Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Инженерно-педагогическое образование в XXI веке МАТЕРИАЛЫ VII Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и студентов БНТУ Часть 2 Минск БНТУ 2011 1 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Инженерно-педагогическое образование в XXI веке МАТЕРИАЛЫ VII Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и студентов БНТУ (67-й студенческой научно-технической конференции БНТУ) 21–22 апреля 2011 года В 3 частях Часть 2 Минск БНТУ 2011 2 УДК 62:378 (06) ББК 74я431 И 62 Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я : С.А. Иващенко (гл. редактор), А.А. Дробыш (зам. гл. редактора), И.А. Иванов, В.А. Клименко, Е.Е. Петю- шик, И.И. Лобач, А.А. Соловянчик, В.А. Федорцев Р е ц е н з е н т ы : д-р техн. наук, проф. И.А. Иванов; д-р социол. наук, проф. В.А. Клименко; канд. психол. наук, доц. И.И. Лобач; канд. пед. наук, доц. А.А. Соловянчик; канд. техн. наук А.А. Дробыш В сборнике содержатся материалы VII Респуб- ликанской научно-практической конференции молодых ученых и студентов БНТУ «Инженерно-педагогическое образование в XXI веке» по направлениям: современные образовательные технологии и методики преподавания в общеобразовательной, средней специальной, средней тех- нической и высшей школе, совершенствование системы инженерно-педагогического образования, психология, но- вые материалы и перспективные технологии обработки материалов. ISBN 978-985-525-622-0 (Ч.2)  БНТУ, 2011 ISBN 978-985-525-624-4 3 УДК 621.088 Авдейчук Е.С. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕНЗОМЕТРИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВИБРАЦИОННОГО ТОЧЕНИЯ БНТУ, г. Минск, Научный руководитель: Данильчик С.С. Для изучения процесса вибрационного точения, в част- ности сил резания и виброперемещений, может использо- ваться тензометрия. Устройства, позволяющие осуществ- лять электротензометрирование, т.е. измерение электриче- скими методами деформаций твердых тел, называются электрическими тензометрами. Электрический тензометр состоит из воспринимающего устройства (тензодатчика), передающего устройства и регистрирующего прибора. Наибольшее распространение получили тензодатчики со- противления, выполненные на базе тензорезисторов, дей- ствие которых основано на их свойстве изменять под вли- янием деформации (растяжения или сжатия) своё элек- трическое сопротивление. Деформацию тензорезисторы получают вместе с упругим элементом, на который накле- иваются. Широкое применение тензодатчиков объясняет- ся целым рядом их достоинств:  малые габариты и вес;  малоинерционость, что позволяет применять тензо- датчики как при статических, так и при динамических изме- рениях;  обладают линейной характеристикой;  позволяют дистанционно и во многих точках про- водить измерения;  способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле де- формаций исследуемой детали. В практике измерений используются проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Для изготовления тензорезисторов применяются материалы, 4 имеющие высокое значение коэффициента тензочувстви- тельности. Коэффициент тензочувствительности опреде- ляется по формуле )//()/( llRRk  , где RR / ‒ относительное изменение удельного элек- тросопротивления тензорезистора, ll / ‒ относительное изменение длины проволоки под действием приложенной нагрузки. Для проволочных тензорезисторов k ≤ 2 ‒ 2,5, для полупроводниковых ‒ k =100..200. Наиболее часто в качестве материала для проволочных тензорезисторов используется константан, нихром, раз- личные сплавы на основе Ni, Mo, Pt (таблица 1). Таблица 1 ‒ Материалы для изготовления тензорези- сторов Материал Состав, % Константан 45Ni, 55Cu Карма 74Ni, 20Cr, 3Al, 3Fe Изоэластик 36Ni, 8Cr, 0.5Mo ,55.5Fe Нихром V 80Ni, 20Cr Платиновольфрам 92Pt, 8W Армюр Д 70Fe, 20Cr, 10Al Проволочные тензорезисторы изготавливаются в виде наклеенных на тонкую бумагу или лаковую пленку зигза- гообразных петель (витков) тонкой проволоки (рисунок 1). Рисунок 1 – Типы тензорезисторов: проволочные ‒ петлевая (а), витковая (б); фольговые ‒ для изменения одной компоненты деформации (в), трех компонент (г), 1 ‒ проволока; 2 ‒ выводы решетки; S ‒ база датчика 5 Наиболее употребительным материалом является кон- стантановая проволока диаметром 20‒30 мкм. Номиналь- ное сопротивление выпускаемых проволочных тензорези- сторов на бумажной и пленочной основе составляет от 50 до 400 Ом с длиной базы 5‒30 мм. Коэффициент тензо- чувствительности серийно выпускаемых тензорезисторов ±0,2, номинальный рабочий ток около 30 мА, максималь- ные допустимые относительные деформации не более 0,3%. Фольговые тензорезисторы (рисунок 1) имеют решетку из тонких полосок фольги прямоугольного сечения тол- щиной 4‒12 мкм, нанесенных на лаковую основу. Основ- ное преимущество таких тензорезисторов – возможность изготовления решеток сложного профиля, которые наибо- лее полно отвечают условиям измерения. Полупроводниковые тензорезисторы, по сравнению с рассмотренными выше, имеют следующие преимущества: их чувствительность в 50‒80 раз выше, чем у проволоч- ных; высокий уровень выходного сигнала в ряде случаев не требуют применения усилителя. К недостаткам полу- проводниковых тензорезисторов относится их малая ме- ханическая прочность и гибкость. Изменение сопротивление тензорезистора зависит от величины его относительной деформации   RkR )( , где l l  . Оно мало и составляет от нескольких тысяч- ных до десятых долей Ома. Но величина R зависит не только от деформации, но и от температуры упругого элемента RR  )( , где ‒ изменение температуры упругого элемента,  ‒ температурный коэффициент относительного изменения сопротивления тензорезистора. Для уменьшения погрешно- сти требуется термокомпенсация. Термокомпенсация осу- 6 ществляется включением тензорезисторов в полумостовую или мостовую схемы. Наиболее широко используется мо- стовая схема. Мостовая схема тензодатчика представлена на рисунке 2. Она подклю- чается к источ- нику тока Us. Выходное напряжение U снимается с из- мерительной диагонали. Мо- стовая схема при одинаковых тензорезисторах гарантирует со- хранение ста- бильности пока- заний, посколь- ку при изменении температуры изменения упругой де- формации в тензорезисторах будут одного знака и поэто- му компенсируются. При R1R4 =R2R3 ток в измерительной диагонали отсутствует. Такое состояние мостовой схемы обеспечивается балансировкой. При деформации хотя бы одного из тензорезисторов меняется его сопротивление. Баланс моста нарушается и в измерительной диагонали течет ток. Величина сигнала, снимаемого с измерительной диагонали, пропорциональна относительной деформации ε: 4321   , где 4321 ,,,  ‒ относительные деформации тензорези- сторов. Выходной сигнал U моста с проволочными тензо- резисторами составляет не более 10..50 мВ при деформа- ции 1%. Для измерения амплитуды колебательного движения резца и исследования его траектории движения в процессе Рисунок 2 ‒ Мостовая схема включения тензорезисторов 7 точения с вибрациями тензодатчики крепились на упру- гую балку равного сопротивления, а для измерения сил резания – на державку резца (рисунок 3). а б Рисунок 3 – Схема расположения тензорезисторов на балке равного сопротивления (а) и державке резца (б) Сигналы измерительной диагонали усиливались вось- миканальным усилителем Spider 8 и поступали на персо- нальный компьютер. Предварительно тензометрическая система была оттарирована с использованием индикатора часового типа и динамометра. УДК 629.331.027.5-049.32 Аникина А.А. АВТОМОБИЛЬНЫЕ ШИНЫ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Плевко А.А. Как известно без колесной техники немыслимо совре- менное человеческое общество. Автомобильная шина яв- ляется одной из самых важных элементов автомобиля. Она предназначена для поглощения незначительных коле- баний, вызываемых несовершенством дорожного покры- тия, компенсации погрешности траекторий колес, реали- зации и восприятия сил, возникающих в пятне контакта и обеспечения высокого коэффициента сцепления. Поэтому, особенно повышенное внимание должно уделяться бе- 8 режному отношению к шинам. Хорошее состояние по- крышек ‒ это гарантия прочного и надежного контакта автомобиля с дорожным полотном, что является основой для обеспечения безопасности пассажиров и водителя [1, с. 127]. Однако в процессе эксплуатации шины изнашиваются и их приходиться ремонтировать из-за проколов, порезов, вздутий и нарушений геометрии. Основными способами ремонта являются ремонт без разбортирования и с разбор- тированием шины. Ремонт без разбортирования шины специалисты счи- тают временным (упрощенным, дорожным) и рекоменду- ют позже окончательно отремонтировать шину, сняв ее с обода. Этот вид ремонта помогает завершить поездку, ко- гда нет инструмента (домкрата, баллонного ключа) или запаски, недостаточно времени или неподходящие усло- вия для ее установки. При этом способе ремонта приме- няют герметики, жгуты или вставки [2]. Ремонт с разбортированием шины без горячей вулка- низации оправдан только при проколах на беговой дорож- ке. Бескамерные шины. Небольшие проколы можно заклеить изнутри универсальной заплатой. Повреждения, после обра- ботки, которых остается отверстие до 6 мм в диаметре, ре- монтируют:  грибком, если ось отверстия приблизительно перпендикулярна поверхности беговой дорожки;  ножкой – при углах наклона более 25° – сначала заделывают канал отверстия, а затем, изнутри наклеивают универсальную заплату. Камерные шины. При их ремонте необходимо восста- новить герметичность камеры соответствующей заплатой, а кроме того ликвидировать отверстие в покрышке, даже если внешне ее корд не пострадал. Это нужно, чтобы к нему не попадала влага и не разрушала его, а также для усиления каркаса. Камеру с поврежденным вентилем ре- 9 монтируют, приклеивая в другом месте специальный ре- монтный вентиль. В шиномонтажной мастерской, помимо перечисленных видов, делают горячий ремонт при проколах в плечевой зоне, боковине и при крупных повреждениях беговой до- рожки, а также работы, для которых нужны специальный инструмент и приспособления (буры, кусачки, шарошки, дрели с разной скоростью вращения и т.д.). На сегодняшний день известно три способа «обуть» ав- томобиль: 1. Купить комплект новых качественных шин. Это са- мый дорогой способ. Если экономия сотен тысяч рублей ‒ не решающий фактор, то это лучший вариант. 2. Самый выгодный вариант ‒ это поставить каче- ственно восстановленные шины. 3. Поставить б/у резину. Часто такая резина выхажива- ет очень мало, несмотря даже на приличный запас рисунка протектора, потому что стерт верхний, препятствующий износу слой. Выглядеть такие шины могут почти как но- вые, однако ходимость таких шин не соответствует даже их небольшой цене. Этот факт можно легко подсчитать, разделив стоимость шины на количество км пробега и сравнив его со стоимостью км пробега новой или восста- новленной шины. В настоящее время существуют два метода восстанов- ления шин. Это так называемые горячий и холодный ме- тод «реинкарнации» восстановления покрышки. Рассмот- рим эти две технологии в сравнении [3]. Общим для этих двух методов является: отбор пригод- ных для восстановления изношенных шин; удаление остатков старого протектора (шероховка); ремонт очи- щенной основы: удаление осколков стекла, щепы, метал- лических включений, заделка сырой резиной мест повре- ждений. Отличие технологий: 10 При холодном восстановлении на каркас наносится кле- ящий слой, затем на него укладывается специальная вулка- низированная протекторная лента с готовым рисунком или надевается протекторное кольцо ‒ в зависимости от техноло- гии. Далее шина попадает в устройство, где в нее вставляет- ся специальная камера и сверху надевается резиновый кон- верт. Потом шина направляется в камеру-вулканизатор (ав- токлав), где при давлении не менее 6 бар и температуре 100..115 градусов по Цельсию, ее выдерживают 3-4 часа. Преимущества: Благодаря сравнительно не высокой температуре вулканизации каркас не теряет свои каче- ственные характеристики, и срок эксплуатации такой ши- ны выше, чем у восстановленной горячим методом. При холодном способе восстановления шина теоретически имеет возможность быть отреставрированной второй, тре- тий, четвертый раз. Недостатки: Не идеальный внешний вид, нет возмож- ности нарезки протектора По этой технологии восстанавливают шины размером от 15'' до 24''. В основном это изношенные шины грузови- ков, самосвалов и покрышки класса «Джип». При горячем способе наварки, на шину наносят слой не вулканизированной резины, рисунок протектора форми- руется на ней в процессе вулканизации. Рисунок соответ- ствует рисунку пресс-формы, в которой под давлением и температурой 140 градусов происходит вулканизация. Сейчас этот метод устарел и применяется в основном для легковых шин, размером 13''-16'', микроавтобусов. Преимущества: Идеальный внешний вид ‒ как у нового колеса, возможность нарезки протектора. Недостатки: Из-за высокой температуры нарушается структура каркаса. Так как все дефекты будут скрыты под новым слоем резины, зачастую в восстановление идут каркасы второго сорта, которые уже не идут в холодное восстановление (либо из-за серьезных повреждений, либо 11 из-за старости каркасов) или каркасы неизвестных произ- водителей. В процессе анализа литературы было выявлено, что вы- годнее восстанавливать шины размером от 15'' до 24'' холод- ным методом, в основном это изношенные шины грузови- ков, самосвалов и покрышки класса «Джип». Так как, это экономически выгодно – применяется более простое и деше- вое оборудование, достигается превосходное качество вос- становленного протектора, из-за невысокой температуры вулканизации протектора, а также есть возможность восста- новить шину несколько раз. А также при сравнении цен и качества белорусской новой шины R14 и восстановленной (наваренной) немецкой оказалось, что изготовление нового отечественного колеса R14 сопоставимо по стоимости с наваренным в Германии. В тоже время межремонтный про- бег наваренного импортного колеса составляет 1,37 от ново- го R14 белорусского производства. ЛИТЕРАТУРА 1. Коваленко, Н.А. Техническая эксплуатация автомобилей: учебное пособие / Н.А. Коваленко, В.П. Лобах, Н.В. Вепринцев. – Минск: Новое издание, 2008. – 352 с. 2. Национальный Интернет-портал Республики Беларусь [Электронный ресурс] / Ремонт автошин. – Минск, 2011. – Ре- жим доступа: http://ukrbbs.com 3. Национальный Интернет-портал Республики Беларусь [Электронный ресурс] / Восстановление шин холодным спосо- бом. – М, 2011. – Режим доступа: http://navarkashin.ru. УДК 667.633.2 Ардынович А.А., Журавлева М.В. МОДИФИКАЦИЯ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ ПОЛИАМИДОКИСЛОТОЙ БГТУ, г. Минск Научный руководитель: Крутько Э.Т. Эпоксидные олигомеры и эпоксидные композиции, моди- фицированные соединениями, содержащими имидные цик- 12 лы, в последние годы представляют значительный научный и практический интерес. Имидные фрагменты тепло- устойчивы, и их присутствие в структуре полимерных ма- териалов приводит к высокой термостабильности. Целью данной работы являются разработка и исследование плен- кообразующего композита с улучшенными физико- механическими и термическими свойствами путем модифи- кации эпоксидианового олигомера форполимером полиимида – полиамидокислотой. Эпоксидные олигомеры и эпоксидные композиции, мо- дифицированные соединениями, содержащими имидные циклы, в последние годы представляют значительный науч- ный и практический интерес [1]. Это объясняется тем, что имидные фрагменты обладают рядом уникальных свойств. Таких свойств, как высокая термическая стабильность, хо- рошие механические и электрофизические показатели, устойчивость к воздействиям высоких энергий, сохраняю- щимся в широком температурном интервале. Таким обра- зом, присутствие имидных фрагментов в составе полимер- ных композиций будет обеспечивать улучшение эксплуата- ционных свойств покрытий. Целью данной работы являются разработка и исследо- вание пленкообразующего композита с улучшенными фи- зико-механическими и термическими свойствами путем модификации эпоксидианового олигомера форполимером полиимида – полиамидокислотой. Основным объектом настоящего исследования явля- лась промышленно производимая эпоксидная смола Э-41 в растворе (Э-41р) (ТУ 6-10-607-78), представляющая со- бой раствор смолы Э-41 с массовой долей (66±2)% в смеси ксилола (ГОСТ 9410-78, ГОСТ 9949-76) с ацетоном (ГОСТ 2768-84) в соотношении 4:3 по массе. Раствор смолы Э-41 в смеси ксилола с ацетоном (смола Э-41р) применяется для изготовления лакокрасочных мате- риалов. 13 Смола Э-41р относится к среднемолекулярным (мол. масса 900-2000) эпоксидным диановым смолам. Ее плот- ность – (1,03-1,06) г/см3. Синтез полиамидокислоты (ПАК) осуществляли путем низкотемпературной поликонденсации (10-15°С) тща- тельно очищенных исходных мономеров в свежепере- гнанном в вакууме диметилформамиде (ДМФА) при их эквимольном соотношении. Синтез осу- ществляли по схе- ме: Наличие боль- шого числа актив- ных функциональ- ных групп (кар- боксильных, амид- ных, карбониль- ных, концевых ангидридных и аминогрупп) в ПАК пред- определяет принципиальную возможность их взаимодей- ствия с эпокси- и гидроксильными группами эпоксидиа- нового олигомера, обеспечивающего формирование гу- стосшитой сетчатой структуры в пленкообразователе при термообработке системы [2]. Предварительными опытами было установлено, что наилучшие результаты в процессе модифицирования до- стигаются при использовании ПАК с удельной вязкостью 0,5% – ных растворов ПАК 0,25-0,35. Экспериментально установлено, что растворы ПАК в ДМФА любой вязкости хорошо совмещаются с эпоксиди- ановыми олигомерами, не расслаиваясь в течение задан- ного времени хранения композитов [3]. Пленкообразующие композиты получали путем введе- ния в эпоксидиановую смолу Э-41Р с отвердителем (поли- амидная смола в ксилоле) 20%-ного раствора ПАК в ДМФА в количестве 0,5-5%, от массы сухого остатка с последующим перемешиванием компонентов смеси до C O O O O n O O O H2N O O NH2 O CCC OON C OH O OO O C HHO NH n Рисунок 1 14 получения однородной массы. Из полученных лаковых растворов отливали пленки на металлические (медные, стальные) и стеклянные подложки. Отверждение покры- тий осуществляли путем прогрева пленкообразующих композитов в термошкафу при температуре 100°С в тече- ние 60-220 мин. Адгезионную прочность сформированных покрытий определяли по стандартной методике в соответствии с ISO 2409 и ГОСТ 15140-78 методом решетчатого надреза с обратным ударом. Прочность при ударе образцов покрытий оценивали с использованием прибора «Удар ‒ Тестер» в соответствии со стандартом ISO 6272 и ГОСТ 4765-73. Прочность покрытий при изгибе определяли с помо- щью устройства, состоящего из стойки с креплением и набора цилиндров различного диаметра (ISO 1519, ГОСТ 6806-73). Важной характеристикой лакокрасочных покрытий яв- ляется твердость. Этот показатель определяли на маятни- ковом приборе (ISO 1522). ИК-спектры образцов пленок, полученных на стеклян- ных подложках, снимали на приборе FI-IR (ИК-Фурье спектрометр фирмы «Thermo Nicolet» США). Развитие сетчатой структуры в присутствие полиамидо- кислоты ускоряется благодаря тому, что ПАК дополни- тельно превносит в систему эпоксид – полиамин дополни- тельно карбоксильные и амидные активные центры, спо- собствующие не только более эффективным химическим взаимодействиям, но и автокатализу целого ряда протека- ющих в системе конкурирующих реакций благодаря по- движным протонам карбоксиамидных фрагментов ПАК и отвердителя. Кроме того, в молекулах ПАК не исключены реакции: имидизации, деструкции, гидролиза, декарбокси- лирования, протекающие под действием температурно- временных полей и выделяющейся циклизационной воды в процессе высокотемпературной обработки защитных 15 слоев при формировании покрытий [4]. Эти превращения генерируют еще большее количество функциональных групп, способствующих структурообразованию в покры- тии и увеличению адгезионного сцепления с субстратом. В ИК-спектрах пленок модифицированных эпоксидиа- новых композитов, препарированных в адекватных режи- мах с немодифицированными, четко прослеживается по- явление полос поглощения в области 1725 см-1 (в дуплете с 1780 см-1), характерных для валентных колебаний кар- бонильных групп и групп имидных циклов. Причем ин- тенсивность этих полос изменяется в зависимости от тем- пературы и продолжительности прогревания образцов. В ИК-спектрах также четко регистрируются полосы поглощения в области 1650-1660 см-1 (амидные группы), и широкая полоса поглощения в области 3200-3600 см-1 (карбоксильные и гидроксильные группы). На основании проведенного исследования синтезиро- вана новая пленкообразующая имидосодержащая компо- зиция, с улучшенными адгезионными свойствами, повы- шенной твердостью, ударопрочностью, влаго- и водостой- костью. Установлено, что модифицирующий компонент катализирует процесс отверждения эпоксидианового по- крытия, и повышает его термическую стабильность и коррозионную стойкость к агрессивным воздействиям внешней среды. ЛИТЕРАТУРА 1. Асланов, Т.А. Теплостойкие полимеры на основе эпоксид- ных олигомеров и ароматических диэфирдисульфимидов / Т.А. Асланов [и др.] // Пластические массы. – 2008. – № 2. – С. 20–22. 2. Способ получения термо- и теплостойких эпоксидных мате- риалов на основе эпоксидиановых олигомеров, содержащих дии- миды пиромеллитовой кислоты: а.с. 639882 СССР, МКИ3 С08G2/30 Ю. В. Гулиев, И. Д.Волков, С. М. Карякин; Казан. техн. ин-т. № 639882; заявл. 24.10.76; опубл. 08.11.78 // Бюл. изобр. – 1979. – № 48. – С. 134. 16 3. Николайчик, А.В. Химическая модификация эпоксидного олигомера форполимером полиимида / А.В. Николайчик [и др.] // Материалы. Технологии. Инструменты. – 2004. – Т. 9. – №4. – С. 44–49. 4. Крутько, Э.Т. Полиимиды. Синтез. Свойства. Примене-ние / Э.Т. Крутько [и др.]; под общ. ред. Н.Р. Прокопчука. – Минск: БГТУ, 2002. – 302 с. УДК 621.1 Басаранович А.В. СПЕКАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД ИЗ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ГРАНИТА БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Дробыш А.А. Гранит ‒ одна из самых распространенных кристалли- ческих горных пород, традиционно применяющихся в индустрии. Благодаря своим уникальным качествам: ме- ханической прочности, морозостойкости, долговечности гранит является перспективным сырьем для получения пористых материалов. Прочность любого материала опре- деляется уровнем его влагопоглащения. Гранит превосхо- дит по этому показателю все остальные материалы В состав гранита входят полевой шпат, слюда, кварц, а также некоторые другие минералы. Их соотношение опре- деляет прочность и цвет камня. По величине зерен разли- чают граниты крупнозернистые (>10 мм), среднезернистые (2‒10 мм) и мелкозернистые (<2 мм). Согласно модели гранитообразования по типу эвтекто- идного плавления, предложенной финским ученым П. Эскола соотношение компонентов в сплаве всегда остает- ся постоянным. Температура плавления кварца около 1600°С, температура плавления альбита (натрового поле- вого шпата) на 200°С ниже. Логично предположить, что добавка более легкоплавкого компонента облегчает плав- 17 ление. Так и происходит на самом деле. Поэтому химиче- ский состав гранита практически не изменяется, а физико- механические характеристики значительно выше, чем у других минералов. Химический состав гранита, % SiO2 – 49,5 ÷ 51,5; Al2O3 – 15,0 ÷ 16,5; TiO2 – 0,8 ÷ 1,5; Fe2O3 – 11,5 ÷ 13,5; CaO – 9,0 ÷ 10,0; MgO – 4,8 ÷ 6,6; Na2O + K2O - 3,5 ÷ 4,5. Физико-механические характеристики гранита: 1. Объемная масса – 2,6 -3,2 г/см3. 2. Твердость по шкале Мооса – 6-7. 3. Водопоглощение – не более 0,9%. 4. Прочность на сжатие Мпа – 250. 5. Удлинение при разрыве % – ≈ 2,5 6. Температура плавления оС – ≈ 1200. 7. Морозоустойчивость – 300. По химическому составу граниты Микашевичского ме- сторождения отвечают требованиям, предъявляемым про- мышленностью для производства тонких и супертонких базальтовых волокон. Для исследования кинетики перераспределения фаз в процессе спекания дисперсных сред из эвтектических композиций на основе гранита исходное сырье подверга- лось дроблению. После чего производилось радиальное прессование экспериментальных образцов и последующее спекание. В результате исследований установлено следу- ющее. При большем содержанию альбита, температура обра- зования жидкой фазы располагается ниже предыдущих, что соответствует снижению температуры плавления сме- си. Однако все это происходит лишь до определенного 18 предела. Существует такая смесь альбита и кварца, кото- рая является наиболее легкоплавкой, и дальнейшее увели- чение доли альбита уже не снижает, а повышает темпера- туру, необходимую для образования достаточного количе- ства жидкой фазы. Исходя из диаграммы следует, что наиболее легкоплавкой будет смесь с 40% кварца и 60% альбита. Это соответствует составу кварц-альбитовой эв- тектики. Подобной эвтектике и отвечают соотношения главных компонентов гранита (кварца, плагиоклаза и ка- лиевого полевого шпата. Это означает, что в спекаемых экспериментальных образцах, содержащей какое-то коли- чество этих минералов, при нагревании ее до температуры плавления эвтектики обязательно появится гранитный расплав. Сравнение исследуемых составов по количественному содержанию в них гранитного расплава затруднено, так как на интенсивность рентгеновских рефлексов помимо кон- центрации фазы значительное влияние оказывают слож- ность структуры гранита и ориентация его чешуйчатых агломератов в объеме исследуемого материала. Присут- ствие в исследуемых пробах гидрослюдистых минералов и кварца не позволило оценить степень упорядоченности кристаллической структуры гранита ввиду недостаточной степени разрешения соответствующих рентгеновских ре- флексов на дифрактограммах. Согласно проведенной ИК- спектроскопии максимум полосы поглощения при 1100 см-1 отчетливо выражен, что в совокупности с достаточной раз- решенностью двух средних полос поглощения альбита в области валентных колебаний его гидроксильных групп является качественным критерием высокой кристаллично- сти породообразующего минерала (альбита) в исследуемых составах. Применительно к исследуемым материалам вы- 19 сокие показатели физико-механических характеристик по- лученных образцов, скорее всего, обусловлены высоким содержанием в ней тонкодисперсных минералов, присущих эвтектическим композициям. Результаты рентгенографического исследования пока- зали, что основными кристаллическими фазами, фиксиру- емыми на дифрактограммах всех проб, являются кварц, полевой шпат и кристобаллит. Установлено, что образо- вание кристобаллита в количестве 6-7 % при спекании фиксируется уже при температуре 1000°С и протекает че- рез индукционный период в температурном интервале 1000-1150°С с последующим резким ускорением процесса синтеза в достаточно узком температурном интервале 1150-1200°С, обеспечивая увеличение выхода кристобал- лита с 7 до 18 %. Дальнейшее повышение температуры спекания с 1100 до 1300°С сопровождается не только накоплением кристобал- лита, но и совершенствованием его структуры и стабилиза- цией состава, о чем свидетельствует степень разрешения рентгеновского дуплета кристобаллита. Резкое уменьшение содержания кварца при спекании в интервале температур 1100-1200оС связано с процессом трансформации его в кри- стобалит (особенно в тонкодисперсной части), что проявля- ется в появлении на соответствующих дифрактограммах ин- тенсивных рефлексов кристобалита, в то время как снижение содержания кварца в образцах с повышенным содержанием добавок каолина при аналогичных температурах обусловле- но, скорее всего, процессами его растворения в образовав- шемся к этому моменту силикатном расплаве, доказатель- ством чему служит отсутствие либо крайне незначительное (на уровне следов) рентгенографическое проявление кристо- балита. 20 УДК 621.1 Басков О.В. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ПРОНИЦАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Дробыш А.