Основным способом получения требуемых эксплуатационных характеристик металлических изделий (прочность при соответствующей пластичности или пластичность при соответствующей прочности) является стандартная термообработка. Термообработка является неотъемлемой частью цепочки технологического процесса производства заготовок, полуфабрикатов и деталей различного назначения из металлов и сплавов. Термообработка способствует формированию необходимых эксплуатационных свойств готовых деталей, а также обеспечивает благоприятные условия для последующей обработки заготовок и полуфабрикатов, непосредственно меняя структуру металлического изделия.
На рынке металлообработки в качестве упрочняющей технологии используется стандартная термообработка (классический способ упрочнения, определяющий основные свойства металлов и сплавов) и ультразвуковое упрочнение (дополнительная поверхностная обработка). Стандартная термообработка основана на температурном воздействии на материалы с целью изменения его микроструктуры, а в следствии этого и физико-механические свойства. Ультразвуковое упрочнение основано на наклепе поверхностных слоев материала, т. е. упрочнении в результате пластической деформации, вызванной действием ультразвука. Эти способы упрочнения используются, как две самостоятельные технологии, совместное применение которых не позволяет достичь высокого уровня прочности без потери свойств пластичности материалов. Также условия труда в цеху термообработки сопряжены с вредными и опасными факторами: взрывоопасность и вредные испарения при охлаждении изделий во вредных охлаждающих жидкостях (различные масла, полимерные жидкости и т. д.). Например, наиболее распространенный метод охлаждения изделий после закалки — масло и последующее вдыхание летучих углеводородов, входящих в состав масел и образующихся при закалке нагретых деталей, вызывает общую слабость, усталость, головную боль, поэтому важно минимизировать и исключить вредное воздействие на рабочего, также существует проблема утилизации отходов.
Аэротермоакустическая обработка как упрочняющая обработка представляют собой организованную определенным образом термообработку в мощном акустическом поле звукового диапазона частот, при одновременном воздействии потока газа. Технология аэротермоакустической обработки является комбинированным средством воздействия на свойства металлов и сплавов. Аэротермоакустическая обработка представляет собой совокупное воздействие термообработки материалов и сопровождающееся действием акустических полей в расширяющемся потоке газа. Так аэротермоакустическая обработка позволит отказаться при проведении закалки металлов сплавов от вредных охлаждающих сред (различных масел и полимерных жидкостей), т. к. данная технология основана на охлаждении, предварительно нагретых деталей, в расширяющемся потоке газа при наличии мощных акустических полей.
В настоящей работе разрабатывался способ термической обработки, комбинированной с другими технологиями, для получения повышенных свойств изделий из металлов и сплавов, при помощи мощного воздушно-звукового воздействия. Для осуществления подобного воздействия применялась установка, генерирующая мощное акустическое поле и одновременно высокоскоростные воздушные потоки. Функционирование технологии (создание мощных акустических полей) осуществляется с помощью рабочего газа (воздух).
Принципиальная схема установки для проведения упрочняющей термической обработки представлена на рисунке 1.
а)
б)
Рис. 1. а) схема газоструйного генератора звука; б) опытная модель газоструйного генератора звука
Установка включает: камеру резонатора 1, с клином 2, изменение положения которого позволяет варьировать параметры обработки. Резонатор соединен с ресивером 3, в который через штуцер 4 поступает сжатый воздух, давление которого контролируется с помощью манометра, соединяемого с дополнительным штуцером. Ресивер регулирует давление воздуха, поступающего через сопловой блок 5 в резонатор газоструйного генератора звука, в который помещается заготовка 6.
Устройство работает следующим образом: заготовку нагревают до определенной температуры в стандартной электропечи (могут быть использованы вакуумные печи или индукционный нагрев). Предварительно нагретая заготовка подвергается охлаждению в резонаторе 1, имеющий вид камеры, на открытом конце которой установлен клин 2. Перемещение клина ведет настройку амплитудо-частотных характеристик генерируемых акустических полей. Создание акустических полей в резонаторе 1 осуществляется с помощью рабочего газа, подаваемого в ресивер 3 через штуцер 4 с последующим истечением его через сопловой блок 5 над полостью резонатора 1.
Применение технологии аэротермоакустической обработки способствует повышенным показателям прочности по сравнению со стандартной термообработкой или исходными свойствами при необходимой пластичности за счет обеспечения определенных значений и стабильности амплитудо-частотных характеристик газоструйного генератора звука.
Благодаря новому подходу к формированию физико-механических свойств металлов и сплавов посредством аэротермоакустической обработки (АТАО), существует возможность существенно повысить (до 30 %) их прочностные характеристики при сохранении свойств пластичности, а в следствии этого повысить несущую способность готовой продукции.
В качестве конечного продукта разрабатывается макет программно-аппаратного комплекса аэротермоакустической обработки образцов и изделий, рекомендованные режимы обработки с помощью технологии аэротермоакустической обработки для исходного материала.
