Анотація до роботи:

Кримов В.М. Розробка технологічних основ локального зміцнення виробів із залізних сплавів на основі закономірностей структуроутворення при діянні дугового розряду. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 – “Металознавство та термічна обробка металів”. – Державний вищий навчальний заклад “Донецький національний технічний університет”, Донецьк, 2007.

Вирішено актуальну науково-технічну задачу з встановлення закономірностей структуроутворення при зміцненні сталей і чавунів з використанням дугового розряду, розробці технологічних основ локального зміцнення виробів із залізовуглецевих сплавів, а також з практичного випробування дугорозрядного зміцнення на деталях, що працюють в умовах абразивного зносу.

Вивчено вплив на структуру зміцненого шару основних параметрів обробки. Встановлена залежність вмісту вуглецю в зоні оплавлення від сили струму дуги зворотної полярності.

Встановлена залежність вмісту вуглецю в зоні оплавлення від властивостей вуглеграфітових матеріалів: електричного опору, теплопровідності й пористості.

Отримано кількісні значення й вивчений механізм рафінування зміцненої поверхні від неметалічних включень при обробці дугою.

На дослідних партіях виконано промислове випробування дугорозрядного зміцнення деталей коксохімічного обладнання: молотків вугільних дробарок і зірочок косових грохотів “грізлі”. Очікуваний річний економічний ефект для умов об'єднання “Донецьккокс” становить 121,8 тис. грн.

У дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача по встановленню закономірностей структуроутворення при зміцненні сталей і чавунів з використанням дугового розряду, на підставі цього розробці технологічних основ локального зміцнення виробів із залізовуглецевих сплавів, а також по практичному випробуванню дугорозрядного зміцнення на деталях, що працюють в умовах абразивного зносу.

Основні наукові положення і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Аналіз літературних джерел дозволив встановити, що результати багатьох робіт суперечливі і неповні. У публікаціях, присвячених вивченню насичення вуглецем за допомогою дугового розряду, практично відсутня інформація про залежність вмісту вуглецю і структури, від режиму обробки, про вплив типу вуглеграфітових матеріалів електродів на процеси при зміцненні дуговим розрядом. Існує необхідність проведення подальших досліджень у даній області в частині виявлення залежностей структури і властивостей сталей і чавунів від технологічних параметрів обробки, визначення характеру впливу фізичних властивостей матеріалу електродів на вміст вуглецю в зміцненому шарі, визначення найбільш перспективної області застосування дугорозрядного зміцнення.

2. Встановлено, що основними технологічними параметрами, що роблять вплив на структуру і властивості при зміцненні дуговим розрядом, є сила струму і швидкість переміщення дуги (тривалість впливу), схема впливу (пряма чи непряма дуга) полярність і рід струму.

3. Основні особливості структуроутворення при зміцненні дуговим розрядом пов'язані з механізмом насичення поверхні, що зміцнюється, вуглецем: випаром вуглецю з анодної плями вуглеграфітового електрода, переносом вуглецю на поверхню, що зміцнюється, перемішуванням розплавленого металу в ЗО під дією гідродинамічних потоків. Встановлено, що значну роль в цьому механізмі відіграє осадження вуглецевої пари на поверхні з утворенням шару піровуглецю, який екранує поверхню від впливу дуги.

4. Для дуги зворотної полярності в діапазоні струмів 50 – 250 А вміст вуглецю в ЗО змінюється в межах 3-5 % і описується функцією з мінімумом при 125 А. Поява мінімуму зв'язана з утворенням щільної коринки з сажі на поверхні, що екранує зразок від подальшого насичення вуглецем.

5. При обробці з перекриттям зміцнених ділянок, структура і розподіл твердості по зміцненій поверхні залежать від коефіцієнта перекриття зміцнених зон. При ступені перекриття менш 40-50% (коефіцієнт перекриття Кп>0,6-0,5) у зонах перекриття вміст вуглецю і твердість нижче, ніж у центрі зміцнених ділянок. При ступені перекриття більш 50% (коефіцієнт перекриття Кп<0,5) вміст вуглецю і твердість у зонах перекриття стають вище, ніж у центрі зміцнених ділянок.

6. Теплофізичні властивості залізовуглецевих сплавів впливають на розміри зміцнених зон. Із збільшенням вмісту вуглецю в сталях глибина ЗО зростає, що пов'язано зі зниженням температури солідус, а ЗТВ зменшується через зменшення коефіцієнта теплопровідності. Наявність у структурі графітних включень впливає зворотним чином. Глибина ЗО зменшується через гальмівну дію графіту, а ЗТВ збільшується внаслідок його високої теплопровідності.

7. Встановлено, що густина теплового потоку дуги непрямої дії складає (0,6-1,6)*10³ Ут/див² у діапазоні струмів 150-350 А, що недостатньо для практичного використання.

