автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка процесса многофункциональной анодной обработки стальных изделий при нагреве в электролите

На правах рукописи

КУЗЕНКОВ Сергей Евгеньевич

АЗРАБОТКА ПРОЦЕССА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АНОДНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПРИ НАГРЕВЕ В ЭЛЕКТРОЛИТЕ

Специальность - 05.03.01. "Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛИПЕЦК - 1997

Работа выполнена на кафедре новых технологий Липецкого государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, професс(

Б. П. Саушкин, ЛГТУ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, професс!

И. А. Чечета, ВГТУ;

доктор технических наук, професс! Л.Б.Казаджан, НТЦ ЭС АСИЛМК'.'

Ведущая организация: Научно-исследовательский инстит;

автоматизированных средств прои: водства и контроля (г. Воронеж)

Защита состоится " 15 " октября 1997 г. в ¿V часов на заседай: диссертационного Совета Д 063.81.06 в Воронежском государствен» техническом университете по адресу: 394026, г. Воронеж, Московск: проспект, 14.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим вы лать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТУ.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., доцент

А.И.Болдыр

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В государственной научно-технической юграмме по машиностроению в качестве важнейшего направления вы-¡ляется коренное преобразование существующих принципов организа-[и производства на основе прорывных технологий и современного юрудования. Подчеркивается необходимость сохранять и развивать 1Укоемкие технологии, созданные на основе физических и химических )фектов. Одна из важнейших задач современного машиностроения -гтенсификация химико-термических процессов упрочнения - наиболее :пешно решается применением скоростных методов нагрева. Прогрес-[вные технологии диффузионного насыщения и термической обработки 1 основе лазерного, индукционного или плазменного нагрева наряду ) значительными достижениями имеют определенные ограничения и не-¡статки. К ним относятся трудности обработки деталей сложной фор-I, необходимость в ряде случаев предварительной подготовки по-фхности изделий, высокая стоимость оборудования. Ускорение тер-[ческого и химико-термического упрочнения с возможностью локаль->й обработки деталей, в том числе и сложной формы, может быть )стигнуто применением анодного нагрева в водных растворах элект-)литов. Однако нерешенной проблемой для этого способа остается шномерный и контролируемый нагрев изделий, недостаточно эффектны средства управления процессом, требует дальнейшего уточнения гханизм самого явления, в ряде случаев не систематизированы све-;ния об эксплуатационных свойствах упрочненных деталей. Недоста->чно сведений о возможности достижения наряду с упрочнением дру-IX технологических целей: полировки, обезжиривания, оксидирования т.д. Мало обоснованных рекомендаций по назначению параметров ре-[ма обработки и выбору состава электролитов.

Целью работы является исследование процесса многофункциональ->й анодной обработки при нагреве в электролите и разработка на ■■о основе высокоэффективных технологий, позволяющих повысить шплекс эксплуатационных свойств стальных изделий.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи ¡следования:

- уточнить механизм процесса анодного нагрева и его техноло-[ческие возможности;

- провести сравнительный анализ различных способов анодной шико-термической обработки стальных изделий и выявить перспек-шный процесс;

- изучить физико-механические свойства и эксплуатационные х рактеристики упрочненных слоев, оптимизировать параметры режи обработки;

- разработать и обосновать целесообразность применения техн логии многофункциональной химико-термической обработки стальн изделий в электролите.

Научная новизна. Уточнен механизм образования прианодной об лочки на основе локального разогрева электролита за счет внутре них объемных источников тепла при прохождении электрического ток позволяющий качественно описать влияние параметров процесса : температуру нагрева анода. Предложена модель процесса анодно электролитного нагрева, учитывающая влияние физико-химическ: свойств электролита, напряжения и формы электродов на электриче кое поле в электролитической ячейке, толщину парогазовой оболоч: и температурное поле цилиндрического анода. Подтверждена гипоте об аналогии процессов анодного нагрева и пленочного кипения с Л' кализацией источников тепла в парогазовой пленке.

Показано, что интенсификация диффузионного насыщения п] электролитном нагреве обусловлена как быстрым достижением стаци> нарного состояния за счет высокой скорости разогрева, так и во: никновением дислокаций, вакансий и других дефектов кристалличесю решетки вследствие бомбардировки поверхности ионами в электриче! ком разряде.

Установлены закономерности изменения фазового состава упро1 ненных слоев стали 45 после проведения различных видов химико-те] мической обработки (ХТО) при анодном электролитном нагреве, позв( ляющие определить требуемую продолжительность и температуру обр; ботки. Подтверждена роль кислорода в проведении химико-термичесю обработки при анодном нагреве в водных растворах, заключающаяся образовании поверхностного оксидного слоя толщиной 2*3 мкм б( диффузии в обрабатываемую деталь.

Практическая значимость. Установлено, что при химико-терм] ческой обработке сталей наибольшая микротвердость, износостойкое и наименьший коэффициент трения в сочетании с достаточной шерох( ватостью поверхности достигаются электролитным борированием щ напряжении на ванне 225 В (что соответствует температуре ано; 1250°С) и времени обработки 700 + 900 с. Обработка по такому реж! му позволяет увеличить микротвердость поверхности и срок служ( деталей в 2 +■ 5 раз по сравнению со стандартной термообработкой.

Разработаны технологические рекомендации по проектированию эхнологических процессов анодной многофункциональной химико-тер-«еской обработки в электролите стальных изделий, обеспечивающие эхнико-экономический эффект.

Предложен технологический процесс анодной многофункциональной ■шико-термической обработки в электролите спиральных быстрорежу-IX сверл диаметром до 8 мм. Разработанная технология анодной мно-зфункциональной химико-термической обработки в электролите позво-^ет проводить за одну операцию: упрочнение стальных деталей бори-званием с последующей закалкой, оксидирование и полировку дета-

5Й.

Достоверность результатов достигалась использованием теорети-эски обоснованных и проверенных практикой методов исследований; эриодической проверкой результатов и проверкой приборов и аппараты соответствующими службами; проведением эталонных измерений.

Научные положения и практические рекомендации по работе подт-эрждены:

- проведением независимых экспериментальных методов измерений;

- использованием методов математической статистики при обра-этке экспериментальных данных;

- опытно-промышленными испытаниями предложенных технологичес-лх процессов.

Положения, выносимые на защиту: . Закономерности формирования упрочненных слоев при анодной хими-э-термической обработке, влияния структурно-фазового состава на -ссплуатационные свойства.

. Модель процесса анодного электролитного нагрева, включающая в эбя расчет электрического поля в электролитической ячейке, толщи-л парогазовой оболочки и температурного поля цилиндрического ано-1.

. Обоснование многофункционального процесса химико-термической Эработки стальных изделий в электролите, обеспечивающего упрочне-1е поверхностного слоя, полировку поверхности и образование на эй оксидной пленки.

. Эффективный тезйологический процесс скоростного химико-терми-эского упрочнения 'деталей машин, инструментов и технологической знастки.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрен в виде технологических процессов на АОЗТ "Липчанка" и АО "ЛТЗ" Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной ра боты составил 13,86 млн. р. в год (в ценах I квартала 1996 г.).

Социальный эффект выражается в снижении вредных произволе твенных факторов, улучшении условий труда и повышении культур производства.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационно работы докладывались на Международной конференции "Лазерные физико-технические методы обработки материалов", Крым, Украин (1995 г.); III Российско-китайском симпозиуме "Передовые материал и процессы", Калуга (1995 г.); 1-й и 2-й научно-технических конфе ренциях молодых ученых Липецкой области "Проблемы экологии и эко логической безопасности", Липецк (1996,1997 гг.); Российской науч но-технической конференции "Теория и технология электрохимическо обработки", Уфа (1996 г.); Международной научно-технической конфе ренции "Прогрессивные методы получения и обработки материалов покрытий, повышающих долговечность деталей машин", Волгогра (1996 г.); Всероссийской научно-технической конференции, посвящен ной 40-летию Липецкого государственного технического университета Липецк (1996г.); Всероссийской научно-технической конференци "Современная электротехнология в машиностроении", Тула (1997 г.) Международном научно-техническом конгрессе "Машиностроительны технологии", Болгария (1997 г.); I Международной научно-техничес кой конференции "Актуальные проблемы химии и химической техноло гии. Химия '97", Иваново (1997 г.); Всероссийской научно-техничес кой конференции "Материалы и упрочняющие технологии", Курс (1997 г.).

Работа в целом докладывалась и обсуждалась на научных семина рах кафедры новых технологий ЛГТУ.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 пе чатных работ ( 5 статей и 10 тезисов докладов).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит и введения, шести глав, общих выводов и 9 приложений, изложена н 210 страницах и содержит 145 с. машинописного текста, 60 рисунков 17 таблиц, библиографический список из 131 наименования.

Работа выполнялась с 1994 по 1997 гг. в соответствии с плано; научно-исследовательских работ Липецкого государственного техни ческого университета, по гранту ЮЗг (договор №9492) и договору

1учно-техническом сотрудничестве между АО "Завод холодильников ГИНОЛ" и кафедрой новых технологий ЛГТУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ состояния вопроса и сформули-)ваны задачи исследования.

Проанализированы основные тенденции совершенствования техно-)гии химико-термической обработки стальных изделий и пути ее ин-знсификации. Отмечено, что одним из направлений ускорения терми-зского и химико-термического упрочнения с возможностью локальной 5работки деталей, в том числе и сложной формы, является примене-ш анодного нагрева в водных растворах электролитов. Характерные ы него скорости нагрева деталей позволяют сочетать достоинства >нной и индукционной обработок: возможность регулирования и ста-шизации температуры с высокими скоростями насыщения. Процесс ре-шзуется на дешевом и компактном оборудовании.

Рассмотрены существующие теоретические представления о на-шьной стадии процесса и механизме нагрева в растворах электроли-)в и отмечено влияние ионного состава электролита и его молеку-фных свойств на достижение режима нагрева. Сделан вывод об от-тствии единого взгляда на причины образования приэлэктродной юлочки и механизм нагрева электрода. Многие из предложенных мо-¡лей процесса разогрева активного электрода носят теоретический фактер и нуждаются в подтверждении и уточнении.

Рассмотрены способы реализации химико-термической обработки в [ектролите и применяемое оборудование, охарактеризованы основные травления их развития и совершенствования. Отмечено, что для ка-|Дного процесса нагрева характерна эрозия поверхности обрабатыва-гай детали, затруднено регулирование температуры в области Ю...800° С, имеется опасность оплавления кромок. Анодный нагрев [годно отличается от катодного отсутствием эрозии и невозмож-стью оплавления детали. Однако, как и для катодного процесса, :я него остается проблемой равномерный нагрев деталей по их по-рхности. Предлагаемые методы экранирования, подбора электролитов применения- дополнительных воздействий не привели к решению проб-мы скоростной обработки деталей сложной формы. Причиной этого илось отсутствие единых представлений о самом-явлении, об уело-

виях возникновения и существования анодного нагрева и специфика его использования для химико-термической обработки. Не до конце исследовано влияние параметров процесса на распределение температуры в нагреваемой детали. Такое положение не позволяет прогнозировать и оптимизировать режимы обработки, создавать технологические процессы и необходимое оборудование. Ограничены и отрывочш сведения о механических и других эксплуатационных характеристика: обработанных деталей, тогда как для обоснованного выбора режимо1 необходимо именно комплексное изучение их свойств. Недостаточно! внимание уделено изучению процесса диффузионного насыщения стале] при электролитном нагреве соединениями бора. Большинство опубликованных работ оставляет вне рассмотрения практически важный вопро! о многофункциональном использовании электролитного нагрева для решения нескольких технологических задач.

На основании проведенного анализа в соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:

- уточнить механизм процесса анодного нагрева и его технологические возможности;

- провести сравнительный анализ различных способов анодно: химико-термической обработки стальных изделий и выявить перепек тивный процесс;

- изучить физико-механические свойства и эксплуатационные ха рактеристики упрочненных слоев, оптимизировать параметры режим обработки;

- разработать и обосновать целесообразность применения техно логии многофункциональной химико-термической обработки стальны изделий (МХТО) в электролите.

Во второй главе приведены частные методики поисковых и экспе риментальных исследований.

1. Исследуемые материалы и рабочие среды (табл. 1), подходящи для целей ХТО, выбирались по результатам анализа известных экспе риментальных работ и теоретических представлений о процессе ХТО электролите.

2. Исследование реального электролитного нагрева проводилось н опытно-промышленной установке УХТ0-5Б.

3. С целью моделирования процесса ХТО в электролите методом ион ной имплантации осуществлялась имплантация ионов бора на высоко вольтном ионном технологическом ускорителе ВИТУС-0.7 с энергие 40 кэВ до доз 5•1016 и 5•1017 см"2.

4. Металлографические исследования проводились по известной ме-щике с использованием светового микроскопа "Ер1яиапГ'. Рентге->вские исследования проводились на дифрактометре ДРОН-4.07 с ис->льзованием трубки с анодом из Мо.

5. Поиск наилучших параметров режима ХТО в электролите для повысил эксплуатационных характеристик стальных деталей осуществлял-I путем векторной оптимизации методом скалярной СЕертки по глав-)му показателю - износостойкости (И).

6. Измерение микротвердости поверхностных слоев сталей после ХТО электролите проводили по стандартной методике. Испытания на из->с проводились по схеме сухого торцевого трения "палец - диск" на сспериментальной установке. В качестве контртела использовался [ск из стали 45, закаленной до НЕС 52...54. Средняя скорость :ольжения составляла 15 м/мин (0,25 м/с), нормальная нагрузка ютавляла 1 МПа. В процессе испытаний непрерывно определялся ко-зфициент трения. Интенсивность изнашивания определялась изменени-! массы образцов при испытаниях через каждые 100 м пути трения, ¡мерения массы проводились на аналитических весах типа АДВ-200М с )ЧНОСтью 0,05 мг. Величина износостойкости (И) определялась как ¡ратная величина изменения массы образца в процессе трения. Шеро-¡ватость обработанных поверхностей изучалась с помощью профило-гтра типа А1 модель 252.

7. Исследование кинетики анодного растворения выбранных материа->в осуществлялось на лабораторной установке (метод вращающегося [скового электрода) с использованием электрохимической ячейки с оделенными электродными пространствами. Поляризационные измере-[я проводились с использованием потенциостата ПИ-50-1.1 с прог-шатором ПР-8 и регистрирующим прибором ПДА-1. Потенциал анода ¡меряли относительно насыщенного хлорсеребряного электрода срав-!ния через электролитический мостик с помощью капилляра Лугги--Габера, заполненного исследуемым раствором. Выход по току и [ектрохимический эквивалент определяли по стандартной методике.

8. Оценка точности измерений производилась путем статистической ^работки многократно повторенных измерений для каждой группы экс-¡риментов.

В третьей главе проводится теоретический анализ процесса [одного электролитного нагрева и выявляются его технологические |зможности применительно к ХТО стальных изделий.

Таблица

Составы водных растворов электролитов для анодной ХТО

Способ ХТО Назначение Состав

Азотирование Повышение твердости, износостойкости, предела усталости и коррозионной стойкости 45% МОг

Цементация Повышение твердости, предела прочности, износостойкости и предела усталости 15% С3Н5(ОН)з + 5% На2С03

Борирование Повышение твердости, теплостойкости, износостойкости и коррозионной стойкости 3% Ыа2В407 + 10% ИаОН

Нитроцементация Повышение твердости, предела прочности и износостойкости 15% С3Н5(ОН)з + 45% ЫаНОг

Нитроборирование Повышение твердости и коррозионной стойкости 3% Ка2В407 + 45% МШ2

Бороцементация ■ Повышение твердости, износостойкости 15% С3Н5(ОН)з + 3% Ма2В407 + 10% МОЙ

Нитробороцемен-тация Повышение твердости и коррозионной стойкости ■ 15% С3Н5(ОН)з + 3% Г1а2Вд07 + 45% МИ52

Рис. 1. Расчетное распределение температуры по радиусу анода в зависимости от времени обработки при напряжении на электродах и = 250 В

Получены вольт-амперные и вольт-температурные характеристики роцесса анодного электролитного нагрева в различных рабочих сре-;ах, на основе которых уточнен механизм образования прианодной па-югазовой оболочки. Установлено, что переход от фазы коммутацион-:ых явлений к фазе нагрева металла в электролитной плазме происхо-;ит в исследуемых электролитах при напряжении на электродах .0. ..60 В и плотности тока - 1 А/см2.

Предложена модель процесса анодного электролитного нагрева, читывающая влияние физико-химических свойств электролита, напря-:ения и формы электродов на электрическое поле в электролитической чейке, толщину парогазовой оболочки и температурное поле цилинд-ического анода. Выполнены количественные оценки толщины парогазо-ой оболочки (~ 10 мкм) и температуры нагрева (рис. 1) детали ци-индрической формы в водном растворе, содержащем 10% ИаОН и 3% а2В407.

Подтверждена гипотеза об аналогии процессов анодного нагрева пленочного кипения с локализацией источников тепла в парогазовой ленке. Теоретическое описание влияния приложенного напряжения на агрев стержня тепловыми потоками постоянной плотности качественно одтверждает экспериментальные зависимости.

Установлено, что достигаемый при анодном электролитном нагре-е диапазон температур (300...1300°С) позволяет производить все иды термической и химико-термической обработки малоразмерных де-алей сложной формы.

В четвертой главе приводятся результаты сравнительного анали-а различных способов анодной ХТО стальных изделий на основе экс-ериментальных данных с целью выявления перспективного процесса.

Установлено, что интенсификация диффузионного насыщения при нодном электролитном нагреве обусловлена как быстрым достижением тационарного состояния за счет высокой скорости разогрева, так и озникновением дислокаций, вакансий и других дефектов кристалли-еской решетки вследствие бомбардировки поверхности анода ионами в лектрическом разряде. Это позволило выявить перспективный процесс нодной ХТО в электролите сталей - борирование, изучить физико-ме-анические свойства и эксплуатационные характеристики упрочненных лоев, оптимизировать параметры режима обработки и предложить лектролитные композиции оптимального состава.