авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Воздействие термической и химико- термической обработки на линейное расширение высокочистого железа

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Долгова Светлана Владимировна

ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ЛИНЕЙНОЕ

РАСШИРЕНИЕ ВЫСОКОЧИСТОГО ЖЕЛЕЗА

Специальность 15.06.01 – Металловедение и термическая

обработка металлов и сплавов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новокузнецк – 2010

Работа выполнена на кафедре физики металлов и новых материалов

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук

профессор, академик РАЕН

заслуженный изобретатель России

Афанасьев Владимир Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, с.н.с.

Полторацкий Леонид Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Сагалакова Марина Михайловна

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Новосибирский

государственный технический

университет», г. Новосибирск

Защита состоится « 8 » июня 2010г. в 10.00 часов

на заседании диссертационного совета Д212.252.01

при ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»:

654007, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова, 42.

E-mail: ds21225201@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан « 5 » мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.252.01

д.т.н., профессор О.И. Нохрина

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время наука и техника все больше нуждаются в новых материалах, обладающих регламентируемыми специфическими свойствами. В наибольшей мере это касается приборостроения, обслуживающего, среди прочих, такие наукоемкие отрасли машиностроения как космическая и аэротехника. Одним из свойств, необходимых для приборных материалов, является контролируемый коэффициент линейного расширения (далее – КЛР), определяющий размерную стабильность и, следовательно, точность прибора в рабочем интервале температур.

Сплавы с малыми значениями коэффициента линейного расширения широко используются в микроволновой технике, приборостроении, часовой промышленности, измерительной технике, вакуумной технике, автоматике, лазерной технике, кораблестроении и т.д. Сплавы с КЛР, близким к нулю, применяют в метрологии (рабочие эталоны длины и линейки), электронике, для изготовления деталей с высокой стабильностью размеров в интервале температур от 4,2 до 420 К, для изготовления де­талей, работающих при низкой температуре и труб в криогенной технике, для нагруженных деталей высокоточных при­боров, для герметизированных магнитоуправляемых контактов, а также для точных пружин. Сплавы с низким КЛР предназначены для вакуумноплотных соединений с неорганическими диэлектриками - стеклом, керамикой, сапфи­ром, слюдой и т.д.



Эталоном сплавов с низким КЛР остается инвар, разработанный Ш. Гильомом в 1896 году. Этот сплав, содержащий наряду с Fe-основой 36% Ni, обладает до сих пор не объясненной аномалией линейного расширения ( = 1,010-6 град-1 при температурах испытания 50 100 С). Высокая стоимость, сложность технологической обработки и высокая плотность обусловили проблему разработки сплавов, способных в ряде случаев заменить инвар. Однако, разработки, проводимые по пути количественного и качественного увеличения легирующих элементов (вплоть до внесения 25% платины и палладия), привели к созданию целого класса материалов, обладающих инварным эффектом (ковары, суперинвары и др.), но не сняли основных проблем технологического и экономического плана и не восполнили пробела в понимании физической сущности аномалии.

В то же время, показано (С.Н. Новикова и др.), что коэффициентом линейного расширения, близким к нулю, при температурах порядка 4 – 10 К обладают все металлы, в том числе и железо. Причем КЛР железа практически не зависит от содержащихся в нем традиционных легирующих добавок. Исключение составляет хром, как известно (Э. Гудремон), увеличивающий содержание азота в стали. Также несущественно влияние на КЛР количества углерода, что может быть важным при изучении теплового расширения широко распространенных железных сплавов – чугунов и сталей, ресурс свойств которых и по сей день остается невыработанным.

Таким образом, возникает необходимость поиска возможностей придания железу, не содержащему дорогостоящих легирующих элементов, значений коэффициента линейного расширения, характерных для сплавов системы Fe-Ni. Одной из таких возможностей является регулирование содержания водорода, азота и кислорода в материале путем проведения термической и химико-термической обработки. Это обусловлено тем, что, как показано во многих работах фундаментального и прикладного характера, основное влияние на формирование свойств металлов и сплавов, в том числе теплового расширения, оказывают элементы внедрения.

Разработанные способы снижения коэффициента линейного расширения железа позволят заменить им дорогостоящие инвары.