А. Технологические схемы получения пористых проница- емых изделий (ППИ) из оксидной керамики характеризу- ются общностью этапов, на каждом из которых заготовка (порошок) приобретает свойства, необходимые для осу- ществления последующих операций, формирования структуры пористого материалов. Производство порошков осуществляют, как правило, на специализированных предприятиях. В зависимости от способа получения порошков форма их частиц может быть самой разнообразной, а размер частиц колеблется от долей микрометра до 1 мм и более. Порошки поставляют- ся изготовителем готовыми к использованию в соответ- ствии со стандартами или техническими условиями, ре- гламентирующими их характеристики, основными из ко- торых являются химический и гранулометрический со- став, механические свойства материала. При подготовке к непосредственному использованию керамические порошки могут дополнительно подвергать сушке, рассеву на фракции, сфероидизации либо, напро- тив, активированию частиц усложнением их формы (уве- личением удельной поверхности) путем обработки в атт- риторах, прессования и размола и др. Консолидацию ке- рамического порошка в ППИ традиционно осуществляют посредством формообразования заготовок и их последу- ющего спекания. В силу технологических особенностей керамических порошков, обусловленных их низким ре- сурсом пластичности и высокими температурами плавле- ния, эти операции в подавляющем большинстве случаев 21 требуют использования добавок к основному материалу (приготовления минеральных композиций): пластифици- рующих, связующих, упрочняющих, активирующих, по- рообразующих. В качестве связующих добавок использу- ют жидкое стекло, водные суспензии глин, клеи и др. К упрочняющим относят цемент, глины, сульфитцеллюлоз- ный экстракт и др. Активирующие спекание добавки – волластонит и др. Порообразующие добавки – опилки, древесная мука, уголь (антрацит), графит, сахароза, доло- мит, нефтяной кокс и др. Процесс подготовки шихты, та- ким образом, включает дозирование всех ее компонентов и смешивание в заданной последовательности при опре- деленных условиях (режимах). В технологии получения керамических ППИ операция подготовки шихты является одной из ключевых, поскольку ее результат оказывает определяющее влияние и на процесс формообразования заготовок и на процесс спекания. Важнейшей технологической операцией при получе- нии любых ППИ, в том числе, из керамических материа- лов, придающей им форму, размеры, плотность, предвари- тельную прочность и формирующей структуру порового пространства, является формообразование заготовок, ко- торое осуществляют формованием с приложением давле- ния (прессованием) и без приложения давления. Формование без приложения давления уплотняемых материалов позволяет изготавливать изделия в широком диапазоне форм и размеров, но не находит широкого практического применения из-за низкой производитель- ности и невозможности получения ПМ с достаточно вы- сокой плотностью и прочностью. В связи с этим большее распространение получили спо- собы обработки давлением уплотняемых материалов, раз- личающиеся по ряду условий реализации процесса: темпе- ратуре, скорости приложения нагрузки и др. 22 Рисунок 1 – Типичная технологическая схема получения ППИ на основе керамики Изготовление керамического порошка Рассев на фракции Дозирование компонен- тов шихты Упрочняющая добавка Пластифици- рующая добав- ка Порообра- зующая добавка Подготовка шихты (смеши- вание) Прессование заготовок (формообразование) Сушка прессовок Спекание прессовок Дополнительная обра- ботка изделий Контроль качества Размол Да Нет Контроль качества Брак Да Нет Связующая добавка Контроль качества Размол Нет Да 23 Высокотемпературные способы прессования направле- ны преимущественно на получение высокоплотных мате- риалов и в производстве ППИ практически не использу- ются. Высокоскоростные способы прессования не позволяют получать ППИ с высокой пористостью, и поэтому также мало распространены в производстве ППИ. Способы прессования шихты со статическим приложе- нием нагрузки позволяют варьировать свойствами прессо- вок в более широком диапазоне. В зависимости от реали- зуемой схемы, вида технологического оборудования и ин- струмента конкретные способы прессования ориентиро- ваны на получение того или иного вида изделий. Так, прессование в жестких прессформах с одноосным нагру- жением используют преимущественно для изготовления ППИ в форме дисков, таблеток. Прокаткой порошков по- лучают ППИ в форме листов. Мундштучным прессовани- ем (экструзиейполучают длинномерные ППИ разнообраз- ной формы. Однако необходимость использования при экструзии значительного количества вспомогательных материалов в составе шихты отрицательно сказывается на прочностных свойствах отформованных заготовок, спо- собствует загрязнению материала продуктами сгорания в процессах спекания. Кроме того, может иметь место ис- кажение формы изделий на стадиях сушки и спекания, чем ограничен выход годных. Гидростатическим прессо- ванием получают изделия разнообразной формы и типо- размеров с равномерным распределением плотности по объему. Ограничениями к широкому распространению способа при получении ППИ является относительно низ- кая производительность, сложность подготовки пресс- форм (нужны герметизация и вакуумирование), низкая культура производства из-за контакта рабочей жидкости с прессформой. Способ радиального прессования позволяет получать длинномерные осесимметричные ППИ в форме труб, ста- 24 канов, конусов, с развитой поверхностью. Изделия такой формы находят наибольшее применение в процессах фильтрации и разделения сред, что в совокупности с до- статочно высокой производительностью и низкими энер- гозатратами способа прессования позволяет эффективно использовать его для прессования заготовок ППИ, в том числе, из малопластичных керамических порошков. Это позволяет рассматривать способ сухого радиального прес- сования как базовый при разработке технологии получе- ния ППИ на основе кварцевого песка. Придание основных механических свойств (каркасных характеристик) порошковым изделиям происходит на ста- дии спекания. Спекание керамических ПМ осуществляют обычно в электрических печах сопротивления, газовых печах. Процесс реализуют преимущественно по твердо- фазному механизму, чем обеспечиваются малые значения объемной усадки. Спекание многокомпонентных систем в основном осуществляют по жидкофазному механизму, позволяющему получать изделия с высокой прочностью: жидкая фаза, кристаллизуясь, играет роль связки, цемен- тирующей изделие в целом. Но спекаемые по жидкофаз- ному механизму изделия дают большую усадку. Поэтому существуют проблемы технологического управления структурными характеристиками изделий на стадии спе- кания, которые решают, например, использованием поро- образующих добавок, удаляемых при спекании путем их выгорания. Порошки, склонные к окислению, спекают в защитных средах. Высокая устойчивость оксидной кера- мики к окислению позволяет осуществлять спекание без использования защитных сред. Процессы спекания характеризуются высокой энерго- емкостью. Снижения температуры спекания добиваются введением активирующих добавок. Поскольку этот спо- соб имеет физические ограничения, обусловленные при- родой материала в каждом конкретном случае, получают развитие и новые способы консолидации керамических 25 спрессованных заготовок или непосредственно порошков в пористые изделия: самораспространяющийся высоко- температурный синтез, гидротермальный синтез, позво- ляющие получать изделия с высокой химической и тер- мической стойкостью, бипористые изделия. Однако эти способы пока не получили широкого практического рас- пространения. Дополнительная обработка может включать операции, формирующие комплекс окончательных свойств готовых керамических ППИ. Это и механическая обработка с це- лью придания заданных размеров и формы изделий, и хи- мико-термическая упрочняющая обработка, направленная на повышение механических свойств, и формирование заданных структурных характеристик материала пористо- го изделия (например, нанесение мембранных слоев с ис- пользованием методов коллоидной химии). Из рассмотрения технологической схемы получения ППИ на основе керамических материалов можно отметить следующее. Достаточно разработанные технологические схемы получения керамических ППИ содержат резервы для совершенствования практически на всех стадиях их реализации как с точки зрения снижения материальных и трудовых затрат, так и с точки зрения повышения каче- ства и конкурентоспособности, расширения номенклатуры получаемых изделий. УДК 621.5 Богач Н.Л. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВИДЫ ВАКУУМНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Шахрай Л.И. Оптические покрытия позволяют существенно изменять оптические параметры поверхности детали: управлять ин- тенсивностью отраженного и пропущенного излучения (про- светляющие и высокоотражающие покрытия), изменять 26 спектральный состав отраженного и пропущенного излуче- ния (спектроделительные и фильтрующие покрытия), изме- нять состояние поляризации и фазовые характеристики из- лучения (интерференционные поляризаторы и фазовые вра- щатели). Получили развитие покрытия, выполняющие одно- временно несколько функций в различных участках спектра – многоспектральные покрытия. С помощью тонкослойных покрытий можно суще- ственно повысить механическую и химическую устойчи- вость поверхности (токопроводящие покрытия), изменить ее электрические свойства (токопроводящие покрытия) т.д. Основными критериями качества пленочных материа- лов являются: прозрачность, показатель преломления, од- нородность, плотность, адгезия, твердость, механическое напряжения, устойчивость к воздействию окружающей среды и т.д. Свойства оптических покрытий определяется кон- струкцией интерференционных систем (число слоев, их последовательностью, толщинами, показателями прелом- ления и др.), методом нанесения слоев, их природой и ма- териалом оптической детали. Контроль и стабилизация технологических параметров и режимов нанесения слоев в процессе формирования покрытий обеспечивает высокую воспроизводимость свойств покрытий. Теория интерференционных покрытий к настоящему моменту достаточно развита. У нас в стране и за рубежом разработаны современные методы синтеза покрытий (нахождение конструкции покрытия, обеспечивающей необходимых оптические и эксплуатационные парамет- ры), которые в сочетании с современными ЭВМ позво- ляют решать сложнейшие задачи с достаточно хорошим приближением к оптимальному решению. Например, сверхширокополосные просветляющие покрытия высокой оптической эффективности, различные многоспектраль- ные просветляющие и спектроделительные покрытия со 27 сложным распределением интенсивности отраженного и пропущенного излучений по спектру, выполняющие од- новременно определенные функции в различных участках оптического спектра. Современный каталог оптических покрытий включает в себя широкий ассортимент покрытий, различных по назначению, конструкции, составу и свойствам для уль- трафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спек- тра: 1) ахроматические просветляющие покрытия в ви- димом диапазоне спектра с шириной полосы ∆λ = 300 нм и остаточным коэффициентом отражения r < 0,5 %; 2) просветляющие покрытия на подложках из полу- проводниковых материалов и оптической керамики (Ge, ZnS, ZnSe, MgF2 ) для ИК диапазона спектра; 3) защитно-просветляющие покрытия на гигроско- пичные кристаллы (КСl, NaСl ) с остаточным коэффици- ентом отражения r < 2 %; 4) защитно-просветляющие покрытия на кварцевых стеклах, устойчивые к агрессивным, в т.ч. фторсодержа- щим средам для выходных окон эксимерных лазеров с λ = 248 нм (взамен дорогостоящих и нестойких кристаллов CaF); 5) многослойные диэлектрические отражающие по- крытия для генераторов лазерного излучения на различ- ных подложках из полупровод-никовых материалов (CaAs, GaInAs, AsSb), лейкосапфира (Al2O3) для ближне- го ИК диапазона (0,88‒3,5 мкм); 6) высокоотражающие покрытия с коэффициентом отражения r > 99 % («суперзеркала») на основе много- слойных диэлектрических интерференционных пленоч- ных структур; 7) высокопрочные металлические зеркальные покры- тия с защитой на основе окислов на оптических деталях диаметром до 400 мм; 28 8) светоделительные покрытия на основе металлов (Ti) и многослойных интерференционных пленочных структур без заклеивания с любым соотношением про- шедшего и отраженного световых потоков со стабильны- ми характеристиками; 9) интерференционные фильтры в УВИ-диапазоне спектра с требуемой спектральной характеристикой (в т.ч. полосовые, отрезающие, имитирующие характеристики цветных и ультрафиолетовых стекол УФС) со стабильными характеристиками; 10) узкополосные многослойные фильтры для видимо- го и ИК-диапазонов с полосой пропускания ∆ λ0,5/λ макс = 0,005. Таким образом, уровень современного оптического прибора во многом определяется наличием покрытий с необходимыми оптическими или эксплуатационными па- раметрами. Для нанесения покрытий используются различные ва- куумные и химические методы и оборудование, выбор которых определяется требованиями к поверхностям и возможностями их производства. УДК 681.5.017 Боровская Т.В. АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ САПР T-FLEX CAD БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Койда С.Г. Знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически каждому инженеру-разработчику. Компьютерами насыще- ны проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом или оформление отчета на пишущей машинке стали анахро- низмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или 29 лишь с малой степенью их использования, оказываются не- конкурентоспособными как вследствие больших матери- альных и временных затрат на проектирование, так и из-за невысокого качества проектов. Активное внедрение компьютерных технологий в по- следнее десятилетие весьма остро поставило задачу совер- шенствования графической подготовки инженеров. Тради- ционно графическая подготовка инженеров обеспечивалась изучением начертательной геометрии, геометрического, проекционного и профессионального направленного черче- ния. Это не вызывало необходимости изменения самих тех- нологий проектирования и соответственно, методик обуче- ния. С появлением мощных персональных компьютеров и систем двух- и трехмерного моделирования изменились и подходы проектирования. Курсовые проекты по: основам конструирования ста- ночных приспособлений, деталям машин выполняются для закрепления знаний теоретического курса и практиче- ского их применения, т.е. приобретения первоначальных умений в конструировании. T-FLEX CAD изначально разрабатывалась как среда па- раметрического проектирования. Под параметризацией в рассматриваемом случае понимается построение и много- кратное использование элементов библиотеки стандартов с возможностью изменения их основных параметров. При из- менении основных параметров автоматически происходит изменение всех связанных с ним математическими или ло- гическими выражениями остальных параметров чертежа. Таким образом, параметризация может стать хорошим под- спорьем в вопросах типового проектирования, если при про- ектировании новых изделий за основу берется уже суще- ствующие элементы библиотеки и производится их коррек- тировка путем изменения размеров. Среда параметрического проектирования T-FLEX CAD принадлежит к системам автоматизированного проекти- рования (САПР) среднего уровня автоматизации, наравне 30 с такими системами как, Auto CAD и Solid Works. На се- годняшний день T-FLEX CAD позволяет создавать двух- и трехмерные параметрические модели, оформлять кон- структорскую документацию, создавать чертежи и сбо- рочные конструкции любой степени сложности. Механизм параметризации в T-FLEX CAD нашел доста- точно простое решение в виде переменных. Если рассматри- вать эти же действия, применительно к Auto CAD, то для создания параметрического чертежа конкретной детали, необходимо написать программу на встроенном в AutoCAD языке AutoLisp, предварительно ознакомившись с синтакси- сом этого языка. Конечно, можно перечертить чертеж. Не заново, а лишь изменив положение некоторых линий, что потребует некоторого времени. Одним из преимуществ системы T-FLEX перед други- ми CAD-системами является возможность создания пара- метрических сборочных чертежей, в которых отдельные части-детали связаны между собой. При модификации чертежа сохраняются все основные зависимости между параметрами отдельных деталей. Более того, одновремен- но с модифицированным сборочным чертежом мы полу- чим полный набор чертежей-деталей, которые участвова- ли в сборочном чертеже. При этом они будут иметь те па- раметры, которые получились в результате пересчета сбо- рочного чертежа. Прежде чем создавать сборочный чертеж, необходимо предварительно продумать его структуру и создать его составляющие части в виде чертежей-фрагментов. Созда- ние сборочного чертежа заключается в последовательном нанесении на чертеж фрагментов. Чертежи-фрагменты, которые участвуют в сборочном чертеже, могут быть переменными, то есть в зависимости от каких-либо условий в сборочном чертеже будет участ- вовать тот или иной чертеж-фрагмент. Каждый фрагмент может в свою очередь также состоять из фрагментов, при- чем уровень вложенности фрагментов практически не 31 ограничен. На основе фрагментов, входящих в состав сбо- рочного чертежа, можно создать деталировочный чертеж. При проектировании при помощи T-FLEX CAD можно выделить шесть основных этапов проектирования. Рисунок 1 – Алгоритм проектирования с помощью САПР T-FLEX CAD Первый этап. Получение технического задания (зада- ние на курсовой проект). На этом этапе студент получает чертеж детали и указание на проектирование станочного приспособления в соответствии с техническим заданием. Второй этап. С помощью средств T-FLEX CAD в нуж- ном количестве проекций тонкими сплошными линиями изображают контуры обрабатываемой детали. В первой проекции деталь должна быть показана в положении, ко- торое оно занимает на станке во время обработки. 32 Третий этап. Составление принципиальной схемы приспособления. На этом этапе, в соответствии со схемой базирования, выбирают установочные или опорные эле- менты из библиотеки стандартов для проектирования ста- ночных приспособлений. В случае отсутствия стандарт- ных, проектируются специальные элементы приспособле- ния. Спроектированные приспособления могут быть зане- сены в библиотеку стандартов, и в дальнейшем использо- ваться для проектирования других приспособлений. Четвертый этап. Подбор стандартных деталей и узлов из библиотеки стандартов для проектирования станочных приспособлений и размещение их на сборочном чертеже станочного приспособления. Пятый этап. Проектирование и размещение на сбо- рочном чертеже дополнительных деталей, которые не во- шли в библиотеку стандартов для проектирования станоч- ных приспособлений. Спроектированные нестандартные детали или узлы также могут быть внесены в библиотеку стандартов и использоваться в дальнейшем для проекти- рования различных станочных приспособлений. Шестой этап. Окончательное получение сборочного чертежа станочного приспособления. На этом этапе сту- дент окончательно сформировывает сборочный чертеж, наносит размерные линии, технические требования и с помощью T-FLEX CAD получает твердую копию чертежа. Важно отметить, что использование методики проекти- рования чертежей при помощи систем проектирования T- FLEX CAD и поддерживаемой ею библиотеки стандартов, имеет первостепенное значение в формировании у студентов инженерного, творческого подхода к решению конструктор- ских и технологических задач. Однако, для успешного вы- полнения технического задания курсового проекта, студент должен обладать необходимым уровнем компьютерной под- готовки, что подразумевает под собой введение в учебный план дополнительного предмета по изучению компьютерно- го проектирования. 33 ЛИТЕРАТУРА 1. Пекарчик, С.Е. Создание параметрических чертежей в T-FLEX CAD/ Е.С. Пекарчик // Сборник трудов первой Международной научно-технической конференции «Со- временные методы проектирования, расчет, конструиро- вание и технология изготовления» г. Минск. 11-13 декабря 2002 г. 2. Киселев, О.М. Автоматизация проектирования лен- точных конвейеров с подвесной лентой на основе пара- метризации / О.М. Киселев // Сборник трудов первой Международной научно-технической конференции «Со- временные методы проектирования, расчет, конструиро- вание и технология изготовления» г. Минск. 11-13 декабря 2002 г. 3. Горбацевич, А.Ф. Методические указания по выпол- нению курсовых проектов по курсу «Проектирование ста- ночных приспособлений» для студентов заочной формы обучения специальности 0577 «Машиностроение» / А.Ф. Горбацевич. ‒ Минск, 1985. УДК 539.25:669.6 Гусакова О.В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ IN-SITU ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В БЫСТРОЗАТВЕРДЕВШИХ ФОЛЬГАХ СПЛАВОВ ОЛОВА МГЭУ, г. Минск Научный руководитель: Шепелевич В.Г. Установлено, что микроструктура фольг двойных сплавов на основе олова формируется в результате распа- да пересыщенного твердого раствора по механизмам не- прерывного и прерывистого распадов. Проведены по- дробные исследования in-situ на основе которых рассчи- таны основные характеристики распада. Полученные ре- 34 зультаты позволяют наглядно продемонстрировать струк- турные изменения в процессе распада пресыщенных твер- дых растворов, что вполне может быть использовано при чтении курсов затрагивающих вопросы фазовых перехо- дов в твердых телах. Физическое материаловедение относится к одним из наиболее важных и распространенных курсов физики преподаваемых в технических вузах. Изучение физики твердого тела, структурных превращений и связи струк- турно фазового состояния со свойствами материала явля- ется основой фундаментальной подготовки инженеров разных специальностей. Поэтому при изложении курсов физики твердого тела актуальным является использование новых научных результатов, полученных с помощью со- временного сложного исследовательского оборудования. В данной работе изложены результаты исследования сплавов на основе олова с Bi и Cd, полученных методом сверхбыстрой закалки из расплава. Сплавы составов Sn – 8 ат. % Bi, Sn – 4 ат. % Сd, Sn – 8 ат. % Cd в виде фольг толщиной 30–100 мкм получались при выливании распла- ва на внутреннюю поверхность вращающегося медного диска. Оценки скорости охлаждения расплава и пере- охлаждения, достигаемого до начала затвердевания, при- ведены в [1]. Показано, что скорость охлаждения расплава составляет 105–106 К/с, а достигаемое переохлаждение находится в пределах 119–130 К. При таких переохлажде- ниях скорость движения границы твердое тело-расплав может превышать диффузионную скорость примеси в расплаве, что обеспечивает бездиффузионную кристалли- зацию. В результате образуются метастабильные пересы- щенные твердые растворы, что подтверждено многими авторами с помощью рентгеноструктурных исследований и измерения параметра решетки [2, 3]. Однако до послед- него времени не было ни одной работы, посвященной установлению механизмов распада этих метастабильных фаз. 35 Поэтому были проведены специальные исследования, в которых проводилось наблюдение in-situ за поверхностью быстрозатвердевших фольг сплавов олова сразу после их изготовления, а также гомогенизированных и закаленных на воздух фольг. Микроструктура фольг изучалась с по- мощью растровой электронной микроскопии (LEO 1455 VP) при этом наблюдения велись в отраженных электро- нах. Первоначальные наблюдения, производящиеся через 5‒10 минут после приготовления фольги, показали, что на стороне фольги, прилегающей к кристаллизатору, выделе- ния отсутствуют для фольг всех составов, что свидетель- ствует об образовании пересыщенного твердого раствора на основе олова. Установлено, что распад твердого рас- твора протекает при образовании пластинчатых выделе- ний на границе зерна и их последующем удлинении одно- временно с перемещающейся высокоугловой границей. Такой процесс роста колонии ламелей типичен для пре- рывистого механизма распада [2]. Одновременно с преры- вистым распадом протекает распад по непрерывному ме- ханизму, в результате которого появляются узкопластин- чатые включения висмута или кадмия, располагающиеся под углами 60 или 90 градусов соответственно. Их форма и упорядоченное расположение вызвано корреляцией их кристаллических решеток с решеткой матрицы. Если вы- сокоугловая граница достигает пластинчатых включений то ее дальнейшее продвижение сопровождается утолще- нием последних. На рисунке 1 приведены микрофотогра- фии поверхности быстрозатвердевшей фольги Sn – 8 ат. % Bi сделанные через различные промежутки времени после изготовления. Наличие большого количества таких микрофотографий позволило создать слайд-шоу, позволяющее наглядно продемонстрировать изменение микроструктуры фольг в процессе распада пересыщенного твердого раствора. 36 10 мин 25 мин 50 мин Рисунок 1 – Микроструктура поверхности быстроза- твердевшей фольги сплава Sn – 8 ат. % Bi при наблюде- нии через различные промежутки времени после изго- товления Также были проведены исследования быстрозатвер- девших фольги после гомогенизации и закалки на возду- хе. На рисунке 2 представлены результаты наблюдения за поперечным срезом закаленной фольги. Результаты сви- детельствуют о том, что процесс прерывистого распада пересыщенного твердого раствора закаленных на воздухе фольг протекает по механизму, сходному с механизмом распада, наблюдаемым в быстрозатвердевших фольгах. Отличие состоит в том, что при закалке на воздухе проте- кает исключительно процесс прерывистого распада и начинается он через некоторое время после начала наблю- дения. Проведенные наблюдения in-situ за процессом движе- ния границы распада в быстрозатвердевших фольгах и фольгах закаленных на воздухе, позволили непосред- ственно определить скорость ее перемещения при ком- натной температуре. Скорость движения границы преры- вистого распада в фольгах, закаленных на воздухе, замет- но не отличается от скорости движения границы распада в быстрозатвердевших фольгах для одного и того же состава образцов и для сплава Sn – 8 ат. % Bi имеет значение в пре- делах (1‒4)·10-9 м/с. Также были определены истинное межламельное расстояние и толщина ламелей которые составляют 0,4 мкм и 10 нм соответственно. 37 10 мин 60 мин 120 мин Рисунок 2 – Микроструктура поперечного сечения фольги сплава Sn – 8 ат. % Bi через различные проме- жутки времени после закалки на воздух Таким образом, полученные результаты исследований in-situ позволяют наглядно продемонстрировать структур- ные изменения в процессе распада пресыщенных твердых растворов на основе олова, а также провести оценку ос- новных параметров этого процесса, что вполне может быть использовано при чтении курсов затрагивающих во- просы фазовых переходов в твердых телах. ЛИТЕРАТУРА 1. Гусакова, О.В. Зеренная структура и текстура быст- розатвердевших фольг олова, полученных при различных режимах сверхбыстрого охлаждения / О.В. Гусакова, В.Г. Шепелевич // Материалы, технологии, инструменты. – 2010. – Т. 15. ‒ № 2. – C. 54–57. 2. Лариков, Л.Н. Ячеистый распад пересыщенных твердых растворов / Л.Н. Лариков, О.А. Шматко. – Киев.: Наукова думка, 1976. – 179 с. 3. Хансен, М. Структуры двойных сплавов / М. Хансен, К. Андерко. – М.: Рос. научн.-техн. изд. литерат. по черн. и цветн. металлургии, 1962. – 456 с. 38 УДК 621.088 Данильчик П.С. ТРАЕКТОРИЯ ДВИЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ТОЧЕНИИ С НАЛОЖЕНИЕМ НА ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ АСИММЕТРИЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Данильчик С.С. Вибрационное точение является эффективным спосо- бом стружкодробления в процессе обработки деталей, но снижается качество обработанной поверхности. При виб- рационном точении средняя высота микронеровностей остается неизменной и равна высоте гребешков при обыч- ном резании. Однако вследствие изменения подачи ин- струмента наблюдается значительная нерегулярность профиля обработанной поверхности из-за нестабильности высоты гребешков (рисунок 1). И эта нерегулярность мо- жет быть достаточно большой. В отличие от обычного резания, где осевое расстояние между траекториями движения резца относительно детали на соседних витках Δ одинаково и равно подаче на оборот oS , при вибрационном точении оно изменяется от нуля до oS2max , в результате чего и происходит увеличение высоты гребешков, остающихся после обработки. Уменьшение расстояния Δmax, а, следовательно, и высо- ты гребешков возможно при переходе от симметричного вибрационного точения к точению с наложением асим- метричных колебаний инструмента. Такое точение харак- теризуется различными временными промежутками движения резца в течение цикла в направлении подачи и обратном направ- лении, т.е. коэффициентом асимметрии. Коэффициент асимметрии может быть представлен видом b a  , 39 где a и b – части оборо- та заготовки, соответ- ствующие прямому (в направлении подачи) и обратному (против пода- чи) ходу инструмента (рисунок 2). Если 1 , т.е. время на врезание превышает время отвода резца, то такое резание называется мягким или релаксационным (рис. 2, а). При жестком или сило- вом вибрационном точе- нии происходит ускорен- ное врезание инструмента в заготовку и медленный выход из нее (рис. 2, б). При симметричном вибрационном точении 1 . Максимальное расстояние между соседними витками рассчитывается по формулам: )1 1 (max   oS ‒ для мягкого точения, )1(max  oS ‒ для жесткого точения [1]. Рисунок 1 – Схема образования гребешков а) ba  б) ba  Рисунок 2 – Методы вибрационного точения с асиммет- ричными колебаниями: а) мягкое, б) жесткое 40 Колебательное движение инструмента в используемом устройстве для точения с вибрациями обеспечивается ку- лачком, входящим в контакт со шпинделем станка. Каж- дому коэффициенту асимметрии соответствует опреде- ленный профиль кулачка. От вращающегося кулачка через гидравлический привод движение передается на резце- держатель. Траектория колебательного движения инстру- мента внутри цикла колебаний исследовалась с помощью тензометрических датчиков, наклеенных на пружинную балку равного сопротивления. Сигналы с тензодатчиков усиливались и фиксировались прибором «Spider 8» в ком- плекте с компьютером. Таким образом была произведена запись колебательного движения резца при симметричном вибрационном точении и асимметричном с коэффициен- тами асимметрии 1/3, 1/2, 2 и 3. Обработка велась резцом, оснащаемым неперетачиваемыми многогранными пласти- нами из стали Т15К6. Обрабатывались заготовки из стали ШХ15. На рисунке 3 представлен график движения ин- струмента при точении с коэффициентом асимметрии 2/1 . Рисунок 3 – График колебательного движения инстру- мента Разбивая полученные графики на участки, соответству- ющие одному обороту заготовки, и учитывая движение ин- струмента с заданной подачей на оборот заготовки, разрабо- таны схемы движения инструмента при вибрационном точе- нии на скорости 94 м/мин с подачей 0,15 мм/об и глубиной резания 1,5 мм (рисунок 4). 41 По полученным схемам определены величины макси- мального расстояния Δmax, которые занесены в таблицу 1. Результаты эксперимента показывают, что траектория движения инструмента при вибрационном точении (рису- нок 4) близка к теоретически построенной модели (рису- нок 2). Максимальное расстояние между траекториями движения резца на соседних витках уменьшается с увели- чением асимметрии цикла колебания инструмента. От- 0, 80 0 0, 90 0 1, 00 0 1, 10 0 1, 20 0 1, 30 0 1, 40 0 1, 50 0 1, 60 0 1, 70 0 1, 80 0 L, мм 0 ,4 0 0 0 ,5 0 0 0 ,6 0 0 0 ,7 0 0 0 ,8 0 0 0 ,9 0 0 1 ,0 0 0 1 ,1 0 0 1 ,2 0 0 1 ,3 0 0 L, мм 1, 00 0 1, 10 0 1, 20 0 1, 30 0 1, 40 0 1, 50 0 1, 60 0 1, 70 0 1, 80 0 1, 90 0 L, мм ξ=1 ξ=2 ξ=3 0 ,6 0 0 0 ,7 0 0 0 ,8 0 0 0 ,9 0 0 1 ,0 0 0 1 ,1 0 0 1 ,2 0 0 1 ,3 0 0 1 ,4 0 0 1 ,5 0 0 L, мм 0 ,0 0 0 0 ,1 0 0 0 ,2 0 0 0 ,3 0 0 0 ,4 0 0 0 ,5 0 0 0 ,6 0 0 0 ,7 0 0 0 ,8 0 0 L, мм ξ=1/2 ξ=1/3 Рисунок 4 – Схемы движения инструмента при виб- рационном точении 42 клонение экспериментально полученного значения Δmax от расчетного объясняется инерционностью гидравлической системы для вибрационного точения. На схемах это под- тверждается наличием участков, на которых происходит движение инструмента с подачей близкой к заданной по- даче на оборот. Длина этих участков больше на схемах мягкого вибрационного. Следовательно, можно сделать предположение, что шероховатость обработанных по- верхностей будет ниже после жесткого вибрационного точения с коэффициентом асимметрии 1/3. Таблица 1 – Максимальное расстояние между траекто- риями движения инструмента на соседних витках Δmax. Коэффициент асиммет- рии Амплитуда, мм Расстояние Δmax, мм расчетное экспериментальное 3 0,077 0,201 0,267 2 0,079 0,229 0,282 1 0,077 0,303 0,324 1/2 0,079 0,229 0,278 1/3 0,075 0,2 0,235 При проектировании устройств для точения с наложе- нием асимметричных колебаний инструмента следует стремиться к тому, чтобы действительная траектория движения инструмента относительно заготовки была по возможности ближе к теоретической. Это приводит к уменьшению расстояния между соседними витками траек- тории движения инструмента относительно заготовки и, следовательно, к уменьшению шероховатости обработан- ных поверхностей. УДК 621.762 Евтухов К.С. АНАЛИЗ ЗАДАЧ ИДЕАЛЬНОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ДЛЯ СЛУЧАЯ ВДАВЛИВАНИЯ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Петюшик Е.Е. Проведен анализ условий течения материала при вдавливании плоского пуансона в полупространство. Выделены некоторые 43 условия самоорганизации процесса, обеспечивающие повышение точности расчета. Задача анализа процесса вдавливания давно находится в центре внимания специалистов, поскольку она является основой многих технологических процессов и использу- ется в методах определения механических свойств де- формируемых материалов и изделий. Первыми исследо- вателями задачи проникновения штампа в среду были Г. Генки, Л. Прандтль, В.В. Соколовский, А.Ю. Ишлин- ский. В частности, последний впервые рассмотрел осе- симметричную задачу пластичности под пробу Бринелля. Здесь искривления свободной поверхности не допуска- лись и не учитывались. Не учитывались они и последу- ющими исследователями [1]. Профиль лунки обрабаты- вался при подготовке образца. В основу положена гипо- теза предельного состояния Хаара – Кармана. Классиче- ское решение дало результат s/HB=0,352 (1944), затем другие повторили результаты: Р. Шилд  s/HB=0,359 (1955), Н.Г. Бураго (1984) – такой же, как у автора [1]. В настоящей работе также принималось соотношение иBплк HB  3 , аналогичное указанным. Общее мне- ние всех исследователей сводилось к рекомендации ре- шить задачу упруго – пластичности, при этом необходи- мо совместное рассмотрение поля напряжений и соответ- ствующего поля деформаций. Рекомендации первых исследователей о трудностях решения задач теории пластичности теперь могут быть разрешимы на основе метода вынужденной самооргани- зации деформационного движения [2, 3], который позво- ляет расширить возможности идеальной теории до необ- ходимого уровня, фактически перейдя к понятию много- параметрической теории, раскрывающей в полной мере те недостатки теории, которые следуют из понятия иде- альности, материализованной через однопараметриче- ское решение. 44 В плоских задачах решение значительно упрощается. Критерий s/HB=0,389 остается в силе. 7 ’ ’ 7 А 7 ’ B 1 α= /4 А’ D / 2 3 ’ 6 ’ C V 2 B ’ 1 0 f 3 ’ 3 ’’ 8 σn=(2+)k для τл=0 A’ V 2 * 4 5 1 4 ’’ 5 B ’ 4 2 * f 4 3 * 4 4’ ’’ B A 4 C 4 /4 2 4 ’ n a Рисунок 1 ‒ Вид полей линий скольжения при вдавливании б а 45 На рисунках 1, а и б, представлены классические схемы вдавливания плоского пуансона в полупространство для нулевого (к=0) и предельного трения (к=k). Здесь необ- ходимо отметить несколько обстоятельств. Как и в других подобных случаях, сопоставляются поля линий скольже- ния для к=0 и «предельного» (предельного  в рамках математической теории пластичности) трения (к=k). В первом случае эпюра контактных нормальных напряже- ний n постоянна, n=(2+)k. Ортогональность двух се- мейств линий скольжения, образуемых от особых точек A и B, позволяет выделить треугольную зону ABC, приле- гающую к контактной поверхности, две, также треуголь- ные, области AAD и BBF, прилегающие к свободной по- верхности (задача Коши), и области разворота поля линий скольжения (ЛС), представленные веерами ACD и BCF (задача Гурса). Угол поворота ЛС в этих ситуациях =/2 согласно равновесию системы и дает значение n=(2+)k. При к=k (рисунок 1, б) нормальная нагрузка на кон- такт n=(2+)k оказывается в области перегрузки и при дополнительной касательной поверхностной нагрузке в соответствии с законом пластического трения задача ста- новится комбинированной, состоящей их двух задач. Нагрузка приложена в двух плоскостях. В силу этого не- сущая способность локального контакта падает и нор- мальное напряжение оказывается равным n=k при до- полнительной нагрузке к=k, направленной вдоль поверх- ности касания. Такова вынужденная самоорганизация влияния закона сухого трения твердых тел на основе тео- рии вынужденной самоорганизации деформационного движения (ТВСДД). В этом случае можно глубже проана- лизировать начальную стадию затронутого явления. Дело в том, что при расчетах деталей машин мы пользуемся расчетами в предположении, что имеем дело с упругими 46 свойствами тел. Но на самом деле шероховатые контакт- ные поверхности деформируются в пластическом состоя- нии. Поэтому в трибонике имеет место понятие «предва- рительное смещение», которое в начале движения проте- кает со своими особенностями. Теория самоорганизации объясняет существование этого явления разными углами рассогласования направлений сдвига в условиях упругого и пластического деформирования. Первое условие обес- печивает влияние этого параметра вдвое по сравнению со вторым при прочих равных условиях. Некоторая разница возникает и в кинематике движе- ния: при к=0 весь смещаемый материал в зоне ABC, де- формируясь неодинаково вдоль ЛС обоих семейств, обес- печивает неравномерное смещение свободной поверхно- сти (прямые 4) под углом =/4. При к=k наличие трения как бы только констатируется (в плоскости чертежа его нельзя приложить). Особенности ре- зультата движения в этом случае приводят к тому, что блоки, прилегающие к свободной поверхности, смещаются в объе- ме без деформации (эпюра скоростей этого движения V=const показана на линии скольжения AD), перемещение свободной поверхности демонстрируется прямыми 5, что подтверждает жесткость этих переходных областей. Разница в формоизменении свободной поверхности вызывается тем, что жесткое смещение зон AAD и BBF разбивает зону, прилегающую к контактной поверхности ABC, на два, вна- чале параллельных потока, что приводит и ее в жесткое со- стояние при тех же нормальных и сдвигающих напряжени- ях. В этом месте мы сталкиваемся с неадекватностью в фор- мулировке условия задачи (в ней отсутствуют указания об отдельном приложении силы трения  здесь она не возника- ет сама по себе) и невозможностью нахождения четкого ре- шения на физической основе. Условия в этой части задачи не корректны. Направление трения в схеме может возникнуть только нормально AB, что соответствует локальному кон- такту в модели трения, но нормальное напряжение при этом 47 снижается до n=k [1]. Опять возникают условия самоор- ганизации, которые снимут неопределенность, вызванную тем, что при формулировании задачи мы не определили направление действий контактных напряжений трения, а его в рассматриваемой задаче просто нет (оно не возникает, так как плоский пуансон вдавливается по нормали к поверхно- сти жестко – пластического тела, которое условно называет- ся идеально пластическим, поскольку его упругое состояние остается вне обсуждения, а сопротивление деформированию служит константой деформирования). Таким образом, оказывается, что поперечное трение в симметричном процессе вдавливания (плоская задача) не может возникнуть. Поэтому возникает тяготение к схеме к=0, которая обеспечивает деформированное состояние в переходных областях и оказывается ближе к физике. Од- нако в этом случае возникает и другое кинематическое несоответствие, которое сводится к тому, что в решении к=k, в котором выдавливаемый материал истекает в виде двух жестких потоков при постоянной скорости движения переходных областей, примыкающих к свободной по- верхности, образующих широкий резкий выступ, в экспе- риментах представляется более короткими криволиней- ными областями, форма которых зависит от вида обраба- тываемого материала и скорости вдавливания. Для выяснения этих недоразумений следует предполо- жить, что построенные на рисунке 1, а, б поля линий скольжения не полностью отвечают еще не высказанному дополнительному условию формирования очага вдавли- вания. Дело в том, что в процессе вдавливания параллель- но процессу раздвигания материала в стороны из-под пу- ансона имеет место образование поля истечения в сторону свободной поверхности, действующего при сжатии и из- гибе. Процесс вдавливания оказался более сложным, он оказался комбинированным; схема процесса оказалась по сути другой, чем это предполагалось сначала. 48 Схема образования поля линий скольжения при вдавли- вании, учитывающая вклад потокообразования, приведена на рисунке 2. Главным обстоятельством является выявление линии главного тока (стрежень). На рисунке это эллипс A3CB3, большие полуоси которого определяются выходом максимумов развития выплеска через свободную поверх- ность. Полуокружность ACB остается траекторией макси- мальных сдвигающих напряжений не во всех случаях. Пере- ходные области непосредственно под контактной поверхно- Рисунок 2 – Скорректированное поле линий скольжения при вдавливании 1 2 1 2 А 5 ’ 3 ’ ’ 3 ’ А C 0 σ n B 1 σ1=2k; σ=k B’ 3 ’ ’ C 3 ’ 3 ’ ’ C ’’ Точка С σ1=(2+)k; σ=(1+)k R  / 2 φ 49 стью сокращаются с одной стороны за счет вдавливания в упруго – пластической области (границы 4, 4 и 4 в зависи- мости от достигнутого обжатия), а с другой стороны за счет более равномерной деформации (кривая 3). Кстати, характер кривой 3 соответствует границе области реального дефор- мирования, продемонстрированной в работе Р. Хилла [4]. Такой вывод о наличии потокообразования, снимающего состояние жесткости с переходных областей, примыкающих к свободным поверхностям, подкрепляется тенденцией со- кращения объема переходной области непосредственно под контактной поверхностью. ЛИТЕРАТУРА 1. Ишлинский, А.Ю. Прикладные задачи: в 2 т. / А.Ю. Ишлинский. – М., 1986. ‒ Т. 1. ‒ С. 17‒42. 2. Макушок, Е.М. Совершенствование теорий деформирова- ния с позиций синергетики и механики вынужденной самооргани- зации деформационного движения / Е.М. Макушок, Е.Е. Петюшик // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: V междунар. нучно-техн. конф. (Минск, 15- 17 сентября 2010): сб. материалов: в 3 кн. – Кн. 3: Технологические процессы обработки материалов давлением. Безопасность и надежность магистральных трубопроводов и сосудов высокого давления. Пленарные доклады / редкол.: С.А. Астапчик (гл. ред.) [и др.]. – Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2010. – С. 45‒49. 3. Макушок, Е.М. Обоснование основополагающих идей обобщенной теории вынужденной самоорганизации деформацион- ного движения / Е.М. Макушок, Е.Е. Петюшик // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные матери- алы, защитные покрытия, сварка: Материалы IX междунар. науч- но-техн. конф. – Минск: НИИ ПМ НАН РБ, 29-30 сентября 2010. – С. 292‒294. 4. Хилл, Р. Математическая теория пластичности / Р. Хилл. – М., 1956. 50 УДК 621. 723 Ефимов А.М., Линник А.В. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИНСТРУМЕНТОВ И ДЕТАЛЕЙ МАШИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ МАГНИТНОГО И УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЕЙ БГАТУ, г. Минск Научный руководитель: Акулович Л.М. Предложено усовершенствовать процесс магнитно- абразивной обработки путем введением ультразвуковых колебаний в рабочий зазор. Представлена схема процесса магнитно-абразивной обработки с наложением ультразву- ковых колебаний. Показано, что совместное наложение ультразвукового и магнитного полей положительно влияет на физико-механические свойства обрабатываемой заго- товки. Известно, что в процессе магнитной обработки (МО) металл, подвергшийся воздействию переменного магнитного поля, изменя- ет эксплуатационные свойства поверхностного слоя. Улучшение свойств ферромагнитных деталей, при импульсной магнитной обработке объясняется направленной ориентацией свободных электронов вещества во внешнем магнитном полем, вследствие чего увеличивается тепло – и электропроводимость металла. Эта ориентация происходит тем интенсивнее, чем выше структурная и энергетическая неоднородность металла. При МО вследствие неоднородной кристаллической структуры поверхности в ней возникают вихревые токи. Вихревые токи обуславливают маг- нитное поле и локальные микровихри, которые в свою очередь, нагревают участки вокруг кристаллитов напряженных блоков и неоднородностей структуры металла. В местах концентрации остаточных напряжений или усталостных напряжений теплота, наведенная вихревыми токами, уменьшает избыточную энергию составляющих кристаллитов и зерен структуры материала, осо- бенно в зоне контакта напряженных участков [1]. Также происхо- дит полярная ориентация спинов электронов атомов, располо- женных в области контакта кристаллитов и зерен металла, вслед- ствие чего изменяются его механические свойства. 51 Указанные явления проявляются при магнитно-абразивной обработке (МАО) (рисунок 1). S 1 3 2 N Vос Рисунок 1 – Схема магнитно-абразивной обработки: 1 – обрабатываемея деталь; 2 – ферромагнитный порошок; 3 – полюсный наконечник Устройство содержит обрабатываемую деталь 1, которая помещается между полюсными наконечниками 3 с зазорами, в которые подаётся порошок 2, обладающий магнитными и абразивными свойствами [1]. Детали сообщается вращатель- ное движение и осциллирующее движение вдоль горизон- тальной оси. Силами магнитного поля зерна порошка удерживаются в рабочих зазорах, прижимаются к поверхности детали, и об- разом производится её обработка. В рабочую зону подаётся смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ). В данном случае функции силового источника и упругой связки выполняет энергия магнитного поля. Степень упругости связки регули- руется изменением напряжённости магнитного поля, что позволяет рассматривать МАО как процесс шлифования свободно-ориентированным абразивом. Перспективным представляется направление обработки и упрочнения с наложением комбинированных физиче- ских полей, в частности МАО с применением ультразвуковых колебаний (УЗК). На рисунке 2 показана схема магнитно-абразивной об- работки с наложением ультразвуковых колебаний. 52 Рисунок 2 – Схема магнитно-абразивной обработки с наложением ультразвуковых колебаний: 1 – обрабатываемея деталь; 2 – ферроабразивный порошок; 3 – полюсный наконечник; 4 – пружинная пластина Схема отличается от приведенной на рисунке 1 тем, что механическим приводом детали сообщается враща- тельное движение, а осциллирующее движение вдоль го- ризонтальной оси сообщается абразивному порошку по- средством введения в рабочий зазор ультразвуковых ко- лебаний, передаваемых магнитострикционным преобразо- вателем через пружинную пластину 4. Микрорезание с ультразвуком позволяет за счёт изме- нения направления, амплитуды и частоты колебаний це- ленаправленно влиять на глубину царапины. Это, в свою очередь, определяет форму царапины в поперечном сече- нии [3]. При подаче СОЖ при МАО под действием ультразву- кового поля в жидкости происходит образование кавита- ционных пузырьков, которые механически воздействуют на загряз- нённую поверхность детали. Это воздействие обусловлено двумя основными причинами: ударной волной, возника- ющей при захлопывании кавитационных пузырьков, и ин- тенсивными колебаниями не захлопывающихся пузырь- ков, проникших между плёнкой загрязнения и основной поверхностью детали. Под влиянием кавитации и связанного с неё действия местных высоких температур и давлений, расклиниваю- щий и ультразвуковой капиллярные эффекты играют зна- 53 чительную роль в формировании свойств обрабатываемых деталей. Действия кавитации расклинивающего и ультра- звукового капиллярных эффектов приводит не только к заполнению щелевой микрокапиллярной пористой систе- мы твёрдого тела поверхностно-активными веществами СОЖ, но и к разрушению. Введение УЗК в рабочий зазор при МАО позволит из- бавиться от осциллирующего движения детали (полюсно- го наконечника), упростить конструкцию установки и даст возможность расширить область применения метода МАО. ЛИТЕРАТУРА 1. Барон, Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов / Ю.М. Ба- рон. – Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1986. – 172 с. 2. Киселев, М.Г. Ультразвук в поверхностной обра- ботке материалов / М.Г. Киселев. – Минск: Тесей, 2001. – 344 с. 3. Шиляев, А.С. Ультразвук в науке, технике и тех- нологии / А.С. Шиляев. – Гомель: РНИУП «Институт ра- диологии», 2007. – 412 с. УДК 621.793 Заблоцкая О.С. МУЛЬТИСЛОЙНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА СТЕКЛЕ БНТУ, г. Минск, Научный руководитель: Комаровская В.М. Вакуумно-плазменные мультислойные покрытия обла- дают комплексом свойств, недостижимых для монослой- ных и многослойных покрытий [1]. В частности, для них характерны более высокие микротвердость и плотность материала покрытия. При этом обеспечивается высокая адгезия покрытия к основе и минимальное сопротивление сдвиговым нагрузкам. Такие покрытия характеризуются 54 высокой устойчивостью к процессам хрупкого разруше- ния, носящим стохастический характер и минимальной глубиной разрушения при схватывании контактирующих поверхностей в процессе трения. Все это способствует улучшению эксплуатационных и качественных характери- стик поверхностного слоя изделий с покрытиями [2]. При формировании TiN вакуумно-плазменных покры- тий происходит непрерывная бомбардировка основы двухфазным потоком (ионы титана и молекулы азота) в результате чего происходит разогрев поверхности изде- лий, что может привести к расплавлению поверхностного слоя и создать условия для роста кристаллов из расплава, а это приводит к образованию столбчатой структуры, по- вышению шероховатости и снижению твердости покры- тия [3]. Повышение температуры основы при конденсации многокомпонентного покрытия приводит к возникнове- нию неконтролируемых процессов диффузии компонен- тов, происходит изменение стехиометрического состава получаемых пленок. Поэтому проблема отвода тепла с обрабатываемой поверхности весьма актуальна при фор- мировании вакуумно-плазменных покрытий, а ее решение во многом определяет стабильность и производительность технологических процессов. Хорошие результаты по сни- жению тепловых нагрузок при формировании покрытий на металлические материалы дает импульсный режим, который обеспечивает охлаждение поверхности за время паузы (причем время паузы минимально, так как у данных материалов высокая теплопроводность). При формирова- нии покрытий на диэлектрических материалах импульс- ный режим нанесения покрытия обеспечивает дискретное формирование нескольких монослоев покрытия за время импульса и их охлаждение за время паузы. В результате формируется квазиаморфная структура мультислойного покрытия (рисунок 1) [3]. 55 Рисунок 1 – Схема формирования мультислойного TiN покрытия В процессе конденсации на поверхности происходит образование монослоя из ионов титана. Затем происходит нейтрализация положительно заряженного слоя ионов Ti, сформировавшегося на поверхности диэлектрической ос- новы. После чего происходит адсорбция молекул азота, которые вступают в химическую реакцию с титаном, об- разуя нитрид титана. Время образования одного монослоя покрытия определяется из режимов технологического процесса. ЛИТЕРАТУРА 1. Иващенко, С.А. Газотермические и вакуумно- плазменные покрытия со специальными физико- механическими свойствами / С.А. Иващенко, И.С. Фро- лов, Ж.А. Мрочек – Минск: Технопринт, 2001. – 236 с. 2. Комаровская, В.М. Технологии подготовки поверх- ности и нанесения электродуговых TiN покрытий на изде- лия из стекла в импульсном режиме: автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук: 05.02.07 / В.М. Комаровская. – Минск: БНТУ, 2010. – 26 с.    основа i-й слой TiN Тi+ N2 Тi+ Тi+ N2 .эффТ ТТ эфф . 56 3. Иващенко, С.А. Теоретические и технологические основы формирования многофункциональных газотерми- ческих и вакуумно-плазменных покрытий: дис. д-ра техн. наук: 16.04.2002 / С.А. Иващенко. – Минск, 2002. – 357 с. УДК 621.793 Зинкович Д.И. МИКРОДУГОВОЕ ОКСИДИРОВАНИЕ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: преподаватель Койда С.Г. В настоящее время относительный объем производ- ства и потребления сплавов на основе магния и алюминия среди других конструкционных металлических материа- лов непрерывно возрастает вследствие их высокой удель- ной прочности. Однако широкое применение изделий и конструкций из этих металлических материалов требует нанесения на их поверхность защитных покрытий. Одним из наиболее перспективных методов нанесения покрытий на изделия и конструкции из алюминиевых и магниевых сплавов является метод микродугового окси- дирования (МДО)[1]. Микродуговое оксидирование ‒ сложный процесс по- лучения покрытий на поверхности материала ‒ рабочего электрода, находящегося в электролите, в режиме мик- родуговых разрядов, перемещающихся по поверхности рабочего электрода. Данный процесс имеет существенные преимущества перед широко применяемым в промышлен- ности методом анодирования сплавов. Преимущества:  не требуется, как правило, тщательной предвари- тельной подготовки металлической поверхности: травления, обезжиривания, осветления, промывок горячей и холодной водой; т.е. исключается ряд технологических операций, а, следовательно, существенно сокращается производственная площадь, уве- 57 личивается производительность процесса и экологическая чистота получения конечной продукции, что приводит к увеличению рентабельности производства;  возможность получения покрытий, характеризую- щихся более высокой твердостью, износостойкостью, за- щитно-коррозионными свойствами, адгезией к металличе- ской основе;  проведение процесса из электролитов, с суще- ственно меньшей концентрацией химических компонен- тов в них, что увеличивает экологическую чистоту полу- чения и снижает себестоимость конечной продукции. Однако метод МДО алюминиевых и магниевых спла- вов имеет ряд существенных недостатков:  относительно, с учетом высокой энергоемкости процесса, низкая его производительность;  длительный эмпирический поиск оптимального со- става электролита для каждого алюминиевого или магниево- го сплава. Метод микродугового оксидирования (МДО) стал из- вестен относительно недавно (в 70-х годах прошлого сто- летия), внешне (по характеру оборудования, технологии, принципам управления) он напоминает гальванику. Одна- ко это только внешнее сходство. Механизм процессов МДО другой и значительно сложнее. Микродуговое (или микроплазменное) оксидирование поверхностей изделий из металлов вентильной группы (алюминиевых, титановых и прочих сплавов) позволяет сформировать на них прочное оксидное покрытие с твёр- достью близкой к корунду, хорошей адгезией, низкой по- ристостью и высокими антикоррозионными свойствами. Это особенно актуально для деталей ограниченной массы, таких как поршни двигателей внутреннего сгорания, ло- патки турбин, различные уплотнительные узлы и так да- лее. Так же для деталей, работающих в тяжелых условиях воздействия высоких температур, агрессивных сред и вы- соких механических нагрузок [2]. 58 Рисунок 1 – Технологическая схема МДО: 1 – блок управления; 2 – источник технологического тока; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – электролит Перед началом оксидирования обрабатываемая деталь погружается в ванну с электролитом. В свою очередь ван- на снабжена системой охлаждения, так как в процессе ок- сидирования электролит нагревается. По одному выводу источника технологического тока на деталь подаётся ра- бочее напряжение. Второй вывод соединён с корпусом ванны, изготовленной (чаще всего) из нержавеющей ста- ли. С пульта управления необходимо задать параметры и режим обработки, так же на нём осуществляется контроль за ходом процесса. Пульт управления и источник техноло- гического тока могут быть выполнены в виде единого блока [3]. В зависимости от выбранного режима и установленных параметров рабочего напряжения, тока, размера детали процесс формирования покрытия может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. Рисунок 2 – Структура покрытия Верхний слой (1) – рыхлый, пористый, если использу- ется щелочной электролит с добавлениями жидкого стек- 59 ла, то по химическому составу это муллит (Al2O3 • 2SiO2). Следующий слой (2) – плотный, с высокой микро- твёрдостью, это окисел Al2O3 . Именно этот слой являет- ся рабочим и определяет высокие физико-химические ха- рактеристики покрытия. Толщина его колеблется в зави- симости от режима оксидирования в пределах от 30 до 200 микрон. И наконец, между материалом подложки (4) и слоем окисла (2) располагается тонкий (от 0,01 до 0,1 микрона) переходный слой (3), свойства которого для практики несущественны. Верхний рыхлый слой покрытия удаляется пес- коструйной обработкой, и в эксплуатацию поступает де- таль с плотным оксидным покрытием. Рисунок 3 – Детали из алюминиевого сплава Д16 с микродуговым покрытием ЛИТЕРАТУРА 1. Библиотека диссертаций [Электронный ресурс] / Электронная библиотека диссертаций. – Режим доступа: http://www.dslib.net/tex-elekrtoxim/hla.html. – Дата доступа: 20.02.2010. 2. О методе [Электронный ресурс] / MicroArtoxyda- tion. – Режим доступа: http://mdo-msk.ru/am.htm. – Дата доступа: 20.02.2010. 3. Микродуговое оксидирование [Эоектронный ре- сурс] / База данных инновационных технологий и науко- 60 ёмкой продукции. – Режим доступа: http://www.icsti.su/base/base2/tec/ 0119.shtml. – Дата досту- па: 20.02.2010. УДК 621.1 Зуенок А.В., Пастушенко Е.А. ГРАФИТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Дробыш А.А. В качестве сырья для получения композиционных пори- стых материалов на основе углерода используется графит. Графиты ‒ вещества серого цвета с металлическим блеском, аморфного, кристаллического, или волокнистого сложения, жирные на ощупь, удельный вес от 1,9 до 2,6. По внешнему виду графит, имеет металлический свинцо- во-серый цвет, колеблющейся от серебристого до черного, с характерным жирным блеском. Поэтому потребители зачастую называют явнокристаллические графиты сереб- ристыми, а скрытокристаллические ‒ черными. На ощупь графит жирен и отлично пачкается. На поверхностях он легко дает черту от серебристого до черной, блестящей. Графит отличается способностью прилипать к твердым поверхностям, что позволяет создавать тонкие пленки при натирании им поверхностей твердых тел. Графит представляет собой алоторопную форму угле- рода, которая характеризуется определенной кристалличе- ской структурой, имеющей своеобразное строение. В зависимости от структурного строения графиты делят- ся на:  явнокристаллические,  скрытокристаллические,  графитоиды, 61  высокодисперсные графитовые материалы, обычно называемые углями. Важнейшие свойства графита. Электрические свойства: Электропроводность графита в 2,5 раза больше элек- тропроводности ртути. При температуре 0 град. удельное сопротивление электрическому току находится в пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротив- ления для всех видов графита одинаков и равен 0,0075 ом. Термические свойства: Графит обладает большое теплопроводностью, которая равняется 3,55вт·град/см и занимает место между палла- дием и платиной. Коэффициент теплопроводности 0,041 (в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких графитовых нитей теплопровод- ность выше, чем у медных. Температура плавления графита — 3845-3890°С при давлении от 1, до 0,9 атм. Точка кипения доходит до 4200°С. Температура воспламенения в струе кислорода состав- ляет для явнокристаллических графитов 700-730°С. Коли- чество тепла, получаемого при сжигании графита, нахо- дится в пределах от 7832 до 7856 ккал. Магнитные свойства: Графит считается диамагнитным. Растворимость графита: Химически инертен и не растворяется ни в каких рас- творителях, кроме расплавленных металлов, особенно тех, у которых высокая точка плавления. При растворении об- разуются карбиды, наиболее важными свойствами кото- рых являются карбиды вольфрама, титана, железа, каль- ция и бора. При обычных температурах графит соединяется с дру- гими веществами весьма трудно, но при высоких темпера- турах он дает химические соединения со многими элемен- тами. 62 Упругость графита: Графит не обладает эластичностью но, тем не менее, он может быть подвергнут резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивле- ние на разрыв такой проволоки равно 2 кг/мм2, а модуль изгиба равен 836 кг/мм2. Оптические свойства: Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от температуры лучеиспуска- ния тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах 0,52-0,55. Жирность и пластичность графита являются важней- шими свойствами, которые дают возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита, тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым поверхностям. Схема изготовления композиционных пористых матери- алов на основе порошка графита выглядит согласно ри- сунка 1. Смешивание шихты Формование заготовок Карбонизация 1000..1500°С Графитизация Готовое изделие Рисунок 1 – Схема получения композиционного материала на основе порошка графита 63 Уникальное сочетание эксплуатационных свойств гра- фита, таких как широкий диапазон рабочих температур, высокая химическая стойкость, прекрасная уплотняющая способность, способствуют устойчивому потреблению его АО многих отраслях промышленности. УДК 621.793 Зуенок Д.В. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ СТЕКЛО БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Комаровская В.М. Стекло ‒ уникальный светопрозрачный строительный и конструкционный материал, границы и возможности ис- пользования которого постоянно расширяются в соответ- ствии с новыми требованиями рынка стекла по цветовой гамме, светотеплозащитным и прочностным характери- стикам, габаритам остекления. Эксплуатационная надежность стеклоизделий непосред- ственно связана со структурой, состоянием, свойствами объ- ема и поверхности стекла [1]. В стекле наиболее слабые ме- ста и наиболее опасные дефекты, как правило, расположены на поверхности. Поэтому изменяя свойства поверхностного слоя, удается резко увеличить срок службы деталей [2, 3]. Известные способы модификации поверхности изделий из стекла (пластификация поверхностного слоя, создание сжи- мающих напряжений) являются трудоемкими и не приемле- мы для изделий сложной конфигурации [4]. В настоящее время наиболее эффективным путем решения данной про- блемы является нанесение на рабочие поверхности изделий из стекла покрытий. Технология вакуумно-плазменного нанесения покры- тий позволяет производить широчайший спектр продук- ции архитектурного стекла (энергосберегающее (теплоза- щитное) стекло, солнцезащитно-декоративное стекло, стекла селективного пропускания и отражающие различ- ные части спектра, зеркальное стекло, декоративные стек- 64 ла богатой цветовой гаммы). Рост спроса на данные виды стекла обусловлен рядом факторов и, прежде всего, тре- бованиями архитекторов и дизайнеров по архитектурной выразительности зданий, безопасности их эксплуатации, а также ужесточением требований по теплозащите и меха- нической прочности светопрозрачных ограждений. В строительстве использование покрытий на стекле приносит как экономическую выгоду от применения по- крытия для экономии энергоресурсов, так и эстетическую пользу для решения архитектурных задач. К преимуще- ству использования тонкопленочных покрытий так же от- носится возможность создания стекол с заданными свой- ствами на основе обычных составов строительных стекол. Нанесение покрытий позволяет регулировать в широких пределах свойства листового стекла независимо от его химического состава и толщины. Для уменьшения потерь тепла от теплопроводности и конвекции применяют двойное остекление (стеклопаке- ты), но это дает лишь незначительный эффект, т.к. основ- ные теплопотери происходят за счет теплового излучения. Для борьбы с этим явлением разработаны так называемые энергосберегающие стекла [5]. Рисунок 1 – Схема взаимодействия солнечного излучения со стеклом Первым шагом в выпуске энергосберегающего стекла явилось производство К-стекла. Для придания флоат- 65 стеклу теплосберегающих свойств непосредственно при изготовлении на его поверхности методом химической реакции при высокой температуре (метод пиролиза) со- здается тонкий слой из окислов металлов InSnO2, который является прозрачным и в то же время обладает электро- проводностью. Следующим значительным шагом в произ- водстве энергосберегающих стекол стал выпуск т.н. i- стекла, которое по своим теплосберегающим свойствам в 1,5 раза превосходит К-стекло. Различие между К-стеклом и i-стеклом заключается в коэффициенте излучательной способности, а также технологии его получения. I-стекло производится вакуумным напылением и представляет со- бой 3-х слойную (или более) структуру из чередующихся слоев серебра и диэлектрика (BiO, AlN, TiO2 и т.п.). Тех- нология нанесения требует использования вакуумного оборудования с системой магнетронного распыления [5]. Использование энергосберегающего стекла для остек- ления зданий в южных районах, позволяет не только со- здать более комфортные условия для проживания, но и снизить энергозатраты на кондиционирование помеще- ний. Используемое в стеклопакетах теплоотражающее стекло позволяет экономить около 15% тепловой энергии, расходуемой на обогрев зданий. Следует отметить, что теплосберегающие свойства стеклопакетов, в которых ис- пользуются данного вида стекла, во многом определяются параметрами покрытий на стекле. Теплозащитное стекло широко известно на мировом рынке. Оно производится более 30 лет ведущими стеколь- ными фирмами мира, такими как «Pilkington» (Велико- британия), «Hlaverbel» (Бельгия), «PPG» (США), «Gardian» (США), «Saint Gobain» (Франция) и др. Сотрудниками МГТУ им. Н.Э. Баумана [6] установле- но, что использование теплоотражающих покрытий поз- воляет возвращать в помещение в 5..9 раз больше тепло- вого излучения, чем обычное стекло (рисунок 2). 66 Рисунок 2 – Схема стеклопакета с теплоотражающим покрытием ЛИТЕРАТУРА 1. Гулоян, Ю.А. Эксплуатационная надежность стекла и стеклоизделий / Ю.А. Гулоян // Стекло и керамика. – 2008. ‒ № 6. – С. 3–12. 2. Витязь, П.А. Твердосмазочные покрытия в машино- строении / П.А. Витязь [и др.]; под общ. ред. П.А. Витязя. – Минск: Белорус. наука, 2007. – 170 с. 3. Sadarshan, T.S. Tools for engineered surfaces / T.S. Sadar- shan // Surface Engineering. – 1998. – V14, № 6. – P. 449–450. 4. Пух, В.П. Влияние покрытия из аморфного гидроге- низированного углерода на прочность и трещиностой- кость стекла в высокопрочном состоянии / В.П. Пух [и др.] // Физика твердого тела. – 2001. – Т. 43, вып. 3. – С. 466–470. 5. Энергосберегающие стекла [Электронный ресурс]. – 2004. – Режим доступа: http://www.stroy.md/rus/article. ‒ Дата доступа: 12.05.2007. 6. Заявка на конкурс инновационных проектов [Элек- тронный ресурс]. – 2002. – Режим доступа: http://mgtu- sistema.ru/ projects. ‒ Дата доступа: 26.01.2007. 67 УДК 67.08 Зуёнок Д.В., Нарушко Е.О. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ФРИКЦИОННОГО, АБРАЗИВНОГО, ЭРОЗИОННОГО, ВИБРАЦИОННОГО И КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА МАШИН, МЕХАНИЗМОВ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Комяк И.М. Эффективность защиты от износа с помощью специально созданного граничного смазочного слоя столь велика, что можно говорить о практической реализации понятия безыз- носности, введенного в обиход Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским в связи с открытием в 1956 г. эффекта избира- тельного переноса. Усилия мировых производителей смазочных материа- лов обеспечить условия противоизносной защиты, опира- ясь на традиционную гидродинамическую модель, приве- ли к росту стоимости масел и смазок до значений, недо- ступных массовому покупателю. Ситуация осложняется тем, что условия эксплуатации техники в развитых и раз- вивающихся странах принципиально различны. Напри- мер, в развитых странах поддерживается достаточно вы- сокий уровень качества дорожных покрытий, поэтому ав- томобили не испытывают ударов и резких сотрясений во время движения. Практикуется аккуратное техническое обслуживание и замена автомобилей по мере морального износа, вследствие чего износ двигателей и трансмиссии, в основном, не превышает половины ресурса. В Республике Беларусь, России и других странах каче- ство дорожного покрытия несколько хуже, а износ меха- нических узлов превышает 50% ресурса. Известно, что, в процессе износа любых механических узлов, величина вибропараметров (виброперемещения, виброскорости и виброускорения) – возрастает в 30-100 раз. Поэтому, с 68 первых метров пробега по не качественным дорогам, дви- гатели, трансмиссия и другие узлы автомобилей испыты- вают удары из-за неровностей на дорогах, а подавляющее большинство техники подвергается усиленному вибраци- онному воздействию. Все это вызывает пробои гидроди- намического разделительного слоя смазки и заставляет узлы трения работать в режиме граничной смазки. Пакеты антифрикционных, противоизносных и противо- задирных присадок, применяемые в зарубежных маслах и закупаемые отечественными производителями смазочных материалов, не рассчитаны на столь жесткие режимы экс- плуатации. В то же время, принципиальные возможности обеспе- чения безызносности, продемонстрированные исследова- телями избирательного переноса, уникальных свойств серпентинитов, трибополимеров, эпиламов, фтороргани- ческих, хлорорганических материалов и других средств защиты поверхностей трения, создают реальную основу для завоевания Россией конкурентных позиций на рынке смазочных материалов развивающихся стран. Эффектив- ность предлагаемого подхода наглядно подтверждается результатами испытаний антифрикционной ресурсовос- станавливающей композиции (АРВК), разработанной спе- циалистами Института машиноведения РАН и ООО «Вен- чур-Н» [1]. АРВК является суспензией, состоящей из базовой жидкости, серпентинита (силиката магния) в виде взве- си и трибополимеробразующей (ТПО) присадки. В АРВК, взаимно усиливающим образом, объединены уникальные антифрикционные и противоизносные свойства ТПО присадок и восстановительный эффект серпентинитов. Добавление 20 мл АРВК в литр любого, самого дешевого масла, повышает износостойкость до значения, в 2 раза превышающего показатели лучших импортных масел, что приводит к увеличению в 2-3 ра- за срока службы до капитального ремонта любого меха- 69 нического оборудования: двигателей внутреннего сго- рания, трансмиссии, компрессоров, редукторов, приво- дов, гидравлических систем, всех видов подшипников. При этом, непосредственно в процессе эксплуатации, происходит восстановление формы и размеров взаимо- действующих деталей. В результате, восстанавливается и выравнивается по ци- линдрам компрессия в двигателях внутреннего сгорания и в компрессорах, соответственно, восстанавливается крутящий момент двигателей и производительность компрессоров, уменьшается на 4‒6% потребление топлива и количество вредных выбросов, уменьшается на 10% потребление элек- троэнергии; уменьшается вибрация и температура саморазо- грева подшипников, редукторов и других узлов. АРВК для топлива восстанавливает изношенные механи- ческие узлы на всем пути топлива: в топливной аппаратуре, направляющие всасывающих клапанов, компрессионные кольца. Уменьшает скорость износа этих узлов. Композиция устраняет детонацию, улучшает условия сгорания топлива, снижает шумность двигателя, повышает приемистость, предотвращает отрицательные последствия применения не- качественного топлива. Полное восстановление двигателя достигается при одновременном применении АРВК для мас- ла и топлива. При обкатке новых двигателей внутреннего сгорания или двигателей после капитального ремонта наблюдается вос- становительно-корректирующее действие АРВК: размеры деталей во всех механических узлах приводятся к номиналу. В результате, рядовой отечественный двигатель приобретает характеристики европейских образцов. На электрическом транспорте технология АРВО позволя- ет перевести в безызносный режим эксплуатации с обслужи- ванием по вибродиагностическим показаниям подшипники электродвигателей, редукторы, компрессоры, подшипники колесных пар. 70 В компрессорах всех видов восстанавливаются криво- шипно-шатунный механизм, цилиндропоршневая группа, лубрикаторы, подшипники, насосы высокого и низкого дав- ления, минимизируется попадание масла в пневмосистему. Восстанавливаются все виды тяговых редукторов. В ре- зультате обработки гребней колесных пар, ресурс бандажей колесных пар электровозов и электропоездов до обточки уве- личивается в 1,5‒2,4 раза, в зависимости от исходной толщи- ны бандажей (60‒90 мм), снижается интенсивность бокового износа рельсов. Возможно нанесение твердосмазочных по- крытий, содержащих АРВК, на гребни колес и боковые по- верхности рельсов. Проведена обработка металлорежущих станков, путем добавления АРВК в масляную систему. На токарных станках достигнуто уменьшение в 3 раза биения обраба- тываемой детали, снижена вибрация шпиндельной группы подшипников. Восстанавливается точность ходового вин- та. Уменьшается износ направляющих. Возможно восста- новление направляющих и, в дальнейшем, снижение ско- рости износа путем нанесения твердосмазочных покры- тий, содержащих АРВК. Добавление АРВК к охлаждаю- щей жидкости в 2‒20 раз повышает стойкость резцов. Влияние АРВК на стойкость режущего инструмента про- верялось в наиболее жестких режимах, характерных для операции сверления. В результате было определено, введение АРВК в масло И-20 при сверлении стали 45 увеличило стойкость сверла в 3‒4 раза, крутящие моменты и силы резания уменьшились на 8‒10%; шероховатость поверхности снизилась на 20‒23 мкм, при сверлении стали 1Х18Н9Т с эмульсией и сульфоф- резолом стойкость сверла возросла в 2‒2,7 раза. Таким образом, можем сделать вывод, что в результате применения твердосмазочных покрытий и самосмазываю- щихся материалов гарантировано удвоение и утроение про- должительности работы до капитального ремонта всех видов механического оборудования. 71 ЛИТЕРАТУРА 1. Дроздов, Ю.Н. Антифрикционная противоизносная суспензия / Ю.Н. Дроздов [и др.] // Патент на изобретение. ‒ № 2237704 от 10.10. 2004 г. 2. Дроздов, Ю.Н. Новая противоизносная и антифрик- ционная ресурсовосстанавливающая композиция приса- док к смазочным материалам / Ю.Н. Дроздов [и др.] // Проблемы машиностроения и надежности машин. ‒ 2004. ‒ № 5. ‒ С. 50-53. УДК 669.24:541.138.2:546.98 Какарека А.С. ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ АЛЮМИНИЯ С ПОКРЫТИЯМИ Ni–P И Ni–W–P В СРЕДЕ ХЛОРИДА НАТРИЯ БГУ, г. Минск Научный руководитель: Врублевская О.Н. Путем проведения вольтамперометрических испытаний показана возможность использования химически осажден- ных сплавов Ni-P и Ni-W-P в качестве покрытий, замедляю- щих коррозию алюминия в солевой среде. Показано, что эф- фективность защиты алюминия покрытиями Ni-W-P выше, чем пленками Ni-P. Для защиты алюминиевых изделий от коррозии исполь- зуют анодирование, фосфатирование, осаждение из раство- ров металлических покрытий, покрытие красками или лака- ми [2]. Одним из наиболее простых и эффективных способов защиты от коррозии является безэлектролизное осаждение пленок металлов. Сплав Ni-W-P получали из раствора, разработанного авторами статьи, состава (моль·л-1): NiSO4 – 0,15, Na2WO4 – 0,15, Na3Cit – 0,15, глицин – 0,45, NaH2PO2 – 0,25 при 72 60±2ºС. Сплав Ni-P осаждали с использованием глицин- цитратного электролита аналогичного состава в отсут- ствие вольфрамата натрия при 85±5С В качестве подло- жек использовали алюминий марки АМГ2. Коррозионную устойчивость подложек оценивали в 10% растворе хлорида натрия методом вольтамперомет- рии: потенциостатический режим, потенциостат ПИ – 50- 1.1, трехэлектродная ячейка со вспомогательным плати- новым электродом и хлорсеребряным электродом сравне- ния, скорость развертки потенциала – 50 мВ/с. В качестве рабочего электрода использовали алюминий и алюминий с осажденными покрытиями Ni-P и Ni-W-P с различной толщиной покрытий, площадь рабочего электрода состав- ляла 1 см2. На рисунке 1 приведены вольтамперные кривые, ха- рактеризующие анодное окисление в растворе NaCl алю- миниевых электродов с покрытиями Ni-P, Ni-W-P и в их отсутствие, а также кривая, характе- ризующая растворение гальванически осажденного покры- тия из никеля толщиной 50 мкм [4]. В таблице 2 сопоставле- ны потенциалы начала растворения образцов и плотность анодного тока при потенциале 800 мВ, при котором раство- рение достаточно заметно. Результаты эксперимента свиде- тельствуют о том, что растворение алюминия протекает с высокой скоростью при потенциалах положительнее 320 мВ. Растворение гальванического покрытия из никеля, толщиной 50 мкм начинается при потенциале 60 мВ. Защитные пленки Ni-P и Ni-W-P при толщине 0,5..1,8 мкм сильно сдвигают начало окисления алюминия в область положительных потенциалов + (320–650) мВ в зависимости от состава и толщины пленок. Токи коррозии алюминиевого рабочего электрода с осажденными пленками Ni-P и Ni-W-P в при- сутствии этих пленок сильно уменьшаются. В сравнении с этими пленками электрохимически осажденные покрытия из никеля толщиной 50 мкм ведут себя в растворе NaCl бо- лее активно, поскольку потенциал начала окисления и ток 73 коррозии никеля занимают промежуточное положение меж- ду этими характеристиками для исследуемых пленок и алю- миния. Наибольший положительный сдвиг потенциала и ми- нимальный ток коррозии характерен для образов с покры- тиями Ni-W-P толщиной ~1 мкм. Отметим, что по данным вольтамперометрического исследования пленки Ni-P вы- полняют функцию защиты от коррозии, вызывая смеще- ние потенциала начала анодного растворения и уменьше- ние анодного тока, хотя и в значительно меньшей мере, чем пленки Ni-W-P той же толщины. Так, ток анодного окисления алюминиевых подложек, защищенных пленка- ми Ni-W-P, вдвое ниже, чем подложек с пленками Ni-P. -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 50 100 150 200 250 300 350 6 5 4 23 1 i, мА . см -2 E,мВ Рисунок 1 ‒ Анодные ветви вольтамперных кривых, ха- рактеризующих растворение алюминиевой подложки: 1 – без покрытия; 2 – с покрытием Ni–P толщиной 1,0 мкм; 3, 4 и 5 – с покрытием Ni-W-P толщиной 0,5 мкм, 1,0 мкм и 1,8 мкм. Кривая 6 характеризует поведение рабочего элек- трода с покрытием из электрохимически осажденного ни- келя толщиной 50 мкм [4] 74 Таблица 1 ‒ Потенциалы начала растворения и плот- ность анодного тока растворения алюминия и алюминия с покрытиями Ni–P, Ni–W–P и Ni Образец Al Алюминиевая подложка с покры- тием Ni– P Ni– W–P Ni– W–P Ni– W–P Ni [4] Толщина покрытия, мкм – 1,0 0,5 1,0 1,8 50 Потенциал начала окисления, мВ 320 400 320 650 330 -60 Плотность тока анодного растворения при потенциале 800 мВ, мА·см–2 230 30 90 15 25 190 Таким образом, в результате проведения эксперимента показана возможность использования для защиты алюми- ния от коррозии в растворах хлорида натрия тонких пле- нок Ni–P и Ni–W–P, полученных методом химического осаждения из гипофосфитных ацетатных (Ni–P) и цит- ратно-глициновых (Ni–W–P) растворов. Установлено, что наличие защитных пленок Ni–W–P обеспечивает сдвиг потенциала начала анодного растворения алюминия в по- ложительную область почти на 1000 мВ и уменьшение тока анодного растворения более чем на порядок. ЛИТЕРАТУРА 1. Vargel, C. Corrosion of aluminium / C. Vargel // Else- vier, 2004. ‒ P. 700. 2. Мальцева, Г.Н. Коррозия и защита оборудования от коррозии / Г.Н. Мальцева. ‒ Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. ‒ 211 c. 3. Djokić, S.S. Electroless Deposition of Metals and Alloys / S.S. Djokić // Modern Aspects of Electrochemistry. Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2002. ‒ Vol. 35. ‒ P. 51-133. 4. Воробьева, Т.Н. Сходство и различия в коррозион- ном поведении электролитических и металлургических сплавов никель-олово, медь-олово / Т.Н. Воробьева, Б.В. Кузнецов, Г.С. Телеш // Химические проблемы создания 75 новых материалов и технологий. ‒. Минск, БГУ, 2008. ‒ С. 104–116. УДК 678.674+677.027.625.16 Кандыба Ю.М., Журавлева М.В. ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ, ОБЛАДАЮЩИЙ ИОНООБМЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ БГТУ, г. Минск Научный руководитель: Крутько Э.Т. Статья посвящена изучению возможности получения по- лиэтилентерефталата с ионообменными свойствами путём озонирования модифицированного полиэтилентерефталата с разложением полимерных озонидов. В данной работе приве- дены результаты экспериментальных исследований по двух- стадийному синтезу полиэтилентерефталата, модифициро- ванного диметиловыми эфирами бицикло-(2,2,1)-гепт-5-ен- 2,3-дикарбоновой и бицикло-(2,2,2)-окт-5-ен-2,3- дикарбоновой кислот. Определены температурные характе- ристики, вязкость 0,5%-ных растворов сополимеров поли- этилентерефталата в смеси растворителей (фе- нол:тетрахлорэтан 1:1), а также содержание COOH-групп в полиэфире и сополиэфирах. Придание высокомолекуляр- ным соединениям ионообменных свойств достигается пу- тем введения карбоксильных групп в основную цепь по- лимера. Полимеры, содержащие карбоксильные группы, относятся к классу «иономеров», наличие ионной связи в которых приводит к появлению новых и значительному изменению технически важных свойств полимерных ма- териалов (ионообменные свойства, изменение прочности, теплостойкости, газо- и паропроницаемости, адгезионные характеристики и др.) [1]. Получение карбоксилсодержащих полимеров поликонден- сационного типа, в частности, полиэфиров, путём сополи- конденсации мономеров весьма затруднительно, поскольку карбоксильные группы мономера, являясь реакционноспо- 76 собными, участвуют в процессе образования макромолеку- лярных цепей. В этой связи для получения карбоксилсодер- жащих полиэфиров наиболее приемлемы методы полимера- налогичных превращений. Одним из способов химической модификации поли- этилентерефталата – сложного полиэфира, крупнотоннаж- но производимого на ОАО «Могилёвхимволокно» (Рес- публика Беларусь), является получение сополиэфиров, содержащих 1-10 мол.% звеньев бицикло-/2,2,2/-окт-5- еновой или бицикло-/2,2,1/-гепт-5-еновой структуры (ри- сунок 1). Такие сополимеры возможно получить путем совместной поликонденсации диметилового эфира тере- фталевой кислоты (ДМТ), этиленгликоля (ЭГ) и 1-10 мол.% (от ДМТ) диметилового эфира бицикло-/2,2,1/- гепт-5-ен-2,3-дикарбоновой (ДМЭ-БЦГК) или бицикло- /2,2,2/-окт-5-ен-2,3-дикарбоновой (ДМЭ-БЦОК) кислот. Синтез немодифицированного полиэтилентерефталата осуществляется в 2 стадии. Рисунок 1 На первой стадии проводят реакцию переэтерификации диметиловых эфиров терефталевой кислоты (ДМТ) и ди- метиловых эфиров бициклических дикарбоновых кислот (ДМЭ-БЦОК и ДМЭ-БЦГК) этиленгликолем (ЭГ) с обра- зованием диэтиленгликоль-производных дикарбоновых кислот (ДЭГП) и выделением низкомолекулярного соеди- нения – метанола. Процесс протекает в присутствии ката- CCO m OO CH 2 CH 2 ACH2 CH2 n p A O O O O CO C O CO C O , где или ДМЭ-АБОК ДМЭ-АБГК 77 литических количеств ацетата марганца. Вторая стадия синтеза полимера, протекающая в расплаве, катализиру- ется оксидом сурьмы. При введении вышеуказанных мо- дифицирующих компонентов в структуру основной цепи сложного полиэфира в его макромолекулах появляются алициклические группировки с непредельными (олефи- новыми связями), способными взаимодействовать с окислителями. В результате протекания окислительных процессов в структуре высокомолекулярного соединения появляются новые карбоксильные группы (дополнитель- но к концевым) (рисунки 2 и 3). Рисунок 2 Известно, что среди окислителей наиболее высокосе- лективным по отношению к олефиновым связям при по- лучении кислот является озон. В этой связи нами для изучения возможности проведе- ния реакций полимераналогичных превращений на поли- этилентерефталате, модифицированном диметиловыми эфирами бицикло-/2,2,1/-гепт-5-ен-2,3-дикарбоновой (ДМЭ-БЦГК) и бицикло-/2,2,2/-окт-5-ен-2,3-дикарбоновой (ДМЭ-БЦОК) кислотами, содержащими в своей бицикли- ческой структуре двойную непредельную связь, был ис- пользован озон. Способ придания ионообменных свойств модифициро- ванному полиэтилентерефталату состоял в том, что сопо- лиэфир на основе полиэтилентерефталата, содержащий OCH 2 C n C O O O CH 2 CH 2CH2 O CCOH p CCO m OO OH O O , где m = 0,92; n = 0,08; p = 65. 78 1‒10 мол. % звеньев бицикло-/2,2,2/-окт-5-еновой или би- цикло-/2,2,1-гепт-5-еновой структуры в виде 3‒5 % рас- творов в дихлоруксусной кислоте или в смеси тетрах- лорэтана и трихлоруксусной кислоты (1:1) об. ч. подвер- гали озонированию при 0‒10оС. Последующим разложе- нием полимерных озонидов в присутствии молекулярного кислорода при скорости его подачи 150 мл/мин, перок- сида водорода или надуксусной кислоты при 60‒80оС вы- деляли целевые продукты. После переосаждения получен- ных соединений определяли их температуры плавления, вязкости и содержание карбоксильных групп. Результаты данных экспериментальных исследований приведены в таблице 1. Рисунок 3 Принимая во внимание, что полиэтилентерефталат не имеет реакционноспособных карбоксильных групп в ос- новной цепи (за исключением концевых), создание мак- ромолекул этого сложного полиэфира, содержащих ионо- генные группы, открывает широкие возможности для дальнейшей химической модификации и комптабилиза- ции крупнотоннажно производимого в Республике Бела- русь ПЭТФ. В таблице 2 приведены физико-химические свойства и статическая обменная ёмкость полиэтилентерефталата, обладающего ионообменными свойствами. OCH 2 C n C O O O CH 2 CH 2CH2 O C OH C OH p CCO m OO O O , где m = 0,97; n = 0,03; p = 52. 79 Таблица 1 – Химический состав сополиэфиров и условия разложения озонидов № о п ы та Модификатор ПЭТФ Характеристика исходного образца модифици- рованного ПЭТФ для озонирования Условия разложения озонида Н аи м ен о ва н и е С о д ер ж ан и е, % м о л . Т ем п ер ат у р а п л ав л ен и я, 0 С У д ел ьн ая в яз к о ст ь 0 ,5 % -н о го р ас тв о р а п о л и м ер а в с м ес и ( ф ен о л : те тр ах л о р эт ан 1 :1 ) С о д ер ж ан и е С О О Н -г р у п п , г эк в 1 0 6 /г Реагент С к о р о ст ь п о д ач и к и сл о р о д а, м л /м и н Т ем п ер ат у р а, о С П р о д о л ж и те л ьн о ст ь, ч 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 ДМЭ- БЦОК 8 251- 252 0,24 3,05 Молекулярный кислород 150 80 17 2 ДМЭ- БЦОК 8 251- 252 0,24 3,05 10 мл 4%-ного раствора Н2О2 в ледяной ук- сусной кислоте - 60 20 3 ДМЭ- БЦОК 10 248- 249 0,23 4,7 Молекулярный кислород 150 80 17 4 ДМЭ- БЦОК 10 248- 249 0,23 4,7 10 мл 4%-ного раствора Н2О2 в ледяной ук- сусной кислоте - 60 20 5 ДМЭ- БЦГК 3 252- 253 0,20 3,4 Молекулярный кислород 150 80 17 80 Продолжение таблицы 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 ДМЭ- БЦГК 3 252- 253 0,20 3,4 10 мл 4%-ного раствора Н2О2 в ледяной уксус- ной кислоте - 60 20 7 ДМЭ- БЦГК 5 250- 251 0,19 5,3 Молекулярный кислород 150 80 17 8 ДМЭ- БЦГК 5 250- 251 0,19 5,3 10 мл 4%-ного раствора Н2О2 в ледяной уксус- ной кислоте - 60 17 9 ДМЭ- БЦОК 1 256- 257 0,33 3,07 Молекулярный кислород 150 80 15 10 ДМЭ- БЦОК 5 251- 252 0,23 5,12 Молекулярный кислород 150 80 17 11 ДМЭ- БЦГК 1 255- 256 0,26 3,75 Молекулярный кислород 150 80 17 12 ДМЭ- БЦГК 10 246- 247 0,17 4,81 Молекулярный кислород 150 80 20 Примечание. Озониды получены при пропускании через 50 мл 3‒5 % растворов сополиэфиров в дихлоруксусной кислоте озон-кислородной смеси с начальной концентра- цией озона 1,410-3моль/л со скоростью 100 мл/мин при температуре 10оС. Разработка модифицированного полиэтилентерефтала- та с ионообменными свойствами способствует решению проблемы создания новых материалов со специальными свойствами на основе полимеров, производство которых освоено в промышленном масштабе страны. Использова- ние такого полиэфира в качестве комптабилизатора ПЭТФ при производстве кордных волокон и тканей, использую- щихся при изготовлении резинотехнических изделий, в том числе и шин различного назначения, позволит повысить ад- гезионную связь полиэфирного корда с резиной за счёт до- полнительного содержания адгезионноактивных кар- боксильных групп в полимере, улучшив в итоге их эксплу- атационные характеристики. 81 Таблица 2 – Физико-химические показатели и статиче- ская обменная ёмкость ПЭТФ, обладающего ионобмен- ными свойствами Образец полимера Температура плавления Удельная вязкость 0,5%-ного раствора в смеси фе- нол:тетрахлорэтан 1:1 об. ч. при 0оС Содержание СООН- групп, гэкв106/г СОЕ, мгэкв/г 1 250-251 0,21 280 0,27 2 251-252 0,21 260 0,25 3 247-248 0,20 474 0,48 4 246-247 0,21 382 0,37 5 248-249 0,19 176 0,16 6 248-249 0,18 189 0,18 7 248-249 0,18 221 0,22 8 248-249 0,19 219 0,21 9 255-256 0,30 58 0,06 10 249-250 0,21 230 0,23 11 253-254 0,23 61 0,06 12 243-244 0,17 415 0,40 13 258-259 0,25 1,5 0,002 14 251-252 0,24 3,0 0,004 Примечание. Номера образцов соответствуют номерам образцов в таблице 1. Контрольные образцы полиэтилен- терефталата (13) и исходного сополиэфира (14), взятого для получения образцов модифицированного полиэтилен- терефталата с ионообменными свойствами (1 и 2). УДК 691.793 Кирикович М.К. ТЕХНОЛОГИЯ ДЕТОНАЦИОННОЕ НАПЫЛЕНИЕ. ОПИСАНИЕ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Койда С.Г. В настоящее время широко применяются следующие ме- тоды нанесения покрытий распылением: металлизация, газо- пламенное и плазменное напыление. Однако их свойства в 82 некоторых случаях не удовлетворяют предъявляемым требо- ваниям. Так, из-за сравнительно низкой прочности сцепления таких покрытий с основой ограничено их использование в машинах и механизмах, работающих при ударных нагрузках, а достигающая 10% пористость делает невозможной их экс- плуатацию в агрессивных средах. В связи с этим значительный интерес представляет де- тонационный метод нанесения покрытий. Сущность мето- да детонационного напыления (ДН ) весьма проста: в во- доохлаждаемую трубу (ствол) заполненную газовой взрывчатой смесью помещаются напыляемые частицы порошка после чего в газе возбуждается детонация. Взаи- модействуя с продуктами детонации, частицы нагревают- ся и ускоряются в направлении напыляемой поверхности детали, при столкновении с которой они образуют плот- ное и хорошо сцепленное с ней покрытие. Далее следует релаксация давления, продукты детонации почти полно- стью выходят из ствола, который продувается не реаги- рующим газом, вновь наполняется газовой взрывчатой смесью, (причем свежая взрывчатая смесь отделена от оставшихся в стволе продуктов детонации упомянутым не реагирующим газом ‒ для предотвращения спонтанного инициирования), происходит вбрасывание порции порош- ка, инициирование детонации и так далее. При каждом выстреле напыляется 1..7 мкм толщины покрытия на пло- щади, приблизительно равной диаметру ствола (20..30 мм). Выход детонационной волны в атмосферу сопровож- дается интенсивной звуковой волной амплитудой 140 ДБ на расстоянии 3 метров от среза ствола. Очевидно, что природа ДН ‒ взаимодействие с газообразными продукта- ми экзотермической химической реакции ‒ близка к газо- пламенному напылению. Однако, в отличие от него отсут- ствует сильный нагрев детали, что связано с импульсным характером процесса ДН [4]. 83 Рисунок 1 – Схема установки детонационного напыле- ния К преимуществам этого метода [1, 2] относят высокую прочность сцепления (10‒16 кг/мм2), высокую плотность (пористость менее 1%), возможность нанесения широкого класса материалов на подложки без изменения свойств материала основы. Кроме того, из всех существующих только данный метод позволяет наносить металлокерами- ческие твердые сплавы на основе карбидов вольфрама, хрома, титана. При этом свойства покрытий практически не отличаются от свойств аналогичных твердых сплавов, полученных методами спекания. Также к существенному преимуществу детонационного метода относится лишь незначительный нагрев напыляемого изделия по сравне- нию с другими методами (обычно < 250°С). Высокие экс- плуатационные свойства покрытий, получаемых методом детонационного напыления, позволяют радикально (в 5‒10, а в некоторых случаях в 20‒30 раз) повышать ре- сурс, износо- и коррозионную стойкость узлов и деталей. Однако у данного метода есть и недостатки к которым можно отнести:  трудность нанесения покрытий на очень твердую поверхность;  трудность использования порошков с невысокой плотностью частиц;  высокий уровень шума (до 130 дБ);  повышенная стоимость оборудования. 84 ДП дает возможность получить прочность сцепления покрытия с материалом основы, приближающейся к проч- ности основного металла. Детонационный метод позволя- ет использовать для нанесения покрытий разнообразные материалы: металлы и сплавы, тугоплавкие соединения, окислы, композиционные материалы. Эти материалы применяются исключительно в виде порошков с размером частиц 2‒150 мкм. Следует отметить, что после ДНП, так же как и при всех остальных методах высокотемпературного нанесения покрытий, при остывании в системе «покрытие ‒ основа возникают внутренние напряжения, часть которых снима- ется за счет разрыва некоторых из этих связей и частично- го ослабления прочности сцепления. При необходимости предварительной очистки или ак- тивации поверхности детали, а также для повышения прочности сцепления покрытия с подложкой производит- ся детонационно-абразивная обработка (ДАО) поверхно- сти под покрытие с использованием того же оборудова- ния, что и для нанесения покрытия. Для этого в ствол по- дается вместо порошка наносимого материала порошок абразива. Эффективность ДАО выше традиционной дробеструйной обработки. Знание и умение распределять наносимый материал по пятну совместно с правильно подобранной скоростью пе- ремещения обрабатываемой поверхности позволяют рав- номерно покрывать большие поверхности сложной кон- фигурации с минимальным припуском на последующую обработку. Технология ДНП позволяет достигать шерохо- ватости детонационных покрытий 1,6‒0,8 мкм, что дает возможность не обрабатывать ее в случае, если покрытие наносится с целью защиты от механического износа, эро- зии или коррозии. Сопрягаемые поверхности деталей, в зависимости от применяемого материала, должны пройти обработку (шлифование или сверхтонкую доводку) до получения 85 высокой степени чистоты, которая требуется для прецизи- онных деталей [5]. Высокие эксплуатационные свойства детонационных покрытий обусловили широкое их применение. В настоящее время детонационные твердосплавные покрытия успешно применяются для упрочнения алмазных (рисунок 2, а) буро- вых долот. Высокие прочностные и адгезионные свойства покрытий позволяют использовать детонационные покрытия для вос- становления штампового инструмента, например, вырубных штампов для сепараторов подшипников качения (рисунок 2, б). В автомобильной промышленности применение детона- ционных покрытий находит, в частности для восстановления и упрочнения изношенных шеек коленчатых валов (рисунок 2, в). В машиностроении детонационные покрытия широко применяются для восстановления изношенных шпинделей (рисунок 2, г). а б в г Рисунок 2 – Область применение детонационных покрытий 86 Отмеченные приложения далеко не исчерпывают об- ласть возможного использования детонационных покры- тий. Круг обрабатываемых деталей непрерывно расширя- ется, а методики и оборудование для детонационного напыления непрерывно совершенствуются, открывая но- вые перспективы и сферы применения данной технологии [6]. ЛИТЕРАТУРА 1. Зверев, А.И. Детонационное напыление покрытий / А.И. Зверев, С.Ю. Шаривкер, Е.А. Астахов. ‒ Л.: Судостроение, 1979. ‒ 232 с. 2. Бартенев, С.С. Детонационные покрытия в машино- строении / С.С. Бартенев, Ю.В. Федько, А.И. Григоров. ‒ Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. ‒ 215 с. 3. Борисов, Ю.С. Газотермические покрытия из порош- ковых материалов: справочник / Ю.С. Борисов [и др.]. ‒ Киев: Наукова думка, 1987. ‒ 544 с. 4. Детонационное напыление [Электронный ресурс] / Моспромтехно. – Режим доступа: http://mospromtehno. narod.ru/history/detonatsionnoe_napilenie html. – Дата доступа: 19.02.2010. 5. Детонационные покрытия [Электронный ресурс] /Режим доступа: http://www.sustainable-cities-net.org.ua/ newtechshow .php?id=71 6. Детонационные покрытия [Электронный ресурс] /Режим доступа: http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/ 2010/2010_1_569_575.pdf УДК 621.793 Леонтьев А.А. АЛМАЗОПОДОБНЫЕ ПОКРЫТИЯ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Койда С.Г. Алмазоподобные (DLC) покрытия представляют собой тонкие аморфные пленки на основе углерода. Микрострук- тура материала включает полимерную сетку (sp2 фракция) и 87 тетраэдрическую структурную сетку (sp3 алмазоподобная фракция). Наличие алмазоподобной фракции определяет высокую микротвердость DLC покрытий. Такие аморфные покрытия – состоят из атомов углерода как с алмазными, так и с графитоподобными связями. Высокое содержание ато- мов углерода с алмазными связями в присутствии графито- подобных связей, приводит к уникальным характеристикам алмазоподобных покрытий [1, 2]. Рисунок 1 – Структурная сетка алмазоподобного покрытия Таблица 1 – Физико-механические свойства углерод- ных покрытий Физико- механические свойства DLC(ta-C) «Специ- альные технологии» Алмаз Структура аморфный углерод алмаз Плотность, г/см3 3.4 - 3.6 3.6 Микротвер- дость, HV, ГПа 5000- 10000 7000 - 10000 Коэффициент сухого трения 0.15-0.08 0.2-0.05 DLC покрытия являются перспективным способом обра- ботки поверхности для увеличения поверхностной твердости и износостойкости деталей машиностроения, а также сниже- ния коэффициента трения. При применении DLC покрытий 88 можно ожидать улучшения износостойкости и эксплуатаци- онных свойств подшипников качения и скольжения, элемен- тов шестерных передач, элементах компрессоров, топливной и газовой аппаратуры и т.д. Высокая твердость алмазопо- добных покрытий в сочетании с оптической прозрачностью может быть использована для упрочнения поверхностей стеклянных или пластиковых элементов. DLC пленки явля- ются перспективным покрытием, препятствующим появле- нию царапин. Данные свойства пленок прекрасно зарекомендовали себя во многих отраслях нашей промышленности, в част- ности металлообрабатывающей для режущих инструмен- тов с АПП покрытиями на метчиках, фрезах, сверлах (наибольший эффект достигается при обработке медных, алюминиевых, титановых сплавов, стеклопластиков, бла- годаря низкому коэффициенту трения, режущий инстру- мент не увязает в металле), гелиотиновых ножах, на пресс-формах и штампах, Рисунок 2 – Режущий инструмент с алмазоподобным покрытием Также алмазоподобные покрытия наносятся на ответ- ственные детали машин и механизмов, работающих в усло- виях высокого трения и износа, подвижных, вращающихся деталей и узлов, подшипников, направляющих, захватыва- ющих деталей конвейеров, гидравлических цилиндров, поршней, подвижных, вращающихся деталей и узлов, под- шипников. Срок службы изделий при этом возрастает от 5 до 20 раз [3]. 89 Рисунок 3 – Детали двигателя внутреннего сгорания с алмазоподобным покрытием ЛИТЕРАТУРА 1. Rusnanonet [Электронный ресурс] / Российская национальная нанотехнологическая сеть. – Режим досту- па: http://www.rusnanonet.ru/goods/42215/. – Дата доступа: 20.02.2010. 2. Упрочняющие покрытия [Электронный ресурс] / ОАО «Плазмотех». – Режим доступа www.plasma-tech.ru/ diamond/ Дата доступа: 21.02.10 3. Алмазоподобные покрытия [Электронный ресурс] / Научно-технологический институт транскрипции, транс- ляции и репликации. – Режим доступа: http://kint- kib.narod.ru/ap.html. – Дата доступа: 19.02.2010. УДК 621.723 Линник А.В., Ефимов А.М. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ ПРИ МАГНИТНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ УПРОЧНЕНИИ С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ БГАТУ, г. Минск Научный руководитель: Акулович Л.М. Предложено усовершенствовать процесс магнитно- электрического упрочнения введением ультразвуковых коле- баний. Рассмотрена структура и свойства частиц при нане- сении покрытия способом магнитно-электрического упроч- 90 нения с введением ультразвука. Показано, что использование ультразвука совместно с процессом магнитно- электрического упрочнения позволяет улучшить физико- механические свойства наплавленного слоя. В результате этого повышается качество слоя, стабильность и произво- дительность процесса. Исследования по выяснению физического механизма магнитно-электрического упрочнения (МЭУ) в ультразву- ковом поле проводятся в соответствии с концепцией раз- работки технологии изготовления, восстановления и упрочнения деталей машин послойной наплавкой, намо- раживанием композиционных и синтетических материа- лов в комбинированных физических полях [1]. Суть процесса МЭУ порошковых ферромагнитных ма- териалов в ультразвуковом поле заключается в следую- щем [2]. В рабочую зону, зазор между подложкой (дета- лью) и источником ультразвука, одновременно являю- щимся источником магнитного поля, подаётся ферромаг- нитный порошок (ФМП). Частицы ферромагнитного по- рошка, обладающие магнитными свойствами, выстраива- ются вдоль силовых линий магнитного поля. Образуются «цепочки» из ферромагнитных частиц. Излучатель уль- тразвука, одновременно являющийся полюсным наконеч- ником, и подложка (деталь) подключается к источнику постоянного электрического тока. Роль магнитного поля на первой стадии: формирова- ние «цепочек» частиц. Этот процесс идет до включения постоянного электрического тока между деталью и маг- нитным наконечником. На деталь подается (–), на маг- нитный наконечник (+). Постоянный или прерывистый импульсный ток одного направления моментально разогревает «брикет» из частиц ферропорошка. Причем, температурное поле «брикета» не- однородно. Тепловой поток от разогрева порошка в обла- стях, примыкающих к подложке (детали) и магнитному 91 наконечнику, становится значительно больше, чем от сере- дины «брикета». В средней части «брикета» температура ферропорошка достигает точки Кюри раньше, и поэтому ферропорошок теряет магнитные свойства, превращаясь в парамагнетик [3]. Индукция магнитного поля между подложкой и нако- нечником уменьшается. В результате получается следую- щая последовательность расположения магнетиков, пред- ставленная на рисунке 1. N S 2 3 1 Рисунок 1 – Магнитные свойства частиц в рабочей зоне: 1 – ферромагнетик, 2 – парамагнетик, 3 – ферромагнетик В первый период процесса упрочнения частицы ФМП, которые находятся в контакте с деталью, припекаются к ней. Это происходит за счет электрических разрядов и контакт- ного электросопротивления большой плотности тока между деталью и частицами. После истечения определенного вре- мени частицы, находящиеся около детали до средней зоны и от средней зоны до полюсного наконечника нагреваются до точки Кюри, и все частицы превращаются в парамагнетик. На этом прекращается влияние магнитного поля на процесс упрочнения. Новые порции частиц (рисунок 2) восстанавливают дей- ствие магнитного поля. Жидкая фаза расплава из средней части стекает вниз на припекшиеся частицы и расплав попадает на свободные места детали. Так формируется первый слой фер- 92 ромагнитного покрытия и образуется дисперсное ферромаг- нитное покрытие, состоящее из не расплавившихся ферромагнит- ных частиц и закристаллизовавшегося расплава. N S 2 3 1 Рисунок 2 – Структура покрытия в рабочей зоне при упроч- нении в совмещенных физических полях: 1 – ферромагнитный порошок, 2 – расплавившийся ФМП, 3 – закристаллизовавшиеся и припекшиеся частицы ФМП к детали, 4 – жидкий расплав металла, заполняющий пространство между частицами и кристаллизующийся на детали Ультразвуковые колебания некоторое время после включения магнитного поля интенсифицируют теплооб- менные процессы в «брикете» ферропорошка и межфаз- ные процессы на границе раздела «деталь – расплавлен- ный слой ферропорошка». Эти процессы создают хоро- шую адгезию расплавленного ферропорошка с деталью и улучшают качество формируемого покрытия за счет со- здания мелкодисперсной структуры металла и дегазации затвердевшего расплава [3]. После проведенных исследований можно сделать вы- вод о том, что сочетание электромагнитного и ультразву- кового полей при МЭУ приводит к качественному изме- нению процесса: изменяются физико-механические свой- ства наплавленного слоя, повышается качество слоя, ста- бильность и производительность процесса. ЛИТЕРАТУРА 1. Стукин, А.С. Исследование процесса наплавки по- рошковых материалов в ультразвуковом поле / А.С. Сту- кин // Материалы 8 Республиканской научно-технической 93 конференции студентов и аспирантов. – Минск, 2003 – 159 с. 2. Шиляев, А.С. Ультразвук в науке, технике и техно- логии / А.С. Шиляев. – Гомель: РНИУП «Институт радио- логии», 2007. – 412 с. УДК 621.5 Ляпин К.Н. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ СОБСТВЕННОГО ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ВАКУУМЕ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Иванов И.А. Цель работы – изучить основные источники собствен- ного газовыделения материалов в вакууме и основные ме- тоды измерения интенсивности этого газовыделения. Каждый металл и неметалл содержит определенное ко- личество газа, который может присутствовать в виде раство- ренных примесей, либо в виде легирующего элемента, участвующего в формировании структуры этого металла (или неметалла). Если деталь, изготовленная из такого материала, по- мещается в вакуумную камеру, то растворенный в ней газ будет диффундировать к поверхности этой детали, откуда десорбируется и попадает в саму вакуумную камеру. Одним из условий сохранения высокого вакуумных в приборах является отсутствие газовыделений с поверхностей материалов, граничащих с вакуумом. В обычных условиях все материалы содержат связанные газы: удерживаются на поверхности за счет сил физической адсорбции (адсорбиро- ваны); растворены в объеме материала (абсорбированы); со- держатся в виде химических соединений (хемосорбирова- ны); имеются в виде объемных включений в порах, трещи- нах (окклюдированы). 94 Связанные газы при определенных условиях могут пе- реходить в свободное состояние (десорбироваться) и по- вышать давление в замкнутом объеме. Обычно в ходе откачки высоковакуумные системы и электровакуумные приборы подвергаются обезгажива- нию. В каждом конкретном случае следует рассматривать пару «материал – газ» и намечать соответствующие пути освобождения материала от газа. Также одной из причин газовыделения является испа- рение материалов с поверхностей детали вакуумной си- стемы. Испаряемость материалов в вакууме характеризу- ется упругостью пара (или плотностью пара) материала. Под этими терминами понимается давление, при котором материал испаряется при данной температуре. Существуют несколько способов определения количе- ства газов выделяемого материалом. Одними из наиболее простых являются: 1. Метод известной проводимости трубопроводов. В этом методе используются непрерывная откачка объема, в которой происходит газовыделение. 2. Метод изотермического расширения. О количестве вы- делившихся газов можно судить по увеличению давления в из- вестном по величине объеме, изолированном от насосов. Существуют несколько способов определения количества га- зов выделяемого материалом. Одними из наиболее простых яв- ляются: 1. Метод известной проводимости трубопроводов. В этом методе используются непрерывная откачка объема, в которой происходит газовыделение. 2. Метод изотермического расширения. О количестве вы- делившихся газов можно судить по увеличению давления в из- вестном по величине объеме, изолированном от насосов. Метод известной проводимости трубопроводов. В этом методе используются непрерывная откачка объе- ма, в которой происходит газовыделение. Для откачки ис- пользуется трубопровод известной проводимости. При наличии заметного газовыделения из образца в системе бу- дет повышаться давление даже при непрерывной откачке, 95 т.к. количество выделившихся в единицу времени газов бу- дет превышать, количество газов, удаляемых насосом через трубопровод, на концах которого устанавливается разность давлений Р1 – Р2 (где Р1 – давление на конце трубопровода обращенном к сосуду, а Р2 – на конце трубопровода, обра- щенном к насосу). Поток газа через трубопровод определяется выражени- ем: )( 21 PPUQ  , а количество газа, прошедшее за время Δτ, будет:  QG . Метод изотермического расширения. О количестве выделившихся газов (G) можно судить по увеличению давления в известном по величине объеме V2: )(2 начкон PPVG  , где Ркон – давление, которое установилось в системе при подключении объема, Рнач – начальное давление, которое было в объеме до соединения его с системой, в которой происходит газовыделение. Следует отметить, что газ попадает в систему не только в результате газовыделения из образца, но и десорбирует- ся с поверхности самой установки, а также проникает за счет натекания. Поэтому реально количество газа при данном способе измерений будет несколько ниже. Поток газа (Q), десорбирующегося с поверхности об- разца определяется выражением: t G VQ    2 , где ΔG – количество газа десорбированного с поверхности образца за время Δt. ЛИТЕРАТУРА 1. Розанов Л.Н. Вакуумная техника / Л.Н. Розанов. ‒ СПб: Машиностроение, 2007. 96 2. Холодкова, Н.В. Техника высокого вакуума: Лабор- таторный практикум / Н.В. Холодкова, И.В. Холодков. ‒ ГОУВПО Ивановский государственный химико- технологический университет, 2007. УДК 621.5 Мартысевич Н.О. ВАКУУМНЫЕ ЛОВУШКИ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Иванов И.А. Работа вакуумных насосов сопровождается рядом неже- лательных явлений: проникновение паров рабочих жидко- стей из насоса в откачиваемый объект; загрязнение насоса откачиваемыми веществами с высоким давлением насыщен- ных паров; потеря рабочей жидкости через выхлопной па- трубок; утечка откачиваемого газа. Для ограничения этих явлений служит специальное вакуумное оборудование: ло- вушки, влагопоглотители, натекатели, конденсаторы, филь- тры, уплотнители и т.д. Вакуумными ловушками называются устройства, слу- жащие для предотвращения проникновения паров рабочих жидкостей вакуумных насосов в откачиваемый объем. Цель работы – изучить устройство и принцип работы наиболее широко используемых вакуумных ловушек. В зависимости от рабочего давления различают: 1) высоковакуумные ловушки, предназначены для улавливания паров из диффузионных и бустерных па- роструйных насосов при молекулярном течении пара; 2) форвакуумные ловушки для улавливания паров из форвакуумных насосов при вязкостном и переходном ре- жимах течения пара. По принципу действия вакуумные ловушки делятся на механические, низкотемпературные, сорбционные, термиче- ские и электрические. В технологическом вакуумном обору- довании наибольшее применение находят механические и конденсационные ловушки. 97 К ловушкам предъявляются два основных требования: 1) максимальное защитное действие в течение заданно- го срока службы; 2) минимальное сопротивление основному потоку от- качиваемого газа. Дополнительными требованиями являются возмож- ность регенерации рабочего элемента, надежность, про- стота, технологичность конструкции, удобство эксплуата- ции. Форвакуумные ловушки служат для защиты откачива- емой системы от проникновения паров масла и продуктов его разложения из форвакуумных насосов в откачиваемую систему. Механические ловушки представляют собой устрой- ства, препятствующие прямому пролету паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект. Защитный элемент ловушки обычно выполняется из пористого мате- риала (стекла, стекловолокнистых материалов, пористой меди и нержавеющей стали) с размерами ячеек не более 0,1 мкм. Габаритные размеры ловушек зависят от удель- ной проводимости пористых материалов. Поглощение па- ров масла осуществляется адсорбцией на стенках капил- лярных каналов. Срок службы пористых элементов со- ставляет несколько сотен часов, после чего он должен быть заменен новым. Для повторного использования от- работавший элемент очищается продувкой атмосферным воздухом и нагревом до температуры около 500 оС. Пери- од непрерывной работы ловушки можно увеличить добав- лением в пористые элементы адсорбционных материалов: активированных углей, цеолитов, активного оксида алю- миния и др. В адсорбционных ловушках удаление поглощенных в ра- бочем элементе масла и воды осуществляют путем его нагрева до температуры 300‒500 оС нагревателем. Ловушки с адсорбентом нельзя подвергать воздействию атмосферного воздуха, так как они могут поглотить большое количество 98 атмосферной воды, которая затем будет выделяться во время работы насоса. В ионных ловушках используют тлеющий холодный разряд. Разряд горит при напряжении на аноде около 3 кВт и наличии осевого магнитного поля, создаваемого внешними магнитами. Такая ловушка уменьшает парци- альное давление паров масла в 10‒100 раз. В сорбционной ловушке установлен сменный пакет со слоями из различных сорбентов. Принцип действия низкотемпературных форвакуумных ловушек основан на конденсации паров масла и продуктов его разложения на поверхностях ловушек, охлажденных до низких температур. Ловушки устанавливают на впуск- ном патрубке форвакуумного насоса. Установка азотной ловушки над форвакуумным масля- ным насосом позволяет получить предельное остаточное давление 2·10-3 Па. Ловушки могут работать не менее 15 ч без доливки жидкого азота в диапазоне давлений 105‒10-2 Па. Высоковакуумные ловушки. Предельное давление вы- соковакуумных насосов обусловлено обратным потоком паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект. Для его уменьшения на пути обратного потока устанавли- вают ловушки, которые по принципу действия можно раз- делить на конденсирующие, диссоциирующие и сорбиру- ющие. Простейшей конденсирующей ловушкой, служащей для уменьшения проникновения паров рабочей жидкости из паромасляных насосов, является колпачковый маслоот- ражатель. Он представляет собой колпачок, устанавлива- емый над верхним соплом паромасляного насоса и охла- ждаемый водой. Отражатель позволяет в 20‒30 раз уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости из паромасляных насосов, не снижая практически быстроты действия насоса. 99 К оптически непрозрачным механическим ловушкам от- носят устройства, действие которых основано на том, что молекулы рабочей жидкости, поступающие из любой точки насоса, не могут проникнуть в откачиваемую систему без со- ударения с элементами улавливающего устройства. Для наиболее полной защиты откачиваемой системы от паров ра- бочей жидкости пароструйных насосов служат низкотемпера- турные ловушки, применение которых в хорошо дегазиро- ванной системе для паромасляных диффузионных насосов позволяет получать остаточное давление 10-8 Па и для парор- тутных насосов 10-10 Па. Для паромасляных диффузионных насосов в зависимости от требований, предъявляемых к оста- точному давлению и составу остаточных газов, применяют ловушки, охлаждаемые до температур от 243 до 77 К. Таким образом, использование вакуумных ловушек позволяет существенно уменьшить загрязнение техноло- гических камер. Выбор типа ловушки зависит от типа ис- пользуемого вакуумного насоса. УДК 621.793 Мисник И.В. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ TiN ВАКУУМНО- ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗДЕЛИЯХ ИЗ СТЕКЛА БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Комаровская В.М. Одной из главных задач современной науки и техники по-прежнему остается проблема экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов. В настоящее время одним из путей решения данной проблемы является повы- шение износостойкости рабочих поверхностей, так как в большинстве случаев выход изделий из строя обусловлен износом. Согласно [1] износостойкость – это свойство мате- риала оказывать сопротивление изнашиванию в определен- ных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной 100 скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Износостойкость в значительной степени зависит от микро- твердости поверхностного слоя [2]. Как известно формиро- вание вакуумно-плазменных покрытий защитно- декоративного назначения на поверхности изделий из стекла позволяет повысить микротвердость поверхности, следова- тельно, улучшается износостойкость данных изделий. Одна- ко в литературе практически отсутствуют сведения о трибо- технических свойствах TiN вакуумно-плазменных покрытий на неметаллических материалах, в частности стекле. Следует отметить, что при определении износостойкости необходимо соблюдать следующее условие: процесс должен имитиро- вать воздействие на рабочие поверхности реальных внешних факторов [3]. Исходя из анализа условий работы изделий из стекла с TiN вакуумно-плазменными покрытиями защитно- декоративного назначения, было сконструировано и изго- товлено специальное приспособление, позволяющее опреде- лить износостойкость данных изделий. Общий вид приспособления представлен на рисунке 1, а конструкция на рисунке 2. Рисунок 1 – Общий вид приспособления для определе- ния износостойкости покрытий На плите (9) закрепляется двигатель (2) с выключателем (1). На валу двигателя устанавливается войлочный круг (18). На планках (7) установлена шпилька (3) с закрепленным на ней кронштейном (8). К кронштейну прикреплен корпус (5), предназначенный для установки испытуемых образцов. Для удобной и безопасной установки образцов предусмотрена 101 Рисунок 2 – Конструкция приспособления для определения износостойкости покрытий 1 – выключатель; 2 – двигатель; 3 – шпилька; 4 – кожух; 5 – корпус; 6 – винт; 7 – планка; 8 – кронштейн; 9 – плита; 10 ‒ 15 – винт; 16 – гайка; 17 – шайба; 18 – круг возможность откидывания кронштейна относительно шпильки. В целях соблюдения техники безопасности при испытаниях предусмотрен защитный кожух (4). Испытания износостойкости проходят при следующих режимах: схема – периферия круга – плоскость при тре- нии без смазочного материала (рисунок 3); частота вра- щения вала n = 100 мин-1, удельная нагрузка q = 0,01 МПа, что соответствует реальным условиям работы изделий из стекла с покрытием. Критерием окончания эксперимента служит полное истирание покрытия. 102 ЛИТЕРАТУРА 1. Обеспечение износостойкости изделий. Трение, из- нашивание и смазка. Термины и определения: ГОСТ 23.002-78. – Введ. 03.07.1979. – Межгос. Научно- техническая комиссия по стандартизации, техническому нормированию и сертификации, 1979. – 21 с. 2. Мрочек, Ж.А. Плазменно-вакуумные покрытия: Мо- нография / Ж.А. Мрочек [и др.]. – Минск: УП «Техно- принт», 2004. – 369 с. 3. Егоров, А.Л. Оценка механической прочности по- верхности оптических покрытий методом истирания абра- зивом во вращающемся барабане / А.Л. Егоров, В.Ф. Ми- хайлов // Оптико-механическая промышленность, 1990. – № 4. – С. 75–78. УДК 621.793 Муравейко А.Н. ОСОБЕННОСТИ НАНЕСЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА КРУПНОГАБАРИТНЫЕ ПЛОСКИЕ ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Шахрай Л.И. При разработке конструкции вакуумной установки одной из основных проблем является выбор таких размеров ваку- умной камеры и формы приемной поверхности, которые Рисунок 3 ‒ Схема испытаний 103 позволят получить заданную толщину покрытия при макси- мальном использовании приемной поверхности. Распределение толщины покрытия по приемной по- верхности определяется следующим образом [1] : t=         0 2 coscos d R А n , (1) где t – толщина оптического покрытия; τ – время напыления; А – постоянная, зависящая от условий напыления; φ(τ) – угол между нормалью к поверхности испарения и радиус-вектором точки, в которой определяется толщи- на оптического покрытия; θ(τ) – угол между нормалью к поверхности, на кото- рую происходит конденсация и радиус-вектором; R – радиус-вектор; n – показатель степени,зависящий от условий напыле- ния. Оптимизацию геометрии вакуумной камеры обычно проводят для косинусного распределения потока пара по формуле (1) [2]. Для реального испарителя закон распре- деления потока пленкообразующего материала отличается от косинусного, т. е. показатель степени в выражении от- личен от 1. Распределение конденсата по приемной поверхности зависит как от геометрии вакуумной камеры, формы и размеров деталей, так и от технологических факторов при напылении: давления, скорости напыления, температуры подложки, формы поверхности испарения. Вследствие этого реальная неравномерность толщины покрытия по поверхности деталей отличается от расчетной. Особые затруднения возникают при нанесении покрытий на круп- ногабаритные детали. При исследовании в условиях предриятия «Оптическое станкостроение и вакуумная техника» распределения кон- денсата по поверхности плоской оптической детали диа- 104 метром 700 мм, установленной в вакуумной установке ВУ-3, внутренний диаметр который равен 800 мм, было получено, что неравномерность толщины оптического по- крытия составляет 33 % (рисунок 1). Рисунок 1 – Распределение неравномерности толщины покрытия по поверхности плоской детали в зависимости от ее радиуса: 1-n=1, 2-n=1,3 Получение равномерных оптических покрытий на та- ких крупногабаритных, практически совпадающих с диа- метром вакуумной камеры, плоских деталях невозможно без введения дополнительных устройств – масок. В связи с этим необходимо рассчитать, эксперимен- тальным путем откорректировать и изготовить корректи- рующие маски и системы их крепления, позволяющие проводить нанесение равномерных по толщине вакуум- ных покрытий на на плоские поверхности оптических де- талей диаметром 700 мм. Форма вращающейся корректирующей маски на плос- кую деталь диаметром 700 мм, установленную в вакуум- ную камеру установки ВУ-3, рассчитывается с учетом ме- тодики, приведенной в работах и исходя из реального рас- пределения толщины покрытия по детали. Корректирующая маска представляет собой заслонку, ось вращения которой совпадает с осью вращения детали и устанавливается между деталью и испарителями (рису- 105 нок 2). Схематическое изображение положения вращающейся корректирующей маски относительно плоской детали в вакуумной камере представлено на (рисунке 3). Рисунок 2 ‒ Контур ле- пестка маски, выравниваю- щей толщину оптического покрытия по поверхности плоской детали диаметром 700 мм Рисунок 3 – Схема располо- жения в вакуумной камере вращающейся маски и детали относительно источника испарения Корректирующая маска вращается в сторону, противо- положную стороне вращения оптической детали, а ско- рость вращения корректирующей маски в 25 раз больше скорости вращения оптической детали. Корректирующая маска, благодаря своей форме, избирательно экранирует поверхность оптической детали, чем уменьшает неравно- мерность толщины оптического покрытия по поверхности детали. Применение рассчитанной вращающейся корректирую- щей маски снижает неравномерность толщины оптического покрытия по поверхности оптической детали диаметром 700 мм до 2 %. При проведении исследования распределения конден- сата по поверхности плоской оптической детали диамет- ром 700 мм необходимо напыление металлодиэлектриче- ского зеркала состоящего из слоев алюминия: двуокиси 106 циркония (ZO2) и двуокиси кремния (SiO2). Напыление проводилось без нагрева оптической детали при давлении в вакуумной камере 1·10-3 Па и скорости вращения арма- туры 15 об/мин. Спектральные характеристики наносимо- го оптического покрытия исследуются на спектрофото- метре Epsilon. УДК 621.762.4 Нагорная Е.В., Зыгмантович В.М. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛОЗЫ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Зуенок А.Ю. В век металла и пластика возникает особенно острое желание вернуться к природе. Люди все чаще отдают предпочтение экологически чистым естественным мате- риалам. И здесь важное место могут занять верба и лоза. Эти «подпитывающие» растения способствуют наращива- нию энергетики человека и увеличивают сопротивляе- мость организма болезням. Соприкосновение с лозой улучшает самочувствие, дает ощущение бодрости, прили- ва сил. К тому же лоза ‒ весьма послушный материал, из которого можно создавать самые разнообразные плетеные изделия: корзины, изящные кресла-качалки, канапе, жар- диньерки, журнальные столики... Плетение из лозы ‒ один из старейших промыслов. Он был распространен еще в XVIII-XIX вв., преимуществен- но в местностях недалеко от рек. На изящную мебель, корзины из лозы, окрашенные, а иногда и покрытые позо- лотой, появился такой спрос, что во французской провин- ции Шампань для посадки ивы раскорчевывались даже виноградники. Плетение стало модой. Десятки тысяч лю- дей занимались этим ремеслом в Пруссии и Баварии. Для обучения мастеров повсеместно открывались специальные школы. 107 Основной инструмент для работы с лозой – острый нож. Необходимы будут также ножницы с острыми кон- цами (для бересты), шило и киянка. Материал – столярный, казеиновый или универсальный клей для скрепления концов изделия из лозы, а так же тонкая проволока, мелкие гвозди и нитки. Плетение из лозы, как и любой другой традиционный промысел, требует долгого терпения и мастерства. Кор- зинки и другие изделия чаще всего плетут из молодых по- бегов ивы, растущей по берегам рек и озер. Самые гибкие и удобные для работы ‒ побеги ивы, срезанные ранней весной, как только сойдет снег. В это время и следует их заготовить. Можно, конечно, пользоваться для плетения и прутьями, срезанными в другое время года, но они менее гибки. Срезают прутья острым ножом, как можно ближе к земле, снизу вверх «на ус». Срезанные весной свежие побеги отлично гнутся без предварительной обработки. Однако после продолжи- тельного хранения их требуется перед плетением вымо- чить и распарить, чтобы сделать гибкими и эластичными. Такая же обработка нужна и для прутьев, срезанных ле- том, осенью или зимой: их вымачивают сразу после срез- ки. Прутья укладывают в корыто или в бочку и заливают водой. Вымачивание продолжается от 5 до 15 дней ‒ в за- висимости от того, как долго хранились срезанные побеги и насколько они высохли. Воду в корыте или бочке время от времени меняют. Летом лозу можно уложить для вы- мачивания в ручей или в реку в мелком месте возле бере- га, придавив прутья камнями. Вымоченные прутья станут еще более гибкими, если их после этого распарить в печи или прокипятить на слабом огне. Для кипячения прутья укладывают в металлическое оцинкованное корыто или в бак для белья, заливают водой и прикрывают, затем, сняв гибкую белую кору, сортируют ее по длине и диаметру. А потом снова вымачивают, так 108 как плести можно только из влажного материала. Лозой обычно оплетают заранее заготовленный каркас ‒ тоже из ивовой древесины. У опытных мастеров, фантазия кото- рых безгранична, даже на основе одного и того же шабло- на могут получиться два совершенно разных предмета. Опишу приемы плетения из прутьев на примере двух корзин различной формы: круглой и цилиндрической. Круглую корзину плетут так. Подбирают два прута одинаковой толщины по всей длине (тонкие вершины сре- зают). Длина прутьев зависит от желаемой величины кор- зины. Она может быть, например, диаметром 50..60 сан- тиметров. Из прутьев сгибают обручи. Удобнее всего это сделать, воспользовавшись в качестве шаблона толстым круглым поленом, пнем, бочонком и т.д. Концы прутьев срезают наискосок ‒ «на ус» ‒ и скрепляют тонкими гвоз- дями или проволокой. Один обруч вставляют во второй под прямым углом накрест и в местах скрещивания опле- тают пять-шесть раз тонким прутом. Горизонтальный об- руч будет бортом корзины, нижняя часть вертикального ‒ основой дна, а верхняя ‒ ручкой. Нарезают 4 или 6 прутьев вдвое меньшей длины, чем те, из которых сделаны обручи. Концы прутьев заостряют лопаточками. Этими концами прутья закрепляют в местах скрещивания обручей: продевают заостренные концы под скрепляющую обручи оплетку. Два или три прута уста- навливают таким образом ниже борта с одной стороны основы, столько же прутьев ‒ с другой стороны. Закреп- ленные прутья, которые называют стояками, изгибаются полукруглыми дугами. Сделав каркас корзины, начинают плести ее. Конец тон- кого прута придерживают снаружи у основы, загибают внутрь корзины над нижним стояком, выводят снова наружу, над следующим стояком загибают снова внутрь и т. д. Прут огибает стояки поочередно то с одной, то с другой стороны и поэтому прочно держится между ними. На борту прут сги- бают и продолжают плетение сверху вниз. Дойдя до основы, 109 снова сгибают и ведут снизу вверх. Два соседних прута оги- бают каждый стояк с противоположных сторон. Когда прут кончается, конец его обрезают у одного из стояков «на ус», прикладывают к срезу нового прута и продолжают плетение. Сращивать прутья следует не у основы и не у бортов корзи- ны, а в промежутках между ними. Рисунок 1 ‒ Плетение корзин из лозы Так оплетают весь каркас корзины. Цилиндрическую корзину для сбора картофеля, овощей и фруктов плетут иначе. Основу и стояки корзины делают из одних и тех же длинных прутьев. Число их должно быть четным: 6, 8 или больше ‒ в зависимости от величины корзины. Прутья складывают веером накрест, в месте пересечения перевя- зывают тонким прутом. В перевязи закрепляют заострен- ной лопаточкой конец длинного прута и плетут дно кор- зины по кругу, пропуская этот прут поочередно сверху и снизу прутьев основы. Когда сплетут дно нужных размеров, свободные концы прутьев основы отгибают кверху. Получаются стояки. По ним плетут стенки корзины горизонтально, по кругу и так, чтобы корзина постепенно расширялась кверху. Дойдя приблизительно до половины высоты, в плетение встав- ляют концы согнутых пополам прутьев. Это ручки. Каж- 110 дая ручка состоит из 3-4 прутьев. Затем продолжают пле- тение стенок доверху. Борт корзины и ручки оплетают тонким прутом. Во время плетения прутья пристукивают киянкой, что- бы они теснее легли друг к другу. Такими же приемами пользуются при плетении других вещей. Изделия из лозы практичны в применении, удобны, эс- тетичны, поэтому не утратили популярности и в наше время. При бережном отношении они могут прослужить более 20 лет. Кроме того, мебель и другие изделия из лозы имеют приятный запах, придают интерьеру легкость и изящество. Техника плетения позволяет избегать острых углов, создавать обтекаемые, плавно извивающиеся фор- мы. А стойкость к влаге и высоким температурам позво- ляет применять ее также в саунах и бассейнах. Специали- сты утверждают, что по прочности мебель из лозы не уступает дубовой. ЛИТЕРАТУРА 1. Лисин, А.С. Плетение из лозы / А.С. Лисин. – М.: МСП, 2007. 2. Локрина, Т.В. Композиции с лозой и берестой / Т.В. Локрина. – М.: Ниола 21 век, 2005. 3. Трапездников, Ф.Ф. Плетение ивового прута и бересты / Ф.Ф. Трапездников. – М.: Нива России, 1992. УДК 621.762.4 Нарушко Е.О. ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ОТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ ЛОПАТОК ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА В АВИАСТРОЕНИИ БНТУ, г. Минск, Научный руководитель: Орлова Е.П. Лопатки осевого компрессора изготавливают из никеле- вых жаропрочных сплавов. Однако эти сплавы не обеспечи- 111 вают достаточной стойкости к воздействию агрессивной среды газового потока двигателя. В газовой среде содержат- ся агрессивные компоненты, вызывающие образование на поверхности лопаток солевого осадка и резкое увеличение скорости разрушения поверхностного слоя металла. Газовые турбины нередко работают на топливе, содержащем повы- шенную концентрацию серы, что приводит к постепенному накоплению на поверхности лопаток осадка соли и протека- нию сульфидной коррозии. В составе топлив нередко при- сутствует ванадий, легкоплавкие оксиды которого вызывают разрушение поверхностного слоя лопаток газовых турбин. Высокотемпературное окисление жаропрочных никелевых сплавов в сочетании с сульфидной и ванадиевой коррозией, а также эрозией существенно ограничивают ресурс лопаток. Применение защитных покрытий позволяет увеличить ре- сурс лопаток в 3..5 раз. Эффект достигается правильным вы- бором технологии и химического состава покрытий приме- нительно к конкретным условиям эксплуатации газовых турбин. На лопатках газовых турбин широко применяют две группы покрытий ‒ диффузионные и конденсационные. Диффузионные покрытия получают контактным или бесконтактным способами в порошковых смесях с помо- щью шликеров или в газовой среде, содержащей насыща- ющие элементы (алитирование, хромирование, кобальти- рование, хромоалитирование и др.). Положительный эф- фект дает использование двухстадийных технологий, ко- гда на первой стадии осаждают никель, кобальт, хром, а затем проводят алитирование или хромоалитирование. Такие технологии обеспечивают реализацию комплексно- го легирования поверхностного слоя лопаток насыщаю- щими элементами. Важнейшим преимуществом диффузи- онных покрытий является возможность защиты от газовой коррозии труднодоступных поверхностей охлаждаемых лопаток газовых турбин (полости, щели, каналы отверстия перфорации) 112 Конденсационные покрытия получают способами плаз- менного, вакуумно-плазменного, магнетронного или элек- тронно-лучевого напыления из слитков или брикетов, пред- ставляющих собой металлические сплавы для покрытий, например, сплавы систем Ni-Cr-Al-Y (СДП-2), Al-Si-Y (ВСДП-11), Ni-Cr-Al-Ta-W-Hf-Y (СДП-ТВГ) и др. Применяемые покрытия обычно формируются на осно- ве алюминидов никеля или кобальта. Базовой системой высокотемпературных покрытий является система Ме-Cr- Al, где в качестве Ме используют Ni, Со. Легирующие элементы в покрытиях можно разделить на три основные группы:  элементы, формирующие защитную оксидную плёнку (Al, Cr, Si);  элементы, тормозящие диффузионные процессы в са- мом покрытии и в диффузионной паре «сплав-покрытие» (Та, Re, W);  микролегирующие элементы, улучшающие адгезию оксидной плёнки при газовой коррозии (Y, Ce, La, Hf, Si). К вредным примесям в покрытиях относятся кислород, азот, кальций, сера, которые могут поступать в покрытия из различного рода отложений, накапливающихся на по- верхности лопаток в процессе эксплуатации. Новым направлением, активно развивающимся в по- следнее десятилетие, является создание многокомпонент- ных композиций высокотемпературных покрытий на базе совместного применения диффузионного и конденсаци- онного способов. Конденсационно-диффузионные покрытия относятся к новому классу комбинированных защитных покрытий. Совместное использование двух технологий позволяет успешно решать проблемы увеличения работоспособно- сти жаростойких покрытий при температурах на металле вплоть до 1200°С путём введения в покрытия тугоплавких металлов (Та, Re, W), эффективно тормозящих диффузи- онное «рассасывание» покрытия на границе со сплавом и выполняющих роль диффузионного барьера. Применение 113 диффузионного способа решает при этом проблему защи- ты внутренних полостей на лопатках турбин. Тантал и вольфрам являются важнейшими упрочняю- щими элементами в покрытии. Кремний, гафний, иттрий обеспечивают высокую долговечность покрытия при изо- термическом и циклическом окислении. Введение тантала в покрытие однозначно приводит к повышению жаро- стойкости по сравнению с покрытиями СДП-2 (Ni ‒ основа; Cr ‒ 15‒17 %; Al ‒ 7,5‒10,5 %; Y ‒ 0,5‒1,5 %), алитировани- ем или ВСДП-11 (Al ‒ основа; Si ‒ 5,2 %; Y ‒ 1,65 %) в частности на сплавах ЖС6У и ЖС32 при температурах 1100 °С и 1150 °С. Толщина слоя СДП-ТВГ составляет 0,030‒0,040 мм. При изготовлении отверстий перфораций в охлаждае- мых лопатках нередко наблюдается поверхностное рас- трескивание (фрагментация), которое снижает надежность и является причиной отбраковки деталей, тормозит воз- можность увеличения ресурса лопаток по характеристи- кам жаропрочности сплавов, применяемых для изготовле- ния лопаток. Механизм разрушения металлов при солевой коррозии обычно связывают с флюсованием оксидов. Чем меньше скорость флюсования оксидов, тем выше долговечность лопаток турбины. Наиболее перспективной в качестве ос- новы для разработки и совершенствования защитных си- стем на лопатках газовых турбин, работающих на загряз- нённых сортах топлива, является пятикомпонентная си- стема Ni-Co-Cr-Al-Y [10, 11]. Оптимальное сочетание вы- сокой жаростойкости, хорошей фазовой и структурной стабильности достигается при использовании в качестве покрытий сплавов на никелевой основе, содержащих ко- бальта 12‒20 %, хрома 17‒20 %, алюминия 9,5‒10,5 %. Испытания на солевую коррозию при температуре 900 °С по разработанной авторами методике показали, что али- тированные образцы имеют срок службы не более 100 ч, хромоалитированные ‒ не более 150 ч, кобальтхромоалити- 114 рованные ‒ до 250 ч. Наиболее высокую стойкость к соле- вой коррозии показали образцы с комбинированным по- крытием, полученным напылением слоя сплава СДП-ТВГ толщиной 0,04 мм и последующим хромоалитированием ‒ до 400 ч. ЛИТЕРАТУРА 1. Абраимов, Н.В. Высокотемпературные материалы и по- крытия для газовых турбин / Н.В. Абраимов. ‒ М.: Машино- строение, 1993. ‒ 336 с. 2. Строганов, Г.Б. Жаропрочные покрытия для газовых турбин / Г.Б. Строганов [и др.]. ‒ М.: Навигатор-Экстра, 2000. ‒ 165 с. 3. Абраимов, Н.В. Материаловедение. Технология конструк- ционных материалов. Учебник для вузов / Н.В. Абраимова. ‒ М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. ‒ 560 с. 4. Абраимов, Н.В. Химико-термическая обработка жаро- прочных сталей и сплавов / Н.В. Абраимов. ‒ М.: Интермет Ин- жинеринг, 2001. ‒ 622 с. 5. Арзамасов, Б.Н. Химико-термическая обработка материа- лов в активизированных средах / Б.Н. Арзамасов. ‒ М.: Маши- ностроение, 1979. 6. Абраимов, Н.В. Методика испытаний сопротивляемости сплавов и покрытий солевой коррозии / Н.В. Абраимов [и др.]. // Коррозия: материалы, защита. ‒ № 6. ‒ 2007. ‒ С. 5‒6. 7. Симонов, В.Н. Хромоалитирование циркуляционным спосо- бом охлаждаемых лопаток газовых турбин / В.Н. Симонов. ‒ М.: Металловедение и термическая обработка металлов. ‒ № 7 (625), 2007. ‒ С. 36‒39. 8. Абраимов, Н.В. Структурные изменения в алюминидном покрытии на сплаве ЖС32 при баротермической обработке / Н.В. Абраимов [и др.] // Коррозия: материалы, защита. ‒ № 9. ‒ 2008. ‒ С. 23‒28. 9. Абраимов, Н.В. К вопросу об эффективности многоком- понентных покрытий для жаропрочных сплавов / Н.В. Абраи- мов [и др.] // Коррозия: материалы, защита. ‒ № 10. ‒ 2005. ‒ С. 10‒13. 10. Никитин, В.И. Коррозия и защита лопаток газовых тур- бин / В.И. Никитин. ‒ Л.: Машиностроение, 1987. ‒ 272 с. 115 11. Косицин, С.В. Вляние кобальта на структурно-фазовую ста- бильность и свойства сплавов Ni-Co-Cr-Al вблизи эвтектических составов / С.В. Косицин // ФММ. ‒ 1999. ‒ № 3. ‒ С. 85‒98. УДК 621.52 Павленова В.А. ЭФФЕКТИВНАЯ ИОННАЯ ОБРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В ВАКУУМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО СЕТОЧНОГО ЭЛЕКТРОДА БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Федорцев В.А. В последние десятилетие в приборо- и машинострое- нии все большее применение находят разные методы ион- ной обработки материалов, среди которых наиболее эф- фективным является метод ионной обработки с помощью высокочастотного (ВЧ) сеточного электрода, разработан- ный еще в начале 1970 г. в Государственном оптическом институте (г. Ленинград) [1]. Метод сочетает простоту и надежность ВЧ распыления с возможностью обработки оптических деталей сложной конфигурации и размеров. Схема установки для ионной обработки диэлектриков с помощью ВЧ сеточного элек- трода показана на рисунке 1. В отличие от других известных методов ВЧ распыле- ния в данной схеме ВЧ напряжение подается не на деталь, а на сеточный электрод из проводящего материала, кото- рый подключен к ВЧ генератору через емкость. Обраба- тываемая деталь устанавливается непосредственно за электродом. При определенном давлении рабочего газа между ВЧ электродом и заземленным анодом 3 возникает газовый разряд. При отрицательном напряжении на элек- троде ионы вытягиваются из плазмы разряда и бомбарди- руют электрод и диэлектрическую деталь, пролетая сквозь сетку. При положительном напряжении электрод и деталь бомбардируются электронами, которые снимают наведен- 116 ный положительный заряд. Также как и при обычном ВЧ распылении, благодаря высокой подвижности электронов, положительное напряжение на электроде практически близко к нулю. Рисунок 1 ‒ Схема подколпачной арматуры: 1 ‒ вакуумная камера; 2 ‒ держатель образца; 3 ‒ обра- зец; 4 ‒ ВЧ сеточный электрод; 5 ‒ катушки Гельмгольца; 6 ‒ разделительный конденсатор Важнейшим элементом данной схемы ВЧ распыления является сеточной электрод. Конструкция электрода, как показали эксперименты, определяет не только эффектив- ность, но и возможность ионной обработки диэлектриче- ской детали. В процессе работы сетка подвергается ион- ной и электронной бомбардировке, в результате чего про- исходит ее распыление и нагрев. Следовательно, материал сетки должен иметь небольшой коэффициент распыления, быть термостойким, а конструкция электрода должна обеспечить сохранение его формы при нагреве. Эксперименты показали, что наиболее удачной оказалась сетка, составленная из металлических пластин шириной 2‒4 мм и толщиной 0,3‒0,5 мм (рисунок 2). 117 Рисунок 2 ‒ Конструк- ция ВЧ сеточного электрода: 1 ‒ пластины электрода; 2 ‒ обойма электрода; 3 ‒ заземлённый экран Рисунок 3 ‒ Распределение съёма материала образца между пластинами электрода при различных расстояниях между пластинами: а ‒ менее 3 мм; б ‒ 3 мм; в ‒ более 3 мм В качестве материала сетки использовался никель, мо- либден, тантал. Пластины свободно крепились в пазах держателя, что обеспечило полное сохранение формы электрода при нагреве и его жесткость. Кроме того, такая конструкция обеспечивает хороший теплоотвод от пла- стин, на массивный держатель сетки. При использовании ВЧ электрода, состоящего из пла- стин, установлено, что скорость распыления электрода отно- сительно мала. Распыляется, в основном, торцовая грань пластин, в то время как боковые грани распыляются незна- чительно. Как показали измерения размеров пластин после 1000 ч работы, боковые грани распыляются на порядок мед- леннее торцов. Следует отметить, что сетка из напряженной металлической проволоки вообще непригодна для изготов- ления ВЧ электрода, так как скорость ее распыления высока, в том числе за счет угловой зависимости. В результате в процессе обработки превалирующим оказывается нанесение на деталь распыляемого материала сетки. Чтобы исключить 118 распыление нерабочих частей электрода, держатель пластин и все токонесущие элементы заключены в заземленные экраны. Поскольку газовый разряд в описываемой системе под- держивается за счет электронной эмиссии из сеточного электрода, оказалось, что разряд обладает большей ста- бильностью, чем при ВЧ распылении диэлектриков. Эф- фективность обработки диэлектрической детали при этом зависит от расстояния между пластинами. На рисунке 3 показан профиль съема поверхности стекла К8 между пластинами ВЧ электрода (толщина пластин ‒ 0,5 мм, ши- рина ‒ 4 мм, длина ‒ 120 мм, рабочий газ ‒ аргон, напряже- ние ‒ 1,5 кВ, плотность ионного тока ‒ 2 2сммА) в зависи- мости от расстояния между пластинами. Максимальный съем при всех расстояниях оставался одинаковым при равном времени обработки. При малых (до 3 мм) расстояниях между пластинами имеет место значительная экранировка ионного потока эле- ментами электрода. С увеличением расстояния между пла- стинами «прозрачность» ВЧ электрода растет при неизмен- ной скорости распыления образца. Однако при расстоянии более 3 мм начинается уменьшение скорости распыления центральной части образца, при дальнейшем увеличении расстояния между пластинами участок детали в центре во- обще бомбардироваться не будет. Для эффективности рабо- ты ВЧ электрода следует выбирать оптимальное расстояние между пластинами. В рассматриваемом случае оно составля- ет 3 мм. Эффективность работы электрода в плане оптими- зации конструкции не зависит от напряжения в пределах 1‒4 кВ, плотности тока 1‒4 2сммА, массы ионов от 20 до 130 а.е. Ширина пластин в пределах 2‒4 мм не влияет на «прозрач- ность» электрода, т.е. не изменяет плотность ионного тока. Увеличение толщины пластин приводит к уменьшению «прозрачности» электрода, что можно использовать для управления съемом поверхности обрабатываемой детали. 119 Таким образом, оптимальные конструктивные пара- метры ВЧ сеточного электрода: ширина пластин ‒ 4 мм, расстояние между пластинами ‒ 3 мм, толщина пластин ‒ 0,5 мм, материал пластин ‒ молибден. Электрод такой конструкции, в основном, использовался при разработке технологии высокоточной размерной обработки и ионной ретуши. ЛИТЕРАТУРА 1. Габович, М.Д. Плазменные источники ионов / М.Д. Габович. ‒ Киев: Наук думка, 1964. 2. Волчков, В.И. Ионная обработка оптических матери- алов и создание высокоточных оптических элементов / В.И. Волочков. ‒ М.: ЦНИИ информ., 1983. 3. Миллер, В.Т. Технология изготовления прецизион- ных оп-тических элементов / В.Т. Миллер. ‒ М.: ЦНИИ информ, 1986. УДК 621.762 Петюшик Т.Е. МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ РАЗРАБОТКЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ НАНОСТРУКТУРНОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ПАП-2 И SBA-15 БНТУ, г. Минск Разработана матрица планирования эксперимента при определении зависимости прочности материала от соот- ношения объемов его компонентов и размеров частиц наполнителя. Интенсификация работ по созданию любых объектов но- вой техники требует сокращения времени проведения экспе- риментальных научных исследований при обеспечении вы- сокой достоверности получаемых результатов. 120 Основной и первоначальной задачей работы было опре- деление оптимального соотношения объемов алюминиевой пудры ПАП-2 и сорбента SBA-15 для получения материала с максимальными прочностью и коэффициентом проницаемо- сти. Экспериментально этот процесс не эффективен: занима- ет много времени и требует большого расхода материала. Для решения этих проблем применяли метод планирования эксперимента. Планирование эксперимента – это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и до- статочных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. Здесь существенно следующее:  стремление к минимизации общего числа опытов;  одновременное варьирование всеми переменными, определяющими процесс, по специальным правилам – алго- ритмам;  использование математического аппарата, формали- зующего многие действия экспериментатора;  выбор четкой стратегии, позволяющей принимать обоснованные решения после каждой серии эксперимен- тов. На первой стадии планирования необходимо опреде- лить отклик и факторы эксперимента. Отклик – выходная переменная, характеризующая систему, изучаемую в экс- перименте, фактор – величина, характеризующая то или иное свойство объекта. В работе откликом является проч- ность, а факторами – соотношение объемов порошков и размер частиц SBA-15. Чтобы иметь возможность построить стандартную ор- тогональную план-матрицу эксперимента необходимо применить кодирование факторов: перевод натуральных факторов (размер частиц SBA-15 и соотношение объемов порошков) в безразмерные величины. Для перевода нату- ральных величин в кодовые хi заполняют таблицу кодиро- вания переменных на двух уровнях (таблица 1). В каче- 121 стве нулевого уровня факторов выбираем центр интерва- ла, в котором предполагаем вести эксперимент. Таблица 1 ‒ Кодирование факторов Интервал варьирования и уро- вень факторов Факторы Соотношение SBA- 15/ПАП-2, % Размер SBA-15, мкм Нулевой уровень xi=0 50 45 Интервал варьирования i 49 55 Нижний уровень xi= -1 1 10 Верхний уровень xi= +1 99 100 Кодовое обозначение х1 х2 Выбор интервала варьирования обусловлен тем, что он должен быть достаточно мал для получения линейного уравнения, но, вместе с тем, достаточно велик, чтобы не получить ошибочного вывода о незначимом влиянии ка- кого-либо из факторов. Связь между кодовым и натуральным выражением фактора задается формулой (1) [1]. i ii i 0 xX x    (1) где Xi – натуральное значение фактора, хi0 – значение i- го фактора на нулевом уровне, i – интервал варьирования i- го фактора. В общем виде зависимость числа опытов от числа уровней факторов имеет вид N = pk, (2) где N – число опытов; р – число уровней факторов; k – число факторов. Условия эксперимента удобно записывать в виде таб- лицы, которую называют матрицей планирования экспе- римента. Приведенный план эксперимента представляет собой расширенную матрицу, так как введен столбец х1·х2, поз- 122 воляющий оценить коэффициент регрессии при взаимо- действии факторов. Задачей измерения является не только определение значения самой измеряемой величины, но и также и оцен- ка погрешности, допущенной при измерении. Таблица 2 ‒ Матрица планирования № опыта х 1 х 2 х 1*х2 Прочность, МПа у 1 у 2 у 3 у ср 1 - 1 - 1 + 1 2 2 2 1 2 3 2 2 2 + 1 - 1 - 1 4 2 3 3 3 - 1 + 1 - 1 1 3,3 1 5 1 3,7 1 4 4 + 1 + 1 + 1 1 ,5 1 ,2 1 ,8 1 ,5 0 8 8 8 8 При одинаковом числе параллельных опытов на каж- дом сочетании уровней факторов необходимо оценить воспроизводимость процесса, который проверяется по критерию Кохнера, или Фишера.  un макс f;f;.n u u u G s s G 050 1 2 2     , (3) где   1 1 2 2      m уу s m p uu u срp , (4) p=1,2; m ‒ число параллельных опытов; 2 Uмаксs ‒ наибольшая из дисперсий в строчках плана; G(0,05; fn;fu) – табличное значение критерия Кохрена при 5%-ном уровне значимости; fn=n ‒ число независимых оценок дисперсии; fu=m-1 ‒ число степеней свободы каждой оценки. 123 Процесс считается воспроизводимым, если выполняет- ся неравенство (3). При этом дисперсия воспроизводимо- сти (ошибка опыта) определяется по формуле (5) n s s n u u у   1 2 2 (5) В нашем случае процесс воспроизводим, так как значе- ние критерия Кохрена G= 0,274, а табличное G(0,05; fn;fu)=0,7679. При этом дисперсия воспроизводимости (ошибка опы- та) 7202 ,s у  . Коэффициенты регрессии рассчитывают по формулам (6- 8). n y b n u ср.u  10 (6) n y*x b n u ср.ui i u   1 (7) n y*x*x b n u ср.uji ij uu   1 (8) Рассчитанные коэффициенты регрессии приведены в таблице 3. Таблица 3 ‒ Коэффициенты регрессии Коэф. регрессии 1 b0 10,125 2 b1 -7,875 3 b2 -2,375 4 b1.2 1,625 Полученное уравнение регрессии 124 У=10,125-7,875х1-2,375х2+1,625х1х2 (9) Проверка адекватности линейной модели выполняется с помощью критерия Фишера. Адекватность обоснована, если выполняется неравенство (10).  yад f;f;. y ад F s s F 0502 2  , (10) где   1 1 2 2      rn yy s n u uср.u ад , (11) уu – расчетное значение отклика в u-м опыте; F(0.05; fад; fu) – критерий Фишера при 5%-ном уровне значимости; fад=n-r- 1=4-2-1=1 – число степеней свободы дисперсии адекват- ности; fu=4 – число степеней свободы дисперсии воспро- изводимоти. F(0.05;1; 4)=7,7086. В нашем случае модель адекватна, так как S2ад=0, а, следовательно, и F=0. По данным таблиц 1 и 2 с помощью формулы (1) урав- нения (9) приведем к натуральным переменным.  r,,r,, 62513752875712510 , (12) Уравнение (12)отражает зависимость прочности образ- цов ( ) от размера частиц (SBA-15r) и от соотношения компонентов ( ). Графически полученная зависимость представлена на рисунке 1. Из графика видно, что максимальная прочность получен- ного материала достигается при соотношении SBA-15/ПАП- 2 равном 1/10, а размер частиц SBA-15 в выбранном интер- вале размеров на прочность влияния практически не оказы- вает. Определение оптимального размера частиц SBA-15 в составе композиционного материала должно осуществляться 125 для другого выходного параметра: например, сорбционной емкости материала. Таким образом, матрица планирования сокращает вре- менные и материальные затраты на исследования, и при этом дает возможность проведения детального анализа возможных результатов. УДК 543.25 Плигина А.А. ОПЕРАТИВНЫЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОДЕРЖАНИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ БГТУ, г. Минск Научный руководитель: ассистент Болвако А.К. The method of inversion voltamperometry was used to investi- gate electrochemical behavior of microconcentrations of Zn2+, Рисунок 1 – Зависимость прочности от размера частиц SBA и со- отношения объемов порошков 126 Cd2+, Cu2+ and Pb2+ in water solutions on a mercury film elec- trode. The impact of zinc, cadmium, copper and lead during their joint determination was studied. Optimal conditions for obtaining analytical signals of zinc, cadmium, copper and lead were estab- lished. Предприятия машиностроения, химические и перера- батывающие производства постоянно нуждаются в опера- тивном аналитическом контроле качества воды, как на стадии осуществления технологических операций, так и при контроле качества воды, поступающей на очистные сооружения, а также при сбросе сточных вод в водоемы. При этом особую важность имеет возможность экспресс- контроля содержания соединений, представляющих зна- чительную опасность вследствие высокой токсичности и малых значений предельно допустимых концентраций. Среди возможных методов определения ИТМ при сов- местном присутствии значительными преимуществами обладает метод инверсионной вольтамперометрии (ИВА). Метод ИВА характеризуется низкими (до 10–10 моль/дм3) пределами обнаружения, достаточно высокой селективно- стью и хорошими метрологическими характеристиками. Легкость компьютеризации и невысокая стоимость обору- дования делает ИВА весьма перспективным методом для аналитических определений ИТМ по сравнению с други- ми методами. Целью работы является разработка программно- аппаратного комплекса для определения цинка, свинца, кадмия и меди при совместном присутствии и оптимиза- ция режимов определения ИТМ методом переменнотоко- вой квадратноволновой инверсионной вольтамперомет- рии. Работа выполнена на компьютеризированном ком- плексе, включающем электрохимический датчик «Мо- дуль ЕМ-04», полярограф ПУ-1, аналого-цифровой преоб- разователь и комплект программного обеспечения UniChrom. 127 Для осуществления химико-аналитических определе- ний были разработаны шаблоны для программы UniChrom, обеспечивающие выполнение анализа с использованием методов градуировочного графика, ограничивающих растворов и добавок. Предусмотрена возможность осу- ществлять необходимую статистическую обработку ре- зультатов измерений, прежде всего автоматическое усреднение результатов анализа при регистрации не- скольких вольтамперограмм. В качестве аналитического сигнала оператор может выбрать либо высоту пика, либо его площадь. Возможности компьютерной среды позво- ляют представлять результаты измерений с расчетом дисперсий и стандартных отклонений, погрешностей градуировочного графика и др., при этом всегда остается возможность доработки программы под конкретные нужды (виды отчетов, способы представления результа- тов измерений и др.) с помощью встроенного интерпре- татора и гибкого инструмента, позволяющего экспорти- ровать данные в сторонние приложения, в частности в электронные таблицы. При практическом использовании разработки можно варьировать: метод нахождения неизвестной концентра- ции; необходимое число параллельных измерений; изме- ряемую величину, на основании которой осуществляется расчет результатов анализа (высота пика или площадь под ИВА-пиком); форму представления результатов измерений с указанием необходимых статистических параметров; состав исполь- зуемых стандартных растворов и др. Трехэлектродная электрохимическая ячейка включала дисковый вращающийся электрод из углеситалла с гео- метрической площадью поверхности 6 мм2, вспомогатель- ный электрод – стеклоуглеродный стаканчик и электрод сравнения – насыщенный хлорсеребряный. 128 Для приготовления рабочих растворов использовались реактивы квалификации «х.ч.» и «ч.д.а.» и дистиллиро- ванная вода. Температура – комнатная. Для формирования ртутно-графитового электрода (РГЭ) in situ, создания кис- лой среды и подавления миграционного тока использовал- ся фоновый раствор, содержащий, моль/дм3: KCl – 0,335, HCl – 0,02 и Hg(NO3) – 5∙10 –5. Каждое измерение состояло из четырех стадий: накоп- ления, успокоения, регистрации аналитического сигнала и регенерации электрода с использованием анодной линей- ной развертки потенциала. Каждое измерение включало 3 последовательных цикла. Для расчетов использовались значения высоты пика и площади под вольтамперной кри- вой, полученные как средний результат из трех парал- лельных измерений. Для оптимизации режимов ИВА-определения в каче- стве варьируемых параметров были выбраны амплитуда налагаемого переменного напряжения , время накопле- ния  и частота вращения рабочего электрода . Время накопления  варьировалось в интервале 21-101 с, амплитуда переменного напряжения  – от 20 до 40 мВ и скорость вращения индикаторного электрода  – от 500 до 1500 об/мин при скорости развертки потенциала 40 мВ/с. Критерий оптимизации – минимизация относи- тельной погрешности определения ИТМ в пробе, опреде- ляемой по методу «введено-найдено». Установлено, что в области потенциалов –(0,4÷1) В (х.с.э.) происходит активное растворение металлов из их амальгам, и на вольтамперной кривой регистрируются пики, площадь (или высота) которых прямо пропорцио- нальна концентрации металла в амальгаме, и соответ- ственно, в анализируемом растворе. При более электропо- ложительных потенциалах протекает окисление ртути и очистка индикаторного электрода – стадия регенерации. Линейность зависимости величины пика тока (площади под пиком) соблюдается в диапазоне концентраций 129 (2÷7)·10–5 моль/дм3 для Zn2+ и Cu2+; (2÷7)·10–6 моль/дм3 для Cd2+ и Pb2+. Достоверность аппроксимации получен- ных градуировочных графиков находилась в пределах 0,96–0,99. Наибольшую чувствительность РГЭ имел по отношению к ионам Zn2+ и Cd 2+. На основании анализа регрессионных моделей, описы- вающих влияние параметров проведения ИВА определе- ния на величину относительной погрешности определе- ния, установлено, что факторами, оказывающими влияние в наиболее сильной степени, являются продолжительность стадии электронакопления и величина амплитуды налага- емого переменного напряжения при развертке потенциала. При этом можно выделить как линейную зависимость, так и зависимость второго порядка, а также влияние на вели- чину относительной погрешности определения комбина- ции этих факторов. Гидродинамические условия проведе- ния стадии электронакопления вносят значительный вклад в величину погрешности определения при определении всех ИТМ. Величина относительной погрешности определения компонентов при всех режимах, как правило, не превыша- ла 50%, что является достаточно хорошим показателем при определении микроконцентраций. В то же время были подобраны условия определения, позволяющие снизить относитель- ную погрешность до 5–20% за счет использования опти- мальных условий концентрирования определяемых ком- понентов на индикаторном электроде и выборе параметров прове- дения стадии регистрации. Проведение аналитических определений в условиях переменнотоковой квадратноволновой ИВА с линейной разверткой потенциала обеспечило четкое разделение пи- ков цинка, свинца, меди и кадмия при анодной развертке. Разность потенциалов между характеристическими пика- ми окисления в зависимости от концентрации электроак- 130 тивных компонентов и условий определения составляла для цинка и кадмия 0,31–0,38 В, между пиками кадмия и свинца – 0,19–0,27 В. Стадия регенерации и очистки РГЭ с окислением ртути происходила при более электроположи- тельных потенциалах и не оказывала влияния на раздель- ное определение ИТМ. Проведенные определения микропримесей цинка, свинца, меди и кадмия в водопроводной воде и модельных растворах сточных вод, характеризующихся сложным со- ставом, с использованием разработанного комплекса и режимов измерений, могут свидетельствовать о возмож- ности эффективного инверсионно- вольтамперометрического определения указанных приме- сей в водах с приемлемой погрешностью. УДК 528.711 Рябцев Р.Л. ОСОБЕННОСТИ ФИНИШНОЙ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Федорцев В.А. Использования в приборостроении традиционных мето- дов финишной обработки высокоточных линз, керамики и полупроводниковых пластин являются очень дорогими и трудоемкими. Основным препятствием в изготовлении вы- сококачественных точных линз является, как правило, то, что они изготовлены из хрупких материалов, таких как стек- ло, которое может треснуть во время обработки. Даже одна микротрещина может существенно снизить качество объек- тива и сделать его абсолютно непригодным для дальнейшего использования. Обработку линз можно разделить на два этапа: шлифо- вание и отделочная обработка. С помощью шлифования осуществляется получение линзы нужного размера, а в 131 процессе отделочной обработки удаляются трещины и другие мелкие дефекты поверхности. Обычно производи- тели осуществляют шлифование линз вручную, что делает этот процесс достаточно трудоемким. Возможно, основ- ным недостатком ручного шлифования и отделочной об- работки является то, что эти процессы не автоматизирова- ны. Для преодоления этих трудностей Центром Производ- ства Оптики (Рочестер, штат Нью-Йорк) была разработана технология для автоматизации отделочной обработки линз, известная как магнитореологическая обработка (МРО). Процесс МРО опирается на уникальные «умные» жид- кости, известные как магнитореологические (МР) жидко- сти. МР-жидкости – это суспензии микронных размеров намагниченных частиц, таких как карбонильное железо, диспергированные в немагнитных средах, таких как сили- коновое масло, миниральные масла, вода. В отсутствие магнитного поля идеальные МР-жидкости находятся в состоянии покоя. С применением внешнего магнитного поля наблюдается феномен, называемый Магнитореоло- гическим эффектом (рисунок 1). Рисунок 1 ‒ Магнитореологический эффект На рисунке 1а представлено случайное распределение ча- стиц в отсутствии внешнего магнитного поля; на рисунке 1b под воздействием магнитного поля частицы намагничивают- ся и выстраиваются в цепочки. Частицы приобретают ди- польные моменты, пропорциональные напряженности маг- нитного поля. И когда дипольное взаимодействие между частицами превышает значение показателя их тепловой 132 энергии, частицы выравниваются в цепочки диполей, кото- рые ориентированны по направлению действия магнитного поля. На рисунке 1c показано положение, приобретаемое частицами, в следствии действия напряженности магнитного поля и напряжений сдвига γ.Реологически, поведение МР- жидкости под действием магнитного поля описывается пла- стической моделью Бингмана: где τ – напряжения сдвига в жидкости, τ0 – напряжения сдвига, генерируемые действием магнитного поля; η – ди- намическая вязкость жидкости и γ' – интенсивность сдвига [s-1]. Динамическая вязкость в основном зависит от типа жидкости. Величина τ0 зависит от напряженности магнит- ного поля, Н. Силы, действующие в жидкости (например напряжения сдвига), возрастают с увеличением сил маг- нитного поля. Однако это увеличение не является линей- ным, так как частицы являются ферромагнитными и зна- чение показателя намагниченности различных частиц мо- жет колебаться. Давление, создаваемое МР-жидкостями на поверхности линзы, могут варьироваться в пределах 50..100 кПа, для создания такого давления напряженность магнитного поля должна изменяться в диапазоне 150..250 кA/м (~2-3 kOe). Максимальная напряженность магнитно- го поля ограничена значением магнитной проницаемости МР-жидкости. Благодаря возможности управления реологическими свойствами путем изменения силы тока, МР-жидкости полу- чили широкое распространение в различных отраслях про- мышленности. МР-жидкости используются в амортизаторах и различных демпфирующих устройствах, муфтах, тормо- зах, приводах, также данные жидкости применяются при обработке эндопротезов. Параметры обработки могут регу- лироваться путем изменения силы и направления магнитно- го поля, действующего на жидкость. Стандартные МР- жидкости эффективны для финишной обработки оптических 133 стекол, керамики, пластмасс и некоторых немагнитных ме- таллов. Исходя из схемы процесса магнитореологической обработки, приведенной на рисунке 2, выпуклые, вогнутые или плоские заготовки помещаются над опорной поверхно- стью. Согласно рисунку 3, слой МР-жидкости расположен на внешней части вращающегося диска. Под воздействием магнитного поля в рабочем зазоре происходит ориентирование абразивных частиц в МР- жидкости и осуществляется формирование зоны обработки. Устра- нение микронеровностей и дефектов поверхности проис- ходит благодаря повороту линзы в зоне обработки относи- тельно своей оси с постоянной скоростью. Рисунок 2 ‒ Схема магнито- реологической обработки Рисунок 3 ‒ Вертикаль- ная установка для магнито- реологической обработки Удаление материала происходит за счет создания МР- жидкостью напряжений сдвига на обрабатываемой поверх- ности. Автоматизация отделочной обработки плоских, ци- линдрических и шаровых поверхностей может быть осу- ществлена за счет контроля процесса обработки с помощью ЭВМ. Отделочная обработка поверхностей с помощью МР- жидкостей имеет ряд преимуществ по сравнению с тради- ционными методами финишной обработки, в частности силы резания регулируются с помощью магнитного поля; жидкость удаляет тепло и стружку из зоны обработки; си- лы, действующие на обрабатываемую поверхность, имеют 134 значительно меньшие значения, чем при шлифовании кру- гом; MP-жидкость автоматически приспосабливается к форме обрабатываемой поверхности, копируя ее. Управляемый с помощью ЭВМ, магнитореологический процесс позволил производить обработку поверхности с точностью 10..100 нм, и снял многие ограничения, прису- щие обычным видам финишной обработки [1]. Уникаль- ные характеристики данного метода, сделали его наиболее эффективным при отделочной обработке оптики, входя- щей в состав приборов навигации, медицинского обору- дования, военной техники (прибор ночного видения, ин- фракрасный бинокль и т.п.) и т.д. ЛИТЕРАТУРА 1. Kordonski, W.I. Magnetorheological finishing / W.I. Kordon- ski // International Journal of modern physics B, Vol. 10, 1996. 2. Furst, E.M. Micromechanics of Magnetorheological Suspen- sions . E.M. Furst // Physical Review E. ‒ Vol. 61, № 6. ‒ 2000. ‒ P. 6732‒6739. 3. Kordonski, W. Static Yield Stress in Magnetorheological Fluid / W. Kordonski // Int. J. of Modern Physics B, Vol. 15, Nos. 6 & 7, 2001. ‒ P. 1078-1084. УДК 621.5 Сергеева А.Г. ВЛИЯНИЕ ИОННОГО АССИСТИРОВАНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Бабук В.В. Одной из важнейших проблем вакуумной технологии оптических покрытий является повышение эксплуатаци- онных характеристик, в том числе механической прочно- сти получаемых пленок. В последние годы рядом авторов показано, что бомбардировка растущей пленки ионами (или нейтральными молекулами) инертного или реактив- 135 ного газа вызывает протекание в· районе бомбардировки ряда процессов, которые, в конечном счете, приводят к изменению свойств пленок. Использование ионного ассистирования (ИА) совмест- но с традиционными методами вакуумного нанесения тонких пленок позволяет получить высокую адгезию пле- нок к подложкам, что дает возможность, расширить ком- бинации материалов подложки и покрытий, обеспечива- ющих высокие эксплуатационные характеристики. Надежность таких покрытий зависит от особенностей ад- гезионного взаимодействия на границе раздела покрытие- основа. Адгезионная прочность соединения достигается со- зданием протяженного переходного слоя, в котором обеспе- чивается непрерывное изменение структуры и свойств мате- риала. Эффективным способом формирования такого слоя яв- ляется ионно-лучевая обработка покрытия на начальном этапе его формирования, когда длина пробега ускоренных ионов превышает толщину пленки. В результате имплан- тации и ионно-лучевого перемешивания может быть сформирован приповерхностный слой с изменяющимся по глубине содержанием атомов осаждаемого материала. Одним из факторов увеличения адгезии вследствие воздействия ионного пучка на поверхность подложки яв- ляется очистка от адсорбированных загрязнений и страв- ливание тонкого поверхностного слоя. Другим фактором является имплантация атомов образующейся пленки вглубь подножки в результате бомбардировки высоко- энергетическими ионами и нейтральными атомами. Глу- бина имплантации в зависимости от энергии может до- стигнуть 20..50 А°. Таким образом, благодаря ионному облучению возможно образование переходного диффузи- онного слоя между подложкой и пленкой. Эксперименты показали, что ИА в той или иной степе- ни снижает величину структурной составляющей напря- жений в пленке. 136 Ионное ассистирование, как правило, увеличивает адге- зию пленок к подложке, уменьшает внутреннее напряжение. Однако, если в полученном без ИА многослойном покрытии упругие составляющие внутреннего напряжения каждого слоя в какой-то степени компенсируют друг друга, то при- менение ИА может существенно изменить взаимокомпенса- цию напряжений. Из большого числа теоретически рассчитанных инструк- ций для просветления деталей из поликристалла ПО-4 вы- браны конструкции на основе следующих материалов: ВiF3, YF3, ZnS, PbF2. Для просветления деталей из германия в об- ласти спектра 8..14 мкм выбрано покрытие, состоящее из ZnS, Ge и YF3. Практически для всех исследованных покрытий наблю- далось увеличение микротвердости, что обусловлено уплот- няющим воздействием ионного пучка. Соответственно от- мечается и увеличение показателей преломления слоев, по- лученных методом ИА (на 0,03..0,1 в диапазоне 8..14 мкм). При этом не зафиксировано какого-либо изменения погло- щение света в ИК области спектра в пленках, полученных с ИА, по сравнению со слоями, нанесенными без ионного со- провождения. Микротвердость фторидных пленок в результате приме- нения ИА увеличивается, причем также наблюдается зави- симость микротвердости от технологических параметров процесса. Аналогичные по качеству, но менее выраженные зави- симости механических характеристик пленок от техноло- гических факторов, наблюдались у фторидов свинца и иттрия. Результаты исследований приведены в таблице 1. Адгезионная прочность определялась методом царапа- ния алмазным наконечником со сферической рабочей ча- стью диаметром 60 мкм и выражалась через работу, затра- чиваемую на отслоение покрытия с единицы площади по- верхности. Микротвердоть покрытий измерялась стандар- тизированным методом вдавливания бицилиндрического 137 алмазного наконечника, при этом измерялись размеры восстановленного отпечатка, оставленного индентором под нагрузкой 2 г. Износостойкость оценивалась по результатам истира- ния образцов в наклонно-вращающемся барабане с пес- ком. За меру износостойкости принималось минимальное количество оборотов барабана вызывающее повреждение поверхности покрытия, фиксируемое с помощью микро- скопа. Таблица 1 – Сравнительные характеристики прочности просветляющих покрытий, полученных традиционным способом и с использованием ионного ассистирования Конструкция покрытия Подложка Адгезия, Дж/см2 Микротвердость, кгс/мм2 Износостойкость, тыс. об PbF2 – s ПО-4 2-4 60 6 PbF2 – s * ПО-4 4-8 90 8 ВiF3 – s ПО-4 3-6 100 10 ВiF3 – s * ПО-4 8-12 250 10 ВiF3–s–YF3– s–YF3–s– YF3–s ПО-4 1-3 200 3-5 ВiF3– ZnS– YF3– ZnS– YF3– ZnS– YF3 * ПО-4 1-4 240 7-9 ZnS– Ge– ZnS–YF3– ZnS–YF3 Ge 0,3-0,7 420 5 ZnS– Ge– ZnS–YF3– ZnS–YF3 * Ge 0,5-1,2 480 7-8 Примечание: s – тонкий слой YО3, не влияющий на спектральные характеристики покрытия; * ‒ покрытие нанесено с ионным ассистированием. Исследованные просветляющие покрытия обеспечива- ют среднее отражение в диапазоне 8‒14 мкм не более 1,5 % и среднее пропускание не менее 93 %, при этом в диа- пазоне 8‒11 мкм среднее пропускание составляет не менее 96 %. Механическая прочность просветляющих покрытий 138 соответствует стандартизированной «нулевой» группе прочности, адгезионная прочность А = 0,5 Дж/см2, микро- твердость ‒ не менее 250 кгс/см2. Покрытия выдерживают воздействие температур в диапазоне -196 ... +300 °С без изменения адгезионной прочности и являются влагостой- кими. Полученные результаты показывают, что ИА является эффективным технологическим методом, позволяющим улучшать эксплуатационные характеристики большинства оптических покрытий и обеспечивающим расширение возможностей тонкопленочной технологии. УДК 621.5 Соловей И.