автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Механизм формирования и свойства поверхностных карбидохромовых слоев, полученных с применением электронного пучка

ПГ5 Ой 1 7 ФЕВ ДО?

На правах рукописи УДК 621.785.5

БАХТИН СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ КАРБИДОХРОМОВЫХ СЛОЕВ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

Специальность 05.16.01 Металловедение и термическая

е

обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк

19 9 7

Работа выполнена на кафедре физического''.';'йе^алловедекк Липецкого, государственного технического' университета

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

кандидат физико-математических Hayf доцент И. Г. Козырь

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

доктор технических наук, профессор В.Н. Гадалов кандидат технических наук, А. П. Шаповалов'

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

- АО "Липецкий тракторный завод"

• Защита состоится марта 19S7 г.з^ч. , ауд. К--801 на зас •дании "специализированного совета Д.064.22.01 при Липецком гос дарственном техническом университете. Ваши отзывы, заверенные п чэлъю, просим направлять иа имя ученого секретаря специалиаир ванного совета по адресу: 3980С-5 г. Липецк, у;:. Московская, 30.

• С' диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого г сударственного технического университета.

Автореферат разослан "Ж" февраля 1997"г.-

Ученый секретарь

специализированного совета ^ /

кандидат технических наук . УВ.В. Ка-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Разработка ресурсосберегающих экологически чистых технологий поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента является актуальной' задачей машиностроения и металлургии. К таким технологиям относятся , в частности, процессы обработки материалов,, основанные на применения концентрированных потоков энергии (злект-' роикш: к ионных пучков, лазерного излучения и др.) с целью формирования заданных, структуры " свойств поверхностных слоев.

Основным требованием повышения срока службы деталей машин и инструмента, работающих в условиях.многофакторного силового воздействия, является получение структуры материалов с высокой поверхностней твердостью и вязкой сердцевиной. Обеспечение таких свойств возможно путем формирования износостойких (в частности, карбидохромовнх) слоев с высокой адгезией к матрице на поверхности изделий." Принимая, во внимание особые свойства, экономичность и широкие технологические возможности концентрированных потоков, энергии, перспективным направлением повышения конструктивной прочности явл-зе1, :,я разработка технологий поверхностного упрочнения ка базе формирования на поверхности материалов износостойких слоев.

Целью неогоящей работы явилось изучение механизма формирования У' свойств износостойких карбидохромовнх слоев, полученных на высоко-углеродистых'сталях с-применением электронного пучка (ЭП). В работе %ши поставлены и решены следующие задачи:

Создание математической модели, описывающей температурные поля в сталях с нанесенными металлическими покрытиями при электронно- лучевой обработке (ЭЛО).

2. 'Исследование перераспределения легирующих элементов (углерода л хрома) в зоне термического влияния (ЗТВ) электронного пучка. . -

3. Исследование структуры и свойств карбидохромовнх слоев, сформированных на высокоуглеродистых сталях.

4. Оценка технологических режимов ЭЛО на оснозе математического моделирования и проведенных исследований по созданию карби-дохромсьых слоев, обладающих высокими износостойкостью и твёрдостью на высокоуглеродистых сталях*

Положения, выносимые на защиту

1/ Результаты моделирования тепловых процессов при электронно-лучевой обработке углеродистых сталей с нанесенными хромовыми покрытиями.

2. Результаты исследований перераспределения легирующих элементов (углерода и хрома-) в зоне термического влияния электронного пучка.

3. •технологические режимы получения износостойких карбидох-ромовых слоев на углеродистых сталях с применением электронного пучка.

Научная новизна

1. Разработана, математическая модель для определения пространственно-временного распределения температур в материалах с металлическими (в частности, с хромовыми) покрытиями при электронно-лучевой обработке.

2. Изучено перераспределение легирующих элементов (углерода и хрома) б зоне термического влияния электронного пучка.

