Управление поверхностной закалкой кольцевых участков стали 20Х13 при обработке трением с перемешиванием : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.09

Эксплуатационные свойства деталей
трибосопряжений, работающих в условиях высоких контактных давлений, в значительной степени определяются свойствами поверхностного слоя. Существуют два подхода к поверхностному упрочнению сталей. Первый основан на наращивании нового слоя наплавкой или нанесением покрытия. Второй предполагает модификацию поверхностного слоя без намеренного увеличения размеров детали за счет применения методов диффузионной или селективной (трансформационной) закалки. Наиболее распространенными методами селективной закалки в настоящее время являются плазменная и лазерная.
Поверхностная закалка сталей в процессе обработки трением с перемешиванием (далее ОТП, в зарубежной литературе FSP – Friction Stir Processing) имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, ОТП может быть одним из переходов многоцелевой обработки деталей трибосопряжений на станках с ЧПУ. Во-вторых, предлагаемая технология поверхностного упрочнения является экологически чистой и энергосберегающей.
Существует множество высокоточных деталей трибосопряжений с кольцевыми уплотнительными поверхностями, которые могут быть упрочнены закалкой в процессе обработки трением с перемешиванием на современных обрабатывающих центрах. Примером этих деталей могут быть запорные органы клиновых и шиберных задвижек, подшипники скольжения и др.
В настоящее время теоретических исследований в области управления поверхностной закалкой кольцевых участков методом ОТП практически не существует. Отсутствуют сведения о совокупном влиянии параметров нормальной силы, коэффициента трения, скоростей вращения и подачи, а также траектории движения инструмента на термический цикл закалки и формирование твердости и структуры в поверхностном слое сталей. Таким образом, научное обоснование управления поверхностной закалкой при ОТП
6
ограниченных кольцевых участков стали 20Х13, вовлеченных в
трибологический контакт, является актуальным.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам теории и
конечно-элементного моделирования (КЭМ) селективной поверхностной закалки с применением лазерного и плазменного теплового воздействия посвящены работы отечественных и зарубежных ученых – Григорьянца А.С., Майорова В.С., Короткова В.А., Сафонова Е.Н, Kovacevic R., Hyungson Ki, Sangwoo So, Campana G., Mazumder J., Mahmoudi B. и др., в которых подробно исследована взаимосвязь технологических параметров процессов с термическим циклом и формированием структуры и свойств упрочняемых сталей и сплавов при одно- и многопроходной обработке.
Впервые вопросы закалки в процессе ОТП поверхностного слоя рассмотрены в работе S. Dodds применительно к стали AISI 420. Дальнейшие исследования фрикционной закалки выполнены Lorenzo-Martin C. и Ajayi O., которые выявили ее механизмы: измельчение зерна и повышенная растворимость углерода. Показано, что применительно к стали AISI 4140 происходит быстрый нагрев до температуры 1000°С и более, при этом температура инструмента достигает 940…1000 °С. После прохождения инструментом участка поверхности происходит быстрое охлаждение и аустенит переходит в гораздо более твердую мартенситную фазу. Однако теоретического подхода к управлению поверхностной закалкой сталей во взаимосвязи с технологическими параметрами процесса и коэффициентом трения, а также траекторией движения инструмента не существует.
Цель диссертационной работы: научное обоснование поверхностной закалки и обеспечения равномерной твердости кольцевых участков при ОТП изделий из стали 20Х13 цилиндрическим твердосплавным инструментом с плоским торцом на основе КЭМ и экспериментальных исследований процесса.
Задачи исследования:
1 Разработать обобщенную модель управления поверхностной закалкой конструкционных материалов в процессе однопроходной ОТП и обосновать

7
траектории движения твердосплавного инструмента с плоским торцом и метод
охлаждения заготовки для уменьшения влияния объемного нагрева при упрочнении кольцевых участков.
2 Установить взаимосвязь температуры нагрева, времени аустенизации и скорости охлаждения стали 20Х13 с технологическими параметрами процесса ОТП и коэффициентом трения методом конечно-элементного моделирования.
3 Выполнить экспериментальные исследования влияния технологических параметров и коэффициента трения на эволюцию термического цикла поверхностной закалки, микротвердость, микроструктуру и толщину упрочненного слоя в процессе однопроходной ОТП и сравнить с результатами конечно-элементного моделирования.
4 Исследовать распределение твердости в кольцевых участках стали 20Х13 после ОТП с движением инструмента по концентрическим окружностям и веерной траектории.
5 Определить влияние охлаждения заготовки в процессе ОТП кольцевого участка стали 20Х13 по веерной траектории на изменение микроструктуры и микротвердости по глубине поверхностного слоя и равномерность ее распределения по ширине участка.
Научная новизна:
– впервые разработаны конечно-элементные модели процесса ОТП стали 20Х13 твердосплавным цилиндрическим инструментом с плоским торцом, позволяющие управлять поверхностной закалкой на основе определения взаимосвязи температурно-временных параметров термического цикла с технологическими параметрами процесса и коэффициентом трения;
– показана возможность определения методом конечно-элементного моделирования процесса ОТП оптимальной механической нагрузки (нормальной силы и частоты вращения инструмента) при различных коэффициентах трения по критерию достижения температуры 1050…1100 °С, которая благоприятна для аустенизации стали 20Х13 и поддержания стойкости твердосплавного WC-Co инструмента;

8
– научно обоснована поверхностная закалка кольцевого участка стали
20Х13 в процессе ОТП при движении твердосплавного инструмента с плоским торцом по веерной траектории, которая обеспечивает стабильный нагрев обрабатываемого материала с температурой от AC3 до 1050 °С и равномерную твердость в пределах ширины участка;
– создана экспериментальная установка и выявлено, что стабилизация величины коэффициента трения в процессе ОТП на этапе предварительного нагрева твердосплавного инструмента и стали 20Х13 до температуры 1050 °С определяется временем разогрева и частотой вращения инструмента при заданной нормальной силе;
– впервые установлено, что характер циклического нагрева материала при поверхностной закалке в процессе ОТП кольцевого участка с веерной траекторией движения инструмента оказывает определяющее влияние на протекание процессов аустенизации, мартенситного превращения и распределения твердости по ширине участка.
Теоретическая значимость работы. Результаты диссертационной работы вносят существенный вклад в развитие материаловедческих основ процесса ОТП, заключающийся в научном обосновании поверхностной закалки. На основе разработанного теоретического подхода к управлению термическим циклом закалки в процессе ОТП и применения полученных результатов КЭМ, прогнозирования диффузии углерода и экспериментальных исследований могут быть определены оптимальные параметры термомеханического воздействия твердосплавным инструментом с плоским торцом на обрабатываемый материал, глубина упрочнения и равномерность твердости в ограниченном кольцевом участке.
Практическая значимость. Разработанный метод управления закалкой в процессе ОТП кольцевых уплотнительных поверхностей трибосопряжений клиньев и шиберов задвижек позволяет исключить дорогостоящие технологии наплавки. Полученные результаты могут быть использованы на предприятиях арматуростроения и нефтегазового машиностроения, в подшипниковой

9
промышленности, а также в образовательном процессе высших учебных
заведений по направлению подготовки «Материаловедение и технологии материалов».
Методология и методы исследований. В качестве методологической основы использованы труды отечественных и зарубежных ученых, указанные в диссертации. Для изучения процесса поверхностной закалки применялись методы КЭМ и экспериментальных исследований с использованием современного технологического и измерительного оборудования. Для изучения эволюции микроструктуры и свойств поверхностного слоя использован комплекс методов исследований: растровая (РЭМ) и просвечивающая (ПЭМ) электронная микроскопия, рентгено-структурный анализ, микродюрометрия и трибометрия.
Положения, выносимые на защиту:
1 Стадийность поверхностной закалки, включающая предварительный разогрев инструмента и обрабатываемого материала до достижения температуры 1050…1100 °С с продолжительностью до стабилизации величины коэффициента трения, и высокоскоростной термический цикл закалки при оптимальной подаче инструмента.
2 Результаты конечно-элементного моделирования эволюции термических циклов закалки стали по глубине поверхностного слоя при изменении подачи и коэффициента трения в контакте твердосплавного инструмента.
3 Методы экспериментального исследования и определения динамики изменения коэффициента трения на этапе разогрева и температуры в контактной зоне и на глубине 0,5 мм от поверхности на этапах аустенизации и охлаждения стали 20Х13.
4 Анализ распределения микротвердости по ширине кольцевого участка и глубине упрочняемого слоя.
Достоверность результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач с использованием апробированных методов

10
моделирования и экспериментальных исследований, аттестованных средств
измерения, применением статистических методов обработки данных, непротиворечивостью полученных и приведенных в литературе результатов поверхностной закалки стали 20Х13.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 5-ти конференциях, в том числе на V Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Томск, 2016 г.), VI Международной научно- технической конференции «Высокие технологии в науке и технике» (Томск, 2016 г.), IV Международном технологическом форуме «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2017 г.), XIX Международной научно- технической Уральской школе-семинаре металловедов – молодых ученых (Екатеринбург, 2018 г.), XXV Уральской школе металловедов-термистов (Екатеринбург, 2020 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 3 статьи в журналах, индексируемых в базе данных Scopus, 6 публикаций в сборниках трудов научно-технических конференций различного уровня, 2 патента РФ на изобретение и полезную модель.
Личный вклад автора состоит в формулировании методологического подхода к управлению поверхностной закалкой в процессе ОТП; подготовке образцов, планировании и проведении экспериментальных исследований процесса, структуры и свойств упрочненного поверхностного слоя; сопоставлении полученных результатов с литературными данными; обобщении результатов моделирования и экспериментов; формулировании основных научных положений и выводов; подготовке и написании публикаций и патентов.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ No 15-08- 01511А и в рамках реализации совместных исследований ООО «Предприятие «Сенсор» и кафедры «Термообработка и физика металлов» ФГАОУ ВО

11
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.
Ельцина».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
пяти разделов, заключения, списка цитируемой литературы из 54-х источников и 6-ти приложений. Работа изложена на 169 страницах, содержит 100 рисунков и 15 таблиц.