А. МОДЕРНИЗАЦИЯ ИОННОГО ИСТОЧНИКА КАУФМАНА БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Бабук В.В. Ионные источники – устройства для получения направленных потоков ионов. Ионные источники приме- няются в ускорителях, масс-спектрометрах, ионных мик- роскопах, установках разделения изотопов, ионных ракет- ных двигателях. Существует несколько способов генерации ионных пучков, однако наиболее перспективный способ основан на извлечении ионов из плазмы. Основными конструктивными элементами плазменных источников ионов являются: разрядная камера; катодный узел; ионно-оптическая система формирования пучка; магнитная система (в источниках с магнитным полем) си- стема подачи рабочего вещества; вакуумная система; си- стема электропитания; система контроля и управления. Технические возможности ионно-лучевой установки во многом определяются типом ионного источника. Назначением каждого источника является эффективное сообщение нейтральным атомам и молекулам вещества 139 такого количества энергии, какого было бы достаточно для отрыва внешних электронов. Область применения и условия эксплуатации ионного источника накладывают определенные ограничения на конструкцию и параметры источника. Разработка и со- вершенствование конструкции плазменного ионного ис- точника направлены на решение следующих задач: воз- буждение разряда и обеспечение заданной концентрации заряженных частиц в газоразрядной камере, извлечение (экстракция) ионов из плазменного эмиттера, формирова- ние ионного пучка с требуемыми энергетическими и оп- тическими характеристиками. Ионный поток можно охарактеризовать следующими основными параметрами: общим током пучка; однородно- стью ионного потока; распределением ионов по энергиям относительно среднего значения; стабильностью тока; расходимостью пучка. В источнике Кауфмана разряд локализуется между стенками анодного цилиндра, горячим катодом и систе- мой экстракции. Осцилляция электронов в продольном магнитном поле и электрическом поле, образованном си- стемой электродов, приводит к увеличению эффективно- сти ионизации рабочего газа. Отличительной особенно- стью конструкции источника является наличие двух- или трехэлектродной многоапертурной ионно-оптической си- стемы (ИОС). Схема многолучевого источника с осцилляцией элек- тронов (источник Кауфмана) представлена на рисунке 1. Ионный источник Кауфмана по сравнению с другими имеет ряд существенных преимуществ: низкое напряже- ние разряда, благодаря чему ионный пучок содержит не- большое количество примесей (10-6%) и имеет малый энергетический разброс; механизм поддержания стацио- нарного разряда позволяет применять многолучевое из- влечение ионного пучка и работать с однородными пото- ками большого диаметра; осцилляция электронов позво- 140 ляет использовать низкое давление в разрядной камере, что снижает потери пучка и уменьшает загрязнение ми- шени; источник имеет высокий газовый к.п.д. (80 %) и высокий энергетический к.п.д. Рисунок 1 – Ионный источник Кауфмана: 1 ‒ термокатод, 2 ‒ экран катода, 3 ‒ цилиндрический анод, 4 ‒ соленоид, 5 ‒ ввод рабочего газа, 6 ‒ плазма, 7 ‒ эмиссионный электрод, 8 ‒ ускоряющий электрод, 9 ‒ замедляющий электрод, 10 ‒ ионный пучок Типичные параметры технологического источника Ка- уфмана: ток ионов (Аr+) 10 мА, напряжение разряда 20 В, напряжение на ускоряющем электроде 20кВ. Однако этот источник имеет ряд недостатков кон- струкции: использование термокатода ограничивает срок службы источника и не позволяет работать с химически активными рабочими веществами, кроме того, плазма в магнитном поле подвержена неустойчивостям, ухудшаю- щим стабильность параметров ионного пучка и его опти- ческие свойства. Путями улучшения конструкции этого ионного источ- ника, может рассматриваться применение мультикатодной и мультипольной систем (рисунок 2). Активность исполь- зования эмитированных электронов зависит от конфигу- рации нити накала и размещения катодного узла в разряд- ной камере. Более равномерное распределение концентра- ции заряженных частиц и, следовательно, более однород- ные ионные потоки могут быть получены в источнике с 141 несколькими идентичными нитями накала, размещенными около стенок анодного цилиндра. Рисунок 2 – Модернизированный ионный источник Кауфмана с мультикатодной системой: 1 ‒ экстрактор, 2 ‒ анод, 3 ‒ электромагнит, 4 ‒ система катодов (мультикатоды), 5 ‒ напуск рабочего газа, 6 ‒ водяное охлаждение Ионно-оптическая система модернизированного муль- тикатодного ионного источника обеспечивает одновре- менную экстракцию и первичную фокусировку многопуч- кового потока; ускорение ионов до энергий I00 эВ ‒ 2,0 кэВ; минимальные потери мощности пучка; минимальную эрозию сеток при длительной эксплуатации источника. Применение ионных процессов позволяет повысить точность изготовления микроструктур и создать высоко- производительное автоматизированное промышленное оборудование. УДК 621.088 Станютко Д.О. КОНТРОЛЬ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ РЕЗЦА ПРИ ВИБРАЦИОННОМ ТОЧЕНИИ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Данильчик С.С. В процессе вибрационного точения кроме основной по- дачи So инструменту сообщается колебательное движение с 142 амплитудой А (рисунок 1). Величина амплитуды должна быть таковой, чтобы толщина среза в конце каждого цикла колебательного движения инструмента уменьшалась до ну- ля. Это приводит к дроблению сливной стружки на элемен- ты определенной длины. Теоретически амплитуда колебаний режущего инстру- мента определяется из условия n f S À sin2 0 , мм, где f и n ‒ частота колебательного движения инструмен- та и частота вращения заготовки, соответственно [1]. Сле- довательно, расчетная амплитуда зависит от подачи 0S и отношения n f . Для обеспечения устойчивого процесса дробления стружки частота задаваемых колебаний не должна быть кратной частоте вращения заготовки. Экспе- рименты показали, что наилучшее дробление стружки до- стигается при соотношении частоты задаваемых вибраций к частоте вращения заготовки: 2 12 5,2;5,1;5,0   k n f  . Рисунок 1 ‒ Развертка движения резца при вибрационном точении На практике амплитуда может отличаться от теорети- ческой. На величину амплитуды влияют свойства обраба- тываемого материала, применение смазочно- охлаждающей жидкости, угол в плане , жесткость станка и режимы резания. 143 Для исследования зависимости сил резания при вибра- ционном точении, шероховатости обработанных поверх- ностей, стойкости режущего инструмента от амплитуды необходимо точно контролировать ее величину. Суще- ствуют различные методы измерения характеристик меха- нических колебаний. Для их измерения используются в основном электрические и оптические приборы. В электрических приборах механические колебания пре- образуются в электрические сигналы, которые после усиле- ния поступают на регистрирующую аппаратуру. Широко для измерения виброперемещений применяется тензомет- рия. Наибольшее применение при тензометрировании натурных конструкций находят электрические тензометры сопротивления ‒ тензорезисторы. Тензорезисторы наклеи- ваются на упругий элемент, контактирующий в процессе вибрационного точения с колебательной системой. Принцип действия тензорезисторов основан на изменении электриче- ского сопротивления чувствительной решётки при ее де- формировании вместе с конструкцией, воспринимающей колебания. Вследствие деформации изменяется выходное напряжение, по величине которого и оценивают величину амплитуды. При помощи оптических приборов осуществляется бес- контактное измерение виброперемещений. К ним относятся лазерные приборы. Работа прибора, представленного на ри- сунке 2, основана на пространственном смещении отражен- ного луча лазера 2, направленного под углом на колеблю- щийся объект 1 [2]. Это смещение, пропорциональное от- клонению x объекта, обрабатывается фотоприемником 3 и измерительной системой 4. Для измерения характеристик низкочастотных колеба- ний применяются механические приборы. Механические колебания объекта измерения могут восприниматься щу- пом и передаваться пишущему перу для записи на дви- жущуюся ленту. Механические приборы более просты по 144 конструкции и не требуют дорогостоящей регистрирую- щей аппаратуры. Рисунок 2 – Схема лазерного прибора для измерения виброперемещений Для быстрого контроля величины амплитуды разработа- но устройство, приведенное на рисунке 3. Рисунок 3 – Схема приспособления для измерения амплитуды Основу устройства составляют микрометрические вин- ты 1, подключенные к источнику постоянного тока. По- движный элемент 2 устройства для вибрационного точения располагается между этими винтами и также подключен к источнику тока. Инструмент 4 установлен в специальном резцедержателе, которому сообщают возвратно- вращательное движение относительно оси 5. Угол поворота резцедержателя небольшой, поэтому подвижный элемент 2, установленный на резцедержатель, условно совершает воз- 145 вратно-поступательное движение. Медленно вращая винты добиваемся легкого контакта между винтами и колеблю- щимся элементом. В момент касания поочередно с одной и другой стороны загораются лампочки 3. Оттарировав пред- варительно данное устройство величину амплитуды опре- деляют по показаниям микрометрических винтов, цена де- ления которых составляет 0,01 мм. Устройство позволяет также устанавливать необходи- мую амплитуду, ограничив ее величину микрометриче- скими винтами. Амплитуду в этом случае медленно изме- няют до тех пор, пока не произойдет легкий контакт, о чем сообщат лампочки. ЛИТЕРАТУРА 1. Коновалов, Е.Г. Осциллирующее точение / Е.Г. Коно- валов, А.В. Борисенко. – Минск: Из-во Академии наук БССР, 1960. – 32 с. 2. Ящерицын, П.И. Планирование эксперимента в маши- ностроении: справ. пособие / П.И. Ящерицын, Е.И. Маха- ринский. ‒ Минск: Выш. шк., 1985. – 286 с. УДК 621.5 Тарибо Д.Г. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИОННОГО ИСТОЧНИКА С ЗАКРЫТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Бабук В.В. Ионные источники с закрытым (замкнутым) дрейфом электронов предназначены для финишной очистки подложек перед нанесением покрытий и ионного ассистирования про- цесса нанесения покрытий. С их помощью также можно наносить покрытия методом химического газофазного оса- ждения. Потребность в таких источниках проявляется во многих технологиях ионной обработки материалов. Изна- 146 чально эти устройства были разработаны в качестве двигате- лей для космических аппаратов, но оказались востребован- ными и в технологиях модификации, т.к. формируемые ими ионные пучки являются эффективным инструментов воздей- ствия на материалы. Ионные источники с замкнутым дрейфом электронов можно разделить на две основные группы. Первая, это ион- ные источники с протяженной зоной ускорения, называемые также стационарными плазменными ускорителями или ускорителями с магнитным слоем. Ко второй группе отно- сятся ионные источники с анодным слоем. В вакуумных технологиях применяются почти исключительно ионные источники с анодным слоем. Конструкция ионного источни- ка приведена на рисунке 1. Рисунок 1 – Ионный источник с закрытым дрейфом электронов Источник имеет магнитную систему из постоянных маг- нитов, которая создает магнитное поле между внутренним и внешним полюсами магнитопровода. После подачи положи- тельного потенциала на анод между ним и катодом загорает- ся электрический разряд со скрещенными аксиальным элек- трическим и радиальным магнитным полями. В этом случае электроны дрейфуют в азимутальном направлении по за- мкнутым траекториям, многократно ионизуя атомы рабочего газа и постепенно диффундируя к аноду. Образовавшиеся ионы ускоряются сильным электрическим полем, создаю- щимся за счет пространственного заряда электронов, и по- 147 кидают ионный источник через щель ускоряющего канала. Конструктивными особенностями ионного источника с анодным слоем являются проводящие стенки ускоряющего канала, и длина этого канала, меньшая, чем его ширина. В данном ионном источнике не существует процесса, ограни- чивающего температуру электронов. Поэтому происходит ее увеличение при движении электронов к аноду. Это увеличе- ние температуры приводит к резкому повышению потенциа- ла в области анода. Тонкий слой у анода, в котором проис- ходит образование и ускорение ионов, стал основой назва- ния данного типа ионного источника. Известно, что однородность параметров ионного пучка улучшается при напуске газа не в камеру, а в газораспре- делительную магистраль, находящуюся внутри ионного источника, что также дает возможность работать на более низких давлениях и тем самым уменьшить количество га- зовых включений в пленке. При выборе ширины ускоря- ющего канала W (рисунок 1) необходимо учитывать, что чем больше эта величина, тем шире будет проекция ион- ного пучка на подложке. При W = 2; 4; и 6 мм угол рас- хождения пучка ионов равняется ±6%, ±12% и ±15%, со- ответственно. Более широкие пучки имеют меньшую плотность ионного тока при таком же рабочем напряже- нии и давлении. Для того чтобы избежать распыления стенок ускоряющего канала ионами необходима опти- мальная конфигурация магнитного поля в ускоряющем промежутке, достаточное охлаждение источника и пра- вильная юстировка электромагнитной оптики. На рисунке 2 показаны две возможные конструкции электродной си- стемы ионного источника: неправильная (а) и правильная (б). В неправильной конструкции, только ионы, образовав- шиеся около щели в катоде, могут участвовать в формиро- вании пучка, а остальные ионы направляются к катоду и распыляют его. В правильной конструкции область с высо- кой концентрацией электронов смещена внутрь ускоряю- 148 щего канала. Ионы, образовавшиеся в этой области, прак- тически не участвуют в распылении катода, поскольку дви- гаются в направлении от него. Поэтому расстояние L от анода до ближайшего края катода должно быть много меньше ширины W ускоряющего канала, L << W. Кроме того, ток ионного пучка увеличивается за счет повышения эффективности ионизации в ускоряющем канале и сниже- ния доли ионов, идущих на стенки этого канала. Анод дол- жен быть выполнен с прямоугольной или клиновидной по- лостью в силу того, что при этом лучше обеспечивается перпендикулярность скрещенных электрического и маг- нитного полей. а) б) Рисунок 2 – Конструкции электродной системы ионно- го источника Известно, что ионный источник с анодным слоем имеет два режима работы: высоковольтный (с коллимированным пучком) и низковольтный (с рассеянным пучком). Режим с коллимированным пучком (основной режим) существует при низких давлениях рабочего газа. В этом режиме разряд- ный ток увеличивается с увеличением разрядного напряже- ния. Повышая рабочее давление можно переключить ион- ный источник в режим с рассеянным пучком и много бóль- шим разрядным током, получаемым при почти постоянном напряжении. Это объясняется тем, что в режиме с коллими- рованным пучком в ускоряющем канале циркулирует Хол- ловский ток и объемный заряд электронов не скомпенсиро- ван ионами, которые быстро уносятся от анода сильным электрическим полем. Поскольку Холловский ток увеличивается с повышением разрядного напряжения, то это приводит к увеличению чис- 149 ла ионизующих столкновений и росту разрядного тока. При повышении давления в ускоряющем канале генерация ионов происходит быстрее удаления их из области ионизации. В этом режиме (с рассеянным пучком) ионный ток не ограни- чен пространственным зарядом и может достигать значений в 10 раз бóльших чем в режиме с коллимированным пучком. Однако при этом теряется контроль таких параметров ион- ного пучка как энергия ионов и направленность. К недостатку ионных источников с анодным слоем мож- но отнести отсутствие независимого контроля тока и энер- гии ионов. Повышая рабочее давление для увеличения ион- ного тока мы увеличиваем тем самым количество столкно- вений ионов с нейтральными атомами. Частые столкновения приводят к перезарядке энергетичных ионов и нейтральных атомов. Образовавшиеся низкоэнергетичные ионы теперь находятся далеко от анода и, поэтому, не могут ускориться до полного анодного потенциала. Это приводит к расшире- нию энергетического спектра ионов. Считается, что средняя энергия ионов в ионном источнике с анодным слоем равня- ется примерно половине анодного напряжения. Характери- стики ионного источника с анодным слоем дают возмож- ность использовать его во многих технологических операци- ях, таких как очистка и активация поверхностей подложек, ионное ассистирование PVD процессам и даже применяться непосредственно для нанесения покрытий. УДК 621.5 Тихонович Ю.А. ПРИМЕНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ БНТУ, г. Минск Научный руководитель: Бабук В.В. Ионно-лучевая обработка материалов осуществляется пучком ускоренных заряженных частиц, сформированных в автономных источниках ионов. Рабочее вещество подается в автономный источник ионов, в котором происходит его 150 ионизация, ускорение ионов до требуемой энергии и форми- рование пучка ионов. Ускоренные ионы попадают в техно- логическую камеру без столкновений с остаточным газом и взаимодействуют с поверхностью обрабатываемого объекта, вызывая либо распыление материала (ионы аргона), либо образование летучих соединений (ионы химически активных веществ), либо осаждение материала (углеводороды). При распространении пучка ионов в промежутке ис- точник ионов ‒ обрабатываемый объект образуется пуч- ковая плазма, состоящая из ускоренных ионов и медлен- ных электронов, возникающих при ионизации остаточно- го газа и в результате взаимодействия пучка ионов с обра- батываемым объектом. Режим работы источника опреде- ляют не только параметры ионного пучка, но и степень его компенсации, характеристики вторичной плазмы, свойства пучковой плазмы и характер ее взаимодействия с обрабатываемой поверхностью. На обрабатываемой поверхности происходят следую- щие процессы: нейтрализация ионов пучка с образовани- ем газового потока, удаление материала в результате фи- зического распыления или химического взаимодействия ионов с материалом подложки, эмиссия электронов с по- верхности при ионной бомбардировке, поступление пото- ка электронов из пучковой плазмы или с катода нейтрали- зации, расположенного вблизи источника ионов. Для реализации ионно-лучевых технологий разработан ряд оригинальных источников ионов с холодным катодом для травления материалов и нанесения пленок – «Холо- док-1», «Холодок-2», Радикал М-200. Во всех источниках используется единый физический принцип формирования пучка ионов, заключающийся в со- здании внутри ускоряющего промежутка скрещенных элек- трического и магнитного полей, удерживающих электроны, ионизующие рабочее вещество. Разработанные источники ионов по срав- нению с зарубежными аналогами, например, с источниками 151 Кауфмана, источниками с седловидным полем, СВЧ источ- никами обладают следующими достоинствами:  позволяют работать практически с любыми химически активными газами, благодаря использованию холодного ка- тода;  обеспечивают получение в 2-3 раза больших плот- ностей ионного тока при той же энергии ионов;  позволяют формировать пучки ионов различной формы и конфигурации;  обеспечивают однородную обработку неподвижных поверхностей большой площади;  имеют больший срок службы и простую конструк- цию. Технологические процессы, осуществляемые с помо- щью разработанных источников ионов: 1. Очистка, активация и полировка поверхностей объ- ектов Очистка поверхности в вакууме может осуществляться различными методами: тлеющим разрядом, ВЧ разрядом, подачей постоянного и ВЧ потенциала на подложку, находящуюся в газоразрядной плазме. Химические методы очистки не всегда позволяют по- лучать поверхность, свободную от органических раство- рителей, химических реагентов, пленок сложного состава, не взаимодействующих с растворителями. Так как состав загрязнений, как правило, неизвестен, распыление ионами аргона является наиболее эффектив- ным методом удаления сверхтонких поверхностных слоев и позволяет проводить очистку подложки, недостижимую в случае обработки жидкостными методами. Для удаления органических загрязнений очистку поверхности целесооб- разно проводить ионами кислорода, образующими с органи- ческими соединениями летучие продукты взаимодействия. Нанесение пленок на предварительно очищенную по- верхность приводит к существенному улучшению каче- ства и надежности изготавливаемых изделий за счет 152 улучшения адгезии пленок к подложке, увеличения сплошности пленок при малых толщинах, уменьшения влияния окружающей среды на качество покрытий. Об- работка поверхности пучком ионов не только очищает ее от загрязнений, но и активирует ее или растущую плен- ку, если процесс обработки пучком ионов проводится одновременно с нанесением пленки. При этом на по- верхности образуются свободные связи, которые при нанесении пленки становятся искуственными центрами зародышеобразования. При активации поверхности стек- ла, например, во время нанесения пленок алюминия, ме- ди, хрома или других металлов, сплошные пленки обра- зуются даже при толщине несколько нм. Процесс акти- вации эффективен, если применять его непосредственно перед нанесением или в процессе нанесения пленок. 2. Нанесение пленок Тонкие пленки различных материалов можно наносить на подложку, распыляя материал мишени пучком ионов инертных газов. Основные достоинства этого метода нанесения пленок по сравнению с методом ионно-плазменного распыления состоят в следующем:  возможность нанесения пленок материалов сложно- го состава с сохранением компонентного состава мишени;  малое рабочее давление в технологической камере, ограниченное лишь быстротой откачки вакуумной систе- мы, а не условиями поддержания разряда;  отсутствие электрических полей в области подлож- ки, что особенно важно при нанесении диэлектрических пленок на подложки из проводящих материалов;  возможность управления зарядами в осаждаемой ди- электрической пленке с помощью электронов, эмиттируе- мых катодом нейтрализации. Источники ионов с холодным катодом типа «Холодок», позволяют в отличие от известных методов бомбардировать распыляемые мишени высокоэнергетичными ионами прак- 153 тически любых газообразных веществ, включая химически активные соединения. Источник ионов «Холодок-1» создает радиально сходя- щийся пучок ионов, направленный под таким углом к по- верхности мишени, при котором обеспечивается получение максимального коэффициента распыления материала. Ис- точник позволяет наносить пленки металлов, диэлектриков, полупроводников, сплавов, а также сложных композицион- ных материалов, включая высокотемпературные сверхпро- водники. Для нанесения пленок на поверхности большой площади был разработан источник с радиально расходя- щимся пучком ионов («Холодок-2»). Источник «Холодок-2» позволяет наносить пленки с неравномерностью ‒ 5% на подложки диаметром ‒ 200мм. Источник ионов Радикал М-200 позволяет осаждать ма- териал непосредственно из пучка ионов и отличается от дру- гих источников возможностью управления энергией осажда- емых частиц и направленностью осаждения материала (под углом к поверхности). Рабочее вещество, например, углево- дород подается в источник, ионизуется, образовавшиеся ио- ны ускоряются до требуемой энергии и осаждаются на под- ложке, образуя алмазоподобную пленку (АПП). Поскольку ионы ускоряются электрическим полем внутри источника, то их энергия может легко варьироваться в широких преде- лах от десятков эВ до нескольких тысяч эВ, тогда как в про- цессах распыления материалов энергия осаждаемых атомов является неизменной и составляет в среднем (5‒15)эВ, а при испарении материала не превышает обычно 0,2эВ. Этот метод предложен сравнительно недавно и исполь- зуется в основном для получения АПП. Достоинством этого метода является возможность управления энергией ионов в широких пределах, что позволяет изменять свой- ства и структуру осаждаемых углеродных пленок, а также возможность управления углом падения ионов, что суще- ственно, например, при осаждении пленок на стенки глу- 154 боких канавок. Из пучков ионов можно осаждать не толь- ко АПП, но также и окислы, нитриды и карбиды. 155 СОДЕРЖАНИЕ Секция «Новые материалы и технологии» 1. Авдейчук Е.С. Использование тензометрии для ис- следования процесса вибрационного точения …. 3 2. Аникина А.А. Автомобильные шины ……………… 7 3. Ардынович А.А., Журавлева М.В. Модификация эпок- сидной смолы полиамидокислотой …………… 11 4. Басаранович А.В. Спекание дисперсных сред из эвтектических композиций на основе гранита … 16 5. Басков О.В. Технологическая схема получения про- ницаемых изделий из керамических материалов 20 6. Богач Н.Л. Основные характеристики и виды ваку- умных оптических покрытий ………………….. 25 7. Боровская Т.В. Алгоритм проектирование с помощью САПР T-FLEX CAD ……………………. 28 8. Гусакова О.В. Использование в учебном процессе результатов исследований in-situ фазовых превраще- ний в быстрозатвердевших фольгах сплавов олова ………………………………………… 33 9. Данильчик П.С. Траектория движения инструмента при точении с наложением на процесс резания асим- метричных колебаний …………………………. 38 10. Евтухов К.С. Анализ задач идеальной пластичности для случая вдавливания ……………. 42 11. Ефимов А.М., Линник А.В. Упрочнение поверхностей инструментов и деталей машин с использованием энергии магнитного и ультразвукового полей …………………………… 50 12. Заблоцкая О.С. Мультислойные покрытия на стекле 53 13. Зинкович Д.И. Микродуговое оксидирование ……... 56 14. Зуенок А.В., Пастушенко Е.А. Графит для получения композиционных материалов ……… 60 15. Зуенок Д.В. Энергосберегающее стекло ……………. 63 156 16. Зуёнок Д.В., Нарушко Е.О. Использование современ- ных средств защиты от фрикционного, абразивного, эрозионного, вибрационного и коррозионного износа машин, механизмов ……… 67 17. Какарека А.С. Вольтамперометрическое исследова- ние коррозионной устойчивости алюминия с покры- тиями Ni– P И Ni – W – P в среде хлорида натрия ……………………………… 71 18. Кандыба Ю.М., Журавлева М.В. Полиэтилентерефта- лат, обладающий ионообменными свойствами ……………………….. 75 19. Кирикович М.К. Технология детонационное напыле- ние. Описание и возможности применения .. 81 20. Леонтьев А.А. Алмазоподобные покрытия ………... 86 21. Линник А.В., Ефимов А.М. Магнитные свойства ча- стиц в рабочей зоне при магнитно-электрическом упрочнении с наложением ультразвуковых колеба- ний …………………………………………….. 89 22. Ляпин К.Н. Методика измерения величины собствен- ного газовыделения материалов в вакууме 93 23. Мартысевич Н.О. Вакуумные ловушки …………… 96 24. Мисник И.В. Методика определения износостойкости TiN вакуумно-плазменных покрытий на изделиях из стекла ……………………. 99 25. Муравейко А.Н. Особенности нанесения вакуумных оптических покрытий на крупногабаритные плоские оптические детали …………………………. 102 26. Нагорная Е.В., Зыгмантович В.М. Использование лозы …………………………………………………… 106 27. Нарушко Е.О. Защитные покрытия от высокотемпе- ратурной газовой коррозии лопаток осевого компрес- сора в авиастроении ……………… 110 157 28. Павленова В.А. Эффективная ионная обработка оптических материалов в вакууме с использованием высокочастотного сеточного электрода ……………………………………………... 115 29. Петюшик Т.Е. Методика планирования экспе- римента при разработке низкотемпературной наноструктурной керамики на основе ПАП-2 и SBA-15 ……………………………………………… 119 30. Плигина А.А. Оперативный аналитический кон- троль содержания ионов тяжелых металлов в технологических средах …………………………… 125 31. Рябцев Р.Л. Особенности финишной магнито- реологической обработки диэлектрических ма- териалов …………………………………………… 130 32. Сергеева А.Г. Влияние ионного ассистирования на эксплуатационные характеристики оптиче- ских покрытий …………………………………………….. 134 33. Соловей И.А. Модернизация ионного источника Кауфмана …………………………………………….. 138 34. Станютко Д.О. Контроль амплитуды колеба- тельного движения резца при вибрационном то- чении ……………………………………………….. 141 35. Тарибо Д.Г. Исследование режимов работы ион- ного источника с закрытым дрейфом электронов …………………………………………… 145 36. Тихонович Ю.А. Применение источников ионов с холодным катодом …………………………………. 149 158 Научное издание Инженерно-педагогическое образование в XXI веке МАТЕРИАЛЫ VII Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и студентов БНТУ В 3 частях Часть 2 Подписано в печать 14.04.2011. Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 10,62. Уч.-изд. л. 7,18. Тираж 50. Заказ 329. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.