Дипломная (вкр): Изучение микроструктуры и свойств упрочненного слоя, полученного путем плазменной закалки

Изучение микроструктуры и свойств упрочненного слоя, полученного путем плазменной закалки

Введение

Одной из важнейших задач современного этапа развития машиностроения является повышение качества, надежности и долговечности деталей и узлов различных машин и механизмов. Для радикального решения этой проблемы необходим комплексный подход, включающий создание новых материалов, разработку и освоение новых технологий.

В частности, для некоторых типов деталей в соответствии с особенностями нагружения при эксплуатации необходимо обеспечить высокую твердость, износостойкость поверхностного рабочего слоя и достаточно хорошую вязкость и пластичность сердцевины. Это касается деталей, работающих в условиях износа с одновременным действием динамических нагрузок. При динамической изгибающей нагрузке максимальные напряжения возникают в поверхностном слое изделия. Это же относится и к касательным напряжениям, возникающим при кручении. При воздействии на деталь знакопеременной нагрузки разрушение от усталости также начинается в поверхностном слое.

В процессе эксплуатации многих машин и механизмов их детали работают в жестких условиях в контакте с агрессивными средами при высоких температурах, вызывающих как существенный износ поверхности, так и интенсивную коррозию. Изнашивание рабочих поверхностей деталей нередко требует их полной замены, что повышает себестоимость производства, тогда как их массогабаритные характеристики составляют 90-95% от номинальных. Следовательно, нет необходимости большинству деталей машин придавать одинаковые свойства по всему сечению способами объемной закалки. В некоторых случаях это может оказаться не только излишним, но даже вредным.

Наиболее рациональное распределение свойств по сечению многих деталей - наибольшая твердость поверхностных слоев при достаточно вязкой сердцевине и плавном переходе между ними. Такое распределение свойств по сечению наиболее целесообразно и с точки зрения долговечности работы изделий [1]. Снижается риск поломок при эксплуатации.

Среди методов упрочнения поверхности наиболее распространенными являются поверхностная термическая закалка и различные способы химико-термической обработки (цементация, азотирование и др.). Поверхностная термическая закалка по сравнению с химико-термической обработкой требует значительно меньшего времени и является, поэтому, более предпочтительной.

В данной работе отражаются ход и результаты исследований свойств поверхностного упрочненного слоя заготовок, полученного методом плазменной закалки. Для проведения данных исследований необходимо подготовить образцы для упрочнения, выполнить упрочнение, проанализировать результаты, установить как влияют на свойства получаемого упрочненного слоя основные параметры режима закалки. Также в данной работе на основании проведенного исследования предпринята попытка задать оптимальные параметры режима для упрочнения деталей машин, изготавливаемых из различных марок конструкционных сталей.

1. Обзор методов поверхностного упрочнения высококонцентрированными источниками нагрева

К наиболее перспективным и прогрессивно развивающимся способам поверхностной закалки следует отнести способы, основанные на применении высококонцентрированных источников нагрева: плазменная струя, лазерный луч, электронный пучок [3]. Их применение позволяет получить более высокие эксплуатационные свойства изделий и качество упрочнения. Внедрение высококонцентрированных источников нагрева позволяет резко сократить энергозатраты, уменьшить коробление деталей, исключить необходимость использования различных сред и при этом полностью автоматизировать процесс [5]. В соответствии с применяемым источником нагрева различают следующие способы поверхностной термической закалки:

электронно-лучевая закалка,

лазерная закалка,

плазменная закалка.

.1 Электронно-лучевая обработка

Электронный луч представляет собой мощное эффективное средство термического воздействия на материал [8, 9, 10, 11]. Первые попытки применения электронного луча для выполнения технологических операций были предприняты более 100 лет назад. В 1905 году Пирани успешно использовал электронный луч для электронно-лучевой плавки металлов, в том числе и тугоплавких, например тантала. В 1934 году фон Арденне и Рюле применили электронные пучки, сфокусированные магнитными линзами, с целью получения в материалах отверстий малого диаметра. К 1965 году в практику промышленного применения вошли такие технологические процессы как электронно-лучевая плавка, сварка, напыление, обработка поверхностей. Электронно-лучевая технология сформировалась в качестве самостоятельной научно-технической области в течение последних 40...50 лет [9]. Это стало возможным, главным образом, благодаря успехам, достигнутым в области разработки и применения вакуумной техники и электронной оптики. В настоящее время понятие «электронно-лучевые технологии» охватывает ряд способов получения и обработки материалов, например плавку, сварку, резку, термическую обработку.

