FEATURES OF ELASTIC WAVE INFLUENCE FOR MASS TRANSFER PROCESS IN METALS AND ALLOYS

Abstract


The purpose of research - to improve the mechanical properties and surface quality of metal products on the basis of copper, titanium, iron and its alloys. Cylindrical samples with 10 mm diameter and 10 mm height made from pure metal have been exposed the repeated treatment at a pressure of elastic waves to 107 Pa at a frequency of up to 60 pulses per minute in a neutral gas and permeating gas medium. The treatment temperature was varied in the range of 973-1273 K. Method of autoradiography and stratified radiometric analysis with help of device «Beta 1» and using isotopes 63Ni, 14C were applied. It was found that the rate of diffusion of nickel into iron, copper and titanium increased to 2 times and besides the concentration profile in titanium is nonmonotonic and the diffusion zone depth exceeded those in copper and iron. The observed acceleration of the process saturation with carbon increase 1.5-2 times at a temperature of 1273 K in 10 times at a temperature of 973 K during carburization iron and its alloys and titanium chromium as a result of treatment. At the same time the phase formation character change and after the pulse treatment of iron surface layer with 40 microns depth contained up to 65% of the austenite. Found that under the pulse compression of the gaseous medium occurs a maximum concentration of carbon, and, respectively, the microhardness maximum occurs, whose position is determined by the processing parameters and the composition of the alloy. Lowering the temperature diffusion annealing increased the efficacy of pulse treatment.

Full Text

Совершенствование промышленного производства, выпуск современных машиностроительных конструкций и сельскохозяйственных машин невозможны без создания и освоения материалов, обладающих самыми разнообразными механическими, физико-химическими и эксплуатационными свойствами. В тоже время, свойства материала определяются его составом, внутренним строением, характером предварительной обработки и, безусловно, состоянием его поверхности. Существенное влияние на механические свойства металлов, такие как твердость и прочность, оказывает содержание цементита в поверхностном слое. Импульсная обработка металлов в условиях сжатия окружающей среды, при которой в образец вводится упругая волна, не вызывающая макроскопической деформации материала, может быть использована для «финишной» обработки изделий. Цель исследований - улучшить механические свойства и качество поверхности изделий из металлов на основе меди, титана, железа и его сплавов. Задача исследований - изучить особенности фазообразования и массопереноса в меди, титане, железе и его сплавах при взаимодействии их с никелем и углеродом в условиях упругой деформации. Материалы и методы исследований. Для экспериментальных исследований была использована специальная установка [1], в которой импульсное воздействие на образец передавалось через газообразную среду. Данная установка позволяла осуществлять многократную импульсную обработку образцов в диапазоне давлений от 105 до 109 Па с частотой от 1 до 100 импульсов в минуту. Обработка образцов проходила либо в нейтральном газе, либо в насыщающей газовой среде. Температуру эксперимента можно было изменять от 973 до 1273 К. Режимы обработки образцов представлены в таблице 1. В исследованиях применялся метод снятия слоев и авторадиография. На торцевую поверхность подготовленных образцов электролитическим способом наносился слой изотопа 63Ni толщиной 0,3 мкм и активностью 103-104 Бк, причем однородность и толщина покрытия контролировались [2]. Насыщение образцов углеродом проводилось в твердом карбюризаторе BaCO3, содержащем радиоактивный углерод 14С, в течение 2 ч при температуре 1253 К. Для измерения активности образцов при проведении послойного радиометрического анализа использовали установку «Бета-1» [3]. В экспериментах также применялся метод авторадиографии. Однако, в случае малых глубин проникновения меченых атомов, стандартное использование указанного метода оказывается малоинформативным, поэтому в отдельных случаях авторадиография выполнялась с косых шлифов при угле среза 4°45¢ [4]. Таблица 1 Режимы обработки образцов Основа Изотоп Температура, К Среда Число импульсов в минуту Длительность импульса, c Максимальное давление, Па Время отжига, с Fe 63Ni 1073 аргон 40 0,1 109 3,6.103 Cu 63Ni 1073 аргон 40 0,1 109 3,6.103 Ti 63Ni 1193 аммиак 60 0,1 109 1,08.104 Fe 14C 1223 аргон 60 0,1 109 3,6.103 Fe-1%Cr 14C 1223 аргон 60 0,1 109 3,6.103 Fe-1,2%Ti 14C 1223 аргон 60 0,1 109 3,6.103 Fe-1,2%Ti 14C 973 аргон 60 0,1 109 7,2.103 Результаты исследований. Результаты проведенных исследований в железе и меди (рис. 1, а, б) показали, что импульсная обработка привела, прежде всего, к существенному увеличению глубины проникновения изотопа в основу. Расчет коэффициентов диффузии дал следующие величины: никеля в железе без обработки D = 6,9.10 -16 м2/с, после обработки Dи = 1,24.10 -15 м2/с; никеля в меди: D = 8,7.10 -16 м2/с и Dи = 1,82.10 -15 м2/с. То есть, многократная импульсная обработка привела к увеличению скорости диффузии почти в 2 раза. При обработке титана (рис. 1, в) по аналогичной схеме было установлено, что протяженность зоны массопереноса также увеличилась, а расчет коэффициентов диффузии дал следующие величины: без обработки D = 7,3.10 -14 м2/с и после обработки Dи =8,7.10 -13 м2/с. Следует заметить, что распределение радиоактивного никеля в основе имело более сложный характер, на глубине порядка 25 мкм появлялся максимум концентрации 63Ni, возможно связанный с тем, что обработка проводилась в среде аммиака. При этом вместе с диффузией никеля титан насыщался азотом, поступающим из окружающей среды. Возможно также, что появление максимума на концентрационной кривой связано с многократностью импульсного нагружения, подобно тому, как это происходит, при многократной импульсной ударной или лазерной обработке. Насыщение образцов углеродом проводили в стандартном карбюризаторе, содержащем радиоактивный углерод 14С [5]. Фазовый анализ зоны массопереноса Fe-армко показал, что в результате цементации в поверхностном слое без обработки образовалось 35% аустенита, а после импульсного воздействия его количество увеличилось до 65%. Установлено также, что после импульсной обработки поверхностный слой представлял собой сочетание двух фаз, а именно α- и β-железа, тогда как цементит отсутствовал. Микродюрометрический анализ образцов показал, что их микротвердость после импульсной обработки оказалась выше на всем протяжении зоны массопереноса (рис. 2, а), а на глубине порядка 200 мкм имелся максимум микротвердости. Импульсная обработка привела к повышению концентрации углерода в матрице обрабатываемого металла на 15-20%, а в приповерхностном слое - более чем на 30%. Анализ результатов авторадиографии для железа (рис. 2, б) позволил сделать вывод о том, что характер распределения углерода в образцах идентичен изменению микротвердости [6]. Протяженность диффузионной зоны образца после импульсной обработки увеличилась примерно в 1,4 раза. Расчет коэффициентов диффузии дал следующие величины: без обработки D = 3,4.10 -11 м2/c и после обработки Dи= 7,3.10 -11 м2/с. а б в Рис. 1. Распределение 63Ni в железе (а), меди (б) и титане (в) до (1) и после (2) диффузионного отжига При исследовании процесса цементации сплава Fe-1%Cr установлено, что импульсная обработка образцов привела также к возникновению максимума микротвердости (рис. 3, а), а протяженность диффузионной зоны увеличилась в 1,4 раза (рис. 3, б). Заметно отличались и рассчитанные коэффициенты диффузии: без обработки D = 4,4.10 -11 м2/c, после обработки Dи = 1,2.10 -10 м2/с, причем их отношение составило значение Dи/D = 2,7, что практически в 1,5 раза больше, чем для случая Fe-армко. а б Рис. 2. Изменение микротвердости железа (а) и концентрационные кривые распределения 14С в железе до (1) и после (2) обработки а б Рис. 3. Изменение микротвердости (а) и концентрационные кривые распределения 14С (б) в сплаве Fe-1%Cr до (1) и после (2) обработки Насыщение углеродом сплава Fe-1,2%Ti в аналогичных условиях дало весьма схожие результаты: максимум микротвердости и концентрации углерода, увеличение протяженности зоны массопереноса после импульсной обработки в 1,4 раза. Расчет коэффициентов диффузии дал значения: без обработки D = 3,7.10 -11 м2/с после обработки Dи= 6,9.10 -11 м2/с, а их отношение составило Dи/D = 1,9. Следовательно, наиболее эффективным оказалось влияние импульсной обработки для сплава Fe-Cr. Результаты исследования процесса цементации сплавов при температуре 973 К позволили сделать вывод о том, что при понижении температуры отжига на 250 К эффективность импульсной обработки существенно возрастает. Для сплава Fe-1,2%Ti глубина диффузионной зоны увеличилась с 0,5 до 0,15 мм, а расчет коэффициентов диффузии дал значения: без обработки D = 1,6.10-12 м2/с, после обработки Dи= 1,7.10 -11 м2/с, а их отношение составило уже Dи/D = 10,6. Следует подчеркнуть, что и в этом случае наблюдался максимум микротвердости в диффузионной зоне [7], однако его абсолютное значение при данной температуре оказалось несколько ниже, чем при температуре Т=1223 К. Заключение. По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1) диффузионная подвижность атомов замещения и внедрения в металлах и сплавах в условиях многократного импульсного сжатия газовой среды существенно увеличивается; 2) концентрация углерода в насыщаемом слое металла в условиях импульсного сжатия газовой среды значительно повышается, и, как следствие, растет его микротвердость; 3) при импульсном сжатии газовой среды возникает максимум концентрации углерода, соответственно и максимум микротвердости, положение которого определяется параметрами обработки и составом сплава; 4) понижение температуры диффузионного отжига приводит к увеличению эффективности применения импульсной обработки для металлов и сплавов, что позволяет значительно сократить энергозатраты в процессе обработки.

About the authors

T F Mironova

FSBEI HVE Samara SAA

Email: tmironova51@mail.ru
446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str
cand. of physical and mathematical sciences, associate prof. of the department «Physicist, mathematics and information technologies»

T V Mironova

FSBEI HVE Samara SAA

Email: mirt_777@mail.ru
446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str
cand. of physical and mathematical sciences, associate prof. of the department «Physicist, mathematics and information technologies»

References

  1. Мазанко, В. Ф. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций : монография: в 2 т. Т. 2 / В. Ф. Мазанко, А. В. Покоев, В. М. Миронов [и др.]. - М. : Машиностроение, 2006. - 320 с.
  2. Бокштейн, Б. С. Диффузия атомов и ионов в твердых телах : монография / Б. С. Бокштейн, Я. Б. Ярославцев. - М. : МИСИС, 2005. - 362 с.
  3. Азаренков, Н. А. Моделирование диффузионных процессов и экспериментальное определение параметров диффузии в конструкционных материалах с использованием радиоактивных изотопов / Н. А. Азаренков, В. Е. Семененко, Н. Г. Стервоедов [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. - 2007. - №2. - С. 76-81. - (Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение»).
  4. Бородавка, А. Е. Компьютеризированный комплекс для исследования процессов диффузии в металлах и сплавах радиоактивным методом / А. Е. Бородавка, А. С. Посухов, В. Е. Семененко [и др.] // Радиофизика и электроника. - 2005. - №4. - С. 162-165.
  5. Бобырь, С. В. Анализ процесса графитизации в железоуглеродистых сплавах на основе термодинамики необратимых процессов // Металлофизика и новейшие технологии. - 2013. - Т. 35, Вып. 2. - С. 199-208.
  6. Котречко, С. А. Новые подходы к оценке взаимосвязи свойств прочности, пластичности и механической стабильности / С. А. Котречко, Ю. Я. Мешков, А. В. Шиян [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. - 2011. - Т. 33, вып. 9. - С. 1277-1290.
  7. Azhaza, V. M. Microstructure and hardness of natural composite materials / V. M. Azhaza, N. A. Azarenkov, V. E. Semenenko, V. V. Podzolkova // Modern Materials Science: Achivements and Problems. - Kiev, 2005. - Vol. 1. - P. 15-17.

Statistics

Views

Abstract - 112

PDF (Russian) - 20

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2015 Mironova T.F., Mironova T.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies