Помощь студентам в учебе
УПРАВЛЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЕМ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕМ ВЫГЛАЖИВАНИИ С ТЕПЛООТВОДОМ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ
Актуальность темы исследования. Формирование уникальных свойств поверхностных слоев деталей трибосопряжений, изготавливаемых из традиционных конструкционных сталей, позволяет увеличить эксплуатационную надежность машин и оборудования без значительных капиталовложений. Перспективным направлением повышения прочности и износостойкости поверхностных слоев материалов является разработка и совершенствование физико-механических процессов, обеспечивающих получение нанокристаллических структур методами интенсивной пластической деформацией сдвига. Особенно актуально развитие данных процессов в условиях серийного и экологически чистого производства изделий.
Степень разработанности проблемы исследования. Фундаментальные основы наноструктурирования конструкционных материалов заложили H. Gleiter, Р.З. Валиев, В.Е. Панин и др. Теоретические и прикладные вопросы формирования нанокристаллитов при трении и фрикционной обработке изучены в работах Л.Г. Коршунова, В.Р. Бараза, А.В. Макарова, А.В. Колубаева, С.Ю. Тарасова, X. Wang и других. Научные основы промышленной технологии наноструктурирующего выглаживания поверхностей деталей на станках с ЧПУ разработаны В.П. Кузнецовым.
Исследования наноструктурирования поверхностей сталей скользящим индентором в лабораторных условиях при фрикционной обработке и наноструктурирующем выглаживании на современных станках с ЧПУ показали возможность значительного повышения прочностных свойств в сочетании с пластичностью материала. Применительно к наноструктурирующему выглаживанию (НСВ) определены допустимые и достаточные условия фрикционного нагружения, контактного давления и скорости скольжения сферического индентора из сверхтвердого материала (синтетический поликристаллический алмаз PCD и кубический особоплотный нитрид бора DBN). Однако не были изучены закономерности формирования нанокристаллической структуры и свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при скорости скольжения индентора более 20 м/мин. Невозможность про-ведения этих исследований обусловлена потерей сдвиговой устойчивости, рекристаллизацией и разрушением материала поверхностного слоя. Особый научный интерес к совершенствованию физико-механического процесса НСВ при высоких скоростях скольжения индентора представляет рассмотрение влияния отвода фрикционного тепла из контактной зоны инструмента для поддержания оптимального температурно-скоростного режима пластической деформации.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработки и физики металлов» ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.
Ельцина» и грантов РФФИ № 14-38-50423 и № 15-О8-01511А «Изучение механизмов наноструктурирования поверхности при пластическом деформировании выглаживанием с использованием комплексного многомасштабного подхода».
Целью работы является совершенствование физико-механического процесса наноструктурирующего выглаживания для формирования нанокристаллической структуры и повышения свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при высоких скоростях скольжения индентора инструмента.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1 Обосновать концепцию управления формированием нанокристаллической структуры и свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании с теплоотводом.
2 Разработать математическую модель теплопередачи фрикционного тепла и расчетные зависимости параметров интенсивной пластической деформации и контактной температуры от скорости скольжения.
3 Создать инструмент, обеспечивающий эффективный отвод фрикционного тепла и провести экспериментальные исследования влияния скорости скольжения индентора на изменение контактных сил и температуры, степени и скорости пластической деформации при наноструктурирующем выглаживании мартенситных закаленных сталей 20Х и 20Х13.
4 Провести наноструктурирующее выглаживание инструментом с системой отвода фрикционного тепла и установить закономерности изменения размеров зерен, объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя от скорости скольжения и параметра Зинера-Холломона.
5 Определить взаимосвязь физико-механических и трибологических свойств наноструктурированного слоя сталей 20Х и 20Х13 со скоростью скольжения индентора и эффективность применения инструмента с теплоотводом.
Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в том, что:
1 Впервые установлено, что зависимости объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя от параметра Зинера-Холломона при наноструктурирующем выглаживании мартенситных сталей имеют экстремум, обусловленный наличием оптимального температурно-скоростного режима.
2 Обоснован подход к назначению скорости скольжения индентора инструмента при наноструктурирующем выглаживании поверхностей сталей на основе установления оптимальной величины параметра Зинера-Холломона по критериям размеров нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя.
3 Созданы экспериментальные методы определения степени, скорости деформации и контактной температуры в зависимости от скорости скольжения индентора, позволяющие решать задачи управления отводом фрикционного тепла и температурно-скоростным режимом наноструктурирующего выглаживания.
4 Установлено, что отвод 66% и 80% фрикционного тепла из контактной зоны в инструмент при наноструктурирующем выглаживании, соответственно, сталей 20Х и 20Х13 со скоростью скольжения индентора 50 м/мин обеспечивает, в сравнении с обработкой без теплоотвода с предельной скоростью 15 м/мин, повышение истинной деформации с e=3,5...3,8 до е=5,0...5,25 и скорости деформации более, чем на порядок, с £ = (2,8...3,7)103 с 1 до £ = (5,2...6,8)104 с 1.
Практическая значимость:
1 Создан и запатентован инновационный инструмент с системой охлаждения индентора, позволяющий обеспечивать оптимальный температурно-скоростной режим наноструктурирующего выглаживания и формирование наноструктурного состояния поверхностного слоя мартенситных сталей при повышении скорости скольжения индентора в 3 раза до 50 м/мин (Патенты РФ №2635987, №150111).
2 Обеспечена экологичность процесса наноструктурирующего выглаживания с теплоотводом за счет применения в инструменте замкнутого контура жидкостного охлаждения на основе ТЭМ Пельтье.
3 Обеспечено достижение микротвердости поверхностного слоя закаленных сталей цементованной 20Х до 1480 HV0,5и 20Х13 до 1310 HV0,5при скорости скольжения индентора 50 м/мин.
4 Получен годовой экономический эффект в размере 2,157 млн. рублей от внедрения усовершенствованного физико-механического процесса наноструктурирующего выглаживания с системой отвода фрикционного тепла при производстве шпинделей MKTZ-300.25.012 и MKTS-100.25.004 для задвижек высокого давления на ООО «Предприятие «Сенсор».
Методология и методы диссертационного исследования. Методологи-ческой основой послужили труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области разработки физико-механических процессов формирования поверхностных слоев сталей и новых материалов с нанокристаллической структурой интенсивной пластической деформацией, научные основы материаловедения, трибологии, теплопередачи и тепловых сетей.
Для решения поставленных задач использовались современные методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии, динамометрии, измерений твердости, трибологических испытаний поверхностного слоя, анализа структуры в программном пакете SIAMS 700 и компьютерного моделирования в программном пакете Multisim. Экспериментальные результаты были получены с использованием сертифицированных приборов и средств измерений.
На защиту выносятся основные положения и результаты:
1 Математическая модель теплопередачи фрикционного тепла из контактной зоны и расчетные зависимости температуры, степени и скорости пластической
6 деформации при наноструктурирующем выглаживании мартенситных закаленных сталей 20Х и 20Х13.
2 Методики и результаты экспериментальных исследований степени и скорости интенсивной пластической деформации, контактных сил и температуры в зависимости от скорости скольжения индентора.
3 Оптимальные значения параметра Зинера-Холломона и допустимый диапазон изменения контактной температуры, обеспечивающий формирование нанокристаллической структуры и уникальных физико-механических свойств поверхностного слоя при повышении скорости скольжения индентора.
4 Физико-механические и трибологические свойства поверхностного слоя термоупрочненных сталей 20Х и 20Х13 после наноструктурирующего выглаживания инструментом с системой отвода фрикционного тепла.
Степень достоверности результатов работы обеспечивается большим объемом и воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований, сопоставлением их между собой и с известными литературными данными, ис-пользованием современных методов исследования и аттестованных средств измерения и анализа структуры и свойств материала.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 9-ти конференциях, в том числе на Х-й Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии - производству» (Фрязино, 2014 г.), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного машиностроения» (Юрга, 2014 г.), IV Международной научно-технической конференции «Теплофизические и техно-логические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (Тольятти, 2015 г.), IX Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения (Томск, 2015 г.), XI-й Международной научно-технической конференции «Трибология - машиностроению» (Москва, 2016), IV Международном технологическом форуме «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2017 г.), 3rd International Conference on Rheology and Modelling of Materials (Miskolc-Lillafured, Hungary, 2017 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации, полученные результаты, выводы и рекомендации опубликованы в 14-ти научных работах, в том числе в 7-ми статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК и 7-ми статьях в сборниках трудов Международных научных конференций. Получены 1 патент РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в разработке способа отвода фрикционного тепла при наноструктурирующем выглаживании, создании специального инструмента и проведении всего комплекса теоретических и экспериментальных исследований по решению проблемы управления
формированием нанокристаллической структуры и уникальных свойств мартенситных сталей, обсуждении, анализе и подготовке публикаций полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка цитируемой литературы из 84 источников и 4 приложений. Работа изложена на 135 страницах, содержит 68 рисунков и 4 таблицы.
Степень разработанности проблемы исследования. Фундаментальные основы наноструктурирования конструкционных материалов заложили H. Gleiter, Р.З. Валиев, В.Е. Панин и др. Теоретические и прикладные вопросы формирования нанокристаллитов при трении и фрикционной обработке изучены в работах Л.Г. Коршунова, В.Р. Бараза, А.В. Макарова, А.В. Колубаева, С.Ю. Тарасова, X. Wang и других. Научные основы промышленной технологии наноструктурирующего выглаживания поверхностей деталей на станках с ЧПУ разработаны В.П. Кузнецовым.
Исследования наноструктурирования поверхностей сталей скользящим индентором в лабораторных условиях при фрикционной обработке и наноструктурирующем выглаживании на современных станках с ЧПУ показали возможность значительного повышения прочностных свойств в сочетании с пластичностью материала. Применительно к наноструктурирующему выглаживанию (НСВ) определены допустимые и достаточные условия фрикционного нагружения, контактного давления и скорости скольжения сферического индентора из сверхтвердого материала (синтетический поликристаллический алмаз PCD и кубический особоплотный нитрид бора DBN). Однако не были изучены закономерности формирования нанокристаллической структуры и свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при скорости скольжения индентора более 20 м/мин. Невозможность про-ведения этих исследований обусловлена потерей сдвиговой устойчивости, рекристаллизацией и разрушением материала поверхностного слоя. Особый научный интерес к совершенствованию физико-механического процесса НСВ при высоких скоростях скольжения индентора представляет рассмотрение влияния отвода фрикционного тепла из контактной зоны инструмента для поддержания оптимального температурно-скоростного режима пластической деформации.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработки и физики металлов» ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.
Ельцина» и грантов РФФИ № 14-38-50423 и № 15-О8-01511А «Изучение механизмов наноструктурирования поверхности при пластическом деформировании выглаживанием с использованием комплексного многомасштабного подхода».
Целью работы является совершенствование физико-механического процесса наноструктурирующего выглаживания для формирования нанокристаллической структуры и повышения свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при высоких скоростях скольжения индентора инструмента.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1 Обосновать концепцию управления формированием нанокристаллической структуры и свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании с теплоотводом.
2 Разработать математическую модель теплопередачи фрикционного тепла и расчетные зависимости параметров интенсивной пластической деформации и контактной температуры от скорости скольжения.
3 Создать инструмент, обеспечивающий эффективный отвод фрикционного тепла и провести экспериментальные исследования влияния скорости скольжения индентора на изменение контактных сил и температуры, степени и скорости пластической деформации при наноструктурирующем выглаживании мартенситных закаленных сталей 20Х и 20Х13.
4 Провести наноструктурирующее выглаживание инструментом с системой отвода фрикционного тепла и установить закономерности изменения размеров зерен, объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя от скорости скольжения и параметра Зинера-Холломона.
5 Определить взаимосвязь физико-механических и трибологических свойств наноструктурированного слоя сталей 20Х и 20Х13 со скоростью скольжения индентора и эффективность применения инструмента с теплоотводом.
Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в том, что:
1 Впервые установлено, что зависимости объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя от параметра Зинера-Холломона при наноструктурирующем выглаживании мартенситных сталей имеют экстремум, обусловленный наличием оптимального температурно-скоростного режима.
2 Обоснован подход к назначению скорости скольжения индентора инструмента при наноструктурирующем выглаживании поверхностей сталей на основе установления оптимальной величины параметра Зинера-Холломона по критериям размеров нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя.
3 Созданы экспериментальные методы определения степени, скорости деформации и контактной температуры в зависимости от скорости скольжения индентора, позволяющие решать задачи управления отводом фрикционного тепла и температурно-скоростным режимом наноструктурирующего выглаживания.
4 Установлено, что отвод 66% и 80% фрикционного тепла из контактной зоны в инструмент при наноструктурирующем выглаживании, соответственно, сталей 20Х и 20Х13 со скоростью скольжения индентора 50 м/мин обеспечивает, в сравнении с обработкой без теплоотвода с предельной скоростью 15 м/мин, повышение истинной деформации с e=3,5...3,8 до е=5,0...5,25 и скорости деформации более, чем на порядок, с £ = (2,8...3,7)103 с 1 до £ = (5,2...6,8)104 с 1.
Практическая значимость:
1 Создан и запатентован инновационный инструмент с системой охлаждения индентора, позволяющий обеспечивать оптимальный температурно-скоростной режим наноструктурирующего выглаживания и формирование наноструктурного состояния поверхностного слоя мартенситных сталей при повышении скорости скольжения индентора в 3 раза до 50 м/мин (Патенты РФ №2635987, №150111).
2 Обеспечена экологичность процесса наноструктурирующего выглаживания с теплоотводом за счет применения в инструменте замкнутого контура жидкостного охлаждения на основе ТЭМ Пельтье.
3 Обеспечено достижение микротвердости поверхностного слоя закаленных сталей цементованной 20Х до 1480 HV0,5и 20Х13 до 1310 HV0,5при скорости скольжения индентора 50 м/мин.
4 Получен годовой экономический эффект в размере 2,157 млн. рублей от внедрения усовершенствованного физико-механического процесса наноструктурирующего выглаживания с системой отвода фрикционного тепла при производстве шпинделей MKTZ-300.25.012 и MKTS-100.25.004 для задвижек высокого давления на ООО «Предприятие «Сенсор».
Методология и методы диссертационного исследования. Методологи-ческой основой послужили труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области разработки физико-механических процессов формирования поверхностных слоев сталей и новых материалов с нанокристаллической структурой интенсивной пластической деформацией, научные основы материаловедения, трибологии, теплопередачи и тепловых сетей.
Для решения поставленных задач использовались современные методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии, динамометрии, измерений твердости, трибологических испытаний поверхностного слоя, анализа структуры в программном пакете SIAMS 700 и компьютерного моделирования в программном пакете Multisim. Экспериментальные результаты были получены с использованием сертифицированных приборов и средств измерений.
На защиту выносятся основные положения и результаты:
1 Математическая модель теплопередачи фрикционного тепла из контактной зоны и расчетные зависимости температуры, степени и скорости пластической
6 деформации при наноструктурирующем выглаживании мартенситных закаленных сталей 20Х и 20Х13.
2 Методики и результаты экспериментальных исследований степени и скорости интенсивной пластической деформации, контактных сил и температуры в зависимости от скорости скольжения индентора.
3 Оптимальные значения параметра Зинера-Холломона и допустимый диапазон изменения контактной температуры, обеспечивающий формирование нанокристаллической структуры и уникальных физико-механических свойств поверхностного слоя при повышении скорости скольжения индентора.
4 Физико-механические и трибологические свойства поверхностного слоя термоупрочненных сталей 20Х и 20Х13 после наноструктурирующего выглаживания инструментом с системой отвода фрикционного тепла.
Степень достоверности результатов работы обеспечивается большим объемом и воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований, сопоставлением их между собой и с известными литературными данными, ис-пользованием современных методов исследования и аттестованных средств измерения и анализа структуры и свойств материала.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 9-ти конференциях, в том числе на Х-й Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии - производству» (Фрязино, 2014 г.), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного машиностроения» (Юрга, 2014 г.), IV Международной научно-технической конференции «Теплофизические и техно-логические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (Тольятти, 2015 г.), IX Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения (Томск, 2015 г.), XI-й Международной научно-технической конференции «Трибология - машиностроению» (Москва, 2016), IV Международном технологическом форуме «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2017 г.), 3rd International Conference on Rheology and Modelling of Materials (Miskolc-Lillafured, Hungary, 2017 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации, полученные результаты, выводы и рекомендации опубликованы в 14-ти научных работах, в том числе в 7-ми статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК и 7-ми статьях в сборниках трудов Международных научных конференций. Получены 1 патент РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в разработке способа отвода фрикционного тепла при наноструктурирующем выглаживании, создании специального инструмента и проведении всего комплекса теоретических и экспериментальных исследований по решению проблемы управления
формированием нанокристаллической структуры и уникальных свойств мартенситных сталей, обсуждении, анализе и подготовке публикаций полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка цитируемой литературы из 84 источников и 4 приложений. Работа изложена на 135 страницах, содержит 68 рисунков и 4 таблицы.
1 Сформулирована концепция управления формированием нанокристаллической структуры при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании, основанная на отводе фрикционного тепла из контактной зоны в инструмент и поддержании оптимального температурно-скоростного режима деформации.
2 Разработана математическая модель теплопередачи из контактной зоны скользящего индентора, позволяющая определять необходимую долю (коэффициент) отвода фрикционного тепла и параметры теплоотводящей системы инструмента.
3 Создан и запатентован выглаживающий инструмент с системой отвода фрикционного тепла, позволяющий управлять температурным режимом нано-структурирующего выглаживания.
4 Разработан экспериментально-расчетный метод определения связи степени и скорости интенсивной пластической деформации сдвига со скоростью скольжения индентора на основе 3О-профилометрии валика пластически оттесненного металла и сканирующей электронной микроскопии поверхностного слоя.
5 Установлены зависимости изменения коэффициента трения и контактной температуры от скорости скольжения индентора, позволяющие выполнить расчет параметра Зинера-Холломона при различных режимах наноструктурирующего выглаживания инструментом без теплоотвода и с системой отвода фрикционного тепла.
6 Определен допустимый температурно-скоростной режим наноструктурирующего выглаживания, обеспечивающий формирование нанокристаллической структуры поверхностного слоя сталей 20Х и 20Х13 на основе оптимизации параметра Зинера-Холломона по критериям объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя.
7 Установлено, что наноструктурирующее выглаживание стали 20Х инструментом с системой отвода фрикционного тепла при скорости скольжения 50 м/мин позволяет формировать наноструктурированный слой толщиной 4,5 мкм со средним размером зерна ~20 нм, микротвердостью до 1480 НУ0,5 и шероховатостью до Ра 0,2 мкм, что обеспечивает снижение удельной интен-сивности изнашивания в паре с корундом до ~6’10-15 м3/Нм.
8 Показано, что наноструктурирующее выглаживание стали 20Х13 инструментом с системой отвода фрикционного тепла при скорости скольжения 50 м/мин позволяет формировать наноструктурированный слой толщиной 4,4 мкм со средним размером зерна 22 нм, микротвердостью 1310 НУ0,5 и шероховатостью до Яа=0,28 мкм, что обеспечивает снижение удельной интенсив-ности изнашивания в паре с корундом до ~5,6’10-15 м3/Нм.
2 Разработана математическая модель теплопередачи из контактной зоны скользящего индентора, позволяющая определять необходимую долю (коэффициент) отвода фрикционного тепла и параметры теплоотводящей системы инструмента.
3 Создан и запатентован выглаживающий инструмент с системой отвода фрикционного тепла, позволяющий управлять температурным режимом нано-структурирующего выглаживания.
4 Разработан экспериментально-расчетный метод определения связи степени и скорости интенсивной пластической деформации сдвига со скоростью скольжения индентора на основе 3О-профилометрии валика пластически оттесненного металла и сканирующей электронной микроскопии поверхностного слоя.
5 Установлены зависимости изменения коэффициента трения и контактной температуры от скорости скольжения индентора, позволяющие выполнить расчет параметра Зинера-Холломона при различных режимах наноструктурирующего выглаживания инструментом без теплоотвода и с системой отвода фрикционного тепла.
6 Определен допустимый температурно-скоростной режим наноструктурирующего выглаживания, обеспечивающий формирование нанокристаллической структуры поверхностного слоя сталей 20Х и 20Х13 на основе оптимизации параметра Зинера-Холломона по критериям объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя.
7 Установлено, что наноструктурирующее выглаживание стали 20Х инструментом с системой отвода фрикционного тепла при скорости скольжения 50 м/мин позволяет формировать наноструктурированный слой толщиной 4,5 мкм со средним размером зерна ~20 нм, микротвердостью до 1480 НУ0,5 и шероховатостью до Ра 0,2 мкм, что обеспечивает снижение удельной интен-сивности изнашивания в паре с корундом до ~6’10-15 м3/Нм.
8 Показано, что наноструктурирующее выглаживание стали 20Х13 инструментом с системой отвода фрикционного тепла при скорости скольжения 50 м/мин позволяет формировать наноструктурированный слой толщиной 4,4 мкм со средним размером зерна 22 нм, микротвердостью 1310 НУ0,5 и шероховатостью до Яа=0,28 мкм, что обеспечивает снижение удельной интенсив-ности изнашивания в паре с корундом до ~5,6’10-15 м3/Нм.