Модифицирование свойств поверхности низкоуглеродистой стали электрической дугой низкого давления

• Автор: Демиденко, Виталий Викторович
• Шифр специальности: 01.04.07, 05.02.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 128 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Методы очистки и подготовки поверхности конструкционных у сталей
1.1. Строение и механизм образования окалины на поверхности
стали
1.2. Традиционные методы очистки поверхности изделий из сталей
1.3. Термическая обработка поверхности
1.4. Пучково-плазменные технологии очистки и подготовки поверхности
1.5. Вакуумно-дуговой метод очистки и подготовки поверхности
Выводы
Постановка задачи исследования
Глава 2. Установка «ВДО-1» электродуговой очистки и подготовки поверхности конструкционных сталей и методика проведения исследований
2.1. Конструкция и принцип действия
2.2. Определение параметров режима работы установки «ВДО-1» по обработке листового проката из стали СтЗ
2.3. Методика проведения экспериментов на установке «ВДО-1» т
и исследования поверхности проката
Глава 3. Исследование поверхности листового проката из низкоуглеродистой стали, модифицированного дугой низкого давления с графитовым анодом 70
3.1. Исследование морфологии поверхности
3.2. Исследование микроструктуры и физико-механических свойств приповерхностного слоя
3.3. Изменение элементного состава приповерхностного слоя
3.4. Изменение структуры и фазового состава приповерхностного слоя. Формирование фаз на основе железа
3.5. Формирование кристаллических форм углерода в
приповерхностном' слое
Выводы
Глава 4. Влияние химико-термической обработки дугой низкого давления поверхности низкоуглеродистой стали на её коррозионную
стойкость и адгезионные свойства
4.1. Атмосферная коррозия
4.2. Химическая коррозия в органической среде
4.3. Электрохимическая коррозия в растворе электролита
4.4. Исследование адгезии лакокрасочного покрытия,
нанесенного на стальные подложки
Выводы
Заключение
Литература
Приложение

Введение
Актуальность работы. В различных отраслях промышленности актуальным вопросом является подготовка поверхности под последующие технологические операции, в том числе удаление окалины, окисной пленки и органических загрязнений с поверхности изделий металлопроката. Традиционные методы очистки как правило дороги и связаны с использованием либо активных химических реагентов, либо механических способов. Первые экологически опасны, так как вызывают загрязнение окружающей среды. Вторые не всегда обеспечивают требуемое качество очистки и мало пригодны для обработки изделий фасонного профиля. Их общим недостатком является интенсивная коррозия поверхности изделий в атмосфере влажного воздуха.
Альтернативным методом подготовки металлопроката' для-1-; для последующих технологических процессов в промышленности является обработка поверхности дуговым разрядом низкого давления. Этот метод позволяет не только очищать поверхность проката от оксидов и органических загрязнений, но и одновременно изменять свойства поверхностного слоя сталей и сплавов. Работы в данном направлении ведутся в разных фирмах и научных учреждениях РФ (Институт проблем машиноведения РАН г. Санкт-Петербург, МАТИ-РГТУ г. Москва, Сибирский государственный аэрокосмический университет г. Красноярск и т. д.) и за рубежом. Ими показана высокая степень очистки поверхности проката от любых загрязнений, сочетающейся с приемлемой производительностью и экологической чистотой вакуумно-дуговой обработки.
Данная работа посвящена изучению эффективности обработки стали дугой низкого давления с графитовым анодом и определению физико-механических и химических свойств модифицированного приповерхностного слоя с целью разработки технологии подготовки поверхности нелегированных сталей для последующих технологических операций, связанных с механической обработкой, сваркой и нанесением защитных покрытий или длительного хранения.

Целью работы является исследование физико-механических и химических свойств поверхностного слоя листового проката из низкоуглеродистой стали, обработанного электрической дугой низкого давления.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
1. Исследование влияния дуговой обработки на микроструктуру, элементный и фазовый состав поверхностного слоя низкоуглеродистой стали, а также его физико-механические характеристики (микротвердость, однородность свойств, адгезия и т. д.).
2. Изучение химических свойств обработанной поверхности: коррозионной стойкости в условиях городской атмосферы и других средах (органическая, нейтральная, морская вода).
Научная новизна работы заключается в одновременном определении комплекса физико-механических (включая адгезию) и химических (коррозионная стойкость) свойств и характеристик поверхностного слоя низкоуглеродистой стали, модифицированной дугой низкого давления в азоте с графитовым анодом, необходимых для промышленного применения:
1. Обработка дуговым разрядом низкого давления в азоте с графитовым анодом приводит к изменению практически всех физико-механических и химических свойств приповерхностного слоя вследствие термодинамически неравновесного процесса воздействия катодных пятен при одновременном насыщении поверхности атомарным и молекулярным углеродом.
2. Дифракционными и спектроскопическими методами установлено, что модифицированный слой имеет фазовый состав, принципиально отличающийся от полученного плавкой в дуговых печах с науглероживанием, содержит большое количество несвязанного углерода, частично аморфизированного, со следами фуллерита Сбо и отсутствии фаз графита, аустенита и мартенсита.

позволяет сделать вывод о возможности очистки изделий практически любой конфигурации поверхности при соответствующих режимах очистки и конструкциях электродов. Установлено, что шероховатость поверхности после ВДО существенно зависит от режимов обработки. После ухода или распада катодных пятен прогретые участки металла интенсивно охлаждаются, причем скорость охлаждения на различных расстояниях от поверхности и центра пятна будет различаться, что приводит к образованию слоев с измененной структурой — «белых слоев», обладающих повышенными физико-механическими свойствами. Анализ результатов произведенных расчетов показывает, что увеличение силы тока дуги приводит к значительному дроблению блоков мозаики, происходит уменьшение размеров кристаллов, в то время как микроискажения решетки изменяются слабо. Такая зависимость, наблюдается до определенных величин тока разряда. После пороговых величин тока происходит обратное явление: резко увеличиваются размеры блоков, что связано с явлением отпуска из-за перегрева. При этом микротвердость резко падает. Величина тока, при котором наблюдается отпуск, в сильной степени будет зависеть от массивности обрабатываемого образца.
Объектом исследования авторов-. [109] служили различные углеродистые стали в исходном отожженном состоянии: сталь 20, 40, 65Г и У8. Образцы в виде пластин размерами 50x40x7 мм обрабатывались как с оплавлением поверхности, так и без оплавления. Обработка поверхности осуществлялась электрической дугой, возбуждаемой между образцом и электродом дуговой горелки. В качестве материала электрода использовались вольфрам и графит. Скорость V относительного перемещения образца и дуги изменялась от 0,01 до 0,5 м/с. Обработка проводилась при токе дуги / = (100 - 200) А и напряжении дуги и = (36 - 40) В. При обработке низкоуглеродистой стали 20 электрической дугой с вольфрамовым электродом при скорости относительного перемещения детали до 0,01 м/с образуется упрочненный слой толщиной до 300 мкм. Его микротвердость плавно снижается по глубине от 5,3 до 2,3 ГПа. В стали 40, исходная структура которой содержит примерно одинаковое количество феррита и перлита, упроченная зона