В качестве энергоносителя при реализации электронно-лучевых технологий выступает электронный луч. Генератором электронного луча служит электронная пушка, обеспечивающая эмиссию свободных электронов, их ускорение в электростатическом поле, фокусировку и отклонение пучка с посредством электрического и магнитного полей [9]. Сформированный пушкой электронный пучок выводится в изображенную на рисунке 1 рабочую камеру, из которой предварительно насосами откачивают воздух. При взаимодействии электронного пучка с поверхностью обрабатываемой детали 1 кинетическая энергия электронов превращается в другие формы энергии (главным образом в тепловую). Часть электронов отражается и рассеивается поверхностью объекта, появляется рентгеновское излучение, кроме того, возникают вторичные и тепловые электроны [8, 9]. Обрабатываемая деталь 1 при помощи механизма 3 перемещается с заданной скоростью. Закалка производится электронным лучом 4.

Комплекс устройств, служащих для формирования и фокусировки электронного луча, называют сварочной электронной пушкой. Оператор, осуществляющий закалку в зависимости от размеров камеры, находится за ее пределами или в самой камере.

Характер воздействия электронного пучка на металлические материалы зависит от энергии электронов, плотности потока, а также от свойств облучаемых объектов и условий, в которых они находятся (температура, внешняя среда). Проходя через вещество, электроны взаимодействуют как с кристаллической решеткой материала в целом, так и с отдельными встречающимися на его пути микрочастицами: атомами, молекулами, электронами, что приводит к ослаблению интенсивности электронного пучка [12].

Рисунок 1 - Схема установки для электронно-лучевой обработки

Рассеивание кинетической энергии ускоренных электронов происходит в виде тепла, разогревающего металл в области падения электронного луча [13, 14]. Такая особенность электронно-лучевого воздействия приводит к возможности реализации в поверхностных слоях обрабатываемых изделий таких процессов как нагрев, плавление, испарение, взрывное вскипание вещества и т.д. [9, 15, 16, 17].

Энергия, передаваемая электронами веществу, распределяется неравномерно. Интенсивность проходящих в нем превращений также неодинакова. Следовательно, одной из основных задач при выборе технологических параметров электронно-лучевой обработки является расчет допустимой неравномерности поглощенной дозы энергии. Это необходимо для того, чтобы разброс приобретаемых веществом свойств не выходил за пределы технических условий [12].

Анализ литературных данных позволяет выделить следующими основные технологические преимущества метода электронно-лучевой обработки по сравнению другими способами поверхностного упрочнения [2, 3, 18]:

высокая производительность процесса;

минимальное коробление изделия;

не зависящий от изделия характер подвода энергии;

возможность управления процессом с помощью ЭВМ и устройств с ЧПУ, встраивание установок в автоматические производственные линии;

независимость степени поглощения энергии от оптических свойств и шероховатости поверхности, отсутствие необходимости нанесения покрытия на поверхность для повышения поглощающей способности;

формирование зоны одновременного нагрева с площадью до сотен см²,

высокая надежность электромагнитной системы сканирования;

возможность использования одного оборудования для проведения различных технологических процессов - сварки, поверхностной закалки, плавления;

возможность быстрой и надежной развертки пучка в магнитном поле;

отсутствие окисления поверхности;

относительная экологичность процесса за счет отсутствия вредных выбросов в атмосферу.

Несмотря на ряд перечисленных преимуществ, большие капитальные затраты на приобретение и монтаж оборудования, затраты, связанные с его эксплуатацией и обслуживанием, ограничивают применение электронно-лучевой обработки деталей крупносерийным и массовым производством в машиностроении и инструментальной промышленности [2, 3].

1.2 Лазерная обработка

Возможность концентрации лазерного излучения в пространстве и во времени позволяет отнести современные лазеры к высококонцентрированным источникам энергии [8]. Лазерное излучение представляет собой вид электромагнитного излучения с набором уникальных свойств. Для него характерны монохроматичность, когерентность, малая расходимость в пространстве, высокие удельные энергетические характеристики [8].

При лазерной обработке поверхности нагрев металла осуществляется мощным световым лучом, получаемым от специальных твердых или газовых излучателей. Для управления сформированного излучателем луча служат специальные оптические системы. Вакуум при закалке лазером не нужен, и последняя может осуществляться на воздухе даже на значительном расстоянии от генератора, благодаря малому значению угла расходимости лазерного луча и~10^-3 рад (высокой направленности), обеспечивающему высокую плотность мощности излучения [19]. В зоне обработки плотность мощности лазерного луча может достигать величины 10⁶ Вт/см². Схема установки для лазерной обработки показана на рисунке 2.

Важнейшим достоинством лазерного луча является его высокая универсальность. Один и тот же лазерный комплекс может служить для выполнения различных технологических операций - термической обработки, сварки, резки, поверхностного легирования, наплавки. Эти достоинства объясняют широкое распространение технологических лазеров в современном промышленном производстве, в том числе и в машиностроении [19-21].

Рисунок 2 - Схема установки для лазерной обработки: 1 - источник питания; 2 -лампа накачки; 3 резонатор; 4 - луч лазера; 5 - оптическая система; 6 - свариваемое изделие.

Специфику лазерной обработки определяют очень высокие скорости нагрева и охлаждения материала. В месте встречи лазерного луча с поверхностью за короткое время выделяется столько тепловой энергии, что скорость нагрева материала может достигать миллиона градусов в секунду. В то же время локальность взаимодействия луча с объектом означает, что после прохождения луча, быстро нагретый участок оказывается в окружении холодного металла, который интенсивно забирает тепло, обеспечивая интенсивное охлаждение [20].

Таким образом, лазерная термическая обработка является эффективным методом поверхностной закалки, обеспечивающим формирование высокопрочной структуры. В качестве основного недостатка лазерного термоупрочнения следует отметить высокую отражающую способность многих реальных металлических изделий, требующих упрочнения, что в итоге негативно отражается на коэффициенте полезного действия лазеров при реализации поверхностной упрочняющей обработки.

Основное распространение получили лазеры мощностью до 5 кВт. Лазеры большей мощности являются дорогостоящим оборудованием, эксплуатация которого экономически целесообразна при его загрузке на 80-90% [4, 5].

.3 Плазменная закалка

Плазменное поверхностное упрочнение, как один из методов упрочнения источниками нагрева с высокой плотностью мощности, в настоящее время применяется в условиях как мелкосерийного и единичного, так и крупносерийного и массового производства. Сущность его заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей и последующем отводе тепла в глубь детали [7].

Для технологических целей используют низкотемпературную плазму, которая представляет собой частично ионизированный газ и имеет температуру порядка 10³...10^s К. Механизм образования плазмы, свойства и параметры плазменной струи зависят от рода и свойств плазмообразующей среды, которая может быть однокомпонентной и многокомпонентной. В качестве однокомпонентной плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород. В качестве многокомпонентных используют смеси: аргон и водород, аргон и гелий, азот и водород, воздух, воду, аммиак, азот и кислород [13, 22].

Плазмообразующий газ должен обладать высоким значением удельной теплоемкости и теплопроводности. В этом отношении аргон обладает худшими электрическими и теплофизическими характеристиками по сравнению с другими плазмообразующими газами, однако хорошо защищает вольфрамовый электрод, легко ионизируется под действием дугового разряда и не оказывает вредного воздействия на поверхностный слой обрабатываемого металла. Однако аргон и другие инертные газы дорогостоящи. Кроме того, они не могут диссоциировать в столбе дугового разряда. Активными теплоносителями являются двух- и трехатомные газы, поэтому их применяют в качестве добавки к аргону. Наилучшими теплофизическими характеристиками обладает водород. В смеси его содержание обычно не превышает 15-20%. Дальнейшее увеличение содержания водорода в смеси приводит к резкому возрастанию напряжения на дуге. [13].

Плазменная обработка материалов обладает рядом достоинств, обуславливающих ее широкое использование для реализации всех известных методов термического воздействия на материал: возможностью достижения высокой концентрации тепловой энергии; пригодностью для плавления или испарения практически любых известных в природе материалов; повышенной стабильностью плазменной дуги по сравнению с электрической; высокой скоростью газа в плазменной струе [22, 23].

Плазменные источники обеспечивают плотность мощности 10⁴~10⁵ Вт/см², т.е. меньше, чем электронный и лазерный луч, но их единичная мощность может достигать 160 кВт и более, а эффективный КПД нагрева - 0,85. Плазменное оборудование по стоимости и сложности изготовления вполне сопоставимо с электродуговым, отличается малыми габаритами и высокой маневренностью. Его широко применяют для резки, наплавки, напыления, сварки и более ограниченно для упрочнения [5].

2. Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии