Закономерности формирования поверхностных слоев металлов и сплавов при электровзрывном легировании

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 6
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ ПОВЕРХНОС ТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ................................. 14
1.1 Импульсное упрочнение и защита поверхности металлов
и сплавов электровзрывным легированием........................ 14
1.2 Поверхностное легирование с применением
концентрированных потоков энергии............................. 21
1.2.1 Пути интенсификации химико-термической обработки металлов.................................................. 21
1.2.2 Способы жидкофазного поверхностного легирования металлов и сплавов........................................ 26
1.3 Основные аспекты воздействия потоков энергии
на поверхность металлов в процессах легирования............... 34
1.3Л Исследования процессов воздействия потоков энергии на поверхность металлов................................... 34
1.3.2 Структура и фазовый состав поверхности металлов
после воздействия концентрированных потоков энергии 43
1.4 1 Дель и задачи работы.................................... 48
2 УСТАНОВКА, РЕЖИМЫ ОБРАБОТКИ, МАТЕРИАЛЫ
И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................... 50
2.1 Лабораторная установка для получения импульсных многофазных плазменных струй............................. 50
2.2 Исследование кинетики электровзрыва фольги................ 52
2.3 Расчет параметров импульсных плазменных струй
при различных режимах обработки............................... 57
2.3.1 Определение интенсивности теплового воздействия на поверхность при обработке.............................. 57
з
2.3.2 Расчет параметров плазменных струй, формируемых
при электрическом взрыве проводников...................... 59
2.4 Материалы для исследования процессов электровзрывпого легирования............................................ 65
2.5 Режимы обработки, методы исследования микроструктуры, фазового состава и свойств модифицированных слоев...... 71
2.6 Выводы.................................................... 79
3 РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОС ТИ И СТРУКТУРА
ЗОНЫ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ............................... 81
3.1 Рельеф поверхности зоны легирования..................... 81
3.1.1 Рельеф поверхности железа и никеля после науглероживания и карбоборирования........................ 81
3.1.2 Рельеф поверхности железа и никеля после одно-
и двухкомпонентного легирования электровзрывом фольг 90
3.2 Характерные режимы обработки и строение зоны легирования.. 95
3.3 Микроструктура и фазовый состав модифицированных слоев... 104
3.4. Выводы.................................................. 126
4 ПОСЛОЙНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА И ДЕФЕКТНОЙ СУБСТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МЕТАЛЛОВ ПОСЛЕ ОДНО- И ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ...................... 130
4.1 Приповерхностный слой.................................... 130
4.2 Промежуточный и приграничный слой........................ 145
4.3 Нанокристаллический подслой на границе с основой и зона термического влияния.................................. 171
4.4 Выводы................................................... 184
5 АНАЛИЗ СИЛОВЫХ, ТЕІ1ЛОВЫХ И ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ
ПОВЕРХІЮСТІ1ЫХ СЛОЕВ........................................ 186
4
5.1 Расчет радиуса зоны легирования.......................... 186
5.2 Расчет глубины зоны легирования.......................... 192
5.3 Эффект последействия....................................... 197
5.4 Перщрев расплава под давлением струи....................... 199
5.5 Синтез интерметалл и дных соединений при тепловом воздействии импульсной плазмы на систему покрытие-основа 203
5.6 Особенности кристаллизации модифицированных слоев.......... 209
5.7 Анализ термомеханических процессов в зоне термического влияния.................................................... 211
5.7.1 Особенности микроструктуры в зоне термическое
влияния при электровзрывной обработке железа............. 211
5.7.2 Образование трещин в поверхностных слоях металлов
при электровзрывной обработке.............................. 214
5.7.3 Поведение теплозащитных покрытий в условиях импульсного плазменного воздействия........................ 222
5.8 Выводы..................................................... 225
6 АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ГИДРОДИ11АМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ОПЛАВЛЯЕМЫХ
СЛОЯХ.............................................................. 228
6.1 Моделирование гепломассопереноса через границу плазма-расплав при науглероживании железа и никеля................ 228
6.2 Термоконцентрационно-капиллярная конвекция................. 233
6.2.1 Образование поверхностных периодических структур при обработке материалов концентрированными потоками энергии.................................................... 233
6.2.2 Термоконцентрационно-капиллярная конвекция 236
при ЭВЛ металлов.........................................
6.2.3 Эволюция конвективного перемешивания расплава
на поверхности металлов при плазменном воздействии......... 246
6.3 Конвекция при течении расплава под действием давления струи 247
5
6.4 Расчёт эффективных значений температуропроводности
расплава в процессе плазменного воздействия................ 251
6.5 Выводы................................................. 253
7 1ЮВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ МОДИФИ1ЩРОВА1ШЫХ СЛОЕВ
И ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ................................... 255
7.1 Повышение жаро- и износостойкости сталей Р6М5 и XI2M
после бороалитирования и боротитанирования................. 255
7.2 Упрочнение и защита инструментальной стали комплексным электровзрывным легированием и нанесением покрытий..... 259
7.3 Упрочнение и защита стали Х12 элсктровзрывным армированием........................................... 260
7.4 Защита сплавов титана от высокотемпературного окисления и изнашивания алитированием и комплексным легированием поверхности............................................ 263
7.5 Обработка внутренних поверхностей...................... 269
7.5.1 Графитирование внутренней цилиндрической поверхности титановой детали........................... 269
7.5.2 Электровзрывная обработка с оплавлением внутренней цилиндрической поверхности чугунной детали............. 271
7.5.3 Науглероживание и алитирование внутренних поверхностей втулок.................................... 278
7.6 Экономическая эффективность использования
электровзрывного легирования............................... 280
7.7 Выводы................................................. 284
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 286
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................. 289
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................... 327
6
ВВЕДЕНИЕ
Усиление эксплуатационных требований к материалам постоянно стимулирует разработки в области поверхностного легирования. Традиционные способы химико-термической обработки - это энергоемкие и длительные процессы, поэтому в последние годы находят применение новые способы упрочнения металлов и сплавов, основанные на использовании концентрированных потоков энергии.
