Моделирование процессов тепло- и энергообмена при высокочастотной импульсной закалке стали тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

^ Щукин Владимир Германович >/

ч . _________

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И ЭНЕРГООБМЕНА ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЗАКАЛКЕ СТАЛИ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 1995

Работа выполнена в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской Академии наук.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Марусин В.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Черепанов А.Н.

доктор технических наук, профессор Ноговицын Б.Ф.

Ведущая организация: Институт ядерной физики Сибирского отделения Российской Академии наук

Защита состоится 1995 года в часов

на заседании Диссертационного совета К.002.65.01. Института теплофизики СО РАН.

630090, г. Новосибирск, пр.Акад. Лаврентьева, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институт? теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан "/¿7" Л1995 г.

Ярыгин В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Упрочнение поверхности деталей машин и механизмов обработкой их высококонцентрированными потоками энергии широко распространено в современных технологических процессах. Одним из таких основных методов является высокочастотная импульсная закалка. Именно разработка импульсных источников электромагнитной энергии (мощностью -10 кВт и выше; с частотой -10-500 кГц) в сочетании с новыми (локальными) способами нагрева, обеспечивающими энерговклад порядка 10-100 кВт/смг , обусловили повышенное внимание к ВЧ-закалке, начиная с конца 70х г.г. Высокая эффективность и универсальность метода высокочастотной импульсной закалки (ВИЗ) определяется ее следующими принципиальными особенностями:

1) энергетическому воздействию подвергается только часть материала;

2) исчезает необходимость во внешней закалочной среде в связи с переходом в режим автозакалки;

3) объемный характер выделения тепла с высокой удельной мощностью позволяет вести закалку с температур, близких к точке плавления сплава, что ведет к дополнительному (помимо мартенситообразования) улучшению как прочностных, так и вязких свойств поверхностного слоя (ПС) за счет уменьшения размеров зерен;

4) нетребовательность к состоянию поверхности -отсутствует эффект отражения (в отличие, например, от лазерной закалки);

5) из-за кратковременности воздействия (длительность импульса ~ 10"6-10"1 с ) отсутствуют отжиговые последствия;

6) высокая производительность; легкость автоматизации. Теоретические проблемы, связанные с предсказанием свойств закаленных слоев и расчетом их характеристик, развиты недостаточно. Большинство современных исследований закалки стали (как и других сплавов) с нагрева высокочастотным импульсом посвящено технологическим и материаловедческим аспектам проблемы. Основное внимание при теоретических исследованиях электромагнитной и тепловой частей проблемы уделяется обычным схемам индукционного нагрева, обладающим цилиндрической симметрией и характеризующимся относительно низкими значениями объемной плотности энерговыделения.

В связи с этил представляется необходимым проведение исследований по математическому моделированию, согласованным образом охватывающим основные аспекты тепло- и энергообмена и ряда других процессов при нагреве ВЧ-импульсом с последующим охлаждением (закалкой) , а также исследований по экспериментальному совершенствованию процесса ВИЗ в целом.

Цель работы заключалась в построении математических моделей нагрева (плавления) и охлаждения (кристаллизации) поверхностных слоев углеродистых сталей при воздействии на них мощных импульсов (порядка десятков киловатт) электромагнитного поля с частотой 0,440 МГц ;

- в регрессионном моделировании процесса ВИЗ стальных образцов;

- в экспериментальном исследовании процесса ВИЗ на примере стали 45.

Научная новизна. Разработана физико-математическая модель, включающая в себя уравнения неравновесной двухфазной зоны, и проведено численное исследование процесса закалки стали с нагрева одиночным импульсом.

Предложена аппроксимация временной зависимости структурного параметра двухфазной зоны в нестационарных условиях плавления-кристаллизации. Определены характерные длительности ВЧ-им-пульса для нагрева ПС стали с неоднородными и нестационарными свойствами. Определены предельно достижимые степени диспергирования дендритных систем, образующихся при различных режимах обработки (в координатах длительность-удельная мощность импульса).

Сформулирована физико-математическая модель нагрева ПС стали с начальной феррито-перлитной структурой, включающая в себя основные процессы твердофазных превращений в нем.

Показано, что существует критический уровень удельного энергопотока, выше которого процесс нагрева ПС близок к адиабатическому.

Разработаны и применены на практике методика высокочастотных калориметрических измерений удельного энерговклада ВЧ-импульса в зоне термического воздействия и методика расчета динамики температуры поверхности на основе регистрации оптического излучения.

Практическое значение работы. Полученные в работе результаты представляют интерес как для теории, так и для практики упрочнения углеродистых сталей. Разработка и численное исследование мо-

делей ВЦ-обработки углеродистых сталей типа Ст 45 позволяют в широком диапазоне внешних условий определять значения выходных параметров, управляющих качеством закалки (время нахождения любого сечения ПС выше определенной температуры;, дисперсность ПС при кристаллизации из расплава и др.), т.е. уровнен конструктивной прочности получаемого изделия, оптимизировать процесс в целом.

Непосредственный практический интерес представляют полученные' в работе результаты применения методик калориметрических и оптических измерений динамики нагрева-охлаждения поверхности. Проведенные в диссертационной работе исследования использованы в . разработках технологии ВЧ-импульсного упрочнения стальных деталей и изделий, проведенных в Институте , теплофизики СО РАН, и . нашли практическое применение на ряде промышленных, предприятий России.

Вьмосятся на' защиту:

- модели ВЧ-имлульсной закалки стали в приближении сплошной среды, позволяющие рассчитывать как тепловые, так и структурно-фазовые процессы в зоне воздействия ВЧ-импульса;

- утверждения о том,ч что эти модели дают количественное описа-. ние: • • ■ ;

а) процесса нагрева поверхностного слоя стали мощными им. пульсами до произвольной температуры вплоть до точки ликвидуса и процесса охлаждения с этой температуры и затвердевания слоя с учетом формирования неравновесной двухфазной зоны; , -

б) зависимости динамики параметра дисперсности кристалличес- " кой структуры от величины удельного.энергопотока и свойств сплава (значений коэффициентов переноса, констант скоростей роста и-плавления частиц различных фаз);

- метод восстановления температуры поверхности по данным оптического излучения зоны термического воздействия;

- обобщенная модель цикла нагрева-охлаждения поверхностного

. слоя сплава Ге-С,- принимающая во внимание конечные скорости

фазовых превращений в нем при температуре ниже точки эвтектики. . . -•

Вклад автора.Автору принадлежит разработка и численное исследование математических моделей,- интерпретация полученных расчетных и обработка экспериментальных результатов.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Кристаллизация и компьютерные модели" (г.Ижевск, 1990), на региональном семинаре "Новые технологии и научные разработки в энергетике" (г.Новосибирск, 1994), на семинарах отдела плазменной динамики и на институтском семинаре Института теплофизики СО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы; содержит 143 страницы машинописного текста, в том числе 22 рисунка и 12 таблиц. Список литературы включает 116 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы исследования; сформулированы цель и задачи исследования; положения, выносимые на защиту. »

В первой главе представлен обзор литературных данных по тепловым, электромагнитным и структурно-фазовым процессам, протекающим в углеродистых сталях при их обработке в высокочастотных электромагнитных полях, и их математическому описанию. Приведен подробный критический анализ существующих математических моделей индукционных систем. Выявлено, что с точки зрения геометрии большинство известных к настоящему времени моделей ВЧ-нагрева относятся к классу осесимметричных либо плоских моделей. Недостаточно развиты модели, которые учитывали бы реальную неоднородность и нестационарность свойств элементов индукционной системы при геометрии последней, отличной от цилиндрической. В частности, необходимость учета ферромагнетизма среды не позволяет непосредственно рапрост-ранить интегральные методы расчета на системы с большими диапазонами изменения температуры и ее градиентов. По этой же причине не пригодны модели, основанные на постоянстве толщины и других параметров скин-слоя. Сложность поставленных задач приводит к тому, что в известных из литературы работах решена либо задача определения стационарного распределения электромагнитного поля в систе-

ме с ферромагнитными деталями, либо диффузионная задача относительно магнитного потока без учета ферромагнитного перехода.

