автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние термоэлектрической обработки на структуру и свойства поверхностного слоя низколегированных сталей

введение

1 формирование структуры и свойств поверхностных слоев сплавов в присутствии электрического тока

1.1. Электрохимико-термическая обработка сталей.

1.2. Воздействие потока электронов на металлы и сплавы.

1.3. Фазовые превращения в магнитном поле.

1.4. Электрохимическое упрочнение стали в расплаве соли.

1.5. Постановка задач исследования. . . . .".

2 способ термоэлектрической обработки и методика исследований

2.1. Сущность способа.

2.2. Методика термоэлектрической обработки и экспериментальная установка.

2.3. Определение режимов ТЭО.

2.4. Материалы и методы исследования.

3 экспериментальные результаты и их обсуждение

3.1. Термодинамические представления о диффузии легирующих элементов в металле электрода.

3.2. Термоэлектрообработка с последующей нормализацией.

3.3. Термоэлектрообработка с последующей закалкой.

3.4. Структурные исследования образцов.

3.5. Термодинамическая оценка фазообразования и анализ результатов ТЭО.

4 апробация результатов работы

4.1. Термоэлектрообработка токарных резцов.

4.2. Термоэлектрическая обработка деталей нефтегазо-промыслового оборудования. выводы литература.

Актуальность. В настоящее время существуют различные способы формирования свойств поверхностного слоя материалов. При этом наряду с такими классическими методами как химико-термическая обработка применяются и специфические технологии с использованием электрического тока.

Обзор литературных данных свидетельствует, что электромагнитное воздействие на материалы в процессе их термической обработки, существенно влияет на физико-химические свойства. Так, термомеханическая обработка в магнитном поле приводит к значительному повышению прочностных характеристик. Использование электронагрева в процессе химико-термической обработки не только ускоряет течение реакций, но и улучшает свойства поверхности.

В тоже время многие аспекты электромагнитного влияния изучены недостаточно полно. Практически нет информации о воздействии электрического тока на материал анода при химико-термической обработке, хотя катодные процессы широко исследованы. Очевидно, однако, что термообработка в сочетании с прохождением электрического тока через материал позволяет рационально использовать потенциальные резервы материалов, обусловливает эффективность и надежность эксплуатации изделий, позволяет заменить высоколегированные стали менее дорогими.

Целью настоящей работы являлось изучение закономерностей формирования структуры и свойств поверхности низколегированных сталей при термообработке с непосредственным воздействием постоянного электрического тока малой плотности. 5

Работа выполнена в рамках региональной научно-технической программы "Тюмень" и грантов Министерства образования Российской Федерации 1997 - 2000 гг.

выводы

1. Разработан новый способ получения поверхностных слоев на низколегированных сталях - термоэлектрическая обработка (ТЭО). В предлагаемом способе легирующие элементы поступают не из внешней насыщающей среды, а из внутренних участков материала. Сконструирована и изготовлена установка для проведения ТЭО.

2. Получена зависимость соотношения активностей сплавообразующих элементов при отсутствии и наличии электрического тока в системе, позволяющая качественно оценить влияние потенциала между электродами на изменение активности.

3. Проведен анализ диффузионных потоков вакансий и сплавообразующих элементов в материале анода при наличии электрического тока. Показано, что поверхностный слой материала анода обогащается легирующими элементами за счет их диффузии из внутренних участков. Концентрация легирующих элементов в поверхностном слое, по сравнению с внутренними участками, увеличивается в среднем в 2,0 - 4,0 раза.

4. ТЭО легированных сталей приводит к упрочнению в 1,20 - 4,01 раза, уменьшению износа образцов в 1,6 - 1,8 раза и увеличению коррозионной стойкости в 1,3 - 1,7 раза. Коэффициент упрочнения регулируется продолжительностью процесса, величиной потенциала, а также скоростью охлаждения.

5. Структурные исследования и термодинамические расчеты показали, что причиной упрочнения является торможение движения дислокаций дисперсными фазами типа оксидов, нитридов и инетрметалли-дов.

1. Гельфонд A.C. // Станки и инструмент. 1936. № 6. С. 16-19 (цитировано по: Закалка стали в магнитном поле/ М.А. Кривоглаз, В.Д. Садовский, J1.B. Смирнов, Е.А. Фокина. -М.: Наука, 1977. 120с.).

