автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Создание технологических процессов упрочнения поверхности конструкционных сталей комплексной электрохимико-термической обработкой (ЭХТО)

донской государственной технический университет

На правах рукописи .: . . • ,, УДК 621.785.539.

ФОМЕНКО Натальи Леонидовны

создание технологических ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЕНИЯ поверхности к0нструкш0ншх СТАЛЕЙ КОМПЛЕКСНОЙ электрохшико-термической ОБРАБОТКОЙ (ЭХТО)

05.02.01. - Материаловедение в машиностроении (по отраслям)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Ростов-на-Дону,1994 г.

Работа выполнена в Донском государственном техническом

университете

Научный руководитель - доктор технических наук,профессор

Пустовойт В.Н.

Научный консультант - кандидат технических наук, доивнт

Симоненко А Н.

Официальные оппоненты - Академик АКГК Укромны.

Лауреат Государственной премии Украины, Заслуженный машиностроитель Украины, доктор технических наук, профессор Любченко А. П.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Шумский В. А.

Ведущее предприятие - АО "Красный Аксай"

Запита состоится "45-» НОЯ5/?Я—_ 1994 г. на заседании специализированного совета К.063.27.01. в Донском государственном техническом университете / 344700, г.Ростов-на-Дону,ГСП. пл. Гагарина Д. ДГТУ ,ауд. 252 . , .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью просим выслать в специализированный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан »№.* Октября-1994 г.

Ученый секретарь специ визированного совета,

кандидат технических наук, доцент Шипулин А. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАКШ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕЖ. Вопросы экономии металлов, создания эффективных технологических процессов их обработки, и как следствие, повышение качества и надежности выпускаемой продукции машиностроения при рациональном использовании трудовых, материальных и энергетических ресурсов являются актуальными и основными для развития экономики страны. В настоящее время резко возрастают требования, предъявляемые к качеству изделий, к уровню и стабильности их свойств,а также к экономному потреблению природных ресурсов.

Одним из наиболее эффективных способов решения данных проблем является совершенствование процессов термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента, а также создание нового оборудования. Важное значение в обеспечении высокого темпа роста производительности труда и эффективности производственного оборудования имеет создание и внедрение новых методов химико-термической обработки С ХТО) - электрохимико-термическая обработка СЭХТО) и как способ ее реализации - конвекционно-индукционная химико-термическая обработка С КИХТО) в индукционных соляных ваннах С ИВС) с расплавом солей или комбинированным составом.

В рассматриваемой работе предпринята попытка создания технологических процессов упрочнения поверхности сталей комплексной ЭХТО' в тигельных соляных ваннах ( ТЕС) и ИВС с расплавом солей.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей работы является широкое экспериментальное исследование и научное обобщение электро-химико-термических процессов взаимодействия в высокочастотном электромагнитном поле расплава солей с насыпаемым изделием, атмосферой и футеровкой ИВС,разработка на этой основе комплекса экономичных,высокопроизводительных упрочняющих технологий ХТО металлов и сплавов.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:

1.Экспериментально исследовать и теоретически обосновать физические и электрохимические основы конвекционно-индукционной химико-термической обраббтки металлов и сплавов в высокочастотном электромагнитном поле,влияние гальванического и электролизных процессов на кинетику Формирования диффузионного слоя в расплавах солей.

2.Исследовать взаимодействие расплава солей с углеграфитовой футеровкой ИВС.

3. Научно обосновать закономерности влияния процессов технологического старения расплава солей на обезуглероживающую, науглероживающую, эрозионную и обеэлегирушую активность ИБС: исследовать влияние этих процессов на интенсивность ХТО и ЭХТО.

4.Экспериментально подтвердить, обосновать впервые выявленные закономерности новых процессов ХТО и ЭХТО в ИВС: электролизного и безэлектролизного карбоборирования, карбонитрирования,карбоборохроми-рования и карбонитротитанирования, новые типы структур диффузионных слоев с особыми, свойствами,эффект прямого и обратного электролиза.

5. Исследовать и научно обосновать особенности кинетики перен< са веществ в расплавах солей при конвекционно-индукционном спосо( нагрева и насыщения металлов и сплавов в ИБС.

6. Провести исследования по определению оптимальных составс насыщающих сред, режимов эксплуатации ИБС различного назначения, также исследовать влияние материала футеровки ИБС на кинетику Форш рования диффузионного слоя.

7. Наметить пути дальнейшего создания новых упрочняющих технс логий и разработать методику наработки новых технологических процес сов упрочнения поверхности деталей машин и инструмента в ИБС.

8. Дать практические рекомендации по внедрению новых технолог ческих процессов упрочнения поверхности деталей машин, инструмента технологической оснастки в производственных условиях.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впевые теоретически обобщены результаты ис следования физических и электрохимических процессов,протекающих пг КЮТО и ЭХТО металлов и сплавов в ИБС.

