2
Содержание
ВВЕДЕНИЕ............................. 6
1. КОНЦЕНТРИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ И ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ
ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.
1.1. Сравнение характеристик источников концентрированной
энергии..................................................... 21
1.1.1. Обработка токами высокой частоты..................... 21
1.1.2. Обработка лазером.................................... 22
1.1.3. Электронно-лучевая обработка низкоэнергетическими 25
пучками...............................................
1.1.4. Сфокусированный пучок, выведенный в атмосферу........ 26
1.2 Упрочнение с помощью электронных пушек...................... 28
1.2.1. Закалка и наплавка электронным пучком в вакууме...... 28
1.2.2. Работы Института физики прочности и материаловедения
СО РАН................................................. 30
1.2.3. Исследования, проведенные в Институте сильноточной электроники СО РАН.......................................... 34
1.3. Развитие методов упрочнения релятивистским электронным
пучком...................................................... 37
1.3.1. Первые эксперименты по наплавке вне вакуума.......... 37
1.3.2. Развитие методов электронно-лучевой наплавки и закалки.... 40
1.4 Математическое моделирование процессов закалки и наплавки концентрированными источниками энергии...................... 45
1.5 Постановка задачи исследования.............................. 50
2. МЕТОДЫ ЗАКАЖИ И НАПЛАВКИ.
2.1. Оборудование для генерации релятивистского электронного пучка
и выпуск пучка в атмосферу.................................. 55
3
2.2. Электронный пучок как тепловой источник для обработки материалов................................................... 58
2.2.1. Распределение плотности потока мощности в сечении пучка и его диаметр как функция расстояния пролёта в атмосфере..................................................... 58
2.2.2. Распределение потерь энергии электронами пучка при их проникновении в материал...................................... 59
2.2.3. Экстраполированный пробег............................. 61
2.2.4. Эффективный пробег.................................... 62
2.2.5. Универсальная безразмерная кривая поглощения.......... 63
2.2.6. Аналитическое представление плотности мощности, выделяемой пучком в материале................................. 64
2.2.7. Отражение электронов от поверхности материала......... 69
2.3. Принципы и кинематические схемы закалки релятивистским электронным пучком........................................... 70
2.4. Наплавка покрытий........................................... 75
2.4.1. Характеристика метода наплавки........................ 75
2.4.2. Формирование покрытия................................. 78
2.4.3. Весовой анализ в процессе нанесения покрытия.......... 84
2.5. Защита от атмосферного воздействия.......................... 86
2.5.1. Общие требования к флюсам............................. 86
2.5.2. Термодинамическая вероятность протекания реакций в
зоне наплавки........................................... 89
2.5.3. Защита различных металлов от окисления................ 93
3. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ
ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКЕ СТАЛИ.
3.1. Тепловые параметры стали................................... 101
3.2. Метод решения задачи теплопроводности...................... 104
3.2.1. Дифференциальное уравнение и граничные условия 104
4
3.2.2. Общая формулировка метода решения с помощью
функций Грина.......................................... 106
3.3. Температурное поле в плоском изделии....................... 109
3.3.1. Дорожечный режим облучения толстой пластины (полубесконечного тела)............................ 109
3.3.2. Обработка толстой пластины сканирующим пучком.
Случаи двухмерного и одномерного распространения
тепла.................................................. 112
3.3.3. Учёт толщины образца и теплопотерь на конвекцию и излучение................................................... 115
3.4. Обработка изделий с использованием сложных законов сканирования................................................ 116
3.4.1. Плоские изделия................................... 116
3.4.2. Рельефная поверхность в форме цилиндра с двумя касательными плоскостями.................................... 122
3.5. Температурное поле в цилиндрических образцах, закаливаемых
с вращением................................................. 133
3.6. Упрощённые формулы для инженерных расчётов на основе
одномерной модели распространения тепла..................... 138
Выводы к Главе 3............................................ 145
4. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
СТАЛИ ЭЛЕКТРОННО ЛУЧЕВОЙ ЗАКАЛКОЙ.
