Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Ващук Екатерина Степановна
Формирование структуры и свойств углеродистой стали при электровзрывном боромеднении и электронно-пучковой обработке
Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новокузнецк - 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирский государственный индустриальный университет Научный руководитель доктор технических наук, доцент Будовских Евгений Александрович
Официальные оппоненты: Колубаев Александр Викторович, доктор физико-математических наук, профессор, зав. лаб. физики упрочнения поверхности федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Хаимзон Борис Бернардович, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики и методики преподавания физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кузбасская государственная педагогическая академия Ведущая организация федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск
Защита состоится л5 июня 2012 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, д. 42.
Факс: (8-3843) 46-57-92, E-mail: d212_252_04@sibsiu.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО Сибирский государственный индустриальный университет.
Автореферат разослан л__ апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук, профессор Горюшкин В.Ф.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие промышленности приводит к появлению новой техники и расширяет требования к материалам, необходимым для ее изготовления. В ряде случаев они обеспечиваются путем упрочнения поверхности деталей. Функциональные свойства поверхностных слоев металлов и сплавов определяются, прежде всего, особенностями их структуры и фазового состава. Настоящая работа выполнена в рамках общего направления развития научных исследований и практических разработок по решению актуальной проблемы упрочнения металлов и сплавов с использованием находящих все более широкое применение в промышленности концентрированных потоков энергии, таких как лазерное излучение, электронные пучки, плазменные потоки и струи. Они характеризуются кратковременным и локальным высокоэнергетическим воздействием на поверхность и позволяют повышать такие функциональные свойства, как износо-, жаро- и коррозионная стойкость в несколько раз.
Одним из новых методов упрочнения является электровзрывное легирование (ЭВЛ), заключающееся в модификации структуры и свойств металлов и сплавов путем формирования при электрическом взрыве проводников многофазной плазменной струи, оплавлении ею упрочняемой поверхности и насыщении расплава продуктами взрыва с последующей самозакалкой. Результаты ЭВЛ определяются совместным влиянием на упрочняемую поверхность теплового, силового и химического факторов обработки. Источником легирующих элементов при ЭВЛ является многофазная струя продуктов взрыва, а также порошковые частицы различных веществ, вводимые в область взрыва.
Дополнительное улучшение свойств поверхности после ЭВЛ возможно при последующей электронно-пучковой обработке (ЭПО), вызывающей импульсно-периодическое переплавление поверхности легирования. Вместе с тем, процессы формирования структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов при ЭВЛ и последующей ЭПО изучены недостаточно.
Цель и задачи исследования. Работа посвящена выявлению закономерностей формирования рельефа поверхности, распределений элементного и фазового составов по глубине, повышения микротвердости и износостойкости поверхности стали 45 в зависимости от параметров электровзрывного боромеднения и последующей электронно-пучковой обработки.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) выявить влияние параметров ЭВЛ и ЭПО на особенности рельефа поверхности, строения по глубине, структуры и фазового состава поверхностных слоев;
2) выявить влияние параметров ЭВЛ и ЭПО на повышение износостойкости и микротвердости поверхности обработки;
3) провести теоретический анализ механизмов электровзрывного легирования и формирования структуры границы зоны легирования с зоной термического влияния стали.
Научная новизна. Впервые изучено влияние режимов электровзрывного боромеднения и последующей ЭПО стали 45 на особенности рельефа поверхности обработки, строения по глубине зоны упрочнения, ее структуры и фазового состава. Показано, что обработка приводит к формированию градиентных слоев с субмикрокристаллической структурой, включающей новые наноразмерные упрочняющие фазы боридов, карбоборидов и карбидов. Установлено, что обработка в оптимизированных режимах приводит к увеличению микротвердости и износостойкости в условиях сухого трения скольжения в несколько раз. При этом глубина зоны упрочнения после комбинированной обработки больше, чем после ЭВЛ. Предложен механизм легирования расплава и формирования тонкого подслоя на границе с зоной термического влияния на основе представлений о возникновении гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.
Научная и практическая значимость работы. Разработаны способы формирования псевдосплава из несмешиваемых в равновесных условиях элементов (железо-медь), заключающиеся в электровзрывном боромеднении и последующей ЭПО. Выявлены оптимальные режимы ЭВЛ и ЭПО, позволяющие формировать поверхностные слои с минимальной шероховатостью поверхности и максимальной глубиной зоны упрочнения, повышенными в 3Е5 раз значениями микротвердости и износостойкости по сравнению с их значениями в основе. Разработаны математические модели процессов ЭВЛ, позволяющие управлять формированием структуры и свойств упрочняемых поверхностных слоев. Показано, что повышение физико-механических свойств обусловлено формированием субмикро- и нанокристаллических структур, содержащих упрочняющие фазы. Результаты работы используются аспирантами, обучающимися по специальностям Физика конденсированного состояния, апробированы на предприятиях промышленности и рекомендованы к внедрению.
Реализация результатов. Результаты исследования нашли практическое использование в научной деятельности СибГИУ и НГТУ: отчет по научноисследовательской работе Процессы формирования структуры и фазового состава углеродистой стали 45 при электровзрывном боромеднении и последующей электронно-пучковой обработке (№ гос. регистр. 01201063328 от 23.12.2010 г.) и отчет по научно-исследовательской работе Модификация поверхности стали 45 с помощью электровзрывного боромеднения и последующей электронно-пучковой обработки (№ гос. регистр. 01201172028 от 25.07.2011 г.).
На ООО Ремкомплект (г. Новокузнецк) разработаны технологические рекомендации по упрочнению рычага цангового зажима многошпиндельного станка-автомата. Испытания опытной партии показали, что твердость (9HV) и глубина (100 мкм) упрочненного поверхностного слоя рычагов удовлетворяют конструкторским требованиям к этой детали. На ООО Вест 2002 (г.
Новокузнецк) совместно со специалистами кафедры машиностроительных технологий и оборудования АлтГТУ (г. Барнаул) разработаны и апробированы технологические рекомендации по электровзрывному упрочнению ножей для дробления древесины, фрез и сверл по дереву.
Результаты диссертации используются на кафедре материаловедения и технологии конструкционных материалов ФГБОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет (г. Москва), где разработаны рекомендации для упрочнения пар трения, работающих в условиях трения скольжения, абразивного изнашивания и кавитации. Результаты диссертации используются в физико-техническом институте ФГБОУ ВПО Тольяттинский государственный университет (г. Тольятти) для повышения износостойкости и увеличения ресурса торцевых уплотнений, кулачков, ограничителя в ходовых механизмах, гильотинных ножей, применяемых для резки бумаги и картона.
Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием высокоинформативных методов световой и сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, определения микротвердости и износостойкости, соответствием полученных экспериментальных данных и результатов теоретического анализа результатам других авторов.
ичный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, проведении электровзрывного боромеднения стали 45 и последующей ЭПО, исследовании упрочненной поверхности методами современного материаловедения, определении ее микротвердости и износостойкости, разработке математических моделей процессов формирования зоны ЭВЛ, написании и подготовке статей к публикации.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1) результаты изучения рельефа, строения по глубине, структуры и фазового состава поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения и последующей ЭПО в различных режимах;
2) повышение микротвердости и износостойкости в условиях сухого трения скольжения поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения и последующей ЭПО в оптимизированных режимах;
3) механизмы легирования и формирования структуры границы зоны легирования с зоной термического влияния.
Апробация работы. Результаты диссертации представлялись на следующих конференциях, чтениях, семинарах и школах: IV, V Российской научно-технических конференциях Ресурс и диагностика материалов и конструкций, Екатеринбург, 2009, 2011; XVII Международной конференции Физика прочности и пластичности материалов, Самара, 2009; XI Международных семинарах Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий, Обнинск, 2009, 2011; 48-й, 50-й, 51-й Международных конференциях Актуальные проблемы прочности, Тольятти, 2009, Витебск, 2010, Харьков, 2011; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 2009;
Всероссийских научных конференциях молодых учёных Наука. Технологии.
Инновации, Новосибирск, 2009, 2010; VI, VII Международных семинарах Физико-математическое моделирование систем, Воронеж, 2009, 2010; XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2010; VI Международной конференции Фазовые превращения и прочность кристаллов, Черноголовка, 2010; VI Международной научной конференции Прочность и разрушение материалов и конструкций, Оренбург, 2010;
Международной научно-технической конференции Современные материаловедение и нанотехнологии, Комсомольск-на Амуре, 2010; XI Международной школе-семинаре Эволюция дефектных структур в конденсированных средах, Барнаул, 2010; XIX Республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния, Гродно, 2011; 9-ой Международной конференции Взаимодействие излучений с твёрдым телом, Минск, 2011.
Тема диссертации соответствует критической технологии РФ Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ Индустрия наносистем. Работа выполнялась в соответствии с темами Минобразования РФ в рамках ФЦП Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009Ц2013 гг. (гос. контракты №№ П332, 14.740.11.0693, 14.740.11.0813, 02.740.11.0538 и 14.740.12.0858) и грантами РФФИ (проекты №№ 08-02-00024-а, 10-07-00172-а).
Публикации. Основное содержание работы
опубликовано в 24-х работах, в том числе в 8-ми статьях в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 2-х главах в коллективных монографиях, остальные - в трудах всероссийских и международных конференций и других научных мероприятий.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления паспорта специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния (технические науки).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 5 разделов, заключение и приложение, изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы состоит из 113 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные результаты, выносимые на защиту, дан обзор содержания диссертации.
Первый раздел Упрочнение металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии посвящен методам решения проблемы упрочнения металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии. Рассмотрены основные экспериментальные и теоретические результаты в области изучения особенностей формирования структуры, фазового состава и свойств металлов и сплавов при импульсных плазменных методах поверхностного легирования. Исходя из анализа литературных источников, сформулированы цель и задачи работы.
Электровзрывная обработка позволяет сконцентрировать за короткий промежуток времени (10Ц4 с) высокую плотность мощности (~ 1 ГВт/м2) в тонких (~ 10 мкм) поверхностных слоях материалов и дает возможность провести оплавление и легирование поверхностных слоев без выплеска расплава, развивающегося вследствие неоднородного давления (~ 10 МПа) плазменной струи на облучаемую поверхность.
Во втором разделе Оборудование, материалы и методики исследований описано оборудование, использованное для осуществления комбинированной обработки образцов стали 45 в отожженном состоянии с исходной феррито-перлитной структурой. Образцы имели форму шайб диаметром 18 и толщиной 5 мм ЭВЛ проводили на лабораторной установке ЭВУ 60/10. В качестве взрываемого проводника использовали медную фольгу, закрепляемую на электродах плазменного ускорителя коаксиально-торцевого типа. В область взрыва вводили порошковую навеску аморфного бора. Режимы обработки обеспечивали поглощаемую плотность мощности qp, равную 5,5, 6,5, 7,5 и 8,ГВт/м2. Взрываемые медные фольги имели толщину 20 мкм и массу, равную 35, 70 и 100 мг. В области взрыва размещали порошок аморфного бора массой 20 и 60 мг. Анализ поверхностных слоев после электровзрывного боромеднения проводили в случае, когда отношение n атомных концентраций бора и меди в струе было равно следующим значениям: 1,2; 1,6; 3,4 и 3,5. Последующую ЭПО поверхности легирования осуществляли на установке Института сильноточной электроники СО РАН Соло при следующих основных параметрах: поглощаемая плотность мощности qe составляла 2,0, 2,5 и 3,0 ГВт/м2, длительность импульсов = 100 и 200 мкс; частота их следования f = 0,3 Гц; число импульсов N = 5 и 10 имп. Обработку осуществляли в среде аргона рабочей камеры при давлении 0,02 Па. ЭВЛ и ЭПО имеют сопоставимые значения поглощаемой плотности мощности, глубины и диаметра зоны воздействия на облучаемую поверхность.
Обоснован выбор стали 45 для проведения исследований как модельного материала, используемого в промышленности в качестве конструкционного сплава, который хорошо изучен после упрочнения поверхности с использованием концентрированных потоков энергии. В частности, в литературе имеются сведения о поверхностном упрочнении этой стали как при электровзрывном меднении, так и последующей ЭПО. Выбор двухкомпонентного электровзрывного боромеднения обусловлен тем, что борированные слои обладают высокой твердостью и хрупкостью, а проведение боромеднения с использованием традиционной химико-термической обработки затруднительно в связи с тем, что медь и железо имеют низкую взаимную растворимость.
Исследования структуры упрочненных слоев проводили с использованием методов световой (Olympus GX 51) и электронной сканирующей (Carl Zeiss EVO50) микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа, оптической интерферометрии (Zygo New View TM 7300), рентгеноструктурного анализа (ДРОН-2,0, ARL XТTRA). Упрочнение поверхности оценивали по уровню микротвердости (HVS-1000A) и износостойкости в условиях сухого трения скольжения.
В третьем разделе Структура и фазовый состав поверхностных слоев стали 45 после комбинированной обработки представлены результаты исследования рельефа, строения по глубине, структуры и фазового состава поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения и последующей ЭПО.
Исследования методами микроскопии и оптической интерферометрии показали, что на поверхности зоны ЭВЛ формируется покрытие с высокоразвитым рельефом. Оно образовано частицами продуктов взрыва медной фольги и порошка бора из тыла струи, которые конденсируются на поверхности. В структуре рельефа выделяются следы радиального течения расплава из центра зоны легирования к периферии, обусловленного неоднородным силовым воздействием плазменной струи на поверхность, приводящим к конвективному перемешиванию расплава. При увеличении поглощаемой плотности мощности радиальное течение становится более выраженным. Увеличение массы порошка бора в 3 раза приводит к увеличению параметра шероховатости Ra от 2,5 до 6,4 мкм.
Последующая ЭПО при всех режимах сопровождается плавлением поверхности и объединением покрытия с нижележащей зоной легирования. При этом параметр шероховатости Ra уменьшается от 5,6 до 2,5 мкм, следы радиального течения исчезают, наблюдается образование кратеров. Увеличение поглощаемой плотности мощности и времени импульсов ЭПО приводит к уменьшению параметра шероховатости Ra и глубины кратеров, увеличению их диаметра d. При увеличении числа импульсов ЭПО значения Ra и d увеличиваются (рисунок 1).
После ЭПО поверхность зоны ЭВЛ имеет дендритную структуру кристаллизации. Исследования при большом увеличении показали, что при N = 10 имп., qе = 2,0 и 2,5 ГВт/м2 и = 100 и 200 мкс количество зерен с дендритной кристаллизацией заметно больше, чем с ячеистой кристаллизацией, а при qе = 3,0 ГВт/мформируется только структура дендритной кристаллизации (рисунок 2). С ростом qе и среднее расстояние 1 между ячейками и осями первого порядка дендритов и средний диаметр зерен D увеличиваются в 1,5Е2,0 раза.
Микроскопический анализ структуры зоны легирования на прямых и косых шлифах позволяет выделить по ее глубине четыре слоя с измененной структурой.
Это поверхностный слой толщиной несколько микрометров, обусловленный осаждением на поверхности обработки конденсированных частиц плазменной струи, приповерхностный и промежуточный слои (рисунок 3, а).
Рисунок 1 - Зависимость параметра шероховатости Ra (а) и диаметра d кратеров (б) от поглощаемой плотности мощности ЭПО 1 - = 100 мкс, N = 10 имп.; 2 - = 200 мкс, N = 10 имп.;
3 - = 100 мкс, N = 5 имп.; 4 - = 200 мкс, N = 5 имп.
Рисунок 2 - Структура поверхности легирования после электронно-пучковой обработки при N = 10 имп., = 100 (аЦв) и 200 мкс (гЦе), при qе, равных 2,0 (а, г), 2,5 (б, д) и 3,0 (в, е) ГВт/м2.
Сканирующая электронная микроскопия От основы зона ЭВЛ отделена зоной термического влияния, условную границу которой определяли по колониям осветленного перлита. В промежуточном слое вблизи границы зоны ЭВЛ с основой формируется подслой толщиной несколько микрометров с волнистыми границами (рисунок 4). Его происхождение можно связать с радиальным течением расплава вдоль поверхности. Общая толщина зоны легирования достигает 25 мкм.
егирующие элементы в объеме зоны легирования распределяются неоднородно (рисунок 3, а), что свидетельствует о незавершенности перемешивания расплава после внесения в него частиц меди и бора и обусловлено импульсным характером ЭВЛ. ЭПО приводит к дополнительному перераспределению бора и меди (рисунок 3, б). При этом в приповерхностном и промежуточном слоях зоны легирования формируется зеренная структура (рисунок 3, в). В приповерхностном слое зоны ЭВЛ наблюдаются многочисленные частицы упрочняющих фаз субмикронного диапазона (рисунок 5, а). После ЭПО с увеличением общего времени нахождения поверхностного слоя в жидком состоянии размеры частиц упрочняющих фаз увеличиваются также, как и игл мартенсита в глубине (рисунок 5, в, г).
Рисунок 3 - Структура стали 45 после ЭВЛ при qp = 6,5 ГВт/м2, n = 3,4 (а) и последующей ЭПО при N = 10 имп., qе = 2,0 ГВт/м2, = 100 мкс (б) и qе = 2,5 ГВт/м2, = 200 мкс (в). Стрелки на б указывают на микротрещины.
Световая микроскопия, косые шлифы Рисунок 4 - Изображение границы между зоной ЭВЛ и основой.
Сканирующая электронная микроскопия. Прямой шлиф После электровзрывного боромеднения поверхностный слой разрушается по хрупкому механизму с ручьистым изломом (рисунок 6). После ЭПО изломы имеют слоистое строение, в котором выделяются три слоя. Приповерхностный слой имеет мелкозернистую структуру излома. Промежуточный слой имеет ручьистое строение, которое характерно для хрупкого разрушения. Под ним располагается слой зоны термического влияния с вязким изломом, размеры ямок в котором меньше, чем в основе.
Рентгеноструктурный анализ показал, что в результате электровзрывного боромеднения на поверхности стали сформировалась смесь, состоящая из -Fe, Cu и упрочняющих фаз FeB, Fe23(С, B)6. С увеличением поглощаемой плотности мощности qp наблюдается уменьшение содержания -Fe и увеличение содержания -Fe и Cu, что свидетельствует об увеличении степени легирования расплава медью. Влияние ЭПО сводится к растворению боридов в слое, уменьшению содержания аустенита, перераспределению меди и увеличению содержания -Fe. В частности, с ростом поглощаемой плотности мощности qe содержание -фазы и метастабильной фазы Fe23(C, B)6 увеличивается, а при увеличении длительности импульсов исчезают пики -Fe и Fe23(C, B)6. Согласно металлографическим исследованиям это является следствием увеличения глубины зоны легирования и перераспределения легирующих элементов по ее объему.
Рисунок 5 - Структура приповерхностного (а, б) и промежуточного (в, г) слоев зоны легирования после ЭПО a после ЭВЛ при qp = 8,6 ГВт/м2, n = 3,5;
б после ЭПО при N = 5 имп., =100 мкс, qe = 2,5 ГВт/м2;
в после ЭПО при N = 10 имп., = 200 мкс, qe = 2,0 ГВт/м2;
г после ЭПО при N = 10 имп., = 200 мкс, qe = 2,5 ГВт/м2.
Сканирующая электронная микроскопия. Прямые шлифы Рисунок 6 - Структура изломов стали 45 после ЭВЛ при n = 3,5, qp = 6,5 ГВт/м2 (а) и после ЭПО при qе = 2,5 ГВт/м2, = 100 мкс и N = 10 имп. Сканирующая электронная микроскопия В четвертом разделе Микротвёрдость и износостойкость поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки рассмотрено влияние режимов обработки на физико-механические свойства поверхности и приведены практическая значимость и реализация результатов работы. Распределение микротвердости по глубине зоны электровзрывного боромеднения является монотонно падающим (рисунок 7). При этом максимальная микротвердость наблюдается в тонком поверхностном слое. В приповерхностном слое на глубине до 15Е20 мкм градиент микротвердости маленький, и с учетом ошибок измерений можно говорить об усредненном значении микротвердости в этом слое. В промежуточном слое микротвёрдость быстро падает до ее значения в объеме стали на уровне 200 HV.
Рисунок 7 - Распределение микротвердости по глубине зоны обработки стали после ЭВЛ и последующей ЭПО. Вертикальные штрихи на графиках соответствуют глубине зоны легирования С ростом qp от 6,5 до 8,5 ГВт/м2 при ЭВЛ микротвёрдость поверхности линейно увеличивается от 4,5 до 6,0 и от 5,4 до 7,2 раза при n = 1,6 и 3,5 соответственно (рисунок 8, а). Влияние на микротвердость поглощаемой плотности мощности тем более сильное, чем выше концентрация бора в плазменной струе. Поведение микротвердости в приповерхностном слое отличается от ее поведения на поверхности тем, что при низком содержании бора зависимость микротвердости от поглощаемой плотности не проявляется. С ростом поглощаемой плотности мощности глубина z зоны легирования и толщина z2 приповерхностного слоя с высоким уровнем упрочнения увеличиваются в 1,5 и 2,0 раза соответственно с ростом концентрации бора в плазменной струе (рисунок 8, б). Влияние последующей ЭПО сводится к тому, что глубина упрочнения возрастает более чем в 3 раза до 80 мкм, при этом микротвердость уменьшается, оставаясь на высоком уровне. Максимальная микротвердость на поверхности и в приповерхностном слое после обработки в оптимальном режиме составляет 1000 и 800 HV при времени импульсов 100 и 2мкс соответственно.
Рисунок 8 - Изменение микротвердости (а), глубины z зоны ЭВЛ и глубины приповерхностного слоя z2 (б) после обработки в различных режимах Испытания на износостойкость поверхностных слоев в условиях истирания без смазки показали, что комбинированная обработка, сочетающая ЭВЛ и ЭПО, приводит к увеличению износостойкости по сравнению с основой в 4Ераз в зависимости от режима обработки.
В пятом разделе Разработка моделей формирования упрочняемых слоев при электровзрывном легировании предложены механизмы легирования поверхностного слоя при ЭВЛ и формирования подслоя на границе раздела зоны легирования с основой стали, основанные на возникновении гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца поверхности раздела плазма-расплав и расплав-основа соответственно.
Управление процессом ЭВЛ требует детального анализа механизмов легирования. Одной из особенностей ЭВЛ является то, что легирующие элементы распределяются по всей глубине расплава в результате конвективного перемешивания. При натекании струи на упрочняемую поверхность возникает область параллельного течения плазмы и расплава с различными скоростями.
При возникновении возмущений поверхности раздела происходит их резкий рост, т.е. развивается гидродинамическая неустойчивость КельвинаГельмгольца. При ее эволюции в приповерхностном слое расплава образуются мелкоразмерные конвективные вихри (рисунок 10), которые в последующем при резком охлаждении расплава определяют размер структурных составляющих зоны легирования. Возникновение конвективного течения в приповерхностном слое вызывает образование конвективного течения в более глубоких слоях, что объясняет тепломассоперенос от поверхности в глубь зоны легирования.
Рисунок 9 - Зависимость инкремента неустойчивости от длины волны .
U0 - относительная скорость течения на границе плазма-расплав Для объяснения формирования тонкого подслоя с волнистыми границами (рисунок 10) на границе зоны ЭВЛ с основой предложена модель взаимодействия слоев расплава вблизи границы с основой, с образованием гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Показано (рисунок 9), что при обработке происходит рост амплитуды колебаний границы и одновременное ее размывание в ходе процессов конвективного перемешивания, что соответствует экспериментальным результатам.
Рисунок 10 - Зависимость амплитуды колебаний от времени при фиксированном значении x (а) и траектории частиц расплава на границе слоев (б, в) В приложении приведены справки о практическом использовании результатов работы.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Установлено увеличение шероховатости поверхности зоны электровзрывного боромеднения с ростом поглощаемой плотности мощности и массы порошка бора. Последующая ЭПО приводит к уменьшению шероховатости и появлению на поверхности кратеров вместо следов радиального течения.
2. Строение зоны ЭВЛ по глубине включает в себя покрытие, приповерхностный, промежуточный и приграничный слои. Общая толщина зоны легирования достигает 25 мкм. Последующая ЭПО приводит к объединению покрытия с приповерхностным слоем, увеличению глубины зоны упрочнения до 80 мкм. Вблизи поверхности формируется структура ячеистой или дендритной кристаллизации, в глубине - зеренная структура.
