Технологические процессы комплексного упрочнения деталей с использованием плазменного нагрева

Из методов комплексного упрочнения деталей, основанных на совместном использовании плазменного и других методов упрочнения, в настоящее время известны и применяются на практике только три: плазменная химико-термическая обработка, объемно-поверхностное упрочнение (объемная термообработка + плазменная обработка), комплексное поверхностное упрочнение (закалка ТВЧ + плазменная обработка). Технически возможными являются и другие варианты и сочетания, однако данные об этом в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют.

Возможность реализации химико-термической обработки при плазменном нагреве деталей определяется родом газа, используемого в качестве плазмообразующего. Наибольшее практическое применение для этих целей получили аргон (плазмотроны прямого и косвенного действия) и сжатый воздух (плазмотроны прямого действия). Использование инертного газа аргона позволяет обеспечить получение качественных упрочненных слоев без дефектов и окисления. При этом не происходит насыщение упрочненной поверхности какими-либо элементами и благодаря структурным изменениям осуществляется только термическое упрочнение. Возможность реализации химико-термической обработки в случае использования сжатого воздуха также в литературе не рассматривается. Из числа активных газов, применяемых в качестве плазмообразующих при поверхностном упрочнении, известно использование углекислого газа и азота (в том числе в смеси с аргоном).

Возможно диффузионное насыщение поверхности жидкого металла углеродом из высокоэнтальпийной углекислотной плазменной дуги. Обработка с оплавлением поверхности образцов из сталей 65Г, 45 и Ст3 осуществлялась плазмотроном прямого действия в СО₂. В результате упрочнения достигнут достаточно высокий уровень твердости упрочненной зоны: на стали.45 — HV650—720, 65 Г — HV720 — 800, СтЗ — HV200—220, что значительно выше, чем при аналогичной воздушно-плазменной обработке (на сжатом воздухе).

Возможно азотирование (насыщение азотом) упрочненных слоев при плазменной обработке. Здесь в качестве плазмообразующего газа применяется смесь аргона с азотом. Охлаждение деталей при упрочнении в этом случае осуществляется как естественным путем, так и с применением внешнего принудительного охлаждения. В результате такого комплексного упрочнения стали 40 образуется азотированный слой толщиной около 0,4 мм с микротвердостью 9500—9800МПа.

Исследованы особенности тонкой кристаллической структуры широкого ряда сталей (20, 45, У8А, У10, 40Х, ЗОХГСА) при воздействии азотной плазменной струи. Установлено, что в результате упрочнения достигнутое повышение твердости связано с дроблением блоков мозаики и значительным увеличением плотности дефектов кристаллической решетки, превышающим эти величины для случаев традиционной закалки этих сталей.

Независимо от режимов плазменной химико-термической обработки установлена линейная прямо пропорциональная зависимость между плотностью дислокаций и твердостью (рис. 20) и обратная зависимость между размерами блоков и твердостью. Технология плазменной химико-термической обработки используется для упрочнения валков резиносмесителей.

Исследования возможности плазменного азотирования показали, что твердость стали повышается до HV950 в азотированном слое против HV200 в исходном состоянии. Рентгеноструктурным анализом выявлено образование в подповерхностном слое азотного соединения Fe₃N. Это объясняется растворением атомарного азота плазменной дуги в исходном материале при нагреве.

Между растворенным атомарным азотом и атомами исходного материала происходит химическая реакция, которая и приводит к образованию нитридов. Скорость реакции диффузии атомов в стали) в различных точках ЗТВ прямо пропорциональна достигаемой там величине температуры нагрева. В центре ЗТВ скорость азотирования оказывается гораздо выше, чем в периферийных участках.

К числу несомненных преимуществ технологических процессов плазменной химико-термической обработки, то есть упрочнения с одновременным насыщением элементами (азотированием, науглероживанием и т. д.) по сравнению с традиционными методами можно отнести высокую производительность и экономичность.

Рис. 20. Взаимосвязь плотности дефектов кристаллической решетки и твердости сталей 20, 45, 40Х, ЗОХГСА, У8А, У10 при различных режимах упрочнения	Рис. 21. Зависимость микротвердости закаленной зоны от температуры последующего отпуска: 1— сталь ЗОХГСА; 2 — сталь 45; 3 — сталь 9ХФ, 4 — сталь 150ХНМ; о — микротвердость после объемной закалки

Наиболее широкие возможности регулирования эксплуатационных свойств реализуются в случае применения технологии комплексного упрочнения, включающей предварительную или последующую объемную термическую обработку и плазменное упрочнение.

