Расчёт температурных полей и формирование структуры и свойств поверхностных слоёв металлов и сплавов при облучении пучком релятивистских электронов

Актуальность темы

Наиболее распространённые в настоящее время методы формирования защитных или упрочняющих покрытий не предусматривают использования источников с высокой концентрацией энергии. К таким процессам относятся, например, нанесение лакокрасочных покрытий, формирование покрытий в химических средах за счёт диффузии в поверхностный слой ряда химических элементов: азотирование, цементация, альфирование, фосфатирование, сюда же можно отнести закалку с печным нагревом. Однако, всё более увеличивающаяся доля технологий в машиностроении и металлургии основана на использовании источников энергии с высокой объёмной и поверхностной концентрацией. Причиной использования таких источников является необходимость быстрого нагрева или расплавления поверхности изделия за время, в течение которого тепло не успевает проникать в глубь изделия. К источникам концентрированной энергии относятся: установки т.в.ч., электрическая и плазменная дуга, электронные и ионные пучки, луч лазера. Получаемые покрытия позволяют достигать высоких значений твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости и др. и обеспечивают ресурсосбережение, основанное на замене дорогостоящих легированных сплавов экономнолегированными в тонком поверхностном слое.

Упрочняющие технологии успешно внедрены во многих передовых фирмах Японии, Германии, Великобритании, Франции, Китая. Метод электродуговой наплавки в течение многих лет изучается и доводится до применения в Институте электросварки им. Е. О. Патона. Вместе с тем, перечисленные технологии имеют ряд недостатков. Так, при обработке токами высокой частоты плотность мощности в большинстве случаев недостаточна для самозакалки, требуется применение охлаждающих жидкостей, возникают заметные поводки и напряжения в материале. Отрицательным свойством лазерного воздействия являются значительные потери энергии вследствие отражения излучения обрабатываемым объектом. Недостатком большинства электронно-лучевых установок является необходимость проведения обработки в вакууме, а для больших изделий — в местном вакууме, что затрудняет введение легирующих элементов. При электронно-дуговой наплавке, несмотря на простоту конструкций используемых установок и их высокую производительность, в наплавленном слое формируются грубо-дисперсные неоднородные структуры с низкой противоударной стойкостью, качество поверхности неудовлетворительное и требует дополнительной механической обработки.

В ряду технологий, применяющих концентрированные электронные пучки, выделяются относительно новые технологии, основанные на использовании электронов со значительно увеличенной энергией — релятивистских электронов. В ИЯФ СО РАН созданы промышленные ускорители электронов, позволяющие выводить концентрированный пучок электронов с энергией 1−1,6 МэВ и мощностью 100 кВт в атмосферу. Один из таких ускорителей марки ЭЛВ-6 разработан в лаборатории P.A. Салимова и установлен на участке по отработке электронно-лучевых технологий. Эффективная глубина проникновения электронов в металл составляет 0,5 — 1 мм. Произл водительность обработки достигает 100 см /с. Облучение поверхности металла вне вакуума позволяет производить быструю замену обрабатываемых изделий и снимает ограничения на их размеры.

Несмотря на уникальность метода и возможность его применения для закалки, объем проведенных исследований в данной области явно недостаточен. Полученные в ИЯФ СО РАН совместно с другими организациями (Липецким политехническим институтом, Днепропетровским НИИ Чер-метмеханизации и др.) данные о влиянии закалки в пучке релятивистских электронов на структуру поверхностного слоя металла относятся к ограниченному кругу материалов и имеют недостаточно глубокий и систематический характер. Например, в работах, выполненных под руководством И.Н.

Мешкова, исследованы режимы, так называемой, радиационно-термической обработки, предполагающие среднее повышение температуры до уровня ниже Асз. Закалкой, как таковой, этот процесс назвать нельзя. Кроме того, не изучены структурные превращения поверхностных слоев во всем диапазоне возможных параметров обработки, не выявлены универсальные технологические параметры, удобные для систематизации режимов облучения.

Для объяснения экспериментальных результатов по электроннолучевой закалке на основании представлений о структурных и фазовых превращениях стали в том или ином интервале температур, выявления основных закономерностей протекающих процессов, а также для предварительного выбора режимов закалки, позволяющих получить тот или иной уровень свойств, необходимо знание температурно — временных зависимостей на различной глубине в закаливаемом слое. Вследствие сложности измерения температуры на поверхности и в толще металла в столь быстром процессе, как электронно-лучевое воздействие, эта задача в настоящее время может быть решена только расчетным путем с помощью математического моделирования.

Следует учитывать, что большинство моделей обработки концентрированными источниками предполагают поверхностный ввод тепла и дальнейшую передачу его в материал путем теплопроводности. Подобная модель не подходит для случая воздействия высокоэнергетических релятивистских электронов, проникающих в материал на значительную глубинупорядка 1 мм. Необходима иная постановка задачи. При этом актуальным является поиск простых аналитических зависимостей между ключевыми параметрами процесса, которые позволят найти численные значения величин, например, между максимальной температурой в зоне воздействия и характерными параметрами обработки — мощностью и размерами источника, временем нахождения образца под пучком.

Пионерские работы по наплавке в пучке релятивистских электронов выполнены Л. П. Фоминским и группой сотрудников Днепропетровского НИИ Черметмеханизации. Порошковые материалы наплавлялись на стальные и медные изделия — лапы культиваторов, лемехи плугов, медные доски кристаллизаторов в установках разлива стали. Поскольку данные работы имели практическую направленность, сколько-нибудь подробные исследования структур не проводились. В дальнейшем сотрудниками ИФПМ СО РАН при непосредственном участии автора работы был проведен цикл экспериментов по наплавке порошков тугоплавких соединений на углеродистые стали. Изучены структурные и фазовые превращения в наплавленных слоях в зависимости от режима электронно-лучевого воздействия и состава используемых для наплавки порошковых материалов. Проведенные исследования позволили достичь значительного прогресса в области наплавки на углеродистые и низколегированные стали — исследованы механизмы увеличения твердости, износостойкости, ударостойкости покрытий. Этого нельзя сказать о наплавке на цветные металлы, где имеются лишь отдельные разрозненные данные.

Новым малоизученным объектом для наплавки является титан и его сплавы, которые обладают уникальными свойствами (низкой плотностью, высокой прочностью, теплостойкостью, коррозионной стойкостью) и широко применяются в авиации, ракетной технике, машиностроении. Предварительные опыты показали, что титановые сплавы — прекрасный материал для нанесения покрытий. При наплавке на титановые сплавы потери основного порошка и флюса незначительны, качество наплавляемых слоев высокое, поверхность ровная. Особый интерес представляют покрытия, сформированные из высокотвердых порошков карбидов, нитридов и боридов с высокой температурой плавления, которые обладают не только высокой твердостью и износостойкостью, но и повышенной жаростойкостью.

Цель работы. Исходя из сказанного, основной целью работы явилось изучение закономерностей формирования упрочняющих покрытий на поверхности сталей и титановых сплавов методами закалки и наплавки в пучке релятивистских электронов, выведенных в атмосферу: теоретический расчет температурных полей и экспериментальные исследования модифицированных слоев.

Для достижения данной цели предполагалось решить следующие конкретные задачи:

1. Разработать метод расчета температурных полей при электроннолучевой закалке плоских, цилиндрических изделий и изделий со сложной формой поверхности. Выявить в простом аналитическом виде связи между универсальными параметрами процесса.

2. Исследовать закономерности формирования структуры в зоне электронно-лучевой закалки среднеуглеродистых и легированных сталей. Предложить набор параметров, полностью определяющих процесс и удобных для классификации режимов воздействия.

3. Сопоставив расчетные данные с экспериментальными, проанализировать характер наблюдаемых в поверхностном слое фазовых превращений. Систематизировать достижимые режимы закалки в соответствии со структурными особенностями закаленной зоны.

4. Применить метод для поверхностного упрочнения железнодорожных рельсов. Выполнить в общем виде расчет распределения поверхностной плотности энергии на криволинейной поверхности при сканировании излучения и применить его для оптимизации режимов обработки изделия.

5. Изучить структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях титана и титановых сплавов при электронно-лучевой наплавке порошков тугоплавких соединений. Проанализировать происходящие в наплавленных слоях фазовые переходы в рамках диаграмм состояний соответствующих систем.

6. Исследовать влияние режимов электронно-лучевой наплавки на твердость и износостойкость поверхностного слоя. Определить механизм изнашивания материала покрытия. Установить связь между структурой, твердостью и износостойкостью упрочнённого слоя.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель температурного поля, создаваемого релятивистским электронным пучком в материале при закалке плоских и цилиндрических изделий.

2. Упрощенные формулы для инженерных расчетов, связывающие параметры режимов закалки со значением максимальной температуры, достигающейся в образце.

3. Результаты исследования структуры поверхностных слоев среднеуглеро-дистых сталей, модифицированных электронно-лучевой закалкой, и классификация режимов закалки по времени воздействия пучка.

4. Линейная зависимость между глубиной зоны фазовой перекристаллизации и поверхностной плотностью введенной энергии излучения во всем интервале режимов электронно-лучевого воздействия.

5. Эффект значительного измельчения структуры в зоне электроннолучевой закалки легированных сталей при электронном облучении, позволяющий увеличить показатели твердости на 15−20% по сравнению с печной закалкой.

6. Расчет энергораспределения в головке железнодорожного рельса при обработке электронным пучком и режимы обработки радиусной и боковой поверхности головки.

7. Совокупность экспериментальных данных о структуре, фазовом составе и механических свойствах покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на титановые сплавы, и механизм изнашивания материала покрытий.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Путем аналитического представления температурного поля на основе функций Грина, с использованием математической модели пучка релятивистских электронов как объемного теплового источника, выведены формулы для расчета температурных полей при обработке материала электронным пучком без плавления в плоских образцах, поступательно перемещающихся под неподвижным и под сканирующим пучком, а также в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением.

2. С использованием теории размерностей и на основании математических моделей температурных полей получены простые обобщающие формулы для расчета режимов обработки.

3. Составлены программы и проведен расчет распределения поверхностной плотности введённой энергии при облучении поступательно перемещающихся под сканирующим пучком плоских изделий и изделий сложной формы при вариации закона сканирования с целью обеспечения равномерности обработки поверхности.

4. В широком интервале режимов электронно-лучевой закалки исследованы закономерности формирования структуры и свойств поверхностных слоев среднеуглеродистых и легированных сталей. В соответствии со структурными особенностями упрочненных слоев режимы закалки классифицированы по времени воздействия на «быстрые», «средние» и «медленные». Обнаружен эффект резкого измельчения структуры при закалке некоторых легированных сталей.

5. Установлена линейная зависимость между глубиной слоя полной фазовой перекристаллизации при нагреве и поверхностной плотностью введенной энергии излучения, которая имеет место во всем интервале времени электронно-лучевого воздействия вплоть до времени, соответствующего адиабатическому вводу тепла.

6. На основании сопоставления экспериментальных данных по закалке с расчетами распределения максимально достигаемых в рабочих режимах облучения температур дано объяснение реально существующим распределениям по глубине материала структурных зон и происходящим в них превращениямПоказано, что для протекания процесса аустенизации в зоне нагрева под закалку, в связи с кратковременностью электроннолучевого воздействия, необходим перегрев стали на 100−150°С выше температуры Асз на равновесной диаграмме состояния Бе-С.

7. Изучены структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях технического титана и титановых сплавов при вневакуумной электроннолучевой наплавке. Показано, что исходные тугоплавкие компоненты полностью растворяются в расплавленном слое и при охлаждении кристаллизуются в виде новых соединений. Наблюдаемые фазовые переходы являются неравновесными и не могут полностью быть описаны в рамках соответствующих равновесных диаграмм состояний.

8. Показано, что повышение твердости при наплавке на титановые сплавы связано с образованием заэвтектической либо эвтектической структуры на основе карбидов, нитридов, боридов и силицидов титана («твердые включения — вязкая матрица») и упрочнением матрицы в связи с растворением в ней примесей внедрения и мартенситным превращением.

9. Выявлен механизм износа слоев электронно-лучевой наплавки, заключающийся в избирательном изнашивании матрицы и последующем разрушении содержащихся в ней частиц включений. Показано, что однозначной связи между твердостью и износостойкостью не существует. Корреляция наблюдается между износостойкостью и объемной долей частиц фазовых включений, которая регламентирует длину пути износа частиц абразива. Износостойкость определяется не столько твердостью, сколько структурой наплавленного материала.

Практическая значимость:

— Предложенные методы расчета температурных полей применительно к закалке электронным пучком изделий разной формы (плоской, цилиндрической, сложной цилиндрической) позволяют полностью моделировать процесс при разработке технологии упрочнения в промышленных условиях.

— Полный расчёт температурно-временных зависимостей на различных глубинах от поверхности и распределения максимально достигаемых по глубине температур позволяет предсказывать глубину слоя, характер образующихся в нём структур, а, следовательно, и уровень достигаемых значений твердости и износостойкости.

— Полученная в работе простая формула, связывающая поверхностную плотность вводимого пучком тепла и характерное время воздействия пучка с достигающейся в обрабатываемом слое температурой, может быть использована для инженерных экспресс — расчетов с целью предварительно выбора режимов обработки. Использующиеся в предлагаемой формуле величины непосредственно выражаются через первичные параметры обработки (ток и диаметр пучка, скорость перемещения образца). Метод не требует сложных вычислений и может применяться в производственных условиях.

— Расчёт распределения плотности поглощённой энергии на радиусной и примыкающей к ней поверхностям головки железнодорожных рельсов, результаты которого хорошо согласуются с реально наблюдаемым изменением глубины упрочненного слоя дает возможность моделировать процесс упрочнения данного изделия и создать прототип технологического процесса в производственных условиях. Соответствующая программа расчета позволила оптимизировать режимы обработки и разработать методику закалки поверхности железнодорожных рельсов на двух участках контура головки.

— Разработаны технологические основы (оборудование и режимы) упрочнения радиусной и боковой поверхности головки железнодорожных рельсов, включающие в себя закалку и отпуск электронным пучком. Испытания на износ в действующем пути Транссибирской магистрали на поворотном участке Восточно-Сибирской железной дороги показали увеличение срока службы упрочненных рельсов в три раза по сравнению с неупрочненными, установленными на контрольном участке пути. Метод электроннолучевой закалки позволил получить на поверхности среднеуглеродистых сталей упрочненные слои глубиной от 0,4 до 2 мм с твердостью в 3−4 раза более высокой, чем в основном металле. Установленная экспериментально линейная зависимость между глубиной закаленного слоя и введенной энергией излучения дает возможность, зная характеристики пучка (ток, напряжение, скорость обработки), прогнозировать эту глубину, не проводя специальных исследований. Обнаруженный эффект формирования дисперсной и ультрадисперсной мартенситной структуры в поверхностных слоях ряда легированных сталей позволяет повысить твердость на 15−20% по сравнению с твердостью, достигаемой обычной печной закалкой. При этом увеличение твердости для стали 08Х2Г2Ф сопровождается сохранением прочности на разрыв и относительного удлинения.

Электронно-лучевой наплавкой на титановые сплавы получено увеличение твердости поверхностного слоя в 3 — 5 раз, а износостойкости в 10 -25 раз по сравнению с основным металлом. Подобрано оптимальное сочетание компонентов в наплавочных смесях, позволяющее достигать максимальных значений износостойкости покрытий. Результаты исследования структуры и свойств покрытий, получаемых электронно-лучевой наплавкой могут быт использованы для упрочнения разнообразных изделий как из титана, так и из других материалов: валков станов холодной и горячей прокатки, медных досок кристаллизаторов в установках непрерывного разлива стали, рабочих кромок лемехов и лап культиваторов почвообрабатывающих сельскохозяйственных машин, защитных пластин, используемых в бронежилетах и др.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на семинарах в Похангском университете науки и технологии (г. Поханг, Ю. Корея, 2002), Новосибирском государственном техническом университете (2003 г.), Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (2006 г.), Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (2006 г.) и на следующих конференциях: Гм Всесоюзная конференция, 8″ °° Всероссийское совещание, 4™ Всероссийская, 6, 7, 8'м Международные конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск 1988, 1996, 2002, 2004, 2006), 2″ ая и 5″ ая «Международная конференция по применению электронно-лучевых технологий» (Варна 1988, 1997), 6 М Всесоюзная конференция, в4*, 9″ ** Всероссийское, 10″ °° Международное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт-Петербург 1988, 1995, 2001), Семинар «Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов» (Москва 1989), 7″ °й Международный конгресс по по термообработке материалов (Москва 1990), Советско-Американская конференция «Новые материалы и технологии в трибологии» (Минск 1992), Гый Международный симпозиум по пучковым технологиям (Дубна 1995), IV Международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск 1998), IX, XIII Международное совещание «Радиационная физика твёрдого тела» (Севастополь 1999, 2003), 3″ ий Русско-Корейский международный симпозиум по науке и технологии (Новосибирск 1999).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 53 работы, из них 21 публикация в центральных журналах, включая 7 — в зарубежных, получено два патента.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической главы, трех оригинальных глав, заключения и списка литературы. Об.

Выводы к Главе 5 Впервые подробно изучены структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях технического титана и титановых сплавов при вневакуумной электронно-лучевой наплавке порошков карбидов, боридов и нитридов титана. Показано, что легирующие элементы полностью растворяются в расплавленном слое и при охлаждении кристаллизуются в виде новых соединений. При этом образуются заэвтектические, либо эвтектические структуры, состоящие из первичных кристаллов и эвтектики на основе фаз ТЮ, Т1 В, Т1Ы.

2. Образуемые в слоях наплавки структуры являются в некоторой степени неравновесными, что связано с кратким временем пребывания исходных компонентов покрытия в состоянии расплава и высокими скоростями последующего охлаждения покрытия. Неравновесность структуры проявляется в формировании неоднородных по строению зон и в некотором отклонении от равновесных диаграмм состояния: предсказываемый равновесной диаграммой карбид титана НС выделяется в виде соединения НС" обедненного углеродомв дополнение к равновесному бориду ИВ в зоне пониженной температуры у границы с основным металлом обнаруживается небольшое количество фазы Т1В2, которая, по-видимому, представляет собой остатки нерастворившихся полностью частиц исходного порошка Т1В2, вместо равновесной е-фазы (ЛзЫ) выделяется 5-фаза (ПЫ), внешние оболочки которой состоят из (ПХА11.Х)>Т.

3. Использование для наплавки порошков, включающих смеси компонентов, в основном, не приводят к образованию новых фаз, но обеспечивает формирование покрытий, более однородных по строению и составу, чем в случае наплавки порошками отдельных карбидов, боридов или нитридов. При включении в состав наплавочных порошков кроме соединений титана карбида ванадия или борида молибдена наблюдаются следующие изменения. Ванадий и молибден растворяются в титановой матрице, увеличивая количество Р-фазы, из которой в процессе быстрого охлаждении формируется мартенситная матрица. Ванадий, кроме того, легирует карбид титана.

Введение

кремния при наплавке карбида обуславливает выделение новой фазы — силицида.

ТШ.

4. Электронно-лучевая наплавка обеспечивает увеличение твердости поверхностного слоя в 2−3 раза по сравнению с основным металлом. Наивысший уровень упрочнения наблюдается при наплавке нитрида титана, а низший — карбида титана, борид титана занимает промежуточное положение. Использование для наплавки сочетаний различных компонентов не дает преимущества в твердости, а обеспечивает некоторое промежуточное ее значение по сравнению с покрытиями, содержащими включения только одного состава. Исключение составляет комбинация включений Т1581з и ТЮ. Твердость таких покрытий близка к твердости покрытий, наплавленных Т1Ы.

5. Упрочнение матрицы вносит вклад в общее возрастание твердости покрытия. Микротвердость матрицы покрытия возрастает по сравнению с микротвердостью основы из титанового сплава, что связано с растворением в ней легирующих элементов и образованием мартенситной структуры или твёрдорастворным упрочнением. Твердорастворное упрочнение матрицы незначительно при введении в покрытие углерода ввиду его малой растворимости, но существенно увеличивается при наличии в покрытии азота или кремния.

6. Износ наплавленных покрытий осуществляется путем избирательного износа матрицы с последующим хрупким разрушением содержащихся в ней частиц включений. Отделения включений целиком от матрицы не происходит ни для одного из видов покрытий, что говорит о хорошей адгезии включений с основой. Все наплавленные покрытия имеют высокий уровень износостойкости. Наивысшей износостойкостью обладают покрытия, содержащие в качестве упрочняющей фазы сочетание карбида и силицида титана — увеличение относительной износостойкости Ки в 25 раз. Следующими по уровню износостойкости являются покрытия, сформированные из смеси порошков Т1Вг и МоВ (увеличение Ки в 15 раз) и покрытия, упрочненные нитридом титана (увеличение в 10 раз).

7. Однозначной связи между твердостью и износостойкостью не обнаруживается. Хотя высокий уровень упрочнения в целом задает и высокую износостойкость, эти величины не коррелируют друг с другом. Намного лучшее соответствие наблюдается между коэффициентом износостойкости и объемной долей фазовых включений в слое, что связано с укорочением длины пути избирательного износа матрицы на участках между частицами фазовых включений при перемещении частиц абразива по изнашиваемой поверхности. Таким образом, износостойкость определяется не столько твердостью, сколько структурой покрытий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе выполнения настоящей работе была существенно расширена сфера применений концентрированного электронного пучка в качестве источника энергии для поверхностно упрочнения металлических материалов. С применением математического моделирования и специальных расчётов выявлены механизмы формирования упрочнённых слоёв при закалке и наплавке электронным пучком, дано объяснение наблюдающимся экспериментальным фактам. Исследован ряд новых материалов и расширен диапазон режимов обработки изделий разной формы и состава. Разработанные методики предварительного выбора параметров режимов обработки могут использоваться в технологических применениях. При выполнении работы были получены следующие результаты.

1. Сформулирована математическая модель пучка как объемного теплового источника, включающая: распределение плотности потока мощности в сечении пучка и его диаметр как функцию пролета электронов в атмосферераспределение потерь энергии электронами пучка при их проникновении в материалотражение электронов от поверхности материала. Аналитическим путем с использованием метода функций Грина, в предположении постоянства тепловых характеристик материала выведены формулы для расчёта трёхмерного температурного поля, создаваемого пучком электронов в поступательно перемещающемся плоском образце с учётом его толщины и потерь энергии на конвекцию и излучение. Найдены решения для поступательного перемещения пластины со сканированием пучка, в связи с чем предложены одномерные, и двухмерные модели температурных полей.

2. Получены выражения, описывающие распределение введённой энергии при произвольном законе сканирования пучка для плоской и выпуклой поверхностей, состоящей из части цилиндра с примыкающими наклонными плоскостями. Проведенный расчет позволяет скорректировать закон сканирования и обеспечить однородность распределения введенной энергии по ширине полосы обработки.

3. Получено аналитическое выражение для расчета температурного поля в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением. Четыре тепловых источника, имитирующие пучок, представлены быстро вращающимися вокруг оси цилиндра. Вращение учтено путем интегрирования по угловой координате в цилиндрической системе координат. Для учета граничных условий в цилиндрической геометрии образца введена система мнимых коаксиальных источников снаружи образца.

4. Показано, что температурное поле в материале определяется, главным образом, двумя универсальными для всех режимов обработки параметрами: поверхностной плотностью введённой энергии и временем воздействия пучка ^ Установлена простая аналитическая зависимость между указанными универсальными параметрами и максимальным подъемом температуры в зоне обработки. Приведены простые соотношения, выражающие универсальные параметры режимов обработки через первичные, такие как энергия электронов, ток и диаметр пучка, скорость перемещения изделия, ширина полосы сканирования пучка. Установленная зависимость может применяться в инженерных расчётах при выборе режима обработки.

5. В широком интервале режимов электронно-лучевого воздействия (при изменении времени воздействия ^ и параметров излучения) произведена закалка поверхностных слоев плоских и цилиндрических образцов среднеуглеродистых сталей с образованием дисперсной мартенситной структуры. Обнаружена линейная зависимость между глубиной модифицированного слоя и поверхностной плотностью введенной энергии излучения имеющая место во всем интервале времени электронно-лучевого воздействия вплоть до времени, соответствующего адиабатическому вводу тепла.

6. Интервал режимов облучения разделен на «быстрые», «средние» и «медленные» по времени воздействия ^ в соответствии со структурными особенностями закаленного слоя. На быстрых режимах достигается максимальная твердость мартенситных зерен, межзеренная диффузия углерода не успевает происходить, граница раздела между закаленным слоем и основным металлом резкая. На средних и медленных режимах температурно-временные условия благоприятны для значительной межзеренной диффузии углерода, между мартенситным слоем и. основным металлом образуется зона промежуточных структур (бейнит, троостит, сорбит), твердость слоя уменьшается.

7. Для каждого из рабочих режимов закалки проведен расчет температурных полей, возникающих в образце, построены температурно-временные зависимости на различных глубинах от поверхности и распределения максимально достигаемых по глубине температур. Погрешность в расчетах, связанная с неточностью определения гауссова диаметра пучка, теплоемкости и температуропроводности материала, учтена путем введения поправочного коэффициента, вычисленного на основании проведения дополнительных экспериментов по определению реперных режимов, соответствующих началу плавления.

8. Расчетные данные. сопоставлены с реально существующим распределением по глубине материала структурных зон. Показано, что наличие резкой границы раздела закаленного слоя с основой на быстрых режимах определяется достижением на границе при нагреве температуры аустенитного перехода Асз, а при охлаждении — скорости охлаждения выше критической в интервале техмператур мартенситного превращения. Размытие границы раздела между закаленной и незакаленной областями и наличие зоны промежуточных структур на средних и медленных режимах воздействия связано с тем, что, согласно расчетам, скорость охлаждения в интервале температур распада аустенита становится ниже критической скорости закалки на мартенсит.

9. Значения температур аустенизации, определенные из расчетных кривых распределения максимальных температур и экспериментально измеренной глубины закаленной зоны, на 100−150°С выше температуры Асз на равновесной диаграмме Бе-С. Отклонение от равновесия связано с диффузионной природой процесса аустенизации, для осуществления которого в условиях кратковременного воздействия пучка необходим значительный перегрев. Когда процесс близок к адиабатическому, температура аустенизации в зоне облучения, согласно расчетам, соответствует температуре а—*у — превращения чистого железа. Это объясняет тот факт, что на быстрых режимах время воздействия достаточно для выравнивания концентрации углерода в пределах перлитныъх зерен с последующей их закалкой на мартенсит, поскольку при превышении указанной температуры ферритные прослойки перлитных зерен практически мгновенно переходят в аустенитную фазу.

10. В результате закалки электронным пучком ряда легированных сталей (08Х2Г2Ф, 10ХЗГ2АФ, 12Х2Н4 В, 38Х2МЮА, 40Х, 40ХН2МА) в поверхностном слое образуются структуры с высокой степенью дисперсности мартенсита — размер исходного аустенитного зерна 4−5 мкм. В поверхностном слое стали 08Х2Г2Ф после многократной обработки электронным пучком размер аустенитного зерна уменьшается до 1 мкм. Твердость легированных сталей после электронно-лучевой закалки увеличивается на 15−20% по сравнению с уровнем твердости, достигаемым обычной печной закалкой. Для стали 08Х2Г2Ф увеличение твердости сопровождается сохранением пластичности и прочности.

11. С применением программы расчета распределения плотности введенной энергии при сканировании пучка найдены оптимальные режимы облучения поверхности головки железнодорожного рельса, обеспечивающие наибольшую равномерность упрочненного слоя по контуру поперечного сечения. Форма распределения глубины закаленного слоя на радиусном участке рельса с достаточной степенью точности повторяет форму энергораспределения, полученную расчетным путем. Твердость поверхностного слоя стали после закалки превышает Ш1С 65. Для снижения хрупкости закаленных слоев использована двухэтапная обработка пучком — закалка и отпуск. Испытания на износ в действующем пути показали увеличение срока службы рельсов, упрочненных по предлагаемой методике, в три раза.

12. Изучены структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях титана и титановых сплавов при наплавке порошков карбидов, нитридов и боридов титана, а также их смесей с карбидами ванадия, кремния и боридом молибдена. Показано, что легирующие элементы полностью растворяются в расплаве и при охлаждении кристаллизуются в виде новых соединений. Образуются неравновесные заэвтектические или эвтектические структуры. Неравновесность проявляется в формировании неоднородных по строению зон и в отклонении фазового состава покрытия от равновесных диаграмм состояния соответствующих систем. Использование для наплавки смесей порошков не приводит к образованию новых фаз, но обеспечивает формирование покрытий, более однородных по составу и структуре, чем в случае наплавки отдельными компонентами.

13. Электронно-лучевая наплавка обеспечивает увеличение твердости поверхностного слоя в 2−3 раза по сравнению с основным металлом. Наиболее высокий уровень упрочнения наблюдается при наплавке нитрида титана и смеси карбида титана с силицидом титана. Упрочнение матрицы вносит вклад в общее возрастание твердости покрытия в связи с твердорастворным упрочнением и закалкой на мартенсит. Износ наплавленных покрытий осуществляется путем избирательного износа матрицы с последующим хрупким разрушением содержащихся в ней частиц включений. Отделения включений от матрицы не происходит ни для одного из видов покрытий, что свидетельствует о хорошей адгезии включений с основой.

14. Все наплавленные покрытия имеют высокий уровень износостойкости. Наивысшей износостойкостью обладают слои, содержащие в качестве упрочняющей фазы сочетание карбида и силицида титана — увеличение относительной износостойкости Ки в 25 раз. Следующими по уровню износостойкости являются покрытия, сформированные из смеси порошков диборида титана и борида молибдена (увеличение Ки в 15 раз) и покрытия, упрочненные нитридом титана (увеличение в 10 раз). Однозначной связи между твердостью и износостойкостью не обнаруживается — эти величины не коррелируют друг с другом. Намного лучшее соответствие наблюдается между коэффициентом износостойкости и объемной долей фазовых включений в слое, что связано с укорочением длины пути износа матрицы на участках между частицами фазовых включений при перемещении частиц абразива по изнашиваемой поверхности.