Формування модифікованих шарів при плазмово-детонаційній обробці вуглецевих сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ІМ. Є.О. ПАТОНА

УДК 621.785.54

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ФОРМУВАННЯ МОДИФІКОВАНИХ ШАРІВ ПРИ ПЛАЗМОВО-ДЕТОНАЦІЙНІЙ ОБРОБЦІ ВУГЛЕЦЕВИХ СТАЛЕЙ

Спеціальність 05.03.06 - зварювання та споріднені технології

КОЛІСНІЧЕНКО ОЛЕГ ВІКТОРОВИЧ

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ.

Науковий керівник:

Борисов Юрій Сергійович, доктор технічних наук, професор, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідуючий відділом захисних покриттів.

Офіційні опоненти:

Корж Віктор Миколайович, доктор технічних наук, професор, Національний технічний університет України "КПІ", професор кафедри технології та обладнання обновлення і підвищення зносостійкості машин і конструкцій.

Подчерняєва Ірина Олександрівна, доктор технічних наук, ст.н.с., Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Інститут газу НАН України, відділ плазмових технологій, м. Київ.

Захист відбудеться "21" травня 2003 р. в 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680 м. Київ, вул. Боженка, 11.

С дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ за адресою: 03680 м. Київ, вул. Боженка, 11.

Автореферат розіслано "10" квітня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Л.С. Киреєв.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. До числа сучасних областей науки і техніки, що швидко розвиваються, відноситься інженерія поверхні. Нові можливості управління властивостями поверхні, що відкриваються завдяки її досягненням, дозволяють оптимізувати процеси створення нових матеріалів і устаткування, покращувати характеристики та показники роботи існуючих.

Одним із базових напрямків інженерії поверхні є модифікація поверхні шляхом впливу концентрованими потоками (безперервними або імпульсними) енергії, до числа яких відносяться потоки іонів і електронів, плазмові струмені та імпульси, лазерне випромінювання та ін.

Дані методи мають ряд принципових переваг перед традиційними технологіями термічної та хіміко-термічної обробки, які полягають в можливості локального (за площею і за глибиною) зміцнення поверхні, відсутності деформації оброблюваних деталей та механічного впливу на матеріал, що оброблюється, можливості поєднання процесу термообробки з легуванням поверхні. Вищесказане привело до широкого практичного застосування таких методів. У першу чергу це зміцнення поверхні шляхом лазерної обробки. Так довговічність пресо-штампового інструменту в результаті лазерної обробки зростає у 2-3 рази.

Аналогами лазерної обробки є методи, які використовують імпульсні плазмові прискорювачі, де концентровані потоки плазми формуються при розряді ємнісних накопичувачів енергії. Одним із варіантів таких прискорювачів є плазмово-детонаційний генератор, де електричний розряд протікає через частково іонізовані продукти детонаційного згорання пальної газової суміші. Енергетичні характеристики цього методу за щільністю енергії в імпульсі наближаються до лазерної обробки. У той же час плазмово-детонаційна обробка (ПДО) поверхні вигідно відрізняється від лазерної технології простотою устаткування, його габаритами і ступінню корисного використання потужності.

Результати виконаних досліджень структурних перетворень в залізовуглецевих сплавах при ПДО та її практичного застосування підтвердили ефективність цього процесу і перспективність його розвитку. Подальша розробка наукової бази ПДО, оптимізація її технології та визначення найбільш ефективних областей її використання пов'язані з необхідністю розширення знань особливостей процесів, що протікають при ПДО, як на основі розрахунково-теоретичного аналізу, так і шляхом експериментальних досліджень.

Мета роботи. Визначення впливу факторів плазмово-детонаційної обробки на термічний режим і структурно-фазові перетворення в поверхневих шарах вуглецевих сталей та розробка на цій основі технологічних рекомендацій щодо зміцнення стальних виробів.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі: плазмова детонаційна струм тепловий

Дослідити вплив технологічних параметрів на амплітудно-часові характеристики струму розряду в умовах ПДО.

Провести аналіз складових теплового потоку від ударно-стиснутої області плазми у виріб і визначити роль підведеного до нього потенціалу на процес нагрівання поверхні при ПДО.

Оцінити роль вкладу променевої енергії в процесі теплопередачі при ПДО.

Провести аналіз дії термічного впливу імпульсного потоку плазми на структурно-фазовий стан в поверхневих шарах виробу на основі математичного моделювання процесу.

Дослідити структурно-фазові перетворення і процеси легування при ПДО в поверхневих шарах вуглецевих сталей на прикладі ст. У 8.

Розробити технологічні рекомендації щодо ПДО виробів вуглецевих сталей і провести їх дослідно-виробничу перевірку.

Об'єкт дослідження - процеси взаємодії імпульсного потоку плазми із оброблюваною поверхнею в умовах ПДО.

Предмет дослідження - вплив умов ПДО на формування і структуру модифікованих шарів виробів із вуглецевих сталей.

У роботі використовувались наступні методи: метод поясів Роговського, математичне моделювання температурних полів, рентгеноструктурний аналіз, растрова електронна мікроскопія, спектрометрія зворотного розсіювання Резерфорда, металографічний аналіз.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно із:

відомчою темою: 1.6.1.73.6. "Розробка матеріалів і нових технологій отримання функціональних покриттів з нетрадиційною, у тому числі квазікристалічною структурою, та дослідження їх можливостей".

відомчою темою: 1.6.1.73.8. "Розробка наукових основ і дослідження фізико-хімічних особливостей процесів нанесення покриттів, які сполучені із синтезом тугоплавких з'єднань з використанням термоактивних джерел".

відомчою темою: 1.6.1.6.33. "Розробка фізико-металургічних основ комплексного легування поверхні сплавів на основі заліза з використанням аномальних процесів масопереносу".

Наукова новизна:

У результаті розрахунково-теоретичної оцінки ролі потенціалу виробу вперше показано, що щільність енергії на поверхні оброблюваного виробу в умовах ПДО максимальна, у випадку, коли виріб є анодом, і може досягати 10¹⁰ Вт/м ² при напруженості електричного поля в міжелектродному зазорі 3,5•10⁵ В/м. У випадку, коли виріб-катод, тепловий потік знижується в ~1,3 рази і складає 6,4•10⁹ Вт/м ². Мінімальний тепловий потік у виріб дорівнює 2,1•10⁹ Вт/м ², коли виріб ізольовано. При зниженні напруженості електричного поля в міжелектродному зазорі до 2,5•10⁵ В/м, тепловий потік знижується в 7…9 разів.

Вперше проведені дослідження амплітудно-часових характеристик струму газового розряду в умовах ПДО і встановлено, що напрямок струму між центральним електродом і виробом залежить від ємності конденсаторної батареї. При ємностях 400, 1000 і 1200 мкФ має місце позитивна полярність виробу; при 600 та 800мкФ-негативна, а тривалість імпульсу струму, яка залежить від параметрів розрядного контуру, складає 0,3-0,7мс при 400-1200 мкФ.

У результаті експериментів з поглинаючими покриттями встановлено, що променевий тепловий потік від ударно-стиснутого шару плазми у виріб в умовах ПДО незначний і складає менше 1 % від загального теплового потоку.

Вперше отримані результати чисельного моделювання кінетики температурних полів в поверхневих шарах в умовах ПДО виробів, які дозволили спрогнозувати структурно-фазовий склад і товщини модифікованих шарів вуглецевих сталей при обробці. Розрахункові дані для ст. У 8 узгоджуються з експериментальними результатами.

Дослідження модифікованих шарів при ПДО вуглецевої сталі У 8 показали, що при частоті слідування плазмових імпульсів до 2 Гц їх кількість не впливає на максимальну товщину поверхневого шару, де протікають фазові перетворення. Кількість імпульсів впливає на рівномірність зміцненого шару по всій зоні обробки. Причинами зміцнення є підвищення ступеня тетрагональності мартенситу і фазовий наклеп у результаті зворотних б-г перетворень. З ростом інтенсивності нагрівання кількість залишкового аустеніту зростає від 5 до 30 %.

Практичне значення отриманих результатів. На основі проведених досліджень і розрахунково-теоретичного аналізу розроблені рекомендації щодо плазмово-детонаційної обробки штампового інструменту. Встановлені фактори, які впливають на ПДО поверхні, та їх роль у процесі модифікування. Виробнича перевірка результатів виконана в умовах інструментального виробництва на ВАТ "Череповецький сталепрокатний завод". Стійкість інструменту при цьому збільшилась у 2…4 рази.

Особистий внесок здобувача. Автором розроблена методика і здійснені експерименти по виміру амплітудно-часових характеристик струму при ПДО.

Проведено розрахунок теплофізичних параметрів ударно-стиснутої області плазми в залежності від параметрів плазмового струменю, що натікає, (швидкості, температури, тиску, ступеня іонізації), а також теплових потоків в залежності від полярності виробу.

Автором розроблена програма розрахунку кінетики температурного поля оброблюваних шарів при ПДО. На основі отриманих результатів проведено розрахунково-теоретичний аналіз структурно-фазового стану поверхні ст. У 8 в умовах високошвидкісного нагрівання і охолодження.

Автором проведені дослідження по визначенню ступеня впливу підведеного до виробу потенціалу і наявності допоміжних покриттів на ефективність нагрівання поверхні при ПДО.

Автор безпосередньо приймав участь у дослідженнях структурно-фазового стану модифікованих шарів.

Апробація результатів дисертації. Робота виконувалась в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ. Основні наукові положення дисертації доповідались на Міжнародних конференціях і семінарах: "Взаємодія випромінювань з твердим тілом" (ВИТТ-99). - Мінськ, Білорусь. - 6-8 жовтня 1999р.; "Плівки і Покриття' 2001". - Санкт-Петербург, Росія. - 3-5 квітня 2001р.; "Інженерія поверхні та реновація виробів ". - Феодосія, Україна. - 29-31 травня, 2001р.; "Обладнання і технології термічної обробки металів і сплавів" (ОТТОМ-2). - Харків, Україна. - 10-14 вересня 2001 р.

Публікації. По результатах виконаних досліджень опубліковано 11 друкованих робіт.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновків, списків використаних джерел та додатків. Дисертація має загальний обсяг 190 сторінок машинописного тексту, включаючи 55 рисунків на 18 сторінках, 15 таблиць на 3 сторінках, список літератури із 118 найменувань на 12 сторінках і 3 додатки на 22 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень в області створення технологій поверхневої обробки матеріалів імпульсними потоками плазми з метою збільшення ресурсу служби інструменту і деталей машин. Сформульована мета роботи і основні напрямки досліджень.

У першому розділі розглянуті основні сучасні методи поверхневого модифікування матеріалів висококонцентрованими потоками енергії (електронно-променевий, лазерний і плазмовий). Описані особливості впливу концентрованими джерелами енергії (КДЕ) у порівнянні з традиційними методами термічної обробки.

Основною перевагою КДЕ є можливість досягнення високих щільностей енергії на поверхні оброблюваного виробу. Нагрівання і охолодження сталей зі швидкостями, на декілька порядків перевищуючими значення характерні для традиційних методів зміцнення (пічного загартування, загартування ТВЧ та ін.), дозволяє отримувати унікальні комплекси механічних і фізичних властивостей поверхні (високу твердість, опірність зношуванню і т. д.) за рахунок зміни кінетики фазового переходу, подрібнення розміру зерна, підсилення фазового наклепу в результаті зворотних б-г перетворень.

Одним із найбільш вивчених КДЕ є лазерний промінь. У багатьох випадках отримані результати при лазерному впливі та при будь-якому іншому впливі КДЕ співпадають. З цієї точки зору важливо враховувати накопичений досвід лазерної обробки матеріалів. У роботі наведені літературні дані, що описують структурно-фазовий стан поверхневих шарів в залежності від технологічних параметрів лазерної обробки. Особливу увагу приділено імпульсним лазерним джерелам. Наведені структурно-фазові характеристики модифікованих шарів різних типів сталей, отриманих при лазерній обробці.

Із способів обробки КДЕ найбільш економічним, продуктивним і доступним є плазмова обробка. Спектр виконуваних задач з використанням плазмових генераторів стаціонарної дії широкий. Однак максимальний тепловий потік в даних типах пристроїв обмежений величиною 10⁴…10⁵ Вт/см ². Використання імпульсних плазмових генераторів дає можливість наблизитися до енергетичних параметрів, що реалізуються при впливі лазерним і електронним променем.

Одним із видів імпульсних плазмових пристроїв є установка ПДО. При реалізації плазмово-детонаційної обробки використовується імпульсний плазмовий генератор на основі ємнісних накопичувачів енергії. У першій главі описані особливості конструкції та принцип дії імпульсного плазмового генератора, що застосовується в ПДО, висвітлені результати попередніх досліджень. Однак ті, що є результати теоретичних і експериментальних досліджень не дають поки повної уяви про процеси взаємодії імпульсного потоку плазми з оброблюваною поверхнею в умовах ПДО. Недостатньо вивчений вплив енергетичних параметрів отримуваного при цьому імпульсного плазмового потоку на структуру оброблюваного матеріалу.

На основі проведеного аналізу була поставлена мета даної роботи і визначені задачі дослідження.

У другому розділі наведено опис експериментального устаткування, методів дослідження модифікованих шарів і самого процесу взаємодії імпульсного потоку плазми з оброблюваною поверхнею.

Плазмово-детонаційна обробка зразків здійснювалась на лабораторній установці "Імпульс". У процесі ПДО виробів використовувались такі технологічні режими: напруга на обкладках конденсаторної батареї-U=3,2 кВ, ємність конденсаторної батареї-C=400…1200 мкФ, індуктивність ланцюга розряду-L=20 мкГн, витрата C₃H₈-0,16…0,48 м ³/год, витрата O₂-0,8…2 м ³/год, витрата повітря-0,8…2 м ³/год, частота слідування імпульсів- =1…10Гц, відстань від зрізу сопла до виробу-H=40…100 мм, величина заглиблення електроду (відстань від витрачуваного електроду до зрізу сопла)- h=0…40 мм.

Основними факторами, які впливають на геометрію і структурно-фазові характеристики зміцненої зони, є параметри теплового потоку і час його впливу на поверхневі шари. Відмінною особливістю ПДО є можливість проведення процесу обробки поверхні при наявності струмового розряду між електродом плазмового генератора і оброблюваною деталлю. У зв'язку з цим, для визначення часу взаємодії плазми з оброблюваною поверхнею, а також ступеня впливу параметрів, що варіюють, на процес зміцнення, однією із задач роботи було дослідження амплітудно-часових характеристик імпульсу стуму. Для даної задачі була використана методика реєстрації струму у розрядному ланцюзі з допомогою індуктивних котушок (поясів Роговського).

Як матеріал досліджуваних зразків використовувались вуглецеві сталі марок У 8, У 10.

Поверхневе нагрівання матеріалу при ПДО відбувається, головним чином, за рахунок енергії, яка приноситься іонами, електронами, нейтральними атомами, джоулевого тепловиділення, а також променевого потоку. На поглинаючу здатність променевої складової впливають як шорсткість поверхні, що опромінюється, так і наявність спеціальних покриттів. Для дослідження впливу покриттів на процес ПДО зразків застосовували покриття із колоїдного розчину типографічної фарби (?40 мкм), а також покриття у вигляді сажі (<5 мкм). Поглинаюча здатність графіту близька до одиниці. Крім того, графіт має малу величину електроопору. Як покриття з більшим електроопором застосовувався шар Zn₃(PO₄)₂ (<10 мкм), отриманий методом холодного осадження із водного розчину фосфату протягом 15 хв. Усі вибрані покриття використовуються в технології лазерної обробки, підвищуючи її ефективність.

Структурно-фазовий аналіз шару, який формується в результаті ПДО, проводили із застосуванням методів металографічного і рентгенівського фазового аналізу на оптичному мікроскопі "Neophot - 32" та на дифрактометрі "Дрон - 3" з кобальтовим джерелом Кб-випромінювання. Вивчення загального характеру розподілу хімічних елементів на поверхні в зоні плазмово-детонаційного впливу проводилось за допомогою скануючого електронного мікроскопу JSM-840 фірми "JEOL". Зміцнення поверхневого шару характеризували величиною мікротвердості, виміряної на металографічних шліфах. Виміри проводили на твердомірі М-400 фірми "LECO". Для визначення процентного вмісту і розподілу за глибиною легуючих елементів в поверхневих шарах після ПДО застосовували спектрометрію зворотного розсіювання Резерфорда.

