Введение к работе
Актуальность диссертации. Качество и ресурс технологической оснастки в значительной мере определяются технологией их упрочнения. Как правило, оснастка изготавливается из конструкционных среднеуглеродистых сталей с объёмной закалкой изделия и последующим отпуском. При эксплуатации во влажной среде используют нержавеющие стали, иногда без всякого упрочнения, что вызывает повышенный износ изделий и снижает их ресурс.
Перспективным направлением увеличения ресурса оснастки является химико–термическое упрочнение, в частности, нитроцементация, позволяющая повысить как механические свойства (твёрдость, прочность, усталостную прочность), так и антикоррозионные формированием стойких покрытий. Определёнными преимуществами обладает скоростная анодная нитроцементация: продолжительность упрочнения составляет несколько минут, не требуется подготовка упрочняемой поверхности, легко осуществляется локальная обработка изделий.
Разработка технологии анодной нитроцементации требует изучения теплофизических и металловедческих особенностей процесса для изыскания оптимальных составов электролитов и режимов обработки.
Цель исследования: разработка технологии скоростной нитроцементации конструкционных сталей для повышения их физико–химических свойств методом анодного электролитного нагрева.
Для реализации цели необходимо решить следующие задачи:
- Провести теоретический анализ распределения температуры по поверхности обрабатываемой детали, в частности, рассчитать профиль парогазовой оболочки, определяющий неравномерное выделение энергии в системе;
- Исследовать распределение тепловых потоков между парогазовой оболочкой и анодом для создания теплофизической модели анодного нагрева;
- Определить элементный, фазовый состав, структуру и толщину модифицированных слоёв на образцах из конструкционных сталей после их анодной нитроцементации с последующей закалкой. Изучить влияние режимов нитроцементации на поверхностную твёрдость и коррозионную стойкость упрочнённых образцов.
- Теоретически проанализировать процесс диффузии углерода и азота в сталь, найти собственные коэффициенты диффузии азота и углерода. Выявить взаимодействие потоков диффундирующих атомов азота и углерода; Определить зависимость коэффициентов диффузии и характера взаимодействия диффузантов от температуры обработки для поиска оптимальных режимов диффузионного насыщения.
- Определить режимы упрочнения технологической оснастки в карбамидном электролите, позволяющие повысить её твердость и коррозионную стойкость; Провести испытания в производственных условиях.
Защищаемые положения:
- Модели расчета теплофизических характеристик анодного нагрева, позволяющие вычислить распределение температуры в нагреваемой цилиндрической детали, толщину парогазовой оболочки, условный коэффициент теплоотдачи, тепловые потоки из оболочки в деталь.
- Модели расчёта собственных и перекрёстных коэффициентов диффузии азота и углерода при нитроцементации углеродистых и конструкционных сталей в растворе на основе карбамида.
- Режимы нитроцементации конструкционных сталей в электролите на основе карбамида, обеспечивающие повышение механических и антикоррозионных свойств нитроцементованных сталей.
Научная новизна диссертации определяется следующими основными положениями:
- Усовершенствована методика расчёта профиля анодной парогазовой оболочки, окружающей нагреваемую деталь, обеспечивающая количественное согласие с экспериментальными данными в пределах 6 %.
- Показана ограниченность применения коэффициента теплоотдачи для описания анодного электролитного нагрева из-за отсутствия явно выраженной теплоотдающей поверхности. Определение коэффициента теплоотдачи методом регулярного теплового режима дает лишь средние значения определяемой величины и не выявляет зависимости теплообмена от напряжения нагрева. Найдена зависимость условного коэффициента теплоотдачи от приложенного напряжения и длины обрабатываемой детали.
- Показана возможность применения метода спектроскопии ядерного обратного рассеяния (ЯОР) протонов к элементному составу поверхностного слоя сталей, модифицированных анодной нитроцементацией. Подтверждено ускорение диффузии углерода при наличии азота.
- Установлены режимы скоростной анодной нитроцементации образцов и изделий из конструкционных сталей, а также состав электролита, позволяющий повысить их микротвёрдость и антикоррозионные свойства.
Практическая значимость:
- Разработана технология скоростной нитроцементации стали 12Х18Н10Т с последующей закалкой в электролите, позволяющая повысить её микротвёрдость до 4,4 ГПа, без снижения общей антикоррозионной стойкости и без опасности развития межкристаллитной коррозии.
- Разработана технология скоростной нитроцементации среднеуглеродистой стали с последующей закалкой в электролите, позволяющая повысить её микротвёрдость до 6 ГПа, и в 6 раз снизить скорость коррозии в условиях приближённых к атмосферным, без снижения ударной вязкости.
Достоверность результатов подтверждается:
- Высокой воспроизводимостью результатов при экспериментальном исследовании вольт-температурных и вольт-амперных (ВАХ) зависимостей.
- Соответствием результатов математических моделей экспериментальным данным.
- Положительным результатом практического использования разработок при упрочнении деталей.
- Независимыми методами определения фазового и структурного состава материалов после обработки.
Реализация работы. Разработанная технология прошла опытно – промышленные испытания на предприятии ООО «ТМЗ» (г. Кострома) и внедрена в производство.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в Костромском государственном университете им. Н.А. Некрасова на семинарах кафедры «Общей физики»; на Международной научно – технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Кострома 2004); на Всероссийской снаучно – технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 2005); на 4–ой, 5–ой, 6–ой, 7–ой Всероссийских с международным участием научно – технических конференциях «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2005, 2006, 2007, 2008); на V Международном научно – практическом семинаре «Современные электрохимические технологии в машиностроении» (Иваново, 2005); на XXXII и XXXIV Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва 2006, 2008); на VII Международной студенческой научно – технической конференции «Автоматизация, технология и качество в машиностроении» (Украина, Донецк, 2006); на XIV и XV Международных научно – технических конференциях «Машиностроение и техносфера XXI века» (Украина, Севастополь, 2007, 2008); на II Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (Кострома, 2007); Международная конференция посвящённая 50 летию института химии молдавской академии наук (Молдова, Кишинёв, 2009); на I Международной научно – технической конференции «Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения» (Рыбинск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 5 статей в центральных журналах и 20 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, списка использованных источников (87 наименований), содержит 194 страниц, 15 таблиц, 84 рисунка.
