Введение к работе
Актуальность темы. Упрочнение поверхности деталей машин и механизмов обработкой их высококонцентрированными потоками энергии широко распространено в современных технологических процессах. Одним из таких основных методов является высокочастотная импульсная закалка. Именно разработка импульсных источников электромагнитной энергии (мощностью -10 кВт и выше; с частотой -10-500 кГц) в сочетании с новыми (локальными) способами нагрева, обеспечивающими энерговклад порядка 10-100 кВт/смг , обусловили повышенное внимание к ВЧ-закалке, начиная с конца 70х r.r. Высокая эффективность и универсальность метода высокочастотной импульсной закалки (ВИЗ) определяется ее следующими принципиальными особенностями:
-
энергетическому воздействию подвергается только часть материала;
-
исчезает необходимость во внешней закалочной среде в связи с переходом в режим автозакалки;
-
объемный характер выделения тепла с высокой удельной мощностью позволяет вести закалку с температур, близких к точке плавления сплава, что ведет к дополнительному (помимо мартенситообразования) улучшению как прочностных, так и вязких свойств поверхностного слоя (ПС) за счет уменьшения размеров зерен;
-
нетребовательность к состоянию поверхности -отсутствует эффект отражения (в отличие, например, от лазерной закалки):
-
из-за кратковременности воздействия (длительность импульса ~ 10"6-10-1с ) отсутствуют отжиговые последствия;
6) высокая производительность; легкость автоматизации.
Теоретические проблемы, связанные с предсказанием свойств зака
ленных слоев и расчетом их характеристик, развиты недостаточно.
Большинство современных исследований закалки стали (как и других
сплавов) с нагрева высокочастотным импульсом посвящено технологи
ческим и материаловедческим аспектам проблемы. Основное внимание
при теоретических исследованиях электромагнитной и тепловой час
тей проблемы уделяется обычным схемам индукционного нагрева, об
ладающим цилиндрической симметрией и характеризующимся относи
тельно низкими значениями объемной плотности энерговыделения.
В связи с этим представляется необходимым проведение исследований по математическому моделированию, согласованным образом охватывающим основные аспекты тепло- и энергообмена и ряда других процессов при нагреве ВЧ-импульсон с последующим охлаждением (закалкой) , а также исследований по экспериментальному совершенствованию процесса ВИЗ в целом.
Цель работы заключалась в построении математических моделей нагрева (плавления) и охлаждения (кристаллизации) поверхностных слоев углеродистых сталей при воздействии на них мощных импульсов (порядка десятков киловатт) электромагнитного поля с частотой 0,440 МГц ;
в регрессионном моделировании процесса ВИЗ стальных образцов;
в экспериментальном исследовании процесса ВИЗ на примере стали 45.
Научная новизна. Разработана физико-математическая модель, включающая в себя уравнения неравновесной двухфазной зоны, и проведено численное исследование процесса закалки стали с нагрева одиночным импульсом.
Предложена аппроксимация временной зависимости структурного параметра двухфазной зоны в нестационарных условиях плавления-кристаллизации. Определены характерные длительности ВЧ-импульса для нагрева ПС стали с неоднородными и нестационарными свойствами. Определены предельно достижимые степени диспергирования дендритных систем, образующихся при различных режимах обработки (в координатах длительность-удельная мощность импульса).
Сформулирована физико-математическая модель нагрева ПС стали с начальной феррито-перлитной структурой, включающая в себя основные процессы твердофазных превращений в нем.
Показано, что существует критический уровень удельного энергопотока, выше которого процесс нагрева ПС близок к адиабатическому.
Разработаны и применены на практике методика высокочастотных калориметрических измерений удельного энерговклада ВЧ-импульса в зоне термического воздействия и методика расчета динамики температуры поверхности на основе регистрации оптического излучения.
Практическое значение работы. Полученные в работе результаты представляют интерес как для теории, так и для практики упрочнения углеродистых сталей. Разработка и численное исследование мо-
делей ВЧ-обработки углеродистых сталей типа Ст 45 позволяют в широком диапазоне внешних условий определять значения выходных параметров, управляющих качеством закалки (время нахождения любого сечения ПС выше определенной температуры;, дисперсность ПС при кристаллизации из расплава и др.), т.е. уровнем конструктивной прочности получаемого изделия, оптимизировать процесс в целом.
Непосредственный практический интерес представляют полученные' в работе результаты применения методик калориметрических и оптических измерений динамики нагрева-охлаждения поверхности. Проведенные в диссертационной работе исследования использованы в . разработках технологии ВЧ-импульсного упрочнения стальных деталей и изделий, проведенных в Институте , теплофизики СО РАН, и . нашли практическое применение на ряде промышленных, предприятий России.
Выносятся на'защиту:
модели ВЧ-имлульсной закалки стали в приближении сплошной среды, позволяющие,рассчитывать как тепловые, так и структурно-фазовые процессы в зоне воздействия ВЧ-импульса;
утверждения о том,ч что эти модели дают количественное описа-. ние: , . . , . ;
а) процесса нагрева поверхностного слоя стали мощными им-
. пульсами до произвольной температуры вплоть до точки лик
видуса и процесса охлаждения с этой температуры и затвер
девания слоя с учетом формирования неравновесной двухфаз
ной зоны; , .''
б) зависимости динамики параметра дисперсности кристалличес- "
кой структуры от величины удельного .энергопотока и
свойств сплава (значений коэффициентов переноса, констант
скоростей роста и-плавления частиц различных фаз);
- метод восстановления температуры поверхности по данным опти
ческого излучения зоны термического воздействия;
- обобщенная модель цикла нагрева-охлаждения поверхностного
. слоя сплава Fe-C,- принимающая во внимание конечные скорости
фазовых превращений в нем при температуре ниже точки эвтектики. . . Вклад автора.Автору принадлежит разработка и численное исследование математических моделей,- интерпретация полученных расчетных и обработка экспериментальных результатов.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Кристаллизация и компьютерные модели" (г.Ижевск, 1990), на региональном семинаре "Новые технологии и научные разработки в энергетике" (г.Новосибирск, 1994), на семинарах отдела плазменной динамики и на институтском семинаре Института теплофизики СО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы; содержит 143 страницы машинописного текста, в том числе 22 рисунка и 12 таблиц. Список литературы включает 116 наименований.