В ряде работ экспериментально показано, что эффективным инструментом для этой цели могут служить многофазные плазменные струи продуктов электрического взрыва проводников. Элекгровзрывное легирование (ЭВЛ) с оплавлением поверхности позволяет сократить время обработки, давая возможность встраивать соответствующее оборудование в единую технологическую цель изготовления деталей. Оно характеризуется малой операционностью, совмещая локальное тепловое воздействие на поверхность и ее насыщение легирующими добавками, которые задаются выбором из широкого круга материалов взрываемых проводников.
Применение разрядно-импульсных технологий упрочнения в настоящее время сдерживается малой изученностью характерных для них взаимосвязанных процессов вблизи облучаемой поверхности, в оплавляемой зоне легирования и в зоне термического влияния. Это в полной мерс относится и к ЭВЛ, что ограничивает возможности управления обработкой и оптимизации формируемых свойств. В литературе отсутствуют систематизированные сведения о тепловых, силовых и гидродинамических процессах при ЭВЛ, влиянии структуры импульсных плазменных струй на результаты обработки, металлофизических аспектах этого способа поверхностного легирования. Мало экспериментальных данных имеется по его практическому использованию. Это отражается на от-
7
ставании в разработке специализированного оборудования с высоких уровнем механизации и автоматизации процесса.
Целью настоящей работы явилась разработка материаловедческих и физико-технических основ одно- и двух компонентного ЭВЛ металлов и сплавов, обосновывающих возможность упрочнения поверхности в несколько раз.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
а) исследовать особенности формирования и взаимодействия с поверхностью импульсных плазменных струй продуктов электрического взрыва проводников, определить возможности управления процессом обработки;
б) исследовать тепловые, силовые, гидродинамические и другие процессы при ЭВЛ и выявить закономерности формирования строения, фазового состава и структуры модифицированных слоев;
в) определить области практического использования ЭВЛ и служебные свойства поверхностных слоев после различных видов легирования.
Научная новизна. Определены возможности управления процессом электровзрывной обработки путем выбора энерговклада во взрываемый проводник, его материала, размеров и формы, геометрических параметров плазменного ускорителя и расстояния от среза его сопла до облучаемой поверхности. Показана возможность использования для расчета глубины зоны легирования на оси струи теплофизической модели, согласно которой пороговый режим, приводящий к оплавлению, определяется интенсивностью теплового воздействия, временем импульса и свойствами материала. Радиус зоны легирования при различных режимах обработки рассчитан с использованием этой же модели с учетом нормального распределения теплового гготока и давления плазменной струи на поверхность и известных зависимостей скорости плазмы от энергии емкостного накопителя установки.
Показано, что строение науглероженных слоев в общем случае включает в себя графитовое покрытие, имеющее с основой металлургическую связь, зону
8
легирования, тонкий подслой (граничную полоску) с низкой степенью легирования на границе с основой и зону термического влияния. Происхождение граничной полоски связано с продолжающимся распространением фронта плавления в глубь металла после окончания импульса. Обнаружена неустойчивость границы оплавления, возникающая под действием радиального течения расплава при высокоинтенсивных режимах обработки. Строение зоны плазменного воздействия при электровзрывной металлизации отличается отсутствием покрытия.
Показано, что по глубине зоны легирования в общем случае можно выделить 4 характерных слоя. Основным по объему является слой с ячеистой или зс-ренной структурой. На поверхности формируется тонкий нанокомпозитный слой, а на границе с основой - нанокристаплический подслой с низкой степенью легирования. В случае двухкомпонентного легирования с использованием порошковой навески бора основным является промежуточный слой с ячеистой кристаллизацией. Обнаружена взаимосвязь между рельефом поверхности зоны легирования, морфологическими особенностями ее кристаллизации и состояния границы с основой.
Высокая скорость охлаждения приводит к образованию пересыщенных твердых растворов, легированных слоев, упрочненных карбидами или интерме-таллидами, композиционных структур, включающих нерастворившиеся частицы, внесенные в расплав из струи. Кристаллизация в условиях выделенного направления теплоотвода металла приводит к текстуре образующихся фаз. Фазовый наклеп в зоне термического влияния железа при прямом и обратном полиморфных превращениях не приводит к измельчению зерен, так как в силу кратковременности обработки процесс рекристаллизации не успевает завершиться. Под действием температурных напряжений в зоне термического влияния возможно образование трещин, как это обнаружено при обработке меди.
9
Легирование осуществляется как плазменным компонентом струи, так и конденсированными частицами. Степень легирования плазменным компонентом возрастает с увеличением термосилового воздействия и достигает нескольких процентов. Основной вклад в нее, достигающий нескольких десятков процентов, вносят конденсированные частицы продуктов взрыва. Степень легирования конденсированными частицами продуктов взрыва зависит от их смачиваемости расплавов.
Определены механизмы легирования. Взаимодействие плазмы с расплавом приводит к возмущениям температуры и концентрации легирующей добавки на поверхности и возникновению упорядоченных конвективных течений, обусловливающих легирование на всю глубину вплоть до границы оплавления. Давление струи вызывает вытеснение расплава от центра к периферии зоны легирования, а при высокоинтенсивных режимах обработки происходит выплеск. При этом развивается сдвиговая неустойчивость течения, которая, как и термо-концентрационно-капиллярная конвекция, приводит к интенсивному перемешиванию расплава. Выравнивание легирующей добавки и фазового состава по глубине могут быть обусловлены также вскипанием верхних слоев расплава после окончания импульса вследствие их перегрева под давлением струи выше температуры кипения при остаточном давлении в технологической камере. С использованием развитых модельных представлений рассчитано увеличение температуропроводности расплава при перемешивании и понижение его уровня при вытеснении к периферии.
