УПРАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКОЙ КОЛЬЦЕВЫХ УЧАСТКОВ СТАЛИ 20Х13 ПРИ ОБРАБОТКЕ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 6
Заключение 31
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 31
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 6
Заключение 31
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 31
Актуальность исследования. Эксплуатационные свойства деталей трибосопряжений, работающих в условиях высоких контактных давлений, в значительной степени определяются свойствами поверхностного слоя. Существуют два подхода к поверхностному упрочнению сталей. Первый основан на наращивании нового слоя наплавкой или нанесением покрытия. Второй предполагает модификацию поверхностного слоя без намеренного увеличения размеров детали за счет применения методов диффузионной или селективной (трансформационной) закалки. Наиболее распространенными методами селективной закалки в настоящее время являются плазменная и лазерная.
Поверхностная закалка сталей в процессе обработки трением с перемешиванием (далее ОТП, в зарубежной литературе FSP - Friction Stir Processing) имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, ОТП может быть одним из переходов многоцелевой обработки деталей трибосопряжений на станках с ЧПУ. Во-вторых, предлагаемая технология поверхностного упрочнения является экологически чистой и энергосберегающей.
Существует множество высокоточных деталей трибосопряжений с кольцевыми уплотнительными поверхностями, которые могут быть упрочнены закалкой в процессе обработки трением с перемешиванием на современных обрабатывающих центрах. Примером этих деталей могут быть запорные органы клиновых и шиберных задвижек, подшипники скольжения и др.
В настоящее время теоретических исследований в области управления поверхностной закалкой кольцевых участков методом ОТП практически не существует. Отсутствуют сведения о совокупном влиянии параметров нормальной силы, коэффициента трения, скоростей вращения и подачи, а также траектории движения инструмента на термический цикл закалки и формирование твердости и структуры в поверхностном слое сталей. Таким образом, научное обоснование управления поверхностной закалкой при ОТП ограниченных кольцевых участков стали 20Х13, вовлеченных в трибологический контакт, является актуальным.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам теории и конечноэлементного моделирования (КЭМ) селективной поверхностной закалки с применением лазерного и плазменного теплового воздействия посвящены работы отечественных и зарубежных ученых - Григорьянца А.С., Майорова В.С., Короткова В.А., Сафонова Е.Н, Kovacevic
R. , Hyungson Ki, Sangwoo So, Campana G., Mazumder J., Mahmoudi B. и др., в которых подробно исследована взаимосвязь технологических параметров процессов с термическим циклом и формированием структуры и свойств упрочняемых сталей и сплавов при одно- и многопроходной обработке.
Впервые вопросы закалки в процессе ОТП поверхностного слоя рассмотрены в работе
S. Dodds применительно к стали AISI 420. Дальнейшие исследования фрикционной закалки выполнены Lorenzo-Martin C. и Ajayi O., которые выявили ее механизмы: измельчение зерна и повышенная растворимость углерода. Показано, что применительно к стали AISI 4140 происходит быстрый нагрев до температуры 1000 °С и более, при этом температура инструмента достигает 940...1000 С. После прохождения инструментом участка поверхности происходит быстрое охлаждение и аустенит переходит в гораздо более твердую мартенситную фазу. Однако теоретического подхода к управлению поверхностной закалкой сталей во взаимосвязи с технологическими параметрами процесса и коэффициентом трения, а также траекторией движения инструмента не существует.
Цель диссертационной работы: научное обоснование поверхностной закалки и обеспечения равномерной твердости кольцевых участков при ОТП изделий из стали 20Х13 цилиндрическим твердосплавным инструментом с плоским торцом на основе КЭМ и экспериментальных исследований процесса.
Задачи исследования:
1 Разработать обобщенную модель управления поверхностной закалкой конструкционных материалов в процессе однопроходной ОТП и обосновать траектории движения твердосплавного инструмента с плоским торцом и метод охлаждения заготовки для уменьшения влияния объемного нагрева при упрочнении кольцевых участков.
2 Установить взаимосвязь температуры нагрева, времени аустенизации и скорости охлаждения стали 20Х13 с технологическими параметрами процесса ОТП и коэффициентом трения методом конечно-элементного моделирования.
3 Выполнить экспериментальные исследования влияния технологических параметров и коэффициента трения на эволюцию термического цикла поверхностной закалки, микротвердость, микроструктуру и толщину упрочненного слоя в процессе однопроходной ОТП и сравнить с результатами конечно-элементного моделирования.
4 Исследовать распределение твердости в кольцевых участках стали 20Х13 после ОТП с движением инструмента по концентрическим окружностям и веерной траектории.
5 Определить влияние охлаждения заготовки в процессе ОТП кольцевого участка стали 20Х13 по веерной траектории на изменение микроструктуры и микротвердости по глубине поверхностного слоя и равномерность ее распределения по ширине участка.
Научная новизна:
• впервые разработаны конечно-элементные модели процесса ОТП стали 20Х13 твердосплавным цилиндрическим инструментом с плоским торцом, позволяющие управлять поверхностной закалкой на основе определения взаимосвязи температурно-временных параметров термического цикла с технологическими параметрами процесса и коэффициентом трения;
• показана возможность определения методом конечно-элементного моделирования процесса ОТП оптимальной механической нагрузки (нормальной силы и частоты вращения инструмента) при различных коэффициентах трения по критерию достижения температуры 1050.. .1100 °С, которая благоприятна для аустенизации стали 20Х13 и поддержания стойкости твердосплавного '№С-Со инструмента...
Поверхностная закалка сталей в процессе обработки трением с перемешиванием (далее ОТП, в зарубежной литературе FSP - Friction Stir Processing) имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, ОТП может быть одним из переходов многоцелевой обработки деталей трибосопряжений на станках с ЧПУ. Во-вторых, предлагаемая технология поверхностного упрочнения является экологически чистой и энергосберегающей.
Существует множество высокоточных деталей трибосопряжений с кольцевыми уплотнительными поверхностями, которые могут быть упрочнены закалкой в процессе обработки трением с перемешиванием на современных обрабатывающих центрах. Примером этих деталей могут быть запорные органы клиновых и шиберных задвижек, подшипники скольжения и др.
В настоящее время теоретических исследований в области управления поверхностной закалкой кольцевых участков методом ОТП практически не существует. Отсутствуют сведения о совокупном влиянии параметров нормальной силы, коэффициента трения, скоростей вращения и подачи, а также траектории движения инструмента на термический цикл закалки и формирование твердости и структуры в поверхностном слое сталей. Таким образом, научное обоснование управления поверхностной закалкой при ОТП ограниченных кольцевых участков стали 20Х13, вовлеченных в трибологический контакт, является актуальным.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам теории и конечноэлементного моделирования (КЭМ) селективной поверхностной закалки с применением лазерного и плазменного теплового воздействия посвящены работы отечественных и зарубежных ученых - Григорьянца А.С., Майорова В.С., Короткова В.А., Сафонова Е.Н, Kovacevic
R. , Hyungson Ki, Sangwoo So, Campana G., Mazumder J., Mahmoudi B. и др., в которых подробно исследована взаимосвязь технологических параметров процессов с термическим циклом и формированием структуры и свойств упрочняемых сталей и сплавов при одно- и многопроходной обработке.
Впервые вопросы закалки в процессе ОТП поверхностного слоя рассмотрены в работе
S. Dodds применительно к стали AISI 420. Дальнейшие исследования фрикционной закалки выполнены Lorenzo-Martin C. и Ajayi O., которые выявили ее механизмы: измельчение зерна и повышенная растворимость углерода. Показано, что применительно к стали AISI 4140 происходит быстрый нагрев до температуры 1000 °С и более, при этом температура инструмента достигает 940...1000 С. После прохождения инструментом участка поверхности происходит быстрое охлаждение и аустенит переходит в гораздо более твердую мартенситную фазу. Однако теоретического подхода к управлению поверхностной закалкой сталей во взаимосвязи с технологическими параметрами процесса и коэффициентом трения, а также траекторией движения инструмента не существует.
Цель диссертационной работы: научное обоснование поверхностной закалки и обеспечения равномерной твердости кольцевых участков при ОТП изделий из стали 20Х13 цилиндрическим твердосплавным инструментом с плоским торцом на основе КЭМ и экспериментальных исследований процесса.
Задачи исследования:
1 Разработать обобщенную модель управления поверхностной закалкой конструкционных материалов в процессе однопроходной ОТП и обосновать траектории движения твердосплавного инструмента с плоским торцом и метод охлаждения заготовки для уменьшения влияния объемного нагрева при упрочнении кольцевых участков.
2 Установить взаимосвязь температуры нагрева, времени аустенизации и скорости охлаждения стали 20Х13 с технологическими параметрами процесса ОТП и коэффициентом трения методом конечно-элементного моделирования.
3 Выполнить экспериментальные исследования влияния технологических параметров и коэффициента трения на эволюцию термического цикла поверхностной закалки, микротвердость, микроструктуру и толщину упрочненного слоя в процессе однопроходной ОТП и сравнить с результатами конечно-элементного моделирования.
4 Исследовать распределение твердости в кольцевых участках стали 20Х13 после ОТП с движением инструмента по концентрическим окружностям и веерной траектории.
5 Определить влияние охлаждения заготовки в процессе ОТП кольцевого участка стали 20Х13 по веерной траектории на изменение микроструктуры и микротвердости по глубине поверхностного слоя и равномерность ее распределения по ширине участка.
Научная новизна:
• впервые разработаны конечно-элементные модели процесса ОТП стали 20Х13 твердосплавным цилиндрическим инструментом с плоским торцом, позволяющие управлять поверхностной закалкой на основе определения взаимосвязи температурно-временных параметров термического цикла с технологическими параметрами процесса и коэффициентом трения;
• показана возможность определения методом конечно-элементного моделирования процесса ОТП оптимальной механической нагрузки (нормальной силы и частоты вращения инструмента) при различных коэффициентах трения по критерию достижения температуры 1050.. .1100 °С, которая благоприятна для аустенизации стали 20Х13 и поддержания стойкости твердосплавного '№С-Со инструмента...
1 Разработаны обобщенная модель и алгоритм решения многофакторной задачи управления термическим циклом поверхностной закалки стали в процессе однопроходной ОТП и при упрочнении кольцевых участков шириной более двух диаметров инструмента с движением инструмента по концентрическим окружностям и веерной траектории.
2 Разработан комплекс конечно-элементных моделей процесса ОТП в пакете ANSYS Mechanical 2019 R3, позволивший установить оптимальные величины параметров нормальной силы Рн=3500 Н и частоты вращения инструмента и=4000 об/мин по критерию температуры нагрева стали 20Х13 до 1000...1100 °С и величину подачи 7и=100 мм/мин, обеспечивающие при коэффициенте трения твердосплавного WC-Co инструмента с поверхностью р=0,3...0,22 скорость охлаждения 101,1 °С/с, время аустенизации 4,1 с и формирование мартенситной структуры на глубине от поверхности до 1 мм.
3 Разработан экспериментальный метод исследования температуры в контактной зоне и на глубине 0,5 мм в процессе ОТП образцов стали 20Х13 и установлена взаимосвязь времени аустенизации и скорости охлаждения стали с подачами инструмента от 25 до 200 мм/мин при оптимальном механическом нагружении Рн=3500 Н, и=4000 об/мин. Установлено, что при подаче инструмента 100 мм/мин температура нагрева стали на глубине 0,5 мм достигает 1064 °С, время аустенизации 4,7 с и скорость охлаждения 123,8 °С/с и подтверждается формирование мартенситной структуры.
4 Установлено, что в процессе ОТП кольцевых участков с движением инструмента от центра к периферии последовательно по трем концентрическим окружностям с 50% перекрытием дорожек трения, в поверхностном слое возникают циклы трехкратного нагрева материала, приводящие на первой дорожке к среднему (~500 °С) и на второй к высокому (~620 °С) отпуску, что исключает формирование равномерной твердости.
5 Предложена и исследована веерная траектория движения инструмента, применение которой обеспечивает формирование стабильного теплового пятна с температурой в диапазоне от AC3 до 1000 °С, что позволяет исключить самоотпуск и обеспечить равномерное упрочнение по глубине поверхностного слоя и ширине участка с достижением индекса равномерности твердости CU=0,78...0,99.
6 Выявлено, что после ОТП с веерной траекторией движения инструмента на оптимальном режиме механического нагружения (Рн=3500 Н, и=4000 об/мин) при подаче /и=500 мм/мин и в условиях поддержания температуры тыльной стороны образца ~27 °С за счет применения теплоотводящей системы в поверхностном слое до глубины 400 мкм образуется мартенситная структура с различной степенью тетрагональности.
2 Разработан комплекс конечно-элементных моделей процесса ОТП в пакете ANSYS Mechanical 2019 R3, позволивший установить оптимальные величины параметров нормальной силы Рн=3500 Н и частоты вращения инструмента и=4000 об/мин по критерию температуры нагрева стали 20Х13 до 1000...1100 °С и величину подачи 7и=100 мм/мин, обеспечивающие при коэффициенте трения твердосплавного WC-Co инструмента с поверхностью р=0,3...0,22 скорость охлаждения 101,1 °С/с, время аустенизации 4,1 с и формирование мартенситной структуры на глубине от поверхности до 1 мм.
3 Разработан экспериментальный метод исследования температуры в контактной зоне и на глубине 0,5 мм в процессе ОТП образцов стали 20Х13 и установлена взаимосвязь времени аустенизации и скорости охлаждения стали с подачами инструмента от 25 до 200 мм/мин при оптимальном механическом нагружении Рн=3500 Н, и=4000 об/мин. Установлено, что при подаче инструмента 100 мм/мин температура нагрева стали на глубине 0,5 мм достигает 1064 °С, время аустенизации 4,7 с и скорость охлаждения 123,8 °С/с и подтверждается формирование мартенситной структуры.
4 Установлено, что в процессе ОТП кольцевых участков с движением инструмента от центра к периферии последовательно по трем концентрическим окружностям с 50% перекрытием дорожек трения, в поверхностном слое возникают циклы трехкратного нагрева материала, приводящие на первой дорожке к среднему (~500 °С) и на второй к высокому (~620 °С) отпуску, что исключает формирование равномерной твердости.
5 Предложена и исследована веерная траектория движения инструмента, применение которой обеспечивает формирование стабильного теплового пятна с температурой в диапазоне от AC3 до 1000 °С, что позволяет исключить самоотпуск и обеспечить равномерное упрочнение по глубине поверхностного слоя и ширине участка с достижением индекса равномерности твердости CU=0,78...0,99.
6 Выявлено, что после ОТП с веерной траекторией движения инструмента на оптимальном режиме механического нагружения (Рн=3500 Н, и=4000 об/мин) при подаче /и=500 мм/мин и в условиях поддержания температуры тыльной стороны образца ~27 °С за счет применения теплоотводящей системы в поверхностном слое до глубины 400 мкм образуется мартенситная структура с различной степенью тетрагональности.
УПРАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКОЙ КОЛЬЦЕВЫХ УЧАСТКОВ СТАЛИ 20Х13 ПРИ ОБРАБОТКЕ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
