Разработка скоростной анодной цементации малоуглеродистых сталей путем их нагрева в барботируемом водном электролите

Одной из важнейших задач современного машиностроения является разработка методов и технологий для создания материалов, обладающих определенным набором необходимых свойств. Такими свойствами могут быть повышенная твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и т. д. К перспективным процессам относится модификация поверхностного слоя металла или сплава, который во многих случаях подвергается наибольшему воздействию в процессе эксплуатации.

Перспективным методом воздействия на металлы и сплавы для изменения химического состава, структуры и свойств в поверхностном слое является химико-термическая обработка. Существует множество вариантов химико-термической обработки, отличающиеся друг от друга различными параметрами, например, временем обработки. Если время процесса не превышает нескольких десятков минут, то такую обработку называют скоростной.

Анодная химико-термическая обработка является одним из вариантов скоростной химико-термической обработки. С 30-х годов XX века в промышленности СССР стал использоваться катодный вариант электролитного нагрева, начиная с 80-х годов, получило развитие анодное химико-термическое упрочнение металлов и сплавов. Установки анодного электролитного нагрева (тип УХТО) разрабатывались и изготавливались на Опытном заводе Института прикладной физики Молдавской Академии наук. Наибольшее распространение получили установки УХТО-5М и УХТО-5Б (мощность 50 кВт, производительность 30 шт/ч) в лёгкой промышленности для скоростного упрочнения малогабаритной оснастки, как правило, путём цементации с закалкой. В большинстве используемых установок анодного электролитного нагрева применяется гидродинамическая схема с переливом электролита через края электролитической ячейки. В некоторых специализированных установках (УХТО-6) используется струйный нагрев, но и в этом случае необходимо наличие насоса, осуществляющего циркуляцию электролита между ячейкой и теплообменником.

Существенным недостатком способа охлаждения рабочего электролита, применяющегося в известных установках анодного нагрева, является недостаточная стабильность насосов, препятствующая требуемой стабильности температуры нагрева. Кроме того, используемые электролиты являются достаточно агрессивными средами, что дополнительно повышает требования к насосам.

В данной работе предложен вариант анодного нагрева в рабочей камере с непроточным электролитом, где его охлаждение осуществляется непосредственно внутри камеры. Для этого используется механизм свободной конвекции, либо барботаж. Отсутствие информации об особенностях протекания процесса анодного нагрева в условиях свободной конвекции электролита, а также при перемешивании электролита подаваемым в ячейку воздухом, затрудняет практическое применение этого варианта охлаждения электролита.

Цель исследования: разработка технологии анодного нагрева для скоростной цементации малоуглеродистых сталей в непроточном электролите, позволяющей стабилизировать температуру нагрева и повысить эксплуатационные свойства упрочняемых деталей.

Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ методов расчёта стационарной температуры нагреваемого анода, позволяющий оценить значимость применяемых допущений и достоверность элементарных процессов явления;

— разработать конструкцию рабочей камеры для нагрева цилиндрических деталей в непроточном электролитеизучить закономерности теплообмена в насыщающей углеродсодержащей среде — анодной парогазовой оболочке — при нагреве в условиях естественной конвекции;

— изучить закономерности теплообмена в анодной парогазовой оболочке при нагреве детали с перемешиванием непроточного электролита;

— определить режимы цементации малоуглеродистых сталей в условиях естественной конвекции электролита и с применением барботажа;

— определить фазовый состав, структуру и прочностные свойства малоуглеродистых сталей после их анодной цементации с последующей закалкой;

— разработать технологический процесс скоростной цементации нитепроводников льнопрядильных машин типа ПМ-88-Л8 с последующей закалкой в том же электролите.

Защищаемые положения:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований элементов механизма анодного нагрева, позволяющие оценить значимость допущений, принятых в моделях, и предложить методы расчета вольт-амперных и вольт-температурных характеристик нагрева.

2. Возможность осуществления нагрева деталей диаметром до 10 мм в условиях естественной конвекции для осуществления закалки или нитрозакалки сред неуглеродистых сталей в интервале температур 600 — 850 °C.

3. Режимы нагрева деталей диаметром до 10 мм при охлаждении электролита путем барботажа и конструкцию рабочей камеры для осуществления скоростной анодной цементации малоуглеродистых сталей с последующей закалкой в том же электролите.

4. Технологический процесс упрочнения нитепроводников из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, позволяющий повысить их поверхностную твёрдость до 4,3 ± 0,9 ГПа путём скоростного анодного насыщения углеродом в течение 5 минут с последующей закалкой.

Научная новизна диссертации определяется следующими основными положениями:

1. Выполнен анализ основных допущений, применяемых в моделях анодного электролитного нагрева. Показана необходимость учета роли пространственного заряда при разработке методов расчета температуры нагреваемой детали в области применяемых на практике напряжений. Установлено, что температурная зависимость коэффициента теплопроводности водяного пара значимо влияет на стационарную температуру детали в моделях, не учитывающих тепловые потоки из оболочки в анод.

2. Впервые показана принципиальная возможность нагрева образцов диаметром до 10 мм и длиной до 50 мм в условиях естественной конвекции рабочего электролита. Получены вольт-амперные и вольт-температурные характеристики процесса нагрева при различных глубинах погружения анода. Показано, что при увеличении глубины погружения температура анода возрастает по нелинейному закону до некоторого максимального’значения. Установлено, что достигаемые температуры достаточны для проведения.

• ч нитрозакалки среднеуглеродистых сталей в интервале температур 600 — 850 °C. Обнаружен рост величины плотности теплового потока при увеличении глубины погружения анода, объясняемый интенсификацией теплообмена путём естественной конвекции.

3. Показана принципиальная возможность нагрева малогабаритных образцов (диаметром не более 10 мм, длиной не более 30 мм) до температур 900−950 °С при охлаждении электролита воздухом, подаваемым в рабочую камеру со скоростью до 3 л/мип. Показано, что увеличение расхода воздуха приводит к выравниванию температуры электролита по всему объему ячейки, что обеспечивает стабилизацию нагрева и достижение температур эффективной цементации изделий из малоуглеродистых сталей.

4. Установлены режимы скоростной анодной цементации нержавеющей стали 12Х18Н10Т и состав электролита, позволяющие увеличить ее поверхностную твердость до 4,3 ± 0,9 ГПа в течение 5 мин.

Практическая значимость.

1. Предложена конструкция теплообменника в цилиндрической рабочей камере, позволяющая осуществлять процесс анодного нагрева в условиях естественной конвекции электролита и проводить обработку деталей диаметром до 10 мм и длиной до 50 мм, погружаемых в электролит на глубину до 140 мм.

2. Предложена конструкция, позволяющая улучшить теплообмен в ячейке с непроточным электролитом с помощью воздуха, подаваемого в рабочую камеру со скоростью до 3 л/мин, увеличивая тем самым температуру нагреваемого анода.

3. Разработана технология упрочнения нержавеющей стали 12Х18Н10Т путем цементации с последующей закалкой в ячейке с непроточным электролитом, а также в ячейке с продольным обтеканием детали рабочим электролитом. у.

4. Разработана технология повышения износостойкости нитепроводников из стали 12Х18Н10Т путем цементации с последующей закалкой. Лабораторные и опытно-промышленные испытания партии цементованных нитепроводников показали увеличение ресурса деталей в 10 раз.

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения.

В первой главе представлены основные результаты, полученные при анодной цементации. Рассмотрены особенности фазового состава обработанных образцов и кинетика насыщения углеродом. Показано увеличение твердости и износостойкости деталей после проведения анодной цементации. Описаны известные теоретические модели расчета стационарной температуры нагреваемого анода. Выполнен анализ гидродинамических условий анодного нагрева и указаны недостатки схемы с продольным обтеканием анода рабочим электролитом: значительное потребление электролита, нестабильность нагрева, связанная с недостатками насосов. Для достижения стабильного нагрева предлагается использовать иную схему охлаждения электролита — непосредственно внутри рабочей камеры. На основании проведенного анализа сформулированы цель исследования настоящей работы и основные задачи для решения проблемы стабильного протекания процесса нагрева.

Вторая глава посвящена описанию методики эксперимента и оборудованию, которое используется при изучении особенностей процесса в ячейке нового типа. Указаны использующиеся в работе образцы и материалы, а также методы анализа структуры образцов после химико-термической обработки.

В третьей главе выполнен анализ основных допущений, принятых в известных теоретических моделях. Рассматриваются различные варианты учета пространственного заряда в расчетах, при сопоставлении расчетных вольт-амперпых характеристик парогазовой оболочки постоянной толщины с экспериментальными данными, выяснена роль пространственного заряда при различных напряжениях нагрева. Из теплофизических допущений анализируется роль зависимости коэффициента теплопроводпости пара от его температуры. Показано, что замена этой зависимости на некоторое среднее значение коэффициента теплопроводности пара приводит к существенному изменению вольт-амперных и вольт-температурных характеристик только в тех расчетах, которые не учитывают поток тепла в анод.

Четвертая глава посвящена изучению особенностей процесса нагрева в рабочих камерах с непроточным электролитом. Для условий естественной конвекции рабочего электролита получены вольт-температурные и вольт-амперные характеристики при различных глубинах погружения анода. Построены зависимости плотности теплового потока из оболочки в раствор электролита от напряжения нагрева для различных глубин погружения анода. Показано, что температура анода нелинейно возрастает при увеличении глубины погружения, выходя на некоторое максимальное значение по достижению глубины 90 мм. Измерения температуры электролита на различных глубинах позволяют сделать вывод, что увеличение глубины погружения анода приводит к возрастанию эффективности работы охлаждающего элемента, стабилизируя тем самым протекание процесса. Далее рассматриваются основные особенности протекания процесса анодного нагрева в барботируемой ячейке. Получены зависимости основных параметров процесса от величины расхода подаваемого воздуха: температуры анода, силы тока, протекающего через ячейку, плотности теплового потока из парогазовой оболочки в раствор электролита. Все перечисленные величины нелинейно возрастают по мере повышения расхода подаваемого воздухаих возрастание практически прекращается при достижении расхода 1,5−2 л/мин. Измерения температурного поля электролита показали, что увеличение величины расхода воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему ячейки и ее понижению. Это позволяет не погружать анод в глубину электролита и получить более высокие температуры нагрева, чем в случае естественной конвекции электролита.

Пятая глава посвящена изучению структуры и свойств обработанных образцов. Предложены технологии упрочнения нержавеющей стали.

12Х18Н10Т в ячейке с непроточным электролитом и в ячейке с вертикальным погружением анода. Показано увеличение поверхностной микротвердости цементованных образцов из нержавеющей стали более чем в три раза по сравнению с необработанными после их цементации в рабочей камере с непроточным электролитом.

Исследования и разработки выполнены в лаборатории анодной химико-термической обработки кафедры общей физики Костромского государственного университета им. Н. А. Некрасова.

Выводы по главе 5.

1. Показана возможность проведения скоростной цементации деталей из малоуглеродистых сталей с площадью поверхности около 10 см² в непроточном электролите с помощью барботажа воздухом. Полная толщина упрочненного слоя после цементации в течение 10 мин с последующей закалкой составляет 0,09 мм. Максимальная микротвердость цементованного слоя на стали 12Х18Н10Т с последующей закалкой составила 4,3 ГПа.

2. Разработан технологический процесс электрохимико-термического упрочнения нитепроводников прядильных машин, включающий их скоростную цементацию с последующей закалкой в условиях анодного электролитного нагрева.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Предложен процесс скоростной цементации малоуглеродистых сталей в непроточном электролите с дополнительной интенсификацией теплообмена путём барботажа, позволяющий стабилизировать температуру нагрева, структуру и свойства упрочнённых деталей. Установлены режимы цементации (напряжение 260−280 В, продолжительность 5−10 мин, расход воздуха 2−2,5 л/мин) и состав рабочего электролита (10% хлорида аммония и 10% глицерина), разработана конструкция цилиндрической рабочей камеры с теплообменником, позволяющая вести обработку деталей диаметром до 10 мм и длиной до 60 мм.

2. Обнаружено, что плотность теплового потока из парогазовой оболочки в электролит при нагреве в барботируемой рабочей камере определяется напряжением нагрева, глубиной погружения сопла и скоростью подачи воздуха. Установлено, что увеличение расхода подаваемого воздуха приводит к формированию однородного температурного поля электролита, снижению температуры на его поверхности и повышению температуры нагреваемой детали.

3. Выполнен анализ значимости основных допущений, составляющих основу моделей расчета температуры анодного нагрева, который позволяет уточнить физический механизм явления и получить вольт-амперные и вольт-температурные характеристики нагрева малогабаритных деталей, отличающиеся от экспериментальных данных на 25 — 30%. Установлена роль пространственных зарядов в парогазовой оболочке, возрастающая по мере увеличения рабочего напряжения. Обнаружена необходимость учета температурной зависимости теплопроводности пара в случае небольших тепловых потоков из оболочки в нагреваемую деталь-анод.

4. Получено выражение для объемной мощности внутренних источников тепла, обусловленных прохождением электрического тока через парогазовую оболочку, необходимое для расчета температуры нагреваемой детали.

Показано, что при небольших напряжениях нагрева проводимость оболочки может быть описана законом Ома со средней величиной удельной электропроводности парогазовой оболочки.

5. Показана принципиальная возможность нагрева деталей диаметром до 10 мм и длиной до 50 мм из среднеуглеродистых сталей в условиях естественной конвекции для осуществления их закалки или нитрозакалки в интервале температур 600−850 °С. Обнаружена интенсификация теплообмена по мере увеличения глубины погружения образца, способствующая постепенному выравниванию температуры электролита по всему объему ячейки и повышению температуры нагреваемой детали до требуемых величин.

6. Установлены режимы анодной цементации с закалкой нержавеющей стали 12Х18Н10Т в барботируемой рабочей камере (температура нагрева 950 °C, расход воздуха 2 л/мин, продолжительность 5 мин) и состав водного электролита, позволяющие повысить поверхностную твёрдость деталей до 4,3 ± 0,9 ГПа.

7. Предложен технологический процесс скоростной цементации нитепроводников прядильных машин ПМ-88-Л8 с последующей закалкой в электролите, позволяющий повысить их твердость в 3,0−3,5 раза и существенно увеличить износостойкость по сравнению с серийными деталями. Положительный результат предлагаемой технологии подтвержден опытно-промышленными испытаниями.