Моделирование и экспериментальное исследование процесса электронно-лучевой закалки сталей

Abstract

Применение электронно-лучевого воздействия на материалы дает возможность реализовать физико-химические, металлургические, термические, радиационые, биологические и другие виды процессов в широком спектре применений – от стерилизации пищевой и медицинской продукции до выплавки слитков металлов. При обработке поверхности изделий из сталей путем нагрева потоком электронов в промежуток времени до 10 с может быть организован режим упрочнения электронно-лучевой закалкой (ЭЛЗ) локальных участков детали. В отличие от метода объемной закалки при ЭЛЗ не требуется закалочная среда, охлаждение нагретого слоя материала происходит путем отвода тепла в ненагретую сердцевину изделия. Благодаря высоким скоростям нагрева и охлаждения структура стали после ЭЛЗ измельчается, твердость закаленных структур выше по сравнению с полученными объемной закалкой. Режимы проведения ЭЛЗ определяются для применяемой марки материала, конкретного изделия, требуемой конфигурации упрочняемого участка, места расположения на его поверхности детали и определяются для имеющегося типа ЭЛ оборудования. Рациональные значения параметров ЭЛЗ могут быть выбраны с использованием моделирования тепловых процессов. Моделирование и экспериментальное исследование электронно-лучевого воздействия позволяет минимизировать энерговклад при проведении процессов закалки сталей, при котором количество передаваемого тепла должно быть ограниченным. Характеристики упрочненной при ЭЛЗ стали зависят от предварительной подготовки структуры и теплофизических свойств материала. Для широко применяемой стали 40Х наилучшее сочетание дисперсности и теплопроводности имеет троосто-сорбитная структура, получаемая после предварительной закалки с 850 °С и отпуска при 500 °С. Такой режим объемного термоупрочнения с последующей поверхностной ЭЛЗ даёт возможность на изделии с пластичной сердцевиной получить рабочие участки с высокой твердостью материала. Такое сочетание свойств приводит к улучшению эксплуатационных характеристик деталей. Методы ЭЛЗ обладают рядом преимуществ по сравнению с другими вариантами модифицирования свойств поверхности, в том числе возможностью упрочнения локальных и заглубленных участков.