Цель работы. Изучить влияние термической и химико-термической обработки на тепловое расширение высокочистого железа. Разработать оптимальные режимы обработки для снижения коэффициента линейного расширения железа без применения дорогостоящего легирования.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты:

  1. Проведен систематический анализ влияния термической и химико-термической обработки на тепловое расширение высокочистого железа 008ЖР.
  2. Установлено, что коэффициент линейного расширения, микроструктура и механические свойства железа зависят от содержащихся в нем водорода, азота и кислорода.
  3. Изучено влияние нагрева в интервале 20 – 950°С в воздушной среде на свойства железа 008ЖР. Выявлены интервалы охрупчивания при 200 – 400°С и 750 – 850°С, выражающиеся в снижении прочности и пластичности с соответствующим изменением содержания водорода, азота и кислорода.
  4. Показана возможность увеличения прочности и пластичности железа путем нагрева в средах с повышенным содержанием кислорода, что согласуется с механизмом У. Эванса, по которому перераспределение водорода внутри металла обусловлено действием кислорода окружающей среды.
  5. Установлено, что нагрев в средах с повышенным содержанием азота позволяет снизить коэффициент линейного расширения железа до значений = 0,710-6град-1 (tисп = 350 – 400°С), характерных для сплавов инварного класса при температурах испытания 50 – 100°С.
  6. Впервые установлено наличие аномалий теплового расширения высокочистого железа при температурах испытания 150°С и 300°С, при которых происходит процесс сжатия до = -1,210-6град-1 и = -3,810-6 град-1 соответственно. Указанные аномалии проявляются после применения химико-термической обработки, в которой активным веществом являются углеводороды.

Практическая значимость. Разработана технология проведения химико-термической обработки, позволяющая значительно снизить коэффициент линейного расширения высокочистого железа. Она включает нагрев, выдержку и охлаждение и отличается тем, что нагрев проводят при температуре 900 – 1000°С, а каждый цикл включает в себя две стадии: нагрев, выдержка в среде бондюжского карбюризатора 0,5 – 1 ч с охлаждением на воздухе, затем нагрев, выдержка 5 – 15 мин и охлаждение в холодной воде, при этом число циклов может составлять до 5. Разработанная технология может быть использована в различных областях техники, в первую очередь, в точном машиностроении и приборостроении. Первоначальными объектами исследования были приняты белый и серый чугун, при изучении которых установлено наличие возможностей снижения коэффициента линейного расширения посредством термоциклической обработки.

Предмет защиты.

  1. Особенности линейного расширения высокочистого железа в связи с различными видами термической и химико-термической обработки.
  2. Закономерности влияния термической обработки на микроструктуру, механические характеристики железа и содержание водорода, азота и кислорода.
  3. Воздействие циклической химико-термической обработки на линейное расширение высокочистого железа.

Достоверность основных научных выводов и практических результатов диссертации основывается на использовании научно обоснованных методах исследования и не противоречит известным научным результатам других исследователей в близких областях металлургической науки.

Лично диссертантом проведен анализ литературных данных по получению, применению и свойствам высокочистого железа. Сделан вывод о том, что ведущую роль в формировании свойств играют водород, азот и кислород. Изучены современные положения о тепловом расширении сплавов на основе железа. Рассмотрено влияние нагрева в воздушной и кислородсодержащих (кипящая Н2О, диоксид кремния) средах на микроструктуру и механические свойства железа 008ЖР, отмечена их зависимость от газосодержания. Применен способ химико-термической обработки, включающий нагрев в высокоазотистой среде (мочевина), который снижает коэффициент линейного расширения железа до значений = 0,710-6 град-1 при температурах испытания 350 – 400°С. Впервые установлен эффект сжатия железа при нагреве после проведения обработки в среде углеводородов (карбюризатор) в интервале температур 900 – 1000°С в течение различного времени и последующего быстрого охлаждения (в холодную воду). Установлено, что наиболее сильно аномалии теплового расширения проявляются при циклической химико-термической обработке. Кроме того проведение принятой обработки циклически позволяет утверждать, что полученные результаты могут быть высоко оценены с позиций достоверности. Разработана комплексная термическая обработка, заключавшаяся в нагреве в мочевине в течение 10 ч и, после полного охлаждения, повторного нагрева в твердом карбюризаторе (930 °С, 1 ч) и закалке с 1000 °С в холодную воду, которая также приводит к появлению аномалий при 150 и 300°С.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 1 международной и 9 всероссийских научно-технических конференциях и семинарах.

Представленная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлению «Естественные науки» в рамках мероприятия 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» по Государственному контракту № П1906 от 29 октября 2009. Наименование исследований: Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение. Наименование проблемы исследования: «Физические основы закономерностей влияние внешних энергетических воздействий на линейное расширение высокочистого железа и углеродистых сталей». Кроме того, работа выполнялась в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 годы) по проекту «Создание теоретических положений о расширении и сжатии металлических сплавов с применением нанотехнологий при контролируемых энергетических воздействиях».

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 печатной работе, в том числе 1 учебное пособие и 9 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций, и защищено 3 патентами на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, изложена на 251 странице машинописного текста, содержит 110 рисунков, 75 таблиц, список литературы из 235 наименований и приложение на 1 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ литературных данных по получению, применению и свойствам высокочистого железа. Сделан вывод о том, что ведущую роль в формировании свойств играют водород, азот и кислород. Рассмотрены современные положения о тепловом расширении сплавов на основе железа. Отмечено, что в температурном интервале эксплуатации большинства деталей коэффициент линейного расширения = 0110-6 град-1 имеют только железные сплавы с высоким содержанием никеля (инвары). Вопрос о снижении коэффициента линейного расширения железа путем термической и химико-термической обработки без применения легирования практически не изучен.





Во второй главе приведены материалы и методика их исследования. Изучалось железо высокой степени чистоты марки 008ЖР производства ОАО «Сибэлектросталь». Термическая обработка предусматривала нагревы в воздушной среде, в кипящей H2O, в диоксиде кремния, в мочевине, в твердых карбюризаторах. При обработке варьировались время выдержки и среда охлаждения. Металлографический анализ проводили с помощью многофункционального оптического микроскопа «ОРТОN» с выходом (с помощью видеокамеры «SIМЕNS») на ПК «АТНLОN ХР 2000+». В отдельных случаях изучение микроструктуры и съемка ее на негативную пленку проводились на оптическом металлографическом микроскопе МБИ-6 при увеличениях 100 и 260. Временное сопротивление разрыву, условный предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение в шейке определялись с помощью машины МР-500 (при нагрузке 5 т). Твердость железа до и после термообработки измерялась методом Роквелла. Плотность определяли методом гидростатического взвешивания. Коэффициенты линейного расширения были определены на оптическом дифференциальном дилатометре Шевенара. Определение содержания водорода, азота и кислорода выполнялось в условиях Юргинского машиностроительного завода на вакуумной установке горячей экстракции «Эволограф VH-9» системы Хереуса-Файхтингера.

В третьей главе приведены результаты влияния нагрева в воздушной среде в интервале 20 – 950°С на содержание водорода, азота и кислорода, механические свойства, микроструктуру и линейное расширение высокочистого железа 008ЖР. Нагрев железа позволил выявить два интервала охрупчивания, выражающихся в снижении прочности и пластичности (

рисунок 1 и 2). Охрупчивание после нагрева в первом интервале (200 – 400°С) происходит за счет новых выделений («субструктуры»), предположительно образующихся при взаимодействии водорода, азота и кислорода, количество которых после нагрева при 200°С наименьшее. Из рисунка 3 (б, в) видно, резко увеличивается травимость шлифов, а внутри многих зерен наблюдаются новые образования. Второй интервал охрупчивания (750 – 850°С) обусловлен образованием крупнозернистой микроструктуры (рисунок 3, е – з) за счет увеличения количества азота и кислорода с соответствующим уменьшением водорода (см. рисунок 4). Показано, что существует определенная связь между данными газоанализатора и гидростатического взвешивания (одного из первых простейших методов определения газонасыщенности металлов и сплавов). Максимальному образованию продуктов взаимодействия водорода, азота и кислорода сопутствует резкое уменьшение плотности. После растворения этих продуктов (450°С) плотность увеличивается.

Определено, что коэффициент линейного расширения железа после нагрева в интервале 20 – 1000°С существенно не изменяется. Последующая обработка, заключавшаяся в нагреве до 1000°С, кратковременной ( = 3 мин.) выдержке и охлаждении в холодную воду также не приводит к изменению КЛР.

 -- 0,2; -- В  Влияние-2  -- 0,2; -- В  Влияние-3
-- 0,2; -- В

Рисунок 1 – Влияние нагрева в интервале 100 – 950°С (=10 ч, воздух) на прочность железа 008ЖР

-- ; --

Рисунок 2 – Влияние нагрева в интервале 100 – 950°С (=10 ч, воздух) на пластичность железа 008ЖР

а б
в г
д е
ж з
а – без нагрева, б – 200°С, в – 350°С, г – 500°С, д – 600°С, е – 800°С, ж – 900°С, з – 950°С. 260

Рисунок 3 – Влияние нагрева на микроструктуру железа 008ЖР



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.