Алматы 2017 январь

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

265 

 

ға мүмкіндік беретін   ауқымды деректері бар ақпараттық жүйенің   қауіпсіздігін қамтамасыз етудің тұжырым-

дамасы ұсынылған.  

Кілтті  сөздер:    ақпараттық  жүйе,  қауіпсіздікті  қамтамасыз  ету  тұжырымдамасы,  ауқымды  деректер, 

ауқымды деректерді қорғау. 

 

Pavlov R.V., Belginova S.A. 

Development of the concept of security of information systems with big data 

Summary.  Development of methods and models in the field of security of information systems representation, 

collection,  storage  and  processing  of  large  data  is  an  urgent  scientific  challenge.  The  task  is  of  great  public  and 

economic value, and determines the new direction of research in the field of information security research. In this article 

the security of information systems with the concept of big data, allows the system to present their knowledge about the 

object. 

Key words:   information system, security concept, big data, big data protection 

 

 

 

 

УДК 621.795.3; 667.6; 666.29; 678.026.3 

 

1

М.К. Скаков, 

2

Ж.Б. Сагдолдина, 

1

Ш.Р. Курбанбеков, 

2

А.Б. Тоимбаев, 

3

Т.Н. Байсеркенова 

(

1

«Институт атомной энергии» филиал НЯЦ РК 

2

Государственный университет им. Шакарима города Семей

 

3

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева 

Sagdoldina@mail.ru) 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАНЕСЕНИЯ ZRO

2

 ПОКРЫТИЙ 

МЕТОДОМ МЕХАНИЧЕСКОГО СПЛАВЛЕНИЯ  

 

Аннотация. В данной работе было определено оптимальны параметры нанесения керамического покры-

тия на основе диоксида циркония ZrO

2

 на поверхности стали 12Х18Н10Т и титана ВТ1-0 методом механическо-

го  сплавления.  Установлено,  что  характеристики  покрытий  зависят  от  твердости  и  физико-механических 

свойств исходной подложки. Определено, что для снижения шероховатости поверхности обрабатываемого ма-

териала  лучше  использовать  шары меньшего  диаметра. Размер  шаров  для  нанесения  покрытий  следует  выби-

рать в зависимости от объема камеры вибрационной установки. 

Ключевые слова: механическое сплавление, покрытия, параметры процесса, титан, оксид циркония 

 

Введение.  Метод  механического  сплавления  (МС)  находит  широкое  применение  для  получе-

ния  покрытий  на  поверхности  металлов  и  сплавов  [[1]-[3]].  Накопившийся  к  настоящему  времени 

опыт и новые исследования в области МС создают предпосылки к новым применениям этого метода 

для  нанесения  керамических  покрытий.  Основная  трудность  нанесения  керамических  покрытий  на 

основе тугоплавких оксидов состоит в необходимости применения высоких температур, уровень ко-

торых  недопустим  для  металлических  основ.  Основным  методом,  используемым  в  настоящее  время 

для нанесения оксидной керамики на металлы без существенного нагрева основы, является плазмен-

ное  напыление.  Известные  способы  нанесения  керамических  покрытий  на  металлические  поверхно-

сти,  такие,  как  химическое  осаждение  из  паровой  фазы  (CVD,  Chemical  Vapor  Deposition),  саморас-

простаняющийся  высокотемпературный  синтез  (СВС),  термическое  напыление,  золь-гель  метод 

имеют свои преимущества и недостатки [[4]]. Существует потребность в разработке новых методов, 

которые  позволяют  наносить  оксидную  керамику  на  поверхность  металла,  имеющую  более  низкую 

температуру плавления.  

Следует  отметить,  что  процесс  нанесения  керамических  порошков  на  поверхность  металла 

имеет иную сущность по сравнению с нанесением металлических порошков на поверхность металла. 

Частицы  металлического  порошка  под  действием  ударов  шаров  размягчаются  и  привариваются  к 

подложке. Частицы керамического порошка будут играть роль «микроскопических кувалд», т.е. вза-

имодействие  с  поверхностью  металла  большей  частью  упругое,  и  соответственно  для  нанесения  ке-

рамических покрытий требуется большая энергонапряженность. 

 

●

 Технические науки 

 

266                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ 

 

Цель данной работы заключается в исследовании режимов нанесения покрытий на вибрацион-

ной установке СВУ2. 

 

Методика эксперимента 

Экспериментальные исследования и испытания проводили в лабораториях филиала Института 

атомной  энергии  НЯЦ  РК  и  Центра  исследования  свойств  материалов  Томского  политехнического 

университета. Эксперименты по получению керамических покрытий проводились на базе ГУ имени 

Шакарима города Семей на установке  СВУ2 (Стенд вибрационный универсальный).  

Метод МС  основан на использовании энергии ударов шаров для нанесения покрытий. На ри-

сунке  1  показано  схематическое  изображение  метода  МС.  Сущность  данного  метода  состоит  в  том, 

что металлические шары и порошок заданного химического состава помещаются внутрь камеры, ко-

торая приводится в вибрационное движение механическим вибровозбудителем в заданном частотном 

диапазоне, определяемом составом наносимой смеси и механическими свойствами обрабатываемого 

материала [[5]]. 

 

 

 

а) Схематическое изображение метода механического сплавления: 1 – вибрационная камера; 2 – металличе-

ские шары; 3 – керамический порошок; 4 – обрабатываемый материал; б) стенд вибрационный универсальный 

СВУ-2; технические характеристики СВУ2 

Рис. 1. Установка для нанесения керамических покрытий 

 

Объектом  исследования  является  керамическое  покрытие  на  основе  оксида  циркония  на  по-

верхности нержавеющей стали 12Х18Н10Т и титана ВТ1-00, которые имеют различные температуры 

плавления,  различную  твердость,  различные  физико-химические  свойства.  Исходные  металлические 

подложки  нарезались  размером  70х70х4  мм.  Поверхность  подложек  предварительно  шлифовалась. 

Был использован порошок ZrO

2

 с размером фракции 60 – 80 нм, чистотой 99,9 %. 

Основными параметрами СВУ2 являются следующие характеристики: амплитуда и частота ко-

лебаний, размер шаров, масса загрузки, размер измельчительной камеры. Массы шаров (m

ш

=360 г) и 

порошка (m

п

=12 г), загружаемые в камеры, были постоянными.  Степень заполнения камеры шарами 

составляла примерно 80 – 85 %, в зависимости от размера шаров. Она подбиралась с учетом того, что 

расстояние между поверхностью шарового слоя и  обрабатываемого материала было близко к значе-

нию  размаха  колебаний  (две  амплитуды)  для  получения  максимальной  силы  удара  шаров.  Стоит 

здесь  отметить,  что  варьируя  степенью  заполнения  вибрационной  камеры  шарами  можно  изменять 

характер  воздействия  на  обрабатываемый  материал.  При  малых  коэффициентах  заполнения  движе-

ние шаров происходит с максимальной скоростью, однако взаимодействие шаров между собой и об-

рабатываемой  поверхностью  минимально,  что  приводит  к  низким  значениям  интенсивности  подво-

димой  энергии.  С  увеличением  степени  заполнения  камеры  шарами  значительно  увеличивается  ча-

стота соударений, но из-за уменьшения длины свободного пробега, шары не успевают разогнаться до 

больших скоростей. 

Первоначально  устанавливалась  амплитуда  колебания.  Измерение  амплитуды  колебаний  осу-

ществлялось мерным клином [[6]]. Для наибольшей точности (около 0,1 мм) установлено отношение 

H/L=1/20.  Разворотом  средних  дебалансов  вибрационного  стенда  относительно  двух  крайних  деба-

лансов была отрегулирована рабочая амплитуда колебаний 3,5 мм. Учитывая технические характери-

стики установки, установленное значение амплитуды обеспечивает достаточную интенсивность под-

водимой механической энергии удара шаров для нанесения покрытий. Значительное  увеличение ам-

плитуды (около 5 мм) при большой степени загрузки приводит к резкому повышению потребляемой 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

267 

 

энергии. Исходя из этого чрезмерное увеличение амплитуды не всегда эффективно, кроме того, ока-

зывает влияние на конструкцию используемой установки. Частота колебания трехфазного асинхрон-

ного  двигателя  (5А80МА2УЗ)  была  регулирована  частотным  преобразователем  MG.02.C2.50-VLT 

(Danfoss). С помощью тахометра ТЧ10-Р была измерена частота колебания способом непосредствен-

ного  соединения  на  вал  асинхронного  двигателя.  При  питающей  частоте  50  Гц,  частота  колебания 

асинхронного двигателя была равна 2688 ± 69 об/мин.   

Фазовый состав исследуемых  образцов  определялся методом рентгенфазного анализа на рент-

геновском  дифрактометре  Shimadzu  XRD  6000.  Исследования  распределения  элементов  по  глубине 

образца  проводились  на  спектрометре  эмиссионного  тлеющего  разряда  GD-Profiler  HR.  Шерохова-

тость поверхности образца измеряли на трехмерном бесконтактном профилометре Micro Measure 3D. 

Шероховатость охарактеризовали средним арифметическим отклонением между пиками и впадинами 

профиля – Ra.  

 

Экспериментальные результаты 

Эксперименты  по  определению  характеристики  покрытий  в  зависимости  от  параметров  про-

цесса были проведены при разных размерах шаров и времени обработки. Были определены шерохо-

ватость  покрытий  R

a

  на  трехмерном  бесконтактном  профилометре,  область  сканирования  3×3  мм 

(таблица 1).  

 

Таблица 1. Результаты измерения шероховатости покрытий  

 

Параметры  

шероховатости 

Время нанесения покрытий 2 ч 

Время нанесения покрытий 10 ч 

Размер (диаметр) шаров, мм 

Размер (диаметр) шаров, мм 

6 

6,7 

7,5 

6 

Сталь – ZrO

2

 

Сталь – ZrO

2

 

R

a

, мкм 

1,4 ± 0,3 

1,3 ± 0,2 

2,5 ± 0,5 

0,19 ± 0,05 

R

z

, мкм 

7,2 ± 1,6 

6,6 ± 0,8 

11,9 ± 1,6 

1,07 ± 0,30 

                               Титан – ZrO

2

 

Титан – ZrO

2

 

R

a

, мкм 

0,6 ± 0,1 

0,6 ± 0,1 

2,1 ± 0,4 

1,10 ± 0,13 

R

z

, мкм 

3,4 ± 0,8 

2,9 ± 0,9 

8,1 ± 1,9 

4,97 ± 0,49 

 

Анализируя  экспериментальные  данные  зависимости  шероховатости  поверхности  от  размера 

шаров можно  отметить, что низкое значение шероховатости поверхности получено при использова-

нии  шаров  меньшего  диаметра.  Увеличение  размера  шаров при  постоянном  коэффициенте  заполне-

ния  в  большинстве  случаев  приводит  к  росту  интенсивности  подвода  энергии  и  температуры  [[7]]. 

Однако в случае  больших коэффициентах заполнения камеры при увеличении размера шаров длина 

свободного  пробега  шаров  уменьшается,  и  соответственно  сокращается  частота  ударов  шаров.  Этот 

факт  приводит  к  увеличению  шероховатости  покрытий.  Лучше  использовать  шары  меньшего  диа-

метра, чтобы увеличить число ударов на обрабатываемый материал, которые способствует выравни-

ванию шероховатости поверхности. А также можно утверждать, что размер шаров следует выбирать 

в зависимости от объема камеры. 

