CC BY
55
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.793.18
Громов В.Е., Иванов Ю.Ф., Романов ДА., Ващук Е.С., Танг Г., Райков С.В., Будовскнх Е.А., Сонг Г.
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО МЕДНЕНИЯ СТАЛИ 45 И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ*
Аннотация. Рельеф поверхности и особенности структуры стали 45 после электровзрывного меднения и последующей электронно-пучковой обработки исследованы методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Установлено, что содержание меди в поверхностном слое увеличивается в 2 раза с ростом числа импульсов электроннопучковой обработки. Высокая скорость кристаллизации в модифицированном слое сопровождается ростом твердости поверхностного слоя при небольшом числе импульсов (5-10). Дальнейшее увеличение количества импульсов облучения приводит к существенному снижению твердости поверхности слоя.
Ключевые слова: электровзрывное легирование, меднение, электронно-пучковая обработка, структура, фазовый состав,
свойства.
Введение
Электровзрывное легирование (ЭВЛ) [1] и электронно-пучковая обработка (ЭПО) [2] - это современные эффективные методы модификации структуры, фазового состава и свойств поверхности металлов и сплавов. Инструментами воздействия на поверхность при их использовании являются импульсные многофазные плазменные струи и электронные пучки соответственно.
Импульсные многофазные плазменные струи, используемые для электровзрывного легирования, и низкоэнергетические сильноточные электронные пучки хорошо сочетаются друг с другом, имея сопоставимые значения поглощаемой плотности мощности (порядка 105 Вт/см2), площади облучаемой поверхности (до 10-15 см2) и глубины зоны упрочнения (порядка нескольких десятков микрометров). Время импульса при ЭВЛ составляет 100 мкс, при ЭПО - 50, 100, 150 и 200 мкс.
Основная идея комбинированной обработки, включающей ЭВЛ и ЭПО, заключается в выравнивании рельефа поверхности обработки и модификации структуры, фазового состава и свойств зоны легирования.
В настоящей статье анализируются результаты, полученные при исследовании структуры и свойств поверхностных слоев стали 45, подвергнутой электровзрывному меднению и последующей электроннопучковой обработке.
Материалы и методика исследований
ЭВЛ поверхности образцов стали осуществляли путем электрического взрыва медных фольг толщиной 20 мкм (СибГИУ, Новокузнецк). Условия для осуществления импульсного жидкофазного легирования задавали величиной зарядного напряжения нако-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-02-12009 офи м и госзадания Минобрнауки № 2.4807.2011.
пителя энергии ускорителя, диаметра канала сопла и расстояния от его среза до образца, которые составили соответственно ~2,3 кВ, 20 и 20 мм. При данных параметрах глубина и радиус зоны легирования были максимальными. Время обработки 100 мкс, поглощаемая плотность мощности на оси струи ~5,5 ГВт/м2, динамическое давление в ударно-сжатом слое вблизи поверхности - 11,2 МПа, площадь поверхности легирования ~3 см2. Толщина зоны легирования в ее центральной области ~25 мкм. Его отличительной особенностью является сильное влияние на результаты обработки давления струи на поверхность, приводящее к радиальному течению расплава от центра зоны легирования к периферии и даже выплеску. Вместе с этим, при таком режиме обработки достигается максимальная глубина зоны легирования, степень насыщения ее легирующими элементами и уровень формируемых свойств, что определяет повышенный интерес к нему.
Импульсную электронно-пучковую обработку поверхности образцов осуществляли на установке «СОЛО» (ИСЭ СО РАН). Конструктивной особенностью данной установки является возможность независимого управления параметрами пучка электронов (энергия ускоренных электронов и, плотность энергии пучка электронов Е8, длительность импульса воздействия т, частота следования импульсов ^ количество импульсов обработки К), целенаправленно изменяя режим обработки. В настоящей работе, используя возможности установки «СОЛО», применяли два варианта обработки поверхности электровзрывного легирования стали медью. В первом случае фиксировали значения плотности энергии (Е5 = 20 Дж/см2), частоту следования (/ = 0,3 Гц) и длительность импульса воздействия (т = 50 мкс) пучка электронов; варьировали количество импульсов воздействия в пределах N = 5... 50. Во втором случае фиксировали длительность (т = 50 мкс), частоту следования (/ = 0,3 Гц) и количество импульсов воздействия (10 имп.); варьировали плотность энергии пучка электронов в пределах Е8 = 15-30 Дж/см. В обоих режимах обработку
осуществляли в инертной (аргон) среде рабочей камеры при давлении —10-2 Па.
Исследования структуры поверхности облучения, поверхности травленого шлифа (прямой и «косой» шлифы) модифицированных образцов проводили методами электронной сканирующей (прибор ББМ-515 «РЫШр8») и просвечивающей (приборы ЭМ-125 и ШМ-2100 Б) микроскопии, рентгеноструктурного анализа (прибор ДРОН-7). Изменение механических характеристик материала характеризовали микротвердостью, определяемой по методу Виккерса при нагрузке 0,98 Н по —80 отпечаткам. Точность измерения составила 7%. Для идентификации фаз применялся дифракционный анализ с использованием темно-польной методики и последующим индицированием микроэлектронограмм.
Анализ структуры и профиля микротвердости стали 45, подвергнутой поверхностной обработке
Электровзрывное легирование, преобразуя структурно-фазовое состояние поверхностного слоя обрабатываемого материала, оказывает влияние и на его механические свойства. На рис. 1 представлены профили микротвердости стали 45 после электровзрывного меднения (кривая 1) и после ЭПО исходной поверхности, не подвергавшейся легированию (кривая 2).
8000
6000
^ 4000
2000
1 1 1 _ 2Я I I I I I I I А
' 1 сГ |Ч -
в С
10
20 30
X, мкм
40
50
Рис. 1. Профиль микротвердости стали 45: 1 - после электровзрывного легирования медью; 2 - после электронно-пучковой обработки по режиму: 12 Дж/см2; 50 мкс; 0,3 Гц, 3 имп. Горизонтальной прямойА обозначена микротвердость стали 45, закаленной с печного нагрева (850°С, 1,5 ч)
Здесь же горизонтальной прямой А обозначена микротвердость стали 45, закаленной с печного нагрева (850°С, 1,5 ч). Зависимость микротвердости стали, подвергнутой электровзрывному меднению, от расстояния до поверхности обработки имеет явно выраженный нелинейный характер. Это позволяет выделить поверхностный слоя толщиной —5 мкм, микротвердость которого ниже микротвердости закаленной стали; промежуточный слой толщиной —7 мкм, обозначенный на рис. 1 вертикальными прямыми В и С, микротвердость которого выше или равна микротвердости закаленной стали, и переходный слой толщиной —30 мкм, микротвердость которого плавно спадает до величины исходного состояния. Микротвердость про-
межуточного слоя изменяется по кривои с максимумом, располагающемся на глубине —7 мкм.
Микротвердость стали 45 после ЭПО имеет максимальное значение на поверхности облучения и с глубиной монотонно падает. Толщина закаленного слоя после ЭПО составляет —5 мкм (рис. 1, вертикальная прямая В), что, очевидно, определено выбранным режимом обработки стали. При этом максимум микротвердости стали после ЭПО превышает максимальные значения микротвердости стали, закаленной после печного нагрева и после ЭВЛ. Электронномикроскопические исследования показали, что это обусловлено формированием ультрамелкозернистой (0,54 ± 0,20 мкм) структуры на поверхности обработки. Размеры кристаллов мартенсита в таких зернах изменяются в следующих пределах: поперечные 3050 нм, продольные 120-500 нм.
Трактовка нелинейной зависимости микротвердости от расстояния до поверхности обработки стали 45 после электровзрывного меднения следует из анализа результатов, представленных в работе [1]. Поверхностный слой стали 45, имеющий микротвердость ниже микротвердости стали 45 после печной закалки, сформирован структурой ячеистой кристаллизации расплава, обогащенного атомами меди, углерода и кислорода. Промежуточный слой, значения микротвердости которого превышают микротвердость стали 45 после печной закалки, очевидно, сформировался в результате скоростной закалки железа. Более высокое значение микротвердости данного слоя (относительно микротвердости закаленной стали) может быть связано как с повышенной концентрацией углерода и наличием атомов меди в этом слое, так и с диспергированием структуры приповерхностного слоя стали вследствие скоростной закалки, вызванной импульсным воздействием. Нарастание микротвердости закаленного слоя по мере удаления от поверхности обработки может означать снижение объемной доли остаточного аустенита, стабилизированного атомами меди и углерода. Последующее снижение твердости обусловлено снижением концентрации углерода в материале, о чем свидетельствует изменение морфологии мартенсита, выявленное при исследовании армко-железа: переход от пластинчатого мартенсита, характерного для углеродистой стали, к пакетному мартенситу, характерному для низко- и среднеуглеродистой стали.
Следовательно, электровзрывное легирование стали 45 сопровождается насыщением поверхностного слоя атомами меди, углерода и кислорода. Последующее высокоскоростное охлаждение стали сопровождается расслоением жидкой фазы и формированием поверхностного слоя со структурой ячеистой кристаллизации. Толщина слоя ячеистой кристаллизации составляет —5 мкм. Толщина слоя закаленной стали 45, расположенного на глубине —5 мкм, составляет —7 мкм.
Структура поверхности стали 45, подвергнутой электровзрывному легированию медью и последующему облучению электронным пучком
Электровзрывное легирование приводит к формированию на поверхности обрабатываемого материала тонкого слоя покрытия, формируемого преимущественно капельной фракцией взрываемого проводни-
ка. Последующая ЭПО, не изменяя элементный состав материала, позволяет преимущественно путем высокоинтенсивного термического воздействия осуществить скоростную гомогенизацию поверхностного слоя.
Эволюция структуры поверхности стали 45, подвергнутой комбинированной обработке в условиях вариации плотности энергии пучка электронов (Es = 15-30Дж/см2). Методами сканирующей электронной микроскопии установлено, что плавление поверхностного слоя образца фиксируется при плотности энергии пучка электронов Б3 ~15 Дж/см2. Это приводит, с одной стороны, к удалению микрократеров и наплывов меди, формирующих покрытие, с другой стороны, формированию многочисленных капель меди сферической формы, размеры которых изменяются в пределах от 1 до 12 мкм. Последнее свидетельствует о коагуляции покрытия меди, расположенной на поверхности стали. Следует отметить, что данный режим ЭПО не приводит к полному выглаживанию поверхности легирования - в отдельных местах образца сохраняются островки меди.
Обработка поверхности ЭВЛ электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов 20-30 Дж/см2 сопровождается повсеместным плавлением поверхностного слоя стали - капли и островки меди не наблюдаются.
Высокоскоростная кристаллизация расплава приводит к формированию дендритной структуры. Установлено, что строение дендритов зависит от плотности энергии пучка электронов. При обработке с плотностью энергии пучка электронов 15-20 Дж/см2 преимущественно формируется дендритная структура с осями первого порядка (на поверхности облучения наблюдается так называемая структура ячеистой кристаллизации); при большей плотности энергии денд-риты имеют оси первого и второго порядка. Очевидно, что строение дендритной структуры определяется скоростью охлаждения расплава. В работе [4] показано, что оси второго порядка не образуются уже при скорости охлаждения, превышающей ~106К/с. При дальнейшем увеличении скорости охлаждения происходит полное вырождение дендритного роста и стабилизация плоского фронта кристаллизации.
Увеличение плотности энергии сопровождается не только изменением морфологии дендритной структуры, но и ростом средних размеров дендритов. Выполненные оценки показывают, что дендриты минимальных средних размеров формируются при обработке поверхности стали электронным пучком с плотностью энергии Е$ = 15 Дж/см2. Увеличение плотности энергии с 15 до 30 Дж/см2 сопровождается ростом средних размеров дендритов с 0,16 до
0,45 мкм, т.е. в ~3 раза (рис. 2, кривая 1). Выявленные факты позволяют заключить, что с увеличением плотности энергии пучка электронов в интервале от 15 до 30 Дж/см2 наблюдается снижение скорости охлаждения поверхностного слоя стали.
Скорость охлаждения образца оказывает влияние и на средние размеры зерен поверхностного слоя стали. Однако такой явной зависимости, как для элементов дендритной структуры, не наблюдается. Как сле-
дует из анализа результатов, представленных на рис. 2, кривая 2, средний размер зерен в рассмотренном интервале изменения плотности энергии пучка электронов увеличивается незначительно (в ~1,4 раза). В работе [4] подобное обстоятельство объясняется тем, что размер зерен в закристаллизовавшемся слое зависит не только от скорости охлаждения (величины переохлаждения), но и от числа активных центров зарождения зерен (кристаллитов) в расплаве.
15 20 25 30
Ев, Дж/см2
Рис. 2. Зависимость средних размеров дендритов d (кривая 1) и зерен 0 (кривая 2) от плотности энергии пучка электронов
Электронно-пучковая обработка стали сопровождается формированием на поверхности микротрещин. Причиной этому являются термические напряжения, формирующиеся в поверхностном слое материала вследствие высоких скоростей охлаждения. При плотности энергии пучка электронов Es —15 Дж/см2 трещины располагаются хаотически, количество их незначительно. При больших значениях Es трещины разбивают поверхность образца на фрагменты, средние размеры которых изменяются в пределах 45-50 мкм и практически не зависят от плотности энергии пучка электронов. Величина плотности энергии пучка электронов сказывается, по-видимому, на глубине микротрещин.
На рис. 3 приведена диаграмма, демонстрирующая изменение концентрации меди в поверхностном слое стали 45, подвергнутой ЭВЛ и последующей ЭПО. Из анализа представленных результатов следует, что в поверхностном слое толщиной 4-5 мкм (толщина слоя стали, подвергающегося анализу) средняя концентрация меди уменьшается от —14 вес. % при плотности энергии пучка электронов Es = 15 Дж/см2 до 5,6 вес. % при Es = 30 Дж/см2. Следует также напомнить, что на поверхности стали, обработанной электронным пучком при Es = 15 Дж/см2, присутствуют капли и островки, концентрация меди в которых может достигать 100 вес. %.
Анализируя результаты, представленные на рис. 3, можно отметить, что высокоскоростная кристаллизация стали, легированной медью, и последующее охлаждение не всегда приводит к закалке поверхностного слоя. Твердость поверхностного слоя стали, не обработанной электронным пучком и обработанной электронным пучком при плотности энергии пуч-
ка электронов Es = 15 Дж/см2, несколько ниже твердости стали 45, закаленной в воде с печного нагрева, и существенно ниже твердости стали, обработанной электронным пучком при плотности энергии пучка электронов Es = 20-30 Дж/см2. Сопоставляя результаты, представленные на рис. 3 и 4, можно обнаружить связь между концентрацией меди в поверхностном слое стали и величиной микротвердости. А именно высоким значениям концентрации меди соответствуют сравнительно низкие значения микротвердости поверхностного слоя.
Es, Дж/см2
Рис. 3. Диаграмма, демонстрирующая изменение концентрации меди в поверхностном слое стали 45, подвергнутой электровзрывному легированию и последующей электронно-пучковой обработке при различной плотности энергии пучка электронов (50 мкс, 0,3 Гц, 10 имп.)
0 1 2 3 4 5
Режим воздействия
Рис. 4. Микротвердость поверхностного слоя стали 45, подвергнутой различным видам воздействия:
0 - электронно-пучковая обработка (12 Дж/см2, 50 мкс, 0,3 Гц, 3 имп.); 1 - электровзрывноелегирование медью; 2-5 - электровзрывное легирование медью и последующая электронно-пучковая обработка N = 10 имп., т = 50 мкс) при Еэ= 15 (2), 20 (3), 25 (4),
30 (5) Дж/см2. Горизонтальной прямой обозначена микротвердость стали 45, закаленной с печного нагрева (850°С, 1,5 ч)
Функциональная зависимость, связывающая концентрацию меди в поверхностном слое и микротвердость поверхности облучения представленана на рис. 5. Отчетливо видно, что микротвердость поверхностного слоя стали снижается с увеличением в нем концентрации меди. Однако линейная корреляция между данными характеристика стали не выявляется, что может указывать на опосредованное (через изменение параметров структуры и фазового состава) влияние атомов меди на твердость исследуемой стали, формируемой в условиях высокоэнергетического воздействия.
14000
ЛГ\Г\Г\ '----'-1-----'-1---'-1---'-1---'-1------'-1
4000 4 6 8 10 12 14 16
Си, вес. %
Рис. 5. Зависимость микротвердости поверхности стали 45, подвергнутой комплексной обработке, состоящей в электровзрывном легировании и последующей электронно-пучковой обработке, от концентрации меди в поверхностном слое
Эволюция морфологии поверхности стали 45, подвергнутой комбинированной обработке в условиях вариации количества импульсов воздействия пучка электронов N = 5-50 имп.). Как было показано выше, обработка поверхности электровзрывного легирования электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов 20 Дж/см2 и выше сопровождается повсеместным плавлением поверхностного слоя стали. После 5-15 импульсов воздействия пучка электронов островки и наплывы меди, присутствующие на поверхности стали, подвергнутой ЭВЛ, методами сканирующей микроскопии не выявляются. Поверхность образцов стали полностью выглаживается. После 25 импульсов воздействия пучка электронов на поверхности наблюдается большое количество кратеров, которые выявляются и после 50 импульсов воздействия.
Высокоскоростная кристаллизация расплава, как уже отмечалось, приводит к формированию дендритной структуры. Обнаружено, что строение дендритов зависит от количества импульсов воздействия пучка электронов. При количестве импульсов воздействия, изменяющемся в пределах 5-15, на поверхности стали преимущественно формируется дендритная структура с осями первого порядка (наблюдается так называемая структура ячеистой кристаллизации). При большем числе импульсов воздействия пучка электронов (25 и 50 имп.) дендриты преимущественно имеют оси первого и второго порядка.
Строение дендритной структуры, как отмечалось выше, определяется скоростью охлаждения расплава. Следовательно, увеличение количества импульсов воздействия пучка электронов на поверхность образца стали 45 приводит к снижению скорости его охлаждения. Увеличение количества импульсов воздействия пучка электронов практически не оказывает влияния на средние размеры дендритов (рис. 6, кривая 1) и приводит к незначительному росту средних размеров зерен (рис. 6, кривая 2).
ных элементов (электроннолучевой переплав) [4].
16-
12-
о4
о <Ц д М °"
3 О
4-
0-
Рис. 6. Зависимость средних размеров дендритов d
(кривая 1), зерен О3 (кривая 2) и фрагментов 0фР (кривая 3) от количества импульсов воздействия пучка электронов
Электронно-пучковая обработка стали сопровождается, как отмечалось выше, формированием на поверхности облучения образца микротрещин, делящих поверхность образца на фрагменты. Средние размеры фрагментов изменяются в пределах 30-60 мкм и увеличиваются с ростом количества импульсов воздействия пучка электронов (рис. 6, кривая 3). Данный факт подтверждает высказанное выше предположение о снижении скорости охлаждения образцов стали 45 при увеличении количества импульсов облучения. Не смотря на то, что увеличение количества импульсов воздействия пучка электронов приводит к снижению линейной плотности микротрещин (росту средних размеров фрагментов), глубина их, судя по величине раскрытия микротрещин, по-видимому, увеличивается.
На рис. 7 приведена диаграмма, демонстрирующая изменение концентрации меди в поверхностном слое стали 45, подвергнутой ЭВЛ и последующей ЭПО. Из анализа представленных результатов следует, что с увеличением количества импульсов воздействия пучка электронов концентрация меди в поверхностном слое толщиной 4-5 мкм устойчиво возрастает с ~8 вес. % при 5 имп. воздействия до 18 вес. % при 50 имп., т.е. более чем в 2 раза. Можно предположить, что одной из причин выявленного увеличения концентрации меди в поверхностном слое стали является вытеснение атомов меди из приповерхностного объема образца при многократном его плавлении. В металлургии стали данный процесс носит название рафинирования (очистки) расплавов от вредных или нежелатель-
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
N импульсы
Рис. 7. Диаграмма, демонстрирующая изменение концентрации меди в поверхностном слое стали 45 после электровзрывного легирования и последующей электронно-пучковой обработке при различном количестве импульсов воздействия пучка электронов (20 Дж/см2, 50 мкс; 0,3 Гц)
Анализируя результаты, представленные на рис. 8, можно отметить, что высокоскоростная кристаллизация стали, легированной медью, и последующее охлаждение сопровождаются существенным (превышающим в ~1,5 раза твердость стали 45, закаленной с печного нагрева) ростом твердости поверхностного слоя лишь при малых количествах импульсов воздействия пучка электронов (5 и 10 имп.). Дальнейшее увеличение количества импульсов облучения сопровождается существенным снижением твердости поверхностного слоя стали.
12000
10000
8000
6000
4000
2000
Режим облучения
Рис. 8. Микротвердость поверхностного слоя стали 45, подвергнутой различным видам воздействия:
0 - электронно-пучковая обработка (12 Дж/см2, 50 мкс, 0,3 Гц, 3 имп); 1 - электровзрывное легирование медью; 2-6 - электровзрывное легирование медью и последующая электронно-пучковая обработка Е= 20 Дж/см2, т= 50 мкс, 0,3 Гц) при N = 5 (2); 10 (3); 15 (4); 25 (5); 50 (6) импульсов воздействия пучка электронов. Горизонтальной прямой обозначена микротвердость стали 45, закаленной с печного нагрева (850 °С, 1,5 ч)
Сопоставляя результаты, представленные на рис. 7 и 8, можно обнаружить связь между концентрацией меди в поверхностном слое стали и величиной микротвердости. А именно, высоким значениям концентрации меди соответствуют низкие значения микротвердости поверхностного слоя. Однако корреляция между данными характеристика стали незначительна, что может указывать на опосредованное (через изменение параметров структуры и фазового состава) влияние меди на твердость поверхностного слоя стали 45.
Выводы
1. Электровзрывное меднение стали 45 сопровождается насыщением поверхностного слоя атомами меди, углерода и кислорода. Последующее высокоскоростное охлаждение стали сопровождается расслоением жидкой фазы и формированием поверхностного слоя со структурой ячеистой кристаллизации. Толщина слоя ячеистой кристаллизации составляет ~5 мкм. Толщина слоя закаленной стали 45, расположенного на глубине ~5 мкм, составляет ~7 мкм.
2. Электронно-пучковая обработка стали сопровождается формированием на поверхности облучения образца микротрещин, делящих поверхность образца на фрагменты. Средние размеры фрагментов изменяются в пределах 30-60 мкм и увеличиваются с ростом количества импульсов воздействия пучка электронов.
3. С увеличением количества импульсов воздействия пучка электронов концентрация меди в поверхностном слое толщиной 4-5 мкм устойчиво возрастает с ~8 вес. % при 5 имп. воздействия до 18 вес % при 50 имп., т.е. более чем в 2 раза.
4. Высокоскоростная кристаллизация стали, легированной медью, и последующее охлаждение сопровождаются существенным (превышающим в ~1,5 раза твердость стали 45, закаленной с печного нагрева) ростом твердости поверхностного слоя лишь при малых количествах импульсов воздействия пучка электронов (5 и 10 имп.). Дальнейшее увеличение количества импульсов облучения сопровождается существенным снижением твердости поверхностного слоя стали.
Список литературы
1. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов / АЯ. Багаутдинов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. 301 с.
2. Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н. Низкоэнергетические электронные пучки субмиллисекундной длительности: получение и некоторые аспекты применения в области материаловедения // Структура и свойства перспективных металлических материалов / под общ. ред. А.И. Поте-каева. Томск: Изд-во НТЛ, 2007. С. 345-382.
3. Электронно-пучковая модификация поверхности сталей и твердых сплавов / ГригорьевСВ., КовальН.Н., ИвановЮ.Ф., ДевятковВ.Н., Тересов А.Д., Колубаева Ю.А. // Плазменная эмиссионная электроника: труды II междунар. крейнделевского семинара, 17-24 июня 2006 г. Улан-Удэ, 2006. С. 113-120.
4. Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния. М.: Металлургия, 1982. 168 с.
5. Бигеев А.М. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. М.: Металлургия, 1977. 440 с.
Сведения об авторах
Громов Виктор Евгеньевич - д-р физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой физики ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», г. Новокузнецк, Россия. Тел.: (3843) 78-43-66, факс (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected].
Иванов Юрий Федорович - д-р. техн. наук, проф. Института сильноточной электроники СО РАН, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия. Тел.: (3843) 78-43-66. E-mail: [email protected].
Романов Денис Анатольевич - ст. преп. кафедры физики ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», г. Новокузнецк, Россия.
Ващук Екатерина Степановна - канд. техн. наук, доц. кафедры физики ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», г. Новокузнецк, Россия. Тел.: (3843) 78-43-91, факс (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected].
Танг Гоуи - проф., директор Института перспективных материалов университета Цинхуа, г.Шэньчжэнь, Китай. E-mail: [email protected]
Райков Сергей Валентинович - канд. техн. наук, доц. кафедры физики ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», г. Новокузнецк, Россия. Тел.: (3843) 78-43-91, факс (3843) 46-57-92. E-mail:
Будовских Евгений Александрович - д-р техн. наук, проф. кафедры физики ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», г. Новокузнецк, Россия. Тел. (3843) 78-43-91, факс (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected]
Сонг Гуолин - доц., зав. лабораторией Института перспективных материалов университета Цинхуа, г. Шэньчжэнь, Китай. E-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
CHARACTERISTICS OF ELECTROEXPLOSIVE COPPER PLATING OF STEEL 45 AND SUBSEQUENT ELECTRON-BEAM PROCESSING
Gromov Victor Evgenievich - D.Sc. (Phys.-Math.), Professor Department of physics, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia. Phone: (3843) 78-43-66, fax: (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected].
Ivanov Yuriy Fedorovich - D.Sc. (Eng.), Professor Department of Nanomaterials and Nanotechnology, National Research Tomsk Polytechnic University, Institute of high-current electronics SB RAS, Tomsk, Russia. Phone: (3843) 78-43-66. E-mail: [email protected].
Romanov Denis Anatolievich - Assistant Professor, Department of physics, Siberian State Industrial University.
Vaschuk Ekaterina Stepanovna - Ph.D. (Eng.), Associate Professor Department of physics, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia. Phone: (3843) 78-43-91, fax: (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected].
Tang Guoyi - Professor, Director Advanced Materials Institute, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen, China. E-mail: [email protected]
Raykov Sergey Valentinovich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor Department of physics, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia. Phone: (3843) 78-43-9l, fax: (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected]
Budovskikh Evgeniy Aleksandrovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Department of physics, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia. Phone: (3843) 78-43-91, fax: (3843) 46-57-92. E-mail: [email protected].
Song Guolin - Associate Professor, Chief of laboratory, Advanced Materials Institute, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen, China. E-mail: [email protected].
Abstract. The surface relief and structure peculiarities of steel 45 after electroexplosive copper plating and subsequent electron beam treatment were investigated by scanning and transmission electron microscopy methods. It has been established that the copper concentration in surface layer is increased in 2 times with the growth of electron beam pulses number. The high speed crystallization of modified layer is accompanied by hardness growth of surface layer under the small pulse number (5 and 10 pls.). The further increase of irradiation pulses number leads to essential decrease of surface layer hardness.
Keywords: electroexplosive alloying, copper, electron beam processing, structure, phase composition, properties.
References
1. Bagautdinov A.Ya., Budovskikh Ye.A., Ivanov Yu. F, Gromov V.Ye. The
physical basis of electroexpbsve alloying of metals and alloys. Novo-kusnetsk: SibSIU, Publ. House, 2007, 301 p.
2. Ivanov Yu.F., Koval N.N. Low-energy electron beams submillisecond duration: production and some aspects of application in the field of materials science. The structure and properties of advanced metallic materials. Ed. A.I. Potekayev. Tomsk: Publ. House NTL, 2007, pp. 345-382.
3. Grigoriev S.V., Koval N.N., Ivanov Yu.F., et al. Electron beam modification of the surface of steel and hard alloys. Plasma emission electronics, Proceedings of II International Kkreyndelevsky seminar. Ulan-Ude, 2006, pp. 113-120.
4. Miroshnichenko I.S. Hardening from the liquid state. Moscow: Metallurgy, 1982, 168 p.
5. Bigeyev A.M., Metallurgy of the steel. Theory and technology of melting steel. Moscow: Metallurgy, 1977, 440 p.
УДК 621.774.372
Окулов Р.А., Паршин С.В.
ЗНАЧЕНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОТИВОНАТЯЖЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ВОЛОЧЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ
Аннотация. Работа посвящена актуальной задаче - изучению зависимости геометрии получаемой продукции и энергосиловых параметров процесса волочения от применения усилия противонатяжения. Работа выполнена с помощью программного обеспечения, использующего конечно-элементный метод, и затем проверена проведением практического эксперимента. Результаты теоретической и практической частей хорошо согласуются. В результате проделанной работы определены искомые зависимости и даны ценные рекомендации производителям.
Ключевые слова: волочение, противонатяжение, сталь 12Х18Н10Т, профильная труба.
При производстве трубной продукции актуальным остается вопрос о предсказании конечной формы получаемой продукции еще на стадии проектирования процесса и то, как влияет на ход процесса различные факторы. Предшественниками выполнена большая работа по установлению зависимостей, которые в той или иной мере могли бы пролить свет на существующий вопрос. В работе [1] было проведено основополагающее изучение процесса, а в работе [2] были более подробно рассмотрены задачи при производстве профильной трубной продукции. Но, несмотря на проделанный массив исследовательской работы, до сих пор остается открытым и не изученным в должной мере вопрос о влиянии различных факторов на качество геометрии и энергосиловые показатели процесса волочения.
В данной работе ставится актуальная задача -определить, как зависит форма трубы и энергосиловые характеристики самого процесса производства при волочении профильных труб от применения усилия противонатяжения. Ответ на этот вопрос позволит дать ценные рекомендации производителям данной продукции и поможет избежать ряд нежелательных последствий. Определив характер зависимости, мож-
но будет предсказывать на стадии проектирования процесса производства его результат.
Исследование роли противонатяжения выполнили с использованием программного обеспечения с целью определения искомых величин. Для определения интересующих параметров труб, как в работе [3], воспользовались программным пакетом БЕГОКМ-3Б, который использует в процессе расчета конечноэлементное моделирование.
Определили влияние применения противонатяжения на ряд параметров. Среди изученных параметров можно выделить две группы: связанные с геометрией конечного продукта и связанные с энергосиловыми показателями самой операции производства. Среди геометрических параметров исследовали толщины стенки в центре грани, наружный прогиб граней, площадь поперечного сечения после обработки, вытяжку, наружный и внутренний радиусы незаполне-ния. Исследуемые геометрические параметры представлены на рис. 1. Среди энергосиловых параметров процесса изучили усилие волочения, работу усилия волочения, единицу массы смещаемого материала, энергоемкость волочения.