3. Определены технологические режимы электронно-лучевой обработки сталей с нанесенными хромовыми покрыгиями с подпхавлением *,тали ча границе раздела "хром-сталь" с сохранением хрома б твердофазном состоянии.

.Практическая ценность

Исследование механизма формирования -и свойств карбидохромо-вих слоев, полученных с применением ЭП. позволяет рекомендовать к использованию конкретные технологические режимы, обеспечивающие значительное повышение износостойкости инструмента.

Результаты работы могут быть использованы для повышения сроков службы деталей машин и инструмента, а также для замены дорогих высоколегированных марок сталей более дешевыми- низколегированными. -

На базе цеха взнн АО "Липецкий трубный завод" по режимам, рекомендуемым в работе, били проведены 'производственные испытания' штампового инструмента. Износостойкость инструмента возросла в 1,2-2 раза.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены и обсуждались: на Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии" (г. Курск, 1994г.); международной научно-тех-

нической российско-германской конференции "Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов" (г. Санкт-Петербург, 1995 г.); третьем российско-китайском симпозиуме "Передовые материалы и процессы" (г. Калуга, 1995 г.-); международной научно-технической .конференции "Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (г. Волгоград, 1996 г.); научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении (г. Пенза, 1996г.); Всероссийской на учил '-технической конференции, посвященной 40-лзтию Липецкого государственного технического университета (г. Липецк, 1996 г.); научно-техническом семинаре кафедры "Физическое металловедение" ЛГТУ.

Публикации 1

По основным положениям диссертационной работы опубликовано 10 работ б виде тезисов докладов и статей в центральной печати.

Структура и объем работы .

Диссертация состоит ис введения, четырех .глав, основных вы-во дон, библиографического списка к прилокеняя. Объем диссертации со.-ч'агллет 101 страницу текста, включая 34 рисунка. 4 таблицы и библиографию ис 127 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

- Во введении обоснована актуальность диссертационной' работы, определены цель, задачи исследования и научная новизна.

5 первой- главе рассмотрено современное состояние вопроса, в частности, моделирование теплофизических процессов, перераспределение легирующих элементов в поверхностных слоях материалов, а также модификация структуры и свойств в процессе электронно-лучевой обработки металлов и сплавов. Приведено сравнение с другими методами модификации поверхности, такими, как ионная имплантация, обработка лазерным излучением, химико-термическая.. обработка (ХТО), вакуумное напыление и т.д.

Для описания температурных полей, возникающих при ЭЛО, используется решение нелинейного дифференциального уравнения. Аналитическое решение этого уравнения затруднительно. В линейной по-

становке и при линейных граничных условиях (коэффициенты теплофи-зических свойств не зависят от температуры) параметры температурных полей можно вычислить по известным аналитическим выражениям. -Для реальных условий нагрева материала ЭП решение уравнения проводят в численном виде. Такое решение с учетом реальных свойств металла обеспечивает высокую точность числового решения, подтверждаемую экспериментальными данными.•

Наряду с ионной имплантацией облучение металлов и полупроводников пучком быстрых электронов предоставляет исследователю возможность трансформации физико-механических свойств поверхностных слоев за счет их легирования различными элементами, либо, перераспределения примесей элементов сплавов на значительной глубине. При облучении металлических и полупроводниковых материалов пучлом быстрых электронов перераспределение происходит интенсивнее, чем при облучении ионами и нейтронами. При этом массоперенос легирующих элементов 'идет по направлению к поверхности образца. Облучение материалов ЭП приводит к образованию в образце значительного градиента температуры вблизи поверхности.и неравновесной концентрации дефектов. Наряду с увеличением эффективного коэффициента диффузии неоднородное распределение температуры и дефектов вызвает в образце некомпенсированный поток атомов, приводящий к перераспределению элементов. В результате происходит дрейф одного из элементов через слой второго. Определяющими факторами в аномальном массопереносе при облучении являются градиенты температуры и дефектов, температура среда и соотношение энергий активации миграции атомов элементов.' .

Основными процессами, влияющими на состояние твердого тела, при облучении электронами энергией от 0,5 до 15 МэБ являются, во-первых, возбуждение и ионизация атомов, во-вторых, образование пар Френкеля - межуаельных атомов и вакансий. Возбужденные и ионизированные атомы решетки в несколько этапов релаксируют е основные состояния, причем возбуждение снимается в основном путем испускания фотонов, т.е. конечным результатом облучения образца электронами является нагрев вещества. Это позволяет использовать пучки электроноЕ для модифицирования структуры и свойств материалов. •

Наиболее интенсивно ЗЛО для вдлфицировакия структуры к свойств- применяется в ведущих направлениях: •

- оплавление и последующее затвердевание, осуществляемые для . рафинирования металла у поверхности;

- закалка сплавов из твердого состояния со скоростями нагре-аа и охлаждения ~102 - Ю4 °с/с;

- поверхностное легирование, наплавка материала, обработка предварительно нанесенных на металл покрытий, нагрев слоев после-ХТО;

- оплавление со сравнительно высокими скоростями плавления и кристаллизации (~10г - 105, °С/с), обеспечивающими закалку сплавов из жидкого состояния;

- оплавление и затвердевание с высокими и сверхвысокими скоростями (103 - Ю7 °С/с), приводящие к аморфизации поверхности;

' - .ударное упрочнение, проводимое с еще более высокими скоростями' за промежутки времени 10"6 - 10"8 с.

Во второй главе представлены результаты моделирования тепловых процессов в. поверхностных слоях высокоуглеродистых сталей с нанесенными металлическими (хромовыми) покрытиями при ЗЛО. .

Определение пространственно-временного распределения темпе-' ратур в обрабатываемых материалах сводится к численному решению нестационарного уравнения теплопроводности с учетом температурной зависимости теплофизических характеристик и энергии фазовых переходов обрабатываемых материалов

ат зц>

с(Т) -р(Т) — = с11у[Х(Т)-вгай Т] - рЬ— + йу, дт дх

где с(Т) - теплоемкость материала; р(Т) - плотность материала; Т - температура; ' т - время; Х(Т) - теплопроводность материала; I - теплота плавления; -ф - доля жидкой фазы в элементе объема; Оу - функция, характеризующая-энерговыделение в материале в результате торможения электронов.

■Начало координат располагали на ребре образца. ,ЭП движется перпендикулярно одной из граней со скоростью V. ЭЛО ведется в положительном и отрицательном направлении оси 2, смещаясь с постоянным шагом в направлении оси У. Диаметр пучка много больше максимальной глубины проникновения электронов и толшдкы разогретого к концу ЭЛО с-г.оя (4аЬ)1/г (а - температуропроводность, I - длительность обработки). Тепловые потоки в направлении У и г намного меньше, чем "в направлении X, и, следовательно, рассмотрение расп-

ределения температуры по объему компонентов можно заменить одномерной задачей теплопроводности.

Зависимости теплоемкости, плотности и теплопроводности исследуемых сталей и хрома были аппроксимированы полиномами п-ой степени. Коэффициенты полинома находились с помощью метода наименьших квадратов.

Считаем, что между нанесенным хромом и сталью осуществляется абсолютный контакт, отсутствуют.промежуточные слои. Это позволяет для упрощения принять идеальный тепловой контакт при теплообмене компонентов поверхностного слоя.

Для. решения уравнения была применена неявная схема конечно-разностного метода, которая является безусловно устойчивой, что позволяет избежать дополнительных исследований полученного решения на сходимость при изменении количества расчетных точек. При решении использовали неравномерную сетку по оси X (шаг за пределами зоны интенсивного теплопереноса увеличивался в 1,5 раза) и равномерную сетку по времени;

Полученная в результате аппроксимации система конечно-разностных уравнений является частным случаем разреженных систем -системой уравнений с трехдиагональной матрицей. Эта система решалась методом прогонки.