2. Гудцов Н.Т., Сумин И.А. //Металлургия. 1937. № 4. С. 55-59 (цитировано по: Закалка стали в магнитном поле/ М.А. Кривоглаз,

3. B.Д. Садовский, Л.В. Смирнов, Е.А. Фокина. -М.: Наука, 1977. 120с.).

4. Промышленное применение токов высокой частоты,- М,- Л.: Машиностроение, 1964. 139 с.

5. Кидин И.Н., Андрюшечкин В.И. Диффузия хрома из гальванического слоя в железо и сталь при быстром электронагреве // МиТОМ. 1964. №3,-С. 53-56.

6. Концентрационные градиенты после насыщения хромом при быстром нагреве / И.Н. Кидин, В.И. Андрюшечкин, С.Б. Масленков, Т.В. Егоршина // Известия вузов. Черная металлургия. 1964. №11.1. C. 174-179.

7. Андрюшечкин В.И., Кидин И.Н. О влиянии скорости нагрева на соотношение объемной и граничной диффузии хрома в железе // ФММ. 1967. Т. 23. Вып. 1,- С. 164-167.

8. Кидин И.Н., Андрюшечкин В.И. и др. Диффузионное насыщение аустенита при скоростном электронагреве // Структурные и фазовые превращения при нагреве стали и сплавов: Материалы конф,-Пермь, 1970. С. 19-29.

9. Андрюшечкин В.И., Сушков Г.В. Измерение температуры при диффузионном насыщении стали из обмазок // Заводская лаборатория. 1967. №4. С. 470-471.

10. Забродский С.С., Бородуля В.А., Тофпенец P.JI. Формирование диффузионных слоев на железоуглеродистых сплавах // Инженерно физический журнал, 1971. Т.21. - №1. - С.72-75

11. Кидин И.Н., Андрюшечкин В.И. Структурные и фазовые превращения при нагреве стали и сплавов. Пермь: Книжное издательство, 1970. -С.19-35.

12. И. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Высокочастотная термическая обработка // МиТОМ, 1965. №3. - С.12

13. Дубинин Г.Н. Диффузионное хромирование сплавов,- М.: Машиностроение, 1964,- 452с.

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

15. О механизме и эффективности цементации металлических изделий в электротермическом псевдоожиженном слое / С.С. Забродский, В.А. Бородуля, Р.Л. Тофпенец, Г.Г. Тюхай // Инженерно- физический журнал. 1971. Т. 21. №1,- С. 120-126.

16. Бородуля В.А. Высокотемпературные процессы в электротермическом кипящем слое,- Минск: Наука и техника, 1973,- 176 с.

17. Муравьев В.И., Курбатов В.П. Применение электрического тока в процессах ХТО // МиТОМ, 1971, №9. - С.24-28

18. Бородуля В.А., Тофпенец Р.Л. Тепло и массоперенос. Киев: Нау-кова думка, 1972. - 141с.

19. Бабад-Захряпин A.A., Кузнецов Т.Д. Химико-термическая обработка в тлеющем разряде. М.: Атомиздат, 197. - 175с.

20. Рябченко Е.В. Структура и свойства жаропрочных сплавов. М.: МАИ, 1971.-С92 -96.

21. Исследование процесса диффузионного насыщения стали в электротермическом кипящем слое / В.А. Бородуля, Г.П. Сугак, A.A. Третьяков и др. // Тепло- и массоперенос в дисперсных системах: Докл. совещ,- Т. 5,- Киев: Наукова думка, 1972. С. 153-158.

22. Ванин B.C., Пермяков В.Г. Ускорение высокотемпературной цементации стали // Известия АН СССР. Металлургия и топливо. 1962. №5. С. 92-95.

23. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. -М.: Металлургия, 1985. 252 с.

24. Ляхович Л.С., Беляев В.И. Азотирование стали с нагревом токами высокой частоты,- Минск: Министерство высшего и среднего специального образования БССР, 1961,- 45 с.

25. Спектор А.Г. О существовании эффекта Гевелинга // ЖТФ. 1951. Т. 21. Вып. 10. С. 1153-1156.Гудцов Н.Т., Сумин И.А. //Металлургия. 1937. №4. С. 55-59 (цитировано по 33.).