У третьому розділі описані результати дослідження амплітудно-часових характеристик імпульсного розряду при ПДО. Експериментальне вивчення параметрів плазми у імпульсних електрогазодинамічних прискорювачах важливе через відсутність надійних розрахункових методик процесів, які проходять у типі пристроїв, що розглядаються.

Використання методики поясів Роговського дозволило визначити час впливу плазмового імпульсу на поверхню виробу, його форму, а також ступінь впливу технологічних параметрів на амплітудно-часові характеристики струму, а відповідно і на тепловий потік. При проведенні замірів варіювали величинами ємності конденсаторної батареї-С=400…1200 мкФ, відстанню від зрізу сопла до виробу-H=40…100 мм та відстанню від торця центрального електроду до зрізу сопла-h=0…40 мм. Було встановлено, що варіювання витратою плазмоутворюючих газів C₃H₈, O₂ і повітря в межах: 0,24…0,48 м ³/год, 1…2 м ³/год, 1…2 м ³/год, відповідно, суттєво не впливає на амплітудно-часові характеристики струму газового розряду. Дослідження показали, що при незмінній індуктивності ланцюга основним параметром, суттєво впливаючим на характер розряду в міжелектродному зазорі та на час взаємодії плазмового імпульсу з поверхнею оброблюваного виробу (_и0,3…0,7 мс), є ємність (рис. 1 а, б).

Варіювання параметрами H і h призводить до зміни амплітуди струму між виробом та центральним електродом (рис. 2 а, б). Амплітуда при цьому досягає 7 кА.

Було виявлено, що по причині зміни параметрів електричного ланцюга ємність батареї впливає на полярність виробу по відношенню до центрального електроду. В умовах ПДО при ємностях рівних 400 мкФ, 1000 мкФ і 1200 мкФ виріб оброблюється в режимі аноду, а при 600 мкФ та 800 мкФ - катоду. Дослідження амплітудно-часових характеристик показало, що опір плазми непостійний і знаходиться в межах R(t)?0,01…0,09 Ом.

У четвертому розділі проведено оціночний розрахунок параметрів плазми в ударно-стиснутому шарі та теплового потоку у виріб при ПДО, розроблена програма розрахунку зміни температурного поля модифікованого шару матеріалу в залежності від технологічних параметрів імпульсної плазмової обробки і властивостей самого матеріалу. На основі отриманих результатів проведено теоретичний аналіз структурно-фазового стану поверхні ст. У 8 в умовах високошвидкісного нагрівання і охолодження.

При взаємодії надзвукового плазмового струменю з плоскою перешкодою у поверхні утворюється область ударно-стиснутої плазми. У розрахунках прийнято, що плазма квазинейтральна і термічно рівноважна.

Беручи до уваги адіабатичність процесу, температура і ступінь іонізації в ударно-стиснутій області T₂₀ і ₂₀ визначаються із системи рівнянь рівності ентальпій у струмені та в ударно-стиснутому шарі, а також рівняння Саха.

де n₂₀ - концентрація іонів і нейтральних часток в ударно-стиснутій області, V₁, Т ₁, ₁ - відомі швидкість, температура і ступінь іонізації плазми у струмені.

При визначенні теплового потоку у виріб були розглянуті три випадки: виріб - анод, виріб - катод, виріб ізольовано.

Виріб - катод. Щільність електричного струму на катоді:

,

- щільність іонного струму;

Прийнято, що доля електронного струму за рахунок термоавтоелектронної емісії складає S~0,6, тоді щільність електронного струму:

,

- щільність струму зворотних електронів.

Тепловий потік в катод визначається із виразу:

q_kл=q_i+q_e-обр+q_r-пл+q_a-q_r-кат-q_эм, де

- енергія, що приноситься іонами,

де _i, _n - коефіцієнти акомодації для іонів, U_k - прикатодне падіння потенціалу, ц_e - робота виходу електрону, I - потенціал іонізації.

- енергія зворотних електронів,

де _e-коефіцієнт акомодації електронів.

- енергія, що приноситься нейтральними атомами,

- тепловий потік у виріб за рахунок випромінювання плазми,

- коефіцієнт поглинання Планка, ?z5·10^-3 м-товщина ударно-стиснутого шару.

- тепловий потік, що відводиться за рахунок випромінювання поверхні,

- тепловий потік, що відводиться електронами емісії.

Виріб - анод. Оскільки потенціал плазми, як правило, вищий від потенціалу поверхні аноду, при значеннях щільності струму до j?10⁹ A/м ², рух електронів гальмується електричним полем, а іонів прискорюється у напрямку до поверхні. Щільність струму на аноді дорвнює

,

; .

Тепловий потік в анод визначається з виразу:

q_ал=q_i + q_e + q_a + q_r-пл - q_r-ан,

де теплові потоки, що приносяться на анод електронами, іонами, нейтральними атомами, тепловий потік в анод за рахунок випромінювання плазми, тепловий потік, що відводиться за рахунок випромінювання поверхні, відповідно рівні:

; ;

; ;

,

Виріб ізольовано Тепловий потік в поверхню ізольованого виробу визначається аналогічно як і для аноду. Однак, необхідно взяти до уваги, що щільність електричного струму . При цьому потенціал плазми відносно поверхні виробу ц₀ визначався із співвідношення:

Оцінка параметрів плазми в ударно-стиснутому шарі та теплових потоків у виріб, в залежності від напруженості електричного поля в міжелектродному зазорі, представлена в таблиці 1.

Щільність енергії на поверхні оброблюваного виробу в умовах ПДО максимальна, у випадку, коли виріб є анодом, і може досягати 10¹⁰ Вт/м ² при напруженості електричного поля в міжелектродному зазорі 3,5•10⁵ В/м. У випадку, коли виріб-катод, тепловий потік знижується в ~1,3 рази (q=6,4•10⁹ Вт/м ²), а коли ізольовано - в ~3 рази (q=2,1•10⁹ Вт/м ²). В останньому випадку поверхня знаходиться під негативним плаваючим потенціалом (?ц=4…6 В) відносно шару плазми, що прилягає. У результаті, значно зменшується нагрівання поверхні за рахунок скорочення долі теплового потоку, пов'язаного з енергією, яка переноситься електронами, а також з причини відсутності об'ємного джоулевого тепловиділення. При зниженні напруженості електричного поля в міжелектродному зазорі до 2,5•10⁵ В/м тепловий потік знижується в 7…9 разів.

Таблиця 1. Параметри плазми та теплові потоки у виріб

Параметри
Ex105, В/м	2,5	3	3,5
Температура плазмового струменю, К	7,5•103	9,4•103	11,25•103
Швидкість плазмового струменю, м/с	2,72•103	3,4•103	4,1•103
Ступінь іонізації плазмового струменю	0,001	0,012	0,063
Температура плазми в ударно-стиснутій області, К	9,1•103	11•103	12,65•103
Тиск в ударно-стиснутій області, Па	4,1•105	4,5•105	5,2•105
Ступінь іонізації плазми в ударно-стиснутій області	0,006	0,032	0,1
Щільність струму у виріб, A/м 2	9,2•107	4,8•108	1,35•109
Значення потенціалу на зовнішній межі кнудсенівського шару ц0, В (виріб ізольовано)	3,24	3,89	4,51
Тепловий потік, що йде на нагрівання виробу-катоду, Вт/м 2	7,2•108	2,3•109	6,4•109
Тепловий потік, що йде на нагрівання виробу - аноду, Вт/м 2	9•108	3,8•109	1•1010
Тепловий потік, що йде на нагрівання ізольованого виробу, Вт/м 2	3,6•108	8,4•108	2,1•109

Для розрахунку зміни температурних полів при ПДО застосовувалось чисельне моделювання процесу методом кінцевих різниць.

Для розв'язання поставленої задачі у вісесиметричному наближенні розглянуто нестаціонарне рівняння теплопровідності із перемінними коефіцієнтами і наявністю об'ємного тепловиділення, записане в циліндричних координатах z та r:

де С(T), л(T), (T) - теплоємність, коефіцієнт теплопровідності і питома електропровідність матеріалу; j(t)- щільність струму, що визначається експериментально з використанням методики поясів Роговського. При розрахунках допускаєм, що щільність матеріалу постійна і не залежить від температури с(T)=const.

При формулюванні граничних умов прийняті такі припущення: виріб теплоізольовано; питомий тепловий потік у виріб має гаусовий розподіл

,

де q₀ - максимальне значення питомого теплового потоку, о-коефіцієнт, враховуючий зміну питомого теплового потоку за радіусом; охолодження поверхні здійснюється за рахунок тепловідведення вглиб металу, а також променевого потоку із поверхні виробу

,

де е-ступінь чорноти поверхні, у_sb-постійна Стефана-Больцмана.

;

; ;

.

Різницевий аналог рівняння розв'язувався за схемою Пісмена-Рекфорда на квазирівномірній сітці по координаті z і нерівномірній сітці по часовій координаті.

На рис. 3 показано зміну температурного поля поверхневих шарів в умовах ПДО зразка із ст. У 8 одним імпульсом при таких параметрах: питомий тепловий потік q₀ = 7,2·10⁸ Вт/м ², тривалість імпульсу ф = 0,6 мс, амплітуда сили струму I = 5,0·10³ А, товщина зразка H₀ = 5,0·10^-3 м, радіус зразка R = 5,0·10^-3 м.

Результати розрахунку термічного впливу ПДО на поверхню ст. У 8 показали, що при цьому здійснюється високошвидкісне нагрівання, Vн>1,5·10⁶ град/сек (рис. 4), в умовах якого відбувається зсув критичних точок Ac₁ в область високих температур на величину ?Т_K=182є…196є.

При наступному високошвидкісному охолодженні, Vохл>1,2·10⁴ град/сек (рис. 5) повністю подавляється високотемпературний розпад аустеніту і відбувається тільки мартенситне перетворення. В таких умовах модифікований шар складається із фаз мартенситу і залишкового аустеніту.

Висока швидкість охолодження призводить до того, що після охолодження є велика неоднорідність структури, що пов'язано з негомогенністю аустеніту. Велика швидкість охолодження призводить до підвищеної дефектності структур, так як підсилюється фазовий наклеп, гальмуються процеси відпочинку і рекристалізації та більш повно успадковуються дефекти г-фази. При цьому, базуючись на літературних даних, слід чекати подрібнення блоків, збільшення щільності дислокацій і росту напруг в кристалічній решітці.

При розгляді другого і наступних імпульсів, розподіл температурних полів суттєво не відрізняється від тих, які були наведені для одного імпульсу. Між імпульсами відбувається інтенсивне відведення тепла в метал. Таким чином, у результаті ПДО здійснюється процес термоциклічної обробки поверхні. Із розрахункових кривих видно, що при початкових умовах, що розглядаються, з урахуванням зсуву критичних точок, мають місце фазові перетворення в поверхневому шарі товщиною ?40 мкм.

У п'ятому розділі досліджено вплив деяких факторів нагрівання поверхні виробу при ПДО на структуру зміцнених шарів вуглецевих сталей, а саме, проведені оцінки ролі променевої складової енергії при ПДО, значущості включення зміцнюваного виробу в розрядний контур, а також можливості легування оброблюваної поверхні.

Встановлено, що в результаті ПДО в поверхневому шарі сталі У 8 утворюється модифікований шар з мікротвердістю HV₅₀=8600 МПа (рис. 6). Кількість імпульсів впливає на рівномірність зміцненого шару по всій зоні обробки. При цьому, максимальна товщина поверхневого шару, де протікають фазові перетворення, не залежить від кількості імпульсів.

Основні структурні складові поверхневого шару сталі У 8 після ПДО - високовуглецевий мартенсит (до 0,64 % С) і залишковий аустеніт (табл.2). Залишковий аустеніт не знижує твердості поверхневого шару через високий ступінь його наклепу.

Застосування різних поглинаючих покриттів на оброблюваній поверхні неоднозначно позначається на процесі ПДО виробів. Позитивний ефект зафіксовано при застосуванні тонких (<5 мкм) покриттів на основі вуглецю, наприклад, сажі. При цьому відбувається збільшення тетрагональності мартенситу за рахунок дифузії вуглецю в поверхневі шари.

Товсті (?40 мкм) покриття на основі типографічної фарби і покриття із фосфату цинку (?8 мкм) з великим електроопором грають роль бар'єру для потоку енергії, що приноситься електронами, нейтральними атомами та іонами. Збільшення променевої складової не компенсує ці втрати, що призводить, в цілому, до зниження інтенсивності нагрівання поверхні. При ПДО ізольованого виробу поглинаючі покриття майже не впливають на щільність енергії у плямі обробки і ефективність процесів модифікування.

Таблиця 2. Вміст вуглецю в мартенситі та залишкового аустеніту в поверхневих шарах сталі У 8 після ПДО

№	Матеріал	Наявність потенціалу	Допоміжне покриття	Кількість імпульсів	Вміст вуглецю в мартенситі, %	Вміст аустеніту, %
1	ст. У 8	зразок без обробки	0,13	<5
2		ізольовано	-	1	0,13	<5
3		ізольовано	сажа	1	0,13	<5
4		заземлено	-	1	0,44	13
5		заземлено	сажа	1	0,54	20
6		заземлено	-	3	0,64	30

Дослідження з використанням растрової електронної мікроскопії та спектрометрії зворотного розсіювання Резерфорда показали, що в умовах ПДО можна здійснити легування поверхні за рахунок переносу із парокрапельної фази матеріалу еродуємого електроду і елементів продуктів згоряння пальної суміші. Для ефективної реалізації процесу легування ПДО необхідно проводити в режимі, коли електрод, що еродується, є анодом а сам виріб - катодом. При цьому тепловий потік в електрод максимальний, а поглинання елементів, що складають плазму, поверхнею підсилюється за рахунок електричного поглинання. При використанні молібденового електроду вміст Мо в поверхневих шарах може досягати 10 ат. %.

В шостому розділі на основі отриманих результатів досліджень розроблені рекомендації щодо виробничого використання ПДО інструменту і описаний досвід застосування технології на ВАТ "Череповецький сталепрокатний завод" (Російська Федерація). Зміцненню піддавали металоріжучий інструмент, а також матриці та пуансони штампів холодного і гарячого деформування металу. Відповідно до розроблених рекомендацій обробка проводилась із забезпеченням надлишку пропану у вихідній пальній газовій суміші в режимі виріб-катод (С=800 мкФ) з трикратним перекриттям зони термічного впливу. Для забезпечення процесу зміцнення величина питомого теплового потоку у виріб підбиралась в інтервалі 3,6•10⁸…12•10⁸ Вт/м ². Продуктивність зміцнення складала до 100 пуансонів на годину. Досвід виробничої експлуатації показав, що працездатність зміцненого інструменту підвищилась у 2…4 рази.

ВИСНОВКИ

На основі отриманих результатів встановлено, що при ПДО виробів з вуглецевих сталей можна здійснювати комплексну обробку поверхневих шарів за рахунок високошвидкісного термічного впливу і процесів легування.

З використанням поясів Роговського досліджені амплітудно-часові характеристики струму газового розряду в умовах ПДО. Визначена ступінь впливу різних технологічних параметрів на амплітуду струму у виріб (до 7 кА). Встановлено, що час впливу імпульсу плазми на поверхню виробу при незмінній індуктивності та напрузі на обкладках конденсаторної батареї залежить тільки від ємності конденсаторів і складає _и0,3…0,7 мс при 400-1200 мкФ. Ємність батареї впливає на напрямок проходження струму між центральним електродом плазмового генератора і виробом. При 400, 1000 і 1200 мкФ виріб - анод, при 600, 800 мкФ виріб - катод.

У результаті розрахунково-теоретичної оцінки параметрів плазми в ударно-стиснутому шарі, ролі потенціалу виробу показано, що питомий тепловий потік в оброблювану поверхню в умовах ПДО максимальний, у випадку, коли виріб є анодом, і може досягати 10¹⁰ Вт/м ² при напруженості електричного поля в міжелектродному зазорі 3,5•10⁵ В/м. У випадку, коли виріб-катод, тепловий потік знижується в ~1,3 рази (q=6,4•10⁹ Вт/м ²), а коли ізольовано в ~3 рази (q=2,1•10⁹ Вт/м ²). При зниженні напруженості електричного поля в міжелектродному зазорі до 2,5•10⁵ В/м тепловий потік знижується в 7…9 разів.

