Изменения концентрации углерода в поверхностном слое стали в процессе алмазно-искрового шлифования

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 793
С. М. Шевченко ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕРОДА В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ АЛМАЗНО-ИСКРОВОГО ШЛИФОВАНИЯ
Представлены результаты исследования распределения углерода в поверхностном слое углеродистой стали после алмазно-искрового шлифования (АИШ). Проанализированы основные механизмы упрочнения поверхностного белого слоя.
Алмазно-искровое шлифование, белый слой, бесструктурный мартенсит, АИШ-упрочнение, диффузия
S.M. Shevchenko
CONSENTRATION CHANGES OF CARBON IN STEEL COATING SURFACE IN THE PROCESS OF DIAMOND-SPAIK GRINDING
This paper presents findings of carbon distribution in coating surface after diamond — spark grinding (DSG). The main mechanisms of surface white layer hardening are analyzed.
Diamond-spark grinding, white layer, structureless martensite, DSG-hardening, diffusion
В работе представлены результаты исследования характера распределения важнейшей характеристики, определяющей прочность и износостойкость стальных деталей, — концентрации углерода в поверхностном слое стали в процессе АИШ-упрочнения.
В качестве модели привлекалась наиболее структурно чувствительная углеродистая сталь У12 в состоянии после закалки и низкого отпуска и прошлифованной АИШ по наиболее теплонапряженному режиму.
Исследование распределения содержания углерода по глубине поверхностного слоя стали У12 проводилось на растровом электронном микроскопе путём прямого замера величины импульса, отраженного от определенной точки поверхностного слоя. Содержание углерода определялось по величине импульса в сравнении с эталоном, представляющим собой чистый графит. Микроструктура проанализированного участка представлена на рис. 1. По данным расчета содержания и распределения углерода по точкам, расположенным в различных участках поверхностного слоя по сечению образца стали У12 после АИШ, построен график распределения углерода по глубине (рис. 2).
Как уже ранее было установлено [1], структура и свойства поверхностного слоя углеродистых сталей после АИШ-упрочнения делится на три основные зоны (рис. 1а.):
1) зона белого слоя высокой твердости, состоящая из бесструктурного мартенсита-
2) зона темной, отпущенной структуры тростита с пониженной твердостью-
3) зона структуры троосто-мартенсита, переходная зона к структуре основного металла (мартенсит отпуска + карбиды).
По характеру распределения твердости и концентрации углерода по глубине поверхностного слоя, отмечается крайняя неравномерность. Концентрация углерода стали У12 на глубине 110 мкм и дальше в глубь образца соответствует 1,2% углерода, что подтверждает корректность данного исследования. На самой поверхности образца содержание углерода соответствует максимальному значению до 7,1% на глубине 6,4 мкм. На глубине 10 мкм концентрация углерода составляет 3,2%, а на глубине 20 мкм — 1,5%. При этом в микроструктуре белого слоя практически не отмечается наличие карбидов цементита по причине их растворения и перехода в твердый раствор.
а х 1000 б х 1700
Рис. 1. Поверхностный слой стали У12 после алмазно — искрового шлифования: а — общий вид упрочненного поверхностного слоя- б — зона диффузионного насыщения углеродом поверхности белого слоя (гладкий участок)
Рис. 2. Содержание углерода по глубине поверхностного слоя стали У12 после алмазно-искрового шлифования
При импульсном высокоскоростном нагреве, характерном для АИШ, весь углерод переходит в матрицу (у) твердого раствора. Пересыщенное состояние фиксируется при интенсивном охлаждении, происходят упрочнение, закалка поверхностного слоя стали.
Далее по глубине концентрация углерода понижается относительно своего исходного значения 1,2% и достигает минимального значения 0,58% на глубине 83 мкм. По-видимому, данный участок образца служит поставщиком дополнительного углерода для близлежащих участков, имеющих повышенную его концентрацию. Данное предположение подтверждается последующим резким скачком повышения концентрации до 1,8%, на глубине 92 мкм. На глубине свыше 100 мкм содержание углерода соответствует своему исходному значению 1,2%.
Глубина белого слоя в данном образце 65 — 70 мкм. Поверхностный слой значительно пересыщен углеродом на глубине до 20 мкм. Причина такой высокой концентрации — диффузия углерода из углеродосодержащей среды обработки [2−4], в рассматриваемом случае средой служит алмазный круг. В других случаях средой может быть углеродосодержащая СОЖ, углеродосодержащая бакелитовая связка [5], чугунные доводочные диски [6, 7] и др. Таким образом, поверхностный слой обогащен углеродом по механизму его диффузионного насыщения, это явление носит название «трибоцементация», которое ввел проф. В.Г. Кура-нов [6, 7].
Характер распределения твердости иллюстрируется на рис. 3.