На основании проведенного анализа и обобщения литературных данных отобраны наиболее разработанные феноменологические модели фазовых и структурных превращений в углеродистых сталях. Проанализированы как микромодели, рассматривающие процессы на уровне элементарного объема матрицы сплава, так и макромодели, основанные на осреднении по элементарному объему феноменологических уравнений переноса тепла и массы отдельных компонентов сплава, уравнений кинетики роста фаз и др., т.е. без явного выделения межфазовых границ раздела. На основе проведенного анализа сделан вывод о достаточно полной разработке моделей фазовых превращений в углеродистой стали при нагреве по известным механизмам этих превращений и низкоскоростной кинетике нагрева. В то же время исследования по совместному численному моделированию процесса нагрева и охлаждения сплавов весьма малочисленны; кристаллизационные процессы почти не находят своего отражения в математических моделях термической обработки стали.

В заключении главы I сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методик обсчета экспериментальных данных.. Отработка метода ВИЗ проводилась с использованием стандартного высокочастотного генератора марки ВЧГ-60/0,44 с выходной мощностью 60 кВт и рабочей частотой 440 кГц. Перевод генератора в режим непрерывно-импульсной работы осуществлялся путем манипуляции по сетке генераторной лампы специально разработанным блоком. Индукторы изготавливались из отожженных медных трубок диаметром 6-10 мм. Общим для всех конструкций индуктора являлись закрепленные на его рабочей части ферритовые магнитопроводы (концентраторы энергии). Основные эксперименты проведены на образцах из стали 45 различной формы -пластинах,, брусках, цилиндрах, стержнях.

Измерение плотности энерговыделения за импульс (Зуд проводилось с помощью дифференциального калориметра, состоящего из двух ячеек (рабочей и ячейки сравнения), дифференцирующего блока, цифрового вольтметра и осциллографа. Надежность калориметрических измерений оказалась достаточно высокой - погрешность не превышала 5%.

Физико-механические, свойства поверхности после ее,высокочастотной импульсной закалки изучались методом шлифов (нормальных и косых, под углом 5?). .Измерение микротвердостй велось на приборе ПМТ-З, твердости - на приборе Супер-Роквелла типа.ТЮММ при нагрузке 30- кГ. Микроструктура шлифов изучалась с применением микроскопа "Неофбт". , . • ■

В.ряде' экспериментов с помощью модифицированного оптического регулятора температуры 0РТ-1М фиксировалась временная развертка излучения от зоны термического воздействия за время импульсов и пауз между ними. Данные измерения'характеризуются низкой инерционностью. Сигнал регистрировался запоминающим осциллографом С1-8 в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Преобразование полу-' ченных временных разверток, соответствующих интегральному излуча-тельному потоку от, зоны термического воздействия, в зависимость для температуры поверхности этой зоны производилось с учетом температурной. зависимости для интегральной излучательной способности металла-сплава'и неизотермичности зоны. ' . -

Третья Улава посвящена разработке математических моделей тепло- и энергообмена в поверхностных слоях стали при ее обработке в ВЧ-полях при различных степенях учета процессов структурно-фазовых превращений в них," а также обсуждению результатов численных расчетов.- 1 .

Одномерная модель нагрева полуограниченного проводника пакетом ВЧ-импульсов постоянной амплитуды (включающая в себя нестационарное уравнение теплопроводности с зависящими от температуры коэффициентами и членом-источником тепла за счет диссипации энергии электромагнитного поля;уравнение.относительно действующего значения напряженности магнитного поля) применялась для расчета температурных полей и временных* характеристик нагрева-охлаждения/ Граничное значение для эффективной напряженности магнитного поля Н5 определялось исходя из измеряемой калориметрически средней величины удельного энергопотока *М1удЛ;И11П-:' ' И = 2 /0 и:р{Т) • ш- д0 • , Т> /210 •5 , В теплообмене с окружающей, средой учитывались как конвективные, так и излучательные потери. Последние определялись посредством приближения двух концентрических сфер для расчёта эффективной

излучательной способности системы индуктор-магнитопровод-образец. Коэффициент теплоотдачи определялся исходя из критерия Нуссельта для естественно-конвективного охлаждения горизонтальной пластины с нагреваемой верхней поверхностью.

Численные исследования конечно-разностной аппроксимации этой модели с использованием неявной схемы по методу прогонки в диапазоне W=10-60 кВт/см2 (f=0,44 кГц) показали, что интервал длительностей ВЧ-импульса,за который поверхность достигает точки плавления железа, составляет от -200 до -30 мс. Глубина проникновения поля при максимальном прогреве практически не зависит от W и составляет величину порядка 1,7 мм (рис. 1а). При этом с ростом W наблюдается большая неоднородность в степени прогрева стали между ее приповерхностными и глубинными слоями, что говорит о наличии критической величины удельного энергопотока, выше которого процесс нагрева приближается к адиабатическому.

Расчет динамики скоростей нагрева и охлаждения в различных сечениях стали показал, что в пространстве от поверхности до глубины максимального проникновения поля |V] - 103-10 К/с, значительно изменяясь как по толщине слоя, так и со временем. Показано, что подобных значений достаточно, чтобы обеспечить в процессе охлаждения получение закаленных (мартенситных) структур.

Процессы структурообразования, проходящие при нагреве стали до температур выше точки эвтектики, исследовались далее с помощью модели неравновесной двухфазной области. Основная система уравнений, описьюающих тепло-, энерго- и массообмен в двухфазной области как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения, следующая:

к (т) ср (т) ai/at=a а (т) зт/зх]/ах+б (t-tH) э [ р (т) анд/ах]/ax¿

± ycn^paf/at ;

d[p(T)dñ/dx]/dx = jco^/ННд.Т) Н ; (1)

3f/at =3nKt fn/(ntl) (x,t) AT(x,t)/d^(t) - 2f dlnclj (t)/dt; dxF/dt = KFATF(t) ;

где под f понимается поверхностная (n=l), либо объемная (п=2) доля образующейся фазы: на стадии нагрева это сечение фазы расплава, ДТ=Т(х,t)-Tsol(х,t); при охлаждении - сечение твердой фазы, ДТ= Tllq(x,t)-T(x,t). Система (1) замыкается полуэмпирическим

уравнением относительно параметра структуры - среднего по двухфазной области расстояния между частицами новой фазы:

^ ш»^ и,)*^"Ш-с^ <гв>э [1-ехр(-(г-10)/1рел];

(11ст(г)=1.52-|Уга)Г0-2б;|сг(1)|-°-46 ; (2)

и краевыми условиями:Лат/ах|х = 0=а(Т-То)+г*б(Т4-То4) |Хв0.'Т(х,О)=То; Н(0Л)=Н3; Т(соД)=т0; Н(<»д)=0; а также уравнением Шейла для определения точек ликвидуса и солидуса сплава: С(х, и=С0 • ; т11ч(хл)=тПл-А1с(х,г);тзо1(х,г)=тпл-р3с(хд).

Приближение к реальному механизму плавления-кристаллизации в сплаве осуществлялось подбором соотношения констант роста фаз К^ и Кр в тангенциальном и нормальном к фронту направлениям, соответственно. Для железа и ряда углеродистых сталей Кс/Кг=1(Г2-1(Г4, Кр=10"2 (М'Г'-с'1).

Характеристика стадии плавления. Кинетические зависимости для температуры на различном расстоянии от поверхности стального образца и при различных режимах нагрева ШЛнцп) ограничивались моментом достижения температуры поверхности точки плавления железа: Т(0,1ИИП)=ТПД=1812К (рис.16,в). Максимальные значения скорости нагрева Ун возможны при нагреве поверхности до температуры эвтектики; для сплавов Ге-С Теиг=1420К (рис.1г). В зависимости от величины удельной мощности И максимум Ун варьируется в диапазоне от 2-10* до 8-10^ К/с. Это обеспечивает в соответствии с (2) быстрое диспергирование зернистой структуры стали в двухфазной области: <Ц понижается в 4-5 раз, оставаясь затем практически неизменной величиной вплоть до момента отключения импульса (рис.2а). Отсюда следует, что на начальной стадии плавления рост объема расплава на заданном расстоянии от границы образца происходит за счет возникновения новых центров расплава, а на поздней стадии - за счет роста "старых" центров. В соответствии с этим кривые распределения доли твердой фазы Г® по глубине (рис.2в) имеют немонотонный характер. Максимальная протяженность двухфазной области, которая локализована между поверхностью ликвидуса сплава (для Ст45 Т^ =1760 К) и положением изотерм Т=1650-1700К. сокращается от 0,7 до 0,4 мм с повышением V от 20 до 40 кВт/см2.

Расчетная зависимость для ^(И) - длительности ВЧ-импульса,

необходимого для нагрева поверхности до температуры плавления Тп/1 при Ш=сопз1,аппроксимируется прямой в логарифмических координатах: 1;пл[с] = 4.70-105-ИСкВт/см2]-0'8 ± 210"3 . (3)

Отклонение расчетных значений для 1пл от (3) "книзу" (рис.26) при И>40 кВт/см2 связано с понижением вклада в теплоперенос кон-.дуктивного теплообмена. Таким образом, в реализуемом на практике метода ВИЗ диапазоне И=(1-10>*10е Вт-м-2 необходимые для обеспечения режима закажи с подплава длительности ВЧ-импульса (Г=440 кГц) составляют от -300 до -30 мс.

Характеристика стадии кристаллизации. В начальный период после отключения импульса (Ц^,,) охлаждение ПС стали протекает с заметно отличающимися на разных глубинах скоростями Уом'-Уохл |х=0/Уохл )х=0, 4мм - 2 при 1Я=20 кВт/см2; при повышении И до 40 кВт/см2 это отношение возрастает до -5 (рис.1г). Имеет место разогрев внутренних областей благодаря кондуктивному отводу тепла, запасенного за время Время, необходимое для полкой кристаллизации двухфазной области, составляет по порядку величины -50% от времени ее формирования. В соответствии с этим изменяются по сравнению со стадией плавления профили распределения Гв(х) -формируется довольно резко обрисованная граница раздела расп-*лав-твердое, вблизи которой (со стороны расплава) находятся мелкие "кристаллиты": ^0,02 (рис.2г).

Структура ПС стали при 1НИИЛ претерпевает незначительные изменения (рис.2а): сЦ понижается с 3-3,5 мкм до 2-3 мкм, т.е. доля объемного зародышеобразования твердой фазы в исследуемом диапазоне скоростей охлаждения и К4/КР=10"^ мала по сравнению с процессами роста отдельных блоков, субзерен и т.д., образующих переходную область. При относительном торможении процесса роста в тангенциальном направлении по сравнению с движением фронта кристаллизации (К+/Кр=1б"*) наблюдается повышенная степень диспергирования на стадии кристаллизации.