26. Гардин A.M. // Металлург. 1938. № 3. С. 62-66 (цитировано по 33.).

27. Защитные покрытия на металлах,- Киев: Наукова думка, 1965. 144с.

28. Гардин A.M. // Металлург. 1938. № 3. С. 62-66 (цитировано по 33.).

29. Schenk Н., Schmidtmann Е. // Arch. Eisenhuttenw. 1954. В. 25. S. 579-584 (цитировано по 33.).

30. Головин Г.Ф., Замятин М.М. Высокочастотная термическая обработка,- М.-Л.: Машгиз, 1959. 186 с.

31. Спектор А.Г. Нитроцементация с применением электрического тока // ЖТВ, 1951. -Т.21. Вып. 10. - С. 1113-1153.

32. Кидин И.H., Андреев Ю.Г. Нитроцементация стали с нагревом токами высокой частоты // Известия вузов. Черная металлургия. 1961. №5. С. 153-161.

33. Barnes R.S.// Philos. Magazine. 1958. V. 25. N 3. P. 97-102 (цитировано по 35.).

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

35. Быстров JI.H., Иванов Л.И., Банных O.A. Влияние электронного облучения на механические свойства термомеханически обработанной стали // Физика металлов и металловедение. 1965. Т. 19. Вып. 4. С.791-792.

36. Пронман И.М. Действие ядерных излучений на материалы,- М.: АН СССР, 1962,-С. 81. 1.44.

37. Структура и свойства металлов и сплавов: Справ. Шалаев A.M. Свойства облученных металлов и сплавов. -Киев: Наукова думка, 1985. 308 с.

38. Herbert Е. G. //J. Iron and Steel Inst. 1929. V. 120. N 2. с. 239. (цитировано по 37.).

39. Erdmann-Jesnitzer F. //Metallurgie und Giessereitechnik, 1951. H. 2. S. 28 (цитировано по 37.).

40. Иванова В. С., Гордиенко Л. К. Новые пути повышения прочности металлов. -М.: Наука, 1964.

41. Бернштейн М. Л. Термо-механико-магнитная обработка металлов и сплавов // МиТОМ. 1960. № 10. С. 31-36.

42. Упрочнение легированной машиностроительной стали термомеханической обработкой / Е. В. Астафьева, М. Л. Бернштейн, И. Н. Кидин и др. //МиТОМ. 1961. № 8. С. 54-56.

43. Патент США № 3188248, МКИ В22 F 3/14 /В. Бассет. Опубл. 1960.

44. Colver G. Bubble control in gaz fluidized beds with applied electric field// Powder Technology. 1977. V. 17. № 1. P. 9-18.

45. Закалка стали в магнитном поле / В.Д. Садовский, Л. В. Смирнов, Е. А. Фокина и др. // ФММ. 1967. Т. 24. Вып. 5. С. 918-939.

46. Закалка стали в магнитном поле/ М.А. Кривоглаз, В.Д. Садовский, Л.В. Смирнов, Е.А. Фокина. -М.: Наука, 1977. 120с.

47. Франкевич ЕЛ. Магнитные поля и скорость реакций // Вестник АН СССР. 1978. №2. С. 80-92.

48. Туманов Ю.Н. Низкотемпературная плазма и высокочастотные электромагнитные поля в процессах получения материалов для ядерной энергетики,- М.: Энергоатомиздат, 1989. 280 с.

49. А. с. № 439529 СССР, С21 D 1/04. Способ упрочнения изделий из аустенитных сталей/ Л. Д. Ворончихин, Л. Н. Ромашев, В. Д. Садовский, И.Г. Факидов// БИ. 1974. №30 от 15.08.74.

50. Кусков В.Н. Электрохимическое упрочнение стали в расплаве соли // Тез.докл. семинара "Эффективные технологические процессы и оборудование для восстановления и упрочнения деталей машин". Пенза.-1991,- С.74-75.

51. Кусков В.Н. Повышение эффективности использования легирующих элементов в сталях электро-химико-термической обработкой // Тез.докл. "Комплексные методы повышения надежности и долговечности деталей технологического оборудования",- Пенза,-199,- С.8-9.

52. Повышение эксплуатационных характеристик сталей для нефтега-зопромыслового оборудования и трубопроводов термоэлектрической обработкой // Тез. докл. XVII научн. техн. конф. студентов и молодых ученых. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1998. - С. 147-148.

53. О возможности снижения потерь железа при высокотемпературной коррозии сталей за счет оптимизации их раскисления. В.Н. Кусков, С.П. Бурмасов, С.Г. Братчиков, П.И. Булер // Известия вузов. Черная металлургия, 1983,- №8,- С.63-66.

54. A.c. № 1761812 СССР, МКИ С23 С 8/10. Способ термической обработки стали, легированной хромом и/или алюминием, и окислительная среда для его осуществления/ В.Н. Кусков (СССР) // БИ. 1992. №34 от 15.09.92

55. Феттер К. Электрохимическая кинетика. М.: Химия, 1967. 856 с.

56. Кодомской JI.H, Рудой В.М., Левин А.И. О методике изготовления микроэлектродов для электрохимических исследований // Электрохимия. 1967. Т. 3. № 6. С. 499-500.

57. О причинах торможения анодного окисления железа в боратном расплаве / П.И. Булер, В.Б. Лепинских, Г.А. Топорищев, О.Н. Есин //Электрохимия. 1974. Т. 10. №7. С. 1153-1155.

58. Патент № 2004616 РФ, МКИ С23 С 8/42. Способ электролизного борирования легированных сталей/ В.Н. Кусков (РФ) // БИ. 1993. №45-46 от 15.12.93.

59. A.c. № 1788083 СССР, МКИ С23 С 8/42. Способ химико-термической обработки стальных изделий/ В.Н. Кусков, С.П. Бурмасов (СССР) // БИ. 1993. №2 от 15.01.93.

60. Патент № 2005810 РФ, МКИ С23 С 8/42, С25 D 11/34. Способ термической обработки быстрорежущих сталей/ В.Н. Кусков (РФ) // БИ. 1994. №1 от 15.01.94.

61. Коваленко B.C. Металлографические реактивы: Справ, изд.- М.: Металлургия, 1981. 120 с.

62. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: Металлургия. - 1970. - 376с.

63. Томашов Н. Д. Исследование коррозии сплавов и разработка научных принципов коррозионного легирования //Итоги науки. Коррозия и защита от коррозии. Т. 1. -М.: Наука, 1971. С. 9—64.

64. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика сплавов железа. М.: Металлургия, 1984. 208 с.

65. Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. -М.: Металлургия, 1969. 252с.

66. Kaufman L., Nasor Н.// Metallurgical Transactions. 1974. V. 5. № 7. Рр 1617-1629; 1975. V. 6а. № 11. Рр 2115-2131.

67. А.с. № 1761812 СССР, МКИ С23 С 8/10. Способ термической обработки стали, легированной хромом и/или алюминием, и окислительная среда для его осуществления/ В.Н. Кусков (СССР) // БИ. 1992. №34 от 15.09.92.

68. Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. Специальные стали. -Москва: Металлургия, 1985.

69. Геллер Ю. А. Инструментальные стали. -Москва, Ленинград: Металлургия, 1975. 584 с.

70. Патент № 2061089 РФ, МКИ С23 С 8/42. Способ термической обработки стальных деталей/ В.Н. Кусков (РФ) // БИ. 1996. № 15 от 27.05.96.

71. Исполнители: Кусков В.Н. к.т.н. доиент: Теплоухов О.Ю.аспирант

72. Апробация и научная новизна: публикаиии в научных изданиях.доклады на научно-технических конференииях

73. Опытно-промышленные испытания показали: повышениеизносостойкости в 1.6 раза

74. Экономический эффект в расчете на год: 34 200 руб.1. От вуза:1. От предприятия:акт внедрения результатов научно-исследовательских работ

75. Исполнители: Кусков В.Н. к.т.н. доиент: Теплоухов О.Ю.аспирант

76. Апробация и научная новизна: публикаиии в научных изданиях.доклады на научно-технических конференциях

77. Опытно-промышленные испытания показали: снижение износа позадней поверхности режущего инструмента в 1.3 раза

78. Экономический эффект в расчете на год: 56 000 руб.конструкционных материаловп

79. Тюменского государственного1. Р181. От вуза: Проректор

80. От предприятия: ^Ш^йцгенеральногоизводству ¡дюшин Г.В.