Для проверки адекватности модели были проведены калибровочные расчеты для стали У8А без покрытия и с хромовым покрытием толщиной 25 мкм. Энергия электронов в пучке составляла Е=1,4. МэВ, удельное энерговыделение W=4,0 МДзк/м2, время облучения 150 мс. Скорость нагрева .поверхностного слоя достигала -8-104 °С/с,. максимальная температура поверхности - 1175 °С. Скорость охлаждения после прекращения облучения составляет -6-103 °с/с. Глубина упрочненного слоя, сформировавшегося из расплава, в эксперименте была равна С,44 - 0,46 мм, а результаты расчетов дают величину 0,46 мм. . Таким образом, наблюдается адекватное описание моделью температурных полей.

Разница в расчетах температуры на глубине 25 мкм с учетом хромового покрытия и без него достигает 100 °С,' т.е. учет характеристик покрытия по-зволяет более точно описывать температурные поля в материалах с нанесенными металлическими покрытиями.

Затем была проведена серия расчетов для стали У8А с.хромовым покрытием толщиной 25 мкм. Параметры ЭЛО были подобраны для двух

следующих режимов обработки: - обработка с оплавлением стали на поверхности раздела "хром - сталь" и без- оплавления. Энергия ЭП составляла 1,4 МэВ. его диаметр - 10 мм, время'воздействия - 200 мс, удельное энерговыделение - от 2,5 до 5.0 МДж/м2.

Результаты расчетов представлены на рис. 1-2. Температура нагрева границы-раздела "хром стальпри удельном энерговыделении 5 МДж/м2 составляет 1500 °С, т.е. ' происходит незначительное оплавление стали при сохранении хрома в твердофазном состоянии. При удельном энерговыделении 2, 5 МДж/м2 максимальная температура нагрева достигает -700 °С.

Результаты расчетов показывают принципиальную возможность ЭЛО с оплавлением стали на поверхности раздела "хром - сталь" с сохранением хрома в твердом состоянии. .

В третьей главе изложены результаты исследования перераспределения углерода в стали 65Г, подвергнутой газовому насыщению радиоактивным изотопом углерода 14 С, с нанесенным хромовым покрытием и без него, а также хрома в армко-железе с нанесенным хромовым покрытием в результате обработки ЭП с различными параметрами.

Облучение образцов производилось на промышленном высоковольтном электронном ускорителе ЭЛВ-4. Исследование перераспределения углерода производилось на образцах из стали 65Г, полученных из ЦНИИЧМ г. Москвы, где они были подвергнуты газовому насыщению радиоактивным изотопом углерода 14С. Исследование перераспределения хрома производилось" на образцах из армко-железа. ' На образцы иг стали 65Г и все образцы из армко-железа наносился электролитический хром. Затем образцы облучались ЭП в атмосфере с энергией электронов 1,4 МэВ и удельным энерговыделением от 2,5 дс 5 ЭДк/м2.

При исследовании перераспределения углерода в стали,.обработанной ЭП, в настоящей работе использовался метод контрастной авторадиографии. При исследовании перераспределения хрома в арм-.ко-железе применялись методы растровой электронной микроскопии л рентгеновского микроанализа. Изучение фазовых превращений проводилось по стандартной методике рентгеноструктурного анализа.

При ЭЛО образцов из 'стали 65Г в ЗТВ ЭП происходит существенное перераспределение углерода, приводящее к обезуглероживаний области вблизи оси пучка, и его миграция к периферии ЗТВ. Тако{ характер обезуглероживания имеет место на глубинах до 50 мкм. На-

Рис. 1. Зависимость температуры от расстояния от поверхности через 20 мс после начала ЭЛО:1 - удельное энерговыделение 5 МДж/м2; 2 - удельное энерговыделение - 2,5 МДж/м2

Время, мс

Рис. 2. Зависимость температуры от времени на глубине 25 мкм: 1 - удельное энерговыделение 5 МДж/м2,2 - удельное энерговыделение 2,5 МДж/м2

личие в поверхностных слоях обрабатываемых сплавов сильных карби-дообразующих элементов (например, хрома), а также нагрев с оплавлением поверхности позволяют сохранить относительную равномерность распределения углерода (карбидов) в зоне действия ЭП. '

При облучении армко-железа с нанесенным покрытием имеет мес-— то-массоперенос атомов хрома на расстояние -30 мкм, который происходит достаточно однородно по сечению - образца._Массоперенос атомов хрома вызывает фазовые и структурные изменения в облучае-г мом материале - образование твердого раствора Ге - Сг и б-фазы (Ре - Сг).

Перераспределение углерода и хрома при ЭЛО.обусловлено наличием внешних движущих сил. Перераспределение элементов в ЗТВ вызвано не только градиентом концентрации элементов, но и градиентами температуры, термических и фазовых напряжений и дефектов. 'Таким образом, в .первом уравнении диффузий появляются 'дополнительные члены, обусловленные этими градиентами. - Величина членов уравнения зависит от параметров ЭП.

В четвертой главе рассмотрены результаты исследования структуры и свойств карбидохромовых слоев, сформированных на углеродистых сталях с применением ЭП.

В качестве исследуемого материала была использована углеродистая сталь У8А после стандартной термической, обработки - закалки и низкого отпуска. После механической полировки на образцы на-' косилось электролитическое хромовое покрытие толщиной от 5 до 80 мкм. Затем образцы облучались электронным пучком, выпущенным в атмосферу, 'с энергией электронов 1,4 МэВ. Образец двигался под пучком со скоростью 5 см/с. Диаметр пучка - 10 мм. ЭЛО производилась по двум режимам - с удельным энерговыделением 2,5 МДж/м2 (обработка без оплавления стали) и с удельным энерговыделением 5 МДж/м2 (обработка с оплавлением стали).

Исследование микроструктуры поверхностного слоя материала, обработанного ЭП, производилось металлографическими методами. Изучение фазового состава проводилось по стандартной методике, рентгеноструктурного анализа. Для определения микротвердости исследуемых материалов использовался микротвердомер ПМТ-3. Определение износостойкости образцов проводилось с использованием прибора "Шлиф-2". .

Исследования поверхностных слоев выявили существенное изме- '

нение микроструктуры и- свойств.

На образцах, обработанных ЭП с удельным энерговыделением 5 МДж/м2, протяженность ЗТВ составила «130 мкм'. По структурному признаку в ней можно выделить пять зон: ■

- зона 1 (на образцах с толщиной нанесенного ' хрома менее 25*30 мкм отсутствует) - отожженный хром. До ЭЛО хром имел чешуйчатое строение, после обработки существенных изменений в структуре не наблюдается, на поверхности происходит незначительное окисление;

зона 2 - отожженный хром + карбиды типа (Сг,Ре)23С6 и (Сг,Ге)7С3, протяженность =25 мкм. Карбиды, выделившиеся в этой зоне, отличаются высокой дисперсностью, их наличие подтверждается данными рентгеноструктурного анализа;

зона 3 - мартенсит отпуска + остаточный аустенит + карбиды типа (Сг,Ге)23С6 и .(Сг,Ре)7С3, протяженность =20 мкм. Карбиды .также отличаются высокой дисперсностью;

- зона 4 - мартенсит отпуска с пониженным содержанием углерода + остаточный аустенит, протяженность «30 мкм;

- зона 5 - матрица - мартенсит отпуска + остаточный аустенит..

На образцах, обработанных ЭП с удельным энерговыделением

2,5 МДк/м2, протяженность атв составила »100 мкм. По структурному признаку ЗТВ имеет сходное строение с описанной выше. Но.в данном случае не происходит образования карбидов типа (Сг,Ре)7С3, границы между зонами более размыты, и протяженность их сокращается.

Шероховатость поверхности Ка исследуемых материалов до электронно-лучевой обработки составляла 0,20-0,26 мкм (10-й класс шероховатости). ЭП при взаимодействии с поверхностью материалов способствует распылению микронеровностей. Для применяемых режимов электронно-лучевой обработки это приводит к снижению шероховатое-, ти до 1?а=0,12-0.16 мкм. При удельном энерговыделении более' 5 МДж/м2 шероховатость может увеличиваться из-за интенсивного оплавления поверхности.

Структурные изменения в поверхностном слое обрабатываемых материалов в результате ЭЛО во всех случаях вызывают изменение механических свойств, и. как следствие, ведут к изменению микротвердости. На рис. 3 представлены результаты измерения микротвердости поверхностных слоев стали У8А после ЭЛО. Микротвердость хрома в результате отжига ЭП • снижается до величины

Н0|2=3,5±0,2 ГПа. Максимум микротвердости приходится на зону 3, минимум - на зону 4. Для образцов, обработанных ЭП с удельным энерговыделением 5 МДж/м2, характерна большая разница значений экстремумов по сравнению с образцами, обработанными с удельным энерговкделением 2,5 МДж/м2.

■ —На-рис.-4-представлены результаты измерения износостойкости. Потеря массы ш от числа оборотов К имеет слоеный "характер." На начальной стадии износа происходит резкий потеоя массы образцов за их счет .приработки , после чего начинается выход на устоявшуюся стадию. Для описания износа использовалась следующая формула, описывающая данную зависимость,

т [£,-4, -N/10000] • [1-ехр(-12 -N/10000) ], где Ьг - неизвестные коэффициенты, зависящие от свойств

поверхностного слоя. ■■ ...

Коэффициенты определялись методами нелинейного

регрессионного анализа. При малом числе оборотов (приработка образцов) основной вклад в износ вносит экспоненциальная составляющая выражения, влияние линейкой составляющей мало. После выхода на устоявшуюся стадию максимальный вклад приходится на линейную часть. Максимальная износостойкость наблюдается у образцов с толщиной нанесенного, хрома 25 мкм и обработанных ЭП с удельным энерговыделением 5 МДЖ/мг.

В процессе ЭЛО стали с нанесенным хромовым покрытием в поверхностных слоях происходит резкое ускорение диффузионных процессов, которое является результатом разогрева материала до высоких температур и увеличения эффективного коэффициента диффузии из-за радиационных повреждений. Хром диффундирует в сталь, углерод - в хром. Возникают флуктуации концентраций элементов, достаточных для"образования карбидов хрома. У границы поверхности раздела "хром-сталь" образуются мелкодисперсные карбиды типа (Сг.Р'е)23С6 и (Сг,Ге)7С3. Следствием этого является легирование поверхностного слоя стали-хромом. Поверхностные .слои приобретают структуру хромистой стали, отличающейся высокой дисперсностью карбидов. Такая структура обладает более высокой твердостью и износостойкостью. В результате диффузии углерода к границе поверхности раздела под легированным материалом образуется зона с пониженным содержанием углерода. Мартенсит в- этой зоне имеет меньшую степень .тетрагональное™, и, следовательно, меньшую твердость.

40 ■ 80 120 1В0

Расстояние от поверхности, м!см а

.40 60 120 1Е0

Расстояние от поверхности, мкн

С 8 и

} :: и:

•м***

40 ВО 130 160

Расстояние: от поверхности, мкм

Рис. 3. Зависимость микротвердостя от расстояния от поверхности а - толщина нанесенного хрома 5 мкм; б ■ толщина нанесенного хрома 25 мкм; в - толщина нанесенного хгГ'Ма 80 мкм

Кспкчество итогов N

Рис. 4. Износостойкость стали У8А: 1 - до ЭЛО, т = (7,»24+1.710'№!ООООК1-ехр(.5>516-К/)ООСО); 2 ■ до ЭЛО, толщина хрома 25 мкм, т - (5,667+1.640-К/10000)-(1-ехрГ-5,300 №)0000); 3 - после ЭЛО, га = С;,537+1,228-Ы/) 0000)(1 -ехр(-5,546-Ы/10000);

4 - теле ЭЛО, толщина хрома 80 мкм, т = (5,978+0,616-ЫП 000б)(1 -ехр{-14,135 N/10000);

5 - иос-л.' ЗЛО, толщина хрома 25 мкм, т =(2,304+0,738-те/10000)41 -ехр(-11,458-Ш0000); 6 - после ЭЛО, толщина хрома 5 мктлда --(2,255+1,011-№10000)'(1-ехр(-9,583 N/10000)

При ударных нагрузках зона по всей видимости сможет служить для релаксации напряжений и торможения роста трещин с поверхности.

На базе цеха вэнн АО "Липецкий трубный завод" были проведены производственные испытания штампового инструмента, подвергнутого хромированию и ЭЛО с различными параметрами ЭП. К испытаниям были . представлены пуансоны штампов на вытяжку и обрезку, используемые б штампах для изготовления лотков, производимых из стали 08пс.

Весь опытный инструмент перед нанесением хромового покрытия -прошел законченный производственный цикл термической обработки -закалка при температуре 760 °С с охлаждением в воде и низкий отпуск при 200 Затем на инструмент наносилось электролитическое хромовое покрытие и производилась ЗЛО. . '

После вышеописанной обработки были проведены производственные испытания.. Данные.по режимам обработки и износостойкости пу-

ансонов, представлены в таблице.

Таблица

Режимы обработки и стойкость опытного инструмента

№ п/п Наименование инструмента Обработка Коэффициент повышения стойкости

1 Пуансон штампа на вытяжку лотка Толщина хрома - 5 мкм ЭЛО (5 МДж/м2) 1,6

2 Пуансон штампа на обрезку лотка Толщина хрома - 5 мкм ЭЛО (5 МДж/м2) 1,2

.3 ' Пуансон штампа на вытяжку лотка Толщина хрома - 25 мкм ЭЛО (5 МДж/м2) 2, 0

4 Пуансон штампа на обрезку лотка"' Толщина хрома - 25 мкм ЭЛО (5 МДж/м2) 1,3

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ .

Исследования, проведенные в настоящей работе, позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Получена математическая модель, адекватно описывающая пространственно-временное распределение температур в материалах с металлическими (хромовыми) покрытиями при электронно-лучевой обработке. - _

2. В зоне, термического влияния электронного пучка происходит существенное перераспределение углерода, приводящее к обезуглероживанию области вблизи максимальных температур нагрева, и его миграция к периферии области воздействия пучка.

3. Наличие в' поверхностных слоях обрабатываемых сплавов сильных карбидообразующих элементов (например, хрома), а также нагрев с оплавлением поверхности позволяют сохранить относительную равномерность распределения углерода (карбидов) в зоне действия электронного пучка.

4. При облучении ар^ко-железа с хромовым покрытием имеет место массоперенос атомов хрома на расстояние -30 мкм.

5. Электронно-лучевая обработка с оплавлением поверхности стали на границе раздела "хром - сталь" и с сохранением- хрома в твердофазном состоянии является наиболее рациональной, т.к. при этом происходит резкое ускорение диффузионных процессов на границе раздела, приводящее к образованию карбидов. При этом происхо-лит-некоторое.уменьшение шероховатости поверхности.

6. На границе раздела "хром - сталь" происходит ' образование -- -карбидов типа (Сг,Ре)азС6 (обработка без оплавления) и карбидов типа (Сг,?е)гзС6 и (Сг,Ре)7С3 (обработка с оплавлением). 1

7. Испытания штампового инструмента в лабораторных и конкретных производственных - условиях показывают, что наилучшие результаты дает следующая обработка - нанесение хромового покрытия толщиной 25-5-30 мкм и обработка электронным пучком с подплавлением стали на граниие раздела' "сталь - хром". Износостойкость пуансонов штампа на вытяжку лотков возрастает в ?. ре за, а пуансонов ' штампов на обрззку лотков - в 1,3 раза.' .

