединений и твердых растворов. В то же время даже в двухкомпонентных системах во многих случаях образуется несколько эвтектических сплавов, в состав которых входят не только чистые элементы, но и химические соединения и твердые растворы.

Базовыми данными используемой в работе методики расчета являются температуры плавления компонентов, входящих в состав эвтектики. Компонентами новых эвтектик могут быть чистые элементы, химические соединения или твердые растворы предельной растворимости, либо сами эвтектики при их взаимодействии. Для твердых растворов предельной растворимости берется температура ликвидус этого раствора [20].

В соответствии с правилом эвтектической реакции в обобщенном виде при прямом расчете эвтектической температуры (т.е. при одинаковом значении Кэт) эти закономерности запишутся так [20, 21, 78, 79]:

- для четного числа компонентов (2п) эвтектики

п "

Тэвт = Кэт2 УТ (А.2)

г=1

- для нечетного числа компонентов (2п + 1)

п+1 п 1

Т = К ТУТ/ + К *Т (А3)

эвш эт / , эт п (А.3)

I=1

При последовательном (поэтапном) определении эвтектической температуры многокомпонентной системы, примененным в работе, на каждом этапе проводилось уточнение коэффициента эвтектической температуры (Кэт). На первом этапе проводился расчет эвтектической температуры компонентов, разбитых по парам в порядке убывания температуры плавления, с собственным коэффициентом эвтектической температуры по формуле (А.3). На следующем этапе расчет эвтектической температуры между эвтектиками или с включением в расчет оставшихся непарных компонентов проводился с новыми уточненными значениями этого коэффициента [23].

Для описания многокомпонентных эвтектических систем важным является поиск объективной характеристики, которая может быть рассчитана при минимальных исходных параметрах. Статистический анализ различных диаграмм состояния металлических систем, имеющих одну или несколько

эвтектических реакций, позволил выявить такую объективную температурную характеристику многокомпонентных систем, которая учитывает вклад каждого элемента эвтектики. В качестве такой характеристики в работе [21] принята сумма модулей разностей температур плавления компонентов системы, входящих в эвтектику. В частности, для четырехкомпонентной системы, имеющей нонвариантный тип диаграммы состояния, эта сумма записывается следующим образом:

R=|Тl-Т2| + |Т1-Т3| + |Т1-Т4| + |Т2-Т3| + |Т2-Т4| + |Т3-Т4| (А.4)

Для каждой конкретной системы эта величина, наряду с суммой температур плавления компонентов системы, имеет постоянное значение и поэтому является физической величиной, характеризующей данную систему. Эти характеристики заложены в качестве основы для расчета масштабного температурного параметра (X), который используется при расчете коэффициента эвтектической температуры (КЭТ), исходя из температур плавления компонентов системы [23].

п

Е Т - т}

X = 1^п--(А.5)

1=1

В соответствии формулой масштабный температурный параметр не имеет размерности и служит для построения тарировочных зависимостей с минимальным полем рассеяния реальных значений КЭТ, рассчитанных по конкретным диаграммам. Максимальный разброс значений КЭТ для любых систем при определенном значении Х составляет ± 0,035. Разброс значений обусловлен наличием неучтенных факторов. Снижение разброса достигается за счет исключения из рассмотрения теоретически рассчитанных диаграмм состояния и разделения взаимодействующих элементов по их принадлежности к той или иной группе металлов (простых, переходных, промежуточных) и неметаллов, в соответствии с периодической системой элементов

Д.И. Менделеева, отражающей электронное строение химических элементов и их активности [20].

К неметаллическим элементам относятся следующие: от В до F; от Si до С1; Se; Вг; Те; J; Ро; At. Такие элементы как Si, Ge, As, Se, Те рассматриваются как промежуточные между металлами и неметаллами [21]. Выделение группы промежуточных элементов обусловлено меньшим значением у них ионизационного потенциала, определяющего своеобразный характер взаимодействия с другими элементами.

Металлы в свою очередь обычно подразделяются на простые, имеющие полностью заполненные d и f - уровни или со свободными d - уровнями для металлов малых атомных номеров Ве, №, Mg, А1, К, Са, Rb, Sг, Cs, Ва, Ra, Си, 7п, Оа, Cd, Jn, Sn, Sb, Аи, Hg, Т1, РЬ, Bi), и переходные, имеющие недостроенные d и f - уровни (от Sc до №; от Y до Pd; от La до Pt; от Ас до Ки)

Вычисление значения КЭТ может быть проведено по методике и формулам, предложенным в работе [20, 21, 78, 79], и учетом рекомендаций, основанных на статистической вероятности:

- для чистых элементов (металлов или неметаллов), образующих эвтектику, он выбирается, равным среднему и минимальному значениям (Кэт и Кэт ),

- для химических соединений и для сочетаний вида чистый элемент (металл или неметалл) - химическое соединение - среднему и максимальному значению (Кэт^и Кэттах).

Окончательное значение эвтектической температуры определяется при среднем значении коэффициента эвтектической температуры между двумя, выбранными выше. Учет указанных особенностей позволил снизить разброс значений КЭТ до ± 0,015.

Компьютерная аппроксимация тарировочных зависимостей обеспечила получение формул для расчета Кэт с достоверностью Я2 > 0,9 [20]:

- для сочетания простых металлов с простыми и их соединениями

Кэт = 0,4608 ■ ехр(- 0,1473 ■ Х), Я2 = 0,9088 (А.6)

- для сочетаний простых металлов с переходными и их соединениями

Кэт = 0,4847 ■ ехр(- 0,1782 ■ Х), Я2 = 0,9229 (А.7)

- для сочетания переходных металлов с переходными и их соединениями

Кэт = 0,0022-Х3 + 0,0214-Х2 + 0,0944-Х + 0,4804, Я2 = 0,9357 (А.8)

- для сочетания простых металлов с неметаллами или с промежуточными

Кэт = 0,4792 ■ ехр(- 0,1818 ■ Х), Я2 = 0,9418 (А.9)

- для сочетания переходных металлов с неметаллами или с промежуточными элементами

Кэт = 0,497 ■ ехр(- 0,2657 ■ Х), Я2 = 0,9183 (А. 10)

Расчет эвтектических концентраций проводился по формулам, предложенным в работе [78], при известных температурах плавления компонентов (Т1 и Т2) и вычисленных значениях эвтектической температуры (в % по массе):

Ст1эвт = [(Т2 -Тэвт) / (Т + Т2 - 2 Тэвт)] 100%. (А.11)

Ст2эвт = [(Т1 -Тэвт) / (Тх + Т2 - 2 Тэвт)] 100%. (А.12)

Приближенная оценка эвтектических концентраций

в многокомпонентных системах (например, в пятикомпонентной нонвариантной системе элементов Э1, Э2, Э3, Э4, Э5 с соответствующими температурами плавления Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) проводится последовательным способом (поэтапно). На первом этапе определяются эвтектические концентрации в сочетаниях элементов, разбитых попарно с учетом убывания температуры плавления, при своей рассчитанной эвтектической температуре. На следующем этапе определяются эвтектические температуры и концентрации при взаимодействии полученных эвтектик между собой

с собственным новым коэффициентом эвтектической температуры. Эти эвтектики рассматриваются как «компоненты» новой эвтектической смеси. (рисунок А.1) [20].

Э1; Э2; Э3; Э4; Э5;

Т1 Т2 Т3 Т4 Т5

Рисунок А.1 - Схема последовательного расчета коэффициентов эвтектической температуры (Кпэт), эвтектической температуры (Тпэвт) и концентраций

в пятикомпонентной системе [20]

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Методика построения схем диаграмм состояния сплавов

Особое значение приобретают многокомпонентные диаграммы состояния для определения фазового состава и температур насыщения при химико-термической обработке легированных сталей и сплавов, так как при её осуществлении сплавы в поверхностных слоях приобретают переменный химический состав и многофазную структуру. Многокомпонентная схема диаграммы позволяет предопределить фазовый состав и структуру слоя, выявить пути управления свойствами, изменяя количество, форму и характер распределения фаз и структурных составляющих [20].

Как правило, многокомпонентные диаграммы строят в координатах концентрация - температура с фиксированным содержанием компонентов во всех вершинах концентрационного треугольника, либо строят объемные многомерные фигуры (тетраэдры и др.) для каждой температуры. То есть для полного представления превращений в системе требуется большая совокупность подобных диаграмм. Более того, подобные диаграммы сложны для восприятия и мало приемлемы для использования в качестве рабочего технологического чертежа [20].

В основе используемого метода представления схем диаграмм состояния лежит общепринятый метод размещения их в трехмерном пространстве, две координаты которого описывают изменение концентраций компонентов. Эти оси координат не перпендикулярны при количестве элементов не равных четырём, т.е. образуют косоугольную координатную систему. Третьей координатой является температура, ось которой перпендикулярна другим осям. Таким образом, в основании подобных схем диаграмм состояния находятся правильные плоские геометрические фигуры -квадраты, пятиугольники, шестиугольники и т.п. Вершины многоугольников

принадлежат определенным компонентам, а стороны объемной фигуры (призмы) является основаниями двойных диаграмм состояния. Сохраняя существующие общие закономерности распределения конкретного компонента на диаграмме, заключающиеся в плавном уменьшении его содержания по мере удаления от вершины, следует отметить некоторые особенности, которые раскрывают характер распределения компонентов в используемой дивергентной «системе координат Круковича» и позволяют пользоваться одним универсальным правилом при их определении [20].

Характер распределения элементов существенно зависит от формы концентрационных многоугольников, наиболее полно закономерности распределения каждого элемента в отдельности будет описывать дивергентная координатная концентрационная сетка. Такая сетка может быть рассчитана, или построена геометрическим путем [20, 21].

В частности, для четырехкомпонентной системы концентрационное основание имеет вид квадрата (рисунок Б.1 ). Содержание компонента А изменяется от 100% до 0 % по сторонам АВ и АО. При этом его содержание на остальных сторонах п - угольника соответствует нулевому значению. Следовательно, компонент А по площади концентрационного многоугольника распространяется от двух сторон при п = 4 от АВ и АО.

Поверхности ликвидус и солидус схемы диаграммы состояния системы Бе - N1 - В - Сг для борирования построена в работах [20, 21] в соответствии с общими закономерностями построения диаграмм [70], с учетом закономерностей структурообразования в двойных и тройных системах Fe-B, М-В, Сг-В, Сг-В-Бе, Сг-М-В, М-Бе-В системах, с закономерностями структурообразования при диффузном насыщении бором Fe- N1 - Сг сплавов, а также с рассчитанными эвтектическими температурами и концентрациями (рисунок Б.8). Главной особенностью полученной схемы диаграммы является ее однозначная взаимосвязь с концентрационным распределением бора, вследствие высокого сродства к нему Сг, М, Fe [23].

я т.

г ж гкг У

1 у У/. У,

и

Г г

1 с >

(а) Распределение компонента А по площади основания (трафарет распределения любого компонента системы) (б) Заштрихованная площадь соответствует содержанию

компонента А в фигуративной точке М

Рисунок Б.1 - Концентрационное основание схемы диаграммы состояния четырех

компонентной системы А — В — С — Б [20]

Для систем, содержащих большее число компонентов (п>4) ведется расчет а угла расхождения каждой координатной линии от предшествующей линии в градусах по формуле [20]:

а =

\ - 4Л

V п

180

(Б.1)

где п - число компонентов в системе (сторон многоугольника);

с - количество делений равномерной концентрационной шкалы.

Недостатками рассмотренной системы координат являются:

- неравномерное распределение элементов по площади концентрационного многоугольника;

- отсутствие некоторых сплавов с равным соотношением трёх элементов для п =4, четырёх элементов для п =5 и т.д.

Учитывая вышесказанное, построенные диаграммы для различных систем отнесены к схемам диаграмм состояния.

*

с

а

Рисунок Б.2 - Поверхность ликвидус схемы диаграммы состояния системы Fe - № - B - ^ (а) и поверхность солидус (б) [20, 21]

Диаграммы состояния многокомпонентных сплавов позволяют повысить точность нагрева поверхности исследуемых образцов.

ПРИЛОЖЕНИЕ В

При математическом планировании постановку экспериментов проводили таким образом, чтобы минимальное их количество при варьировании значениями независимых переменных привело к оптимальному значению параметра и построению математической модели типа [80, 84]:

71 = (р{хъх 2,.....,хк) (В.1)

где ^ - параметр оптимизации;

х±,х2,.....,хк - факторы варьирования.

План эксперимента задавали таблицей, называемой матрицей планирования эксперимента, включающей в себя последовательность проведения опытов, значения факторов и эффектов их взаимодействий, а также значения исследуемой функции (толщины борированного слоя), называемой параметром оптимизации.

Матрица, учитывающая все возможные комбинации уровней факторов, называется матрицей полного факторного эксперимента (ПФЭ). В рассматриваемом случае проведения процесса борирования достаточно ограничиться линейной моделью (например, четырехфакторной):

у = ь0 + ь • X + ь • X + Ь • X + Ь • X, (В.2)

где Ь0, Ьг, Ь2, Ь3, Ь - коэффициенты линейной модели;

у- параметр оптимизации.

До составления матрицы планирования определяли интервалы варьирования переменных факторов, которые определяли из предварительных знаний о процессе и которые имеют технологическую целесообразность. Величина интервалов варьирования выбиралась большей ошибки измерения самих факторов. В противном случае верхний и нижний уровни окажутся неразличимыми. Назначали основной уровень, одинаковый шаг

к минимальному и максимальному значению от основного, и определяли максимальный и минимальный уровни. Знак плюс в матрице означает максимально назначенный уровень интервала варьирования каждого фактора, а знак минус - его минимальное значение при проведении опытов. Результаты опытов (измеренные толщины борированных слоев) 1, 2,...16, полученные при соответствующих максимальных или минимальных значениях факторов варьирования Х1, Х2, . ...Х4, заносили в колонку параметров оптимизации с номером опыта: у1, у2,.....у16 (таблица В.1).

Таблица В.1. Матрица планирования 24

Номер опыта Факторы варьирования Параметр оптимизации

Хо Х1 Х2 Хз Х4 У

1 + + + + +

2 + - + + +

3 + + - + +

4 + - - + +

5 + + + - +

6 + - + - +

7 + + - - +

8 + - - - +

9 + + + + -

10 + - + + -

11 + + - + -

12 + - - + -

13 + + + - -

14 + - + - -

15 + + - - -

16 + - - - -

Для уменьшения количества экспериментов использовали в ряде случаев дробный факторный эксперимент (ДФЭ) в виде полуреплики 24-1. Матрица планирования 24-1 имеет вид (таблица В.2).

Одновременно оптимизация может вестись по нескольким параметрам (у1, у2, ... ук). Например, для процесса борирования могут быть оптимизированы толщина слоев, микротвердость, износостойкость, фазовый состав и т.п.

Таблица В.2. Матрица планирования 24-1

Номер опыта Факторы варьирования Параметры оптимизации

Хо Х1 Х2 Хз Х4 У1 У2

1 + + + + +

2 + - + + -

3 + + - + -

4 + - - + +

5 + + + - +

6 + - + - -

7 + + - - -

8 + - - - +

С уменьшением числа опытов имеет место потери некоторой информации, поэтому такой путь следует рассматривать как первичный подход к получению математической модели.

Коэффициенты регрессии линейного уравнения вычисляли по формуле:

N

£ х • у

^^ ш У и

Ъ. = ^

N (В.3)

где I - номер фактора;

уи- экспериментальные значения в и -том опыте; N - число опытов.

По результатам опытов матрицы планирования были вычислены по коэффициенты линейного уравнения регрессии по формулам в соответствии с матрицей планирования таблицы В.2:

и _У1 + У 2 + Уз + У 4 + У 5 + Уб + У7 + У8 Ъо " 8

ь = Х11 • у1 + Х12 ■ у2 + ■■■ + Х18 ■ У8 _ У! - У2 + Уз - У4 + У5 - Уб + У7 - У8

8 8

У1 + У2 - Уз - У4 + У5 + Уб - У7 - У8

Ъ2 =

А _ У1 + У2 + Уз + У4 - У 5 - Уб - У7 - У8

Ъ3 _ о

А _ У1 - У2 - Уз + У4 + У5 - Уб - У7 + У8

Ъ4 _ „

8

Примечание: Значения параметров оптимизации (у1, у2, ... у8) брали со знаком соответствующего фактора варьирования в столбце. Например, при определении коэффициента Ь1 брали знаки Х^, Х1г, Х1з.......

Таким образом, после реализации опытов и расчета коэффициентов получали следующее линейное уравнение регрессии:

= bo+blXl+b2X2+bзXз+b4X4 (В.4)

Рассчитанные коэффициенты уравнения регрессии указывают на силу влияния факторов варьирования. Чем больше численная величина коэффициента, тем больше влияние этого фактора. Положительное значение коэффициента свидетельствует, что с его увеличением значение параметра оптимизации повышается, а отрицательное - уменьшается.

Подобным же образом вычисляется и уравнение регрессии для другого параметра оптимизации (у2) (таблица В. 2).

Для расчета параметра оптимизации по полученному уравнению регрессии при заданных значениях факторов варьирования в пределах назначенных интервалов рассчитывают кодированные значения этих факторов и подставляют их в уравнение. Расчет кодированных значений ведется по формуле в соответствии с полученным знаком:

X + Х0

х = _>-л (В 5)

г ЬХ1 (В 5)

где: Xi0 - натуральное значение фактора на основном уровне;

AX— натуральное значение шага интервала варьирования;

X- натуральное заданное значение фактора, для которого рассчитывается параметр оптимизации в пределах интервала варьирования;

xi - кодовое значение фактора.

Для расчета параметра оптимизации вне интервала варьирования следует составить новую матрицу планирования с новыми интервалами, провести новую серию опытов и получить новое уравнение регрессии в новых желаемых интервалах.

Для расчета дисперсий опытов либо дублировали несколько опытов матрицы планирования, либо трижды повторяли опыты на одном уровне. Расчет проводится по формуле:

% = " (В.6)

где Ау1 = 1у1 — у0| - разность г - того значения и среднего параметра оптимизации при проведении дополнительных опытов;

п - число опытов;

(п-1) - число степеней свободы при расчете дисперсии (й).

Дисперсия коэффициентов уравнения регрессии рассчитывается по формуле:

= Т2 (В.7)

а средняя квадратическая ошибка по формуле:

^ = ^ (В.8)

Доверительный интервал коэффициентов регрессии определяется при уровне значимости а = 0,05 и табличным значением критерия Стьюдента С = 3,18):

Щ = Бы (В.9)

В случае Ь^коэффициенты регрессии уравнения признавались статистически значимыми.

Адекватность модели оценивалась сопоставлением расчетных и экспериментальных значений параметров оптимизации. Расчетные значения получали путем подставления в уравнения регрессии кодированных значений Хг с соответствующим знаком по строке матрицы планирования, а экспериментальное значение соответствовало значению уг в этой же строке. Дисперсия неадекватности рассчитывалась по формуле:

с2 _ ^ц=1(Уцрасч Уцэксп) _ £и=1ДУ2 /о 1 0\

неад. " М-й1 " М-й1 ( . )

где расчи Уи эксп - значения параметра оптимизации в и -том опыте, рассчитанные по уравнению регрессии и полученные экспериментально, соответственно;

- число коэффициентов в уравнении регрессии, включая Ь0;

N - число опытов в матрице планирования;

N - = ^ - число степеней свободы при определении дисперсии неадекватности;

Адекватность основного уравнения регрессии определялась путем сравнения расчетного и табличного критерия Фишера критерия):

2

т-1рас4 _ Днеад /о 1 1\

72;/! ' (ВЛ1)

У

где - ^ - число степеней свободы при определении дисперсии опытов

52

Табличное значение критерия Фишера критерия) определялось при 5% уровне значимости (а = 0,05). При < Етабл гипотеза об адекватности

уравнения регрессии не отвергается и оно использовалось на следующих этапах планирования.

В ряде случаев дальнейшее продвижение к оптимуму, т.е. «крутое восхождение» по поверхности отклика проводилось путем выбора новых шагов в изменении каждого фактора варьирования пропорционально произведению (Ь; • Дх;). Полученные значения шагов прибавлялись к основному уровню каждого фактора или вычитались из него в зависимости от знаков коэффициента регрессии и от направления движения к максимуму или к минимуму параметра оптимизации.

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Расчет параметров индуктора

Обратные ветви индуктированного в нагреваемой поверхности тока располагаются по обе стороны от прямой, причем плотность тока в обратных ветвях мала, так как ток расходится в обе стороны и распределяется по всей поверхности. Вследствие этого нагрев сконцентрирован только под индуктирующим проводом. Подводящие шины располагаются сверху. Для уменьшения активного сопротивления они делаются постепенно расширяющимися от ширины индуктирующего провода до ширины вторичной обмотки понижающего трансформатора. С целью получения достаточной механической прочности подводящие шины выполняются из медных листов толщиной 6 - 8 мм.

Часто такие индукторы делают сборными. Индуктирующий провод припаивают к массивным колодкам, которые привинчиваются к горизонтальным частям токоподводящих шин. Места контактов у шин и колодок пришабриваются. Охлаждение шин осуществляется посредством припаянных к ним трубок (рисунок Г.1).

Нагрев плоских поверхностей возможен и при применении цилиндрических спиральных одно-, двух- или трех витковых индукторов, которые также располагаются над нагреваемой поверхностью. Обработка всей поверхности ведется сканированием ее с определенной скоростью, обеспечивающей заданную температуру борируемой детали. При этом, по нашему мнению, обеспечивать передвижение детали. В частности, величина высокочастотного тока, как и при нагреве цилиндрических поверхностей, размещенных внутри индуктора, определяет температуру и продолжительность обработки (таблица Г.1).

При нагреве плоских поверхностей чаще всего применяется непрерывно-последовательный нагрев.

Таблица Г.1. Влияние величины тока на температурно-временные условия борирования плоской поверхности при трех витковом индукторе на установке ВЧ-25А

№№ п/п Величина нагревающего тока, (А) Выдержка, с Температура поверхности, °С Дополнительная информация

1 Горизонтальное расположение витков индуктора

450±5 81 600 Нагрев по контуру индуктора

2 920±10 16 750-800 Нагрев по контуру индуктора

3 Вертикальное расположение витков индуктора

1 — индуктирующий провод; 2 — магнитопровод; 3 — душевое устройство для подачи закалочной воды (при необходимости); 4 - патрубки подвода воды

Рисунок Г.2 - Индуктор с магнитопроводом для нагрева плоской поверхности непрерывно-последовательным способом [110]

Индукторы для одновременного нагрева полосы отличаются от приведенного на рисунке 4.31 лишь более массивным индуктирующим проводом. Ширина нагреваемой полосы составляет 0,8 - 0,9 от ширины паза магнитопровода. Длина пакета магнитопровода должна примерно равняться длине нагреваемой полосы.

Важными факторами, определяющими конфигурацию слоя, являются геометрические размеры индуктора и расстояние между индуктором и нагреваемой поверхностью детали. Для увеличения КПД индуктора, необходимо как можно ближе расположить его рядом с заготовкой. На практике это от 2 мм до нескольких сантиметров.

Размеры и конфигурацию индуктирующего провода выбирают в зависимости от размеров и конфигурации изделия. Ширина индуктирующего провода при одновременном способе нагрева зависит от требуемой ширины упрочненного слоя; обычно ширина нагреваемой полосы на 10—20% меньше ширины индуктирующего провода. При непрерывно-последовательном способе нагрева деталей относительно большой длины ширина индуктирующего провода определяется мощностью генератора или производительностью установки.

Ориентировочные значения гк и в зависимости от размеров заготовки и частоты питающего тока приведены в специальных таблицах, либо выбираются по графикам зависимостей.

Зависимость времени нагрева и удельной мощности от толщины плоской детали для различных глубин нагретого слоя при частоте 2500 Гц, вычислены для конструкционной стали при температуре нагрева поверхности 900°С (рисунок Г.3).

Эти же зависимости с несколько меньшей точностью могут быть использованы и для случая нагрева внутренних поверхностей. Если плоская деталь нагревается с двух сторон, то в качестве d при пользовании графиками следует брать половину ее толщины. При отклонении температуры поверхности от 900°С на ± 50°С время нагрева изменяется примерно в 1,7 раза, а удельная мощность — в 1,5 раза [110].

Рисунок Г.3 - Зависимость времени нагрева ^ (сплошные линии) и удельной мощности р0 (штриховые линии) от толщины плоской детали ё при частоте / =2500 Гц. Цифры на кривых указывают глубину нагретого слоя в см (для 900°С)