Введение к работе
Актуальность темы. В производстве широко используются различные конструкционные материалы и сплавы, которые должны обладать необходимыми химическими и механическими характеристиками. Это достигается разными методами обработки.
Плазменные способы обработки металлов, являясь наиболее перспективными, интенсивно разрабатываются как в нашей стране, так и за рубежом. Использование низкотемпературной плазмы эффективно не только для переплава металлов и сплавов, напыления износостойких, жаропрочных и коррозионностойких покрытий, резки и сварки различных материалов, но и для поверхностного упрочнения изделий и деталей.
Плазменное поверхностное упрочнение находит широкое применение как в условиях мелкосерийного и единичного (в том числе ремонтного), так и крупносерийного и массового производства.
Процессы обработки материалов концентрированными потоками энергии, к числу которых относится плазменное воздействие, с высокой экономической эффективностью могут применяться при изготовлении деталей и узлов различных машин и агрегатов. Реализация соответствующих условий взаимодействия плазмы с веществом позволяет осуществить разные способы плазменной обработки, например, отжиг и термоупрочнение. Значительными потенциальными возможностями обладают методы высокоэнергетической обработки на основе интегрирования лазерного излучения с плазменной дугой. Потоки плазмы и электрическая дуга воздействуют на материалы с большой тепловой мощностью и высокой плотностью энергии.
Наиболее значимым фактором, влияющим на формирование физико-механических свойств материалов и эксплуатационных характеристик изделий при воздействии концентрированных потоков энергии, является температура в зоне обработки. Характер тепловых процессов определяется пространственным распределением плотности мощности, временем воздействия, а также теплофизическими характеристиками обрабатываемого материала. Применение высокоэнергетических методов воздействия позволяет создавать требуемое пространственное распределение плотности мощности энергетических потоков для успешного проведения технологических процессов и комбинированной обработки материалов. Обработка деталей локальными концентрированными потоками энергии имеет ряд технологических преимуществ, так как позволяет получить распределение механических свойств по обрабатываемой поверхности в зависимости от режимов термического воздействия.
Актуальность работы также подтверждается выполнением научно - исследовательских работ в рамках федеральной целевой программы, гос. контракт № 02.740.11.0638 РФ от 29.03.2010.
Целью настоящей работы является разработка способов локального высокоэнергетического воздействия на железоуглеродистые и титановые сплавы для повышения их механических и эксплуатационных характеристик.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие научно – технические задачи:
1. Разработать экспериментальные установки и методики исследований с использованием комплекса современного научно-исследовательского оборудования.
2. Разработать методики расчета плазменно-дуговых устройств со стабилизацией дугового разряда за счет всасывания окружающего воздуха в камеру плазматрона. Разработать методики организации многоточечной анодной привязки к металлу за счет газодинамического воздействия на электрическую дугу.
3. Исследовать механизм воздействия на структуру и свойства металлов и сплавов плазменно-дуговым устройством со специальной стабилизацией дугового разряда.
4. Исследовать структуру и свойства металлов и сплавов при локально – дискретном высокоэнергетическом воздействии в виде многоточечной анодной привязки.
5. Исследовать структуру и свойства поверхностных слоев и покрытий при локальном высокоэнергетическом воздействии на поверхность металла в электролите.
Научная новизна работы заключается:
Разработаны способы высокоэнергетического воздействия на поверхность железоуглеродистых и титановых сплавов, основанные на теории газодинамического управления тепловым слоем стабилизирующей (для точечного локального воздействия) и открытой (для многоточечного энергетического воздействия) дуг, для изменения их структуры и свойств.
Установлены и научно обоснованы закономерности изменения структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств металлических сплавов на основе железа и титана путем обработки различными способами локального высокоэнергетического воздействия на их поверхностный слой. Для формирования упрочненной поверхностной структуры металлических сплавов с заданными свойствами необходимо использовать плазматроны с нетрадиционной стабилизацией дуги (плотность мощности 106 Вт /см2 и регулируемая площадь воздействия диаметром от 5.10-3 до 1.10-3 м) в зависимости от тока и расхода газа, а для формирования поверхностных структур «мозаичного» типа с необходимыми свойствами на изделиях из Ст3сп, Ст45 и ВТ14 использовать разработанные электродуговые устройства с расщепленной анодной привязкой дуги на поверхности обрабатываемых металлических сплавов (ширина зоны расщепленной анодной привязки дуги колеблется от 5.10-2 до 20.10-2 м и локальной зоны привязки от 0,5.10-3 до 2.10-3 м в зависимости от интенсивности турбулентности газовой струи и величины электрического тока дуги).
Установлены и научно обоснованы закономерности изменения структуры и свойств изделий из низколегированного серого чугуна под влиянием высокоэнергетического воздействия на поверхностный слой с плотностью энергии 106 Вт/см2 и зоной воздействия диаметром 1.10-3 м. В области расплавления чугуна формируется мелкодисперсная ледебуритная эвтектика с микротвердостью 5800-6000 МПа, а в зоне ЗТВ – мелкоигольчатый мартенсит и остаточный аустенит, о чем свидетельствуют результаты рентгенофазового анализа. В верхней части ЗТВ, примыкающая к зоне расплавления, состоит из мартенситно-аустенитной структуры (50%) с микротвердостью 6600-7500 МПа, а в нижней части ЗТВ на границе с исходной структура представляет собой мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита и равномерно распределенными частицами легированного карбида цементитного типа с микротвердостью 8700-9500 МПа.
Установлена закономерность образования мелкодисперсных (иногда наноразмерных) пор газоусадочного происхождения, связанного с выгоранием углерода и образованием окиси углерода (СО), который в силу высокой скорости охлаждения не успевает выйти из расплава и переходит в усадочные поры. Наличие таких пор обеспечивает высокую способность к смачиванию маслом и удержанию его в порах во время работы трущейся пары, низкий коэффициент трения пары, высокую износостойкость при повышенных давлениях и температурах до 1100 оС в коррозионных средах. Износостойкость поверхности вала из упрочненного серого чугуна при такой обработке увеличилась в 8-10 раз.
Установлено и научно обосновано, что при катодной поляризации образца из титанового сплава марки ВТ3-1 и ВТ14 в водном электролите с углеродосодержащим анодом в локальных участках катода формируется карбидная фаза с соотношением Ti/C=2/1 с высокими коррозионно-износостойкими свойствами и низким значением токов коррозии. Катодные и анодные токи на образцах титанового сплава с карбидным покрытием в 2-4 раза меньше, чем у образцов с оксидным покрытием.
Практическая значимость работы: Полученные научные результаты легли в основу разработок высокоэффективных электродуговых устройств, технологических способов и рекомендаций для поверхностной обработки деталей машин.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением аттестованных приборов и апробированных методик измерения, использованием комплекса взаимодополняющих методов исследования, совпадением экспериментальных данных.
Апробация работы: VIII Международная научно - техническая конференция «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» – Пенза, 2003; III Международн. симпозиум.: «Химия и химическое образование», Владивосток, 2003; V Международный форум молодых ученых стран АТР, Владивосток 2003; Sixth International Young Scholars’ Forum of the Asia-Pacific Region Countries, Vladivostok, 2005 Дальневосточный инновационный форум “Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов”, Хабаровск, 2003; Всероссийская научно – практическая конференция «Проблемы и пути решения инвестиционной и инновационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки. Инновационные центры», Комсомольск – на – Амуре,2005; Международная научно – техническая конференция ”Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов”, Комсомольск – на – Амуре, 2009; Юбилейная научная конференция “Вологдинские чтения”, Владивосток, 2009; Международная научно – техническая конференция “Проблемы и перспективы обработки материалов и заготовительных производств”, Комсомольск – на – Амуре, 2010.
Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 16 печатных работах, в том числе четырех статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 6 патентов на изобретение.
Личный вклад автора. Соискателю принадлежат анализ литературных данных по теме исследования, проведение экспериментов и обсуждение полученных результатов. Часть экспериментальных исследований проведена при участии сотрудников Института химии ДВО РАН, Дальневосточного геологического института ДВО РАН, Дальневосточного государственного технического университета, Института материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка используемых источников из 127 наименований. Работа изложена на 128 страницах, включая 70 рисунков и 8 таблиц.