Процесс роста кристаллитов управляется первым членом третьего уравнения (1), пропорциональным ¿Те(х, 0=Т^(х, 0-Т(х,и. Величина переохлаждения д Т{ зависит от величины К^ и Кр. Расчеты показали, что практически на всем протяжении процесса кристаллизации дТ^гсог^ и равна Вследствие этого происходит быстрое плавление оставшихся нерасплавленными зерен стали с концентрацией

О ЮО 200 300 -Ь,мс 1 0 50 100 150 £,мс

Рис.1 Распределение объемной плотности мощности (а; цифры у кри-вых^/Чимп), динамика температуры (б.в) и скорости ее изменения (г) на различном расстоянии от поверхности (цифры у кривых - х в мм) при И=40(6, г) и 20 кВт/см2 (в)

12

различных значениях удельной мощности (кВт/см2) и отношении К^/Кр (К4/Кр=10 -сплошные линии,10 ^-пунктир); зависимости времени нагрева до ТПЛ от удельной мощности (б) и распределения доли твердой фазы по глубине при плавлении (в) и кристаллизации (г;Ш=20-сплошные линии, 40-пунктир; цифры^/аимп)

углерода, равной средней для сплава С0, и быстрая кристаллизация , легкоплавких зон. в которых С2Ст„ а Г2 и дТ8-максимальны. Это и приводит к отмечаемому перелому . профиля распределения Iе:

Поздние стадии охлаждения (ОДимп) характеризуются постепенным переходом к регулярному режиму.* Слои стали, ограниченные поверхностью х=0 и положением изотермы Т~Ю00К (ТгАсО, О^х? 1,2мм, охлаждаются практически с равной скоростью Уохл~(2-3)- 10* К/с (рис. 1г,пунктир). Эти значения достаточно высоки, чтобы в точке мартенситного,перехода (Тт=512К для углеродистых сталей) происходило наиболее полное мартенситообразование,~ обеспечивая повышенную твердость ПС"толщиной ~1,2 мм.

Проведенные расчету позволили выделить режимы обработки стали (длительность ВЧ-импульса и его удельная мощность), необходимы? для получения закаленного слоя толщиной ЬЧй00 Ь £т () >1000К] (рис.3).Область, соответствующая образованию двухфазной зоны,- заштрихована. ,

Методика обработки осциллограмм излучения зоны нагрева, изложенная во второй главе, применялась для получения зависимостей, отображающих динамику нагрева-охлаждения поверхности при Ю=20 и 40 кВт/см2. Было получено удовлетворительное согласие между результатами этого обсчета и данными численных расчетов (рис.16,в; пунктирные кривые), в частности, в интервале времени, соответствующем процессам фазовых переходов. Несколько большая расходимость в области вблизи точки ликвидуса сплава (1£ЛИМП) обусловлено, видимо, эффектом сдвига моментов начала перехода теер-дое-расплав в связи с перераспределением углерода по толщине ПС на стадии нагрева до температуры эвтектики.

В последнем разделе третьей главы исследована концепция двухфазной зоны, распространенная на процессы перехода начальной фер-рито-перлитной структуры углеродистой стали в структуру аустенита ("¡(-фазы). Система уравнений тепло-, энерго- и массообмена (1) дополнялась в этой модели уравнениями диффузии углерода в аустени-те,Су, объемная доля которого равна П. и уравнением роста

9(ПСГ)/аг = 8[ПВ(с^,т)8су/9х]/8х + КШсев ,

= 6КС (П)2/3- (Т - Тр+в.) - 2П(Шн^/<И • (4)

Функция 1Ш=-[(Ссет-С0 )Л;сет]1п(1-С0 /ссет) описывает образо-

14

ВЧ-импульса при различных значениях удельной мощности : 1 - 50, 2 - 40, 3 - 20, 4 - 10 кВт/см2

падающемся цементите (2), доли аустенита (3) по глубине ПС стали в момент времени 1=1 мс при 1/1=20 кВт/см2

вание свободного углерода с концентрацией Cd при распаде цементита с текущей концентрацией углерода Ccem(t); Ca=Ccem°-Cc ern. Характерное время этого процесса tcem. Дополнение уравнения (4) ограничениями на растворимость углерода и краевыми условиями: С"Х(0, t) =Ссem0" [l-exp(-t/tcem)], dC"iKt)/dx=0, П(х,0)=51, C"!((x,0)=52 ; уравнениями материального баланса и соотношениями для кинетики размера зерна аустенита d^ вида (2), позволило получить замкнутую модель, описывающую динамику профиля концентрации углерода по сечению ПС, и, в конечном счете, определяющую моменты перехода твердое-жидкое при заданном уровне энерговыделения в ПС.

На ранней стадии нагрев стали (W=20 кВт см"2, =4 мкм; доли перлита и цементита, соответственно, fp°=75%, fcem°=12%; Kt = 4,5 - 10"6м - с"1 К"1) сопровождается быстрым насыщением частиц аустенита углеродом (рис.4). После достижения предела растворимости углерода в к-фазе рост П ~ Су. Роль диффузии углерода по координате х на ранних стадиях распада цементита незначительна. В рамках модели объясняется экспериментально наблюдаемая резкая граница закаленной области: для этого необходима относительно низкая скорость роста доли fy по сравнению со скоростью насыщения К-фазы углеродом. Таким образом, предложенная модель отображает основные физические закономерности процесса распада феррито-перлитной стали и может служить основой для дальнейших исследований.

Четвертая глава посвящена некоторым вопросам регрессионного моделирования параметров (функций отклика), характеризующих качество упрочненных методом ВИЗ стальных деталей, а именно: толщины слоя h, твердости слоя по Роквеллу HRC, плотности энергопотока W и ряда других, для которых в литературе отсутствуют теоретические либо экспериментальные зависимости. Основными управляющими технологическими параметрами метода ВИЗ являются площадь рабочей поверхности детали, обрабатываемой за импульс , S (S=A 1, Д-ширина рабочей части индуктора, 1- длина ферритового магнитоэкрана); длительность одиночных импульсов t„Mn и паузы между ними tn; величина зазора индуктор-деталь б; скорость относительного передвижения индуктор-деталь V (в экспериментах с прогрессивной закалкой) . Исследовались регрессионные модели второго порядка, включающие и парные взаимодействия:

h(x,b) = Ьд+Ь^-х^Ьг x2 + .. .+bu x1z+b22-xzz+'...

. ...+b12-x, •Х2+Ь1зХ1-Хз+Ъ2зХ2'-Хз+.... (5)

Графические представления некоторых представляющих практический интерес сечений' поверхностей отклика h, (х,bj Hh и h2 (х, b2 )=HRC, полученные по 80 экспериментам при V=0, и по. 46' экспериментам при V>0, приведены.на рис.5 . Модели вида (5) адекватно описывают экспериментальные данные, (в. соответствии с.критерием Фишера). При этом основным фактором, определяющим качество закалки ПС стали при ее обработке одиночными импульсами, служит их длительность, зависимости h и HRC от которой обладают экстремумом при м„5:100 мс, а в модели, учитывающей движение индуктора,-. это относительная длительность импульса Ти-мп'=1ийп/(1нмп+1п) с экстремумом при ^„„«0,33 (tHMn=10Mc). . Это соответствует представлениям о'лимитирующем значении процессов тепло- и энергообмена в ПС стали в ходе образования структуры закалки.

На основе выполненного моделирования было проведено совершенствование технологий ВЧ-импульсной' закалки стальных деталей машин и механизмов. Эти технологии были внедрены на ряде промышленных предприятий, обеспечив высокий экономический эффект (з-д "Сиб-тёкстильмаш", Новосибирск; АО "Булат", Златоуст; и др.). Соответствующие акты, а также текст программы SOLID приведены в при-; ложении. . "

а

(а,в) и его твердости (б,г), полученные при условии У=0 (а, б: длина ФК 1=26,5 мм, ширина зоны закалки Д=4 мм) и М>0 (в, г: У=1,2 см/с, 1=18 мм, А=4 мм, величина зазора 6=0,2 мм)

выводы

.1. Разработана модель нестационарного нагрева полуограниченной проводящей области (сталь) с неоднородными и переменными во времени теплофизическими и магнитными свойствами с объемным источником тепла.

В рамках модели получено аппроксимирующее уравнение для длительности ВЧ импульса, достаточной для нагрева поверхности до точки ликвидуса сплава (Ст 45) как функция от .величины удельного энергопотока.

2. Сформулирована модифицированная модель неравновесной нестационарной двухфазной зоны для расчета импульсных нестационарных процессов как плавления, так и кристаллизации тонких поверхностных слоев стали.

В рамках этой модели получены кинетические зависимости структурного параметра в заданном диапазоне входных условий.Получено хорошее согласие с наблюдаемыми размерами мартенситных частиц.

3. На основе оригинальной методики обсчета осцилограмм излучения зоны термического воздействия, а также впервые проведенной высокоточной калориметрии ВИЗ, предложен способ сопоставления экспериментальной и численной термокинетики процесса закалки.

Получено удовлетворительное согласие для кинетики температуры поверхности.

4. В рамках линейного по параметрам регрессионного анализа получены явные выражения, связывающие входные параметры режима ВИЗ - геометрические размеры, длительность импульсов и пауз между ними, скорость протяжки - со свойствами закаленной области. Объединение результатов регрессионного и численного моделирования с дан-

.ными калориметрии и оптической регистрации излучения в сопоставимых условиях позволило найти кривую раздела режимов ВИЗ с подплавом и без него в системе координат 1имп -VI.

5. Предложена модель ВЧ-импульсного нагрева стали с начальной пластинчатой феррито-перлитной структурой, принимающая во внимание процессы распада цементита и образования аустенита в условиях высоких скоростей нагрева, V > 103К/с.

6. Проведенные в диссертационной работе исследования были использованы при разработке технологий ВИЗ стальных деталей, проводимой в ИТ СО РАН. Эти технологии, на ряде предприятий России, обеспечили существенное повышение ресурса работы деталей.

19

Основное содержание диссертации изложено в следующих публика- , , циях:. -

1. Щукин В.Г.. Зиновьева В.П., Марусин В.Г. ВИЗ стальных •деталей. Получение "толстых" закаленных слоев // Изв. СО

. . АН СССР. Сер. техн. - 1989. - в.2. - с.102-106.

2. Щукин.В.Г.,' Марусин В.В.. Теплофизика ВЧ импульсной за-• .калки стальных деталей // Новосибирск : ИТ СО АН СССР. -"Препринт N 239-90. - 1990. - 46 с.

3." Щукин В;Г., • Марусин'В.В.' ВИЗ стальных деталей. Расчет динамики нагрева / В сб.: .Теплофизика кристаллизации и, высокотемпературной обработки материалов. - П/ред. Рубцова H.A., Басина Д.С... // Новосибирск: ИТ СО АН СССР. -

' * ■' .1990. - с! 141-150. . ^ , ;

.4.' Щукин В.Г.; Зиновьева В.П., Марусин В.В. Влияние пара- • метров' процесса ВИЗ На глубину закаленного слоя // Сиб. . физ.-техн; журнал. - 1991., -.в. 6. - с. 88-94. .

* , 5. Щукин В.Г., Марусин В. В. Высокочастотная импульсная закалка стали. Стадия кристаллизации / В сб.: Кристаллиза-' • ция и компьютерное моделирование ' // Ижевск : УГУ. -. 1.991. - с. 38-42. ' : .

' 6. Щукин В.Г., • Марусин В.В. Двухфазная зона при.ВЧ импульсной закалке'стали // Сиб.' -физ.-техн. журнал. - 1992. -В.1 - с.122-128. '

7. »Жуков М.Ф., Щукин В. Г. , Неронов В. А. , Марусин В. В. - Высокочастотная импульсная закалка стали // Физ. хим. обраб. материалов. - 1994.- - в.6. - с. 98-108.