Розроблена програма для чисельного аналізу температурних полів поверхневих шарів при ПДО поверхні виробів. Комп'ютерне моделювання термічного впливу в умовах ПДО поверхні ст. У 8 показало, що при цьому здійснюється високошвидкісне нагрівання (Vн>1,5·10⁶ град/сек) і, відповідно до розрахунку, відбувається зсув критичних точок Ac₁ в область високих температур на величину ?Т_K=182є…196є. При наступному високошвидкісному охолодженні (Vохл>1,2·10⁴ град/сек) повністю подавляється високотемпературний розпад аустеніту і відбувається тільки мартенситне перетворення. В таких умовах модифікований шар складається із мартенситу і залишкового аустеніту. При багатократній ПДО здійснюється процес термоциклічної обробки поверхні вуглецевих сталей, що призводить до підсилення фазового наклепу в результаті зворотних б-г перетворень.

Розрахунково-теоретична оцінка товщини і фазового складу модифікованих шарів співпадає з даними експериментальних досліджень зразків із ст. У 8, які пройшли ПДО. Це дає можливість використовувати описану розрахункову модель для прогнозування кінетики фазових перетворень і товщини модифікованих шарів в умовах ПДО виробів із різних сталей.

Дослідження структури і властивостей поверхневих шарів вуглецевих сталей (У 8, У 10), підданих ПДО, показали формування зміцненого шару зі зміненою структурою при максимальній товщині близько 40 мкм і мікротвердості НV₅₀=8600 МПа для ст. У 8 і НV₅₀=11000 МПа для ст. У 10. При частоті слідування плазмових імпульсів до 2 Гц їх кількість не впливає на максимальну товщину поверхневого шару, де протікають фазові перетворення. Кількість імпульсів впливає на рівномірність зміцненого шару по всій зоні обробки. Рентгенофазові дослідження модифікованих шарів ст. У 8 показали наявність в них залишкового аустеніту (до 30 %) і високовуглецевого мартенситу (до 0,64 % С).

Досліджена роль вкладу променевої енергії шляхом використання поглинаючих покриттів при ПДО виробів. Позитивний ефект зафіксовано при застосуванні тонких (<5 мкм) покриттів на основі вуглецю, наприклад, сажі. При цьому відбувається збільшення тетрагональності мартенситу за рахунок дифузії вуглецю в поверхневі шари. В цілому, на відміну від лазерної обробки, поглинаючі покриття при ПДО не вносять суттєвого покращення в процес теплопередачі. Вклад променевої енергії при теплопереносі в умовах ПДО незначний і складає менше 1 %.

Показано, що перенос матеріалу центрального електроду (молібдену) на поверхню виробу при ПДО відбувається як із парової, так і крапельної фази та може бути інтенсифікований у випадку, коли виріб є катодом.

Визначено, що процеси термічного зміцнення при ПДО слід проводити при ємностях конденсаторної батареї, що дорівнюють 400 мкФ, 1000 мкФ і 1200 мкФ, а процеси легування за рахунок ерозії центрального електроду при 600 мкФ і 800 мкФ. Обробка повинна проводитися із забезпеченням надлишку пропану у вихідній пальній газовій суміші при трьох - п'ятикратному впливі на поверхню імпульсною плазмою з метою отримання рівномірної товщини зміцненого шару по всій площі обробки.

На основі результатів досліджень розроблені рекомендації щодо виробничого використання ПДО. Досвід виробничої експлуатації технології на ВАТ "Череповецький сталепрокатний завод" показав, що працездатність зміцненого інструменту після ПДО підвищилась в 2…4 рази.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Борисов Ю.С., Колисниченко О.В. Исследование амплитудно-временных характеристик импульса тока при плазменно-детонационной обработке изделий // Автоматическая сварка. - 2000. - №12. - С. 56-60.

2. Тюрин Ю.Н., Колисниченко О.В., Циганков Н.Г. Импульсно-плазменное упрочнение инструмента // Автоматическая сварка. - 2001. - №1. - С. 38-44.

3. Упрочнение и массоперенос при импульсной плазменно-детонационной обработке сталей / Погребняк А.Д., Тюрин Ю.Н., Кульментьева О.П., Кшнякин В.С., Колисниченко О.В. // Физика и химия обработки материалов. - 2002. - №2. - С. 40-48.

4. Особенности импульсно-плазменного легирования поверхности сплавов на основе железа / Тюрин Ю.Н., Жадкевич М.Л., Губенко Б.Г., Колисниченко О.В. // Автоматическая сварка. - 2002. - №3. - С. 41-45.

5. Борисов Ю.С., Колисниченко О.В. Влияние условий нагрева поверхности изделия на структуру упрочненных слоев стали У 8 при плазменно-детонационной обработке // Автоматическая сварка. - 2003. - №3. - С. 31-35.

6. Борисов Ю.С., Колисниченко О.В. Влияние плазменно-детонационной обработки поверхности на тепловое состояние и фазовый состав модифицированных слоев ст. У 8// Автоматическая сварка. - 2003. - №4. - С. 23-27.

7. Тюрин Ю.Н., Колисниченко О.В. Импульсно-плазменное модифицирование // Материалы IІІ международной научной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (ВИТТ-99). - Ч.2. - Минск: БГУ. - 1999. - С. 214-216.

8. Тюрин Ю.Н., Колисниченко О.В., Циганков Н.Г. Повышение работоспособности металлообрабатывающего инструмента // Сварщик. - 2000. - №2. - С. 4-7.

9. Тюрин Ю.Н., Жадкевич М.Л., Колисниченко О.В. Импульсно-плазменная технология упрочнения рабочих поверхностей инструмента и деталей машин // Сборник докладов 2-й Международной конференции "Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов" (ОТТОМ-2). - Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ "Контраст". - 2001. - С. 167-175.

