CC BY
30
состоящий из ствола и форкамеры; газораспределительной станции; порошкового питателя; системы зажигания (воспламенитель горючей смеси); системы охлаждения ствола и других нагреваемых элементов конструкции установки; системы локализации сгорания горючей смеси в стволе установка; манипуляторов.
Оригинальное программное обеспечение позволяет оперативно обрабатывать большое количество информации и таким образом осуществляется контроль и целенаправленное воздействие на параметры проведения реакций горения.
На рис. 2 представлена блок-схема установки для детонационного напыления Катунь-М.
Для получения композиционных порошков в лаборатории СВС-метариаловедения АлтГТУ спроектирован и создан реактор с компьютерным управляемым нагревом и системой принудительного охлаждения. Использование реактора позволяет проводить управление процессом синтеза в режиме теплового взрыва с целью получения интерметаллидных композиционных соединений требуемых физико-хими-ческих свойств. Нагрев можно осуществлять е любом режиме, при этом точность определения температуры составляет 0,5 ОС. С использованием системы принудительного охлаждения появляется возможность остановки процесса синтеза в нужный момент времени при нужной температуре. Таким образом, появляется способ управления глубиной превращения и фазовым составом синтезируемого продукта.
Полученные порошки применяются в процессах детона-ционно-газового напыления с применением различных режимов напыления (скорость газового потока, расстояние от дозатора до подложки, теплофизические свойства подлож-
Рис. 2. Блок-схема установки для детонационного напыления Катунь-М: 1 - блок управления, 2 - детонационная камера, 3 - дозатор, 4 - отверстия, 5 - ствол, 6 - свечи, 7 - цифровая фотокамера, 8 - многоканальная оптическая насадка, 9 - оптоволоконные кабели, 10 - ЭВМ. 11 - подложка, 12 - магистрали, 13 - нихромовая проволока. 14 - асбокартон, 15 - термометр сопротивления
ки). Таким образом, изменения физико-химических свойств синтезированных композиционных материалов в совокупности с изменением параметров детонационного напыления создает большие возможности для получения покрытий деталей и узлов с использованием синтезированных композиционных материалов.
Для анализа физико-химических свойств напыленных покрытий используется дифрактометр ДРОН - 6, микротвер-домер, машина трения, разрывная машина, комплекс для компьютерных металлографических исследований «ВИДЕОТЕСТ», оптический микроскоп, электронный микроскоп.
Высокоэффективная технология термоциклического упрочнения конструкционных и инструментальных сталей
В последнее время для улучшения структуры сталей и повышения их механических свойств разрабатываются различные виды термической обработки металлов, основанные на использовании циклических тепловых воздействий, получивших название термоциклической обработки (ТЦО).
В отличие от других видов термической обработки структурные и фазовые превращения при ТЦО совершаются многократно при изменяющейся температуре нагрева - охлаждения. Необходимость многократного повторения обработки при заданных температурах, как правило, обусловлено стремлением накопить изменения, которые коренным образом улучшают качество изделий и придают им свойства, недостижимые при одноразовой термической обработке.
Характер фазового взаимодействия компонентов в системе во многом определяет эффективность воздействия ТЦО на изменения структуры и свойств сплавов. В случае полной не смешиваемости компонентов в твердом состоянии тер-моциклирование не сопровождается изменением количества фаз в системе, а структурные изменения в сплавах этой системы под воздействием ТЦО могут быть связаны лишь с последствиями микропластической деформации и последующей рекристаллизации. Микропластические деформации упрочняют сплавы, а рекристаллизация повышает их пластичность.
А. М. ГУРЬЕВ, доктор техн. наук, профессор, О. В. ШАМЕТКИНА, О. А. ГУРЬЕВА, А. А. КОЛЯДИН АлтГТУ им. И. И. Ползунова, г. Барнаул
В случае наличия растворимости компонентов друг в друге в эвтектической и перитектической системе, характер процессов ТЦО изменяется. Растворимость компонентов приводит к возможности диффузионного массопереноса через твердые растворы. Появляется возможность диффузионного деления протяженных частиц, как в эвтектике, так и избыточных фаз, а также их сфероидизация и коагуляция.
При ТЦО сплавов, матрица которых претерпевает фазовые превращения (например, сплавы на основе железа) возникают значительные межфазные напряжения при повторных диффузионных превращениях, а также градиенты температур между отдельными элементами матрицы, которые приводят к увеличению центров превращения и, в итоге, к измельчению зерна. Сплавы со сформированной таким образом структурой имеют повышенную ударную вязкость, высокую прочность и удовлетворительную пластичность.
Изучению возможностей применения ТЦО с целью улучшения структуры и механических свойств сталей, а, следовательно, и повышению работоспособности деталей машин и инструмента уделяется в последнее время большое внимание, как со стороны производства, так и науки. В результате разработан ряд новых технологий предварительной термоциклической обработки, имеются сведения и об использо-
10 № 2 (23) 2004
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
<Эи
вании ТЦО в качестве окончательной термической обработки (некоторые из них описаны выше). Однако выбор режимов ТЦО до сих пор ведется эмпирическим путем, а недостатками этих технологий является то, что повышение пластичности стали не сопровождается необходимым высоким уровнем ее прочностных свойств, а также то, что все ранее известные способы достаточно длительны во времени и трудоемки в исполнении.
Отсутствие обоснованных преде«авлений и механизме формирования комплекса оптимальных свойств в процессе ТЦО создало условия нерационального выбора и зачастую неэффективного использования потенциальных возможностей перспективного метода упрочнения сталей и сплавов.
Противоречивое понимание взаимного влияния различных параметров термоцуклирования (температура в цикле, скорость нагрева и охлаждения, количество термоциклов и др.) создало предпосылки для применения широкого спектра способов ТЦО, отличающихся не только принципом воздействия на структуру (с полными фазовыми превращениями, с частичными или без таковых), но и самое главное, различающихся до 20 - 50 раз энергозатратами для получения необходимого результата.
Более полное изучение кинетики формирования окончательной структуры легированных сталей в процессе проведения ТЦО с использованием тонких методов исследований позволяет предложить обобщенный механизм формиросапия структуры и свойств этих сталей при окончательной ТЦО, а понимание механизма формирования свойств и структуры, и:< определяющей, позволяет сформулировать принципы и возможные направления оптимизации параметров ТЦО в целях повышения качества инструмента, стабилизации его свойств и повышения эксплуатационной стойкости.
В связи с этим разработка и внедрение новых более эффективных технологий упрочнения инструментальных сталей, повышающих качество готового инструмента и, в конечном итоге - эксплуатационную стойкость, обеспечивающую значительное снижение ресурсо - и энергозатрат, направлены на теоретическое обоснование и решение научно-теоретической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Целью настоящей работы являлась разработка новой высокоэффективной технологии термического упрочнения инструментальных сталей для штампового инструмента на основе установления обобщенного механизма формирования их структуры и свойств в процессе окончательной термоциклической обработки.
Проведена оптимизация режимов окончательной термоциклической обработки для углеродистых и легированных сталей У8А, У10, 9ХС, Х12Ф1 и др.
Построены математические модели, связывающие технологические факторы ТЦО (температура нагрева и охлаждения, время выдержки при этих температурах, скорость нагрева и охлаждения) со структурой и механическими свойствами наиболее широко применяемых углеродистых и легированных инструментальных сталей. Математические модели отчетливо выявили те параметры режима ТЦО, которые наиболее сильно влияют на механические свойства, а также эффекты их взаимодействия. Установлено, что основными критериями, определяющими пластичность и ударную вязкость эвтектоидной стали является температура в термоцикле и время выдержки при максимальной температуре.
Изучено влияние параметров высокотемпературной ТЦО с неполными фазовыми превращениями на структуру и физико-механические свойства инструментальных сталей.
Исследования показали, что повышение ударной вязкости образцов из стали Х12Ф1 обработанным по оптимальным режимам высокотемпературной термоцикпической обработки с неполными фазовыми превращениями происходит уже после двух термоциклов (табл. 1).
Механические свойства стали Х12МФ Таблица 1 после различных видов термической обработки (ТО)
Вид ТО Твердость, HRC Ударная вязкость КС, Дж/см
Традиционная ТО: закалка в масле от 1030 градусов +огпуск 2 часа при Т=20С градусов 59,5-61,5 30-40
ТЦО + отпуск 2 часа при Т=200 градусов 60-61 65-75
Как видно из таблицы, повышение ударной вязкости при сохранении твердости образцов, подвергнутых ТЦО по сравнению с традиционной термообработкой составило 1,6 - 2,5 раза.
Таблица 2
Механические свойства углеродистых инструментальных сталей после различных видов термической обработки (ТО)
Вид ТО Марка Твердость, Ударная вязкость
стали HRC КС, Дж/см
Закалка+отпуск2часа У8 60 30
при 200 град У10А 61 28
ТЦО+отпуск 2 часа У8 60 179
при 200 град. У10А 61 118
Исследования показали, что мартенсит имеет меньшую степень тетрагональности, что объясняется снижением в нем углерода при ТЦО по оптимальным для этой стали режимам.
