автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение однородности эксплуатационных свойств деталей, упрочненных электрохимико-термической обработкой

Введение.

Глава 1. Методы реализации анодного электролитного нагрева.

1.1 Физические основы анодного нагрева.

1.2 Анализ гидродинамических условий нагрева.

1.2.1 Неконтролируемая гидродинамика.

1.2.3 Сочетание радиальных потоков с вертикальным обтеканием обрабатываемой детали.

1.2.4 Технологические возможности анодного химико-термического упрочнения сталей.

Одной из важных задач современного машиностроения является интенсификация химико-термических процессов упрочнения стали, наиболее успешно решаемая применением скоростных методов нагрева. Одним из них является анодный электролитный нагрев, при котором обрабатываемая деталь является анодом относительно раствора электролита. Использование раствора электролита в качестве рабочей среды позволяет выполнять локальное упрочнение детали, не прибегая к защите мест, не подлежащих обработке. Анодная электрохимико-термическая обработка нашла применение в легкой промышленности для скоростного упрочнения малогабаритных деталей невысокой точности или технологической оснастки. Недостатком этого способа является проблема равномерного и контролируемого нагрева более протяженных деталей, связанная с недостаточно изученным явлением анодного нагрева. Такое положение не дает возможности расширить класс обрабатываемых деталей и управлять процессом нагрева.

Целью настоящей работы явилось повышение однородности физико-химических и механических свойств упрочняемых цилиндрических деталей из сталей и титановых сплавов путем улучшения гидродинамических условий их обработки.

Решаемые задачи:

1. Провести теоретический анализ распределения температуры по высоте обрабатываемой цилиндрической детали и разработать модели расчёта их температурного поля, зависящего от основных режимных параметров нагрева: напряжения, скорости обтекания детали электролитом, плотности, теплоемкости и температуры электролита, размеров упрочняемой цилиндрической детали.

2. Экспериментально изучить влияние геометрических и гидродинамических параметров нагрева на температуру упрочняемой детали.

3. Исследовать тепловые потоки между парогазовой оболочкой и образцом для создания теплофизической модели анодного нагрева, позволяющей описать теплообмен в рассматриваемой системе и обосновать выбор режимов упрочнения цилиндрических деталей.

4. Выявить электрохимическую картину анодного нагрева, включающую влияние анодного растворения и окисления на модификацию поверхностного слоя упрочняемых изделий из стальных и титановых сплавов.

5. Изучить процессы в анодной парогазовой оболочке, лимитирующие работоспособность применяемых электролитов на основе солей аммония.

6. Изучить фазовый состав и структуру поверхностных слоев технического титана и малоуглеродистых сталей, модифицированных внедрением азота, углерода, бора и кислорода.

7. Разработать технологические рекомендации электрохимико-термической обработки стальных и титановых сплавов, позволяющие снизить градиент температуры в процессе их нагрева с целью повышения однородности эксплуатационных свойств упрочняемых изделий.

Защищаемые положения:

1. Технология скоростного однородного упрочнения цилиндрических деталей длиной до 50 мм путем их электрохимико-термической обработки в водных электролитах.

2. Модель теплообмена между парогазовой оболочкой и обрабатываемой деталью.

3. Теплофизическая модель влияния геометрических размеров рабочей камеры на распределение температуры обрабатываемой детали.

4. Конструкция рабочей камеры и методика управления температурным полем детали-анода варьированием расхода электролита.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Предложен механизм влияния геометрических размеров рабочей камеры на максимально достигаемую температуру нижней части обрабатываемого образца цилиндрической формы. Обнаружено, что уменьшение вертикального градиента температуры при нагреве цилиндрической детали возможно только с уменьшением ее максимальной температуры. Разработаны рекомендации по конструированию рабочих камер для скоростного анодного упрочнения в водных электролитах.

Показана возможность скоростной модификации поверхностных слоев сталей и технического титана путем из насыщения азотом, углеродом, бором и кислородом. Предложены режимы обработки и составы электролитов.

Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать распределение температуры по длине обрабатываемой поверхности на возрастающей ветви вольт-температурной характеристики удовлетворительно совпадающая с экспериментальными значениями.

Изучен теплообмен в анодной парогазовой оболочке. Установлено, что наличие вертикального градиента температуры связано с расширением парогазовой оболочки в вертикальном направлении. Показано, что изменение знака плотности теплового потока из оболочки в деталь объясняется недостаточным для разогрева всей детали выделением тепла в парогазовой оболочке.

Практическая значимость работы состоит в разработке технологического процесса скоростного упрочнения малогабаритных изделий путем анодной электрохимико-термической обработки. Разработана технология упрочнения нитепроводников прядильных машин, успешно испытанная в лабораторных и производственных условиях.

Общие выводы

1. Разработана технология скоростного упрочнения технологической оснастки из нержавеющих сталей, применяемой в легкой промышленности, путем их анодной цементации с последующий закалкой в том же растворе. Показана возможность увеличения поверхностной твердости изделий до 3,2 ГПа после обработки в течение 5 мин.

2. Разработаны рекомендации по конструированию рабочих камер установок для реализации технологии электрохимико-термического упрочнения металлов и сплавов, позволяющие снизить вертикальный градиент температуры нагреваемой детали в 1,8 раза. Показано, что уменьшение диаметра рабочей камеры (катода) до 50 мм приводит к увеличению температуры обрабатываемой детали до 1150 °С при расходе электролита 4 л/мин. Снижение вертикального градиента температуры обрабатываемой детали возможно при увеличении диаметра рабочей камеры до 90 мм: подача электролита с расходом 6 л/мин при напряжении нагрева 270 В позволяет снизить температурный градиент от 9 до 5 °С/мм.

3. Предложена теплофизическая модель технологического процесса анодной химико-термической обработки. Показано, что основную роль в формировании вертикального градиента температуры детали играет перераспределение тепла в системе деталь - парогазовая оболочка. Установлено, что при увеличении длины детали мощность источников тепла в верхней части парогазовой оболочки становится недостаточной для достижения соответствующих данному напряжению температур из-за расширения оболочки.

4. Показано, что удельная электропроводность технологического раствора не определяет максимальную температуру детали, но по её изменению можно судить о степени выработанности электролита. Обнаружено, что снижение удельной электропроводности изученных электролитов до 100 мСм/см соответствует потере их работоспособности для выполнения закалки. Рекомендуемый диапазон удельной электропроводности рабочих электролитов составляет 160-210 мСм/см.

5. Предложена методика определения коэффициента теплоотдачи от парогазовой оболочки в упрочняемую деталь. Обнаружено влияние напряжения нагрева и размеров детали на величину среднего по ее длине коэффициента теплоотдачи от парогазовой оболочки к детали-аноду. Показано, что определение коэффициента теплоотдачи методом регулярного теплового режима дает лишь средние значения определяемой величины, и не выявляет зависимости от напряжения в системе.

6. Предложены составы электролитов для скоростного диффузионного насыщения изделий из титана азотом, углеродом и кислородом. Получена зависимость распределения концентрации насыщающих элементов от температуры обработки. Показано, что при обработке титана анодным электролитным нагревом происходит насыщение кислородом поверхностного слоя независимо от вида обработки, что связано с оксидирующим потенциалом парогазовой оболочки при использовании в качестве электролитов водных растворов.

7. Показана принципиальная возможность диффузионного насыщения среднеуглеродистых сталей бором при анодном электролитном нагреве в растворах на основе хлорида аммония. Предложены режимы борирования и состав электролита, позволяющий увеличить поверхностную микротвердость среднеуглеродистой стали до 7,5 ГПа.

1. Суминов, И. В. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) Текст. / И. С. Суминов, А. В. Эпельфельд, В. Б. Людин, Б. Л. Крит, А. М. Борисов. М. :ЭКОМЕТ, 2005. - 368 с.

2. Белкин, П. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов Текст. / П. Н. Белкин. М.: Мир, 2005. - 336 с.

3. Поляк, М. С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения Текст.:в 2 т. Т. 1 / М. С. Поляк. М.: Л.В.М. - «СКРИПТ», «Машиностроение», 1995. - 832 с.

4. Кидин, И. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов Текст. / И. Н. Кидин, В. И. Андрюшечкин, В. А. Волков, А. С. Холин -М.: Металлургия, 1978. 320 с.

5. Ганчар, В. И. Физические процессы в растворах электролитов при анодном эффекте Текст. : автореф. дис.канд. физ.-мат. наук / И. И. Ганчар. -Одесса, 1992.- 15 с.

6. Лазаренко, Б. Р. О структуре и сопротивлении приэлектродной зоны при нагреве металлов в электролитной плазме Текст. / Б. Р. Лазаренко, В. Н. Дураджи, И. В. Брянцев // Электронная обработка материалов. 1980. -№2.-С. 50-55.

7. Дураджи, В. Н. Некоторые особенности нагрева металлов в электролитной плазме при анодном процессе Текст. / В. Н. Дураджи, И. В. Брянцев // Электронная обработка материалов. 1977. - №1. - С. 45-48.

8. Словецкий, Д. И. Механизм плазменно-электролитного нагрева Текст. / Д. И. Словецкий, С. Д. Терентьев, В. Г. Плеханов // Теплофизика высоких температур. 1986. - т. 24. - №2. - С. 353-363.

9. Ясногородский, И. 3. Нагрев металлов и сплавов в электролите Текст. / И. 3. Ясногородский М.: Машгиз, 1949. - С. 127.

10. Анагорский, JI.А. Нагрев металлов в электролите Текст. / JI. А. Анагорский. // Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. M.-JI.: Машиностроение, 1966. - С. 124-141.

11. Иосинори, Т. Закалка в электролите Текст. / Т. Иосинори. //Кикай гидзюцу. 1977. - Т. 25. - №8. - С. 116-117.

12. Edkie, R. G. A study of the electrode glow during electrolyses Текст. / R. G. Edkie ., Ch. Mande // Indian J. of Phys. 1969. - 43. - N5. - P. 239-252

13. Фоминов, А. Я. некоторые вопросы физики процесса нагрева в электролите Текст. / А. Я. Фоминов // Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. JI.: Машиностроение, - 1972. -С. 113-116

14. Ванин, В. С. Нагрев металлов в электролите Текст. / В. С. Ванин. // Электротермия 1967. - вып.55. - С. 18-19.

15. Ванин, B.C. Способ повышения устойчивости сильноточного тлеющего разряда Текст. / В. С. Ванин. // Электронная обработка материалов. 1968.-№4.-С. 90-93.

16. Северденко, В. П. Вольт-амперная диаграмма электролитного нагрева Текст. / В. П. Северденко, В. С. Мурас //Весщ АН БССР, сер. физ.-техн. наук. 1971. - №4. с. 67-71.

17. Garbarz-OIivier, J. Etude des discharges electriques produites entre l'electrode et la solution lors des effects d'anode et de cathode dans les electrolytes aqueux Текст. / J. Garbarz-OIivier, C. Guilpin // J. Chim. phys. 1975. - v.72. -N2.-P. 207-214.

18. Дамаскин, Б. Б. Введение в электрохимическую кинетику Текст. / Б. Б. Дамаскин, О. А. Петрий. М.: Высш. шк., 1983. - 400 с.

19. Лазаренко, Б. Р. Исследование пробоя воздуха между двумя электролитными электродами Текст. / Б. Р. Лазаренко, П. Н. Белкин,

20. А. А. Факторович // Электронная обработка материалов. 1972. - №1. -С. 9-11.

21. Ландау, JI. Д. Электродинамика сплошных сред Текст. / JI. Д. Ландау, Е. М. Лившиц. М.: Наука, 1982. - 622 с.

22. Белкин, П. Н. Стационарная температура анода, нагреваемого в водных электролитах Текст. / П. Н. Белкин, А. Б. Белихов // ИФЖ. т. 75. -№6.-С. 19-24.

23. Белкин, П. Н. Исследование проводимости паровой пленки при анодном электролитном нагреве Текст. / П. Н. Белкин, В. И. Ганчар, Ю. Н. Петров // Доклады АН СССР. 1986. - Т. 291. - N5. - С. 1116-1119.

24. Белкин, П. Н. Прохождение тока через парогазовую оболочку при анодном электролитном нагреве Текст. / П. Н. Белкин, В. И. Ганчар // Электронная обработка материалов. 1988. - №5. - С. 59-62.

25. Kellogg, H. H. Anode effect in the aqueous electrolyses Текст. / H. H. Kellogg // J. Electrochem. Soc. 1950. - v. 97. - No 4. - P. 133-142.

26. Лазаренко, Б. Р. Об особенностях электролитного нагрева при анодном процессе Текст. / Б. Р. Лазаренко, В. Н. Дураджи, А. А. Факторович, И. В. Брянцев // Электронная обработка материалов. 1974. - №3. - С. 37-40.

27. Ганчар, В. И. Анодное растворение железа в процессе электролитного нагрева Текст. / В. И. Ганчар, И. М. Згардан, А. И. Дикусар // Электронная обработка материалов. 1994. - №4. - С. 69-77.

28. Белихов, А. Б. Анодная цементация материалов на основе железа с целью повышения их износостойкости Текст.: автореф. дис.канд. техн. наук. / А. Б. Белихов. Кострома, 1999. - 15 с.

29. Ганчар, В. И. Вольт-амперные и вольт-температурные характеристики анодного электролитного нагрева Текст. / В. И. Ганчар, Э. Г. Дмитриев // Электронная обработка материалов. 1989. - № 2. - С. 23-25.

30. Белкин, П. Н. Тепловые потоки при нагреве анода в водных растворах Текст. / П. Н. Белкин, А. К. Товарков // Вестник КГУ им. H.A. Некрасова. -2001.-№3.-С. 8-12.

31. Белкин, П. Н. Влияние размеров анода на его температуру при нагреве электролитной плазмой Текст. /П. Н. Белкин // Электронная обработка материалов. 1976. - №2. - С. 40-42.

32. Исаченко, В. П. Теплопередача Текст. / В. П. Исаченко,

33. B. А. Осипова, А. С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. - С. 278.

34. Дьяков, И. Г. Особенности анодного нагрева при движении электролита в режиме свободной конвекции Текст. / И. Г. Дьяков,

35. C. Ю. Шадрин, П. Н. Белкин // Электронная обработка материалов. 2004. -№4.-С. 9-13.

36. Шадрин, С. Ю. Анодный нагрев в условиях естественной конвекции электролита Текст. / С. Ю. Шадрин, П. Н. Белкин // Вестник Воронежскогогосударственного технического университета. Сер. «Энергетика». 2004. -Вып. 7.4-С. 107-111.

37. Ясногородский, И. 3. Проводимость электролитных ванн Текст. / И. 3. Ясногородский // Автомобильная и тракторная промышленность. 1954. -№4. - С. 19-24.

38. Дураджи, В. Н. О регулировании распределения температуры образца при нагреве в электролитной плазме Текст. / В. Н. Дураджи, H.A. Полотебнова, А. К. Товарков // Электронная обработка материалов. -1981.-№4,-С. 40-42.

39. Дураджи, В. Н. Нагрев металлов в электролитной плазме Текст. / В. Н. Дураджи, А. С. Парсаданян. Кишинев: Штиинца, 1988. - 216 с.

40. Самсонов, Г. В. Некоторые особенности формирования покрытий в процессе реакционной диффузии Текст. / Г. В. Самсонов, Г. JI. Жунковский // Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Минск, 1974. - С. 3-11.

41. Ванин, В. С. Процессы в жидких средах при термообработке Текст./ В. С. Ванин // Электронная обработка материалов. 1975. - №1. - С. 53-55.

42. Cojocaru, M. The influence of superficial oxidation on the nitriding process Текст. / M. Cojocaru, D. Cojocaru, E. Florian // Metalurgia. 1984. - v.36. -N3. - P.150-153.

43. Eichorn, E. Versuche zur Aufkohlung mittels electrolytischer Erwarmung Текст./ E. Eichorn // Harterai-Technische-Mitteilungen. 1968. - vol. 23 . - n.2. -P. 110-115.

44. Иноуэ, К. Особенности цементации стали в разряде Текст. / К. Иноуэ, И. Сима // Нихон киндзоку гаккай си. 1969. - т. 33. - №7. - С. 755-760.

45. Дураджи, В. Н. Науглероживание стали в электролитной плазме при анодном процессе Текст. / В. Н. Дураджи, И. В. Брянцев, А. М. Мокрова, Т. С. Лаврова // Электронная обработка материалов. 1979. - №6. - С. 20-24.

46. Inoue, К. The characteristics of spark carburization Текст. / К. Inoue, Y. Shima // Trans. Iron and Steel Inst. Jap. 1970. - 10. - N5. - P. 360.

47. Белихов, А. Б. Особенности анодной цементации железографитов Текст. / А. Б. Белихов, П. Н. Белкин // Электронная обработка материалов. -1998.-№5-6.-С. 23-31.

48. Бошин, С. Н. Композиционные порошковые материалы Текст. / С. Н. Бошин, В. А. Гусев, Т. С. Шмаков, В. А. Манерцев. Кострома: изд-во КГТУ, 1995.-272 с.

49. Ванин? В. С. Цианирование стали с нагревом в электролите Текст. / В. С. Ванин, Г. А. Семенова // Металловедение и термическая обработка металлов, 1965.-№10.-С. 47-48.

50. Грдина, Ю. В. О некоторых особенностях азотирования в электролите Текст. / Ю. В. Грдина, Б. А. Бруслинский, Е. Е. Коглер // Известия вузов. Черная металлургия. 1968. №10. - С. 110.

51. Белкин, П. Н. Термическая и химико-термическая обработка сталей при нагреве в растворах электролитов Текст. / П. Н. Белкин,

52. Е. А. Пасинковский // Металловедение и термическая обработка металлов. -1989. -№5. -С.12-17

53. Пасинковский, Е. А. Азотирование сталей при анодном процессе электролитного нагрева Текст.: автореф. дис.канд. техн. наук / Е. А. Пасинковский. Москва, 1986. - 20 с.

54. Коваленко, В. С. Металлографические реактивы Текст.: справочник / В. С. Коваленко. М: Изд-во «Металлургия», 1970. - 133 с.

55. Теория теплообмена Текст. / под ред. А. И. Леонтьева. М., 1979. С.415.

56. Дьяков, И. Г. Толщина парогазовой оболочки при анодном нагреве вертикально погруженного цилиндра Текст. / И. Г. Дьяков, А. К. Товарков, П. Н. Белкин // Электронная обработка материалов. 2002. - №4 - С.43-49.

57. Мурас, В. С. Некоторые элементы процесса электролитного нагрева Текст. /В. С. Мурас // Сборник научных трудов. Минск, 1956. Вып. 3. - С. 87-104.

58. Теплотехника Текст. / под ред. В. Н. Луканина. М.: Высш. шк., 1999.-671 с.

59. Белкин, П. Н. О распределении температуры в стальном аноде при его нагреве электролитной плазмой Текст. / П. Н. Белкин, Е. А. Пасинковский, А. А. Факторович // Известия АН МССР, сер. физ.-техн. и мат. наук. 1977 -№1. - С. 82-84.

60. Белкин, П. H. Теплообмен между анодом и парогазовой оболочкой при электролитном нагреве Текст. / П. Н. Белкин, В. И. Ганчар, А. К. Товарков // Инженерно-физический журнал. 1986 - т. 51. - № 1. - С. 154-155.

61. Дьяков, И. Г. Особенности электрохимических реакций при анодном электролитном нагреве в однокомпонентных растворах Текст. / И. Г. Дьяков,

62. A. Р. Наумов // Современные электрохимические технологии в машиностроении: мат. V международного научно-практического семинара. -Иваново: ИГХТУ, 2005. С. 78-81.

63. Белихов, А. Б. Исследование старения растворов электролита для анодного нагрева Текст. / А. Б. Белихов, М. А. Михайленко // Вестник Костромского государственного университета имени Н. А. Некрасова. 2004. -№2.-С. 16-19.

64. Зайцев, В. А. Высокотемпературная коррозия малоуглеродистой стали в условиях электроплазменной обработки Текст. / В. А. Зайцев, А. М. Сухотин,

65. B. Г. Хорошайлов, Э. Реснер // Электронная обработка материалов. 1983. -№5.-56-58.

66. Шеленков, Г. M. Изготовление и эксплуатация оборудования из титана Текст. / Г. М. Шеленков, В. Е. Блащук, Р. К. Мелехов, О. Н. Романов,

67. C. Т. Вовк. Киев: Техшка, 1984. - 120 с.

68. Минкевич, А. Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов Текст. / А. Н. Минкевич. М.: Машиностроение, 1965.491 с.

69. Блащук, В. Е. Влияние электролитного азотирования на коррозионную стойкость технического титана ВТ1-0 Текст. / В. Е. Блащук, Н. М. Карета, Л. М. Оноприенко, П. Н. Белкин, Е. А. Пасинковский // Электронная обработка материалов. 1986. - № 3. - С. 20-22.

70. Белкин, П. Н. Исследование процесса анодной химико-термической обработки технического титана Текст. / П. Н. Белкин, А. М. Борисов,

71. B. Г. Востриков, И. Г. Дьяков, Е. А. Романовский, М. В. Серков // Быстрозакаленные материалы и покрытия: мат. 4-ой Всероссийской с международным участием научно-технической конференции. М.: МАТИ, 2005.-С. 107-110.

72. Ляхович, Л. С. ^ Борирование стали Текст. / Л. С. Ляхович, Л.Г. Ворошнин. М.: Металлургия, 1978. - 239 с.

73. Кузенков, С. Е. Борирование стали 45 в электролитной плазме Текст. / С. Е. Кузенков, Б. П. Саушкин // Электронная обработка материалов. 1996. -№ 4-6. - С. 24-28.

74. Мы, нижеподписавшиеся представители КГУ, КГТУ и СКБТМ составили настоящий акт о результатах НИР по повышению износостойкости нитепроводников из нержавеющей стали для льнопрядильных машин, изготавливаемых СКБТМ.

75. Применяющиеся проволочные нитепроводники из стали марки 12Х18Н9Т без дополнительной химико-термической обработки быстро изнашиваются, что приводит к повышению обрывности и необходимости замены нитепроводников.

76. Нами предложено производить упрочняющую химико-термичесую обработку рабочей поверхности нитепроводников методом анодного нагрева в среде электролита по технологии, разработанной в КГУ. ' • ■

77. Аспирантку Дьяков И.Г. Про<^ессор ^^^Гусев В.А. Полянский Ю.Б.Л

78. Аспирант ^О^ШадринС.Ю. Доцен^Т^^^^илой В.В. ьЛ^Л^