CC BY
13
lgaCr =JgX,
Cr
4000 2J03RT
Q-*crY +
16000 (l V
+-:V-XCr) +
■Cr
(12)
- xCr.
2,303RT4 7 2,303
Подставляя (9) и (12) в уравнение (11) и приняв
С Cr
Cr = Sc , получили:
16000
ig^io =-i
4000 ,
lg.r„--(1-
2.303ДГ
-(1-.Гс,.)3+ 2.303ÄT 2.303
-3
£_ I . "С
2105 317 хс
--U,О / J J H--X -г-г -f- - i ~i--■Л'Пг ---1
Т Т (1-.ÏC) \l-5.ivj 2.303 2.303
(13)
т. к хс С ."•■ Cr.".,
0.022 0.48 0.10 9.52
0.014 0.31 0.12 11.36
1273 0.013 0.28 0.13 12.31
0.013 0.28 0.14 13.27
0.040 0.89 0.12 11.61
0.028 0.62 0.13 12.46
1323 0.025 0.55 0.14 13.40
0.024 0.53 0.17 16.29
0.063 1.43 0.13 12.82
0.052 1.17 0.14 13.70
1373 0.047 1.06 0.15 14.62
0.045 1.01 0.16 15.59
ojí
Xr
OJO■
008-
0,06-
W-
0.02-
А
FB3C 'УвI
Сг7С3
\1100 "С
Г' [Fe-Cr-o\ -— А2
с, - В7
1000 "с с2
0
0.05
OJO
Xf
Cr
0,20
Задавая концентрацию хрома и температуру, определяли концентрацию углерода, равновесную с раствором. Результаты расчета сведены в табл. 3.
Таблица 3
Параметры двухфазного равновесия
(V/ \ - \1е - Сг -С]Т
Параметры трехфазного равновесия \Fe — Сг — С]г — Fe3C — Сг7С3 рассчитывали, решая
систему уравнений (9) и (12). На основании полученных результатов построена диаграмма фазовых равновесий
в системе Fe - С - Сг (рис. 1). Изотермы АА2, ВВ2, СС2 разрезают плоскость диаграммы на две области устойчивости раствора [Fe — Сг — С]г и карбида хрома. Понижение температуры смещает изотермы влево, область устойчиво-карбидной фазы увеличивается. Изотермы равновесия АД В.,13 и С.,С соответствуют равновесию карбида железа (цементита) с твердым раствором
\Fe — Сг — С]г ■ Они характеризуют предельную растворимость углерода в растворе. Кривая ABC соответствует трехфазному равновесию . Из диаграммы следует, что в системе серый чугун (90-92 %) и карбид хрома (8-10 %) при температуре 1100°С и ниже цементит существует в виде самостоятельной фазы.
Рис. 1. Диаграмма фазовых равновесий в системе \l e - Cr - С\ - Fe3С - Сг7С3
Список литературы
1. Гуревич Ю.Г., Буланов В.Я., Германюк Н.В. и др. Легирование железа
через газовую хпоридную фазу - Свердловск: АН СССР УрО, 1992. - С. 190.
2. Дудорова Т. А., Ротермель П.В., Тильдиков C.B. Термодинамический
анализ // Теория и технология производства новых конструкционных материалов: Сб. науч. тр./ Отв. ред. О. И. Бухтояров, Ю.Г.Гуревич. - Курган: Изд-во КГУ, 2000. - С. 33-35.
3. Brigham P.J., Kirkaly J.S. The Interaction Parameter for Solutions of
Carbon and Chromium in Austenite at 10000C// Tzans. Metall. Soc. AIME. V. 227. - P. 532-534.
4. Могутное Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика сплавов
железа. - М.: Металлургия, 1984. - 381 с.
В.В. Марфицын
Курганский государственный университет
РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ БЕЛОГО ЧУГУНА И ПОДСЛОЯ МАРТЕНСИТА, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
На основе эвтектического (контактного) плавления был разработан процесс нанесения слоя белого чугуна на поверхность стали электроконтактной химико-термической обработкой (ЭХТО) [1.2].
По поверхности детали скользит графитовый ролик-электрод. При контакте ролика-электрода с упрочняемой поверхностью детали пропускают ток, который вызывает нагрев поверхности до 1150-1200°С вследствие большого контактного сопротивления. При этих температурах осуществляется эвтектическая реакция, в результате которой образуется капля чугуна. Быстрая кристаллизация образовавшегося расплава обеспечивает образование твердого, безпористого, износостойкого слоя белого чугуна на поверхности как обычной, так и пористой стали, полученной прессованием порошка [3]. Под слоем белого чугуна находится переходная зона, представляющая собой: слой мартенсита (рис. 1).
Для расчета толщины слоя белого чугуна и мартенсита были использованы уравнения, применяемые для температурных полей концентрированных источников энергии [4-6]. При использовании в качестве электрода графитового ролика источник тепла можно считать нормально-пол ОСОБЫМ.
024111t]n ■ // = p ■ V ■ /•',„-, • S
(1)
металла, г/см
F - площадь проплавления, см
и, В I, А ищ, В Pv ,кВт
8,1 500 1,52 4,05
9,0 600 1,83 5,40
9,8 700 2,13 6,86
10,7 800 2,44 8,56
11,7 900 2,75 10,53
12,1 1000 3,05 12,10
На основании данных таблицы и работы [7] определены: коэффициент, учитывающий потери в рабочей цепи
( Т]и = 0,25) и коэффициент тепловых потерь //. Коэффициент /-1 показывает, какая доля теплоты, создаваемой
в зоне контакта, отводится в глубь детали.
Зная глубину упрочненного слоя Ъ, определенную металлографическим путем, и режимы, при которых получена эта глубина, коэффициент можно определить из выражения:
К ,-=-
, 4 а
nV
~Z)rjf
(2)
Рис. 1
Для нормально-полосового источника зависимость глубины зоны проплавления от параметров процесса можно получить методом теплового баланса. Связь параметров процесса с характеристиками зоны проплавления для объема металла, расплавленного в течение 1 с, может быть выражена уравнением вида:
где X - коэффициент теплопроводности, Вт/см 0 С; ^-температура фазового перехода,°С; а - коэффициент температуропроводности, см 2/с; V - скорость перемещения источника, см/с; f - интенсивность источника, Вт/см; /7- коэффициент, учитывающий потери в рабочей цепи. На рис. 2 приведена зависимость коэффициента // от
параметра
Ктв
F s[F
характеризующего тепловое
воздействие источника
' 0,6
где I -ток, А; и - напряжение в цепи, В; Т]и - кпд источника; коэффициент тепловых потерь; р - плотность
= + ^пл - теплосодержание жидкого металла
при удельной теплоте плавления, кал/г0С; 1_пл- удельная теплота плавления, кал/г.
Из экспериментальных данных прогрева поверхности стали на глубину 0,6-1,0 мм получена зависимость тока в рабочей цепи (I, А) от напряжения питания (и, В), которая позволяет рассчитать величину падения напряжения в рабочей цепи ( иРц = / • Я ), а также потребляемую мощность Р^ и мощность потерь Рп . Полученные данные представлены в таблице.
Таблица
Влияние изменения напряжения на величину тока в рабочей цепи и расчетные параметры процесса ЭКХТО
Рис. 2
Предварительными экспериментами при получении поверхностного слоя белого чугуна, полученного методом ЭКХТО на деталях из стали 45 и ПК60, были установлены следующие оптимальные параметры процесса: толщина электрода Ь к = 0,2...0,8 см (в дальнейших расчетах Ь к=0,4 см); радиус электрода Рэ= 4...8 см; мощность Р=6000...5000 Вт; скорость движения электрода N/=0,04...0,20 см/с.
Представим уравнение (1) в виде:
VFnP =
0,24 ■ I- U ■ г]п /и
p(ct.njI +Lnn)
(3)
Площадь проплавления Fnp является функцией глубины Z: .
Очевидно, что форма сечения зоны проплавления соответствует положению изотермы температуры плавления при предельном (квазистационарном) состоянии системы. Многочисленные опыты показывают, что изотермы любой температуры при нормально-полосовом (нормально-линейном) источнике представляют собой полуэллипс. Это же отмечает H.H. Рыкалин [8]. Найдем отношение осей этого полуэллипса.
Пусть нормально-полосовой источник перемещается по поверхности полубесконечного тела. Считаем, что тепло, введенное в тело в момент времени t=0 , распространяется преимущественно в плоскости, перпендикулярной направлению оси ох, по которой перемещается источник. Температурное поле этого процесса будет опи-
сываться уравнением [8]
2Р
Цу.г.т)
ехр(-~
¥ср4лал1т(т+т0) ->ат
- ехр
4а( т + т0)
(4)
После дифференцирования получим: 1 Э^Т) _ 2т + т0
01
+ -
2^х(х + х0)-ф(х + х )
У
+
(5)
4ах" 4а(т + т0)
Для квазистанционного состояния, которое рассматривается, выражение (5) запишется в виде:
2т + тп
У'
(6)
т(т + т0) 2Ш~ 2а(т + т0)~ При у=0 получим максимальную глубину Ъ изотер мы, т.е. малую полуось полуэллипса Ъпэ :
2 — с1пэ —
2ат(2т + т0)
т + тп
(7)
При Z=0 получим большую полуось полуэллипса
а
п э ■
жУ(т + т0) , = 2т
0.2411]г)¡л
р(апл +ьплу
(10)
гг
т = — V
(11)
где ту - радиус пятна контакта.
Для электрода в виде колеса эффективный размер принимается равным половине его толщины:
К
(12)
7> =
2 ■
Для нормально-полосового источника справедливо выражение:
(13)
где Р0 - полная тепловая мощность; - средняя удельная тепловая мощность;
/ - длина пятна контакта - эффективный размер электрода.
Из (13) с учетом того, что для прямоугольного пятна
контакта Рп = дпЬк1, находим ^ 1
Ж
Ш
Тогда посто-
янная времени
:го =
4 ак 4 ла
принимает вид [9]:
(14)
Подставляя (11), (12), (14) в выражение (10) после преобразований получим:
2 =
0.96 • / • и ■ гциа
(15)
¥{2аж + Пк)р{апл+Ьпл)-
Подставим в (15) значения известных величин а =
0,1 см2/с; с=0.115 кал/г°С; 1ПЛ = 1150^0; Ьпл =65 кал/г;
Т] =0,3; р =7,8 г/см3; ¡Л =0,3 (значение коэффициента получено математической обработкой экспериментальных данных).
Учитывая, что р — II7, получаем:
2 - 2.42 • 1СГ
\2а( т + тп)(2т + тп) У = апэ= Л-"-■ (8)
Площадь полуэллипса:
Т7 V Л и Л 7 Л Т + Т0 72
Ьпр -Ъпэ -~апэ 'Ьпэ -—¿У-—--^ .(9)
2 2 2 т
Таким образом, получен искомый вид зависимости площади сечения зоны проплавления от глубины этой зоны. Подставляя (9) в уравнение (3) получим:
Рп
(16)
Г(0.628 + УЬк) ■
Выражение (16) - искомая зависимость глубины проплавления Ъ от параметров процесса Рп, У , Ьк при
электро-контактной химико-термической обработке стали электродом в виде колеса. Совпадение значений Ъ, вычисленных по уравнению (16) и полученных на практике, в дальнейшем была проверена экспериментально. Как следует из рис. 3, экспериментальные точки расположены достаточно близко к кривой, соответствующей уравнению (16).
I, ПП -
Здесь г - время нахождения точки поверхности с координатами (0,0) в пределах пятна контакта, т.е.:
Р,кВт
Как было показано, при упрочнении стали методом ЭКХТО под слоем белого чугуна всегда образуется тонкий слой закаленной стали, структура которой - мелкодисперсный мартенсит или мартенсит с остаточным аусте-нитом. Аналогичные структуры получаются при лазерной закалке без оплавления поверхности. Однако существенное отличие состоит в том, что при лазерной закалке мартенсит является именно той структурой, которую стремятся получить. Толщина и физико-механические свойства мартенситного слоя и определяют в этом случае упрочнения поверхности. При обработке стали методом
ЭКХТО структурой, определяющей износостойкость поверхности, является белый чугун. Мартенситный слой играет вспомогательную роль. Во-первых, он обеспечивает сцепление чугуна с основным металлом. Во-вторых, воспринимает и амортизирует сжимающие напряжения. Непосредственно на износ мартенсит работает тогда, когда слой белого чугуна полностью износился.
Таким образом, мартенситный слой оказывает определенное влияние на свойства упрочненной методом ЭКХТО поверхности. Поэтому во многих случаях полезно знать его толщину.
Для определения толщины закаленного слоя можно воспользоваться формулой, предложенной В.М. Анд-рияхиным для лазерной закалки [10]:
7 — / ^ tnjj t3AK 5 lt' 1 I
К
(17)
'пл
где 2МК -толщина слоя мартенсита; 1ПЛ -температура
плавления стали; ^^.-температура закалки.
Формула (17) предполагает, во-первых, что закалка происходит во всей области, где температура стали выше температуры закалки (температуры фазового перехода), и, во-вторых, что максимальная глубина закалки достигается при температуре на поверхности, равной 1 пл. При использовании ЭКХТО второе условие выполняется автоматически, поскольку мы измеряем толщину мартенсита от слоя белого чугуна, который во время обработки находился в жидком состоянии.
Однако, как отмечается в работе [10], формулу (17) использовать непосредственно для инженерных расчетов нельзя. Она дает существенно завышенные значения толщин Ъ ЗАК, поскольку только некоторая доля тепла уходит в глубь металла. Тем не менее, вводя поправочный коэффициент, можно получить достаточно точную расчетную формулу. Практика показала, что этот поправочный коэффициент X является функцией безразмерного параметра Р(а=0,08 см2/с) [10]:
R =
к-z
2а
(18)
На рис. 4 показан график функции Л = /(Я), полученный по 9 точкам. Экспериментальные точки получены при определении оптимального режима ЭКХТО [3, 8], измерялось в пределах 0,1...0,4 и V в пределах 0,045...0,6 см/с.
3 4 foR'10
Рис. 4.
можно с достаточной точностью производить инженерные расчеты по уравнению:
ZMK - МК)
4аг
f
nV
tПЛ tЗАК
'ПЛ
(19)
При решении уравнения(19)принимали 1пл =1150° С; tЗAK =800° С. Правомерность использования формулы (19) была проверена экспериментально (рис. 5).
Из уравнения (19) следует, что для конкретного металла со своими конкретными теплофизическими константами определяющим фактором является время действия источника тепла, то есть скорость перемещения электрода. При скорости \/>0,1 см/столщина мартенситного слоя мало зависит от эффектного размера электрода.
tIKtl
225
200 т
50 125 WO
75 50 25
_L
0 0 02
от
о ю
о %
о 18
V,LM
Снимая с графика этой зависимости значения по-
Рис. 5
Разработанная математическая модель процесса электроконтактной химико-термической обработки позволяет прогнозировать толщину слоя белого чугуна и подслоя мартенсита, образующихся на поверхности стали.
Список литературы
1. Гуревич Ю.Г., Дорфман Д. Е., Кузьмичева А.П., Марфицын В.В.
Микроструктура и износостойкость компактных и порошковых сталей после электроконтактного термоупрочнения // Объемное и поверхностное упрочнение конструкционных сталей: Межвуз. сб. науч. трудов. - Новосибирск, 1991. - С.33-42.
2. Гуревич Ю.Г., Мосталыгин ГЛ., Марфицын В.В., Дорфман Д.Е.
Износостойкость сталей после электроконтактного термоупрочнения//Износостойкость машин: Тез. докл. Всесоюзн. научн. техн. конф. - Брянск, 1991. - С. 93.
3. Мосталыгин ГЛ.., Марфицын В.В., Мосталыгин А.Г. Применение
износостойких термоупрочненных сталей в процессе выглаживания//Износостойкость машин. Тез. докл. 2-й Международной науч.-техн. конф. - Брянск, 1996. -107с.
4. Аскинази Б.М Чистовая обработка поверхности металла с подогре-
вом. - Л: Машгиз, 1961. - 96 с.
5.Ратманов Э.В., Шабашов В.Б //Молодые ученые Курганского машиностроительного института - научно-техническому прогрессу: Тезисы докл. научно-технической конференции. -Курган. 1989. - С. 61-62.
6.Шабашов В.Б., Ратманов Э. В. //Молодые ученые Курганского машиностроительного института - научно-техническому прогрессуТезисы докл. научно-технической конференции. -Курган. 1989. - С. 25-26.
7. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей электромехани-
ческой обработкой. - Л: Машиностроение. 1977. - 184 с.
8.Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз. 1951. - 254 с.
Э.Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. Справочник/
Под ред. H.H. Рыкалина. - М.: Машиностроение. - 254 с.
10. Андрияхин В.М., Майоров B.C., Якунин В.П. Поверхность. - 1983. - № 6. - С. 140-147.
правочного коэффициента Л и учитывая, t — -jy, что
