РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
З метою оптимізації вмісту легуючих елементів у сталі, з точки зору забезпечення високих механічних властивостей, зносостійкості, задовільної оброблюваності різанням і мінімальних залишкових деформацій, котрі виникають в процесі хіміко-термічної обробки, використаний комплекс сучасних методик, що відповідають поставленим у роботі задачам.
Досліджувався вплив хімічних елементів і їхніх співвідношень на мікро- і макроструктуру сталі, ? - фазу, розміри і форму карбідної фази і неметалевих включень. Визначався зв'язок цих характеристик з фізико-механічними і технологічними властивостями . На підставі результатів лабораторних досліджень і стендових випробувань був визначений оптимальний склад сталі для виготовлення серійних деталей редуктора ГМП-2.
2.1. Планування та математична обробка результатів експерименту
Оскільки проведення експериментів в металургії пов'язано зі значними матеріальними затратами, то для отримання максимуму інформації при мінімумі дослідів схема планування і проведення експерименту [155] включала наступні пункти:
1) вибір параметрів оптимізації;
2) вибір факторів;
3) відсіювання факторів;
4) пошук області оптимума;
5) інтерпретація отриманих результатів.
Базуючись на результатах однофакторних експериментів, встановлено фактори і їх рівні для проведення багатофакторного експерименту (табл. 2.1).
Таблиця 2.1
Рівні та інтервал варіювання факторів при багатофакторному експерименті
Назва фактору і його розмірністьПозначенняРівні факторівІнтервал варіюваннянижній
-1
-1верхній
+1нульовий
0Вміст титану,%Ті0.030.110.070.01Вміст ніобію,%Nb0.030.180.070.01Вміст церію,%Ce0.0050.0350.0200.005
Матриця планування багатофакторного експерименту наведена в табл. 2.2. Використаний план розмірності n=3 типу Бокса - Беніка [156]. Досліди не дублювались.
Таблиця 2.2
Матриця плану експерименту
ПозначеннядійснеТіNbCeумовнеХ1Х2Х3№ плавки1+ 1+ 102+ 1- 103- 1+ 104- 1- 105+ 10+ 16+ 10- 17- 10+ 18- 10- 190+ 1+ 1100+ 1- 1110- 1+ 1120- 1- 113000 Розрахунки виконували за допомогою методів багатомірного регресивного аналізу та програм "STAT" (автор алгоритму кандидат технічних наук Босий М.А.) . Гіпотезу адекватності отриманих моделей перевіряли за F-критерієм Фішера при 5% рівні значимості. Моделі розраховувалися поліномом другого ступеня, зважаючи на складний і нелінійний характер впливу факторів легування на параметри оптимізації. За отриманими моделями кількісно оцінювали вплив хімічного складу на параметри оптимізації. Отримані залежності досліджувались на максимум і мінімум за допомогою математичного апарату [156] та програм "STAT".
Оптимізація хімічного складу, виходячи з умов досягнення максимального рівня фізико - механічних властивостей, відбувалась згідно методики [157] при таких значеннях критеріїв оптимізації: КСU- мах, ?в-мах.
В процесі обробки результатів використовувались три види ліній тренда: поліноміальна, експоненціальна, степенева. Використання лінії тренда того чи іншого виду визначалося типом даних.
Поліноміальна використовувалась при апроксимації даних по методу найменших квадратів для опису величин, що поперемінно зростають і убувають відповідно до рівняння:
де b і С1...С6 константи.
Експонентна залежність використовується для апроксимації данних по методу найменших квадратів відповідно до рівняння:
де c і b - константи, e - основа натурального логарифма.
Експонентне наближення використовувалось в тому випадку, якщо швидкість зміни даних безупинно зростає. Значення R2-квадрат значення дорівнює 1, тобто лінія наближення ідеально відповідає даним.
Ступенева функція використовувалась для апроксимації даних по методу найменших квадратів відповідно до рівняння:
де c і b - константи.
Ступеневе наближення дає реальні результати, якщо залежність, що міститься в даних, характеризується постійною швидкістю росту.
Примітка: Відображуване разом з лінією тренда значення величини R-квадрат не є коректним. Для логарифмічної, ступеневої й експонентної ліній тренда в Microsoft Excel використовується трохи видозмінена модель регресії.
При кількісній оцінці досліджуваних параметрів використовувались програми Mathematica 3.0, Mathcad 2000 Professional.
2.2.Проведення лабораторних плавок і термообробки сталей
Співвідношення легуючих і домішкових елементів у розроблювальних сталях обрано таким чином, щоб структура сплаву в результаті хіміко-термічної обробки забезпечувала значне підвищення механічних і службових характеристик, зниження деформацій одержуваних при гартуванні, а також необхідну технологічність при виробництві складнопрофільних деталей і механізмів зубчатих передач. Враховувався вплив легуючих елементів на температури фазових перетворень, розмір і форму карбідної фази, сполук з домішковими елементами, зниження схильності до росту аустенітного зерна при температурах цементації.
Дослідні плавки сталей проводилися в 30-ти кілограмовій індукційній печі з основною футеровкою. Шихта для дослідних сталей складалася зі сталі20, синтетичного чавуну з вмістом 4,40% вуглецю і наступних феросплавів: феросіліцій (з вмістом кремнію 70%), ферохром ( хрому - 95%), феромарганець (марганцю - 65% ), феронікель ( нікелю - 95% ), феротитан (титану -70%), фероніобій ( ніобію - 45% ), фероцерій ( церію - 45%).
При розрахунку шихти, крім хімічного складу феросплавів, враховувався угар легуючих елементів. Відносний угар вуглецю, що міститься в сталі 20 склав 25-30 %, у чавуні 10-15%. Угар легуючих елементів, що додаються у феросплавах склав: кремнію - 20-25 %, марганцю - 15-20%, хрому - 3-5%, ніобію і нікелю - 2-3%, титану - 10-15%, церію 30-40%, алюмінію - 50%.
Плавка шихтових матеріалів проводилася в наступній послідовності :
- завантаження основного шихтовог