4.1. Уточнение расчётного метода на основании экспериментальных данных...................................................... 148
4.2. Зависимость глубины закалённого слоя от параметров режима обработки................................................... 150
4.3. Классификация режимов закалки.............................. 155
4.3.1. "Быстрые" режимы..................................... 157
4.3.2. "Средние" режимы..................................... 163
4.3.3. "Медленные" режимы................................ 167
5
4.4. Измельчение зерна при закалке низколегированных
сталей..................................................... 170
4.5. Поверхностное упрочнение рельсов....................... 174
4.5.1. Постановка задачи и выбор режимов закалки........... 174
4.5.2. Выбор режимов отпуска............................... 178
4.5.3. Сопоставление распределений поверхностной плотности энергии W и глубины упрочнённого слоя по контуру
рельса................................................ 179
Выводы к Главе 4........................................ 185
5. ЭЛЕКТРОННО ЛУЧЕВАЯ НАПЛАВКА ПОКРЫТИЙ НА ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ.
5.1. Режимы наплавки и методы исследований.................. 189
5.2. Наплавка с формированием включений из одного химического соединения................................................. 196
5.2.1. Наплавка порошками боридов.......................... 196
5.2.2. Покрытие из порошка карбида титана.................. 202
5.2.3. Покрытие из порошка нитрида титана.................. 209
5.3. Формирование покрытий при использовании смесей тугоплавких соединений............................................... 212
5.4. Наплавка порошка SiC и смеси порошков SiC+TiC на основу из сплава Ti-6%A1-4%V......................................... 217
5.5. Механические свойства покрытий............................ 223
5.5.1. Твёрдость покрытий.................................. 223
5.5.2. Износостойкость покрытий............................ 229
Выводы к Главе 5........................................... 238
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................... 242
ЛИТЕРАТУРА............................... 248
ПРИЛОЖЕНИЯ............................... 268
6
ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность темы. Наиболее распространённые в настоящее время методы формирования защитных или упрочняющих покрытий не предусматривают использования источников с высокой концентрацией энергии. К таким процессам относятся, например, нанесение лакокрасочных покрытий, формирование покрытий в химических средах за счёт диффузии в поверхностный слой ряда химических элементов: азотирование, цементация, альфирование, фосфатирование, сюда же можно отнести закалку с печным нагревом. Однако, всё более увеличивающаяся доля технологий в машиностроении и металлургии основана на использовании источников энергии с высокой объёмной и поверхностной концентрацией. Причиной использования таких источников является необходимость быстрого нагрева или расплавления поверхности изделия за время, в течение которого тепло не успевает проникать в глубь изделия. К источникам концентрированной энергии относятся: установки т.в.ч., электрическая и плазменная дуга, электронные и ионные пучки, луч лазера. Получаемые покрытия позволяют достигать высоких значений твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости и др. и обеспечивают ресурсосбережение, основанное на замене дорогостоящих легированных сплавов экономнолегированными в тонком поверхностном слое.
Упрочняющие технологии успешно внедрены во многих передовых фирмах Японии, Германии, Великобритании, Франции, Китая. Метод элек-тродуговой наплавки в течение многих лет изучается и доводится до применения в Институте электросварки им. Е.О. Патона. Вместе с тем, перечисленные технологии имеют ряд недостатков. Так, при обработке токами высокой частоты плотность мощности в большинстве случаев недостаточна для самозакалки, требуется применение охлаждающих жидкостей, возникают заметные поводки и напряжения в материале. Отрицательным свойством лазерного воздействия являются значительные потери энергии вследст-
7
вие отражения излучения обрабатываемым объектом. Недостатком большинства электронно-лучевых установок является необходимость проведения обработки в вакууме, а для больших изделий - в местном вакууме, что затрудняет введение легирующих элементов. При электронно-дуговой наплавке, несмотря на простоту конструкций используемых установок и их высокую производительность, в наплавленном слое формируются грубодисперсные неоднородные структуры с низкой противоударной стойкостью, качество поверхности неудовлетворительное и требует дополнительной механической обработки.
В ряду технологий, применяющих концентрированные электронные пучки, выделяются относительно 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. Один из таких ускорителей марки ЭЛВ-6 разработан в лаборатории Р.А. Салимова и установлен на участке по отработке электронно-лучевых технологий. Эффективная глубина проникновения электронов в металл составляет 0,5 - 1 мм. Производительность обработки достигает 100 см2/с. Облучение поверхности металла вне вакуума позволяет производить быструю замену обрабатываемых изделий и снимает ограничения на их размеры.
Несмотря на уникальность метода и возможность его применения для закалки, объем проведенных исследований в данной области явно недостаточен. Полученные в ИЯФ СО РАН совместно с другими организациями (Липецким политехническим институтом, Днепропетровским НИИ Чер-метмеханизации и др.) данные о влиянии закалки в пучке релятивистских электронов на структуру поверхностного слоя металла относятся к ограниченному кругу материалов и имеют недостаточно глубокий и систематический характер. Например, в работах, выполненных под руководством И.Н.
8
Мешкова, исследованы режимы, так называемой, радиационно-термической обработки, предполагающие среднее повышение температуры до уровня ниже Асз. Закалкой, как таковой, этот процесс назвать нельзя. Кроме того, не изучены структурные превращения поверхностных слоев во всем диапазоне возможных параметров обработки, не выявлены универсальные технологические параметры, удобные для систематизации режимов облучения.
Для объяснения экспериментальных результатов по электроннолучевой закалке на основании представлений о структурных и фазовых превращениях стали в том или ином интервале температур, выявления основных закономерностей протекающих процессов, а также для предварительного выбора режимов закалки, позволяющих получить тот или иной уровень свойств, необходимо знание температурно - временных зависимостей на различной глубине в закаливаемом слое. Вследствие сложности измерения температуры на поверхности и в толще металла в столь быстром процессе, как электронно-лучевое воздействие, эта задача в настоящее время может быть решена только расчетным путем с помощью математического моделирования.
Следует учитывать, что большинство моделей обработки концентрированными источниками предполагают поверхностный ввод тепла и дальнейшую передачу его в материал путем теплопроводности. Подобная модель не подходит для случая воздействия высокоэнергетических релятивистских электронов, проникающих в материал на значительную глубину -порядка 1 мм. Необходима иная постановка задачи. При этом актуальным является поиск простых аналитических зависимостей между ключевыми параметрами процесса, которые позволят найти численные значения величин, например, между максимальной температурой в зоне воздействия и характерными параметрами обработки - мощностью и размерами источника, временем нахождения образца под пучком.
Пионерские работы по наплавке в пучке релятивистских электронов
9
выполнены Л.П. Фоминским и группой сотрудников Днепропетровского НИИ Черметмеханизации. Порошковые материалы наплавлялись на стальные и медные изделия - лапы культиваторов, лемехи плугов, медные доски кристаллизаторов в установках разлива стали. Поскольку данные работы имели практическую направленность, сколько-нибудь подробные исследования структур не проводились. В дальнейшем сотрудниками ИФПМ СО РАН при непосредственном участии автора работы был проведен цикл экспериментов по наплавке порошков тугоплавких соединений на углеродистые стали. Изучены структурные и фазовые превращения в наплавленных слоях в зависимости от режима электронно-лучевого воздействия и состава используемых для наплавки порошковых материалов. Проведенные исследования позволили достичь значительного прогресса в области наплавки на углеродистые и низколегированные стали - исследованы механизмы увеличения твердости, износостойкости, ударостойкости покрытий. Этого нельзя сказать о наплавке на цветные металлы, где имеются лишь отдельные разрозненные данные.
Новым малоизученным объектом для наплавки является титан и его сплавы, которые обладают уникальными свойствами (низкой плотностью, высокой прочностью, теплостойкостью, коррозионной стойкостью) и широко применяются в авиации, ракетной технике, машиностроении. Предварительные опыты показали, что титановые сплавы - прекрасный материал для нанесения покрытий. При наплавке на титановые сплавы потери основного порошка и флюса незначительны, качество наплавляемых слоев высокое, поверхность ровная. Особый интерес представляют покрытия, сформированные из высокотвердых порошков карбидов, нитридов и боридов с высокой температурой плавления, которые обладают не только высокой твердостью и износостойкостью, но и повышенной жаростойкостью.
Цель работы. Исходя из сказанного, основной целью работы явилось изучение закономерностей формирования упрочняющих покрытий на
10
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 предполагалось решить следующие конкретные 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.
2. 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.
3. Сопоставив расчетные данные с экспериментальными, проанализировать характер наблюдаемых в поверхностном слое фазовых превращений. Систематизировать достижимые режимы закалки в соответствии со структурными особенностями закаленной зоны.
4. 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.
5. 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.
6. Исследовать влияние режимов электронно-лучевой наплавки на твердость и износостойкость поверхностного слоя. Определить механизм из-
11
нашивания материала покрытия. Установить связь между структурой, твердостью и износостойкостью упрочнённого слоя.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель температурного поля, создаваемого релятивистским электронным пучком в материале при закалке плоских и цилиндрических изделий.
2. Упрощенные формулы для инженерных расчетов, связывающие параметры режимов закалки со значением максимальной температуры, достигающейся в образце.
3. Результаты исследования структуры поверхностных слоев среднеуглеродистых сталей, модифицированных электронно-лучевой закалкой, и классификация режимов закалки по времени воздействия пучка.
4. Линейная зависимость между глубиной зоны фазовой перекристаллизации и поверхностной плотностью введенной энергии излучения во всем интервале режимов электронно-лучевого воздействия.
5. 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.
6. Расчет энергораспределения в головке железнодорожного рельса при обработке электронным пучком и режимы обработки радиусной и боковой поверхности головки.
7. Совокупность экспериментальных данных о структуре, фазовом составе и механических свойствах покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на титановые сплавы, и механизм изнашивания материала покрытий.
Научная новизна. В работе впервые:
1. Путем аналитического представления температурного поля на основе функций Грина, с использованием математической модели пучка реля-
12
тивистских электронов как объемного теплового источника, выведены формулы для расчета температурных полей при обработке материала электронным пучком без плавления в плоских образцах, поступательно перемещающихся под неподвижным и под сканирующим пучком, а также в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением.
2. С использованием теории размерностей и на основании математических моделей температурных полей получены простые обобщающие формулы для расчета режимов обработки.
3. Составлены программы и проведен расчет распределения поверхностной плотности введённой энергии при облучении поступательно перемещающихся под сканирующим пучком плоских изделий и изделий сложной формы при вариации закона сканирования с целью обеспечения равномерности обработки поверхности.
4. В широком интервале режимов электронно-лучевой закалки исследованы закономерности формирования структуры и свойств поверхностных слоев среднеуглеродистых и легированных сталей. В соответствии со структурными особенностями упрочненных слоев режимы закалки классифицированы по времени воздействия на «быстрые», «средние» и «медленные». Обнаружен эффект резкого измельчения структуры при закалке некоторых легированных сталей.
5. Установлена линейная зависимость между глубиной слоя полной фазовой перекристаллизации при нагреве и поверхностной плотностью введенной энергии излучения, которая имеет место во всем интервале времени электронно-лучевого воздействия вплоть до времени, соответствующего адиабатическому вводу тепла.
6. На основании сопоставления экспериментальных данных по закалке с расчетами распределения максимально достигаемых в рабочих режимах облучения температур дано объяснение реально существующим распределениям по глубине материала структурных зон и происходящим в них
13
превращениям. Показано, что для протекания процесса аустенизации в зоне нагрева под закалку, в связи с кратковременностью электроннолучевого воздействия, необходим перегрев стали на 100-150°С выше температуры Ас3 на равновесной диаграмме состояния Бе-С.
7. Изучены структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях технического титана и титановых сплавов при вневакуумной электроннолучевой наплавке. Показано, что исходные тугоплавкие компоненты полностью растворяются в расплавленном слое и при охлаждении кристаллизуются в виде новых соединений. Наблюдаемые фазовые переходы являются неравновесными и не могут полностью быть описаны в рамках соответствующих равновесных диаграмм состояний.
8. Показано, что повышение твердости при наплавке на титановые сплавы связано с образованием заэвтектической либо эвтектической структуры на основе карбидов, нитридов, боридов и силицидов титана («твердые включения - вязкая матрица») и упрочнением матрицы в связи с растворением в ней примесей внедрения и мартенситным превращением.
9. Выявлен механизм износа слоев электронно-лучевой наплавки, заключающийся в избирательном изнашивании матрицы и последующем разрушении содержащихся в ней частиц включений. Показано, что однозначной связи между твердостью и износостойкостью не существует. Корреляция наблюдается между износостойкостью и объемной долей частиц фазовых включений, которая регламентирует длину пути износа частиц абразива. Износостойкость определяется не столько твердостью, сколько структурой наплавленного материала.
Практическая значимость:
- Предложенные методы расчета температурных полей применительно к закалке электронным пучком изделий разной формы (плоской, цилиндрической, сложной цилиндрической) позволяют полностью моделировать процесс при разработке технологии упрочнения в промышленных
14
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 предварительно выбора режимов обработки. Использующиеся в предлагаемой формуле величины непосредственно выражаются через первичные параметры обработки (ток и диаметр пучка, скорость перемещения образца). Метод не требует сложных вычислений и может применяться в производственных условиях.
- Расчёт распределения плотности поглощённой энергии на радиусной и примыкающей к ней поверхностям головки железнодорожных рельсов, результаты которого хорошо согласуются с реально наблюдаемым изменением глубины упрочненного слоя дает возможность моделировать процесс упрочнения данного изделия и создать прототип технологического процесса в производственных условиях. Соответствующая программа расчета позволила оптимизировать режимы обработки и разработать методику закалки поверхности железнодорожных рельсов на двух участках контура головки.
- Разработаны технологические основы (оборудование и режимы) упрочнения радиусной и боковой поверхности головки железнодорожных рельсов, включающие в себя закалку и отпуск электронным пучком. Испытания на износ в действующем пути Транссибирской магистрали на поворотном участке Восточно-Сибирской железной дороги показали
15
увеличение срока службы упрочненных рельсов в три раза по сравнению с неупрочненными, установленными на контрольном участке пути. Метод электронно- лучевой закалки позволил получить на поверхности среднеуглеродистых сталей упрочненные слои глубиной от 0,4 до 2 мм с твердостью в 3-4 раза более высокой, чем в основном металле. Установленная экспериментально линейная зависимость между глубиной закаленного слоя и введенной энергией излучения дает возможность, зная характеристики пучка (ток, напряжение, скорост ь 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 этом увеличение твердости для стали 08Х2Г2Ф сопровождается сохранением прочности на разрыв и относительного удлинения.
Электронно-лучевой наплавкой на титановые сплавы получено увеличение твердости поверхностного слоя в 3 - 5 раз, а износостойкости в 10 -25 раз по сравнению с основным металлом. Подобрано оптимальное сочетание компонентов в наплавочных смесях, позволяющее достигать максимальных значений износостойкости покрытий.
Результаты исследования структуры и свойств покрытий, получаемых электронно-лучевой наплавкой могут быт использованы для упрочнения разнообразных изделий как из титана, так и из других материалов: валков станов холодной и горячей прокатки, медных досок кристаллизаторов в установках непрерывного разлива стали, рабочих кромок лемехов и лап культиваторов почвообрабатывающих сельскохозяйственных машин, защитных пластин, используемых в бронежилетах и др.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на семинарах в Похангском уни-
16
верситете 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: Г3* Всесоюзная конференция, в4* Всероссийское совещание, 4331 Всероссийская, 6, 7, в*3* Международные конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск 1988, 1996, 2002, 2004, 2006), 2'3* и 5'м "Международная конференция по применению электронно-лучевых технологий" (Варна 1988, 1997), 6™ Всесоюзная конференция, 84*, 94* Всероссийское, 10*°° 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'ой Международный конгресс по по термообработке материалов (Москва 1990), Советско-Американская конференция "Новые материалы и технологии в трибологии" (Минск 1992), Г“й Международный симпозиум по пучковым технологиям (Дубна 1995), IV Международная конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск 1998), IX, XIII Международное совещание "Радиационная физика твёрдого тела" (Севастополь 1999, 2003), 3*иЯ 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, получено два патента.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической главы, трех оригинальных глав, заключения и списка литературы. Об-
17
щий объем работы составляет страниц, включая 129 рисунков, 25 таблиц, библиографический список содержит 153 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформирована цель и основные задачи исследования, кратко представлено содержание работы, приведены положения, выносимые на защиту, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе представлен литературный обзор, в котором поток релятивистских электронов сравнивается с другими концентрированными источниками энергии для поверхностной обработки металлов - лазерным излучением, токами высокой частоты и ближайшим аналогом релятивистского электронного пучка - низкоэнергетическим электронным пучком. Проведен подробный обзор результатов по модифицированию поверхности электронным пучком в вакууме, в частности, исследований, выполненных в ИФПМ СО РАН и в ИСЭ СО РАН. Описаны математические модели и математические приемы, используемые на сегодняшний день для описания передачи тепла от поверхностных тепловых источников в материал. Рассмотрены этапы развития метода вневакуумной электронно-лучевой обработки и полученные в данной области результаты в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера и сотрудничающих организациях. На основе анализа литературных данных сформированы основные задачи работы.
Вторая глава методическая. В ней описано оборудование для генерации релятивистского электронного пучка и выпуска его в атмосферу, а также особенности взаимодействия пучка с поверхностным слоем материала. Рассмотрены принципы и кинематические схемы закалки с использованием энергии релятивистских электронов. Описаны технологические особенности метода электронно-лучевой наплавки и механизмы формирования покрытий. Рассмотрена роль флюсов в защите от влияния атмосферного воздуха и проведен термодинамический расчет вероятных химшюских реакций в зоне плавления с участием разнообразных флюсов на основах из
18
стали, титана, алюминия, меди.
В третьей главе сформулирована математическая модель пучка как объемного теплового источника. Описан метод расчета температурных полей при обработке материала электронным пучком без плавления поверхности, основанный на аналитическом представлении температурного поля на основе метода функций Грина. Приведен расчет температурного поля, возникающего в плоских образцах заданной толщины при их поступательном перемещении под неподвижным пучком и при сканировании пучка с равномерным распределением плотности введённой энергии. С целью обеспечения однородности полосы обработки разнообразных изделий за счёт выбора специального закона сканирования пучка выведены формулы программы расчета распределения плотности вводимой энергии излучения, справедливые для любого выбранного закона сканирования. Программа расчёта применима к изделиям со сложной цилиндрической формой поверхности, в качестве которой рассмотрена радиусная поверхность головки железнодорожного рельса. Получено выражение для расчета температурного поля в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением, в котором распределение тепловых источников учтено путем интегрирования распределения тепла от 4-ех точечных источников по углу в цилиндрической системе координат. В последнем разделе главы приведены простые обобщающие формулы для инженерных расчетов, позволяющие проводить предварительные оценки режимов обработки.
Четвертая глава посвящена исследованию структуры поверхностных слоев срсднеуглсродистых и легированных сталей, полученных закалкой в широком интервале режимов электронно-лучевого воздействия. Изучена зависимость глубины закаленного слоя от поверхностной плотности вводимой энергии излучения. Режимы закалки классифицированы по времени электронно-лучевого воздействия соответственно структурным особенностям модифицированных слоев. Для каждого из режимов закалки произведен расчет температурных полей и построены температурно-
19
временные зависимости на различных глубинах от поверхности образца и распределения максимально достигаемых по глубине температур. Погрешность в расчетах, связанная, в основном, с неточностью определения тепловых параметров процесса, учтена путем введения поправочных коэффициентов, вычисленных на основании проведения дополнительных экспериментов в режимах, соответствующих началу плавления, и применения теории размерностей. Расчетные данные сопоставлены с экспериментальными, на основании чего найдено объяснение характеру распределения структурных зон по глубине слоя закалки. Установлено, что в условиях кратковременного электронно-лучевого нагрева значения температур аустенизации заметно превышают температуру фазового перехода на равновесной диаграмме состояния. В отдельном разделе главы для ряда легированных сталей показана возможность получения электронно-лучевой закалкой дисперсной и ультрадисперсной мартенситной структуры с твердостью более высокой, чем после обычной закалки. В заключение главы исследована возможность упрочнения поверхностного слоя железнодорожных рельсов. Расчетным путем найдены оптимальные режимы облучения, обеспечивающие набольшую равномерность упрочненного слоя по контуру поперечного сечения рельса. Установлено, что в этих режимах форма распределения глубины закаленного слоя на радиусном участке рельса достаточно точно повторяет расчетную форму энергораспределения, а сами рельсы показывают заметное увеличение срока службы по сравнению с контрольным участком пути.
В главе пятой методами электронной микроскопии, дифракционного анализа рентгеновского и синхротронного излучений исследованы структура и фазовый состав покрытий, нанесенных на титан и титановые сплавы электронно-лучевой наплавкой. Полученные покрытия классифицированы по характеру выделяющихся в них фаз и уровню достигаемой твердости. Установлена роль твердорастворного упрочнения матрицы в увеличении твердости покрытия. Представлены результаты испытаний образцов на из-
20
носостойкость. На основании фрактографического исследования поверхностей износа покрытий выявлен механизм изнашивания слоев электроннолучевой наплавки с гетерофазной структурой «твердые включения - вязкая матрица». В широком диапазоне составов наплавочных смесей изучена связь между величинами твердости и износостойкости. Показана зависимость износостойкости от объемной доли частиц фазовых включений в наплавленном слое.
21
1. КОНЦЕНТРИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ И ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.
1.1. Сравнение характеристик источников концентрированной энергии.
Методики вневакуумной электронно - лучевой закалки и наплавки обладают как преимуществами, так и недостатками по сравнению с известными близкими методами обработки с использованием концентрированных источников энергии. Ниже приводится краткий сравнительный анализ возможностей таких источников, как луч лазера, ток высокой частоты, низкоэнергетический электронный пучок, электрическая дуга, пучок релятивистских электронов.
1.1.1. Обработка токами высокой частоты.
Это аналог метода закалки в пучке релятивистских электронов. Оборудование дешевле, чем в случае электронного пучка и лазера. Процесс вневакуумный. К.п.д. передачи энергии от индуктора к стальному изделию 0,75. Глубина обработки сопоставима с требуемой глубиной закалки, но плотность мощности в большинстве случаев недостаточна для самозакалки. Из-за сильной зависимости коэффициента магнитной проницаемости железа р от температуры в процессе обработки плотность мощности вводимого тепла распределяется сложным образом. В начале прогрева вся вводимая в сталь энергия выделяется в тонком ферромагнитном скин-слое. После потери им ферромагнитных свойств ферромагнитная граница опускается в глубь материала до уровня изотермы ферромагнитного перехода. Выделение энергии в материале в любой момент времени практически ограничивается глубиной залегания изотермы 724 °С (точка Кюри), поскольку толщина ферромагнитного скин слоя много меньше парамагнитного. Энергия электромагнитной волны в материале отражается от ферромагнитной границы в вышележащий парамагнитный слой. Толщина же парамагнитного скин-слоя
22
часто сопоставима с требуемой глубиной закалки. В таблице 1.1 представлены характерные режимы закалки стали для сравнительно небольшого времени прогрева. При закалке на звуковых частотах 1 - 25 кГц достигается большая глубина закалки, плотность мощности вводимой энергии невысока. Требуются охлаждающие жидкости. Вследствие большой толщины закалённого слоя часто возникают заметные поводки и напряжения в материале. Режимы закалки на глубину менее 1 мм трудно достижимы.
Новыми возможностями обладает метод высокочастотной импульсной закалки (ВИЗ) [1]. Обработка осуществляется за время длительности одного импульса. Глубина обработки обычно лежит в пределах 1,5-5 мм. Закалка на глубину менее 1 мм затруднительна Характерное время воздействия на каждую точку поверхности 1 - 6 с. Плотность мощности при закалке - в диапазоне 0,3 - 2 кВт/см2, энергозатраты в пределах 3 - 4,5 кДж/см2. Достигающаяся производительность при закалке генератором, передающим в материал мощность 50 кВт равна 12 см /с при глубине обработки 3-4 мм. Данным способом обрабатываются изделия разнообразной формы. Каждая новая конфигурация изделия требует изготовления нового индуктора.
При использовании в режиме ВИЗ индуктора, снабжённого ферромагнитным концентратором [2] существенно повышается передаваемая в материал плотность потока мощности. Закалка осуществляется без применения охлаждающих сред, но на плотности мощности выше 40 кВт/см2 не удаётся стабилизировать длительность импульса, при которой не достигалось бы подплавление поверхностного слоя. Данные для индуктора с концентратором приведены в третьем столбце таблицы 1.1.
1Л.2. Обработка лазером.
Лазеры обладают широкими возможностями, к которым относятся:
д 'у
высокая концентрация энергии в пучке, достигающая 10 Вт/см , что позволяет плавить и испарять самые тугоплавкие вещества; практически без-инерционное управление лучом лазера, что позволяет увеличивать скорость
23
и точность обработки материалов и полностью автоматизировать процесс.
Таблица 1.1. Параметры быстрых режимов закалки стали с помощью т.в.ч.
Режим Непрерывный Импульсный*
Частота тока, кГц 2,5 8 66 440
Толщина скин-слоя ниже точки Кюри/ выше точки Кюри, мм/мм 0,12/3,9 0,07/2,2 0,024/0,76 0,009/0,29
Глубина закалки, мм 2*5 2-й 0,5*0,9
Вводимая плотность мощности, кВт/см2 0,5*2,6 0,44+1,7 10*45**
Время воздействия на каждую точку поверхности или длительность импульса, с 1*12 1,7-г12 0,03*0,11
Энерговклад, кДж/см2 2,6*6 2,9*5 1*2,5
Средняя (интегральная) мощность генератора, кВт до 100 до 100 до 60
Кпд генератора * кпд индуктора = кпд процесса 0,8*0,8=0, 64 0,8*0,8=0, 64 0,8*0,75=0,6
Производительность см2/с 13*30 16*28 до 17 в импульснопериодическом режиме***
Источник [1], И] [3],[4] [2]
Лазеры обладают высокой точностью фокусирования луча, что обеспечивает минимизацию зоны нагрева и исключает температурные деформа-
24
ции; возможностью производить обработку в труднодоступных местах при сложных и прецизионных формах швов и разрезов; возможностью передачи лазерного луча без потерь на значительные расстояния при помощи оптической системы для распределения по рабочим зонам; возможностью обрабатывать любые материалы, в том числе не поддающиеся традиционным методам обработки; экологической чистотой лазерной технологий.
В то же время, лазерные системы имеют ряд недостатков, главным из которых является их низкий к.п.д., что связано со значительными потерями энергии излучения при отражении от обрабатываемого объекта - металлы с гладкой поверхностью поглощают всего 3-7% лазерного излучения. Для улучшения поглощательной способности приходится наносить специальные покрытия, в качестве которых используются окислы металлов, фосфаты, суспензии тонкомолотых металлов с порошком углерода, вакуумные металлические пленки и др.
К другим недостатком можно отнести - неравномерное поглощение энергии поверхностью, что связано с необходимостью применения поглощающих покрытий, и тот факт, что излучение непосредственно поглощается очень тонким поверхностным слоем, а дальше передается за счет теплопроводности, что существенно ограничивает глубину модифицированного слоя.
Достигающаяся производительность при закалке равна 1 см /с на 1 кВт мощности излучения [5, 4, 6] при глубине обработки 50 мкм. Максимальная мощность технологических лазеров, использующихся для закалки, составляет 10 кВт, но стоимость мощных установок очень высока. Данным способом обрабатываются изделия различной формы. Ограничения формы обрабатываемых поверхностей определяются только тем, что выходной оптический тракт лазера имеет значительные габариты, а падение луча на поверхность должно быть перпендикулярным, т.е. обрабатываться могут только относительно открытые поверхности.
25
1.13. Электронно-лучевая обработка низкоэнергетическими пучками.
Эти источники энергии по многим своим особенностям следует рассматривать как ближайший аналог релятивистского электронного пучка. Обработка производится в вакууме пучками с энергией электронов 20 - 400 кэВ, генерируемыми электронными пушками. Достоинства: электронная пушка - распространённый и не очень дорогой источник энергии. Генерируемые пучки имеют высокий коэффициент поглощения материалами -около 90%. Пушки обладают практически неограниченной полной мощностью - до 1 МВт и высоким результирующим к.п.д. (в расчёте от сети питания до ввода энергии в обрабатываемый материал). Пучки эффективно и легко управляются с помощью электромагнитных линз и отклоняющих систем. Камеры, в которых производится обработка, и сами пушки в большинстве случаев не требуют толстостенной радиационной защиты.
Недостатки технологии следующие. Усложнена обработка крупносерийных или крупногабаритных изделий. Известно, например, что для сварки основы фюзеляжа самолёта используются вакуумные камеры размером с небольшой цех. Малая глубина проникновения в обрабатываемый материал является недостатком при поверхностной закалке сталей на глубину порядка 1 мм и ещё большим недостатком при наплавке порошковых материалов, что накладывает ограничения при обработке на скоростных режимах. При наплавке некоторых материалов выделяются вредные газы и микрочастицы, которые попадают на катод электронной пушки и другие чувствительные к загрязнениям элементы конструкции (например, высоковольтные изоляторы). Так, при наплавке латуней или бронз, содержащих цинк, происходит значительное испарение его и напыление на детали пушки, что вызывает в ней частые пробои. Наплавленный слой получается рыхлым и сильно вспученным [4]. Достигающаяся производительность при закалке равна 3 см^/с при глубине обработки 1-1,5 мм. Данным способом обрабатываются изде-
- Київ+380960830922