Многокомпонентное насыщение (N,С,В,Сг,V,Тi,W,Ni и др.)
Плазмообразующий газ (60 % азота +10% пропана +
30 % аргона) + боросодержащая паста (режим с оплавлением поверхности). В
оплавленной зоне на стали 45 ближе к поверхности расположен слой, содержащий
бориды ( FеВ,Fе3В), глубиной
10-50 мкм, под ним располагается слой содержащий нитрид Fе2N, карбонитрид Fе2(СN), азотистый мартенсит,
остаточный аустенит (10 %) глубина слоя 0,2-0,3 мм, рис. 2.48.
Рис.
2.48.Распределение микротвердости
по
глубине легированного слоя на стали 45
1.Р=4кВт
2.Р= 6,5
кВт
Плазменное легирование стали 20 карбидами (порошки)
+ плазмообразующий газ (60 % азота, 40 % аргона) в режиме оплавления поверхности
показало, что в упрочненном слое образуются диффузионные слои сложного состава.
Так, при использовании карбида титана, в диффузионном слое образуется нитрид
титана, карбид титана, интерметаллид Fе2Т1, оплавленная зона состоит из α-
твердого раствора на основе железа и α- титана. При легировании WC (порошок) + (порошок) +
плазмообразующий газ (аргон 90 % + 10 % пропана) упрочненный слой имеет
композитное строение.
Предварительное нанесение нитрида титана на
поверхность стали 20 с последующей плазменной обработкой азотной струей (без
оплавления поверхности) увеличивает глубину диффузионного слоя на 30-50 % и
микротвердость на 40-50 %.
Возможны другие способы комбинированного
легирования, позволяющие увеличивать глубину и микротвердость легированного
слоя, такие как ХТО + плазменное легирование; нанесение покрытия + плазменное
легирование (с оплавлением и без оплавления); термодеформационное упрочнение +
плазменное легирование; электроискровое легирование + плазменное легирование и
т.д.).
Плазменное легирование можно использовать для
упрочнения титановых сплавов (в часности азотирование и цементирование из
газовой фазы, карбоборирование, карбосилицирование из твердой фазы)
алюминиевых, медных и других сплавов.
2.3.2. Плазменное упрочнение в сочетании с
другими способами воздействия на металлы
Плазменное упрочнение в сочетании с другими
способами: такими как объемная закалка, закалка ТВЧ, лазерная закалка, ультразвуковая
обработка, термодеформационное упрочнение, наплавка, напыление и др. позволяют
повысить механические свойства упрочненных деталей. В работе [9] показаны
различные варианты комплексного упрочнения. Исследованы структура, твердость,
трещиностойкость и характер разрушения сталей ЗОХ1ГСА, 45, 9ХФ, 150ХНМ при
различных сочетаниях объемной и плазменной термической обработки (плазменная
закалка + отпуск, объемная закалка +пламенная закалка + отпуск). Использование
комплексного упрочнения позволяет повысить трещиностойкость, микротвердость и
износостойкость, по сравнению с простой плазменной закалкой в 1,5-2 раза. Плазменное
упрочнению в сочетании с предварительной закалкой ТВЧ позволяет повысить трещиностойкость,
ударную вязкость, пластичность в 1,3-2 раза, при сохранении твердости и
износостойкости поверхности на высоком уровне [9]. Комплексная технология
плазменного упрочнения включает в себя:
-закалка ТВЧ + плазменное упрочнение;
-закалка ТВЧ + отпуск + плазменное упрочнение
(температура отпуска 290, 300, 400 ° С).
Упрочненная таким способом деталь имеет
композиционный рабочий слой [9] с высокой износостойкостью и трещиностойкостыю,
и относительно, мягкую
пластичную сердцевину, рис. 2.49. Природа
образования внутреннего отпущенного слоя аналогична случаю плазменного
упрочнения предварительно закаленных сталей.
Рис.
2.49. Схема расположения упрочненных
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:
Каждый из способов в отдельности обеспечивает
определенную глубину упрочненного слоя и степень дисперсности мартенсита в нем
ZТВЧ› ZП.З. › ZЛ.З. , dТВЧ › dП.З. › dЛ.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,
2,4,6
-отпущенные слои,
7 -
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:
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 флюсовэ 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 ( σв, 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
Рmax,
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.