Выполнение ТЦО по разработанным режимам позволяет повысить ударную вязкость углеродистых инструментальных сталей при сохранении высокой твердости и прочности (таблица 2) засчет чередующегося повторения процессов взаимного растворения - выделения между фэррито-карбидной смесью и аустенитом способствующего получению благоприятного структурного состояния в конечной структуре стали и возможности протекания процессов коагуляции и сфероиди-зации частиц избыточных фаз (сульфидов, фосфидов и др.), уменьшающих вредное влияние этих примесей. Кроме того, в разработанном способе ТЦО снижена длительность процесса за счет уменьшения количества циклов нагрева и охлаждения.
Применение нового способа термоциклической обработки позволяет повысить ударную вязкость углеродистой инструментальной стали в 4 - 6 раз по сравнению с традиционной закалкой при сохранении высокой твердости и прочности. Улучшение комплекса физико- механических свойств позволяет повысить эксплуатационную стойкость инструмента, особенно испытывающего динамические нагрузки.
Новая технология термической обработки предназначена для повышения эксплуатационной стойкости инструмента из углеродистых и легированных инструментальных сталей, а именно: для резцов, фрез, холодно-штампового инструмента и т.д.
По сравнению с известными методами поверхностного упрочнения инструментальных сталей (лазерной и электроннолучевой, нанесением покрытий) предлагаемая технология:
- является более дешевой и простой, т. к. осуществляется только методом термической обработки без проведения последующей поверхностной упрочняющей обработки инструмента;
№ 2 (23) 2004 1 -]
- более эффективна для инструмента, испытывающего большие ударные нагрузки благодаря более высоким показателям ударной вязкости и прочности стали;
- позволяет многократно перетачивать и в дальнейшем использовать инструмент благодаря не поверхностному, а объемному упрочнению.
При небольшом увеличении длительности процесса предлагаемая технология термообработки по сравнению с традиционной (закалкой и отп/ском) обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости инструмента в 1,2-2 раза и более.
Технологический процесс не требует дополнительного оборудования, материалов и высококвалифицированного персонала по сравнению с традиционной термообработкой. Процесс прост в осуществлении, легко автоматизируется и экологически безопасен.
Разработанная технология термообработки инструмента отличается от традиционной:
- режимом и последовательностью проведения операции закалки;
- режимом операции отпуска;
- большей продолжительностью операции закалки (в 2 - 4 раза).
Остальные операции термообработки (подогрев, охлаждение в закалочной среде, мойка, очистка, контроль) остаются неизменными.
Указанная технология не требует дополнительной обработки поверхности до, и после термообработки. Длительность полного цикла термообработки инструмента разработанным методом, по сравнению с традиционным, возрастает на 3 -10 %. Стоимость указанной термообработки увеличивается пропорционально удлинению цикла Такое увеличение составляет 5 - 15 % от стоимости стандартного цикла термообработки.
Термическое оборудование для осуществления процесса - стандартное: соляные ванны для подогрева и закалка (рабочие температуры 250 - 1300°С), закалочный бак, отпускные печи (рабочие температуры 150 - 600°С), моечное оборудование.
Разработанная технология термической обработки инструментальных сталей защищена патентами Российской федерации на изобретение.
Технология утилизации отходов полиэтилентерефталата (ПЭТ) и других твёрдых бытовых и промышленных отходов, совмещённая с производством новых композиционным материалов
С. А. ТУЛУПОВ, профессор., доктор техн. наук, О. М. СМИРНОВ, профессор., доктор техн. наук,
В. Д. КУКУШКИН, канд. техн. наук, В. Г. СЕМЕНОВ, инженер, Е. Г. ШМУРЫГИН, ст. научн. сотрудник, канд. техн. наук, МИСиС, г. Москва
Область применения:
1. Решение проблемы утилизации ПЭТ и других твердых бытовых и промышленных отходов.
2. Разработка на основе матрицы ПЭТ новых композиционных материалов с регулируемыми свойствами.
3. Разработка новых технологических процессов получения изделий для различных отраслей промышленности (строительной индустрии, электротехники и др.) из разработанных материалов.
Техническое описание:
ПЭТ-отходы поступают на измельчители (шнековые и рс-торные). Аналогичным образом можно измельчать и различные виды наполнителей, например, опилки. Стекло, гравий, бой кирпича, строительный мусор измельчается на шаровых мельницах. После объемно-весовой дозировки смесь измельченного ПЭТ и наполнителя поступает в холодный смеситель. Туда же подаются минеральные красители. Далее холодная смесь передается в горячий смеситель, в котором доводится
Принципиальная блок-схема технологической линии по переработке вторичного ПЭТ
Горячий смеситель
Гидравлический пресс
Камера для контролируемую охлаждения изделий
Склад готовой продукции
12 № 2 (23) 2004
»
