Введение к работе
Актуальность темы
Всё более увеличивающаяся доля технологий формирования упрочняющих покрытий в машиностроении и металлургии основана на применении источников с высокой объёмной и поверхностной концентрацией энергии, позволяющих осуществлять быстрый нагрев и расплавление поверхностного слоя металла. В ряду технологий, применяющих концентрированные электронные пучки, выделяются новые технологии, основанные на использовании электронов со значительно увеличенной энергией - релятивистских электронов. В ИЯФ СО РАН созданы промышленные ускорители электронов, позволяющие выводить концентрированный пучок электронов с энергией 1-1,6 МэВ и мощностью 100 кВт в атмосферу. Эффективная глубина проникновения электронов в металл составляет 0,5 — 1 мм. Производительность обработки достигает 100 см2/с при закалке и 30 см /с при наплавке.
Несмотря на уникальность метода и его возможностей для поверхностной обработки, проведенные в данной области исследования имеют, в основном, практическую направленность, структурные и фазовые превращения модифицированных слоев в зависимости от режимов электронно-лучевого воздействия изучены недостаточно и относятся к ограниченному кругу материалов. Новым малоизученным объектом для наплавки является титан и его сплавы, которые широко применяются в авиации, ракетной технике, машиностроении. Особый интерес представляют покрытия на титановых сплавах, сформированные из высокотвердых порошков карбидов, нитридов и боридов с высокой температурой плавления, которые обладают не только высокой твердостью и износостойкостью, но и повышенной жаростойкостью.
Для выявления основных закономерностей протекающих процессов и режимов электронно-лучевого воздействия, позволяющих достигать того или иного уровня свойств, необходимо знание температурно-временных зависимостей на различном расстоянии от поверхности. Ввиду сложности измерения температуры в зоне действия излучения, эта задача в настоящее время может быть решена только расчетным путем с помощью математического моделирования. При этом актуальным является поиск простых аналитических зависимостей между ключевыми параметрами процесса!
Целью работы является изучение закономерностей формирования упрочняющих покрытий на поверхности сталей и титановых сплавов методами закалки и наплавки в пучке релятивистских электронов, выведенных в атмосферу: теоретический расчет температурных полей и экспериментальные исследования модифицированных слоев.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать метод расчета температурных полей при электроннолучевой закалке плоских, цилиндрических изделий и изделий со сложной формой поверхности. Выявить в простом аналитическом виде связи между
универсальными параметрами процесса.
Исследовать закономерности формирования структуры в зоне электронно-лучевой закалки среднеуглеродистых и легированных сталей. Предложить набор параметров, полностью определяющих процесс и удобных для классификации режимов воздействия.
Сопоставив расчетные данные с экспериментальными, проанализировать характер наблюдаемых в поверхностном слое фазовых превращений. Систематизировать достижимые режимы закалки в соответствии со структурными особенностями закаленной зоны.
Применить метод для поверхностного упрочнения железнодорожных рельсов. Выполнить в общем виде расчет распределения поверхностной плотности энергии на криволинейной поверхности при сканировании излучения и применить его для оптимизации режимов обработки изделия.
Изучить структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях титана и титановых сплавов при электронно-лучевой наплавке порошков тугоплавких соединений. Проанализировать происходящие в наплавленных слоях фазовые переходы в рамках диаграмм состояний соответствующих систем.
Исследовать влияние режимов электронно-лучевой наплавки на твердость и износостойкость поверхностного слоя. Определить механизм изнашивания материала покрытия. Установить связь между структурой, твердостью и износостойкостью упрочнённого слоя.
Научная новизна. В работе впервые:
Сформулирована математическая модель пучка релятивистских электронов как объемного теплового источника. Путем аналитического представления температурного поля на основе функций Грина выведены формулы для расчета температурно-временных зависимостей при обработке материала электронным пучком без плавления.
Проведен расчет температурных полей, возникающих в плоских образцах, поступательно перемещающихся под неподвижным и под сканирующим пучком, а также в цилиндрических образцах, закаливаемых с вр;ццени-ем, и в изделиях сложной формы. Получены простые обобщающие формулы для инженерного расчета режимов обработки.
3. Исследованы закономерности формирования структуры и свойств по
верхностных слоев среднеуглеродистых и легированных сталей. Режимы за
калки классифицированы по времени воздействия на «быстрые», «средние» и
«медленные». Обнаружен эффект резкого измельчения структуры при закал
ке поверхностного слоя ряда легированных сталей.
4.Установлена линейная зависимость между глубиной слоя фазовой перекристаллизации и поверхностной плотностью введенной энергии излучения, имеющая место во всем интервале времен воздействия. Показано, что для протекания процесса аустенизации в зоне облучения необходим перегрев
на 120-150С выше температуры Ас3 на равновесной диаграмме состояния Fe-C.
5.Изучены структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях технического титана и титановых сплавов при электронно-лучевой наплавке. Показано, что повышение твердости при наплавке связано с образованием неравновесной заэвтектической либо эвтектической структуры на основе карбидов, нитридов, боридов и силицидов титана и упрочнением матрицы.
