CC BY
73
УДК 621.9.044+621.785.52/53
УДАРНО-ВОЛНОВОЕ СТИМУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
В.А. Безрукавая, ассистент, Национальный горный университет (г. Днепропетровск)
Аннотация. Исследовано влияние предварительной ударно-волновой обработки на параметры борирования конструкционной углеродистой стали. Сравнение существующих методов борирования показало, что предварительная ударно-волновая обработка является стимулирующим фактором, который способствует интенсификации протекающих диффузионных процессов.
Ключевые слова: химико-термическая обработка, ударно-волновое стимулирование, борирование стали, диффузия.
Введение
В последние годы особый интерес в области механики материалов и физического металловедения вызывают работы, связанные с исследованием влияния предварительной интенсивной пластической деформации на процессы структурообразования и интенсификацию химико-термической обработки металлов.
Новым перспективным направлением в решении поставленной задачи является создание упрочняющих покрытий с применением высокомодульных источников энергии, которые используются в качестве стимулирующих факторов для интенсификации процессов химико-термической обработки металлических сплавов.
В этой связи использование ударных волн разной интенсивности, генерируемых различными энергетическими источниками (детонация взрывчатых веществ, магнитные поля высокой напряженности, высоковольтный разряд в жидкости, взрывающиеся проволочки), прежде всего, связано с высокой эффективностью ударного действия на металлы в чрезвычайно короткие промежутки времени и практически отсутствующей остаточной деформации (1 - 3%) при значительном их упрочнении.
Под действием взрывных волн в металле возникает большое количество дефектов типа вакансий и дислокаций, которые связаны с тремя механизмами: скоростной деформацией, ползучестью, двойникованием и сдвигом по атомным плоскостям.
Сдвиговые напряжения, возникающие на фронте ударной волны, являются мощным катализатором диффузионных и фазовых превращений [1, 2].
Таким образом, ударная волна оказывает модифицирующее действие на материал, который в дальнейшем будет подвергнут химикотермической обработке.
Цель работы
В настоящей работе впервые исследована роль предварительной ударно-волновой обработки на параметры диффузионных слоев при насыщении металлической поверхности углеродистой стали 45 [3].
Материалы и методика исследований
В качестве модельного материала была выбрана конструкционная углеродистая сталь 45 в нормализованном состоянии, пластина из которой размерами 45x20x150 мм подвергалась контактному взрыву зарядом аммони-
с начальными параметрами:
та 6ЖВ
p ~ 1 г/см3, Д ~ 4000 м/с, где p - начальная плотность заряда ВВ, Д - скорость детонации. Высота заряда была выбрана равной 25 мм.
Значение давления Р~3,5 ГПа на границе -«ВВ-металл» определено для фиксированного угла падения детонационного фронта, равного ß=90°. Для предотвращения действия волн разгрузки пластины размещали в свинцовом контейнере. Условие взрывного нагружения в экспериментах соответствовало обработке металлической пластины «косой» ударной волной [4].
Борирование проводилось в борсодержащих порошках (B4C + 2-4 % NH4CI) при температуре t=950 °С на протяжении т=5 часов1.
Поверхностные слои металла исследовали с помощью металлографического, микродю-рометрического и рентгеноструктурного методов анализа. Микродюрометрический анализ по глубине диффузионных слоев проводился по стандартной методике на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 50 г. Металлографические исследования были проведены на оптическом микроскопе «Neophot-22». Рентгенографические исследования проводились на установке ДРОН-2 с использованием Со-Ка излучения.
Результаты
Исследования показали, что в результате ударно-волнового нагружения происходит резкое измельчение зерна (до 30 мкм) на поверхности металла и имеет место ликвация углерода, следовательно, это приводит к перераспределению перлитных и ферритных структурных составляющих (рис. 1).
Данные по измерению микротвердости показали, что образцы, предварительно подвергнутые высокоэнергетической обработке, имеют более высокие значения микротвердости (рис. 2).
а б
Рис. 1. Микроструктура борированных образцов из стали 45: а - образец в исходном состоянии, х125; б - образец, предварительно обработанный ударно-волновым нагружением, х125
- сталь 45 после предварительного ударно-волнового нагружения и последующего борирования
сталь 45 после борирования по стандартной методике
Рис. 2. Изменение значения микротвердости стали 45 в зависимости от вида обработки
I Imp/«
4600 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 ■** 20
Рентгеновская днфраггограмма образце 1-3 сторона 2. Co-Кв излучение
S « I
S * »
1Л_
2в
I ¡тпрЛ»
30 40 50 60 ТО во 90 100 110
а
Рентгеновская дмфрактаграш» образца 1-3 сторона 1, Co-К,, излучение
Химико-термическая обработка по насыщению поверхности образцов из стали 45 бором была проведена в лаборатории под руководством проф. Спиридоновой И.М. Днепропетровского Национального университета им. О. Гончара.
б
Рис. 3. Рентгенограмма борированной стали 45: а - образец в исходном состоянии;
б - образец, предварительно обработанный ударно-волновым нагружением,
х125
Как видно из дифрактограммы, на углах 20 = 90°... 100° наблюдается некоторое уши-рение линий. Для определения величины остаточных напряжений, возникающих в результате воздействия высокоскоростной обработки, необходимо проводить дополнительные исследования.
Выводы
Таким образом, предварительное ударноволновое нагружение является эффективным стимулирующим фактором интенсификации диффузионных процессов химико-термической обработки и существенно улучшает эксплуатационные характеристики металлических изделий при практически отсутствующей остаточной деформации.
Следует отметить, что стимулирование процессов ХТО ударными волнами может найти применение в тех случаях, когда при необходимой толщине диффузионных слоев рабочей поверхности форма и материал деталей исключает использование холодной деформации.
Литература
1. Демченко Л.Д., Надутов В.М., Черепо-
ва Ю.С. Влияние предварительной пластической деформации на структуру и свойства азотированных слоев в Бе // ОТТОМ-4. - К., 2003. - С. 205 - 209.
2. Ударные волны и явления высокоскорост-
ной деформации металлов. - М.: Металлургия, 1984.- С. 351 - 357.
3. Дидык Р.П., Безрукавая В.А., Грязно-
ва Л.В., Лисняк А.Г. Влияние предварительной ударно-волновой обработки на параметры низколегированной стали // Металлофизика и новейшие технологии. - К. - Т. 30. - №9. - 2008. - С. 1289 -1295.
4. Дидык Р.П. Эффект взрывного упрочнения
металлов в зависимости от положения фронта детонации // Металлофизика и новейшие технологии. - К., 1997. -С. 18 - 26.
Рецензент: Л.А. Тимофеева, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 23 июля 2009 г.