Разработана методика наработки новых упрочняющих технологий направленно регулируемой структурой и служебными свойствами покрыта

Выявлены основные закономерности влияния процесса старени расплава солей на обезуглероживающую, науглероживающую, эрозионную обезлегирупдую активность ИБС, исследовано влияние этих процессов н интенсивность ЭХТО.

Разработаны рекомендаии по внедрению новых технологически процессов упрочнения поверхности деталей машин и инструмента в уело виях производства.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Результаты работы ис пользованы при производственной отработке оптимальных параметров новых технологий конвекционно-индукционной термической обработа С КОТО? и КЮСЮ металлов и сплавов,' проведении сравнительных испьгга ний изделий на производстве и в приближенных к ним условиях после и: ТО и ХТО в ИБС. Внедрены разработанные новые технологии на производстве и оказана техническая помощь предприятиям, осуществляющим самостоятельное внедрение разработанных технологий. -

Разработанные новые технологические' процессы использовалист для ТО и ХТО широкой номенклатуры деталей/инструмента и технологической оснастки. Осуществлена обработка опытных партий деталей, промышленная апробация и внедрение новых технологических процессов упрочнения поверхности в условия АО "Ростсельмаш", АО "Аксайкарданде-таль", АО "Ростпродмаш", НПО "РостНИШМ", РВПО, Опытного производственно-торгового инженерно-медицинского арендного предприятиг (ОГТГИМАПЗ СМНТК "Микрохирургия глаза").

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работь доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-техническй конференции с участием иностранных специалистов "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении"г.Волгоград, 1991 г.; научно-технической конференции "Повышение качества изготовления деталей машин методами отделочно-упрочняюшей обработки " г. Пенза, 1991 г.; Национальном конгрессе по металловедению и термообработке г.Варна, Волга-

рия.1991 г.!науино-твхничаских конференциях профессорско-преподйна-тельского состава ДГТУ г. Ростов-на-Дону,1091,1992,1993 г. г.: научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава РИАТМа г.Ростов-на-Дону. 1993 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано двенадцать печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа содержит 158 страниц машинописного текста, список литературы, включаутций '¿25 наименований. Приложение включает в себя акты сдачи-приемки научно-технической продукции, акт лабораторных исследований, отчет по результатам стендовых испытаний,каталоги и технологический процесс термообработки (для сравнения результатов КИТО в ИВС).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации изложено состояние вопроса по изучаемой проблеме и сформулированы задачи исследования и цель работы.

Многочисленными исследованиями установлено,что определяющую роль в обеспечении эксплуатационных характеристик деталей машин и инструмента играет состояние их поверхностного слоя. Изготовление деталей из одного и того же материала,но упрочнение поверхности деталей по различным режимам ХТО на различном оборудовании приводит к существенным различиям свойств поверхностного слоя. Эксплуатационные показатели таких деталей С долговечность, надежность и т.д.) могут отличаться в десятки раз.

Анализ литературных и патентных данных показывает, что при ЭХТО в ИВС возможно эффективное использование потенциальных возможностей комплекса методов интенсификации процессов электромагнитным полем, постоянным и переменным' током, высокой температурой, ускоренным нагревом и жидкой фазой. Незначительный объем применения этих методов на производстве в, отечественном и мировом машиностроении объясняется как недостаточностью изученности процессов,ответственных за Формирование структуры и свойств диффузионных слоев на всех этапах насыщения, так и отсутствием надежной, экономически и организационно целесообразной технологии и соответствушего термического оборудования, позволяющего реализовать на практике все идеи. До недавнего времени недостаточно использовались широкие возможности электромагнитных полей, электролизных и гальваничечских процессов в электролитах, что объясняет существующие значительные резервы, позволяпаие не только улучшить существушие, но и разработать новые технологии ЭХТО И ХТО в расплавах солей, созданные на принципиально новых видах термического оборудования для ХТО и ЭХТО в расплавах солей. Поэтому в работе ставилась задача экспериментально исследовать и теоретически объяснить ЭХТО процессов взаимодействия расплава солей' с насыпаемым изделием,атмосферой и Футеровкой ИВС и разработать на этой основе высокопроизводительные и экономичные упрочняшие технологии ЭТО металлов и сплавов.

Рис.1. Индукционная соляная ванна (ИВС-ХГУ)

1-асбошиферная плита: 2-огнеупорная обмазка: 3-керамическая Футеровка:4-асбестовый картон: 5-графитовый тигель: 6-индуктор: 7-шамотная плита.

металлов и сплавов СИВС-ХТЭ) 1-керамическмй тигель:2-ииндуктор: 3-графитовый нагреватель: 4-контактное кольцо: 5-токопровод: 6-регулируемый источник тока: 7-расплав солей: 8-насьшаемое изделие: 9-электродная подвеска: 10-токопровод: 11-терыопара: 12-амперметр: 13-вольтметр.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассматривается методика экспериментальных ис-ледований. Описание методического подхода,используемого оборудова-ияС рис. 1.2). материалов и образцов для исследований, методов измере-ия параметров процесса и качества поверхностного слоя изделий.

Измерение микротвердости поверхностного слоя образцов производи на микротвердомере ПМТ-3 с приставкой для автоматического наг-^кения. Твердость измеряли на твердомерах ТП и ТК.

Обезуглероживающую и науглероживавшую активность ИБС определя-\ путем выдерживания образцов в расплаве солей с последушим анализы стандартными методами химического, спектрального и рентгеновско-) анализов.

Эрозионную активность ИБС определяли путем измерения массы об-«цов после насыщения или нагревания в расплаве солей. Величину де-¡ктного слоя и характер изменения микрорельефа поверхности нагре-)емого или насыщаемого изделия определяли на профилографе-профило-!тре "Калибр-201".

Количественный и качественный анализ диффузионных слоев после "О и ЭХТО по сечению, излому и на поверхности производили микроспек-альным методом на растровом электронном микроскопе"СашеЬах-т1сго". [определение элементов Фиксировали путем записи на пленке интенсив-сти излучения.

Металлографический анализ структуры образцов проводили на ме-ллографических микроскопах МИМ-7,МИМ-8,"НеоГоЬ-2" при увеличении 50 до 1200 раз,а также на электронном микроскопе ЭММА-4 с пользованием углеродных реплик и увеличении до 10000.

Для проведения Фазового анализа диффузионных слоев изде-й,1йсплава солей, футеровки применяли также рентгеноструктурный ализ с использованием рентгеновского дифрактометра ДР0Н-2 и Со-К*, -К*излучении. При этом для количественного определения фаз ис-пьзовали метод подмешивания, метод гомологических пар, метод неза-;ймого эталона, метод наложения.

Диффузию углерода из стенок графитового тигля в расплав солей знивали по результатам химического анализа проб соли.

Неоднородность температурного поля в рабочем пространстве в гсяной ванне определяли методом одновременного измерения температу-несколькими термопарами в различных зоне« ванны.

Количественную оценку результатов исследования осуществляли годами математическрой статистики и стереометрии.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ проведено широкое сравнительное исследование и >ретическое обобщение научных знаний об особенностях кинетики фор-эования диффузионных слоев сложного состава в расплавах солей и бинированных средах во взаимосвязи с процессами технологического |рения насыыаидей среды. Дан анализ основных общеизвестных спосо-> интенсификации процессов,на его основе теоретически смояелирова-оптимальные методы ускорения с учетом особенностей конвекцион-инаукционного способа нагрева.

Проведенный анализ интенсификации ОТО позволил сделать заклеив о необходимости применения в данной работе комплексной кнтен-

сиФикации за счет особенностей конвекционно-индукционного способа нагрева в ИБС при одновременном использовании высокотемпературного дзухэлектродного гальванического элемента ИБС и направленного регулирования кинетики диффузионных процессов за счет изменения его электрического режима работы и изменения термовременных параметров.

Обеспечение интенсификации КИХТО требует не только знания особенностей пэреноса вещества в расплавах солей в ИБС, вызываемых действием галььанического элемента, но и воздействием высокочастотного переменного и постоянного тока; высокочастотного электромагнитного поля, электродинамического поля, а также процесса технологического старения расплава солей.

Аналитический расчет степени интенсификации возможен только на основе решения достаточно сложной задачи, основанной на данных о механизме формирования диффузионного слоя с неравновесной структурой, рассматривающей ряд физико-химических факторов и кинетические Факторы. Физико-химические Факторы включают в себя термодинамическую характеристику Фаз в системе взаимодействующих элементов и насыщающей среды: степень неравновесного состояния насыщающей среды в реакционном пространстве: смачиваемость насыщающего сплава жидкой Фазой, несущей диффундирующий элемент: структурноэнергетические условия образования Фазы на поверхности сплава. Кинетические факторы: соотношение между скоростью поступления элемента на поверхность и скоростью его-диФФузии: скорость реаюши взаимодействия на границе "металл - насыщающая среда": скорость нагрева до изотермы процесса и скорость охлаждения по окончании насыщения:продолжительность процесса диффузии на изотерме диффузии: соотношение между скоростью самодиффузии' элементов насыщаемого сплава и металла. Но, как выявлено в ходе исследований, все эти Факторы, влияющие на начальную концентрацию диффундирующего элемента не могут иметь под собой реальной почвы не с точки зрения "чистой" или "реакционной" теории до тех пор пока не будут учтены особенности КИХТО в ИБС.

Установлено,что при КИХТО в ИБС воздействие на исследуемые объекты С поверхность раздела - графитовый тигель - расплав: расплав солей - насыщаемое изделие) одновременно высокочастотного электромагнитного поля, высокочастотного переменного тока, постоянного тока прямой и обратной полярности, а также электродинамических сил существенно нарушает все этапы протекания ХТО и фазовый состав упроч-иественно•нарушает все этапы протекания ХТО и фазовый состав упрочняемого слоя,но и служебные свойства.

