Слоев при плазменном упрочнении после закалки ТВЧ

1- слой плазменного (воздействия

2- отпущенный слой

3- слой закалки ТВЧ.

Более сложный композиционный рабочий слой образуется после комбина­ции:

 - объемная закалка + плазменная закалка + лазерная закалка + отпуск

 (температура отпуска 200° С);

- закалка ТВЧ + отпуск + плазменная закалка + лазерная закалка + отпуск

 (температура отпуска 200° С);

- закалка ТВЧ +отпуск + плазменная закалка+ лазерная закалка

 (температура отпуска 200° С).

 Каждый из способов в отдельности обеспечивает определенную глубину упрочненного слоя и степень дисперсности мартенсита в нем

  Z _ТВЧ › Z _П.З. › Z _Л.З., d _ТВЧ › d _П.З. › d _Л.З.

где Z - глубина упрочненного слоя после закалки ТВЧ, плазменный и лазер­ный соответственно;

d - размер зерна после закалки ТВЧ, плазменной и лазерной соответст­венно.

Использование этих способов в определенной комбинации позволяет повысить микротвердость рабочей поверхности и трещиностойкость. Повышение трещиностойкости обусловлено увеличением степени дисперсности мартенсита, т.к. критическое напряжение хрупкому разрушению обратно пропорционально размеру

зерна. Кроме того, образование нескольких слоев в упрочненном слое, после комплексной обработки, (с различными структурными составляющими) изменяет микромеханизм разрушения, рис. 2.48. Трещины, распространяющиеся от поверхности в глубь упрочненного слоя, при переходе из твердого и хрупкого слоя лазерной за­калки тормозятся в мягком и пластинчатом слое отпуска.

Рис. 2.49. Схема расположения упрочненных слоев

И распространения микротвердости по глубине после комплексной обработки

1,З,5 - слой лазерной, плазменной и ТВЧ закалки,

Отпущенные слои,

Основной металл

Несмотря на усложнение технологии упрочнения, комплексная обработка по­зволяет регулировать эксплуатационные характеристики в достаточно широких пределах, что позволяет добиться благоприятного соотношения параметров проч­ности, пластичности и трещиностойкости.

Более высокий комплекс механических свойств металлов и сплавов достигает­ся совмещением различных средств воздействия на структуру (например, термиче­ское и деформационное воздействие).

Аустенит, образующийся при плазменном нагреве, обладают более развитой субструктурой. Дальнейшее деформирование такого аустенита при высокой температуре приведет к значительным изменениям в субструктуре после закалки, Кроме того, микронеоднородность аустенита, образующегося при плазменном нагреве (вследствие частичной гомогенизации), при его дальнейшем деформировании приво­дит к образованию мелкой текстуры неоднородностей, что усложняет морфологию мартенсита после закалки.

Для оценки влияния предварительной деформации на степень измельчения зерна аустенита после плазменного упрочнения, была выбрана сталь 45. Образцы готовили волочением заготовок одинаковой исходной структуры и разных разме­ров, с целью получения требуемых деформаций от 0 до 90 %. Параллельно исследо­вались образцы после плазменного упрочнения без деформации.

В результате проведенных исследований построенные пространственные диаграммы, учитывающие влияние скорости нагрева, степени деформации на размер аустенитного зерна, рис.2.50

Рис. 2.50. Зависимость величины зерна аустенита в

стали 45 от степени предварительной пластической

Деформации скорости нагрева при

Плазменном упрочнении

Из диаграммы видно, что по мере увеличения скорости нагрева и степени деформации, процесс измельчения зерна стабилизируется. Наиболее сильное измельчение зерна происходит в интервале скоростей нагрева 10-10, при степени деформации от 10 до 60%.

Эффект измельчения зерна при такой комплексной обработке заключается в том, что вследствие предварительной пластической деформации структура аустенита становится более однородной, в связи с уменьшением количества аномально больших зерен и их предварительного размера. По мере увеличения скорости нагрева, степень деформации оказывает сильное влияние на размеры зерна. Чем дисперснее структура к началу

α→γ -превращения, тем более мелкозернистым получа­ется аустенит.

При распаде такого аустенита получается высокодисперсный мартенсит, отличающийся более высокими механическими свойствами.

Проведенные исследования показали, что с увеличением степени деформи­рования и скорости нагрева в упрочненном слое возрастает плотность дефектов кристаллической структуры. Кроме того, эффект измельчения зерна аустенита наи­более сильно проявляется при обработке сталей с грубодисперсной структурой (в закаленных сталях эффект измельчения проявляется незначительно.

На рис. 2.51. Приведены данные о влиянии предварительного деформирования

стлали 45 на микротвердость упрочненного слоя после плазменной закалки. Повышение микротвердости связано с наследованием аустенитом дислокационной структуры деформирования α - фазы. Электронно-микроскопичесикй анализ показал, что в упрочненном слое размеры игл мартенсита сильно уменьшены, по сравнению с простой плазменной закалкой. С увеличением степени деформации вели­чина относительного измельчения возрастает.

Рис. 2.51. Влияние предварительной пластической деформации

на миктотвердость упрочненного слоя на стали 45 (плазменное упрочнение без оплавления) 1- 20% деформации; 2- 50% деформации; 3- 85% деформации

Многообразие возможных вариантов комбинированного воздействия (термического и деформационного) на структуру, позволяет формировать в широких пределах окончательные свойства детали. При разработке технологических вариантов основные параметры (температура нагрева, скорость нагрева, степень де формации) должны выбираться из расчета достижения максимального эффекта измельчения зерна аустенита. Усложнение технологии упрочнения компенсируется высоким механическими свойствами обработанных деталей. На практике возможно осуществить следующие варианты:

- холодная пластическая деформация + отжиг + плазменная закалка + отпуск:

- плазменная закалка + деформация (в интервале температур Аr₃ и Аr1) +отпуск,

- плазменная закалка + отпуск + деформация;

- объемная обработка + отпуск + холодная пластическая деформация + от­жиг + плазменное упрочнение.

Эффективность применения плазменного поверхностного упрочнения с целью повышения износостойкости изделий во многом зависит от соотношения глу­бины упрочненной зоны Zк допустимой величине износа h. Для большинства изделий глубина упрочнения во много раз меньше, чем износ.Поэтому плазменное поверхностное упрочнение целесообразно использовать в комплексе с операцией наплавки. Применение комплексной технологии упрочнения (наплавка + плазменное упрочнение) позволяет в очень больших пределах регулировать не только глу­бину, но и структуру наплавленного металла. Основные подходы к выбору наплавленного металла сформулированы в работе [9].

Первый подход состоит в использовании низко- или среднеуглеродистых низколегированных сталей (применяемых для восстановления геометрических раз­меров детали) типа 18ХГС, З0ХГСА и т.д.

Второй подход - использование низко- или среднеуглеродистых среднелегированных сталей мартенситного или мартенситно-карбидного класса типа 10Х5МТ, ЗОХ2М2ЕФ и т.д.

Выбор этих сталей определяется экономным легированием, обеспечивающим износостойкость при нормальной и повышенной температуре, теплостойкость, ударную вязкость и т.д. [9].

Металл, наплавленный проволокой Св-З0ХГСА под флюсами АН-60, АН-348А, ОСЦ45, АН-26 и др. в исходном состоянии имеет невысокую микротвер­дость – 1950-2800 Мпа. Последующая операция упрочнения повышает значение микротвердости до 5000-7100 МПа, Наплавка стали 3 проволокой Св-08Г2С,

Св-10ГА, Св- 18ХГСА, Св-18ХМА в среде углекислого газа не позволяет получить вы­сокую твердость наплавленного слоя. Последующая операция плазменного упроч­нения увеличивает микротвердость до 5000-8000 МПа. При наплавке порошковой проволокой ПП-АН-124, наплавленный металл имеет микротвердость порядка 6000-7500 МПа, после плазменного упрочнения микротвердость наплавленного ме­талла возрастает до 7700-8900 Мпа.

Использование плазменного поверхностного легирования (азот, углерод, бор и т.д.) позволяет повысить микротвердость наплавленного слоя в 2-5 раза, по сравнению с исходным состоянием. Так, сталь 20, наплавленной проволоки Св-08А под флюсом

АН-60 после плазменной нитроцементации из газовой фазы имеет микротвердость 7000-9000 МПа.

Часто, на практике, при восстановлении геометрических размеров изделий требуется, чтобы наплавленный металл механически хорошо обрабатывался и в то же время имел высокую износостойкость. Например, при наплавке колесных пар железнодорожного транспорта используется проволока Св-08А, Св-08ХМ, Св-10Г2,

Св-18ХГСА ифлюсы АН-60, АНЦ-1, АН-348 А, АНК-18, смеси этих флюсов_э а также смеси флюса АНК-18 с кварцевым песком. В зависимости от режимов наплавки и материалов, содержание химических элементов в наплавленном металле изменяется в очень широких пределах: С 0,04-0,7 %, Si 0,1-0,5 %, Мn 0,7-1,6 %, Сr 0,07-2,8 %. Это позволяет получать в наплавленном слое различные структурные составляющие (феррит - перлит - сорбит - тростит - бейнит - мартенсит) с различ­ной твердостью от 190 до 600 НВ.

Оптимальная твердость наплавленного металла, обеспечивающая хорошую обрабатываемость и незначительное повышение износостойкости в процессе экс­плуатации, находится в пределах НВ 240-280. Дальнейшее повышение твердости можно обеспечить при помощи плазменного упрочнения на глубину 3-4 мм с твер­достью закаленного слоя HRС 45-62 в зависимости от условий эксплуатации.

Выбирая состав наплавленного металла для последующего плазменного упрочнения, необходимо учитывать условия эксплуатации изделия. Повышение со­держания углерода до 0,4-1 % приводит к росту твердости и износостойкости, однако трещиностойкость наплавленного и упрочненного металла резко падает, Повысить трещиностойкость удается, наплавляя на изделие материалы, подвергающиеся закалке имеющие вязкость разрушения большую, чем материалы изделия (30ХГСА, 15Х3МФ, 25Х5ФМС и др.). [9]

По мнению [9], применение технологии наплавки к упрочнения позволяет чередовать прочные и мягкие слои, что создает возможность затормозить распро­странение трещины в результате изменения напряженно- деформированного состояния в ее вершине. Остановка трещины по механизму образования микрорасслоения на границе слоев с различными физико-химическими свойствами происходит из-за разного увеличения радиуса ее вершины [9].

Таким образом, использование при восстановлении изделий комплексной технологии наплавки и плазменного упрочнения позволяет повысить износостой­кость и трещиностойкость восстановленных деталей машин и инструментов. Плазменное поверхностное упрочнение позволяет повысить эксплуатацион­ные свойства напыленных покрытий (прочность сцепления, микротвердость, изно­состойкость) [9]. При напылении, покрытие и основной металл практически всегда являются разнородными по составу и свойствам. Высокий градиент свойств на гра­нице покрытие - основной металл существенно снижает прочность сцепления. По­сле плазменного упрочнения (без оплавления) покрытия, его микроструктура стано­вится мелкодисперсной с равномерно распределенными карбидами легирующих элементов. На границе покрытие - основной металл происходит выравнивание свойств. Устраняется характерный для такого типа соединений скачок миквотвердости, способствующий отслоению покрытий.

Проведенные эксперименты с металлизационными покрытиями (30ХГСА, 65Г) показали, что после плазменного упрочнения без оплавления покрытия, прочность сцепления (штифтовая проба) напыленного слоя с подложкой повы­силась на 15-30%.При использовании комплексной технологии (металлизация + плазменное упрочнение + холодное прессование) удается значительно повысить прочность сцепления (на 30-50 %) напыленного слоя с основным металлом. Покры­тие приобретает однородную мелкодисперсную структуру без пор и пустот. Износостойкость таких покрытий повысилась в 1,5-2 раза, что показывает перспектив­ность использования плазменного упрочнения при обработке напыленных покрытий.

 

  2.4. Свойства сталей после плазменного упрочнения

 

Основная цель поверхностного упрочнения концентрированными потоками энергии сталей, чугунов, цветных сплавов, является повышение износостойкости. Однако, высоко дисперсный структура упрочненного поверхностного слоя металла, характеризующуюся высокой твердостью, оказывает определенное влияние на изменение не только износостойкости, но и других механических свойств (прочность, пластичность, выносливость, трещиностойкость) тепло- и коррозиностойкость. Кроме того, работоспособность многих деталей часто зависит не только от механи­ческих свойств, сколько от физических. Так, например, стойкость режущего инструмента тем выше, чем меньше тепло- и температуропроводность инструментальной стали.

В случае низкой теплопроводности разогрев режущей кромки инстру­мента меньше, так как теплоотвод осуществляется больше стружкой, чем инстру­ментом.

Влияние поверхностного упрочнения на механические и физические свойст­ва металлов и сплавов наиболее широко исследовано для случая лазерного термоупрочнения [1, 15, 16. 32, 35,48-50], в меньшей степени для электронно-лучевого упрочнения 52-56. Применительно к плазменному упрочнению, таких работ очень мало [9, 24, 25, 51].

Анализ многочисленных работ по поверхностному упрочнению концентри­рованными источниками нагрева сталей 09Г2С, 3, 26, 30, 45, 60,4СХ, 65Г, ЗОХГСА, 9ХФМ, У8, У10, У12, 65ХЗМФ, ШХ15, 38ХС, ХВГ показывает, что упрочнение в большинстве случаев снижает прочные характеристики (σ_в, σ₀₂) на 5-40 %,характеристики пластичности на 150-300 % ³. Установлено, что ударная вязкость стали 09Г2С снижается на 10-15 %, стали 20 на 15=20 %, стали 45, 60, 40Х, 65Г

на 40-70 %, стали У8,У10, 9ХФ на 50-70 %. Снижение ударной вязкости обусловлено вы­сокой хрупкостью закаленного слоя и, как следствие этого, очень низким значени­ем работы зарождения трещины в этом слое.

 

  Табл. 2.17

 

Материал	Кн	КС Мдж/м2	КС3 Мдж/м2	КСр Мдж/м2	υ м/с	Р max, кН	РсД кН	К1сД Мпа/м1/2
30ХГСА (наплавка)   45     50ХН     65Х3ФМ     9ХФ	1,0 2,0 3,5 1,0 2,0 4,7 1,0 1,8 4,5 1,0 1,7 4,7 1,0 1,7 3,8	0,18 0,13 0,11 0,36 0,18 0,13 0,51 0,19 0,19 0,24 0,10 0,08 0,11 0,08 0,07	0,14 0,10 0,07 0,33 0,15 0,10 0,37 0,12 0,10 0,20 0,07 0,06 0,09 0,06 0,02	0,04 0,03 0,04 0,03 0,03 0,03 0,14 0,07 0,09 0,04 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02	250 240 240 200 190 200 70 77 66 230 240 230 270 300 300	10,20 9,39 8,75 7,80 7,00 7,50 7,60 6,30 5,50 7,20 6,00 5,60 6,60 6,56 5,10	9,15 8,11 7,43 7,15 5,70 5,35 6,45 5,20 4,40 6,35 5,10 4,75 5,35 5,75 4,20	23,3 20,6 18,9 18,2 14,5 13,6 15,4 13,2 11,2 16,1 12,9 12,1 13,6 14,6 10,7
Степень повышения твердости Кн = Нупр/ Нисх, КС – ударная вязкость, КС3 – работа зарождения трещины, КСр – работа распространения трещины, Рmax – максимальное усилие разрушения, РсД – расчетное разрушающее усилие, υ – скорость распространения трещины, К1сД – критический коэффициент интенсивности напряжений.

 

Испытания на трещиностойкость табл. 2.17. упрочненных сталей 45, ЗОХГСА, 5ЭХР1, 9ХФ, 65ХЗМФ показали [9], что процесс разрушения этих сталей происходит в несколько этапов. Субмикроскопическая трещина зарождается, растет в закален­ной зоне и останавливается в переходной зоне (более пластичной) упрочненного слоя. Для дальнейшего ее распространения необходимы существенно большие уси­лия, чем усилим зарождения в закаленном слое. Качественный анализ диаграмм раз­рушения и фрактографический анализ изломов показал, что разрушение упрочненных сталей с содержанием углерода до 0,9 %, происходит по механизму «множественного» разрушения с торможением трещины в переходной зоне по механизму искривления траектории. Эффект торможения трещины не приводит к повышению трещиностойкости, из-за недостаточно высокой вязкости разрушения слоя основного металла, распространенного под упрочненным слоем.

Исследование заэвтектоидных сталей [9], упрочненных плазменным нагре­вом, не выявило эффекта торможения трещины в переходной зоне. Кроме того, плазменное упрочнение этих сталей не приводит к снижению трещиностойкости из-за их высокой хрупкости в исходном состоянии.

Плазменное упрочнение с оплавлением поверхности приводит к повышению трещиностойкости на сталях содержащих менее 0,37 %углерода. На сталях с большим содержанием углерода трещиностойкость снижается, что проявляется в межзерновом характере разрушения оплавленного слоя.

Плазменное упрочнение с перекрытием дорожек упрочнения на 30, 50, 75 % существенно повышает трещиностойкость, но несколько снижает износостойкость.

 Повышение трещиностойкости и снижение износостойкости обусловлено образованием: зоны отпуска (с троститно-сорбитной структурой) в месте перекрытия дорожек упрочнения. Регулируя степень перекрытия и режимы упрочнения, можно получить на рабочей поверхности чередующиеся по определенному закону твердые (хрупкие) и мягкие (пластичные) участки.

Табл. 2.18.

Результаты испытаний образцов после комплексного поверхностного упрочнения (температура + 20º С)

Технология упрочнения, марка стали	σ02 МПа	σв МПа	δ %	φ %	КС МДж/м2	К1сД Мпа/м1/2
1	2	3	4	5	6	7
Закалка ТВЧ + плазменная обработка стали У8 75Х2МФ Закалка ТВЧ + отпуск+плазменная обработка при температуре отпуска, º С У8200º С  300º С  400º С  75Х2МФ200º С  300º С  400º С	920 1180     900 1020 705 1120 1300 980	1240 1310     1190 1360 880 1310 1480 1060	5 4     2 7 5 2 7 4	28 24     16 31 27 14 28 24	0,048 0,053     0,030 0,058 0,046 0,027 0,070 0,050	5,32 7,47     3,18 8,07 5 14 4,83 9,84 7,34

 

Оценка трещиностойкости материалов после плазменного упрочнения, установление характера разрушения для различных вариантов упрочнения позволило авторам [9] разработать комплексную технологию упрочнения сталей 45, ЗОХГСА, 9ХФ, У8, 75Х2МФ, 150ХНМ, обеспечивающую получение высоких механических свойств, износостойкости и трещикостойкости, табл.2.18

Высокий комплекс механических свойств, а также повышение трещиностойкости и износостойкости получается при использовании комплексного упрочнения

Рис. 2.52. Влияние предварительной пластической деформации на механические свойства стали 45 после плазменной закалки

(деформация + плазменная

закалка), рис.2.52.

Повышение механических свойств после плазменного упрочнения обусловлено образованием

высокодисногоогомартенсита в упрочненном слое.

Увеличение степени дисперсностимартенсита и микротвердости является одной из главных причин повышения трещиностойкости и износостойкостипосле такой комплексной обработки.

Комплексная обработка, включающая в себя закалку ТВЧ + плазменную

закалку + лазерную закалку,

позволяет регулировать эксплуатационные свойства упрочненных деталей, табл.2.19.

                                                                                                                   Табл.2.19.