Шуляр І. О., Одосій З. М., Лескович П. Є.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Україна

ВПЛИВ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ФАКТОРІВ НА МІЦНІСТЬ ЗЧЕПЛЕННЯ АРМОВАНОЇ ЗОНИ

Технологічний процес виготовлення суцільного інструмента складається із поєднання операцій відцентрового лиття і армування, і забезпечення надійного з’єднання відцентрово-армованої зони з матрицею. Суміщення трьох технологічних операцій накладає обмеження на загальні параметри, які впливають на вихідні показники при виготовленні суцільних фрезерів, лопатевих доліт і лопатевих калібраторів.

З’єднання корпуса долота, фрезера і калібратора здійснюється двома способами: механічними зчепленнями і сплавленнями.

Механічне зчеплення двох металів відбувається без взаємного міжатомного проникнення, без дифузії одного металу в інший, що пояснюється відсутністю взаємного змочування і швидкою кристалізацією пограничного шару. Сили механічного зчеплення обумовлюються усадкою застигаючого рідкого металу і виникненням між ними сил тертя.

З’єднання сплавленням поділяється на змочування поверхні металу рідкою сталлю, розчинення, взаємна дифузія і кристалізація.

Для виникнення зчеплення між частинами біметалічного виливка необхідно, насамперед, щоб атоми розплавленого металу вступали в безпосередній контакт з поверхневими атомами твердого металу.

Процес взаємодії твердої частини біметалічного виливка з рідким металом супроводжується рядом фізико-хімічних процесів, основними з яких є:

А) розчинення металу твердої частини виливка (дифузія атомів твердого металу в розплав);

Б) атомна дифузія складових елементів розплаву в тверду частину виливка;

В) реактивна дифузія між розплавом і металом твердої частини виливка з утворенням на межі між ними шару інтерметалічних з’єднань.

Існує декілька методів виробництва біметалів: сумісна прокатка, гальванічне покриття, з’єднання вибухом, наплавлювання тертям, наливання розплаву одного металу на інший, більш тугоплавкий та ін.

Не зупиняючись на аналізі всіх методів виробництва біметалу[1], відмітимо, що відомі два методи одержання біметалічних виливок: послідовне заливання двох різних металів в одну і ту ж форму і заливання розплавленим металом раніше виготовлених частин виробу. Простішим є другий метод, тому і частіше застосовується в промисловості.

Одержання біметалічного з’єднання двох сплавів, виготовлених на основі одного і того ж компонента, наприклад, сталі найпростіше в технологічному плані. Чиста поверхня твердих кристалів прекрасно змочується власним розплавом без застосування флюсів.

Для того, щоб одержати взаємне змочування двох близьких по складу сплавів, необхідно мати тільки чисту поверхню твердого металу, вільну від стороннього забруднення. Близькість температур плавлення таких сплавів звичайно призводить до розчинення поверхневих шарів твердого металу, додаткового очищення цієї поверхні і розкриття активних площин кристалів.

Мета роботи – побудова математичної моделі процесу сплавлення відцентрово-армованої зони з матрицею для визначення частки впливу технологічних параметрів на міцність сплавлення і знаходження технологічних параметрів, які забезпечують максимальну міцність з’єднання [2].

Факторами, що визначають технологічний процес сплавлення є:

Х₁ – температура заливання сталі; Х₂ – температура нагрівання корпуса; Х₃ – крок профілю, нанесеного на поверхню корпуса; Х₄ – висота профілю, нанесеного на поверхню корпуса; Х₅ – величина зворотного конуса; Х₆ – число обертів відцентрової машини; Х₇ – час витримки корпуса нерухомим після заливання сталі; Х₈ – кількість сталі, що заливається; Х₉ – вага стакана; Х₁₀ – швидкість заливання сталі; Х₁₁ – температура заливання керамічної форми; Х₁₂ – Х₂₁ – компоненти, які визначають склад сталі, що заливається; Х₂₂ – Х₃₁ – компоненти, які визначають склад сталі корпуса.

Прийняте рішення змінювати в експерименті фактори Х₁, Х_2, Х_3, Х_4, Х_5, Х_6, Х_7.

Таблиця 1 – Фактори, які визначають процес сплавлення корпуса

Позначення	Назва фактора	Розмір-ність	Рівні фактора			Точність
			-1	0	+1
Х1	температура заливання сталі	^0 С	1520	1570	1620	±10
Х2	температура нагрівання корпуса	^0 С	20	510	1000	±10
Х3	крок нанесеного профілю	мм	0,2	2,1	4	±0,1
Х4	висота нанесеного профілю	мм	0,5	2,25	5	±0,1
Х5	величина зворотного конуса	град.	0	4	8	±0,05
Х6	число обертів відцентрової машини	об/хв	400	500	600	±5 %
Х7	час витримки корпуса нерухомим	с	0	2	4	±0,2

Фактори Х_8, Х_9, Х_10, Х₁₁ носять випадковий характер, суттєво не впливають на вихідні параметри при проведенні дослідів і повинні бути в межах, що визначені експериментально.

Таблиця 2 – Допуск на випадкові фактори

Позначення	Назва фактора	Величина	Розмірність	Точність підтримання
Х8	кількість сталі, що заливається	7500	г	±200
Х9	вага стакана	2500	г	±50
Х10	швидкість заливання сталі	1000	г/c	±100
Х11	температура заливання керамічної форми	150	град.	±10

Прокалена в опоці керамічна форма встановлюється на відцентровій машині, потім кріпиться на спеціальній оправці і вводиться в форму, нагрітий до певної температури корпус. Відцентрова машина приводиться в рух і заливається метал. Корпус витримується певний час нерухомим, а потім вивільняється і продовжує обертатися разом з опокою до закінчення кристалізації сталі. Потім відцентрова машина зупиняється, звільняється від кріплення на оправці корпус і опока разом із залитим інструментом знімається з відцентрової машини.

Параметром оптимізації, який визначає міцність сплавлення корпуса, прийнята величина зміщення корпуса відносно виливка при навантаженні в 50 т. Заміри зміщення кіркової форми відносно корпуса проводились в чотирьох взаємно перпендикулярних точках індикатором годинникового типу зі стійкою.

Дослідження технологічного процесу сплавлення корпуса відбувалося у відповідності з матрицею планування таблиця 3. Кількість дослідів при реалізації повного факторного експерименту складає 2⁷ = 128. Для зменшення кількості дослідів був прийнятий план з дробовими репліками 2^7-4, який складався з 8 дослідів, реалізований як для сирих Y₁ так і термооброблених Y_1Т взірців. Дисперсія відтворюваності визначалася проведенням трьох експериментів в нульовій точці.

Таблиця 3 – Матриця планування експерименту технології вплавлення корпуса

№ п/п	Фактори								Вихідні параметри
	Х0	Х1	Х2	Х3	Х4	Х5	Х6	Х7	Y1	Y1Т
1	+	+	+	+	+	+	+	+	0,08	0,04
2	+	+	-	-	-	-	+	+	1,82	1,73
3	+	-	-	+	+	-	-	+	1,29	1,34
4	+	-	+	-	-	+	-	+	0,44	0,29
5	+	-	-	-	+	+	+	-	0,18	0,21
6	+	-	+	+	-	-	+	+	1,34	1,20
7	+	+	+	-	+	-	-	-	1,12	0,98
8	+	+	-	+	-	+	-	-	0,24	0,21
Дисперсія
1	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0	0	0
3	0	0	0	0	0	0	0	0

При обробці експериментальних даних одержана математична модель технологічного процесу сплавлення корпуса в матричній формі сирих і термооброблених взірців. З цієї моделі можуть бути одержані рівняння множинної регресії для величини зміщення корпуса відносно виливка як сирого (1), так і термообробленого взірця (2).

Y₁ = 0,814 – 0,146X₄ – 0,696X₅ (1)

Y_1T = 0,75 – 0,122X₂ – 0,107X₄ – 0,656X₅ + 0,1X₇ (2)

Встановлено, що ці рівняння адекватні експериментальним даним при 5 % рівні значимості.

Величина зміщення корпуса відносно виливка в сирих взірців визначається в основному величиною зворотного конуса корпуса і висотою нанесеного профілю. Після хіміко-термічної обробки значимими стають коефіцієнти технологічних параметрів: температура нагрівання корпуса і час витримки корпуса нерухомим.

Висновок. Аналіз математичної моделі показує, що як у сирих, так і у термооброблених взірців величина міцності сплавлення корпуса визначається величиною зворотного конуса корпуса. Значення величини зворотного конуса корпуса визначається конструкцією інструмента і для всіх інструментів змінюється в межах (8 – 12)⁰.

Список використаної літератури

1. Бугай Ю.Н. Технология центробежного литья армированных буровых долот / Ю. Н. Бугай // Литейное производство, № 10, 1981. – с. 18-22.

2. Головачов Б. А. Высокопрочные биметаллические соединения / Б. А. Головачов, Н. А. Комаров. – Л.: Машиностроение, 1974. – 202 с.