Практическая ценность. Результаты работы позволили определить возможности управления и оптимизации ЭВЛ. Показано, что использование порошковых навесок, размещаемых в области элсктровзрыва проводника и переносимых формируемой струей на облучаемую поверхность, при высокоинтенсивных режимах обработки подавляет радиальное течение расплава и позволяет проводить обработку без выплеска. Установлено, что микротвердость, износо-
10
стойкость и стойкость против высокотемпературного окисления модифицированных при одно- и двухкомпонентном легировании поверхностных слоев увеличивается в несколько раз. Разработан способ электровзрывного упрочнения внутренних поверхностей деталей. Результаты проведенных исследований и оценка предполагаемой экономической эффективности ЭВЛ позволяют рекомендовать его для практического использования.
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. В обзоре литературы, приведенном в первой главе, рассматриваются возможности интенсификации химико-термической обработки и новые способы упрочнения поверхности металлов с применением в качестве теплового источника лазерного излучения, электронных пучков и плазменных потоков и струй. Подробно освещены литературные данные по способам науглероживания металлов с использованием концентрированных потоков энергии. Показана перспективность развития плазменных технологий легирования, в том числе и ЭВЛ. Дан анализ принципиальных особенностей этих видов обработки и примеры их практического использования. Сформулирована цель и задачи исследования, раскрыта его научная значимость.
Во второй главе описан принцип действия, функциональная электрическая схема и основные параметры лабораторной установки для осуществления ЭВЛ. Приведен анализ кинетики элсктровзрыва фольги, показывающий возможности управления структурой импульсной плазменной струи как инструмента воздействия на поверхность при ЭВЛ. Приведены результаты калориметрических исследований интенсивности воздействия в зависимости от зарядного напряжения накопителя, диаметров внутреннего электрода плазменного ускорителя и диаметра сопла разрядной камеры, расстояния облучаемой поверхности от среза сопла. Обоснован выбор для исследования различных видов одно- и двух компонентного ЭВЛ, а также выбор модельных материалов для обработки. Рассмо1рены особенности использованных в работе методов исследо-
11
вания микроструктуры и фазового состава модифицированных слоев и их эксплуатационных свойств.
В третьей главе приведены результаты изучения методами растровой электронной и световой микроскопии рельефа, рентгеновской дифрактометрии и рентгеноспектрального микроанализа поверхности зоны легирования, ее геометрических характеристик, строения, структуры и фазового состава после различных режимов обработки.
В четвертой главе приведены результаты послойных исследований особенностей строения, структуры и фазового состава, выполненных с использованием высокоииформативного метода просвечивающей электронной микроскопии тонких фольг.
В пятой главе приведен теоретический анализ тепловых и силовых процессов при воздействии импульсных плазменных струй на металлы. Рассчитаны значения давления плазменной струи на поверхность, поглощаемой плотности мощности, радиуса, глубины зоны легирования, а также понижения уровня расплава вследствие его радиального течения. Различия в результатах обработки разных металлов объяснены различиями их физических свойств. Показана возможность продвижения фронта плавления в глубь металла уже после окончания импульса за счет тепла, накопленного в зоне легирования при облучении поверхности. Выявлен один из механизмов конвективного перемешивания расплава, обусловленный перегревом расплава под давлением струи и последующим вскипанием после окончания импульса. Рассмотрены физико-механические процессы в зоне термического влияния.
В шестой главе рассмотрена модель науглероживания металлов плазменным компонентом струи. Проанализированы гидродинамические процессы тепломассопереноса в оплавляемых слоях. Приведены согласующиеся с экспериментальными данными оценочные расчеты ряда физических параметров, характеризующих конвективные механизмы легирования расплавов. Рас-
12
считаны значения эффективной температуропроводности расплавов в процессе науглероживания.
Возможности практического использования ЭВЛ рассмотрены в седьмой главе. Сделан вывод, что такая обработка обладает рядом технологических и экономических преимуществ перед другими аналогичными способами и существенно, в несколько раз, повышает эксплуатационные свойства облученных поверхностей.
Основная часть представленного в диссертации материала является обобщением ряда докладов, сделанных на семинарах и конференциях, и опубликована в монографиях [1, 2], отдельными главами в монографиях [3-6], научных периодических изданиях в течение 1990...2008 гг. [6-51]. По результатам работы получены 2 авторских свидетельства на изобретения [52, 53].
Исследования выполнялись на кафедрах физики СибГИУ и ТГАСУ в соответствии с программами ГК РСФСР по делам науки и высшей школы “Разработка теоретических основ и создание принципиально новых методов модификации свойств материалов ионизирующим излучением” (1989-1995 гг.), “Новые материалы и наукоемкие технологии” (Раздел “Получение деталей машин и их обработка на основе новых физико-химических эффектов”, 1992-1995 гг.), грантами по фундаментальным проблемам металлургии Министерства общего и профессионального образования РФ 1991-2000 гг.), НИР, финансируемой за счет средств СибГИУ (2006 г.), НИР по тематическому плану НИР СибГИУ, проводимых по заданию Федерального агентства по образованию (2007, 2008 гг.), текущими грантами РФФИ №№ 07-08-92100-ГФЕН_а, 08-02-00024-а, 08-02-12012-офи.
Автор благодарен сотрудникам, принимавшим участие в их выполнении, профессорам 13.Е. Громову и Ю.Ф. Иванову за плодотворные консультации при работе над диссертацией.
13
На защиту выносятся:
а) кинетика электровзрыва тонких фольг и результаты анализа комплекса взаимосвязанных процессов (тепловых, силовых, гидродинамических, физикохимических и физико-механичсских), обосновывающие возможности управления структурой и строением плазменной струи как инструмента воздействия на поверхность, позволяющие оптимизировать режимы обработки, структуру и свойства модифицированных слоев;
б) факторы, определяющие экспериментально установленные закономерности формирования рельефа поверхности, структуры и фазового состава модифицированных слоев модельных металлов и промышленных сталей и сплавов;
в) комплекс свойств поверхностных слоев металлов и сплавов после различных видов ЭВЛ, обусловленный высокой степенью легирования и закономерным формированием по глубине градиентных слоев с мелкодисперсным характером структуры.
14
1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ
1 Л Импульсное упрочнение и защита поверхности металлов и сплавов электровзрывным легированием
Разрядно-импульсные технологии широко используются для обработки материалов ударными волнами, нанесения на них тонких плёнок и покрытий. Применение для этих целей явления электрического взрыва проводников [55] получило развитие в 70-80-е годы прошлого столетия и используется по настоящее время. [56-66]. Развитие этих технологий нашло отражение не только в научной, но и в учебной литературе [67-69]. Для реализации способа используется соосная схема токоподводящих электродов, при которой многофазные продукты взрыва после разрушения проводника (обычно в виде тонкой проволочки) расширяются радиально. При такой обработке облучаемые поверхности (в том числе внутренние цилиндрические) не испытывают оплавления. Вместе с тем использование коаксиальных электродов позволяет применить воздействие на металлы и сплавы плазменных струй, получаемых при электрическом взрыве проводников, не только для нанесения покрытий [70-761, но и для поверхностного легирования. Основная идея такой обработки состоит в оплавлении поверхностных слоев и насыщении их продуктами взрыва с последующей самозакалкой путём отвода тепла в глубь материала и в окружающую среду.
Химико-термическая обработка металлов с применением потоков энергии высокой плотности в настоящее время сложилась в самостоятельную область научных исследований и прикладных работ, имеющую важное значение для современного металловедения [77-86]. Изучение процессов легирования поверхности продуктами электрического взрыва проводников открывает в этой области новые возможности. Данный способ обра-
15
ботки имеет перед другими аналогичными способами свои особенности и преимущества. Они связаны, прежде всего, с тем, что источником легирующих элементов при ЭВЛ является сама многофазная струя, сформированная из материала взрываемого проводника. Это может быть тонкая фольга металла или сплава, углеграфитовые и другие волокна. Кроме того, в область взрыва может быть помещена порошковая навеска того или иного вещества, которая при формировании струи увлекается сю, частично превращается в плазменное состояние, а частично в конденсированном состоянии переносится на облучаемую поверхность.
Работа плазменного ускорителя для ЭВЛ основана на накоплении
энергии батареей импульсных конденсаторов до величин порядка I 10
кДж и сс последующем разряде через проводник, испытывающий при этом взрывное разрушение. Повышение массовой плотности продуктов взрыва, а также интенсивности теплового воздействия на поверхность модифицируемого материала до значений, достаточных для её оплавления за малое время импульса, которое не превышает 1 ...2 мс, и тем самым создание условий, необходимых для осуществления легирования, достигается применением торцевой коаксиальной системы электродов. Для этого тонкий проводник, например, металлическую фольгу, закрепляют на торцах двух электродов: внутреннего токоподводящего, имеющего форму цилиндрического стержня, и внешнего кольцевого (рис. 1.1). На электроды через разрядник подают регулируемое электрическое напряжение. После замыкания цепи сначала фольга, а затем и продукты ее разрушения, по которым протекает электрический ток, ускоряются в направлении оси электродной системы собственным магнитным полем разрядного тока.
Рис. 1.1. Схема элсктровзрывиых плазменных ускорителей - коаксиаль-но-торцевого (а) [74], кумулятивного (б) [87-89], коаксиально-торцевого с компрессионной камерой («) и коаксиально-торцевого с компрессионной камерой и отклоняющим соплом (г) [74]:
1,2 — внутренний и внешний кольцевой электроды; 3 - изолирующая диэлектрическая вставка; 4 - взрываемый проводник; 5 - компрессионная камера; 6 - отклоняющее сопло
В некоторых случаях с целью управления параметрами плазменных струй используют компрессионные разрядные камеры. Их стенки образуют локализованный объем, в котором происходит разрушение проводника, и переходят в направляющий канал сопла. Взаимодействие конденсированных частиц продуктов взрыва со стенками камеры способствуют их дополнительному дроблению и доиспарению. При этом продукты взрыва,
17
вылетающие из сопла в технологическую камеру, эффективно ускоряются газодинамическими силами. При разряде ёмкостного накопителя участок проводника в виде круглой фольги, расположенный над внутренним электродом, образует плазменный фронт формируемой многофазной струи. Периферийная же область становится источником конденсированных час-тип продуктов взрыва, располагающихся в тылу формируемой струи. Соотношение между плазменными и конденсированными компонентами продуктов взрыва по оси струи изменяется непрерывно (74].
В ходе распространения струи происходит дальнейшее разделение ее быстрого плазменного фронта и относительно медленного тыла, включающего конденсированные частицы. Это связанно с тем, что, чем меньше размеры частиц, тем больше их скорость [75, 90].
На степень дисперсности конденсированных частиц оказывают влияние величина зарядного напряжения и время разряда конденсаторной батареи [73, 91]. Для осущестатения бескапельного разрушения металлических фольг в коаксиальных плазменных ускорителях требуется использование запасаемой емкостным накопителем энергии, в 15...20 раз превышающей энергию испарения проводника [92]. Поэтому в случае необходимости легирования только плазменными компонентами продуктов взрыва возможно использование специальных сопел, позволяющих проводить сепарацию крупнодисперсных частиц (рис.1, г). Такие сопла, состоящие из двух конусов - сужающегося и расширяющегося, расположенных под углом 30...40° друг к дру!^, позволяют изменять направление движения потока плазмы, не изменяя направление движения капель. Существуют и другие технические возможности отсекания крупных фракций потока продуктов взрыва: с помощью обрыва разрядного тока [93]; установки между взрываемым проводником и обрабатываемой поверхностью сеточного экрана, на который также разряжается батарея конденсаторов, в результате чего происходит дополнительное дробление капель [94].
18
Электровзрывную обработку поверхности проводят как на воздухе, так и в вакууме. В последнем случае струя истекает в вакуумируемую камеру, в которой размещают обрабатываемую деталь с технологической оснасткой.
Исследования показывают, что при обработке возможно термомеханическое упрочнение поверхности [95] или её разрушение с образованием микротрещин. Так, в работе [96] при импульсном плазменном воздействии на сталь У10, предварительно закалённую па мартенсит, в поверхностном слое наблюдали образование трещин по плоскостям спайности кристаллитов и по их границам, ориентированным перпендикулярно внешней поверхности образцов. В работе [88] при электровзрывной обработке бериллия на воздухе происходило образование трешин, чего не наблюдали при обработке в вакууме. В работе [97] при электровзрывной плазменной обработке с оплавлением поверхности металлов на воздухе отмечено насыщение расплава азотом. Следовательно, для устранения негативных аспектов ЭВЛ, связанных с разрушением поверхности и неконтролируемым насыщением расплава газами атмосферы, предпочтительно проводить обработку в вакууме.
В работах [98, 99] обрабатывали поверхность алюминиевых и берил-лиевых пластин электровзрывом фольг железа. Отмечено, что процесс импульсного плазменного легирования носит пороговый характер: при низких энергиях взрыва на поверхности формируется покрытие; при высоких, когда происходит оплавление металла, - образуется сплав, а величина пороговых режимов обрабо тки зависит от теплофизических свойств металлов и расстояния поверхности от области взрыва. Фазовый состав модифицированных слоёв, толщина которых достигала 10 мкм, существенно зависел от энергии взрыва, которая составляла величину порядка I кДж. При определённых режимах воздействия степень легирования достигала нескольких десятков процентов. При этом в зоне легирования образовывались интерметалл иды и твёрдые растворы.
19
В работе [100] науглероживание стали СтЗ при энергии разряда 10 кДж осуществляли электровзрывом металлической фольги с нанесённым на неё порошком графита. Наряду с растворённым углеродом, распределение которого по зоне легирования было однородным, в слое наблюдали нсрастворившиеся частицы графита, количество которых с глубиной уменьшалось. Модифицированные слои имели мелкодисперсную структуру с микротвёрдостью почти в 2 раза выше, чем в исходном состоянии.
В работе [101] проводили комбинированную обработку образцов стали СтЗ. Поверхность оплавляли непрерывным лазерным излучением, а легирование осуществляли частицами порошка карбида вольфрама, которые помещались на взрываемую металлическую фольгу и переносились на поверхность плазменным потоком. В результате обработки были получены композиционные слои толщиной до 0,7 мм с высокой твёрдостью.
Исследованию легирования стали 20 взрывом алюминиевых и ни-хромовых фольг и тонких углеродных пластин при энергии разряда 60 кДж, когда содержание конденсированных частиц в продуктах взрыва было мало, посвящена работа [102]. Наибольшая микротвёрдость в зоне легирования достигалась при науглероживании. При этом концентрация углерода в поверхностном слое возрастала на 1,5%. При легировании алюминием, никелем и хромом увеличение концентрации этих элементов происходило только на несколько десятых долей процента. Изучение распределения легирующих добавок по глубине показало, что оно слабо менялось вплоть до границы оплавления.
Анализ результатов взаимодействия многофазных струй с металлами показывает, что при превышении порога оплавления облучаемой поверхности оказывается возможным её легирование плазменной составляющей струи. В то же время, степень легирования определяется в основном содержанием конденсированной фазы в струе продуктов взрыва, поэтому она может меняться от десятых долей до нескольких десятков процентов. Когда масса взрываемог о проводника или величина энергии разряда настоль-
20
ко велики, что в струе практически нет конденсированных частиц, а также в том случае, когда они сепарируются, степень легирования оплавляемых слоев оказывается минимальной. Если материалом проводника является металлическая фольга, то мелкодисперсные жидкие капли при взаимодействии с расплавом полностью или частично растворяются и перемешиваются с ним, а при взаимодействии с расплавом частиц, находящихся в струе в твёрдом состоянии, они попадают в расплав и после его кристаллизации образуют одну из фаз зоны легирования. Схема возможных технологических процессов с использованием явления электрического взрыва проводников показана на диаграмме (рис. 1.2).
Таким образом, основные особенности ЭВЛ связаны с тем, что обработка проводится с оплавлением поверхности при импульсном нагреве и высокоскоростной закалке при охлаждении; источником тепла и легирующих элементов является высокоскоростная и высокоэнтальпийная плазменная струя, содержащая конденсированные частицы продуктов взрыва проводников и оказывающая на поверхность силовое воздействие. Конструктивная простота и надёжность оборудования, возможности управления процессом обработки путём изменения технологических параметров, сравнительно высокая производительность ЭВЛ позволяют сделать вывод о перспективности дальнейшей разработки этого способа. Вместе с тем, несмотря на очевидную практическую ценность полученных результатов, теоретическое писание основных особенностей формирования структуры и фазового состава модифицированных слоев при ЭВЛ в литературе отсутствует. Это сдерживает внедрение способа ЭВЛ в производство и обусловливает проведение дополнительных исследований. Построение теоретических моделей ЭВЛ, позволяющих проводить инженерные расчеты, возможно с использованием научных основ других аналогичных способов обработки, таких как лазерное, электронно-лучевое и импульсное плазменное легирование.
21
т • 106, кг
100
10
1
Ю3 104 Ю5 106 я, Вт/см2
Рис. 1.2. Диаграмма технологических процессов поверхностной обработки металлов импульсной плазмой электрически взрываемых проводников:
1, II, III - области процессов без оплавления, с оплавлением, с оплавлением и разрушением поверхности соответственно; - плотность мощности, поглощаемая поверхностью при обработке и определяемая энергией заряда; т - масса взрываемого проводника, включая массу порошковой навески
1.2 Поверхностное легирование с применением концентрированных потоков энергии
1.2.1 Пути интенсификации химико-термической обработки металлов
Для решения задач повышения эффективности производства проблема надёжности и долговечности деталей машин и механизмов имеет особое значение. Вследствие износа, коррозии, высокотемпературного окисления и других причин происходит около 90% аварийных поломок машин, затраты на ремонт и техническое обслуживание которых в несколько раз превышают их стоимость. С этим связано 80 % общего време-
1 И III
нанесение покрытий частицами порошков армирование абляция
нанесение покрытий и тонких плёнок конденсированными и плазменными компонентами продуктов взрыва химико-термическая обработка частицами продуктов взрыва (электровзрывное легирование) плазмохимия, плакирование порошков, аморфизация, сварка
ударно-волновая и термообработка, формирование блочно-мозаичных структур " Д_... , л_ обработка предварительно нанесённых слоев, закалка из жидкого состояния 1 реиспарение и растворение (травление) _ 1_ ......
22
ни простоев в промышленности, а на изготовление запасных частей расходуется 20...30% ежегодно выплавляемого металла [103, 104].
В рамках металловедения пути решения данной проблемы состоят в выборе для изготовления деталей уже существующих высокоэффективных материалов и создании новых более прочных и долговечных сталей и сплавов. Однако по мере развития и совершенствования техники требования к материалам постоянно растут. Они определяются, в частности, стремлением к повышению рабочих температур, реализуемых скоростей движения и передаваемых давлений в подвижных сопряжениях машин при одновременном снижении массы деталей на единицу мощности. В связи с этим применение традиционных конструкционных сталей и сплавов в ряде случаев уже не в состоянии удовлетворить комплекс этих требований. Борьба с коррозией и износом осложнена тем, что создание новых объёмно-легированных материалов, являющееся до сих пор основным способом повышения надёжности и долговечности, становится всё более проблематичным из-за дефицита и дороговизны легирующих металлов. Например, добавки переходных элементов в высоколегированных сталях обусловливают до 30% их стоимости.
В этих условиях оказывается экономически и технически целесообразно развивать принципиально иной подход к выбору материалов, при котором механическая прочность детали обеспечивается применением экономических низколегированных сплавов, а специальные свойства поверхности - сплошным или локальным формированием на ней легированных микрослоёв или нанесением покрытий в соответствии с эксплуатационными требованиями. Экономия при таком подходе может достигать 90...99% [105].
В настоящее время в промышленности 25 % механически обрабатываемых деталей с целью повышения их прочности, вязкости и пластичности подвергают различным видам термообработки. По опенкам экспертов доля поверхностной термообработки, в том числе химико-термической об-
23
работки, в ближайшей перспективе будет неуклонно возрастать [106, 107). Так, согласно данным, приведенным в работе [107|, к 2000 году среди отраслей машиностроения наиболее широкое использование высокоинтенсивных способов обработки поверхности, в том числе и технологий поверхностного легирования, было отмечено в автомобильной промышленности, общем машиностроении, авиационной и космической технике. Экспертные оценки на 2010 год подтверждает эту тенденцию. Прогнозирование объема выпуска машиностроительной продукции с применением новых методов обработки поверхности позволяет сделать вывод о приоритетности ХТО с использованием КПЗ. Общий объем продукции, произведенной к 2010 году с использованием таких технологий, оценивается на сумму более чем в 420 М€. Это превысит объемы производства деталей с применением химического и физического осаждения из паровой фазы (250 М€), электролитического плакирования (400 М€), композиционных покрытий (30 М€) и уступит только применению метода распыления (500 Мб). То, что новые технологии являются одними из наиболее эффективных инструментов для поверхностного упрочнения, обусловлено не только возможностями этих методов, но и достигнутым уровнем развития оборудования для их реализации.
Основное направление развития химико-термической обработки металлов в современных условиях производства — это использование энергосберегающих и безотходных процессов и сокращение их длительности. Долгое время усилия при ее изучении были сосредоточены на установлении механизмов и закономерностей проникновения легирующих элементов в металлическую основу и характера роста и свойств образующихся диффузионных зон. Это не давало полного представления о процессах химико-термической обработки и достаточных возможностей управления ими с целью интенсификации. В последние годы разработаны способы воздействия на отдельные этапы обработки - диссоциацию, адсорбцию и диффузию.