3. Установлен неоднородное распределение легирующих элементов по объему зоны легирования и выравнивание его при последующей ЭПО. Увеличение поглощаемой плотности мощности и общего времени воздействия ЭПО приводит к росту междендритного расстояния и диаметра зерен. Увеличиваются также размеры мартенситных игл в глубине.
4. Улучшение физико-механических свойств зоны легирования обусловлено формированием закалочных структур, включающих субмикрокристаллические упрочняющие фазы боридов FeB, Fe2B, FeB2, карбоборида Fe23(C, B)6 и карбида B4C.
5. Микротвердость поверхности и глубина зоны упрочнения после ЭВЛ увеличиваются с ростом поглощаемой плотности мощности и концентрации бора и достигают 1400 HV. При последующей ЭПО уровень микротвердости уменьшается до 800 HV. Комбинированная обработка, сочетающая ЭВЛ и ЭПО, приводит к увеличению износостойкости по сравнению с износостойкостью основы до 5-ти раз.
6. Предложены механизмы легирования расплава на поверхности и формирования приграничного слоя зоны легирования на основе возникновения гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными.
7. Научные результаты диссертационной работы использованы в практике научной деятельности СибГИУ и НГТУ, в образовательной сфере по подготовке аспирантов, апробированы и используются на предприятиях промышленности.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.
Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:
1. Структура и свойства поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного меднения и боромеднения / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, Д.А. Романов, В.Е. Громов // Фундам. проблемы соврем. материаловедения. - 2010. - № 2. - С. 31Ц34.
2. Влияние интенсивности плазменного воздействия на микротвердость стали 45 при электровзрывном боромеднении / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, М.М. Морозов, В.Е. Громов // Физика и химия обраб. материалов. - 2011. - № 2. - С. 99Ц100.
3. Структура и микротвердость поверхности стали 45 после электровзрывного боромеднения и последующей электронно-пучковой обработки / Е.С. Ващук, Д.А. Романов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов // Изв. вуз. Чер. металлургия. - 2011. - № 6. - С. 24Ц28.
4. Особенности влияния электронно-пучковой обработки на поверхность стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов и др. // Обраб. металлов. - 2011. - № 3 (52). - С. 69Ц72.
5. Влияние электронно-пучковой обработки на поверхность стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, А.М. Теплых, В.Е. Громов и Ю.Ф. Иванов // Обраб. металлов. - 2011. - № 4 (53). - С. 67Ц73.
6. Образование наноразмерных структур в металлах при воздействии импульсных плазменных струй электрического взрыва / В.Д. Сарычев, Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов // Письма в журн. техн. физики. - 2010. - Т. 36. - Вып. 14. - С. 41Ц48.
7. Математическое моделирование и исследование формирования конвективных структур в металлах и сплавах при воздействии импульсных многофазных плазменных струй / В.Д. Сарычев, С.П. Мочалов, Е.А. Будовских, Е.С.
Ващук, В.Е. Громов // Изв. вуз. Чер. металлургия. - № 6. - 2010. - С. 43Ц56.
8. Математическая модель формирования границы зоны электровзрывного легирования с основой металла / С.Г. Молотков, Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов // Изв. вуз. Чер. металлургия. - № 4. - 2012. - С. - 47Ц51.
Главы в монографиях:
1. Особенности импульсной электронно-пучковой обработки поверхности электровзрывного легирования стали 45 и титана / А.В. Вострецова, Е.С.
Ващук, Е.А. Будовских, С.В. Карпий, Ю.Ф Иванов, В.Е Громов // Структурно-фазовые состояния перспективных металлических металлов / Отв. ред.
В.Е. Громов. - Новокузнецк: Изд-во НПК, 2009. С. 28Ц41.
2. Особенности структурно-фазовых состояний и свойств поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов // Формирование структурно-фазовых состояний металлов и сплавов при электровзрывном легировании и электронно-пучковой обработке / Под ред. В.Е. Громова. - Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2011. С. 68 - 86.
Статьи и тезисы докладов в трудах конференций:
1. Модель образования наноразмерных структур при электровзрывном легировании металлов на основе возникновения неустойчивости КельвинаГельмгольца / В.Д. Сарычев, Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов // Физико-математическое моделирование систем: Материалы VI Междунар. семинара. Ч.1. - Воронеж: ВГТУ, 2009. C. 22Ц27.
2. Обработка поверхности электровзрывного легирования металлов и сплавов импульсными электронными пучками / А.В. Вострецова, Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, С.В. Карпий, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов // Бернштейновсие чтения по термомеханической обработке металлических материалов, посвященные 90-летию со дня рождения профессора М.Л. Бернштейна. - М.: МИСиС, 2009. С. 38.
3. Структура и свойства поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов // Прочность и разрушение материалов и конструкций: Материалы VI Междунар.
науч. конф. - Оренбург: ОГУ, 2010. С. 228Ц232.
4. Особенности рельефа поверхности стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.С. Ващук, Д.А. Романов, Е.А. Будовских, В.Е. Громов // Актуальные проблемы прочности: сб. материалов 50-го Междунар. науч. симпозиума. Ч. 1. - Витебск: ВГТУ, 2010. С. 62.
5. Микротвердость поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного меднения и боромеднения / Е.С. Ващук, Д.А. Романов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов // XIX Петербургские чтения по проблемам прочности: сб. материалов. Ч. 2. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2010. С. 62.
6. Распределение микротвердости по глубине поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е.
Громов // Фазовые превращения и прочность кристаллов: сб. тезисов VI Междунар. конф. - Черноголовка: ГН - РФ ЦНИИ Чер. мет им. И.П.Бардина, 2010. С. 136.
7. Ващук Е.С. Структурно-фазовые состояния поверхности стали 45 после электровзрывного боромеднения // VII Российская ежегодная конференции молодых научных сотрудников и аспирантов: сб. статей. - М: Интерконтакт Наука, 2010. С. 480Ц482.
8. Распределение микротвердости поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, Д.А. Романов, В.Е. Громов // Актуальные проблемы прочности: материалы 51 междунар.
конф. - Харьков: НН - ХФТИ, 2011. С. 55.
9. Влияние режимов электронно-пучковой обработки на градиентное строение слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов, Ю.Ф. Иванов // Физическое материаловедение:
сб. материалов V Междунар. школы с элементами науч. школы для молодежи. - Тольятти: ТГУ, 2011. С. 49Ц50.
10. Рентгеноструктурный анализ стали 45 после электровзрывного боромеднения / Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Г. Танг // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: сб. материалов IV междунар.
конф. - М: ИМЕТ РАН, 2011. С. 810.
11. Ващук Е.С. Сканирующая электронная микроскопия поверхности электровзрывного боромеднения стали 45 после электронно-пучковой обработки // Физико-химия и технология неорганических материалов: сб. материалов VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов. - М: ИМЕТ РАН, 2011. С. 144Ц145.
12. Влияние режимов электронно-пучковой обработки на параметры структурных составляющих и износостойкость зоны электровзрывного боромеднения стали 45 / Е.С. Ващук, А.М. Теплых, Е.А. Будовских, В.Е. Громов // Наука. Технологии. Инновации: Материалы Всерос. науч. конф. молодых ученых в 6-ти частях. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. Ч. 3. С. 25Ц27.
13. Влияние параметров электронно-пучковой обработки на рельеф поверхности углеродистой стали после электровзрывного боромеднения / Е.С.
Ващук, Е.А. Будовских, В.Е. Громов // XL Неделя науки СПбГПУ: материалы междунар. науч.-практ. конф. Ч. X. - СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2011. С.
35Ц37.
14. Механизм формирования зоны электровзрывного легирования на границе с основой металла / С.Г. Молотков, Е.С. Ващук, Е.А. Будовских, В.Е.
Громов // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: материалы XXI Урал. школы металловедов-термистов. - Магнитогорск:
изд. Магнитогор. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. С. 32.
Изд. лиц. № 01439 от 05.04.2000. Подписано в печать 2012.
Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Усл. печ. л.. Уч. изд. л.. Тираж 120 экз. Заказ №.
Сибирский государственный индустриальный университет.
654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике