Повышение однородности эксплуатационных свойств деталей, упрочненных электрохимико-термической обработкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Дьяков, Илья Геннадьевич

• Дьяков, Илья Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дьяков, Илья Геннадьевич

Введение.

Глава 1. Методы реализации анодного электролитного нагрева.

1.1 Физические основы анодного нагрева.

1.2 Анализ гидродинамических условий нагрева.

1.2.1 Неконтролируемая гидродинамика.

1.2.3 Сочетание радиальных потоков с вертикальным обтеканием обрабатываемой детали.

1.2.4 Технологические возможности анодного химико-термического упрочнения сталей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение однородности эксплуатационных свойств деталей, упрочненных электрохимико-термической обработкой»

Одной из важных задач современного машиностроения является интенсификация химико-термических процессов упрочнения стали, наиболее успешно решаемая применением скоростных методов нагрева. Одним из них является анодный электролитный нагрев, при котором обрабатываемая деталь является анодом относительно раствора электролита. Использование раствора электролита в качестве рабочей среды позволяет выполнять локальное упрочнение детали, не прибегая к защите мест, не подлежащих обработке. Анодная электрохимико-термическая обработка нашла применение в легкой промышленности для скоростного упрочнения малогабаритных деталей невысокой точности или технологической оснастки. Недостатком этого способа является проблема равномерного и контролируемого нагрева более протяженных деталей, связанная с недостаточно изученным явлением анодного нагрева. Такое положение не дает возможности расширить класс обрабатываемых деталей и управлять процессом нагрева.

Целью настоящей работы явилось повышение однородности физико-химических и механических свойств упрочняемых цилиндрических деталей из сталей и титановых сплавов путем улучшения гидродинамических условий их обработки.

Решаемые задачи:

1. Провести теоретический анализ распределения температуры по высоте обрабатываемой цилиндрической детали и разработать модели расчёта их температурного поля, зависящего от основных режимных параметров нагрева: напряжения, скорости обтекания детали электролитом, плотности, теплоемкости и температуры электролита, размеров упрочняемой цилиндрической детали.

2. Экспериментально изучить влияние геометрических и гидродинамических параметров нагрева на температуру упрочняемой детали.

3. Исследовать тепловые потоки между парогазовой оболочкой и образцом для создания теплофизической модели анодного нагрева, позволяющей описать теплообмен в рассматриваемой системе и обосновать выбор режимов упрочнения цилиндрических деталей.

4. Выявить электрохимическую картину анодного нагрева, включающую влияние анодного растворения и окисления на модификацию поверхностного слоя упрочняемых изделий из стальных и титановых сплавов.

5. Изучить процессы в анодной парогазовой оболочке, лимитирующие работоспособность применяемых электролитов на основе солей аммония.

6. Изучить фазовый состав и структуру поверхностных слоев технического титана и малоуглеродистых сталей, модифицированных внедрением азота, углерода, бора и кислорода.

7. Разработать технологические рекомендации электрохимико-термической обработки стальных и титановых сплавов, позволяющие снизить градиент температуры в процессе их нагрева с целью повышения однородности эксплуатационных свойств упрочняемых изделий.

Защищаемые положения:

1. Технология скоростного однородного упрочнения цилиндрических деталей длиной до 50 мм путем их электрохимико-термической обработки в водных электролитах.

2. Модель теплообмена между парогазовой оболочкой и обрабатываемой деталью.

3. Теплофизическая модель влияния геометрических размеров рабочей камеры на распределение температуры обрабатываемой детали.

4. Конструкция рабочей камеры и методика управления температурным полем детали-анода варьированием расхода электролита.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Предложен механизм влияния геометрических размеров рабочей камеры на максимально достигаемую температуру нижней части обрабатываемого образца цилиндрической формы. Обнаружено, что уменьшение вертикального градиента температуры при нагреве цилиндрической детали возможно только с уменьшением ее максимальной температуры. Разработаны рекомендации по конструированию рабочих камер для скоростного анодного упрочнения в водных электролитах.

