Введение к работе
з
Актуальность диссертации. Электрохимико-термическая обработка является перспективным методом скоростной модификации металлов и сплавов путем изменения их химического состава, структуры и свойств в поверхностном слое, о чем свидетельствует заметный рост публикаций в отечественной и зарубежной печати. Определенное распространение получил анодный вариант термической или химико-термической обработки, позволяющий легко регулировать температуру нагрева и избежать действия электрических разрядов, ухудшающих шероховатость поверхности.
Недостатком процесса является неоднородность нагрева погружаемого в раствор электролита изделия, выражающаяся в наличии вертикального градиента температуры. Это приводит к неравномерному распределению твердости или иных свойств по рабочей поверхности или объему изделия. В опытно-промышленных установках анодного нагрева типа УХТО или АТО используют сосредоточенное продольное обтекание детали раствором электролита, подаваемым через осевое отверстие рабочей камеры. С увеличением длины обрабатываемых деталей метод продольного сосредоточенного обтекания становится непригодным, т. к. перепад температур на противоположных концах изделия может достигать 250-300 С.
В данной работе разработан метод анодной термической обработки в цилиндрической рабочей камере, предусматривающий подачу раствора через группу отверстий на дне камеры, что позволяет ослабить интенсивное воздействие охлажденного потока на нижний конец изделия и усилить его влияние на верхние участки. Предлагаемая схема позволяет снизить перепад температур на различных участках изделия до 30-60 С.
Настоящая работа выполнена в рамках тематического плана НИР ФГБОУ ВПО КГУ им. Н. А. Некрасова «Управление характеристиками электрохимико-термического упрочнения металлов и сплавов изменением гидродинамических условий анодного нагрева» (2010-2011 гг.), номера госрегистрации отчетов 02201156664 и 01201064394.
Цель работы - повышение однородности свойств поверхности изделия после анодной термической или химико-термической обработки выравниванием температуры по поверхности и объему изделия.
Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:
Выполнить сравнительный анализ известных методов выравнивания распределения температуры по поверхности изделий, подвергаемых термической обработке.
Выявить причины недостаточно равномерной термической обработки цилиндрических изделий при использовании известных рабочих камер.
Изучить распределение температуры и закалочной твердости по длине упрочняемой детали и другие особенности нагрева стальных изделий в условиях сосредоточенного продольного обтекания при полном погружении в раствор электролита.
Разработать конструкцию рабочей камеры, позволяющей повысить однородность термообработки в сравнении с известными схемами.
Изучить особенности нагрева в модернизированной рабочей камере и сравнить результаты закалки и цементации с данными, полученными для условий продольного сосредоточенного обтекания.
Изучить возможность снижения затрат энергии изменением составов электролитов для закалки и цементации стальных изделий.
Разработать технологию равномерной закалки колонок и фиксаторов пресс-форм.
Защищаемые положения:
Метод управления температурой нагреваемой детали путем локального охлаждения электролита в прианодной зоне с помощью продольного распределенного обтекания.
Устройство для формирования распределенного продольного обтекания изделия электролитом, обеспечивающее реализацию равномерной термической обработки цилиндрических изделий.
Технологический процесс термообработки изделий при их продольном осевом обтекании электролитом, позволяющий снизить вертикальный градиент температуры до 1-2 С/мм с достижением равномерного распределения твердости по поверхности и снижением риска образования закалочных трещин.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
- Установлено, что основной причиной неравномерности термической
обработки является замедленное удаление перегретого рабочего электролита
вблизи упрочняемого изделия, характерное для применяемых рабочих камер в
известных опытно-промышленных и лабораторных установках. Показано, что
локальное охлаждение температуры раствора электролита более эффективно
5 уменьшает толщину парогазовой оболочки, определяющей местную температуру изделия по сравнению с ее динамическим сжатием радиальными струями.
Доказано, что равномерность термической обработки повышается при продольном распределенном обтекании цилиндрического изделия электролитом, которое обеспечивает более оперативное охлаждение перегретого раствора, чем его отвод дополнительными устройствами.
Обнаружены локальные максимумы температуры на поверхности изделия, подвергаемого термообработке в условиях распределенного обтекания электролитом, которые объясняются местным утонением парогазовой оболочки и связанным с этим увеличением локальной плотности тока и теплового потока. Выявлена количественная взаимосвязь между координатами локальных максимумов температуры, размерами упрочняемого изделия и параметрами устройства, формирующего продольные струи электролита.
Определены допустимые интервалы размеров устройства, обеспечивающего реализацию равномерной термической обработки цилиндрических изделий с помощью распределенного продольного обтекания.
Практическая значимость:
- Предложен метод управления распределением температуры и твердости
по поверхности детали, позволяющий улучшить качество упрочнения
выравниванием нагрева с помощью распределенного продольного обтекания
- Разработана конструкция рабочей камеры, позволяющая улучшить
распределение температуры по поверхности и объему нагреваемых изделий и
их эксплуатационные свойства.
Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректным применением положений теории анодного нагрева, статистической обработкой экспериментальных данных и подтверждается высокой воспроизводимостью результатов при экспериментальном исследовании вольт-температурных и вольтамперных зависимостей, соответствием полученных результатов ранее опубликованным данным, а также положительным результатом практической реализации предлагаемой технологии.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в Костромском государственном университете им. Н. А. Некрасова на семинарах кафедры общей физики; на международной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2008); на 8-ой Всероссийской с международным участием конференции
«Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2009); на II международной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2010); на международном симпозиуме «Электрические методы обработки материалов» (Кишинев, 2010), на XVIII международной конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2011).
Реализация результатов. Предложенная методика нагрева в условиях продольного распределенного обтекания успешно применена для обработки партии деталей штамповой оснастки и внедрена в производство Костромского инструментального завода (г. Кострома).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 статья в центральном журнале, 1 статья в международном журнале и 7 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка использованных источников (84 наименования) и приложения, содержит 139 страниц, 23 таблицы, 59 рисунков.