24
Известны, например, ряд способов увеличения скорости диффузии легирующих элементов. Они используют воздействие на материал основы радиационного облучения, ультразвуковых колебаний, пластической деформации и термоциклирования [108, 109]. Широкое распространение получили такие методы насыщения металлов из активных жидких и газовых сред, как химико-термическая обработка в тлеющем разряде [110, 111], применение которого явилось одной из первых попыток использования новых физических явлений в этой области технологии. Основной их особенностью является нагрев обрабатываемого изделия за счет энергии электрического разряда в результате бомбардировки поверхности заряженными частицами и излучением ионизированной среды. Еще одно направление интенсификации физико-химических процессов заключается в обработке поверхности искровыми разрядами. Примером является способ науглероживания в электротермическом кипящем слое при возбуждении разрядов между частицами графита и обрабатываемым изделием [111].
Другой аналогичный способ гголучил название электроискрового легирования 180, 111-114]. Его суть заключается в том, что на обкладках конденсатора накапливается энергия, которая затем мгновенно освобождается между электродами, одним из которых служит упрочняемая деталь. Модифицированные слои на ней формируются за короткое время при высоких скоростях нагрева и охлаждения. При действии на поверхность искровых разрядов в условиях высоких температур и давлений происходит направленный перенос на нее материала электрода, его активное перемешивание и химическое взаимодействие с материалом основы. Отличительной особенностью электроискрового легирования является малый вклад диффузионных процессов при формировании слоев.
В названных способах применение электрического тока для нагрева поверхности является опосредованным. Разность потенциалов между электродами в них служит, прежде всего, для инициирования электрических разрядов. В то же время, разработаны процессы обработки с прямым элек-
25
трическим нагревом деталей токами высокой частоты и элекгрокон такг-ным путем.
Применение токов высокой частоты позволяет сократить время обработки с нескольких часов до нескольких минут и даже секунд, обойтись без использования дорогостоящих контейнеров и нафеватслей из высоколегированной стали, обеспечить разложение насыщающей среды непосредственно на поверхности изделий, способствует более интенсивному развитию адсорбционных процессов. В результате значительно ускоряются такие традиционные виды химико-термической обработки, как цементация и азотирование. Известны способы науглероживания сплавов с высокочастотным нафевом в твердых, жидких и газообразных средах [111, 115, 116]. Имеющиеся оценки свидетельствуют об удешевлении этих процессов по сравнению с обычной цементацией на 20...25%.
Высокочастотный нагрев может осуществляться выше температуры плавления упрочняемого материала [117, 118]. Преимущества этого способа обусловлены тем, что легирующие элементы из порошковых покрытий растворяются в оплавленном слое значительно быстрее, чем в твердом состоянии, а образующиеся быстрозакаленные структуры имеют мелкокристаллическое строение.
При электроконтактном науглероживании [119] графитовый электрод, выполненный в форме диска, вращаясь, перемещается относительно поверхности детали. Когда через электрод и деталь пропускается ток, в точке контакта происходит локальный нафев поверхности до оплавления и насыщение расплава углеродом. По мере движения электрода расплав кристаллизуется при отводе тепла в объем детали. Данный способ позволяет за несколько секунд получить на поверхности слой белого чугуна толщиной порядка 0,1 мм.
Таким образом, существенное снижение затрат на упрочнение при химико-термической обработке возможно в том случае, когда с целью нагрева поверхности и активизации насыщающих сред используются интен-
26
сивные источники энергии, такие как электрические токи и разряды, а ускорение процессов диффузии осуществляется путем нагрева поверхности выше температуры плавления. Эта тенденция в разработке новых способов обработки получила дальнейшее развитие с использованием концентрированных потоков энергии.
Г.2.2 Способы жидкофазного поверхностного
легирования металлов и сплавов
Лазерное легирование. Анализ литературных данных по легированию металлов с использованием концентрированных потоков энергии показывает, что наибольшее число работ в этой области исследований выполнено с применением лазеров. Это связано со значительным развитием лазерной техники. Её применение растет высокими темпами. Однако, в настоящее время доля лазерного оборудования, используемого для обработки материалов, по сравнению с долей традиционного оборудования пока ещё мала. Причины этого связаны с вопросами экономичности применения лазеров, определяемой целым рядом факторов: стоимостью и надежностью лазерных установок, наличием в серийном производстве необходимой оснастки, оптических элементов для транспортирующих излучение систем, датчиков контроля параметров процесса обработки и лазерного излучения и др.
Рассмотрим различные варианты осуществления лазерного легирования на примере науглероживания. Значительное число исследований выполнено по легированию железа, титана и других карбидообразуюших металлов и сплавов на их основе, так как в жидком состоянии они легко растворяют углерод в любой его модификации, что позволяет достичь высоких концентраций.
Наиболее технологичным и распространенным является способ с предварительным нанесением на поверхность обмазок и паст и обработкой
27
ее непрерывным или импульсным излучением [120-128]. В статье [129] изложены результаты экспериментов по науглероживанию сталей с использованием непрерывного лазера путем инжектирования в зону легирования порошка графита струей инертного газа. Лазерную цементацию арм-ко железа с использованием непрерывного излучения при направлении на зону легирования струи пропана под давлением изучали в работе [130]. Концентрация углерода в поверхностном слое после обработки достигла 5%. Насыщение углеродом из газовой фазы при импульсном воздействии возможно лишь при больших давлениях, поскольку при малых давлениях диссоциация углеродсодержащих газов идет слабо и заметного насыщения расплава не наблюдается.
Когда процесс ведут при плотности мощности порядка 106-1()7 Вт/см2, над поверхностью обрабатываемой детали образуется плазменное облако, представляющее собой смесь ионизированных частиц газа и металла, испарившегося с поверхности. Использование плазмы приповерхностного пробоя для науглероживания железа изучали в работах [131-133], титана и других тугоплавких металлов - в работах [134-137].
По сравнению с науглероживанием из та технологически более просто осуществлять процесс из жидкости, содержащей углерод. При лазерном воздействии в ней образуется расширяющийся парогазовый канал, насыщенный парами углерода, через который излучение попадает на поверхность изделия. Исследованиями лазерно-плазменного науглероживания железа из толуола в работах [138-140] было установлено, что степень легирования за один импульс воздействия достигала 20%, что заметно больше, чем при легировании из газовой фазы. Лазерно-плазменный синтез карбидов тугоплавких металлов под слоем углеродсодержащих жидкостей проводили в работах [135, 136].
Электронно-лучевое легирование. В большинстве случаев результаты, достигаемые с использованием лазерного излучения, качественно одинаковы с результатами обработки поверхности элекгронными пучками.
28
Количественные отличия связаны с тем, что для электронно-лучевой обработки характерна более высокая эффективность преобразования электрической энергии в кинетическую энергию потока электронов, а результат взаимодействия электронного пучка с материалом не зависит от оптических характеристик его поверхности. В то время как степень использования энергии при лазерной обработке составляет 7... 10%, при электроннолучевой она достигает 75%. Толщина упрочненных слоев при электроннолучевой обработке больше, чем при лазерной, при одной мощности пучка. Это позволяет создавать мощные технологические устройства с большой производительностью. Средства управления электронными пучками разработаны гораздо совершеннее, чем для лазерных лучей. Возможность точного дозирования электронов во времени и в пространстве позволяет изменять глубину и профиль выделяющейся энергии в материале и, следовательно, необходимую скорость охлаждения расплава и получаемый тип структуры.
Для электронно-лучевой поверхностной обработки используется сварочное оборудование, имеющее диаметр луча 0,1... 1 мм и отличающееся высокой стабильностью параметров. В настоящее время все подобные установки снабжаются вспомогательным оборудованием. Электроннолучевые установки компактны и легко встраиваются в производственную линию. Их стоимость в 4 раза меньше, чем лазерных.
В последние годы разработан ряд новых источников электронов импульсного и непрерывного действия, основанных на устройствах с плазменным эмиттером [86, 141, 142]. Они обеспечивают широкий спектр параметров, имеют большое поперечное сечение и обладают большими технологическими возможностями, в том числе в области химико-термической обработки металлов. Самостоятельной разновидностью упрочнения путем оплавления предварительно нанесенных покрытий совместно с основой детали является обработка релятивистскими потоками электронов [143-145]. Использование частиц высоких энергий позволяет
29
нагревать поверхность за счет прямого энерговыделения тормозящихся электронов таким образом, что максимальное количество тепла выделяется в подповерхностном слое и неравномерно в различных структурных составляющих материала. Использование электронно-лучевых ускорителей позволяет проводить химико-термическую обработку на воздухе.
Рассмотренная в обзоре [143] классификация вариантов электронного легирования включает газовое с переносом легирующих элементов в расплавленную поверхность и жидкостное с расплавлением предварительно нанесенного покрытия и материала основы до определенной глубины, либо с введением материала, полностью или частично растворяемого в материале основы, в расплав во время электронно-лучевой обработки.
Вместе с тем, необходимость проведения электронно-лучевой обработки в условиях высоког о вакуума и обеспечения защиты от тормозного рентгеновского излучения ограничивает ее использование в условиях крупносерийного и массового производства. Промышленное внедрение этих технологий связано с экономическими соображениями и допустимо лишь при большой концентрации и специализации производства с большой производительностью. При мелкосерийном производстве предпочтительнее использование лазерных технологий.
Плазменные способы легирования. Плазменные источники со стационарным режимом работы не всегда обеспечивают достаточные плотности мощности, необходимые для оплавления тонких поверхностных слоев без заметного коробления деталей, поэтому традиционно они применяются для термообработки и нанесения покрытий. Для целей же химикотермической обработки разработаны импульсные плазменные способы, которые можно разделить на две группы. Одни используют плазму, получаемую при взрыве взрывчатых веществ и сжатых газовых смесей, сконцентрированных в замкнутом объеме, другие - используют разряд емкостных накопителей энергии. Для обеих групп характерно, прежде всего, совместное кратковременное (от 10'6 до И)'1 с) воздействие на упрочняемую
30
поверхность высоких температур (103... 104 К) и давлений (до 109 Па), внесение в образующийся на поверхности расплав сильно диссоциирующих продуктов взрыва, элементов плазмообразующей среды, конденсированных частиц материалов электродов или порошков, специально вводимых в область взрыва или разряда.
В работах первой группы [146-154], выполненных с использованием специальных камер и ударных труб многократного использования, степень легирования стали и сплавов кислородом, азотом и водородом достигала нескольких процентов, что приводило к многократному увеличению твердости поверхности. В ряде опытов стальные образцы предварительно покрывали сажей, которая в процессе обработки испарялась и ионизировалась, образуя над поверхностью расплава слой углеродной плазмы. Это приводило к увеличению концентрации углерода в зоне легирования на несколько десятых долей процента.
В работах [155-161] плазма, получаемая при взрыве заряда конденсированною взрывчатого вещества, попадала в полость ампулы, на дне которой находился порошок какого-либо вещества, например, графита или металла. При этом происходило интенсивное перемешивание плазмы и частиц порошка, которые, соударяясь со стенками полости, внедрялись в расплав и растворялись в нем. В условиях, когда материалы порошка и подложки химически взаимодействовали друг с другом, на поверхности полости образовывался слой, состоящий из химического соединения или их смеси. Если порошок сам являлся химическим соединением, то в поверхностном расплаве происходило его частичное разложение на составные элементы и химическое взаимодействие их с материалом основы, в результате чего формировался слой, состоящий из смеси химических соединений.
Разработка и использование способов этой группы представляет в основном научный интерес, так как их практическое использование связано с рядом технологических и экономических трудностей. Для практиче-