автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Совершенствование анодной термической обработки на основе повышения однородности нагрева с помощью распределенного обтекания изделия раствором электролита

На правах рукописи

Комаров Артем Олегович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АНОДНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ ОДНОРОДНОСТИ НАГРЕВА С ПОМОЩЬЮ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ОБТЕКАНИЯ ИЗДЕЛИЯ РАСТВОРОМ ЭЛЕКТРОЛИТА

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и

сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЙ 2012

Рыбинск-2012

005018761

005018761

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Костромской государственный университет имени Н. А. Некрасова»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Белкин Павел Николаевич. Официальные оппоненты:

Эпельфельд Андрей Валериевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ» — Российский государственный технический университет имени К. Э. Циолковского», профессор кафедры «Технология обработки материалов потоками высоких энергий»;

Епархин Олег Модестович, доктор технических наук, профессор, Ярославский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения», директор филиала.

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Сатурн», г. Рыбинск.

Защита состоится 16 мая 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.03 в федеральном государственном бюджетном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинском государственном авиационном техническом университете имени П.А.Соловьева по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина 53, ауд. Г. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образования Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева.

Автореферат разослан 13 апреля 2012 г. Ученый секретарь ,

диссертационного совета ¿¿й"Каляева Надежда Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертации. Электрохимико-термическая обработка является перспективным методом скоростной модификации металлов и сплавов путем изменения их химического состава, структуры и свойств в поверхностном слое, о чем свидетельствует заметный рост публикаций в отечественной и зарубежной печати. Определенное распространение получил анодный вариант термической или химико-термической обработки, позволяющий легко регулировать температуру нагрева и избежать действия электрических разрядов, ухудшающих шероховатость поверхности.

Недостатком процесса является неоднородность нагрева погружаемого в раствор электролита изделия, выражающаяся в наличии вертикального градиента температуры. Это приводит к неравномерному распределению твердости или иных свойств по рабочей поверхности или объему изделия. В опытно-промышленных установках анодного нагрева типа УХТО или АТО используют сосредоточенное продольное обтекание детали раствором электролита, подаваемым через осевое отверстие рабочей камеры. С увеличением длины обрабатываемых деталей метод продольного сосредоточенного обтекания становится непригодным, т. к. перепад температур на противоположных концах изделия может достигать 250-300 °С.

В данной работе разработан метод анодной термической обработки в цилиндрической рабочей камере, предусматривающий подачу раствора через группу отверстий на дне камеры, что позволяет ослабить интенсивное воздействие охлажденного потока на нижний конец изделия и усилить его влияние на верхние участки. Предлагаемая схема позволяет снизить перепад температур на различных участках изделия до 30-60 °С.

Настоящая работа выполнена в рамках тематического плана НИР ФГБОУ В ПО КГУ им. Н. А. Некрасова «Управление характеристиками электрохимико-термического упрочнения металлов и сплавов изменением гидродинамических условий анодного нагрева» (2010-2011 гг.), номера госрегистрации отчетов 02201156664 и 01201064394.

Цель работы - повышение однородности свойств поверхности изделия после анодной термической или химико-термической обработки выравниванием температуры по поверхности и объему изделия.

Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

- Выполнить сравнительный анализ известных методов выравнивания распределения температуры по поверхности изделий, подвергаемых термической обработке.

- Выявить причины недостаточно равномерной термической обработки цилиндрических изделий при использовании известных рабочих камер.

- Изучить распределение температуры и закалочной твердости но длине упрочняемой детали и другие особенности нагрева стальных изделий в условиях сосредоточенного продольного обтекания при полном погружении в раствор электролита.

- Разработать конструкцию рабочей камеры, позволяющей повысить однородность термообработки в сравнении с известными схемами.

- Изучить особенности нагрева в модернизированной рабочей камере и сравнить результаты закалки и цементации с данными, полученными для условий продольного сосредоточенного обтекания.

- Изучить возможность снижения затрат энергии изменением составов электролитов для закалки и цементации стальных изделий.

- Разработать технологию равномерной закалки колонок и фиксаторов пресс-форм.

Защищаемые положения:

- Метод управления температурой нагреваемой детали путем локального охлаждения электролита в прианодной зоне с помощью продольного распределенного обтекания.

- Устройство для формирования распределенного продольного обтекания изделия электролитом, обеспечивающее реализацию равномерной термической обработки цилиндрических изделий.

- Технологический процесс термообработки изделий при их продольном осевом обтекании электролитом, позволяющий снизить вертикальный градиент температуры до 1-2 °С/мм с достижением равномерного распределения твердости по поверхности и снижением риска образования закалочных трещин.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- Установлено, что основной причиной неравномерности термической обработки является замедленное удаление перегретого рабочего электролита вблизи упрочняемого изделия, характерное для применяемых рабочих камер в известных опытно-промышленных и лабораторных установках. Показано, что локальное охлаждение температуры раствора электролита более эффективно

уменьшает толщину парогазовой оболочки, определяющей местную температуру изделия по сравнению с ее динамическим сжатием радиальными струями.

- Доказано, что равномерность термической обработки повышается при продольном распределенном обтекании цилиндрического изделия электролитом, которое обеспечивает более оперативное охлаждение перегретого раствора, чем его отвод дополнительными устройствами.

- Обнаружены локальные максимумы температуры на поверхности изделия, подвергаемого термообработке в условиях распределенного обтекания электролитом, которые объясняются местным утонением парогазовой оболочки и связанным с этим увеличением локальной плотности тока и теплового потока. Выявлена количественная взаимосвязь между координатами локальных максимумов температуры, размерами упрочняемого изделия и параметрами устройства, формирующего продольные струи электролита.

- Определены допустимые интервалы размеров устройства, обеспечивающего реализацию равномерной термической обработки цилиндрических изделий с помощью распределенного продольного обтекания.

Практическая значимость:

- Предложен метод управления распределением температуры и твердости по поверхности детали, позволяющий улучшить качество упрочнения выравниванием нагрева с помощью распределенного продольного обтекания

- Разработана конструкция рабочей камеры, позволяющая улучшить распределение температуры по поверхности и объему нагреваемых изделий и их эксплуатационные свойства.

Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректным применением положений теории анодного нагрева, статистической обработкой экспериментальных данных и подтверждается высокой воспроизводимостью результатов при экспериментальном исследовании вольт-температурных и вольтамперных зависимостей, соответствием полученных результатов ранее опубликованным данным, а также положительным результатом практической реализации предлагаемой технологии.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в Костромском государственном университете им. Н. А. Некрасова на семинарах кафедры общей физики; на международной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2008); на 8-ой Всероссийской с международным участием конференции

«Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2009); на II международной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2010); на международном симпозиуме «Электрические методы обработки материалов» (Кишинев, 2010), на XVIII международной конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2011).

Реализация результатов. Предложенная методика нагрева в условиях продольного распределенного обтекания успешно применена для обработки партии деталей штамповой оснастки и внедрена в производство Костромского инструментального завода (г. Кострома).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 статья в центральном журнале, 1 статья в международном журнале и 7 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка использованных источников (84 наименования) и приложения, содержит 139 страниц, 23 таблицы, 59 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, изложены основные положения, определяющие научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе рассмотрены процессы электрохимико-термической обработки металлов и сплавов. Показана возможность эффективной цементации малоуглеродистых сталей (Дураджи В. Н, Белкин П. Н., Таракчи М.), азотирования (Петрова Л.Г., Рой А., Ни X.), борирования (Бейяр Н.) и др. Выполнен сравнительный анализ известных методов выравнивания температуры изделия, подвергаемого термической или химико-термической обработке. Установлено, что, по мнению большинства авторов, причиной неравномерности термической обработки является расширение парогазовой оболочки, которое приводит к неоднородному нагреву изделий. Описаны устройства для электротермической или электрохимико-термической обработки, в которых нагрев ведется в условиях естественной конвекции электролита (Сенгупта С. К., Рой А., Ни X., Ми-зуно Т.). Показано, что такие условия не обеспечивают должной воспроизводимости результатов и могут применяться только для исследования небольших образцов или упрочнения малоразмерных изделий с помощью экранов (И. 3. Ясногородский) или охлаждения электролита непосредственно в рабочей каме-

ре (Шадрин С. Ю.). Разработаны и внедрены в практику более совершенные опытно-промышленные установки, например, УХТО или ATO с контролируемой гидродинамикой в рабочей камере, где реализовано продольное обтекание изделий с регулируемыми скоростями течения электролита (Ясногородский И. 3., Белкин П. Н., Таракчи М.). Предложена подача электролита через перфорированные экраны, что позволяет выполнять равномерную закалку небольшого участка. Этот способ разработан для локальной закалки стальных изделий (Тюрин Ю. Н.) или очистки изделия с последующим нанесением покрытий (Меле-тис Е. И.).

Показана возможность управления распределением температуры по поверхности изделия, подвергаемого термообработки, и снижением градиента температуры подачей радиальных потоков электролита на верхний участок изделия (Дураджи В. Н.), совмещением радиальных потоков электролита с вертикальными (Велихов А. Б.) или отводом перегретого электролита с помощью дополнительного устройства (Дьяков И. Г.). Эти приемы подтвердили принципиальную возможность управления температурой термообработки с помощью контролируемой гидродинамики, но не позволили снизить вертикальный градиент температуры до величин менее 5°С/мм.

На основании проведенного анализа сформулированы цель исследования и основные задачи для решения проблемы неравномерного разогрева изделий в вертикальном направлении.

Вторая глава посвящена описанию методики эксперимента и оборудованию, которое использовано при изучении особенностей термической обработки при анодном нагреве. Описано устройство установки для реализации анодного электролитного нагрева и принцип ее работы. Предложена новая конструкция рабочей камеры для термической и химико-термической обработки изделий погружаемых в раствор электролита, предусматривающая распределенное обтекание раствором. Указаны используемые в работе образцы и материалы, а также методы измерения температуры нагреваемых образцов, анализа их структуры после термической или химико-термической обработки и методы измерения их механических свойств.

Третья глава посвящена особенностям термической обработки цилиндрических изделий, полностью погружаемых в раствор электролита с продольным сосредоточенным обтеканием, когда раствор подается через одно осевое отверстие в дне рабочей камеры. Установлено влияние напряжения, скорости раствора и размеров образца на среднюю температуру нагрева и ее распределе-

ние вдоль оси образца. Средняя температура образца зависит от величины напряжения и имеет максимум 1050°С при напряжении 260 В. Рост средней температуры приводит к увеличению неоднородности нагрева, максимальный перепад температуры увеличивается с 240 °С до 380 °С при росте напряжения со 130 В до 260 В (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики условий термической обработки образцов при их сосредоточенном обтекании. Расход раствора 6,5 л/мин.

Напряжение, В Средний градиент температуры, °С/мм Среднее квадратичное отклонение температуры от ее среднего значения, °С Средняя температура, °С

130 6 57 790

150 7 56 830

170 8 71 890

200 9 78 970

260 10 83 1050

300 8 67 1010

Увеличение скорости обтекания приводит к росту средней температуры и благоприятно отражается на ее распределении, снижая средний градиент вдоль образца, однако в изученных пределах это влияние невелико. Возрастание средней температуры обусловлено увеличением интенсивности теплообмена между парогазовой оболочкой и раствором с ростом скорости движения раствора в прианодной зоне. Это приводит к утонению парогазовой оболочки, снижению ее сопротивления с увеличением выделяемой в ней мощности. Снижение градиента температуры при этом обусловлено увеличением скорости удаления перегретого раствора из верхней части прианодной зоны.

Увеличение диаметра образца приводит к снижению средней температуры (табл. 2) из-за перераспределения тепловых потоков, т. к. мощность источников, приходящаяся на единицу объема оболочки, с ростом диаметра образца увеличивается медленно. Поверхность же раздела пар — раствор быстро растет с увеличением диаметра образца, обеспечивая повышение интенсивности теплообмена между парогазовой оболочкой и раствором. Градиент температуры

Таблица 2

Характеристики условий термической обработки образцов при их сосредоточенном обтекании. Напряжение нагрева 200 В. Расход раствора 6,5 л/мин

Диаметр образца, мм Средний градиент температуры, °С/мм Среднее квадратичное отклонение температуры от ее среднего значения, °С Средняя температура, °С

10 9 78 970

20 6 59 860

30 6 53 790

снижается с ростом диаметра образца, т. к. сечение образца увеличивается, обеспечивая больший тепловой поток из нижней части образца в верхнюю. Температура раствора электролита существенно влияет на толщину парогазовой оболочки, которая определяет локальную плотность тока, ввод тепла в систему и температуру нагреваемой детали.

Установлено, что в изученных пределах в рабочей камере с осевым продольным обтеканием невозможно получить разность температур на противоположных концах детали ниже 200 °С. Это делает метод сосредоточенного обтекания непригодным для обработки де-т< °с талей длиной 40 и более миллиметров,

т.к. результат обработки существенно зависит от температуры нагрева.

Четвертая глава посвящена изучению особенностей термической обработки в усовершенствованной рабочей камере с продольным распределенным обтеканием раствором электролита. В этом случае раствор подается через группу отверстий (4 или 6) в горизонтальной перегородке, с возможностью ее перемещения в вертикальном направлении для изменения

950 925 900 875 850 825

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 г, мм

Рис. 1. Распределение температуры вдоль оси образца диаметром 10 мм. Расход раствора 6,1 л/мин. Напряжете нагрева 200 В. Расстояние от осей потоков до оси образца 1 - 19 мм, 2- 16 мм, 3-13 мм, 4- 10 мм

расстояния до нагреваемого изделия. Установлено влияние напряжения, скорости подачи раствора и размеров образца на среднюю температуру нагрева и на распределение температур вдоль оси образца. Удаление отверстий, т. е. потоков раствора электролита от оси рабочей камеры оказалось наиболее существенным фактором, определяющим распределение температуры по поверхности нагреваемого образца (рис. 1). Изменение расстояния от продольных потоков до образца приводит к смещению положения максимума на кривой зависимости температуры от вертикальной координаты. Появление максимума означает наличие дополнительного источника тепла, связанного с локальным утонением парогазовой оболочки и соответствующим ростом тока.

Положение максимума влияет на распределение температуры. Наиболее равномерный нагрев наблюдается при появлении максимума в верхней половине нагреваемого изделия (табл. 3).

Таблица 3

Характеристики условий термической обработки при распределенном

обтекании образцов. Расход раствора 6,1 л/мин. Напряжение нагрева 200В

Расстояние от осей потоков до оси образца, мм Средний градиент температуры, °С/мм Среднее квадратичное отклонение температуры от ее среднего значения,, °С Средняя температура, °С

10 2 13 930

13 1 8 900

16 1 14 890

19 2 28 860

Согласно экспериментальным данным координаты максимума температуры термической обработки зависят от расстояния между осями потоков и образца следующим образом:

гив=2,43(г-|-|) + 15,2-А, (1)

где гтах - координата локального максимума температуры, мм; г - расстояние от осей потоков раствора до оси образца, мм; £> - диаметр образца, мм; й -диаметр отверстия, формирующего потоки раствора, мм; А - расстояние от плоскости отверстий до нижнего конца образца, мм.

и

Из экспериментальных данных следует, что для реализации наиболее равномерного нагрева координата локального максимума должна лежать в третьей четверти образца. Соответствующее условие имеет вид

где / -длинаобразца, мм.

Указанные соотношения определяют взаимосвязь между конфигурацией отверстий, формирующих потоки электролита, и размерами цилиндрических деталей, что позволяет выравнивать распределение температуры нагрева по поверхности изделий. Кроме того, для достижения результата необходимо обеспечить достаточно высокую скорость подачи электролита.

Оптимальное расстояние от осей потоков раствора электролита до оси образца зависит от его размеров и параметров рабочей камеры. Из анализа экспериментальных данных установлена количественная связь между оптимальным расстоянием от оси образца до оси отверстия, размерами образца и расстоянием от плоскости отверстий до нижнего конца образца. Рациональный диапазон расстояний от осей потоков до оси образца удовлетворяет следующему условию:

0,21 •/ - 6,26 + 0,41-/7 + 0,5 • (£> + < г < 0,31 • 1 - 6,26 + 0,41 • И + 0,5 • (!) + (3) Показано, что при оптимальных параметрах рабочей камеры удается снизить градиент температуры до 1-2 °С/мм.

Пятая глава посвящена изучению структуры и свойств обработанных образцов, как в условиях сосредоточенного обтекания, так и в условиях распределенного обтекания. Применение распределенного обтекания позволяет существенно улучшить распределение твердости после закалки по сравнению с аналогом. Образцы из стали 45, закаленные в условиях сосредоточенного обтекания, имеют пониженную твердость в верхней части из-за недогрева (рис. 2), в условиях распределенного обтекания закалка приводит к более равномерному распределению твердости. Распределенное обтекание позволяет избежать образования закалочных трещин у образцов из стали У8А. Трещины возникают при закалке в случае сосредоточенного обтекания из-за высокой температуры нагрева нижнего конца и принудительного охлаждения его потоком раствора при закалке, что способствует слишком высокой скорости охлаждения. Приме-

няс 55

50

45

40

35

30

25

г/, мм 250 т

200

¡150

100

50

0

О

10 20 30 40 50 60 г, мм

10 20 30 40 50 60 Г, мм

Рис. 2. Распределение твердости по поверх- Рис. 3. Распределение толщины перлитной

ности образца из стали 45 квадратного сече- зоны вдоль цементованного образца из сга-

ния 10x10 мм и длиной 55 мм, закаленного в ли 20 диаметром 10 мм и длиной 60 мм. На-

10%-ом растворе хлорида аммония. Напря- пряжение 275 В. Выдержка 5 мин с охлаж-

жение нагрева 260 В. 1 - сосредоточенное дением на воздухе. 1 - сосредоточенное об-

обтекание, расход раствора 6,5 л/мин, 2 - текание, 2 - распределенное обтекание, рас-

распределенное обтекание, расстояние от оси стояние от оси отверстия до оси образца 19

отверстия до оси образца 19 мм, расход рас- мм. Раствор хлорида аммония с глицерином,

твора 6,1 л/мин подача электролита 6 л/мин

нение распределенного обтекания позволяет повысить равномерность распределения толщины цементованного слоя по поверхности деталей, которые насыщаются углеродом в растворе с глицерином (рис. 3).

Максимальная разность толщины перлитного слоя после пятиминутного нагрева в растворе с глицерином снижается с 200 мкм до 70 мкм. Получаемые микроструктуры после цементации с последующим охлаждением на воздухе приведены на рис. 4 и рис. 5. Поверхностный слой состоит из перлита, далее следует переходная ферритно-перлитная зона, еще глубже лежит исходная структура стали 20. Сравнение микроструктур показывает измельчение зерен в

Рис. 4. Микроструктура цементованного слоя Рис. 5. Микроструктура сердцевины образца образца из стали 20 из стали 20

поверхностном слое, характерное для аустенитизации при скоростном нагреве.

Изучено влияние цементации с последующей закалкой в растворе с глицерином на прочностные характеристики пропорциональных образцов из стали 20 при их испытаниях на растяжение. Показано, что предел прочности возрастает в 3 раза по сравнению с необработанными образцами. При этом относительное удлинение снижается в 5,5 раз (табл.4). Зависимость от времени и температуры выдержки не выявлена из-за малой разницы в толщине мартенситно-го слоя не более 100 мкм.

Таблица 4

Результаты испытаний пропорциональных образцов из стали 20 на растяжение после цементации с последующей закалкой в растворе с глицерином

Цементованные образцы Контрольные образцы

Условный предел прочности, МПа 1210±50 360±20

Относительное удлинение, % 2,8±0,2 15,8±0,2

Результаты работы использованы при закалке колонок и фиксаторов пресс-форм, выпускаемых ЗАО «Костромской инструментальный завод-ЛТД» (г. Кострома). Данное предприятие выпускает продукцию небольшими партиями. В связи с этим оборудование термического участка цеха используется нерегулярно. Закалочные печи часто разогреваются из холодного состояния, что увеличивает затраты времени и энергии на процесс термической обработки. Колонки и фиксаторы изготавливаются из стали У8А и требуют закалки с последующим отпуском для получения твердости поверхности 50-55 НЯС. Применение анодного нагрева позволяет снизить временные и энергетические затраты в условиях работы завода. Предложенная схема обтекания обеспечивает равномерное распределение твердости после закалки без образования закалочных трещин. С учетом полученных результатов и размеров изделий были выбраны следующие параметры рабочей камеры. Расстояние от перегородки с отверстиями в ячейке до нижнего конца изделия составляло 5 мм. Расстояние от осей отверстий до оси изделия равнялось 10 мм для фиксатора и 19 мм для колонок. Нагрев осуществлялся в растворе хлорида аммония (10%). Технологический процесс упрочнения предусматривал проведение следующих операций:

1) закрепление изделия в держателе;

2) подача на изделие напряжения 260 В;

3) погружение в электролит со скоростью 1,5 мм/с;

4) выдержка для нагрева изделия 30 с;

5) снижение напряжения до 200 В (колонки) или 170 В (фиксаторы);

6) выдержка 15 с для стабилизации температуры;

7) отключение напряжения (закалка в электролите);

8) подъем изделий из электролита;

9) промывка изделий водопроводной водой и сушка;

10) отпуск при 350 °С в течение 2 часов.

Данная технология успешно внедрена на Костромском инструментальном заводе. Она позволила снизить затраты времени при нагреве под закалку с 60 до 1 минуты при снижении затрат энергии на 30%.

В шестой главе рассмотрена возможность уменьшения затрат энергии при реализации анодной термической обработки надлежащей коррекцией состава электролита. Установлено, что при добавлении изоамилового спирта в водный раствор хлорида аммония плотность тока может быть снижена на 30% (рис. 6) без существенного снижения температуры нагрева под закалку или диффузионное насыщение (рис. 7). Еще меньшее значение плотности тока достигается в растворе с глицерином. Дополнительное присутствие в этом растворе изоамилового спирта увеличивает плотность тока и по этой причине признано нежелательным.

j, а/см: 2,2 • 2,01,8 ? 1,6 1 1,41,21,0- * 0,8200 220 240 260 280 300 200 220 240 260 280 300 С/, В

Рис. 6. Вольтамперные характеристики на- Рис. 7. Вольт-температурпые характсристи-

грева образцов диаметром 10 мм и длиной ки нагрева образцов диаметром 10 мм и

10 мм в водном растворе хлорида аммония длиной 10 мм в 10%-ом водном растворе

(10%) с добавками изоамилового спирта и хлорида аммония с добавками изоамилового

глицерина. Глицерин, %: 1,4 - 0; 5,6 - 10. спирта.

ИАС, %: 1,6 - 0; 2,5-0,5; 3 - 1,0; 4 - 1,5 ИАС> j _ 2_ 3 _ 1Д 4 _ 1>5

Т. С

975-,

- 950-

1 2 925-

3

900

4 875 2."

5

6 850 н

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложенный метод распределенного обтекания раствором электролита детали, подвергаемой термической обработке при анодном нагреве, позволяет снизить вертикальный градиент температуры до 1-2 °С/мм и достичь достаточной однородности нагрева для получения равномерного распределения твердости по поверхности со снижением риска образования закалочных трещин.

2. Удаление перегретого электролита путем распределенного обтекания изделия потоками охлажденного электролита делает возможным выравнивание распределения температуры по поверхности цилиндрического изделия, подвергаемого термической или химико-термической обработке. Распределенное обтекание изделия струями, смещенными относительно оси камеры, более эффективно, нежели динамическое воздействие радиальными потоками раствора электролита.

3. Воздействие распределенных потоков электролита на термически обрабатываемую деталь заключается в появлении локальных максимумов температуры, которые обусловлены местным утонением парогазовой оболочки благодаря охлаждению электролита на данном участке и вытекающим из этого увеличением локальной плотности тока.

4. Разработанная конструкция рабочей камеры с устройством для формирования распределенного продольного обтекания изделия электролитом обеспечивает реализацию равномерной термической обработки цилиндрических изделий. Установленная связь размеров устройства с размерами детали, подвергаемой термической обработке, позволяет оптимизировать условия нагрева в каждом конкретном случае.

5. Положительное влияние распределенного продольного обтекания раствором электролита выражается в повышении равномерности закалки изделия или равномерности распределения толщины перлитного слоя после цементации в хлоридно-глицериновом растворе. Это делает возможным снижение разброса твердости до 4 НЯС на длине закаливаемого образца 55 мм.

6. Снижение плотности тока при сохранении достаточно высокой температуры нагрева добавлением в раствор электролита поверхностно-активных веществ (глицерина или изоамилового спирта) делает возможным снижение затрат энергии на термическую обработку.

7. Предложена, испытана и внедрена технология закалки фиксаторов и колонок пресс-форм из стали У8А, изготавливаемых на Костромском инструментальном заводе, позволяющая сократить продолжительность упрочнения от 60 до 1 минуты и обеспечить требуемую твердость изделий от 50 до 55 НЯС.

Список основных публикаций по теме диссертации:

1. Комаров, А. О. Управление вертикальным градиентом температуры анодного нагрева с помощью продольного обтекания деталей электролитом [Текст] / А. О. Комаров, Т. JL Мухачева // Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии: тез. докл. II международ, конф. -Иваново: изд-во КГХТУ, 2010. - С. 160.

2. Комаров, А. О. Управление температурным полем детали путем многопоточного обтекания в условиях анодного электролитного нагрева [Текст] / А. О. Комаров, Т. Л. Мухачева, П. Н. Белкин // Машиностроение и техносфера XXI века: тез. докл. XVIII международ, науч-тех. конф. - Донецк: ДонНТУ, 2011. - Т.2 - С. 230-234.

3. Комаров, А. О. Влияние изоамилового спирта на характеристики анодной цементации [Текст] / А. О. Комаров, П. Н. Белкин // Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии: тез. докл. международ. конф. - Иваново: изд-во КГХТУ, 2008. - С. 18.

4. Комаров, А. О. Влияние поверхностно-активных веществ на характеристики анодной цементации конструкционных сталей [Текст] / А. О. Комаров, П. Н. Белкин // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - №2 - Москва, 2008. - С. 46-49.

5. Комаров, А. О. Управление вертикальным градиентом температуры анодного нагрева упрочняемой детали с помощью продольного обтекания [Текст] / А. О. Комаров, П. Н. Белкин // Быстрозакаленные материалы и покрытия: тез. докл. VIII всероссийской с международным участием конф. - М: MATH, 2009.-С. 179-183.

6. Комаров, А. О. Повышение физико-химических свойств стали 12Х18Н10Т путем анодного насыщения азотом и углеродом [Текст] / А. О. Комаров, Т. Л. Мухачева, И. Г. Дьяков // Машиностроение и техносфера XXI века: тез. докл. XIV международ, науч-тех. конф. - Донецк: ДонНТУ, 2007. - Т.2 - С. 154-157.

7. Комаров, А. О. Влияние особенностей гидродинамических потоков электролита на температурное поле нагреваемой цилиндрической детали [Текст] / А. О. Комаров, П. Н. Белкин, Т. Л. Мухачева, И. Г. Дьяков // Электронная обработка материалов. - 2012. -v. 48 (2). - С. 59-66.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 10.04.2012. Формат 60x84 1/16. Уч.-издл. 1. Тираж 100. Заказ 87.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева

(РГАТУ имени П. А. Соловьева)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

61 12-5/2971

Костромской государственный университет имени H.A. Некрасова

На правах рукописи ¡>f

Комаров Артем Олегович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АНОДНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ ОДНОРОДНОСТИ НАГРЕВА С ПОМОЩЬЮ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ОБТЕКАНИЯ ИЗДЕЛИЯ РАСТВОРОМ

ЭЛЕКТРОЛИТА

Специальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

и сплавов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р техн. наук, проф. Белкин П.Н.

Кострома - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ....................................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНОДНЫЙ НАГРЕВ КАК СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ........................................................................................................12

1.1. Теплофизические особенности анодного нагрева и механизм проводимости парогазовой оболочки.............................................................................................................

1.1.1. Влияние условий нагрева на температуру анода...................................................17

1.1.2. Распределение температуры и тепловых потоков в системе деталь - парогазовая оболочка - раствор электролита........................................................................................20

1.2. Методы выравнивания температуры обрабатываемого изделия................................24

1.3. Особенности термической обработки при анодном нагреве.......................................36

1.3.1 Условия закалки.........................................................................................................36

1.3.2. Особенности диффузионного насыщения..............................................................42

1.4. Постановка задач и цели исследования.........................................................................48

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................50

2.1. Экспериментальные установки.......................................................................................50

2.2. Выбор образцов и составов электролитов.....................................................................55

2.3. Методы измерений температуры, электрических и гидродинамических характеристик нагрева............................................................................................................59

2.4. Методы анализа структуры и свойств образцов после цементации и закалки..........61

Выводы по главе 2...................................................................................................................62

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ СОСРЕДОТОЧЕННОГО ПРОДОЛЬНОГО ОБТЕКАНИЯ РАСТВОРОМ ЭЛЕКТРОЛИТА .......................................................................................................................................................64

3.1. Характеристики температурного поля нагреваемого изделия....................................64

3.2. Влияние напряжения и скорости циркуляции раствора на особенности и характеристики распределения температуры в цилиндрических образцах......................65

3.3. Влияние размеров образца на характеристики температурного поля........................71

Выводы по главе 3...................................................................................................................77

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ В УСЛОВИЯХ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ПРОДОЛЬНОГО ОБТЕКАНИЯ РАСТВОРОМ ЭЛЕКТРОЛИТА 79

4.1. Влияние скорости циркуляции раствора и напряжения на характеристики температурного поля цилиндрического образца.................................................................84

4.2. Влияние взаимного расположения отверстий и образца на характеристики температурного поля цилиндрического образца.................................................................88

4.3. Влияние размеров образца на характеристики температурного поля........................98

4.4. Влияние количества отверстий на распределение температуры по поверхности образца......................................................................................................................................99

Выводы по главе 4.................................................................................................................105

ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ ЗАКАЛКИ И ЦЕМЕНТАЦИИ В УСЛОВИЯХ ПРОДОЛЬНГО

ОБТЕКАНИЯ.............................................................................................................................107

5.2. Цементация в условиях распределенного и сосредоточенного обтекания..............109

5 3 Разработка технологии упрочнения колонок и фиксаторов пресс-форм из стали У8А '...................................................................................................................................ИЗ

Выводы по главе 5.................................................................................................................^ ^

ГЛАВА 6. СНИЖЕНИЕ ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ ПРИ АНОДНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ИЗМЕНЕНИЕМ СОСТАВА РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА.................................................116

Выводы по главе 6.....................................................................................................................

ВЫВОДЫ...................................................................................................................................124

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................................126

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

с - удельная теплоёмкость,

Дж/(кг/К); С - концентрация, вес. %, ат. %; Cs - поверхностная концентрация

ионов; Е - энергия, Дж; /2 - глубина погружения, м; НЯС, НУ- твёрдость; I - сила тока, А; у - плотность тока, А/см2; X"-скорость коррозии, мг/см ч; т - масса, кг;

д - плотность теплового потока, Вт/м2;

£> - величина расхода раствора

электролита, л/мин; г - радиальная координата, м; Я - радиус, м;

о 2

5 - площадь поверхности, м ;

? - время, с;

Г- температура, °С;

1]- напряжение, В;

V- объём, м3;

V - скорость, м/с;

со - удельная мощность

источников тепла, Вт/м ; х - горизонтальная координата, м;

г - вертикальная координата, м; а - коэффициент конвективной

теплоотдачи, Вт/м2 К; ¿»-толщина, м; /I - коэффициент

теплопроводности, Вт/(м К);

2

//-подвижность, м /(В с);

коэффициент трения; V- кинематическая вязкость, м /с;

р- плотность, кг/м3; а- среднее квадратичное

отклонение температуры от ее среднего значения,°С; у - теплота парообразования, Дж/кг;

<Т> - средняя температура, °С.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач современного машиностроения является разработка методов и технологий для создания материалов, обладающих определенным набором необходимых свойств. Такими свойствами могут быть повышенная твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и т. д. К перспективным процессам относится модификация поверхностного слоя металла или сплава, который во многих случаях подвергается наибольшему воздействию в процессе эксплуатации.

Одним из методов воздействия на металлы и сплавы для изменения химического состава, структуры и свойств в поверхностном слое является химико-термическая обработка. Существует множество вариантов химико-термической обработки, отличающихся друг от друга различными параметрами, например, временем обработки. Если время процесса не превышает нескольких десятков минут, то такую обработку называют скоростной.

Анодный электролитный нагрев, получивший развитие в 80-х годах XX века, является одним из вариантов скоростной химико-термической обработки. Установки анодного электролитного нагрева (тип УХТО) разрабатывались и изготавливались на Опытном заводе Института прикладной физики Молдавской Академии наук. Наибольшее распространение получили установки УХТО-5М и УХТО-5Б (мощность 50 кВт, производительность 30 шт/ч) в лёгкой промышленности для

скоростного упрочнения малогабаритной оснастки, как правило, путём цементации с закалкой. В большинстве используемых установок анодного электролитного нагрева применяется гидродинамическая схема с переливом электролита через края электролитической ячейки. В некоторых специализированных установках (УХТО-6) используется струйный нагрев.

Существенным недостатком анодного нагрева как способа термической и химико-термической обработки является неоднородность нагрева погружаемого в раствор электролита изделия, выражающаяся в наличии вертикального градиента температуры. Это приводит к неравномерному распределению твердости или иных свойств по рабочей поверхности или объему изделия.

Продольное обтекание детали раствором электролита, подаваемым через отверстие на дне ванны, позволяет снизить неравномерность нагрева. Однако перепад температур на противоположных концах изделия остается существенным и может достигать 250-300 °С.

В данной работе предложен вариант анодного нагрева, предусматривающий подачу раствора через группу отверстий на дне ванны, что при определенных условиях позволяет исключить интенсивное воздействие охлажденного потока на нижний конец изделия, сохраняя его влияние в верхнем конце. Такая схема позволяет снизить перепад температур на различных участках изделия до 25-50 °С.

Цель исследования: повышение однородности свойств поверхности изделия после анодной термической или химико-термической обработки выравниванием температуры по поверхности и объему изделия.

Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

- Выполнить сравнительный анализ известных методов выравнивания распределения температуры по поверхности изделий, подвергаемых

термической обработке.

- Выявить причины недостаточно равномерной термической обработки цилиндрических изделий при использовании известных рабочих камер.

- Изучить распределение температуры и закалочной твердости по длине упрочняемой детали и другие особенности нагрева стальных изделий в условиях сосредоточенного продольного обтекания при полном погружении

в раствор электролита.

- Разработать конструкцию рабочей камеры, позволяющей повысить

однородность термообработки в сравнении с известными схемами.

- Изучить особенности нагрева в модернизированной рабочей камере и сравнить результаты закалки и цементации с данными, полученными для условий продольного сосредоточенного обтекания.

- Изучить возможность снижения затрат энергии изменением составов электролитов для закалки и цементации стальных изделий.

- Разработать технологию равномерной закалки колонок и фиксаторов

пресс-форм.

Защищаемые положения:

- Метод управления температурой нагреваемой детали путем локального охлаждения электролита в прианодной зоне с помощью продольного распределенного обтекания.

- Устройство для формирования распределенного продольного обтекания изделия электролитом, обеспечивающее реализацию равномерной термической обработки цилиндрических изделий.

- Технологический процесс термообработки изделий при их продольном осевом обтекании электролитом, позволяющий снизить вертикальный градиент температуры до 1-2 °С/мм с достижением равномерного распределения твердости по поверхности и снижением риска образования закалочных трещин.

Научная новизна диссертации определяется следующими основными положениями:

- Установлено, что основной причиной неравномерности термической обработки является замедленное удаление перегретого рабочего электролита вблизи упрочняемого изделия, характерное для применяемых рабочих камер в известных опытно-промышленных и лабораторных установках. Показано, что локальное охлаждение температуры раствора электролита более эффективно уменьшает толщину парогазовой оболочки, определяющей местную температуру изделия по сравнению с ее динамическим сжатием радиальными струями.

- Доказано, что равномерность термической обработки повышается при продольном распределенном обтекании цилиндрического изделия электролитом, которое обеспечивает более оперативное охлаждение перегретого раствора, чем его отвод дополнительными устройствами.

- Обнаружены локальные максимумы температуры на поверхности изделия, подвергаемого термообработке в условиях распределенного обтекания электролитом, которые объясняются местным утонением парогазовой оболочки и связанным с этим увеличением локальной плотности тока и теплового потока. Выявлена количественная взаимосвязь между координатами локальных максимумов температуры, размерами упрочняемого изделия и параметрами устройства, формирующего продольные струи электролита.

- Определены допустимые интервалы размеров устройства, обеспечивающего реализацию равномерной термической обработки цилиндрических изделий с помощью распределенного продольного обтекания.

Практическая значимость

- Предложен метод управления распределением температуры и твердости по поверхности детали, позволяющий улучшить качество упрочнения выравниванием нагрева с помощью распределенного продольного обтекания

- Разработана конструкция рабочей камеры, позволяющая улучшить распределение температуры по поверхности и объему нагреваемых изделий и их эксплуатационные свойства.

Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректным применением положений теории анодного нагрева, статистической обработкой экспериментальных данных и подтверждается высокой воспроизводимостью результатов при экспериментальном исследовании вольт-температурных и вольтамперных зависимостей, соответствием полученных результатов ранее опубликованным данным, а также положительным результатом практической реализации предлагаемой технологии.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в Костромском государственном университете им. Н. А. Некрасова на семинарах кафедры общей физики; на международной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2008); на 8-ой Всероссийской с международным участием конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2009); на II международной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2010); на международном симпозиуме «Электрические методы обработки материалов» (Кишинев, 2010), на XVIII международной конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2011).

Реализация результатов. Предложенная методика нагрева в условиях продольного распределенного обтекания успешно применена для обработки партии деталей штамповой оснастки и внедрена в производство Костромского инструментального завода (г. Кострома).Исследования и разработки выполнены в лаборатории анодной химико-термической обработки кафедры общей физики Костромского государственного университета им. Н.А. Некрасова, при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (тематический план НИР 2010-2011 гг. «Управление характеристиками электрохимико-термического упрочнения металлов и сплавов изменением гидродинамических условий анодного нагрева).

ГЛАВА 1. АНОДНЫЙ НАГРЕВ КАК СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

В настоящее время классические способы обработки металлов уступают место скоростным методам их модифицирования. Расширение круга методов поверхностной обработки связано с тем, что многие свойства изделия определяются характеристиками поверхности. Кроме того, модифицирование поверхности для придания ей требуемых условиями эксплуатации свойств представляется более привлекательным по отношению к способам изменения объемных характеристик металлических изделий в силу экономической выгоды.

В основе современных методов модификации материалов лежит интенсификация применяемого воздействия, в частности, с использованием электрических разрядов. К ним относятся микродуговое оксидирование [1], ионная имплантация [2], индукционный нагрев [3], лазерный нагрев, анодный и катодный электролитный нагрев [4]. Распространённым способом интенсификации химико-термической обработки (ХТО) является скоростной нагрев. Высокие скорости нагрева и охлаждения позволяют улучшить ряд механических свойств, например, твёрдость и прочность а также облегчить механизацию и автоматизацию производственных процессов упрочнения. Время обработки при этом значительно сокращается — до 5 минут на деталь [4]. Недостатками известных методов ХТО являются: трудности обработки

деталей сложной формы, необходимость в ряде случаев предварительной подготовки поверхности изделий, высокая стоимость и громоздкость применяемого оборудования.

Этих недостатков лишен нагрев в водных растворах электролитов. Характерные для него скорости нагрева деталей позволяют сочетать достоинства ионной и высокочастотной обработок: возможность регулирования и стабилизации температуры процесса с высокими скоростями насыщения при химико-термической обработке и повышенной твердостью стали после закалки, выполняемой отключением напряжения. Струйный подвод жидкой нагревающей и насыщающей среды дает возможность проведения локальной обработки деталей. Процесс реализуется на дешевом и компактном оборудовании [5].

В последние годы наблюдается резкий рост публикаций, выполненных ведущими международными школами и посвященных разнообразным возможностям электрохимико-термической обработки, которая в англоязычной печати обычно называется электролитно-плазменной обработкой. Электролитный нагрев привлекает внимание исследователей новыми технологическими возможностями получения водорода [6], электролитно-плазменным окислением [7], цементацией [8-10], азотированием и нитроцементацией [11-14], борированием [15], импульсной закалкой [16], очисткой и осаждением покрытий [17] и другими процессами. Полярность электрода с меньшей поверхностью существенно влияет на

о