10. Массоперенос и процесс легирования при импульсном плазменном воздействии на поверхность б-Fe и стали / Погребняк А.Д., Тюрин Ю.Н., Кульментьева О.П., Кшнякин В.С., Кобзев А.П., Колисниченко О.В. // Труды 6-й Международной конференции "Пленки и покрытия ` 2001" под ред. Клубникина В.С. - СПб: Изд-во СПбГТУ. - 2001. - С. 82-87.

11. Тюрин Ю.Н., Колисниченко О.В. Импульсно-плазменное модифицирование рабочих поверхностей инструмента // Материалы Международной научно-технической конференции "Инженерия поверхности и реновация изделий". - Киев: АТМ Украины. - 2001. - С. 253-255.

АНОТАЦІЯ

Колисниченко О.В. Формування модифікованих шарів при плазмово-детонаційній обробці вуглецевих сталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 "Зварювання та споріднені технології" - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ, Київ, 2003 р.

Дисертація присвячена дослідженню процесів взаємодії імпульсного потоку плазми, який генерується плазмово-детонаційною установкою, з оброблюваною поверхнею.

Досліджені амплітудно-часові характеристики струму в міжелектродному зазорі, а також безпосередньо між генератором і оброблюваною поверхнею. Проведено теоретичний аналіз складових теплового потоку від ударно-стиснутої області плазми в поверхню і впливу полярності виробу на процес його нагрівання при плазмово-детонаційній обробці (ПДО). На основі розв'язання нестаціонарного рівняння теплопровідності методом кінцевих різниць змодельована кінетика температурних полів поверхневих шарів у процесі ПДО виробів. Досліджено вплив поглинаючих покриттів і роль підведення потенціалу до виробу на процес ПДО. Описані результати структурно-фазових досліджень модифікованих шарів після ПДО. Проведена виробнича перевірка результатів досліджень.

Ключові слова: імпульсний потік плазми, модифікування поверхні, вуглецеві сталі, моделювання, технологічні рекомендації.

АННОТАЦИЯ

Колисниченко О.В. Формирование модифицированных слоев при плазменно-детонационной обработке углеродистых сталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 "Сварка и родственные технологии". - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, Киев, 2003 г.

В последнее время, в условиях повышенных требований к эксплуатационным свойствам поверхности инструмента и деталей машин, получили развитие технологии на основе концентрированных источников энергии. К ним относятся электронные, лазерные, ионные пучки, а также потоки плазмы.

Одним из перспективных способов обработки является использование плазменных потоков, которые генерируются импульсными плазменными генераторами при разряжении емкостных накопителей энергии. Однако процессы взаимодействия импульсных плазменных потоков с поверхностью изучены недостаточно.

Диссертация посвящена определению влияния факторов плазменно-детонационной обработки (ПДО) на термический режим и структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях, а также исследованию процессов взаимодействия импульсного потока плазмы с обрабатываемой поверхностью.

Исследованы амплитудно-временные характеристики тока в межэлектродном зазоре, а также непосредственно между генератором и обрабатываемой поверхностью. Использование методики поясов Роговского позволило определить время воздействия плазменного импульса на поверхность изделия, его форму, а также степень влияния технологических параметров на амплитудно-временные характеристики тока, а соответственно и на тепловой поток.

Проведен теоретический анализ составляющих теплового потока от ударно-сжатой области плазмы в поверхность и влияния полярности изделия на процесс его нагрева при ПДО.

На основе решения нестационарного уравнения теплопроводности методом конечных разностей смоделирована кинетика температурных полей поверхностных слоев в процессе ПДО изделий. На базе полученных расчетных зависимостей на примере ст. У 8 проведен анализ кинетики фазовых преобразований в модифицированном слое углеродистых сталей при ПДО. Результаты расчетно-теоретического анализа сопоставлены с экспериментальными данными.

Исследовано влияние поглощающих покрытий и роли лучистой составляющей теплового потока на процесс упрочнения. В результате расчетной и экспериментальной проверки роли при ПДО подведения потенциала на изделие и экспериментов по оценке вклада лучистой энергии установлена приоритетная значимость первого. В отличии от лазерной обработки поглощающие покрытия при ПДО не вносят существенного улучшения в процесс теплопередачи.

Описаны результаты металлографических и рентгенофазовых исследований модифицированных слоев стали У 8 после ПДО. Определено процентное содержание аустенита, а также степень тетрагональности мартенсита в модифицированных слоях в зависимости от технологических параметров.

Разработаны технологические рекомендации для реализации процесса ПДО. Проведена промышленная проверка результатов исследований.

Ключевые слова: импульсный поток плазмы, модифицирование поверхности, углеродистые стали, моделирование, технологичекие рекомендации.

ABSTRACT

Kolisnichenko O.V. Formation of modified layers under plasma-detonation treatment of carbon steel - Manuscript.

Thesis for the candidate of technical sciences degree competition in specialty 05.03.06 "Welding and related technologies". - Paton Electric Welding Institute NASU, Kiev, 2003.

Thesis is devoted to the research of the pulsed plasma stream interaction with a workpiece surface during plasma-detonation treatment (PDT).

Current amplitude-time characteristics have been investigated in the interelectrode gap as well as between plasma generator and a workpiece surface. Theoretical analysis of the thermal flow components from plasma shock-compressed layer to the surface as well as a workpiece polarity influence on the heating process have been carried out. Thermal fields dynamics during PDT in the surface layers has been modeled by solving the nonstationary thermal conductivity equation with the finite-difference method technique. Influences of the absorbing coatings and the electric potential applied to a workpiece on the PDT process have been investigated. The results of structure-phase investigations of the modified layers have been described. Industrial test of the research results has been carried out.

Key words: pulse plasma stream, surface modification, carbon steel, modeling, technological recomendation.

Размещено на Allbest.ru

...