На рисунках 2 и 3 показаны 3D изображения поверхности ZrO

2

 покрытий на поверхности стали 

12Х18Н10Т  и  титана  полученные  с  использованием  шаров  разных  диаметров:    6;    6,7  и   7,5  мм.  На 

рисунках наглядно видно, что при использовании шаров большого диаметра 7,5 мм поверхность об-

разца имеет неравномерную структуру (рисунок 2в и 3в). 

На основе проведенных исследований, также можно отметить, что шероховатость поверхности 

образца  зависит  от  материала  исходной  подложки.  Модуль  нормальной  упругости  титан  (ВТ1-0)  – 

110,25 ГПа, стали (12Х18Н10Т) – 198 ГПа. Если сравнить шероховатость поверхности двух  обраба-

тываемых материалов, они отличаются в два раза (таблица 1). Микроструктура поверхности покры-

тий на титане имеет более однородную структуру, рисунок 3а.  

 

 

●

 Технические науки 

 

268                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ 

 

 

 

а) 6 мм; б) 6,7 мм и в) 7,5 мм  

Рис. 2. 3D изображения поверхности ZrO

2

 покрытий на поверхности стали 12Х18Н10Т,  

полученные с использованием шаров разных диаметров  

 

 

 

а) 6 мм; б) 6,7 мм и в) 7,5 мм 

Рис. 3. 3D изображения поверхности ZrO

2

 покрытий на поверхности титана ВТ1-0,  

полученные с использованием шаров разных диаметров 

 

Была изучена шероховатость покрытий после обработки 10 ч с использованием шаров диамет-

ром 6 мм, рисунок 4. Длительное время обработки приводит к выравниванию поверхности покрытий 

на стали. Однако обратный эффект наблюдается для покрытий на титане.  

 

 

 

а) стали 12Х18Н10Т; б) титана ВТ1-0 

Рис. 4. 3D изображения поверхности ZrO

2

 покрытий на разных поверхностях,  

полученные с использованием шаров 6 мм. Время нанесения 10 ч 

 

 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

269 

 

Толщину  покрытий  исследуемых  образцов  определили  методом  изучения  распределения  эле-

ментов  по  глубине  образца  с  помощью  спектрометра  тлеющего  разряда.  Определение  толщины  по-

крытий  методом  приготовления  шлифа  поперечного  сечения  для  исследования  на  сканирующем 

электронном  микроскопе  связано  было  с  трудностями  возникшими  при  обработке  и  интерпретации 

результатов.  В  связи  с  диэлектрическими  свойствами  оксида  циркония  ZrO

2

,  под  действием  элек-

тронного  облучения  образуются поверхностные потенциалы и сильные электрические поля. Это яв-

ление  привело  к  дефокусировке  на  изображениях,  и  было  трудно  определить  границу  подлож-

ка/покрытие.  

Определение  толщины  покрытий  было  проведено  на  образцах,  полученных  с  использованием 

шаров диаметром 6 мм в зависимости от времени, рисунки 5 и 6. После обработки шарами в течение 

времени 2 ч на поверхности образца стали образуется покрытие толщиной 1,68 мкм, рисунок 5а. Гра-

ница подложка/покрытия определялась на глубине, где начинается рост интенсивности линии основ-

ных  элементов,  содержащихся  в  подложке.  На  детальном  анализе  качественного  профиля  припо-

верхностного  слоя  видна  максимальная  интенсивность  элемента  Zr,  а  также  наблюдается  интенсив-

ность Fe и Cr, основных составляющих элементов подложки. Это объясняется тонким слоем покры-

тий. В области модифицированного слоя наблюдается слабые рефлексы элементов покрытий, грани-

ца этого  слоя на графиках обозначено условно. Этот слой образуется на начальных стадиях процесса 

нанесения.  

   

 

 

а) 2 ч; б) 10 ч 

Рис. 5. Качественный профиль ZrO

2

 покрытий на поверхности стали 12Х18Н10Т,  

полученных при различных временах обработки, размер шара 6 мм  

 

С  увеличением  времени  обработки  наблюдается  рост  толщины  покрытий.  На  приповерхност-

ных  областях  не  наблюдаются  интенсивности  элементов  подложки,  рисунок  5б.  Толщина  покрытий 

после 10 ч обработки примерно составляет 3 мкм. 

На  рисунке  6  показаны  качественные  профили  ZrO

2

  покрытий  на  поверхности  титана  ВТ1-0 

после нанесения в течение времени 2 ч и 10 ч.  Анализируя элементы распределения по глубине  об-

разца можно сказать, что количество времени обработки не влияет на рост толщины покрытий. Мож-

но сделать вывод, что воздействие ударов шаров на поверхности титана имеет более упругий харак-

тер, это связано с механическим свойством подложки. При этом частицы порошка, взаимодействуя с 

поверхностью титана, играют роль «микроскопических кувалд» –  они передают свою кинетическую 

 

●

 Технические науки 

 

270                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ 

 

энергию  нижележащим  слоям,  и  происходит  процесс  уплотнения  покрытий.  Об  этом  может  свиде-

тельствовать увеличение интенсивности линии Zr в области покрытия (рисунок 6б), по сравнению с 

обработкой в течение времени 2 ч (рисунок 6а). Таким образом, можно предположить, что с увеличе-

нием времени нанесения ZrO

2

 покрытий на поверхность титана  наблюдается только уплотнение по-

крытий. 

 

 

 

а) 2 ч; б) 10 ч 

Рис. 6. Качественный профиль ZrO

2

 покрытий на поверхности титана ВТ1-0,  

полученных при различных временах обработки, размер шара 6 мм  

 

На основе вышеизложенных результатов исследований зависимость характеристики покрытий 

от параметров процесса можно  описать только  с  учетом механических свойств исходной подложки. 

Чем  меньше  размеры  шаров,  тем  меньше  шероховатость  покрытий.  Увеличение  времени  нанесения 

покрытий по-разному виляет на толщину и шероховатость поверхности  обрабатываемого материала 

в зависимости от его механических свойств. 

На рисунке 7 показаны дифрактограммы ZrO

2

 покрытий на поверхности стали 12Х18Н10Т, ис-

ходной  и  МС  обработанной  подложки.  Сталь  12Х18Н10Т  состоит  из  аустенситной  и  мартенситной 

фазы. После МС обработки происходит мартенситное превращение под действием пластической де-

формации [[8], [9]]. А также наблюдается образования оксида железа Fe

3

O

4

. Дифрактограммы образ-

цов с покрытием соответствуют фазовому составу исследуемой системы. Зарегистрированы линии γ-

Fe, α –Fe и ZrO

2

 с моноклинной структурой. Длительное время МС нанесение покрытий не приводить 

к  существенному  изменению  фазового  состава исследуемой  системы.  Наблюдается  небольшой  рост 

интенсивности γ-Fe фазы. 

На  рисунке  8  показаны  дифрактограммы  ZrO

2

  покрытий  на  поверхности  титана  ВТ1-0.  Были 

зарегистрированы фазы, соответствующие к  исходному составу исследуемой системы. МС обработ-

ка исходной подложки приводит к  уширению дифракционных линий  альфа сплавом ВТ1-0, т.е. из-

мельчению кристаллических зерен образца. На поверхности наблюдается образование оксида титана 

TiO

2

.  

Таким образом, результаты элементного анализа и исследования фазового состава  ZrO

2

 покры-

тий на поверхности стали 12Х18Н10Т и титана ВТ1-0 подтверждают  образование керамических по-

крытий на поверхности исследуемых образцов.  

 

жүктеу/скачать 28,19 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: