Содержание к диссертации
Введение
1. Электрическая эрозия металлов и особенности формирования поверхности. постановка задачи исследования 8
1.1 Основные положения физической теории электрической эрозии в жидкой диэлектрической среде 11
1.2. Механизм электрической эрозии в импульсном разряде 17
1.3. Тепловые процессы на поверхности электродов и динамика формирования единичной лунки
1.4. Процесс формирования лунки (перемещение границы «п фазового превращения)
1.5. Особенности формирования структуры поверхностного слоя ~4 приЭЭО
43 45 48
1.6 Образование структур, подобных белому слою 28
1.7 Особенности структурно-фазового состояния поверхностных слоев сталей и сплавов после обработкиконцентрированными потоками энергии 33
1.8 Свойства поверхностных слоев металлов и сплавов после обработки концентрированными потоками энергии.
1.9 Постановка задачи исследования 45
2. Взаимодействие импульсного электрического разряда со сталью
2.1. Тепловые процессы 48
2.1.1 Исходные гипотезы и определяющие соотношения 48
2.1.2. Математическая постановка задачи 51
2.1.3. Расчетные эксперименты по нагреву сталей импульсным электрическим разрядом
2.2. Формирование микрогеометрии поверхности 56
2.3. Механизмы удаления жидкой фазы и образование лунки 60
2.4. Напряженное состояние и пластическая деформацияповерхности в зоне действия электрического разряда 70
3. Формирование микроструктуры белого слоя 93
3.1. Кристаллизация белого слоя 93
3.2. Включения углерода в белом слое 104
3.3. Структурные особенности белого слоя 109
3.4. Образование структурной составляющей байковит 116
3.5. Результаты ЯГР-спектроскопии 130
4. Структурное состояние железоуглеродистых расплавов, образующихся при ЭЭО
4.1. Плавление и кристаллизация цементита. 140
4.2. Структурное состояние железоуглеродистых расплавов 141
4.3. Субмикрогетерогенное строение железоуглеродистыхрасплавов 144
5. Зона термического влияния в углеродистых сталях 10'
5.1. Образование вторичных структур 157
5.2. Науглероживание зоны термического влияния 172
5.2.1 Использование понятия активности углерода ас для описания процесса его диффузии в поверхностных слоях стали при ЭЭО
5.2.2 Определение коэффициента диффузии углерода в ЗТВ 179
5.2.3 Обсуждения экспериментальных результатов 180
5.3 Смещение критических точек фазовых превращений при нагреве сталей импульсным электрическим разрядом
5.4. Распределение легирующих элементов в зоне действия 1Q0 электрического разряда (сталь 5ХНМ) 199
6. Упрочнение сталей импульсным электрическим разрядом при электроэрозионной обработке
6.1. Упрочнение формообразующих поверхностей технологической оснастки 217 225
6.1.1 Ковочные штампы 200
6.1.2 Прессформы для прессования твердосплавных пластин и холодно-высодочный инструмент
6.2. Эксплуатационные свойства поверхности после электроэрозионного упрочнения 240
6.2.1 Испытания на износостойкость и усталость образцов стали 5ХНМ. 225
6.2.2 Белый слой как аналог малоуглеродистого чугуна типа 997 "нихард" г11
6.2.3 Износостойкость белого слоя и правило Шарпи 230
6.2.4 Механические свойства 232
6.2.5 Механические характеристики прочности при оценке разрушения сталей после упрочнения ЭЭО
6.2.6 Фрактография поверхностных слоев стали 5ХНМ после ЭЭО 247
Заключение 257
Основные Результаты И Выводы 262
Список Литера Туры 264
Приложения 276
- Механизм электрической эрозии в импульсном разряде
- Формирование микрогеометрии поверхности
- Включения углерода в белом слое
- Науглероживание зоны термического влияния
Введение к работе
Важнейшим направлением технического прогресса является создание и внедрение
в производство материалов с заданным комплексом механических и физико-химических свойств, обеспечивающих конструкционную прочность деталей узлов и механизмов на протяжении всего заданного ресурса их эксплуатации. Решение этой задачи возможно только на основе методов управления фазовыми и структурными превращениями, протекающими в материалах как в процессе их производства, так и при специальных способах обработки, например, с. использованием электрического разряда - азотирование в тлеющем электрическом разряде, в электрическом поле (коронном разряде) и в плазме стационарного дугового разряда, электроискровое легирование.
Явление электрической эрозии (преимущественное разрушение только одного из электродов) для технологических целей применяется с середины 40-х годов прошлого века. Сегодня электроэрозионная обработка (ЭЭО) - изменение формы, размеров, и шероховатости поверхности заготовки под воздействием самостоятельного электрического разряда в жидкой диэлектрической среде - широко применяется как наиболее эффективный и экономичный, а нередко, и как единственно возможный способ изготовления заготовок и ответственных деталей в индивидуальном, серийном и массовом производствах. В развитие методов технологии ЭЭО большой вклад внесли Б.Н. Назаренко, Н.И. Назаренко, Б.Н. Золотых, А.П. Александров, А.Л. Лившиц, Е.М. Левинсон, Л.Я. Попилов, В.П. Смоленцев, Н.К. Фотеев и другие ученые.
Основными параметрами ЭЭО являются энергия импульса (или среднее значение силы тока 1ср, потребляемое от генератора импульсов), длительность импульса tu (10-104 мкс) и частота. Режимы ЭЭО подразделяются на черновой (Icp = 20-100 А), чистовой (Icp = 0,5-5 А) и доводочный (1ср менее 0,5 А). Главным критерием, определяющим выбор технологических режимов ЭЭО, всегда является максимальная производительность металлообработки (удаление микрообъема материала) при условии получения заданной точности и шероховатости поверхности.
Учитывая высокую результативность применения ЭЭО в производстве, широко проводятся исследования, посвященные особенностям технологических операций, оборудованию и приспособлениям, позволяющих обеспечить эффективную обработку заготовку или детали. Многочисленные работы по исследованию шероховатости поверхности, обработанной электроэрозионным способом, показали, что данный вид обработки формирует микрогеометрию поверхности с отсутствием направленной шероховатости и наличием замкнутых, не связанных между собой микровпадин, спосо-
бствуюшую увеличению срока службы детали, подтвердив, тем самым, возможность успешной эксплуатации изделия после ЭЭО, как окончательного вида обработки.
В силу определенных обстоятельств теория и практика ЭЭО железоуглеродистых сплавов создавались без учета структурных и фазовых превращений в материалах при воздействии импульсного электрического разряда, что следует из весьма ограниченного числа публикаций. Наиболее часто цитируемая работа Могилевского И.З. и Чеповой С.А. "Металлографическое исследование поверхностного слоя стали после электроискровой обработки" /16/ выполнена в 1957г., но в ней рассматриваются поверхностные слои образующиеся при контактной обработке сталей графитовым электродом на воздухе (электроискровое легирование). В связи с этим и вопросы обеспечения качества поверхности путем управления структурообразованием при формировании поверхностного слоя, определяющего срок службы изделия, в известных работах практически не затрагиваются. Поэтому и слесарная доводка до сих пор должна быть обязательной конечной операцией отделки поверхности после ее обработки электроэрозионным способом.
При ЭЭО в металле в зоне действия импульсного электрического разряда, когда возникновению тока предшествует переход вещества в плазму, протекают сложные физико-химические процессы. Расплавление металла, химическое взаимодействие элементов и их диффузия, фазовые превращения происходят в микрообъемах как в условиях нагрева за весьма ограниченное время до температур значительно превышающих температуру кипения электродных материалов, так и при сверхвысоких скоростях теплоотвода, вторичное тепловое воздействие на ранее образовавшиеся участки. А в дополнение, пиролиз углеводородной среды приводит к интенсивному науглероживанию сильно перегретого расплава стали, который за тысячные доли секунды превращается в чугун, ранее практически не изученный.
В результате в зоне действия разряда формируются крайне неравновесные структуры с высокой гетерогенностью по составу, структуре и свойствам, которые придают железоуглеродистым сплавам такие уникальные свойства как сверхвысокая твердость, повышенная прочность, термическая и химическая стойкость, малый коэффициент трения. Однако вопросы эффективного использования подобных вторичных структур в металловедении не рассматриваются, и структурно-кинетический подход к исследованиям процессов вторичных фазовых и структурных преобразований, вызывающих существенное увеличение эксплуатационных характеристик поверхностных слоев стали, не разработан.
Настоящая работа является фактически первой, посвященной последовательному анализу структурно-фазового состояния углеродистых и низколегированных сталей, формирующегося в условиях поверхностного нагрева и пиролиза жидкой углеводородной диэлектрической среды под воздействием импульсного электрического разряда, т.е. при электроэрозионной обработке. Помимо научной стороны проблемы, актуальность работы в прикладном аспекте подчеркивается возможностью использовать электроэрозионную обработку, с учетом легирования поверхности обработки контролируемым массопереносом материала электрода-инструмента, как эффективный способ поверхностного упрочнения, самопроизвольно происходящий непосредственно в технологическом режиме и без специального дополнительного оборудования.
В работе ставились и решались следующие задачи:
Исследовать закономерности формирования вторичной структуры в сталях в условиях поверхностного нагрева и пиролиза жидкой углеводородной среды, когда диффузионные процессы не являются определяющими.
Изучить строение жидких высокоуглеродистых расплавов, образующихся контактным плавлением при нагреве со сверхвысокими скоростями и пиролизе углеводородной диэлектрической жидкости за весьма непродолжительное время, и метаста-бильные превращения, в частности, цементит - аустенит - расплав в системах железо-углерод и железо-углерод-легирующий элемент, определяющие формирование структуры поверхностных слоев железоуглеродистых сплавов в условиях, значительно отличающихся от равновесных.
3.Рассмотреть тепловые процессы и механизмы формирования микрогеометрии поверхности при локальном нагреве импульсным электрическим разрядом, обусловливающие взаимосвязь электрических параметров разряда (энергия, длительность импульса) и выходных показателей процесса электроэрозионной обработки (количество удаленного с электродов материала, микрорельеф поверхности и т.д.), пластическую деформацию зоны термического влияния (ЗТВ).
Разобрать процессы науглероживания зоны термического влияния из-за пиролиза жидкой углеводородной диэлектрической среды в условиях импульсного нагрева, когда диффузионные процессы не являются определяющими.
Определить технологические режимы ЭЭО, где наиболее полно реализуется эффект повышения эксплуатационной стойкости поверхности, и проверить эффективность электроэрозионного метода упрочнения стальных деталей в промышленных условиях.
Объектами исследования были выбраны - стали 08, 20, Х18Н10 и электротехни-
ческая медь (модельные материалы), стали 45, У10, Х12М, 5ХНМ, ШХ15 - когда при изготовлении деталей применяется ЭЭО. Экспериментальные исследования после ЭЭО проводились с использованием металлографических, рентгеноструктурных и электронных методов, ЯГР на конверсионных электронах, механических испытаний. Экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики с использованием современных пакетов прикладных программ. Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждена экспериментальными исследованиями и испытаниями в производственных условиях.
Изучение данной проблемы началось в 80-х годах XX века в соответствии с ежегодными планами НИР кафедр «Материаловедение в машиностроении» и «Технология машиностроения» МГИУ, продолжены при выполнении целевых программ Министерства образования и науки РФ - "Конструкционные материалы со специальными свойствами", "Поисковые и прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях науки и техники", "Научные исследования высшей школы в области новых материалов", "Теоретические проблемы транспорта (направление - Теоретические проблемы транспортной техники и новых материалов)".
По теме диссертации опубликовано более 60 научных трудов, прочитано 12 докладов, в том числе на международных - 6, на 4-м Всероссийском съезде литейщиков -1, межвузовских - 2, получено одно авторское свидетельство.
Результаты выполненной работы используются в учебном процессе при преподавании специальных и общепрофессиональных дисциплин студентам специальностей 120100, 120300, 120700 и 120800. На базе выполненных исследований поставлен ряд лабораторных работ, изданы учебные пособия.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов по каждой главе, заключения, общих выводов по диссертации, списка литературы и приложений. Объем диссертации - 281 страниц машинописного текста, рисунков 175, таблиц 41, список литературы из 326 наименований, приложений 5.
Работа выполнена при научной консультации профессора, доктора технических наук и
доктора химических наук | А. А. Жукова
Вопросы технологии электроэрозионной обработки при реализации практической части работы консультировал профессор Н.К. Фотеев.
Механизм электрической эрозии в импульсном разряде
Работами Б.Н. Золотых Д8/ зависимость величины Ayк от теплопроводности, зависимость величины эрозии от длительности импульса и другие экспериментальные факты объясняются электротермической природой электроэрозионного разрушения электродов в жидкой диэлектрической среде, когда при импульсном разряде на поверхности электродов возникают плоские (поверхностные) источники тепла, т.е. эффектом теплопроводности. Такая трактовка термического воздействия импульсного разряда принята и в настоящей работе.
При ЭЭО в жидкой диэлектрической среде длительность импульса изменяется от нескольких микросекунд до 1500 - 2000 мкс, запас энергии в импульсе Wu = 10"3 - 104 Дж при частоте следования импульсов от 0,5 10(2"4) в секунду. Поэтому для исследования динамики развития канала разряда и формирования единичной лунки при ЭЭО были раз-работаны специальные методы / / - скоростное фотографирование в видимой части спектра со скоростью съемки до 2,5 млн. кадр/с и теневая рентгено-импульсная съемка.
Скоростная (5000 кадр/с) фотосъемка эрозии в единичном импульсе (анод - свинец, катод - медь, в керосине, tu = 500 мкс, Wu =5 Дж.) показала, что процессы на электродах остаются недоступными прямому фотографическому наблюдению практически до конца импульса тока. Фотосъемка со скоростью 62500 кадр/с обнаружила, что в искровом промежутке после начала импульса происходят процессы в следующей последовательности:100 мкс - начинается образование газового пузыря.v 200 мкс - появляются отдельные раскаленные частицы или жидкие капли металла, удаляемые с электродов со скоростью около 5-8 м/с.
S500 мкс (конец импульса тока) - газовый пузырь занимает объем, приблизительно в 6 - 8 раз больше первоначального. Раскаленные частицы (жидкие капли) практически полностью исчезли.650 мкс - становятся различимыми более мелкие частицы, образовавшигея при охлаждении паров металла из-за расширения газового пузыря. Начинается формирование лунки на поверхности анода.S1000 мкс {две длительности импульса) - газовый пузырь увеличивается в 4 - 5 раз по сравнению с его величиной, соответствующей концу импульса и распадается к 2000 мкс.
Но скоростная съемка, представляя большой материал о начале выброса частиц жидкого металла, структуре канала и газового пузыря, возникающего в процессе разряда, никаких сведений о процессе формирования лунки на поверхности электрода в течение импульса не дает. Теневые изображения профиля электродов при использовании рентгено-импульсной трубки (длительность рентгеновского импульса 2-3 мкс) показали, что формирование лунки продолжается не менее 2000 мкс {4 и !!) и зависимость линейного размера лунки (глубина или радиус) от времени г в первом приближении имеет вид%ка4т, (1.13)где а = у - коэффициент температуропроводности (Л. - коэффициент теплопро водности; с- теплоемкость, р - плотность).
Эксперименты, проведенные и на других металлах {Си, Fe, Al, Ag), свидетельствуют, что время начала образования лунки связано с величиной коэффициента температуропроводности а. Однако изменение геометрии образующейся лунки от режима обработки в литературе не рассматривается.
Действие источников тепла, возникающих вследствие разряда на поверхностиэлектродов, кратковременно и сосредоточено на площади ограниченных размеров. Описание процесса распространения тепла от кратковременно действующих источников является типичной нестационарной задачей математической физики /14/.
Уравнение температурного поля, создаваемого таким источником, можно получить посредством суперпозиции решений уравнения теплопроводности для точечных и мгновенных источников в пределах времени действия разряда и площади, ограниченной размерами источника, создаваемого разрядом. Из физических соображений следует, что задача является плоской и имеет осевую симметрию, поэтому решение задачи о температурном поле от плоского кругового источника ограниченных размеров сводится к интегрированию уравнения (1.14), которое дает картину температурного поля в процессе теплонасыщения ґ где Г - температура; і?2 = (х-х )2 + у2; х0- радиус источника тепла; Xj - текущая ко ордината источника; х, у - координаты точки наблюдения; q - удельная тепловая мощность источника; а - коэффициент температуропроводности; t - время (текущее); tu -время действия источника тепла (длительность импульса).
В общем случае интегрирование уравнения (1.14) не может быть завершено в видеквадратур, но, пользуясь преобразованием Лапласа и выбирая подходящую системукоординат, его выражают в замкнутой форме через табулированные специальныефункции (например, функции Крампа или Бесселя). Это дает возможность получитькартину температурного поля с любой математической точностью. Физически эта кар , тина будет тем ближе к действительности, чем ближе к истинному выбран вид функ ции q(x,t), которая определяется выражениемгде Q(x, t) - количество тепла, передаваемое источником электроду.
О соотношении интегральных величин энергии, выделяющейся на аноде и катоде, ж можно судить по величине Аук, однако нельзя оценить вид функции Q(x, і), которая определяется динамикой элементарных процессов, протекающих в канале разряда и на поверхности электродов, а также динамикой расширения разрядного канала.
В начале разряда процессы в канале и у поверхности катода определяются движением ионизированных паров жидкой среды, а при развитии разряда в канал поступа 4 ют и ионизируются пары металла анода и катода. Это приводит к существенному из менению плотности вещества в канале разряда, распределению частиц вдоль оси и по радиусу канала и, как следствие этого, к изменению пространственного заряда. В результате в ходе элементарных процессов происходят соответствующие изменения в соотношении между электронным и ионным токами. Меняется и кинетическая энергия бомбардирующих электроды частиц. Но ход перечисленных процессов существенно зависит от скорости поступления энергии в канал разряда, поэтому балансы энергии на электродах (а, следовательно, и величина эрозии катода и анода) опреде 1 ляются длительностью импульса. Это и наблюдается в действительности, например, взависимости величины коэффициента полярности Аук от /„.
В первом приближении изменение удельной тепловой мощности источника q(x,t) в границах источника тепла может быть представлена как: где q,=kPu - некоторая функция мгновенной мощности Ри, поступающей в канал разряда, которая постоянна при t = const; к \ - коэффициент пропорциональности; кх - коэффициент, определяющий остроту функции q(x,t); х, - текущая координата источника тепла.
Изменение мгновенной мощности в искровом промежутке с достаточной степенью точности аппроксимируется функцией видари = рте к1{ в)2, (1.17)где рт - константа, равная максимальному значению мгновенной мощности при данных условиях; к2 - постоянный коэффициент, определяющий остроту кривой; t0 - момент времени, соответствующий максимуму кривой; t - текущее время. Используя выражения (1.16) и (1.17), получаем
Рис. б/7/. Сравнение экспериментальных (сплошная линия) и расчетных данных (пунктирная) зависимости между ветчиной эро ?( ,0 = 4me"l I+ lWoJ\ (1-18) где qm = kpm, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от полярности электродов, параметров разряда И характеристи- зии и длительностью импульса. Запас энергиив импульсах 2 дж, форма лунки близка к ша КИ импульса. роеому сегменту.
Из результатов расчета (рис. 6) температурного поля по уравнению (1.14) с учетом соотношений (1.15) и (1.18) следует, что для нормальных условий ЭЭО фазовым превращением, определяющим величину эрозии, является плавление, а процесс испарения играет менее значительную роль. Это качественно объясняет обнаруженное при рент-геноимпульсной съемке запаздывание формирования единичной лунки относительно импульса тока - действие теплового источника затягивается во времени по сравнению с импульсом тока, что является, кроме инерционности самого процесса плавления, одной из причин запаздывания формирования единичной лунки.
Формирование микрогеометрии поверхности
Для реализуемых при ЭЭО плотностей потока энергии при действии импульсного "электрического разряда (q = 104-10 Вт/см ) считать, что основным механизмом разрушения электрода (образование на поверхности обработки углубления, вызванного достижением температуры плавления или кипения при нормальном давлении) являет-ся только выброс материала за счет поверхностного испарения / /, с нашей точки зрения, не совсем корректно по следующим причинам.
Во первых, вышеприведенными расчетами показано, что энергии импульса электрического разряда недостаточно для испарения всего объема жидкой фазы лунки потому, что время действия электрического импульса меньше времени необходимого для нагрева этого объема до температуры кипения (tu / = гл2/4а= 0,003 с, где гл 0,05 см - радиус сформированной лунки при пространственном распределении мощности, соответствующем закону нормального распределения; коэффициент темпера-туропроводности a = 0,21 см /с). Во вторых, морфология поверхности после ЭЭО (рис. 5) показывает, что выброс капель расплава происходит как по нормали к по всрхности расплава, так и в боковом направлении под некоторым углом к поверхности зоны воздействии, что нельзя не учитывать в балансе вещества и энергии. Поэтому существенное изменение параметров лунки необходимо связывать с процессом объемного парообразования, отличным от поверхностного испарения (толщина расплава определяет критический размер зародышей пара), когда удаление вещества протекает с одновременным участием испарения и плавления.
Если для идеальных жидкостей значительная скорость образования критических зародышей пара наблюдается при весьма заметных перегревах AT, то в реальных условиях вскипанию расплава может способствовать присутствие искусственных центров парообразования (газовые и усадочные раковины, скопления примесей, неметаллические включения, растворенные газы). В слое испарения материал может рассматриваться как газ высокой плотности / /, и искусственные центры парообразования не должны играть заметной роли по сравнению со спонтанными.
Критический размер пузырька г , который находится в термодинамическом и механическом равновесии и может расти, определяется из условий устойчивостигде К/7-объем пузыря; VK- критический объем;/? — давление в пузыре; рв — внешнее давление;/? — давление в жидкости; Уж- объем жидкости на молекулу; а- коэффициент поверхностного натяжения.
Рост пузырька в объеме жидкости равномерно нагретой электрическим разрядом при плотности потока q = 10 -106 Вт/см2 происходит (если пренебречь его всплыва-нием в расплаве) пропорционально длительности импульса tu гдеу - удельный объем жидкости; У - удельный объем пара при данной температуре; ср- удельная теплоемкость; ЛТ - величина перегрева; А « 1,7.
Зависимость радиуса пузырька в расплаве стали от величины перегрева &Т при длительности импульса 10"2-10"5 с, определенного по формуле (2.8), показаны на рис. 18. Из расчетов видно, что при выходе пузырька на поверхность испарения его размер при перегреве уже на 6 С близок к толщине зоны расплава с температурой «3000 С (рис. 16), соответствующей энергии электрического разряда, принятой нами в расчетах (W„ = 0,3-1 Дж, t„ = Ю-3 с).
Увеличение энергии импульса или сокращение его длительности, приводит к уменьшению толщины зоны расплава у поверхности испарения и времени жизни зародышей пузырьков. Если считать, что механизм теплоподвода к границе пузырька не изменяется, с уменьшением длительности импульса роль объемного парообразования снижается, т.к. продолжительность импульса становится меньше времени жизни пузырька. Увеличение перегрева слоя расплава ускоряет рост пузырька и возможен выброс жидкой фазы из зоны воздействия (рис. 18).Выброс жидкой фазы определяетсявзаимодействия электрического разряда с металлическим электродом является удельная энергия разрушения - отношение энергии разряда к объему удаленного вещества, который зависит от конкретного механизма разрушения электрода. Механизм образование лунки, в свою очередь, должен определяться длительностью электрического импульса tu, плотностью поглощаемой энергии є и теплофизическими свойствами электрода. При длительности импульса более 10 5 с влияние ударной волны не учитывается /109/.
Если глубина лунки h существенно превышает радиус пятна воздействия электрического импульса ги, процесс образования лунки является неодномерным потому, что зависит от конденсации пара и теплообмена между струей продуктов разрушения и стенками лунки, и его математическое описание сложно. Но методами теории подобия и размерностей можно получить соотношения, показывающие изменения геометрии лунки от энергии импульса, т.к. во всем диапазоне режимов ЭЭО выполняютсяг условия одномерности нагрева - — 5; yt = pVn.
К Без учета выброса вещества в твердой фазе, потерь энергии во внешнее пространство, химических реакций и ионизации (электрода и РЖ), которые не являются определяющими при формировании лунки, глубина h(t), диаметр d(t) и масса выброшенного вещества m(t) для стального электрода зависят от следующих основных параметров: времени от начала разрушения t, энергии E(t) = \W0(t)dt, где W0(t) - мощность излучения; удельной энергии плотности вещества р.В соответствии с /r-теоремой теории подобия, в частном случае, когда отношениеудельных энергий превращения вещества в жидкость и пар Lm /LB =const, для параметров с независимыми размерностями t, Е, Lm (LB) соотношения между безразмерными параметрами принимают вид /ш/
Включения углерода в белом слое
В БС после ЭЭО углеграфитовым ЭИ (1ср 10 А) есть кристаллические включенияпироуглерода как результат термодеструкции углеграфитного электрода и пиролиза керосина. Включения в отдельных случаях имеют форму глобулей, но, как правило, сферичность у них со стороны обработки нарушена (рис. 51-54, 56, 60, 61). Эта связано с технологическими особенностями ЭЭО - кристаллизация перегретого расплава начинается с поверхности, где более высокое переохлаждение. Аналогичные "ущербные" формы шаровидного графита, имеющего кристаллическое строение, встречаются в высокопрочных чугунах, но до сих пор в теории сфероидизации графита в чугуне нет единства взглядов на механизм данного явления /161 162/.
При ЭЭО на режимах 1ср 5А глобули графита практически не встречаются, но обнаружены микроструктуры БС (рис. 61 е), где быстрым охлаждением зафиксированы этапы растворения образовавшегося глобуля графита и в расплаве, и в образовавшемся БС. Наблюдается растворение глобуля и внутри него (рис. 61 а-д).
Растворение образовавшегося глобуля графита в расплаве (нарушение сферичности) связано с отсутствием неограниченной смешиваемости элементов в системе Fe-C в области конденсированных фаз - в жидком, твердо-жидком и твердом состоянии сплавов. Например, при 1600 С максимальное количество растворенного в жидком железе углерода составляет »5,4 %, масс. (NHcac = 0,21). В более высокоуглеродистых распла вах все избыточное количество углерода находится в виде твердого графита / /
Растворение глобуля в закристаллизовавшемся БС вызвано изменением химического потенциала углерода цс в графите. В работе /164/ методами термодинамики необратимых процессов показано, что кинетика роста графитных включений определя ется давлением « 0,5 МПа, действующим на них со стороны металлической матрицы, претерпевающей диффузионную ползучесть. При таком давлении р.с в графите намного выше, чем в цементите, и графитное включение не растет, а растворяться. Сопровождающие импульсную кристаллизацию БС сжимающие остаточные напряжения дают дополнительный термодинамический стимул к растворению существующего графитного глобуля. Это хорошо видно при рассмотрении границ глобуля с большим увеличением (рис. 61).
Рассмотрим механизм образования углеродных глобулей при ЭЭО с использованием углеграфитового электрода /165 166/. Считалось общепризнанным, что кристаллический углерод имеет две основные аллотропические формы - алмаз и графит. При 1500 С и давлении « 5,5 МПа графит из термодинамически стабильной фазы превращается в метастабильную фазу, а алмаз (и его модификация "лонсдейлит") в стабильную. Сажа рассматривалась и как ультрадисперсные нанокристаллы графита с сильно искаженной ориентацией пинакоидов, и как аморфная фаза. Но в работе /167/ был получен подлинный пиролитический аморфный углерод с твердостью промежу точной между графитом и алмазом.
На основании металлографического анализа формы глобулей (рис. 61) мы считаем, что имеем дело с разновидностью шаровидного графита, имеющего кристаллическую структуру фуллереновой природы. Фуллерены могут служить центрами кристаллизации и для атомов Fe (аналогично модификаторам), оказывая влияние на формирование структуры и физико-механических свойств сталей и чугунов /168 171/.
На рис. 62 показана элементарная ячейка кристаллической решетки наиболее стабильного фуллерена С во, представляющая собой шаровидной формы усеченный на 1/3 ребра икосаэдр диаметром 0,71 нм. Ячейка состоит из 20 бензольных гексагонов угле ода и 12 циклопентадиенильных пентагонов (форма современного футбольного мяча).
Принцип организации структуры фуллеренов - иерархический ("система систем")и возможность иерархической сборки кристаллов из молекул фуллерена обусловлена свойством икосаэдрической симметрии - присоединив к каждой из 12 вершин икосаэдра по одному икосаэдру вдоль общей оси 5-го порядка, получим наружную оболочку из 12 икосаэдров, центры которых сами образуют икосаэдр следующего I иерархического уровня. Сборка такого икосаэдриче-ского кластера происходит с объединением двух соседних молекул фуллерена по пятичленным углеродным циклам, когда атомы одного пятиугольника при- Iнадлежат одновременно двум соседним молекулам.п , Рис. 62. Элементарная ячейка
Повышенная стабильность и шаровая симметрия этого , „ г с фуллерена Смфуллерена обусловлены тем, что в нем четыре валентных электрона каждого углеродного атома осуществляют две одинарные и одну двойную (этиленовую) связи с соседними атомами (причем полинговский резонанс усредняет эти связи так, как это происходит в бензольных и циклопентадиенильных кольцах ароматических веществ). А.П. Любченко первым предположил /72 73/, что фуллерены имеют отношение к сфероидизации графитной фазы в чугунах. Однако он выдвинул достаточно упрощенную схему механизма перерастания однослойного фуллерена типа С6в в многослойный зародыш критического размера "путем простого наслоения одинарных углеродных сеток одна на другую". Но на начальном этапе роста зародыш такой графита подобной фазы чрезвычайно нестабилен, потому что согласно соотношению Лапласа&р = 2 "/ внутри графитного зародыша диаметром в несколько межатомных расстояний (г) под действием поверхностного натяжения (у) возникает избыточное внутреннее давление Ар « 0,2 ГПа / /, которое превращает графитоподобную фазу в мета-стабильную, а цементит в стабильную. И тогда вместо процесса графитизации должен самопроизвольно протекать обратный процесс карбидизации.
Результаты исследования /71/ выявили аномально высокую стабильность кластеров углерода фуллеренового типа с 30 - 100 атомами углерода. С учетом того, что скачкообразный рост глобуля происходит ступенчато сразу целыми дискретными весьма толстыми слоями / /, образованию фуллеренов при ЭЭО способствуют, по крайней мере, два фактора. Фуллерены открыты при получении сажи испарением анода низкотемпературной плазмой, к которой относится и углеродная дуга, при исключении доступа в него кисло рода воздуха /,68/. Именно такие условия существуют при ЭЭО в среде керосина. Расщепляющее действие электрического импульса столь велико, что химические элементы, входящие не только в состав электродов, но и в состав межэлектродной среды, дают атомарный спектр. Отсюда и "фуллереновый допинг" графитной фазы (7 = 3750 С, Тот - 4700 С) с искривленными пинакоидами ее сфероидов.
Науглероживание зоны термического влияния
На исследованных режимах ЭЭО стали 20 {1ср = 5 - 15 A, tu = 0,001 с, керосин, время обработки - 5 - 15 минут, медный электрод - инструмент) изменение микротвердости Н50 (рис. 111, н ррит « 170, Н!"""п » 200), результаты электронографического анализа и дисперсионного анализов (табл. 14, 15) показывают, что науглероживание ЗТВ на глубину до 40 мкм (рис. 112, 113) определяется характеристиками электрического разряда (1ср и tu). Микроструктура ЗТВ стали 20 разобрана выше.
Из технологии ЭЭО /0/ известно, что максимальная толщина БС при средних токах 1ср 60А не превышает 250 мкм. Насыщение ЗТВ углеродом,, , - .. Рис. 111. Измет:Ш4 Mwqi/iinr.i/iiiuiaiii! II -„/станіиз БС, как неизбежный технологиче- .VL,,, с _»._ 5ХНМс трооспиі-спрпшішіні структурой основно-СКИЙ процесс при ЭЭО в углеродсо- го металла после отжигадержащей среде, обеспечивающее высокое сопротивлению износу, коррозии и повышающая сопротивление усталостному разрушению, обусловливается: положением ликвидуса на диаграмме состояния Fe-C (рис. 70) в области жидкого чугуна, определяющим содержанием углерода в белом слое, который находится в контакте с основным металлом; температурой на границе между белым слоем и ЗТВ близкой к TWI (температура слоя ЗТВ на глубине «40 мкм не ниже 600 С (рис. 15, 16.)
При этом для цементации или диффузионного насыщения поверхностного слоя стали другими элементами при ЭЭО необходим только подбор компонентов РЖ и состава ЭИ без использования дополнительного оборудования.
Послойным (сошлифовывался слой «10 мкм) спектральным анализом с продолжительностью экспозиции 15 с получены экспериментальные распределения углерода (рис. 113), по которым (в соответствии с положениями математической модели газовой цементации /160 54/) определены величины коэффициентов диффузии В3фф и мас-сопереиоса углерода / (науглероживание за 0,01 с) (рис. 114, 115) по соотношениям А, С,
Таблица 15 Результаты 2-х факторного дисперсионного анализа /22/распределения у гле-рода в поверхностном слое стали 20 после ЭЭО
Источник изменчивости Число степеней свободы Сумма квадратов Средний квадрат экс »таблга=0,05время ЭЭО, мин. 2 0,33 0,17 18,1 3,14глубина слоя, мкм 3 12,58 4,19 457,6 3,01совместное влияние времени ЭЭО и глубины слоя 6 0,24 0,04 4,3 2,51ошибка 24 0,22 0,01 Сумма 35 13,37 F3Kc, Fma6n - экспериментальный и табличный значения критерия ФишераПри расчетах принимались следующие допущения:1. Науглероживание проходит при температурах выше А3 и двухфазный слой (ау-стенит + цементит) не образуется. Из практики ХТО известно, что несмотря на большую диффузионную подвижность углерода при температуре ниже Aj (Q = 80,26, кДж/г атом, D =0,62 10 , м /с), из-за его малой растворимости в феррите цементованный слой практически состоит только из цементита. Это связывается с наличием твердого раствора на базе цементита / /.2. Диффузионное насыщение определяется диффузионной зоной в однородном металле (нелегированное а- и/или yFe) и слой практически мгновенно (за доли секунды, рис. 115) насыщается углеродом до равновесных концентраций.3.Кинетика диффузии углерода описывается 2-м законом Фика — = —-—-—-—— дт дхдс, 4.Краевое условие на второй границе —L=/ =0 принимается из условия, что гра дхница находится в глубине, где поток атомов углерода практически равен нулю в течение всего времени ЭЭО.тически нет диффузионной зоны (на рис. 95 и 97 есть четкая граница раздела БС-ЗТВ), и лимитирующей стадией науглероживания является массоперенос углерода /160/.
Изменение скорости науглероживания, полученные методом численного дифференцирования экспериментального распределения углерода по глубине, приведены на рис. 116. Далее будет показано, что науглероживание ЗТВ определяется высокими температурами (начинается с температур плавления, соответствующих содержанию углерода в БС), и пластической деформации ЗТВ в результате импульсной кристаллизации БС
Рис. 112. Сталь 20. Изменение микротвердости по глубине ЗТВ при различных режимах ЭЭО.Рис. 114. Изменение коэффициента 0,фф, (MJ/C) в зависимости от режима (1ср и Q ЭЭО. В скобках показаны аппроксимированные значения содержании углерода (%, масс.) па границе БС-ЗТВ.
Рис. 113. Сталь 20. Распределение углерода в ЗТВ и величина эффективного коэффициента диффузии углерода (0,фф, см /с) при различных режимах ЭЭО. Рис. 115. Изменение кп\ ффицшнтамассопере-носа р от режима ЭЭО. В скобках показаны аппроксимированные значения содержания углерода (%. масс.) на границе БС-ЗТВ. (рис. 28), когда образование большого количества структурных дефектов в аустените оказывает влияние на диффузионную подвижность атомов /25 /.5.2.1. Использование понятия активности углерода ас для описания процесса его диффузии в поверхностных слоях стали при ЭЭОБС, определяющий науглероживание ЗТВ (рис. 112 - 117), характеризует сильная неоднородностью как по углероду (аустенит с переменной концентрацией по углероду, присутствие нестехиометрического карбида FejC;., и аморфизированных участков высокоуглеродистого твердого раствора), так и по содержанию легирующих элементов, влияющих на Ц, и величину энергии активации Q, (при ЭЭО легированных сталей). Кроме того, микроструктура ЗТВ формируется в условиях пластической деформации за очень ограниченный временной интервал при неравномерном распределении температуры по глубине (рис. 25), и распределение углерода в ЗТВ значительно отличается от равновесного (рис. 94, 96, 97). Поэтому целесообразно решать уравнение диффузии относительно активности углерода в сплавах железа.
В предлагаемой методике расчета концентрационного профиля углерода в ЗТВ основным моментом является решение дифференциального уравнения нестационарной массопроводности (второй закон Фика) с граничными условиями третьего рода, описывающего распределение угле Рис. 116. Сталь 20. Изменение скорости наугле-рода в диффузионном СЛОЄ относительно рожшания ЗТВ при различных режимах ЭЭО(численное дифференцирование). активности углерода в железе. При этомпринимается, что потоки углерода непосредственно из БС в ЗТВ и в глубь металларавны, поэтому коэффициент массопереноса углерода /?определяется как