8. У результаті впливу дуговим розрядом зворотної полярності в залежності від хімічного складу сталі в зоні оплавлення формується структура, представлена карбідною евтектикою і перлітом, чи мартенситом і аустенітом. При впливі дуги прямої полярності в зоні оплавлення формується аустеніто-мартенсітна чи троосто-сорбітна структура.

9. Структура ЗТВ низьковуглецевих, низьковуглецевих легованих і середньовуглецевих сталей змінюється, відповідно, від відманштеттової до бейнитної і мартенсітної. Мікротвердість зони оплавлення залежить переважно від вмісту легуючих елементів, а не від вихідного вмісту вуглецю. При підвищенні ступеня легованості сталі твердість зони оплавлення може знижуватися за рахунок збільшення кількості залишкового аустеніту (6400 Н/мм² у сталі 5ХВ2С). Мікротвердість ЗТВ знаходиться в прямої залежності від ступеня легованості стали і від вихідного вмісту вуглецю: вона мінімальна в сталі 20 (1800 Н/мм²) і максимальна в сталі 5ХВ2С (7400 Н/мм²).

10. Підвищення сили струму більш 100 А при обробці чавуну з пластинчастим графітом приводить до різкого погіршення якості поверхні через збирання розплаву в краплі. Причина цього - низька змочуваємість рідким чавуном пластин графіту, що зберігаються на границі з підкладкою. Гаряча прокатка знижує твердість зміцненого шару чавунів унаслідок відпустки і часткової графітизації вибіленого шару.

11. Дугорозрядний вплив супроводжується рафінуванням зони оплавлення сталей від неметалічних включень. При цьому спостерігається зменшення розміру включень і зниження їхньої кількості в 2-4 рази. Основними механізмами рафінування є розчинення включень з наступною дифузією розчинених домішок до поверхні розплаву, а також винос включень, що не розчинилися, у поверхневий шар потоками розплаву.

12. Основними характеристиками матеріалу вуглеграфітових електродів, що роблять вплив на процеси при дугорозрядному зміцненні і на вміст вуглецю в зоні оплавлення, є електричний опір, теплопровідність і пористість. Опір і теплопровідність впливають схожим образом: електричний опір, знижуючи силу струму дуги, знижує температуру анодної плями й кількість вуглецю, що випаровується. Як наслідок, вміст вуглецю в зоні оплавлення знижується. Збільшення теплопровідності супроводжується посиленням відводу тепла від анодної плями електроду, що знижує його температуру і кількість вуглецю, що випаровується. При збільшенні об'ємної частки пір збільшується фактична поверхня анодної плями, що приводить до росту кількості вуглецю, що випарувався.

13. Економічний ефект при зміцненні дуговим розрядом досягається за рахунок збільшення терміну служби виробів, а також за рахунок зниження витрат на здійснення зміцнюючої обробки. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження зміцнення дуговим розрядом деталей коксохімічного устаткування (молотків реверсивних дробарок і зірочок коксових грохотів “грізлі”) в умовах об'єднання “Донецьккокс” складає 121,8 тис. грн. Частка автора в очікуваному економічному ефекті складає 50%.

Публікації автора:

1. Алимов В.И., Крымов В.Н. Поверхностное упрочнение сталей электродуговой плазмой//Зб. наук. праць ДонДТУ. Металургія. Вип. 14. – Донецьк: ДонДТУ, 1999. – С. 137 – 143.

2. Алімов В.І., Кримов В.М., Штихно А.П. Підвищення властивостей швидкорізальних сталей шляхом поверхневої обробки // Физика и техника высоких давлений. – 2003. – Т.13, №1. – С. 139-144.

3. Алімов В.І., Кримов В.М.,Марчук С.І. Структурні зміни при насиченні сталі бором з використанням дугового розряду // Металознавство та обробка металів. – 2003. - №4. – С. 40-44.

4. Алімов В.І., Кримов В.М. Вплив розряду дуги на структуру та властивості твердих сплавів // Металознавство та обробка металів. – 2005, №1. – С. 55-57.

5. Алимов В.И., Крымов В.Н. Поведение неметаллических включений в стальных изделиях при воздействии дугоразрядной плазмы // Металл и литье Украины. – 2002. - № 3-4. – С. 50-52.

6. Алимов В.И., Крымов В.Н. Химико-термическое упрочнение сплавов с использованием плазмы дугового разряда // Сварочное производство. – 2005. – № 5. - С. 51 - 54.

7. Алимов В.И., Крымов В.Н. Анализ процессов при химико-термическом упрочнении стали плазмой дугового разряда//Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні. – Луганськ: Східноукраїнський нац. ун-т ім. В. Даля, 2002. – С. 239-243.

8. Алимов В.И., Крымов В.Н. Особенности фазово-структурных превращений в железных сплавах при воздействии плазмы дугового разряда // Наук. праці Донець. техн. наук. ун-ту. Серія: “Металургія”. Вип. 66. – Донецьк: ДонНТУ, 2003. – С. 82-86.

9. Алимов В.И., Крымов В.Н., Плахов Л.С. Упрочнение сменных деталей коксохимического оборудования электродуговым разрядом//Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2006. - №2. – С. 84-87.

10. Алімов В.І., Кримов В.М., Міщенко І.М. Локальне зміцнення аустенітних сталей електродуговим розрядом//Металознавство та обробка металів. – 2006. - №4. – С. 22-25.

11. Баранов Д.А., Крымов В.Н., Рыжиков А.А. Графитообразование в деформированном высокопрочном чугуне при поверхностной обработке электрической дугой//ФХОМ. – 2006. - №3. – С. 47-52.

12. Крымов В.Н., Алимов В.И. Влияние типа углеграфитовых электродов на процессы упрочнения дуговым разрядом стальных изделий // Сб. материалов 2-й международной конф. “Стратегия качества в промышленности и образовании” Т. 1. – Варна, 2006 г. - С. 364-366.

13. Спосіб насичення вуглецем металевих виробів: Пат. 47034 Украины, МПК С23 С8/20/ В.І. Алімов, М.Т. Єгоров, В.М. Кримов, А.П. Штихно, А.О. Хребтов. - № 2001064372; Заявл. 22.06.2001; Опубл. 15.11.2004, Бюл. №11. – 2 с.

14. Склад обмазки для борування металевих виробів: Пат. України 69016 А, МПК С23С8/00/ В.І. Алімов, В.М. Кримов, Л.С. Плахов, О.О. Осипов. – № 20031110696; Заявл. 26.11.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл. №8. – 2 с.

15. Спосіб поверхневої обробки виробів з чавуну: Пат. України 52054 А, МПК С23С8/00/ В.І. Алімов, М.Т. Єгоров, В.М. Кримов, А.П. Штихно, С.Ф. Рамазанова. – № 2002010646; Заявл. 26.11.2003; Опубл. 16.12.2002, Бюл. №12. – 2 с.

16. Спосіб поверхневої обробки сталевих виробів: Пат. України 42503 А, МПК С23С8/20/ В.І. Алімов, В.М. Кримов, О.М. Беліков. – № 2001031820; Заявл. 20.03.2001; Опубл. 15.10.2001, Бюл. №9. – 2 с.

17. Електродотримач: Пат. України 14189, МПК В23К9/28 / В.М. Кримов. – № u2005 08799; Заявл. 16.09.2005; Опубл. 15.05.2006. Бюл. №5. – 2 с.

Особистий внесок здобувача в опублікованих роботах:

[1] – зроблений аналіз структури сталей, зміцнених дугою непрямої дії, визначені зносо- і корозійна стійкість зміцненої поверхні; [2] – досліджені структура і властивості швидкорізальних сталей, оброблених дуговим розрядом; [3] – виконані експерименти з борування сталі з використанням дугового розряду, вивчені структура і корозійні властивості борованого шару, зроблений аналіз рентгенограм; [4] – вивчена структура і твердість твердих сплавів після впливу дугового розряду, зроблений аналіз рентгенограм, встановлена причина зниження твердості сплавів при впливі дуги прямої полярності; [5] – вивчений вплив дугової обробки на неметалічні включення в сталях, зроблений підрахунок зміни кількісного складу включень, зроблений порівняльний аналіз механізмів рафінування зони оплавлення; [6] – встановлена залежність вмісту вуглецю в зоні оплавлення сталей від сили струму дуги зворотної полярності; [7] – виконаний теоретичний розрахунок густини теплового потоку дуги непрямої дії; [8] – вивчені особливості будови зміцненого шару сталі після впливу прямої дуги; [9] – вивчений характер зносу і розроблена схема зміцнення змінних деталей коксохімічного устаткування; зроблена промислова перевірка дугорозрядного зміцнення на дослідних партіях деталей; [10] – вивчена мікроструктура твердість і зносостійкість в умовах ударно-абразивного зносу зносостійких аустенітних сталей після обробки дуговим розрядом; [11] – виконана електродугова обробка і металографічний аналіз зразків чавуну, проаналізовані особливості структуроутворення зміцненого шару чавунів; [12] – виконаний експериментальний аналіз впливу фізичних властивостей вуглеграфітових електродів на процеси при впливі електродугового розряду і вміст вуглецю в зміцненому шарі; [13-16] – розроблена методика і здійснена експериментальна перевірка істотних ознак винаходів; [17] – розроблена конструкція електродотримача.