Теплофизические особенности процесса импульсной плазменной обработки сталей

УДК 621.785.54

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ

И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров,

А.Т. Габдрахманов, А. Д. Самигуллин

Представлены особенности импульсной плазменной обработки материалов. Приведены уравнения, позволяющие рассчитать параметры импульсного плазменного генератора для обеспечения заданных показателей качества упрочнённой зоны.

Ключевые слова: импульсный плазменный генератор, электрическая дуга, микроструктура стали.

На современном этапе научно технического прогресса возрастают требования к прочностным характеристикам конструкционных материалов. Среди технологических процессов, применяемых в машиностроении, важное место занимает плазменная технология закалки деталей [1, 2]. Плазменное упрочнение деталей из стали и чугуна является одним из эффективных и действенных способов увеличения ресурса работы элементов машин и механизмов, а также снижения их материалоемкости.

Формирование комплекса свойств поверхностных слоев сталей при импульсной плазменной обработке достигается созданием соответствующего термического цикла с заданными оптимальными параметрами, то есть температурой нагрева, скоростями нагрева и охлаждения, временем пребывания стали в аустенитном состоянии. В этой связи исследование и моделирование распределения температур при импульсной плазменной термообработке имеет большое значение.

Необходимо отметить, что надежных способов регистрации изменения температуры в зонах плазменного нагрева в настоящее время не существует. Поэтому анализ тепловых процессов производится аналитически, исходя из решения уравнения теплопроводности с граничными и начальными условиями и некоторыми допущениями.

Во многих работах [3-4] принято, что теплофизические и оптические характеристики материалов не зависят от температуры и берутся как средние для интервала температур 0°С...Гплавл. Однако анализ экспериментальных и теоретических работ по исследованию изменения теплофизических параметров в зависимости от температуры показал, что такие параметры как коэффициент теплопроводности X существенно зависит от температуры материала во время воздействия импульсного плазменного потока.

В работе [5] зависимость коэффициента теплопроводности X в сталях от температуры Т представлена в виде выражения

/ \ 69 7И Иф  Т

*

0.0462Иф 30

где Иц- доля цементита в сплаве; Иф - доля феррита в сплаве.

Проверим данное выражение, сравнивая его с экспериментальными

данными [6], например для стали 45 (рис. 1).

Рис. 1. Изменение коэффициента теплопроводности от температуры для стали 45:

♦ экспериментальные значения, — значения полученные расчетным

путем по формуле

Проведенный анализ показал, что для определения распределения температуры в материале необходимо учитывать изменение теплофизических параметров от температуры Х(Т), так как при импульсной плазменной обработке материал может нагреваться выше температуры плавления и в этом диапазоне Х(Т) значительно изменяется. Например, для стали 45 при росте температуре до 9000С Х(Т) уменьшается почти в 2 раза, при дальнейшем росте температуры ЦТ) практически не изменяется (см. рис. 1).

В работе решены проблемные вопросы оптимизации режимов поверхностного упрочнения сталей и сплавов с использованием концептуальных положений теплофизической модели процесса импульсной плазменной обработки [7].

Особенностью импульсного плазменного генератора является то, что на выходе из сопла создается большой объем плазмы, площадь поперечного сечения которого составляет 1 см и более. Для обеспечения необходимого количества тепла внесенного в материал в единицу времени и заданных показателей качества упрочненной зоны необходимо подобрать количество импульсов, мощность плазмотрона и время действия плазменного потока. Считая, что закалка произойдет в металле, где температура зоны воздействия выше температуры закали ТЗ, определим температурное

поле в образце после п импульсов воздействия плазмы.

Для определении температурных полей при импульсном плазменном воздействии принимают следующие допущения:

- в образце отсутствуют внутренние тепловые источники, поскольку из за низкой энергии практически не происходит проникновение заряженных частиц, а тем более нейтральных частиц в глубь материала, а тепловая волна распространяется на расстояние более 100 мкм;

- импульсный плазменный поток является осесимметричным, а радиус пятна нагрева существенно больше зоны термовлияния;

- отсутствуют радиационные потери с поверхности;

- температура облучаемого материала в начальный момент времени и за пределами зоны термовлияния равна 0оС.

Для расчетов воспользуемся формулой, описывающей процесс распространения теплоты в металле от распределенного мгновенного источника плотностью 0 [Дж/м ], на адиабатической поверхности полупространства [7]

Т

п

О Л

ехр

г

4  а  т и

х

X

вг/

х

л/4

а  т и

- вг/

х

2гг

V4

а  т и

2

где п - число импульсов; О - количество энергии в импульсе, Дж/м ; П - кпд установки; а - коэффициент температуропроводности, м /с; 1 - коэффициент теплопроводности, являющийся функцией температуры (1), Вт/м-К; тИ - длительность воздействия плазмы на образец, с; г - глубина воздействия, м; х - координата перпендикулярная г, м; гР - радиус пятна воздействия, м.

При многоимпульсной обработке реализуется импульсно-

периодический режим обработки, то есть в промежутке между импульсами будет происходить распространение тепла вглубь материала. Значит, при расчете необходимо учитывать охлаждение зоны воздействия во время паузы

Т(х, 2, т) = п

О п^л/а г

ехр

21   т и

г

4а тИ

+

О л

21^л/р

4тОб

ехр

г

4а О

вг/

вг/

х

х

вг/

л14а тИ ) 1л/4а тИ

ехр

г

вг/

л/4а тОб

У

л г вг/

+

У

V

х

- вг/

л14а тП ) 1л/4а тП

х - 2гр л/4а О

+ То,

где тП - длительность паузы, с; тП = ¡Э1У, 1Э - длина электродов, м; V - скорость движения дуги, м/с; ТОб - период, с, ТОб=ТИ+ТП.

На рис. 2 представлены температурные поля в образце после воздействия п импульсов плазменного потока полученные расчетным путем.

О 5 10 15 20 о 5 10 15 20 о і 10 и 20

а б в

Рис. 2. Расчетное температурное поле в образце из стали 45: а - без учета охлаждения между импульсами; б - с учетом охлаждения между импульсами; в - с учетом охлаждения между импульсами и изменением к от температуры

Данное уравнение позволяет рассчитать количество импульсов при заданных энергетических и тепловых параметрах импульсного плазменного генератора для достижения необходимой температуры в зоне воздействия плазмы с деталью и глубины термоупрочнения.

Для проверки теоретических расчетов были проведены экспериментальные исследования воздействия импульсного плазменного потока на поверхности металлов. В качестве исследуемых образцов были выбраны различные легированные инструментальные стали и стали с различным содержанием углерода. Целью металлографических исследований являлось определение глубины и структуры упрочненной зоны. На рис. 3 представлен образец, обработанный импульсным плазменным генератором.

Металлографические исследования различных сталей в области плазменного упрочнения показали, что зона термического воздействия плазменной струи имеет форму сегмента. При нагреве плазменной струей поверхности металла происходит нагрев поверхности слоя до различных температур, вследствие чего он имеет слоистое строение (рис. 3), что соответствует выбранной модели (3).

Первая зона - зона оплавления, состоящей из неравновесной мелкодисперсной структуры, близкой к аморфной она имеет место при закалке из расплавленного состояния. Зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая мартенсит. Эта зона микроструктурно выявляется в

256

виде слабо травящегося слоя исключительно высокой твердости. Зона оплавления неравномерна по ширине обработанной поверхности максимальная глубина центральной части составляет 0,022 мм. С твердостью поверхностного слоя 874 ИУ5 .

*1000

Рис. 3. Образец стали 45 обработанный импульсным плазменным генератором

Вторая зона - зона закалки из твердой фазы. Непосредственно под слабо травящимся слоем расположена зона плазменного воздействия, граничащая с зоной полной и неполной закалки с микротвердостью, соответствующей твердости мелкоигольчатого мартенсита и троосто-мартенсита, переходящая в сорбит закалки и сорбит отпуска ближе к основной (исходной) структуре. Толщина этой зоны также неравномерна и колеблется до

0,45 мм. По глубине слой характеризуется сильной структурной неоднородностью, так как наряду с полной закалкой происходит неполная закалка. В верхней границе слоя, ближе к поверхности, наблюдается мартенсит и остаточный аустенит. В нижней границе слоя, ближе к исходному металлу, наряду с мартенситом наблюдаются элементы исходной структуры феррит.

Третья зона - переходная зона. В этой зоне металл нагревается до температур ниже точки Ась в котором основными структурами являются

структуры отпуска. Зона исходной структуры и твердости, представляющая мелкодисперсный сорбит отпуска. Переходной слой имеет наиболее неупорядоченную и однородную структуру.

Изменение микротвердости по глубине закаленной зоны представлено на рис. 4.

Рис. 4. Изменение микротвердости по глубине закаленной зоны

образца из стали 45

Проведенные исследования показали, что успешным решением проблемы формирования высокопрочного состояния поверхностных слоев углеродистых сталей является проведение плазменного поверхностного упрочнения. В этом случае создается дислокационная структура, формирующаяся при высокотемпературной термомеханической обработке и обеспечивающая высокую прочность и пластичность матрицы.

Приведенные расчеты позволяют определить необходимые параметры импульсного плазменного генератора для обеспечения заданных показателей качества упрочнённой зоны.

Список литературы

1. Клебанов Ю.Д., Григорьев С.Н. Физические основы применения концентрированных потоков энергии в технологиях обработки материалов. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», Янус-к, 2005. 220 с.

2. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет. М.: Машиностроение, 1993. 296 с.

3. Моделирование процесса обработки плазменным технологическим комплексом для достижения заданных показателей качества / И.Х. Исрафилов [и др.] // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. № 2, 2007. С. 86-88.

4. Исследование влияния параметров импульсного плазменного генератора на показатели качества технологического процесса / А.Т. Галиакбаров [и др.] // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. № 2, 2010. С. 50-52.

5. Давыдов С.В., Гуляев Ю.В., Симочкин В.В. Влияние теплофизических свойств углеродистых сталей на эвтектоидное превращение аусте-нита // Вестник Брянского государственного технического университета, 2008, № 1. С. 4-9.

6. Марочник сталей и сплавов / М.М. Колосков [и др.]; Под ред. А.С Зубченко. М.: Машиностроение, 2001. 672 с.

7. Паркин А. А. Технология обработки концентрированными потоками энергии. Самара: Самарский государственный технический университет, 2004. 497 с.

Исрафилов Ирек Хуснемарданович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, vipi@ineka.ru. Россия, Набережные Челны, «Набережночелнинский институт» Федерального государственного автономного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»,

Галиакбаров Азат Талгатович, канд. техн. наук, доц., vipi@ineka.ru, Россия, Набережные Челны, «Набережночелнинский институт» Федерального государственного автономного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»,

Габдрахманов Азат Талгатович, аспирант, ст. преподаватель, vipi@ineka.ru, Россия, Набережные Челны, «Набережночелнинский институт» Федерального государственного автономного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»,

Самигуллин Алмаз Динаисович, аспирант, ассистент, vipi@ineka.ru, Россия, Набережные Челны, «Набережночелнинский институт» Федерального государственного автономного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

THERMOPHYSICAL FEA TURES OF PROCESS PULSED PLASMA TREA TMENT

OF STEEL

IsrafilovI.H., GaliakbarovA.T., GabdrahmanovA.T., SamigullinA.D.

The article presents the features ofpulsed plasma processing of materials. The above equations allow to calculate parameters of the pulsed plasma generator to ensure the specified quality indicators hardened zone.

Key words: the impulse plasma generator, electric arc, steel microstructure.

Israfilov Irek Husnemardanovich, a Dr.Sci.Tech., the prof., the manager. Chair, vipi@ineka.ru, Russia, Naberezhnye Chelny, «Naberezhnochelninsky institute» Federal state independent establishment of the higher vocational training «Kazan (Privolzhsky) federal university»,

Galiakbarov Azat Talgatovich, a Cand.Tech.Sci., doc., vipia.ineka.ru. Russia, Naberezhnye Chelny, «Naberezhnochelninsky institute» Federal state independent establishment of the higher vocational training «Kazan (Privolzhsky) federal university»,

Gabdrahmanov Azat Talgatovich, the post-graduate student, the item the teacher, vipi@ineka.ru, Russia, Naberezhnye Chelny, «Naberezhnochelninsky institute» Federal state independent establishment of the higher vocational training «Kazan (Privolzhsky) federal university»

Samigullin Almaz Dianisovich, the post-graduate student, the assistant, vipi@ineka.ru, Russia, Naberezhnye Chelny, «Naberezhnochelninsky institute» Federal state independent establishment of the higher vocational training «Kazan (Privolzhsky) federal university»