Введение к работе
Актуальность работы. В государственной научно-технической юграмме по машиностроению в качестве важнейшего направления вы-іляєтся коренное преобразование существующих принципов организа-[и производства на основе прорывных технологий и современного іорудования. Подчеркивается необходимость сохранять и развивать іукоемкие технологии, созданные на основе физических и химических )фектов. Одна из важнейших задач современного машиностроения -гтенсификация химико-термических процессов упрочнения - наиболее :пешно решается применением скоростных методов нагрева. Прогрес-шные технологии диффузионного насыщения и термической обработки і основе лазерного, индукционного или плазменного нагрева наряду ) значительными достижениями имеют определенные ограничения и не-істатки. К ним относятся трудности обработки деталей сложной фор-I, необходимость в ряде случаев предварительной подготовки по-фхности изделий, высокая стоимость оборудования. Ускорение тер-іческого и химико-термического упрочнения с возможностью локаль->й обработки деталей, в том числе и сложной формы, может быть )стигнуто применением анодного нагрева в водных растворах элект-їлитов. Однако нерешенной проблемой для этого способа остается шномерный и контролируемый нагрев изделий, недостаточно эффектны средства управления процессом, требует дальнейшего уточнения гханизм самого явления, в ряде случаев не систематизированы све-;ния об эксплуатационных свойствах упрочненных деталей. Недоста-)чно сведений о возможности достижения наряду с упрочнением дру-IX технологических целей: полировки, обезжиривания, оксидирования т.д. Мало обоснованных рекомендаций по назначению параметров ре-іма обработки и выбору состава электролитов.
Целью работы является исследование процесса многофункциональ->й анодной обработки при нагреве в электролите и разработка на по основе высокоэффективных технологий, позволяющих повысить шплекс эксплуатационных свойств стальных изделий.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи : следования:
уточнить механизм процесса анодного нагрева и его техноло-іческие возможности;
провести сравнительный анализ различных способов анодной імико-термической обработки стальных изделий и выявить перспек-шный процесс;
изучить физико-механические свойства и эксплуатационные х рактеристики упрочненных слоев, оптимизировать параметры режи обработки;
разработать и обосновать целесообразность применения техн логии многофункциональной химико-термической обработки стальн изделий в электролите.
Научная новизна. Уточнен механизм образования прианодной об лочки на основе локального разогрева электролита за счет внутре них объемных источников тепла при прохождении электрического ток позволяющий качественно описать влияние параметров процесса : температуру нагрева анода. Предложена модель процесса анодно электролитного нагрева, учитывающая влияние физико-химическ: свойств электролита, напряжения и формы электродов на электриче кое поле в электролитической ячейке, толщину парогазовой оболоч: и температурное поле цилиндрического анода. Подтверждена гипоте об аналогии процессов анодного нагрева и пленочного кипения с Л' кализацией источников тепла в парогазовой пленке.
Показано, что интенсификация диффузионного насыщения ц электролитном нагреве обусловлена как быстрым достижением стаци нарного состояния за счет высокой скорости разогрева, так и во: никновением дислокаций, вакансий и других дефектов кристалличесю решетки вследствие бомбардировки поверхности ионами в злектричеі ком разряде.
Установлены закономерности изменения фазового состава упро1 ненных слоев стали 45 после проведения различных видов химико-те] мической обработки (ХТО) при анодном электролитном нагреве, позві ляющие определить требуемую продолжительность и температуру обр; ботки. Подтверждена роль кислорода в проведении химико-термичесю обработки при анодном нагреве в водных растворах, заключающаяся образовании поверхностного оксидного слоя толщиной 2* 3 мкм бі диффузии в обрабатываемую деталь.
Практическая значимость. Установлено, что при химико-термі ческой обработке сталей наибольшая микротвердость, износостойкое и наименьший коэффициент трения в сочетании с достаточной шерох( ватостью поверхности достигаются электролитным борированием щ напряжении на ванне 225 В (что соответствует температуре ано; 1250С) и времени обработки 700 + 900 с. Обработка по такому режі му позволяет увеличить микротвердость поверхности и срок служ( деталей в 2 + 5 раз по сравнению со стандартной термообработкой.
Разработаны технологические рекомендации по проектированию эхнологических процессов анодной многофункциональной химико-тер-«еской обработки в электролите стальных изделий, обеспечивающие эхнико-экономический эффект.
Предложен технологический процесс анодной многофункциональной шико-термической обработки в электролите спиральных быстрорежу-IX сверл диаметром до 8 мм. Разработанная технология анодной мно-зфункциональной химико-термической обработки в электролите позво-їєт проводить за одну операцию: упрочнение стальных деталей бори-званием с последующей закалкой, оксидирование и полировку дета-эй.
Достоверность результатов достигалась использованием теорети-эски обоснованных и проверенных практикой методов исследований; эриодической проверкой результатов и проверкой приборов и аппараты соответствующими службами; проведением эталонных измерений.
Научные положения и практические рекомендации по работе подт-эрждены:
проведением независимых экспериментальных методов измерений;
использованием методов математической статистики при обра-этке экспериментальных данных;
опытно-промышленными испытаниями предложенных технологически процессов.
Положения, выносимые на защиту: . Закономерности формирования упрочненных слоев при анодной хими-э-термической обработке, влияния структурно-фазового состава на -ссплуатационные свойства.
. Модель процесса анодного электролитного нагрева, включающая в эбя расчет электрического поля в электролитической ячейке, толщи-л парогазовой оболочки и температурного поля цилиндрического ано-1.
. Обоснование многофункционального процесса химико-термической Эработки стальных изделий в электролите, обеспечивающего упрочне-rie поверхностного слоя, полировку поверхности и образование на эй оксидной пленки.
. Эффективный технологический процесс скоростного химико-терми-эского упрочнения 'деталей машин, инструментов и технологической знастки.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрен в виде технологических процессов на АОЗТ "Липчанка" и АО "ЛТЗ" Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной ра боты составил 13,86 млн. р. в год (в ценах I квартала 1996 г.).
Социальный эффект выражается в снижении вредных производс твенных факторов, улучшении условий труда и повышении культур производства.
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационно работы докладывались на Международной конференции "Лазерные физико-технические методы обработки материалов", Крым, Украин (1995 г.); III Российско-китайском симпозиуме "Передовые материал и процессы", Калуга (1995 г.); 1-й и 2-й научно-технических конфе ренциях молодых ученых Липецкой области "Проблемы экологии и эко логической безопасности", Липецк (1996,1997 гг.); Российской науч но-технической конференции "Теория и технология электрохимическо обработки", Уфа (1996 г.); Международной научно-технической конфе ренции "Прогрессивные методы получения и обработки материалов покрытий, повышающих долговечность деталей машин", Волгогра (1996 г.); Всероссийской научно-технической конференции, посвящен ной 40-летию Липецкого государственного технического университета Липецк (1996г.); Всероссийской научно-технической конференції "Современная электротехнология в машиностроении", Тула (1997 г.) Международном научно-техническом конгрессе "Машиностроительны технологии", Болгария (1997 г.); I Международной научно-техничес кой конференции "Актуальные проблемы химии и химической техноло гии. Химия '97", Иваново (1997 г.); Всероссийской научно-техничес кой конференции "Материалы и упрочняющие технологии", Курс (1997 г.).
Работа в целом докладывалась и обсуждалась на научных семина pax кафедры новых технологий ЛГТУ.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 пе чатных работ ( 5 статей и 10 тезисов докладов).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит и введения, шести глав, общих выводов и 9 приложений, изложена н 210 страницах и содержит 145 с. машинописного текста, 60 рисунков 17 таблиц, библиографический список из 131 наименования.
Работа выполнялась с 1994 по 1997 гг. в соответствии с плано; научно-исследовательских работ Липецкого государственного техни ческого университета, по гранту ЮЗг (договор №9492) и договору
іучно-техническом сотрудничестве между АО "Завод холодильников ГИНОЛ" и кафедрой новых технологий ЛГТУ.