3.1. Специальные исследования посвящены изучению процесса влияния старения расплава солей на кинетику Формирования диффузионного слоя. В ИБС в следствие большой активности солей при их взаимодействии в ванне с нагреваемыми или насыпаемыми изделиями наблюдаются изменения технологических свойств расплава солей в процессе старения. Установлено, что при этом возникают вредные побочные явления -обезуглероживание, обезлегирование, коррозия и эрозия поверхности изделий. При этом наблюдается одьобйз*лнкав игчрнеьие химического состава расплава солей. Применение графитового тигля позволяет нейтрализовать многие вредные процессы. Так, например, после 20 часов

заботы ИБС содержание углерода в ванне составляет 1,2%. Экспериментальными данными подтверждена гипотеза о том,что наиболее интенсивна расплав солей насыщается углеродом в первые 4-5 часов работы. Снижение содержания углерода по сравнению с работой на холостом хо-1У объясняется уносом частиц углерода вместе с расплавом солей на юверхности изделий. Экспериментально установлено,что распределение 1астиц графита весьма неравномерное и зависит от температуры и состава ванны. Распределение химических элементов по сечению ванны таксе неравномерное и возрастает в процессе старения ИБС. Обосновано насказано соображение о необходимости периодической очистки стенок ■рафитового тигля или его замены с целыз обеспечения стабильности ротекалцих процессов.

Доказана абсорбирупцая способность углеграфитовой футеровки ВС, обеспечивающая очистку расплава солей от оксидов металлов и ругих вредных соединений. Экспериментально изучены процессы старе-ия расплава солей на его унос и летучесть. Наибольшая летучесть асплава солей в ИЗС, в ходе исследовательских работ наблюдалась в ервый час после расплавления,а после потери воды и обогащения окси-ами - летучесть расплава с'олдей значительно сокращалась.

Установлено, что в процессе старения коррозионная активность ВС резко уменьшается,что объясняется отсутствием электролизных про-эссов,насыщением расплава солей углеродом и ректификацией оксидов генками графитового тигля. В ходе экспериментов установлено, что эррозионная и эрозионная активность зависит также от состава распева солей. Так,например, при 800й С наибольшую активность имеет ИБС расплавом солей состава 100% ЫаС1 по. сравнению с ИВС с расплавом элей состава: 78% ВаС1й '+ 22% ЫаС1.' а при повышении температуры до 220е С наибольшую активность имеет расплав солей состава: 78% ВаС1& 22% МаС1 по сравнению с ИВС с расплавом солей состава 100% ВаС12 . > сравнению с ЗВС коррозионная активность ИВС в 5-6 раз меньше,что гьясняется особенностями конвекшганно-индукшонного способа нагре->. Низкая коррозионная и эрозионная активность ИВС позволяет произ-|дить нагрев шлифованных -изделий под "светлую "закалку, при этом пйкость изделий возрастает в 3-4 раза.

В работе также изучено влияние процесса старения на обезугле-■живашую активность ИВС. Показано, что наибольшую обезуглероживаю-ю активность ИВС с графитовым тиглем имеет непосредственно после сплавления соли. После пяти часов старения ИВС с графитовым тиг-м, обезуглероживание даже после нагревания образцов в часовом пе-оде. В процессе старения ИВС с графитовым тиглем приобретает ней-альнкй углеродный потенциал сначала к образцам из быстрорежущей ахи,а затем и более чувствительными к обезуглероживанию тонким об-зцам из высокоуглеродистой стали. Это объясняется одновременнос-ю взаимодействия расплава солей с кислородом и стенками графитово-тигля. Наиболее интенсивно науглероживается образцы на глубине Э мм, где происходит скопление частиц графита. Применение скорос-эго охлаждения графитового тигля с расплавом поэзоляет зафнксиро-гь неравномерность распределения углерода по сечению тагля, что

подтверждает результаты опытов по науглероживанию образцов в ИБС с графитовым тиглем. Экспериментально доказано, что зависимость от времени старения и условий эксплуатации ИБС может быть: обезуглероживающей, нейтральной и науглероживающей для одной и той же марки стали. В работе разработан критерий для оценки - углеродный показатель активности Ка'

Ск - Си А с Ка - ;----- .

Си Си

где Си - исходное содержание углерода в тонком стальном образце!

Ск - конечное содержание углерода в тонком стальном образца.

Данный показатель позволяет определить интенсивность воздействия расплава солей на нагреваемое или насыщаемое изделие. При Ка » -1 (Ск = 0 ). ванна оказывается максимальное обезуглероживающее воздействие. .При изменении величины Ка от -1 до О ( Ск » Си ),степень этого воздействия уменьшается.а при Ка - О ( Ск > Си ),т.е. при положительных значениях Ка. прямопропорционально этим значениям возрастает науглероживающая активность ванны. Углеродный показатель Ка (рис.3!) позволяет количественно учесть содержание углерода в контрольных образцах на интенсивность их обезуглероживания.

Процесс старения также влияет на обезлегирующую активность ИВС, изменяя химический состав в поверхностном слое легированной стали, что особенно важно при ТО и ХТО деталей и изделий с нешЛифуе-мым или частично шлифуемым после ТО' профилем. Установлено, что обеэ-легирую щая активность ИВС графитовым тиглем во много раз меньше, чем у TBC и наблюдается только лишь при больших выдержках при насыщении (более 30 минут). Такое различие в интенсивности обезлегИрова-ния объясняется тем,что процесс науглероживания в ИВС с графитовым тиглем протекает быстрее и нейтрализует процесс обезлегирования. Полученные результаты и сделанные на их основе выводы согласуются: с результатами и выводами, сделанными в работах других авторов.

3.2. Влияние плотности тока на изменение интенсивности диффузионных процессов в высокочастотном электромагнитном поле изучено при конвекшонно-индукционном жидкостном карбонитрировании в ИВС с графитовым тиглем. Установлено, что применение постоянного тока при КИХТО позволяет сократить процесс ХТО до 10 минут и обеспечивает не только возможность регулирования толщины слоя.но и изменение кинетики Формирования диффузионного слоя. Другой особенностью процесса является то,что наибольшая интенсивность насыщения наблюдается, в отличие от безэлектролизного карбонитрирования во время пассивного периода образования газовой фазы в расплаве солей. Соответственно изменяется микроструктура диффузионного слоя, полученного при одной и той же плотности тока,но в различные периоды. Постоянный ток оказывает угнетающее действие и тормозит дяффузионнъе процессы при насыщении С и N в период активного образования гаэозой фазы. В период

ассивного газовыделения - ускоряет процессы С рис.43. При прямой и 5ратной полярности тока наилучшие результаты были получены в пас-ивный период работы ИВС. Это позволяет использовать активный пе-иод насмцения в режиме безэлектролизного карбонитрирования, а за-зи включать постоянный ток для ускорения процессов и активно влиять а кинетику Формирования диффузионного слоя. Полученные результа-по-видимому,обусловлены использованием ионных электролитов с вы-экой концентрацией свободных ионов,образующих ионные ассоциации -энные пары,комплексные ионы, тройники. При расплавлении солей межион-« расстояния не увеличиваются при одновременном увеличении объема зли на 10-20ХХ. что вызывает образование в расплаве пустот - дырок, эи наложении в ИВС электролитического поля возникает миграция ио-)в за счет скачкообразного ионнодырочного перехода. Состав распла-1 coy электрода не изменяется, а уменьшается его количество. Незажженные ионные пары участвуют в диффузионном переносе и в контакта электродом приобретают электродный потенциал, а наличие в ИВС дву-«лектродной гальванической ячейки обеспечивает протекание термоди-илических процессов поляризации. При этом возникает сдвиг потенциа-IB от равновесного значения:

* Е - Ei - Ео ,

ie El - потенциал при плотности тока: Ео - потенциал без тока.

Контролируя при КИХТО в ИВС напряжение на электродах можно суть об эффективности процессов, т. к. электродный потенциал являет-количественной характеристикой ' окислительно-восстановительных ойств веществ, участвующий в электродной реакции. При прохождении ка, концентрация реагирующих веществ у поверхности электрода иэме-ется. что увеличивает активность диффузионных потоков. Наличие ойного электродного слоя«влияет на изменение концентрации ионов у верхности электрода, поэтому потенциал такого электрода изменяет, и ограничивается допустимая плотность тока, что было подтвержде-экспериментально при электролизном карбонитрировании в ИВС в рас-аве солей состава: 6* K4FeCC№e + 94Х ВаС12.

3.3.Перенос реагирующих веществ в условиях электрохимической акции может осуществляться за счет молекулярной диффузии под дей-вием градиента концентраций. Процесс же массопереноса за счет миг-ции заряженных частиц под действием электрического поля при прошении через расплав электрического тока ускоряет доставку к элек-эдам катионов и замедляет подвод анионов. В сочетании с конвек-эй потоком движущейся жидкости это обусловливает возникновение здиента плотности расплава. Конвекция не может устранить диффузию, интенсификация перемешивания рсасплава существенно влияет на оба щесса. Поэтому кинетические закономерности протекания процессов жирования диффузионного слоя в жидких средах зависят от выбранно-способа нагрева, химического состава и температуры в ИВС. При текцион!¡о-г.ндукционном способе нагрева в ИВС под действием вьюо-

Рис. 3.Зависимость изменения углеродного показателя Ка ИВС о графитовым тиглем и расплавом соли ВаС12 от времени старения.

1-лента из стали 13Х при 1280" С,выдержка 1 мин.:

2-лента из стали У8 при 122СН3 С, выдержка 1 мин. {

3-лента из стали 13Х при 1280е С,выдержка 8 мин.?

4-лента из стали У8 при 1220" С, выдержка 8 мин.

К

мм

0.6 ОА 02

1

1з

0

5 б 9 <г Р/с. 4. Влияние плотности тока на изменение толщины диффузионного слоя,полученного при конвекционно-индукии-онном электролизном карбонитротитанировании стали 10 в расплаве солей состава: 6Х К4 РеССЮв + 94 X ВаС1г при 1000й С за 10 минут. 1-активный период на-сыденияСпрямая полярность}:2-пассивный период насыщения С прямая полярность): З-активный период насыщения С обратная полярности).

кочастотного электромагнитного поля интенсифицируется процесс конвекционного переноса вещества при одновременном изменении параметров зарядов ионов в расплаве солей, что существенно изменяет протекание процесса массопереноса веществ. ИБС является химическим источником тока,одним из электродов которого служит изделие, а другим -графитовый тигель. Такой гальванический элемент может работать в четырех режимах: разомкнутом: короткозамкнутом: нагруженным на регулируемое сопротивление: нагруженным на регулируемый источник постоянного и переменного тока. Последний режим позволяет поменять полярность и превратить гальванический элемент в электролизер. В ИБС между электродами и расплавом солей возникает гальвани-потенциал:

где Т - потенциал металлического электрода:

Т 3>- потенциал расплава солей. Переход заряженной частицы через границу контакта обусловлен электрофазной реакцией, а гальвани-потенциал объясняется наличием двойного электрического слоя. Особенности кинетики КИХТО в ИБС повлияли на закономерности Формирования диффузионных слоев при разработанных в данной работе новых технологических процессах : карбоборирование, карбоборохромирование, карбонитротитанирование. Экспериментально было установлено, что частота генерации установки ТВЧ повлияла на процесс восстановления в Ма2В407 при карбоборировании, а введение порошковых восстановителей обеспечило интенсификацию процессов карбо-борирования. При этом было установлено, что процесс науглероживания не препятствует протеканию процесса карбоборировакия, а высокочастотное поле ускоряет его. При жидкостном карбоборировании в графитовом и металлическом тиглях при идентичных термовременных условиях толщина диффузионного слоя больше получена в графитовом тигле.Структурный и фазовый анализ карбоборидного и боридного слоев показал наличие существенных отличий в морфологии этих слоев. Применение КИХТО при карбоборировании в ИБС позволило получить новый вид "перистой" структуры, состоящей из пакетов острых боридных игл Fe2ß, кристаллографическая ориентация которых не совпадает с направлением насыщения,.расположённых в промежутках между боридами FeB. Эта новая новая структура обладает повышенной износостойкостью в сочетании с малой хрупкостью упрочненного слоя. Получение такой структуры позволило расширить область применения борированньи изделий при изготовлении вырубных штампов и ударного инструмента. Особенности кинетики Формирования диффузионного слоя при карбоборировании при КИХТО в ИБС позволило в 1,5 раза повысить скорость насыщения по сравнению с TBC и ЗВС.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена разработке новых упрочняющих технологических процессов и изучению получаемых новых диффузионных слоев после комплексной ЗХТО. Дефицит легирушмх элементов обусловил поиск новых составов нтсииаяких сред, позволяших в соляный валн-пх

обеспечивать защитную атмосферу и получать новые виды упрочняющих покрытий.

Жидкостное карбонитротитанирование производилось в комбинированном расплаве солей состава: 6% К4Ре(СТОв + 10% Т102 + 84% смеси С78% ВаС12 + 22% N301) при температуре 1000°С в течение 0,5: 1 и 2 часа в соляных ваннах с углеграфитовой и керамической футеровкой. Было замечено влияние порядка расплавления компонентов на интенсивность процесса карбонитротитанирования. По результатам исследований и экспери,.ЕНтов предложены оптимальные рекомендации по промышленному применению карбонитротитанирования. Комплексное насыщение Т1,М и С обеспечило получение в поверхностном слое карбонитротитанирован-ных изделий мелкозернистой зоны, микроструктура которой существенно-отличалась от микроструктуры подслоя и сердцевины. Замечено также, что содержание С и легирующих элементов в образцах также влияет на кинетику Формирования диффузионного слоя. Различие в микроструктуре обусловлено тем, что при Формировании структуры диффузионного упрочненного слоя и подслоя одновременно участвуют три элемента -С, N,11. Причем карбиды Т1 образуются в первую очередь и таким образом, регулируют Фазовый состав упрочняемого слоя. Высокоактивный Т1 задерживает рост зерна при нагреве, обеспечивая мелкозернистость упрочненного слоя. В ходе исследований отмечено, что материал футеров-, ки соляной ванны влияет на технологические свойства карбонитротита-нированного состава, что следует учитывать в условиях производства. Так, в соляной ванне с графитовым тиглем, расплав солей данного состава более технологичен и имеет меньшую летучесть. Отмеченное значительное различие микроструктуры поверхностного слоя в соляных, ваннах с графитовым и керамическим тиглями свидетельствует о необходимости учета этих Факторов в производственных условиях в связи с тем, что такое влияние Футеровок ИБС отмечалось и ранее при карбонитрировании, карбоборировании и других технологиях в ИВС. Наиболее существенно влияние Футеровки ИВС сказывается в процессе старения ИВС в производственных условиях, когда расплав солей активно загрязняется оксидами с поверхности насыпаемых изделий.

4.2. Жидкостное карбоборохромирование проводили в комбинированных расплава солей состава: 50ХКС1 + 20%ЫагВ407 + 20% В4С + 10%Сг20з при температуре 1000°С в соляной ванне с керамическим и графитовым тиглями. В ходе исследований установлено, что при идентичных условиях, толщина карбоборохромированного слоя,полученного в соляной ванне с графитовым тиглем в 3-5 раз больше, чем при насшении в соляной ванне с керамическим тиглем.В отличие от бо рад дного слоя,карбобо-рохромированный слой имеет микроструктуру с большой степенью разветвления в подслое,что позволяет обычно улучшить сцепляемость склонного к скалыванию боридного слоя с подслоем и сердцевиной. При наличии ударной нагрузки такой слой имеет меньшую скалываемость, что повышает стойкость изделий, например, вырубных штампов.

Таким образом, на основе экспериментальных данных, сделан вывод о необходимости проведения карбоборохромирования и карбонитротитанирования в соляных ваннах с углеграфитовой Футеровкой.

В. ПЯТОЙ ГЛАВЕ дана классификация упрочняпцих технологий,осуществлена разработка практических рекомендаций по применению данных технологий и освещены результаты реализации новых упрочняющих технологий на промышленных предприятиях.

Большой объем разработанных нов'^х технологий КИХТО в ИБС позволяет ввести в классификацию видов ХТО раздел конвекчионно-индук-ционных технологий ХТО в ИВС.

Технология жидкостного карбонтркрования крестовин кардана при внедрении на заводе "Аксайкардандеталь" позволила повысить стойкость данных изделий после КИХТО в ИВС в 30-40 раз по сравнению с заводским С что подтверждено актом стендовым испытаний).

Внедрение жидкостного карбоборохромирования,карбоборонитриро-вание и карбоборирования на Опытном производственно-торговом инженерно-медицинском арендном предприятии СМНТК "Микрохирургия глаза"3 позволило заменить инструмент, изготовленный в Германии из специальных твердых сплавов. Из предложенных трех типов технологических процессов наиболее оптимальные результаты были получены при кар-боборировании.

Положительные результаты применения новых технологий были получены и при внедрении на других заводах и предприятиях,что подтверждено соответствупцими актами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.Выполнен комплекс исследований и научно-технических разработок. результаты которых подтвердили целесообразность и перспективность использования конвекционно-индукционного способа нагрева и насыщения в расплавах солей и в комбинированных средах в индукционных соляных ваннах С ИВС) различного типа и назначения при получении новых технологических процессов упрочнения комплексной электрохими-ко-терыической обработкой С ЭХТО).

2. В соответствии с поставленной целью в работе в комплексе теоретически и экспериментально изучены процессы конвекционно-индук-ционной обработки в расплавах солей и в комбинированных средах в соляных ваннах.

3.На основании комплексных исследований обоснованы и объяснены принципы эффективной интенсификации процессов ХТО и ЭХТО в ИВС. основанной на воздействии высокочастотного электромагнитного поля, магнитодинаыической циркуляции расплава солей, перераспределения зарядов твердых частиц карбкризатора и углеграфитовой Футеровки в насыщающей жидкой среде и разности электрохимических потенциалов в гальваническом элементе при высоких температурах.

4.Проведено аналитическое и экспериментальное исследование процессов диФЬФузии,абсорбции и диссоциации в расплавах солей.помещенных в высокочастотное электромагнитное поле при одновременной ректификации расплава солей графитом.

5. Сформулированы основные принципы и разработана методика наработки новых упрочняющих технологий в расплавах солей и комбинированных средах.

6.Исследованы и реализованы на практике эффективные методы интенсификации процессов ЗХТО в ИБС, обеспечивающие не только упрочняющие покрытия с новым комплексом служебных свойств, но и значительно повышающие ресурсосберегаемость и экологичность технологических процессов ЭХТО.

7. В результате исследований разработаны следующие новые упрочняющие технологии ЭТО:

- электролизное карбонитрирование:

- жидкостное безэлектролизное карбонитротитанирование:

- жидкостное безэлектролизное карбоборирование;

- жидкостное карбоборирование.

8.Проведены исследования по определению оптимальных составов насыцаадих сред, режимов эксплуатации ИВС различного назначения.

9.Проведено исследование влияния материала футеровки ИВС на кинетику Формирования диффузионного слоя.

.10. Выявлены и теоретически обоснованы особенности кинетики переноса веществ в расплавах солей при конвекионно-индукционном способе нагрева и насыщения металлов и сплавов в ИВС.

11. Исследованыы процессы взаимодействия расплава солей с уг-леграфитовой футеровкой ИВС. Теоретически обоснованы выявленные в ходе исследований закономерности влияния процессов науглероживания, обезуглероживан'/я, эрозии и обезлегирования на активность ИВС при технологическом старении расплава солей,а также влияние этих процессов на интенсивность ХТО и ЭКЮ.

12. Даны рекомендации по внедрению новых технологических процессов'упрочнения поверхности деталей машин,инструмента и технологической оснастки.

ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ ОШДУКЩЕ РАБОТЫ :

1.Жураковский В. М., Симоненко А.Н..Берлин Г.А./Будкова Н.Л. Повышение надежности карданных шарниров.// Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 1991.-N7.-с. 41-42.

2. Симоненко А. Н., Будколва Н. Л. Влияние конвекционно-индукцион-ной обработки в расплавах солей на повышение качественных заданных характеристик изделий.//Совершенствование металлургической технологии в машиностроении.-Сб. II Всесоюзной НТК.-г. Волгоград, — 1991.

- с. 78-80.

3. Симоненко А. Н., Берлин Г. А., Будкова Н. Л. Термическая и химико-термическая обработка деталей машин и инструмента в индукционных соляных ваннах. //Национален конгрес по метапознание•и термична обработка. Сб. науч. докл. г. Варна, Болгария.-1991.-с.344-348.

4.Симоненко А.Н., Берлин Г.А. .Будкова Н. Л. Опыт промышленного применения технологии термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента в индукционных соляных ваннах.//Современ-

ныэ технологические процессы упрочнения и восстановления деталей: Тез. докл. республиканской НТК.- г. Нэвополоцк,1991.-е. 122-124.

5. Берлин Г. А., Курдюков В. А., Будкова Н. Л. Повышение эксплуатационных- характеристик отливок из графитизированной стали путем объемной и поверхностной термообработок.//Совершенствование металлургической технологии в машиностроении.-Сб.II Всесоюзной НТК.-г. Волгоград. -1991. -с. 121-123.

6. Симоненко А. Н.. Будкова Н. Л. Ресурсосберегающие конвекцион-ноиндукшонные технологии термической и химико-термической обработ^-ки в расплавах солей.//Повышение качества деталей машин,изготовления деталей машин методами отделочно-упрочняпцей обработки. - Сб. тезисов докл. НТК -г. Пенза.-1991.-с. 67-70.

7. Симоненко А. Н., Берлин Г. А., Будкова Н. Л. Термическая и хими-котермическая обработка деталей машин и инструмента в индукционных соляных ваннах.//Конструкторское и технологическое обеспечение высокоэффективного производства в автомобилестроении.-Сб. докл. НТК.-г. Ленинград.-1991.-с. 43-44.

8. Симоненко А. Н., ГТорошин В. В., Фоменко Н. Л., Алюшина Н. И. Теплофизика упрочнения деталей машин и инструмента в индукционных соляных ваннах. //Теплофизика технологических процессов. -Сб. тез.докл.

VI11 НТК -г. Рыбинск. - 1992. -с. 66-67.

9. Симоненко А. Н., Берлин Г. А., Будкова Н. Л. Оборудование и технология термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента в расплавах солей.//Юбилейна научна конференция Современны технологии и индустриально прекструктуриране.Сб.научн.докл.

г. Варна, Болгария. —1992. —с. 382—385.

10. Симоненко А. Н., Порошин В. В., Фомэнко Н. Л., Беспалова 0. М. Влияние процесса старения на обезуглероживашую активность индукционной соляной ванны.//Термическая обработка стали С теория,техника. эксперимент): Меж. вуз. сб. - РИСХМ. -г. Ростов-на-Дону. -1992. -с. 46-51.

11.Симоненко А.Н., Курдясов В. А. .Берлин Г. А., Фоменко Н. Л. Практика и перспективы термоупрочнения деталей машин и инструмента в индукционных соляных.ваннах.//Разработка конструкций и исследования технологических процессов' сельскохозяйственных машин.-Меж. вуз. сб. -г. Ростов-на-Дону.-1993.-с.107-113. •

12. Симоненко А. Н.. Фоменко Н. Л. Кинетика переноса вещества в расплавах солей при конвекционно-индукционном способа нагрева.//Термическая обработка стали С теория, техника, эксперимент): Меж. вуз. сб. ДГТУ. -г.Ростов-на-Дону-1993-1934г. г. -с. 50-52.