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в оледу:ких работах:

• I. Бахтин C.B., Козырь и. Г.", Шардахов и. К.. Иатов S. С. Формирование карбадохромоеых сдоев на углеродистых сталях с использованием электронного пучка// Физика и химия обработки материалов.- 1С95.- N4. -• С.140-.41.

?.. Бахтин C.B., Горбунов И. П., Козырь И. Г-. и др. Перераспределение углерода в поверхностных слоях сталей при обработке электронным пучком// Известия вузов. Черная металлургия,- 1995.-N11. - С. 51-53. .

3. Бахтин с. В., Шаршакоз И.М., Козырь И. Г., Цыганов И.'А. Формирование карбидохромовых слоев на углеродистых сталях с использованием электронного пучка// Материалы и упрочняющие технологии: Тез. и мат. докл. росс, .научн.-техн. конф. 15-17 ноября 1994 г. - Курск: КГТУ, 1994,- С. 14-15.

4. Бахтин C.B., Козырь И. Г., Ш'аршаков К. М. Формирование'износостойких карбидохромовых слоев на сталях с использованием электронного пучка// Пластическая и термическая"обработка современных металлических' материалов: Тез. докл. международ, на-

учн.-техн. росс.-герм. конф. 17-19 мая 1995 г. - С.-Пб.: С.-ПбГТУ, 1995.- С. 160-161.

5. Bahtin S.V.. Kozyrl.G.. Sharshakov I.M., Shatov Y.S. Forming of chromium carbide layers on carbon steel with the use of electron beam//Advanced materials and processes: • Third Russian-Chinese Symposium Kaluga, Russia, October 9-12, 1995.- Kaluga. 1995.- P. 220.

6. Бахтин С.В.', Козырь И.Г.', Шаршаков И.М., Шатов Ю. С. Влияние электронно-лучевой обработки на-перераспределение углерода в поверхностных слоях сталей// Прогрессивные методы получения и об-, работки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Тез. докл. международ, научн.-техн. конф. 18-19 сентября 1996 г.- Волгоград: ВолгГТУ. 1996,- С.119-121.

7. Шатов ¡(i.e., Бахтин С.В. Диффузионное хромирование отливок из коекого чугуна// Прогрессивные методы получения, и обработки конструкционных материалов к покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Тез. докл. международ, научн.'-техн. конф. 18-19 сентября 1998 г. - Волгоград: §олгГТУ, 199G.- С. 121-122. •

8. Бахтин С. В., Копырэ И.Г., Лавров А.Н., Шаршаков Н.М. Математическое моделирование тепловых процессов при обработке электронным пучком ' сталей с металлическими покрытиями''/ Прогрессивные методы получения к обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей мани: Тез. докл. международ. на.учк -техн. конф. 18-19 сентября 199;; г.- Волгоград: ВолгГТУ. 1996. С.123-12о. . •

9. Бачтин С.В.. Козырь И.Г., Шаршаков И.М. Свойства карби-дохромовых слоев, сформированных на высокоуглеродистых сталях с использованием электронного пучка// Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении: Тез. гокл. научн.-техн. конф. 24-25 сентября 1996 г.- Пенза: ПДЗ, ,1396.- С. 24-26. -

10. Бахтин С.В.. Козырь И.Г., Шаршаков й.М. Получение износостойких карбидохромовых слоев на высокоуглеродистых сталях с использованием электронного пучка// Сб. тез. докл. Всеросс. научн. -техн. конф., поев. 40-летию Липецкого государственного технического университета. Октябрь 1996 г.- Липецк. ЛГТУ, 1996,-С. 358-359..