15 000 13 000- 11 000 9000- М0





Рис. 3. Микротвердость стали У12 после АИШ
Твердость зоны упрочнения составляет 13 800 МПа (И = 20 мкм). По глубине поверхностного слоя концентрация углерода понижается, а твердость остается высокой 13 700 —
13 000 МПа (И = 40 — 65 мкм). Значит, здесь действует другой механизм упрочнения. По общепринятому мнению [8−10], высокие значения твердости объясняются крайней дисперсностью структуры, измельчением зерна вплоть до аморфного состояния и практически полного растворения карбидов. Именно здесь формируется структура белого слоя — бесструктурный мартенсит.
Второй скачок повышения концентрации углерода находится под или ниже структуры, которая определяется как структура отпуска: троосто-мартенсит с твердостью 7000 -7500 МПа. В интервале этого участка не наблюдается наличие карбидов цементита. Эта зона соответствует минимальному содержанию углерода (см. график на рис. 2), отдающая (поставляющая) углерод для близ лежащих участков. Отсюда последующий второй скачок концентрации (до 1,8%), которому соответствует на микроструктуре зона с крупными карбидами цементита, их размеры значительно больше, чем карбиды, находящиеся в исходной структуре (сердцевине). Таким образом, коагуляция карбидов происходит за счет диффузии углерода из выше находящихся участков образца. Твердость этой зоны с крупными карбидами порядка 7500 — 7700 МПа. На глубине свыше 100 мкм, значение твердости изменяется, постепенно приближаясь к исходному значению 9000 МПа, концентрация углерода данного участка соответствует своему исходному значению 1,2%.
Выводы
1. Значительное повышение твердости поверхностного упрочненного слоя стали У12 на глубине до 10−15 мкм обусловлено диффузией углерода из алмазного круга (трибоцемен-тацией).
2. Высокие значения твердости поверхностного слоя на глубине более 15 мкм объясняются другими механизмами упрочнения: увеличением микродеформации (несовершенств кристаллического строения) и дисперсности структуры, а также диффузией из нижележащих слоев образца.
3. Полученные результаты для модельной стали У12 можно распространить на все углеродистые стали, обработанные методом АИШ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Импульсное упрочнение стали в процессе алмазно-искрового шлифования / Н. А. Погребной, С. М. Шевченко, С. А. Дитиненко, Ю. Г. Гуцаленко // Резание и инструмент в технологических системах: сб. ст. Харьков: НТУ «ХПИ», 2005. Вып 68. С. 323−327.
2. Семко М. Ф. О физико-механическом взаимодействии алмаза с обработанными инструментами / М. Ф. Семко, А. И. Грабченко // Станки и режущие инструменты: сб. ст. Харьков: ХГУ, 1969. Вып. 10. С. 103−108.
3. Ножнина А. В. Сущность взаимодействия алмаза с металлами / А. В. Ножнина, В. Н. Костиков, М. А. Маурах // Теория и практика алмазной обработки: М.: НИИМАШ, 1969. Вып 10. С. 19−25.
4. Фукс М. Я. Состояние поверхностного слоя материалов после алмазной и эльборовой обработки / М. Я. Фукс, Н. К. Беззубенко, Б. Н. Свердлова. Киев: Вища школа, 1979. 160 с.
5. Беззубенко Н. К. Повышение эффективности алмазного шлифования путем введения в зону обработки дополнительной энергии в форме электрических разрядов: дис… д-ра техн. наук / Н. К. Беззубенко. Харьков: ХГПУ, 1995. 200 с.
6. Влияние среды и свойств материалов на упрочняющее действие и активацию процессов при пластической деформации и трении / В. Г. Куранов, А. Н. Виноградов, А. В. Бузов, Ю. А. Петров, В. А. Каракозова // МЕТАЛЛДЕФОРМ'99: сб. материалов 1-й Междунар. науч. -техн. конф. Самара, 1999. С. 122−126.
7. Куранов В. Г. Движение без трения и износа: учеб. пособие / В. Г. Куранов, А. Н. Виноградов. Саратов: СГТУ, 2007. 49 с.
8. Дьяченко С. С. Физические основы прочности металлов / С. С. Дьяченко, В.Б. Рабу-хин. Харьков: Изд-во при Харьковском государственном университете издательского объединения «Вища школа», 1982. 199 с.
9. Палатник Л. С. Структура и динамическая долговечность сталей в условиях тяжелого нагружения / Л. С. Палатник, Т. М. Равицкая, Е. Л. Островская. Челябинск: Металлургия, Челяб. отд-ние, 1988. 160 с.
10. Кудлай А. С. Перераспределение углерода в микрообъемах стали под влиянием импульсов фазовых напряжений / А. С. Кудлай, Ж. А. Дементьева // Металознавство та обробка металів. 2006. № 3. С. 24−28.
Шевченко Светлана Михайловна —
ассистент кафедры «Материаловедение»
Харьковского Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», соискатель кафедры «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 11. 05. 2011, принята к опубликованию 246. 06. 2011
Shevchenko Svetlana Michailovna —
Assistant of the Department of «Material authority» of National Technical University «Kharkiv polytechnical institute», seeker of the Department of «Automated Production Processes» of Volgograd State Technical University

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой