Введение к работе
Актуальность проблемы.
Развитие всех отраслей современной техники предъявляет все более высокие требования к материалам, предназначенным для изготовления деталей машин и инструмента Достижения современного материаловедения в значительной мере позволяют решать проблему создания материалов с заданными свойствами путем целенаправленного формирования оптимального структурного состояния как в условиях поиска новых эффективных составов, так и путем совершенствования методов термообработки существующих сплавов.
Последнее направление, включающее разработку новых технологических способов поверхностной термической обработки, использование комбинированных способов воздействия на структурное состояние сплавов, представляется особенно перспективным. В этом случае можно более полно реализовать те ресурсы, которые обусловлены составом сплавов, повысить эффективность использования в сплавах легирующих компонентов, многие из которых дефицитны, расширить области применения существующих сплавов
Одним из перспективных, эффективных и мало изученных способов поверхностного термоупрочнения и легирования металлических изделий является использование в качестве теплового источника низкотемпературной плазмы. Разработка и совершенствование этого процесса является актуальной задачей технологии плазменного поверхностного упрочнения
Технологическая перспективность обработки различных материалов плазменной дугой прямого действия определяется рядом особенностей
Прежде всего, высокая плотность мощности потоков энергии, вводимой в зону воздействия (104-105 Вт/см2), обеспечивает локальность и прецизионность обработки при существенно меньших суммарных энергозатратах. С помощью воздушно-плазменной дуги можно осуществлять контролируемый нагрев поверхностных слоев металлов на заданную глубину, практически не изменяя при этом температуру и структуру сердцевины изделия Большое практическое значение имеет появляющаяся "возможность совмещения различных видов термической, химической, механической, магнитной и других видов обработки в одном технологическом цикле поверхностного упрочнения, так как плазма является средством активизации химических и физических реакций, позволяющим осуществлять процессы, которые в условиях обычной объемной термообработки либо протекают с малой скоростью, либо просто невозможны. Кроме того, малая инерционность процессов обработки плазменной дугой, практическое отсутствие механического контакта с обрабатываемым изделием обеспечивает мобильность 8 управлении, возможность регулирования режимов обработки в сочетании с простотой позиционирования и закрепления деталей. Эта особенность открывает широкую перспективу эффективного использования технологий плазменного упрочнения в таких прогрессивных формах современного машиностроения, как робототехнические комплексы и гибкие эвтоматюиро-
ванные системы на основе микропроцессорной техники и адаптивных управляющих ЭВМ.
Существующие в настоящее время работы по плазменным процессам и установкам разрозненны, по многим вопросам отсутствуют необходимые обобщения и рекомендации. В частности, нет подробного анализа конструкций и характеристик плазмотронов; систематизированных сведений о практическом применении плазмы для целей термообработки различных материалов. Все это существенно сдерживает развитие и применение плазменных процессов в производстве. Кроме того, имеющиеся в промышленности плазменные установки работают в ряде случаев с низкой эффективностью использования мощности плазменной дуги, что влечет за собой существенные энергетические затраты и невысокое качество получаемых изделий.
В настоящей работе с научных позиций обсуждаются результаты исследований влияния плазменно-дугового поверхностного нагрева на процессы фазовых превращений при термической обработке и легировании, а именно, изменения, обусловленные скоростным плазменным нагревом в процессе образования аустенита, в термодинамике, кинетике и механизме мартенситного превращения, при осуществлении отпуска, некоторых видов химико-термической обработки и комбинированной обработки в сочетании с объемной термообработкой, лазерным облучением и др., а также влияния различных механизмов структурного и субструктурного упрочнения сталей и сплавов на их основные эксплуатационные свойства. Рассматриваются также возможности целенаправленного использования внутренних резервов упрочненных материалов к структурной приспосаб-ливаемости в условиях эксплуатации под действием внешних температурно-силовых факторов.
Работа выполнялась в соответствии с общероссийской межвузовской научно-технической программы "Университеты России" (Технические университеты) (1994-1997 гг.), раздел "Фундаментальные исследования в технических университетах" (подраздел 2.1-"Машиностроение", секция 2.1.2-"Фундаментальные основы создания высоких технологий специального машиностроения"), утвержденной приказом Госкомвуза РФ, межвузовской научно-технической программой "Механика, машиноведение и процессы управления", направление 2 "Машиноведение" (наукоемкие производственные технологии) (1998 г.). Основные результаты работы получены в период 1994-1998 г.г. при выполнении фундаментальных и поисковых научно-технических работ, финансируемых Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации из средств республиканского бюджета по единому заказ-наряду ДГТУ, а также в 1998 году при выполнении НИР по гранту МАТИ-РГТУ им. К.Э.Циолковского, присужденному конкурсным центром по фундаментальным исследованиям в области технологических проблем производства авиакосмической техники.
Цель работы. Цель настоящей работы заключается в комплексном металлофизиче-ском исследовании закономерностей структурообразования при воздушно-плазменном воздействии сканируемой дугой на металлические сплавы, определении основных
свойств закаленных слоев, возможностей управления процессом упрочнения и а разработке технологических принципов плазменно-дуговой термообработки деталей машин и инструмента.
Научная новизна диссертационной работы заключается в получении следующих новых научных результатов, которые автор защищает:
-
Конструктивно-технологические особенности установки для плазменно-дуговой обработки сталей и сплавов. Обоснование возможности использования сжатого воздуха в качестве плазмообразующего газа, что значительно повышает экономичность процесса регламентированного поверхностного нагрева, применение сканирования плазменной дуги, что увеличивает производительность процесса упрочнения.
-
Численное моделирование тепловых процессов при плазменной обработке сканируемой дугой, результаты которого могут быть использованы для инженерных расчетов режимов поверхностной плазменной обработки, а также прогнозирования основных свойств упрочненных зон материалов,
-
Экспериментальные данные о закономерностях и структурных особенностях процесса упрочнения металлических материалов при плазменно-дуговой обработке, в том числе о формировании повышенной плотности дефектов кристаллического строения основных фаз. возникающих из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения; о пластической деформации приповерхностных слоев под действием магнитострикционных и тер-мострикционных процессов, а также за счет скоростного напора сжатого воздушного потока плазменной дуги; о протекании ВТМО металла, следствием чего являются процесс динамической полигонизации аустенита и формирование мелких кристаллов мартенсита после плазменной закалки; о развитии процесса распада пересыщенных твердых растворов по механизму "in statu nascendi", в результате которого образуется значительное количество ^-мартенсита и промежуточных є-карбидов.
-
Концептуальные положения проблемы прочности сталей после поверхностной плазменной обработки, установленные путем рассмотрения дислокационных механизмов повышения предела текучести материалов и сопоставления их с возможным изменением вязкости разрушения и позволившие определить основные упрочняющие механизмы, действующие при плазменно-дуговой обработке и позволяющие получить нетривиальное сочетание высокой прочности и достаточной вязкости в поверхностных слоях материалов.
5 Вскрытые взаимосвязи структуры металлических материалов в зонах плазменного упрочнения с их свойствами: теплостойкостью, износостойкостью, конструкционной прочностью. Найденные пути целенаправленного использования внутренних резервов структурной приспосабливаемое поверхностных слоев материалов в условиях термомеханического нагружения при эксплуатации.
6. Установленные возможности управления процессом упрочнения поверхностных слоев сталей за счет комбинированной обработки, включающей объемную термообработку и плазменно-дуго вое упрочнение; плазменную обработку и последующий отпуск
при температурах 2Q0-r40QC; ппазменно-дуговую обработку и лазерную закалку локальных, наиболее нагруженных участков рабочих поверхностей изделий.
-
Вскрытые взаимосвязи структуры металлических материалов в зонах лазерного упрочнения с их свойствами, теплостойкостью, износостойкостью, адгезионной стойкостью, трещиностойкостью, конструкционной прочностью, коррозионной стойкостью. Найденные пути целенаправленного использования внутренних резервов структурной приспосабливаемое поверхностных слоев материалов к условиям эксплуатации, исходя из анализа структурно-энергетического состояния материалов в парах трения.
-
Технологические принципы воздушно-плазменной поверхностной обработки сканируемой дугой деталей машин и инструмента, включающие рекомендации по выбору схем и оптимизации режимов упрочнения.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности.
В диссертации изложены научно обоснованные технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса. В частности, изученные и описанные в диссертации конструктивно-технологические особенности установки для воздушно-плазменной обработки сталей и сплавов сканируемой дугой; общие закономерности влияния основных характеристик и условий обработки на эффективность плазменного упрочнения различных материалов, позволяют существенно расширить пути целенаправленного воздействия на их структуру и получать свойства поверхностных слоев, необходимые для различных условий эксплуатации.
Прикладное значение для создания и совершенствования технологии плазменно-дуговой обработки материалов имеют полученные в диссертации теоретические и экспериментальные данные о закономерностях формирования структур сталей и сплавов при плазменном упрочнении; об особенностях дислокационной теории прочности в условиях скоростного плазменного нагрева; о влиянии исходной структуры и химического состава сталей на эффект плазменно-дугового упрочнения; о взаимосвязи структуры и основных эксплуатационных свойств плазменно-закаленных сталей. Это позволило раскрыть физическую сущность механизмов упрочнения и определить возможности управления составом и структурой поверхностных слоев материалов, а также использовать эффекты упрочнения и релаксационные эффекты для целенаправленного влияния на структуру и свойства сталей и сплавов в процессе плазменно-дуговой термообработки и легирования.
Новые сведения об интенсификации процесса плазменного упрочнения за счет комбинированной обработки, сочетающей объемную термообработку, лазерную закалку локальных участков рабочих поверхностей, легирование из внешних источников с плазменным нагревом расширяют возможности применения обработки изделий концентрированными потоками энергии и должны учитываться при назначении их режимов. Дополнительные резервы заключены в использовании внутренних ресурсов структурной приспосабливаемое плазменно-закаленных изделий в условиях термомеханического воздействия при эксплуатации
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу разработанных в диссертации технологических принципов плазменно-дугового упрочнения и легирования деталей машин и инструмента, позволивших повысить их стойкость в 2-5 раз
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в виде содержательной части учебных пособий, раскрывающих теоретические и технологические особенности методов поверхностного упрочнения материалов концентрированными потоками энергии; при чтении курсов "Материаловедение", "Теория термической обработки металлов", "Научные основы выбора материалов для деталей машин и методов достижения требуемых свойств"-
Разработанные технологии плазменного упрочнения и легирования деталей машин и металлообрабатывающего инструмента апробированы и внедрены на предприятиях различных отраслей машиностроения России и Украины: АОМЗ (г.Азов), АЗП (г.Азов), НИИ "Градиент" (г.Ростов-на-Дону), ГП "Завод им Малышева" (г.Харьков)
Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработанных технологических процессов плазменно-дугового упрочнения и легирования различных изделий, при создании которых были использованы теоретические, экспериментальные данные и рекомендации настоящей диссертации, составил 1015431000 рублей в ценах до 1998 года.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на всесоюзной научной студенческой конференции (г.Таганрог, 1995 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДГТУ (1995-1998 г.г.); явились содержательной частью работы, признанной лучшей в области инженерно-прикладных исследований на конкурсе молодых ученых, проводимом Ростовским отделением Российской Инженерной Академии и Северо-Кавказским научным центром высшей школы в 1996 году.
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 166 страницах машинописного текста и состоит из введения; 6 глав основной части; заключения, содержащего общие выводы; списка литературных источников из 148 наименований; приложения, содержащего акты внедрения технологических процессов плазменно-дугового упрочнения и легирования деталей машин и металлообрабатывающего инструмента в производство различных предприятий. В тексте диссертации содержится 80 рисунков.