Показана возможность скоростной модификации поверхностных слоев сталей и технического титана путем из насыщения азотом, углеродом, бором и кислородом. Предложены режимы обработки и составы электролитов.

Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать распределение температуры по длине обрабатываемой поверхности на возрастающей ветви вольт-температурной характеристики удовлетворительно совпадающая с экспериментальными значениями.

Изучен теплообмен в анодной парогазовой оболочке. Установлено, что наличие вертикального градиента температуры связано с расширением парогазовой оболочки в вертикальном направлении. Показано, что изменение знака плотности теплового потока из оболочки в деталь объясняется недостаточным для разогрева всей детали выделением тепла в парогазовой оболочке.

Практическая значимость работы состоит в разработке технологического процесса скоростного упрочнения малогабаритных изделий путем анодной электрохимико-термической обработки. Разработана технология упрочнения нитепроводников прядильных машин, успешно испытанная в лабораторных и производственных условиях.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Дьяков, Илья Геннадьевич

Общие выводы

1. Разработана технология скоростного упрочнения технологической оснастки из нержавеющих сталей, применяемой в легкой промышленности, путем их анодной цементации с последующий закалкой в том же растворе. Показана возможность увеличения поверхностной твердости изделий до 3,2 ГПа после обработки в течение 5 мин.

2. Разработаны рекомендации по конструированию рабочих камер установок для реализации технологии электрохимико-термического упрочнения металлов и сплавов, позволяющие снизить вертикальный градиент температуры нагреваемой детали в 1,8 раза. Показано, что уменьшение диаметра рабочей камеры (катода) до 50 мм приводит к увеличению температуры обрабатываемой детали до 1150 °С при расходе электролита 4 л/мин. Снижение вертикального градиента температуры обрабатываемой детали возможно при увеличении диаметра рабочей камеры до 90 мм: подача электролита с расходом 6 л/мин при напряжении нагрева 270 В позволяет снизить температурный градиент от 9 до 5 °С/мм.

3. Предложена теплофизическая модель технологического процесса анодной химико-термической обработки. Показано, что основную роль в формировании вертикального градиента температуры детали играет перераспределение тепла в системе деталь - парогазовая оболочка. Установлено, что при увеличении длины детали мощность источников тепла в верхней части парогазовой оболочки становится недостаточной для достижения соответствующих данному напряжению температур из-за расширения оболочки.

4. Показано, что удельная электропроводность технологического раствора не определяет максимальную температуру детали, но по её изменению можно судить о степени выработанности электролита. Обнаружено, что снижение удельной электропроводности изученных электролитов до 100 мСм/см соответствует потере их работоспособности для выполнения закалки. Рекомендуемый диапазон удельной электропроводности рабочих электролитов составляет 160-210 мСм/см.

5. Предложена методика определения коэффициента теплоотдачи от парогазовой оболочки в упрочняемую деталь. Обнаружено влияние напряжения нагрева и размеров детали на величину среднего по ее длине коэффициента теплоотдачи от парогазовой оболочки к детали-аноду. Показано, что определение коэффициента теплоотдачи методом регулярного теплового режима дает лишь средние значения определяемой величины, и не выявляет зависимости от напряжения в системе.

6. Предложены составы электролитов для скоростного диффузионного насыщения изделий из титана азотом, углеродом и кислородом. Получена зависимость распределения концентрации насыщающих элементов от температуры обработки. Показано, что при обработке титана анодным электролитным нагревом происходит насыщение кислородом поверхностного слоя независимо от вида обработки, что связано с оксидирующим потенциалом парогазовой оболочки при использовании в качестве электролитов водных растворов.

7. Показана принципиальная возможность диффузионного насыщения среднеуглеродистых сталей бором при анодном электролитном нагреве в растворах на основе хлорида аммония. Предложены режимы борирования и состав электролита, позволяющий увеличить поверхностную микротвердость среднеуглеродистой стали до 7,5 ГПа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дьяков, Илья Геннадьевич, 2006 год

1. Суминов, И. В. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) Текст. / И. С. Суминов, А. В. Эпельфельд, В. Б. Людин, Б. Л. Крит, А. М. Борисов. М. :ЭКОМЕТ, 2005. - 368 с.

2. Белкин, П. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов Текст. / П. Н. Белкин. М.: Мир, 2005. - 336 с.

3. Поляк, М. С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения Текст.:в 2 т. Т. 1 / М. С. Поляк. М.: Л.В.М. - «СКРИПТ», «Машиностроение», 1995. - 832 с.

4. Кидин, И. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов Текст. / И. Н. Кидин, В. И. Андрюшечкин, В. А. Волков, А. С. Холин -М.: Металлургия, 1978. 320 с.

5. Ганчар, В. И. Физические процессы в растворах электролитов при анодном эффекте Текст. : автореф. дис.канд. физ.-мат. наук / И. И. Ганчар. -Одесса, 1992.- 15 с.

6. Лазаренко, Б. Р. О структуре и сопротивлении приэлектродной зоны при нагреве металлов в электролитной плазме Текст. / Б. Р. Лазаренко, В. Н. Дураджи, И. В. Брянцев // Электронная обработка материалов. 1980. -№2.-С. 50-55.

7. Дураджи, В. Н. Некоторые особенности нагрева металлов в электролитной плазме при анодном процессе Текст. / В. Н. Дураджи, И. В. Брянцев // Электронная обработка материалов. 1977. - №1. - С. 45-48.

8. Словецкий, Д. И. Механизм плазменно-электролитного нагрева Текст. / Д. И. Словецкий, С. Д. Терентьев, В. Г. Плеханов // Теплофизика высоких температур. 1986. - т. 24. - №2. - С. 353-363.

9. Ясногородский, И. 3. Нагрев металлов и сплавов в электролите Текст. / И. 3. Ясногородский М.: Машгиз, 1949. - С. 127.

10. Анагорский, JI.А. Нагрев металлов в электролите Текст. / JI. А. Анагорский. // Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. M.-JI.: Машиностроение, 1966. - С. 124-141.

11. Иосинори, Т. Закалка в электролите Текст. / Т. Иосинори. //Кикай гидзюцу. 1977. - Т. 25. - №8. - С. 116-117.

12. Edkie, R. G. A study of the electrode glow during electrolyses Текст. / R. G. Edkie ., Ch. Mande // Indian J. of Phys. 1969. - 43. - N5. - P. 239-252

13. Фоминов, А. Я. некоторые вопросы физики процесса нагрева в электролите Текст. / А. Я. Фоминов // Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. JI.: Машиностроение, - 1972. -С. 113-116

14. Ванин, В. С. Нагрев металлов в электролите Текст. / В. С. Ванин. // Электротермия 1967. - вып.55. - С. 18-19.

15. Ванин, B.C. Способ повышения устойчивости сильноточного тлеющего разряда Текст. / В. С. Ванин. // Электронная обработка материалов. 1968.-№4.-С. 90-93.

16. Северденко, В. П. Вольт-амперная диаграмма электролитного нагрева Текст. / В. П. Северденко, В. С. Мурас //Весщ АН БССР, сер. физ.-техн. наук. 1971. - №4. с. 67-71.

17. Garbarz-OIivier, J. Etude des discharges electriques produites entre l'electrode et la solution lors des effects d'anode et de cathode dans les electrolytes aqueux Текст. / J. Garbarz-OIivier, C. Guilpin // J. Chim. phys. 1975. - v.72. -N2.-P. 207-214.

18. Дамаскин, Б. Б. Введение в электрохимическую кинетику Текст. / Б. Б. Дамаскин, О. А. Петрий. М.: Высш. шк., 1983. - 400 с.

19. Лазаренко, Б. Р. Исследование пробоя воздуха между двумя электролитными электродами Текст. / Б. Р. Лазаренко, П. Н. Белкин,

20. А. А. Факторович // Электронная обработка материалов. 1972. - №1. -С. 9-11.

21. Ландау, JI. Д. Электродинамика сплошных сред Текст. / JI. Д. Ландау, Е. М. Лившиц. М.: Наука, 1982. - 622 с.

22. Белкин, П. Н. Стационарная температура анода, нагреваемого в водных электролитах Текст. / П. Н. Белкин, А. Б. Белихов // ИФЖ. т. 75. -№6.-С. 19-24.

23. Белкин, П. Н. Исследование проводимости паровой пленки при анодном электролитном нагреве Текст. / П. Н. Белкин, В. И. Ганчар, Ю. Н. Петров // Доклады АН СССР. 1986. - Т. 291. - N5. - С. 1116-1119.

24. Белкин, П. Н. Прохождение тока через парогазовую оболочку при анодном электролитном нагреве Текст. / П. Н. Белкин, В. И. Ганчар // Электронная обработка материалов. 1988. - №5. - С. 59-62.

25. Kellogg, H. H. Anode effect in the aqueous electrolyses Текст. / H. H. Kellogg // J. Electrochem. Soc. 1950. - v. 97. - No 4. - P. 133-142.

26. Лазаренко, Б. Р. Об особенностях электролитного нагрева при анодном процессе Текст. / Б. Р. Лазаренко, В. Н. Дураджи, А. А. Факторович, И. В. Брянцев // Электронная обработка материалов. 1974. - №3. - С. 37-40.

27. Ганчар, В. И. Анодное растворение железа в процессе электролитного нагрева Текст. / В. И. Ганчар, И. М. Згардан, А. И. Дикусар // Электронная обработка материалов. 1994. - №4. - С. 69-77.

28. Белихов, А. Б. Анодная цементация материалов на основе железа с целью повышения их износостойкости Текст.: автореф. дис.канд. техн. наук. / А. Б. Белихов. Кострома, 1999. - 15 с.

29. Ганчар, В. И. Вольт-амперные и вольт-температурные характеристики анодного электролитного нагрева Текст. / В. И. Ганчар, Э. Г. Дмитриев // Электронная обработка материалов. 1989. - № 2. - С. 23-25.

30. Белкин, П. Н. Тепловые потоки при нагреве анода в водных растворах Текст. / П. Н. Белкин, А. К. Товарков // Вестник КГУ им. H.A. Некрасова. -2001.-№3.-С. 8-12.

31. Белкин, П. Н. Влияние размеров анода на его температуру при нагреве электролитной плазмой Текст. /П. Н. Белкин // Электронная обработка материалов. 1976. - №2. - С. 40-42.

32. Исаченко, В. П. Теплопередача Текст. / В. П. Исаченко,

33. B. А. Осипова, А. С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. - С. 278.

34. Дьяков, И. Г. Особенности анодного нагрева при движении электролита в режиме свободной конвекции Текст. / И. Г. Дьяков,

35. C. Ю. Шадрин, П. Н. Белкин // Электронная обработка материалов. 2004. -№4.-С. 9-13.

36. Шадрин, С. Ю. Анодный нагрев в условиях естественной конвекции электролита Текст. / С. Ю. Шадрин, П. Н. Белкин // Вестник Воронежскогогосударственного технического университета. Сер. «Энергетика». 2004. -Вып. 7.4-С. 107-111.

37. Ясногородский, И. 3. Проводимость электролитных ванн Текст. / И. 3. Ясногородский // Автомобильная и тракторная промышленность. 1954. -№4. - С. 19-24.

38. Дураджи, В. Н. О регулировании распределения температуры образца при нагреве в электролитной плазме Текст. / В. Н. Дураджи, H.A. Полотебнова, А. К. Товарков // Электронная обработка материалов. -1981.-№4,-С. 40-42.

39. Дураджи, В. Н. Нагрев металлов в электролитной плазме Текст. / В. Н. Дураджи, А. С. Парсаданян. Кишинев: Штиинца, 1988. - 216 с.

40. Самсонов, Г. В. Некоторые особенности формирования покрытий в процессе реакционной диффузии Текст. / Г. В. Самсонов, Г. JI. Жунковский // Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Минск, 1974. - С. 3-11.

41. Ванин, В. С. Процессы в жидких средах при термообработке Текст./ В. С. Ванин // Электронная обработка материалов. 1975. - №1. - С. 53-55.

42. Cojocaru, M. The influence of superficial oxidation on the nitriding process Текст. / M. Cojocaru, D. Cojocaru, E. Florian // Metalurgia. 1984. - v.36. -N3. - P.150-153.

43. Eichorn, E. Versuche zur Aufkohlung mittels electrolytischer Erwarmung Текст./ E. Eichorn // Harterai-Technische-Mitteilungen. 1968. - vol. 23 . - n.2. -P. 110-115.

44. Иноуэ, К. Особенности цементации стали в разряде Текст. / К. Иноуэ, И. Сима // Нихон киндзоку гаккай си. 1969. - т. 33. - №7. - С. 755-760.

45. Дураджи, В. Н. Науглероживание стали в электролитной плазме при анодном процессе Текст. / В. Н. Дураджи, И. В. Брянцев, А. М. Мокрова, Т. С. Лаврова // Электронная обработка материалов. 1979. - №6. - С. 20-24.

46. Inoue, К. The characteristics of spark carburization Текст. / К. Inoue, Y. Shima // Trans. Iron and Steel Inst. Jap. 1970. - 10. - N5. - P. 360.

47. Белихов, А. Б. Особенности анодной цементации железографитов Текст. / А. Б. Белихов, П. Н. Белкин // Электронная обработка материалов. -1998.-№5-6.-С. 23-31.

48. Бошин, С. Н. Композиционные порошковые материалы Текст. / С. Н. Бошин, В. А. Гусев, Т. С. Шмаков, В. А. Манерцев. Кострома: изд-во КГТУ, 1995.-272 с.

49. Ванин? В. С. Цианирование стали с нагревом в электролите Текст. / В. С. Ванин, Г. А. Семенова // Металловедение и термическая обработка металлов, 1965.-№10.-С. 47-48.

50. Грдина, Ю. В. О некоторых особенностях азотирования в электролите Текст. / Ю. В. Грдина, Б. А. Бруслинский, Е. Е. Коглер // Известия вузов. Черная металлургия. 1968. №10. - С. 110.

51. Белкин, П. Н. Термическая и химико-термическая обработка сталей при нагреве в растворах электролитов Текст. / П. Н. Белкин,

52. Е. А. Пасинковский // Металловедение и термическая обработка металлов. -1989. -№5. -С.12-17

53. Пасинковский, Е. А. Азотирование сталей при анодном процессе электролитного нагрева Текст.: автореф. дис.канд. техн. наук / Е. А. Пасинковский. Москва, 1986. - 20 с.

54. Коваленко, В. С. Металлографические реактивы Текст.: справочник / В. С. Коваленко. М: Изд-во «Металлургия», 1970. - 133 с.

55. Теория теплообмена Текст. / под ред. А. И. Леонтьева. М., 1979. С.415.

56. Дьяков, И. Г. Толщина парогазовой оболочки при анодном нагреве вертикально погруженного цилиндра Текст. / И. Г. Дьяков, А. К. Товарков, П. Н. Белкин // Электронная обработка материалов. 2002. - №4 - С.43-49.

57. Мурас, В. С. Некоторые элементы процесса электролитного нагрева Текст. /В. С. Мурас // Сборник научных трудов. Минск, 1956. Вып. 3. - С. 87-104.

58. Теплотехника Текст. / под ред. В. Н. Луканина. М.: Высш. шк., 1999.-671 с.

59. Белкин, П. Н. О распределении температуры в стальном аноде при его нагреве электролитной плазмой Текст. / П. Н. Белкин, Е. А. Пасинковский, А. А. Факторович // Известия АН МССР, сер. физ.-техн. и мат. наук. 1977 -№1. - С. 82-84.

60. Белкин, П. H. Теплообмен между анодом и парогазовой оболочкой при электролитном нагреве Текст. / П. Н. Белкин, В. И. Ганчар, А. К. Товарков // Инженерно-физический журнал. 1986 - т. 51. - № 1. - С. 154-155.

61. Дьяков, И. Г. Особенности электрохимических реакций при анодном электролитном нагреве в однокомпонентных растворах Текст. / И. Г. Дьяков,

62. A. Р. Наумов // Современные электрохимические технологии в машиностроении: мат. V международного научно-практического семинара. -Иваново: ИГХТУ, 2005. С. 78-81.

63. Белихов, А. Б. Исследование старения растворов электролита для анодного нагрева Текст. / А. Б. Белихов, М. А. Михайленко // Вестник Костромского государственного университета имени Н. А. Некрасова. 2004. -№2.-С. 16-19.

64. Зайцев, В. А. Высокотемпературная коррозия малоуглеродистой стали в условиях электроплазменной обработки Текст. / В. А. Зайцев, А. М. Сухотин,

65. B. Г. Хорошайлов, Э. Реснер // Электронная обработка материалов. 1983. -№5.-56-58.

66. Шеленков, Г. M. Изготовление и эксплуатация оборудования из титана Текст. / Г. М. Шеленков, В. Е. Блащук, Р. К. Мелехов, О. Н. Романов,

67. C. Т. Вовк. Киев: Техшка, 1984. - 120 с.

68. Минкевич, А. Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов Текст. / А. Н. Минкевич. М.: Машиностроение, 1965.491 с.

69. Блащук, В. Е. Влияние электролитного азотирования на коррозионную стойкость технического титана ВТ1-0 Текст. / В. Е. Блащук, Н. М. Карета, Л. М. Оноприенко, П. Н. Белкин, Е. А. Пасинковский // Электронная обработка материалов. 1986. - № 3. - С. 20-22.

70. Белкин, П. Н. Исследование процесса анодной химико-термической обработки технического титана Текст. / П. Н. Белкин, А. М. Борисов,

71. B. Г. Востриков, И. Г. Дьяков, Е. А. Романовский, М. В. Серков // Быстрозакаленные материалы и покрытия: мат. 4-ой Всероссийской с международным участием научно-технической конференции. М.: МАТИ, 2005.-С. 107-110.

72. Ляхович, Л. С. ^ Борирование стали Текст. / Л. С. Ляхович, Л.Г. Ворошнин. М.: Металлургия, 1978. - 239 с.

73. Кузенков, С. Е. Борирование стали 45 в электролитной плазме Текст. / С. Е. Кузенков, Б. П. Саушкин // Электронная обработка материалов. 1996. -№ 4-6. - С. 24-28.

74. Мы, нижеподписавшиеся представители КГУ, КГТУ и СКБТМ составили настоящий акт о результатах НИР по повышению износостойкости нитепроводников из нержавеющей стали для льнопрядильных машин, изготавливаемых СКБТМ.

75. Применяющиеся проволочные нитепроводники из стали марки 12Х18Н9Т без дополнительной химико-термической обработки быстро изнашиваются, что приводит к повышению обрывности и необходимости замены нитепроводников.

76. Нами предложено производить упрочняющую химико-термичесую обработку рабочей поверхности нитепроводников методом анодного нагрева в среде электролита по технологии, разработанной в КГУ. ' • ■

77. Аспирантку Дьяков И.Г. Про<^ессор ^^^Гусев В.А. Полянский Ю.Б.Л

78. Аспирант ^О^ШадринС.Ю. Доцен^Т^^^^илой В.В. ьЛ^Л^