Введение к работе
Актуальность темы. Развитие промышленности приводит к появлению новой техники и расширяет требования к материалам, необходимым для ее изготовления. В ряде случаев они обеспечиваются путем упрочнения поверхности деталей. Функциональные свойства поверхностных слоев металлов и сплавов определяются, прежде всего, особенностями их структуры и фазового состава. Настоящая работа выполнена в рамках общего направления развития научных исследований и практических разработок по решению актуальной проблемы упрочнения металлов и сплавов с использованием находящих все более широкое применение в промышленности концентрированных потоков энергии, таких как лазерное излучение, электронные пучки, плазменные потоки и струи. Они характеризуются кратковременным и локальным высокоэнергетическим воздействием на поверхность и позволяют повышать такие функциональные свойства, как износо-, жаро- и коррозионная стойкость в несколько раз.
Одним из новых методов упрочнения является электровзрывное легирование (ЭВЛ), заключающееся в модификации структуры и свойств металлов и сплавов путем формирования при электрическом взрыве проводников многофазной плазменной струи, оплавлении ею упрочняемой поверхности и насыщении расплава продуктами взрыва с последующей самозакалкой. Результаты ЭВЛ определяются совместным влиянием на упрочняемую поверхность теплового, силового и химического факторов обработки. Источником легирующих элементов при ЭВЛ является многофазная струя продуктов взрыва, а также порошковые частицы различных веществ, вводимые в область взрыва. Дополнительное улучшение свойств поверхности после ЭВЛ возможно при последующей электронно-пучковой обработке (ЭПО), вызывающей импульс-но-периодическое переплавление поверхности легирования. Вместе с тем, процессы формирования структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов при ЭВЛ и последующей ЭПО изучены недостаточно.
Цель и задачи исследования. Работа посвящена выявлению закономерностей формирования рельефа поверхности, распределений элементного и фазового составов по глубине, повышения микротвердости и износостойкости поверхности стали 45 в зависимости от параметров электровзрывного бо-ромеднения и последующей электронно-пучковой обработки.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
выявить влияние параметров ЭВЛ и ЭПО на особенности рельефа поверхности, строения по глубине, структуры и фазового состава поверхностных слоев;
выявить влияние параметров ЭВЛ и ЭПО на повышение износостойкости и микротвердости поверхности обработки;
провести теоретический анализ механизмов электровзрывного легирования и формирования структуры границы зоны легирования с зоной термического влияния стали.
Научная новизна. Впервые изучено влияние режимов электровзрывного боромеднения и последующей ЭПО стали 45 на особенности рельефа поверхности обработки, строения по глубине зоны упрочнения, ее структуры и фазового состава. Показано, что обработка приводит к формированию градиентных слоев с субмикрокристаллической структурой, включающей новые наноразмерные упрочняющие фазы боридов, карбоборидов и карбидов. Установлено, что обработка в оптимизированных режимах приводит к увеличению микротвердости и износостойкости в условиях сухого трения скольжения в несколько раз. При этом глубина зоны упрочнения после комбинированной обработки больше, чем после ЭВЛ. Предложен механизм легирования расплава и формирования тонкого подслоя на границе с зоной термического влияния на основе представлений о возникновении гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.
Научная и практическая значимость работы. Разработаны способы формирования псевдосплава из несмешиваемых в равновесных условиях элементов (железо-медь), заключающиеся в электровзрывном боромеднении и последующей ЭПО. Выявлены оптимальные режимы ЭВЛ и ЭПО, позволяющие формировать поверхностные слои с минимальной шероховатостью поверхности и максимальной глубиной зоны упрочнения, повышенными в 3...5 раз значениями микротвердости и износостойкости по сравнению с их значениями в основе. Разработаны математические модели процессов ЭВЛ, позволяющие управлять формированием структуры и свойств упрочняемых поверхностных слоев. Показано, что повышение физико-механических свойств обусловлено формированием субмикро- и нанокристаллических структур, содержащих упрочняющие фазы. Результаты работы используются аспирантами, обучающимися по специальностям «Физика конденсированного состояния», апробированы на предприятиях промышленности и рекомендованы к внедрению.
Реализация результатов. Результаты исследования нашли практическое использование в научной деятельности СибГИУ и НГТУ: отчет по научно-исследовательской работе «Процессы формирования структуры и фазового состава углеродистой стали 45 при электровзрывном боромеднении и последующей электронно-пучковой обработке» (№ гос. регистр. 01201063328 от
г.) и отчет по научно-исследовательской работе «Модификация поверхности стали 45 с помощью электровзрывного боромеднения и последующей электронно-пучковой обработки» (№ гос. регистр. 01201172028 от
г.).
На ООО «Ремкомплект» (г. Новокузнецк) разработаны технологические рекомендации по упрочнению рычага цангового зажима многошпиндельного станка-автомата. Испытания опытной партии показали, что твердость (900 HV) и глубина (100 мкм) упрочненного поверхностного слоя рычагов удовлетворяют конструкторским требованиям к этой детали. На ООО «Вест 2002» (г. Новокузнецк) совместно со специалистами кафедры машиностроительных технологий и оборудования АлтГТУ (г. Барнаул) разработаны и апробированы
технологические рекомендации по электровзрывному упрочнению ножей для дробления древесины, фрез и сверл по дереву.
Результаты диссертации используются на кафедре материаловедения и технологии конструкционных материалов ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет» (г. Москва), где разработаны рекомендации для упрочнения пар трения, работающих в условиях трения скольжения, абразивного изнашивания и кавитации. Результаты диссертации используются в физико-техническом институте ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» (г. Тольятти) для повышения износостойкости и увеличения ресурса торцевых уплотнений, кулачков, ограничителя в ходовых механизмах, гильотинных ножей, применяемых для резки бумаги и картона.
Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием высокоинформативных методов световой и сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, определения микротвердости и износостойкости, соответствием полученных экспериментальных данных и результатов теоретического анализа результатам других авторов.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, проведении электровзрывного боромеднения стали 45 и последующей ЭПО, исследовании упрочненной поверхности методами современного материаловедения, определении ее микротвердости и износостойкости, разработке математических моделей процессов формирования зоны ЭВЛ, написании и подготовке статей к публикации.
Основные результаты, выносимые на защиту:
результаты изучения рельефа, строения по глубине, структуры и фазового состава поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения и последующей ЭПО в различных режимах;
повышение микротвердости и износостойкости в условиях сухого трения скольжения поверхностных слоев стали 45 после электровзрывного боромеднения и последующей ЭПО в оптимизированных режимах;
механизмы легирования и формирования структуры границы зоны легирования с зоной термического влияния.
Апробация работы. Результаты диссертации представлялись на следующих конференциях, чтениях, семинарах и школах: IV, V Российской научно-технических конференциях «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2009, 2011; XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2009; XI Международных семинарах «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий», Обнинск, 2009, 2011; 48-й, 50-й, 51-й Международных конференциях «Актуальные проблемы прочности», Тольятти, 2009, Витебск, 2010, Харьков, 2011; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 2009; Всероссийских научных конференциях молодых учёных «Наука. Технологии.
Инновации», Новосибирск, 2009, 2010; VI, VII Международных семинарах «Физико-математическое моделирование систем», Воронеж, 2009, 2010; XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2010; VI Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2010; VI Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», Оренбург, 2010; Международной научно-технической конференции «Современные материаловедение и нанотехнологии», Комсомольск-на Амуре, 2010; XI Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах», Барнаул, 2010; XIX Республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния, Гродно, 2011; 9-ой Международной конференции «Взаимодействие излучений с твёрдым телом», Минск, 2011.
Тема диссертации соответствует критической технологии РФ «Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов» и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем». Работа выполнялась в соответствии с темами Минобразования РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракты №№ П332, 14.740.11.0693, 14.740.11.0813, 02.740.11.0538 и 14.740.12.0858) и грантами РФФИ (проекты №№ 08-02-00024-а, 10-07-00172-а).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 24-х работах, в том числе в 8-ми статьях в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 2-х главах в коллективных монографиях, остальные - в трудах всероссийских и международных конференций и других научных мероприятий.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния (технические науки).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 5 разделов, заключение и приложение, изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 2 таблицы, список литературы состоит из 113 наименований.