6. Выявлен механизм износа слоев электронно-лучевой наплавки, заключающийся в избирательном изнашивании матрицы и последующем разрушении содержащихся в ней частиц включений. Установлена корреляция между износостойкостью и объемной долей частиц фазовых включений, которая регламентирует длину пути износа матрицы.
Научная и практическая значимость
Предложенные методы расчета температурных полей применительно к закалке электронным пучком изделий разной формы (плоской, цилиндрической) позволяют полностью моделировать процесс при разработке технологии упрочнения в промышленных условиях.
Полный расчёт температурно-временных зависимостей на различных глубинах от поверхности и распределения максимально достигаемых по глубине температур позволяет предсказывать глубину слоя, характер образующихся в нём структур, а, следовательно, и уровень достигаемых значений твердости и износостойкости.
Полученная в работе простая формула, связывающая поверхностную плотность вводимого пучком тепла и характерное время воздействия пучка с достигающейся в обрабатываемом слое температурой, может быть использована для инженерных экспресс-расчетов с целью предварительного выбора режимов обработки.
Расчет распределения плотности поглощённой энергии на радиусной и примыкающей к ней поверхностях головки железнодорожных рельсов позволил оптимизировать режимы обработки изделия. Разработаны научные основы технологии упрочнения поверхности железнодорожных рельсов, включающей закалку и отпуск электронным пучком.
Установленная экспериментально линейная зависимость между глубиной закаленного слоя и введенной энергией излучения дает возможность, зная характеристики пучка (ток, ускоряющее напряжение, скорость обработки), прогнозировать эту глубину, не проводя специальных исследований.
Обнаруженный эффект формирования дисперсной и ультрадисперсной мартенситной структуры в поверхностных слоях ряда легированных сталей позволяет повысить твердость на 15-20 % по сравнению с твердостью, достигаемой обычной печной закалкой, при сохранении прочности и пластичности.
— Электронно-лучевой наплавкой на титановые сплавы получено увеличение твердости поверхностного слоя в 2 - 3 раза, а износостойкости в 10 -25 раз по сравнению с основным металлом. Результаты исследований структуры и свойств покрытий могут быть использованы для разработки технологий упрочнения разнообразных изделий как из титана, так и из других материалов.
Положения, выносимые на защиту
Математическая модель температурного поля, создаваемого релятивистским электронным пучком в материале при закалке плоских и цилиндрических изделий.
Упрощенные формулы для инженерных расчетов, связывающие параметры режимов закалки со значением максимальной температуры, достигающейся в образце.
Результаты исследования структуры поверхностных слоев среднеуглеро-дистых сталей, модифицированных электронно-лучевой закалкой, и классификация режимов закалки по времени воздействия пучка.
Линейная зависимость между глубиной зоны фазовой перекристаллизации и поверхностной плотностью введенной энергии излучения во всем интервале режимов электронно-лучевого воздействия.
Эффект значительного измельчения структуры в зоне электроннолучевой закалки легированных сталей при электронном облучении, позволяющий увеличить показатели твердости на 15-20% по сравнению с печной закалкой.
Расчет энергораспределения в головке железнодорожного рельса при обработке электронным пучком и режимы обработки радиусной и боковой поверхности головки.
Совокупность экспериментальных данных о структуре, фазовом составе и механических свойствах покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на титановые сплавы, и механизм изнашивания материала покрытий.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на семинарах в Похангском университете науки и технологии (г. Поханг, Ю.Корея, 2002), Новосибирском государственном техническом университете (2003 г.), Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (2006 г.), Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (2006 г.) и на следующих конференциях: Гм Всесоюзная конференция, 8-0 Всероссийское совещание, 4м Всероссийская, 6, 7, 8_ая Международные конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск 1988, 1996, 2002, 2004, 2006), 2т и 5"м "Международная конференция по применению электронно-лучевых технологий" (Варна 1988, 1997), 6ая Всесоюзная конференция, 8"ое, 9"е Всероссийское, 10"ое Международное
совещание по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт-Петербург 1988, 1995, 2001), Семинар "Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов" (Москва 1989), 7"ои Международный конгресс по термообработке материалов (Москва 1990), Советско-Американская конференция "Новые материалы и технологии в трибологии" (Минск 1992), Гьш Международный симпозиум по пучковым технологиям (Дубна 1995), IV Международная конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск 1998), IX, XIII Международное совещание "Радиационная физика твёрдого тела" (Севастополі. 1999, 2003), З'ии Русско-Корейский международный симпозиум по науке и технологии (Новосибирск 1999).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 53 работы, из них 21 публикация в центральных журналах, включая 7 - в зарубежных, и два патента.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методического раздела, трех оригинальных разделов, заключения, списка литературы и 2х приложений. Общий объем работы составляет 277 страниц, включая 101 рисунок, 22 таблицы, библиографический список содержит 153 наименования.