Режимы объемной закалки выбирались в соответствии с общепринятыми рекомендациями для данных сталей: ЗОХГСА, 45, и 9ХФ — нагрев в печи до 850°С, выдержка 1 ч, охлаждение в воде, 150ХНМ— нагрев в печи до 800°С, выдержка 1 ч, охлаждение в воде. При выборе температуры отпуска после плазменного упрочнения предварительно оценивалось изменение микротвердости закаленной зоны в интервале 0—450°С (рис. 21). Исходя из предпосылки получения значений твердости на достигнутом, более высоком, чем при объемной закалке, уровне, температура отпуска выбрана равной 300 °С.

Отпуск после плазменного упрочнения приводит к снижению микротвердости закаленной зоны и повышению трещиностойкости для всех испытанных сталей. Положительное влияние последующего отпуска обусловлено переходом мартенситной структуры упрочненной зоны в более стабильное состояние, что связано с релаксацией внутренних структурных микронапряжений. Релаксация в этом случае может осуществляться за счет диффузионного перераспределения атомов углерода в кристаллической решетке, путем взаимодействия атомов внедрения с другими дефектами (дислокациями) либо за счет протекания микросдвигов. Указанные процессы не вызывают существенных изменений микроструктуры — мартенсит отпуска в ЗТВ по визуальным признакам аналогичен свежеобразованному мартенситу закалки. Однако на микрофрактограммах изломов наблюдается более развитый рельеф квазискола с большим перепадом уровней по сравнению с неотпущенным состоянием, что свидетельствует о большей энергоемкости разрушения. Образцы этого типа разрушаются по «множественному» механизму с торможением трещины на границе закаленного и исходного слоев.

Плазменное упрочнение после объемной закалки позволяет существенно повысить трещиностойкость всех испытанных сталей по сравнению с объемной закалкой без упрочнения. Мартенситная структура упрочненного слоя при такой сложной обработке по сравнению с мартенситной структурой объемно-закаленной основы характеризуется более высокой степенью дисперсности, а также более высокой микротвердостью. При этом микроструктура закаленной зоны при упрочнении после объемной закалки аналогична микроструктуре этой зоны при обработке сталей в исходном состоянии, практически одинакова и микротвердость. Это свидетельствует об отсутствии влияния исходной (перед упрочнением) структуры на структуру и твердость закаленной зоны. Разрушение закаленной зоны в обоих случаях обработки происходит для каждой исследуемой стали по одинаковым микромеханизмам квазискола.

Увеличение степени дисперсности мартенсита и является одной из главных причин повышения трещиностойкости. Уменьшение размеров мартенситных кристаллов при плазменной обработке обусловлено уменьшением размеров исходного аустенитного зерна в связи с очень высокими значениями скорости нагрева и охлаждения, а также малой длительностью пребывания металла в разогретом состоянии. Это полностью согласуется с выводами о положительном влиянии повышения скорости нагрева и уменьшения продолжительности аустенитизации на увеличение прочности и сопротивляемости хрупкому разрушению. Повышение трещиностойкости с увеличением степени дисперсности мартенсита может быть объяснено также с позиций физической теории разрушения металлов, согласно которой критическое напряжение хрупкого разрушения обратно пропорционально размеру зерна (кристалла, пакета) d:

s_кр = Kd^-1/2

Качественный переход от крупноигольчатой мартенситной структуры при объемной закалке к высокодисперсной при плазменном упрочнении вызывает и качественное изменение микромеханизма разрушения — переход от межзеренного (интеркристаллитного) разрушения к внутризеренному квазискольному. Анализ микростроения изломов при больших увеличениях позволил сделать следующие выводы. Разрушение объемно-закаленного мартенсита происходит преимущественно по механизму расщепления на границах исходного аустенитного зерна. Этому способствует сегрегация на указанных границах охрупчивающих включений (карбидов, сульфидов и др.). Границы зерен с сегрегированными на них примесями представляют собой энергетически более выгодный путь движения трещины. Межзеренный скол обусловливает получение в изломе рельефа, соответствующего огранке зерен. На поверхности граней зерна четко видны сегрегированные включения. Измельчение аустенитного зерна (и соответственно мартенситных кристаллов) при быстром и концентрированном плазменном нагреве увеличивает энергию разрушения путем увеличения «пластичных разрывов», необходимых для соединения отдельных трещин скола. Кроме того, благодаря крайне малой длительности пребывания металла в разогретом состоянии сегрегация элементов примесей на границах зерна не успевает произойти, зернограничная энергия остается достаточно высокой и разрушение происходит по внутризеренному квазискольному механизму. При увеличении степени дисперсности мартенсита (с повышением содержания углерода в исследованных сталях) увеличивается и степень дисперсности рельефа квазискола.

Наряду с получением более благоприятной мартенситной структуры, другой важной причиной повышения трещиностойкости при плазменном упрочнении после объемной закалки является наличие между закаленной зоной ЗТВ и объемно-закаленной основой мягкой зоны отпуска с высокодисперсной троститно-сорбитной струк­турой. Граница между закаленной и отпущенной зонами, как и в случае обработки в исходном состоянии, достаточно резкая. Протяженность ее также определяется величиной температурного интервала a®g— превращения. Микромеханизм разрушения в зоне отпуска— микровязкий ямочный, что и вызывает резкое повышение ее трещиностойкости.

Разрушение образцов после двойной (объемной и плазменной) закалки также происходит по «множественному» механизму с торможением трещины на границе с зоной отпуска посредством искривления траектории. Причинами торможения являются, во-первых, переход остаточных напряжений в этом месте от сжимающих к растягивающим, и, во-вторых, высокая пластичность материала зоны отпуска по сравнению с упрочненной зоной.

Таким образом, результаты испытаний свидетельствуют, что плазменное упрочнение может весьма эффективно использоваться для деталей, эксплуатируемых в объемно-закаленном состоянии. При этом достигается одновременное повышение как твердости рабочей поверхности, так и трещиностойкости, что практически неосуществимо при применении традиционных методов объемного и поверхностного упрочнения. Еще большему повышению трещиностойкости способствует применение последующего отпуска после описанной выше двойной закалки.

В настоящее время имеется практический опыт применения плазменного упрочнения деталей в совокупности с объемной термической обработкой. Эффективно применение плазменного упрочнения для прокатных валков из стали 9Х2МФ, имеющих предварительную (серийную) объемную термообработку — закалку или нормализацию с последующим высоким отпуском. Износостойкость при плазменном упрочнении (испытания на машине МИ-1М) на 20% выше, чем после объемной термообработки. Глубина упрочненного слоя здесь составила 1,5 мм с микротвердостью на поверхности 8500МПа.

Плазменное упрочнение целесообразно для деталей технологического оборудования, изготовленных из сталей 34ХН1М, 40Х, 5ХНМ, 65Г, которые перед упрочнением детали подвергаются предварительному улучшению (объемная закалка с высоким отпуском). Получаемая упрочненная зона шириной 10 мм и глубиной до 1,5 мм имеет твердость на 6—8 единиц HRC выше, чем после объемной закалки. Отмечается повышение стойкости упрочненных деталей в 2—3 раза.

В случае упрочнения с перекрытием ЗТВ пуансонов из высокохромистой стали Х12М (1,50 % С, 12,10 % Сг, 0,50 % Мо) с предварительной объемной термической обработкой — закалкой при 1020°С в масло + отпуск при 320°С установлено дополнительное повышение твердости за счет вторичного твердения. После многоцикловой эксплуатации штампового инструмента в зоне интенсивного трения наблюдается также дополнительное упрочнение наклепом и заметное снижение скорости износа. Для регулирования эксплуатационных свойств деталей (прежде всего твердости и трещиностойкости) возможно использование плазменной обработки в комплексе с предварительной закалкой токами высокой частоты. Комплексная обработка с предварительной закалкой ТВЧ известна и для случая лазерного упрочнения. Упрочненные таким способом детали имеют композиционный рабочий слой с высокой износостойкостью и трещиностойкостью и относительно мягкую и пластичную сердцевину (рис. 22). При этом имеется возможность практически неограниченно регулировать глубину упрочненного слоя за счет обработки ТВЧ (до 0,4D, где D —диаметр детали).

Природа образования внутреннего отпущенного слоя и его роль в повышении работоспособности детали аналогичны рассмотренному выше случаю плазменного упрочнения предварительно закаленных сталей. Однако слой, закаленный от ТВЧ и имеющий при обработке средне- и высокоуглеродистых сталей структуру крупноигольчатого мартенсита, будет обладать высокой хрупкостью и низкой трещиностойкостью из-за наличия неоднородных структурных микронапряжений. Поэтому для деталей, эксплуатируемых при значительных динамических нагрузках, можно рекомендовать комплексное упрочнение, включающее закалку ТВЧ + плазменную обработку с промежуточным объемным отпуском. Отпуск закаленной стали после закалки ТВЧ приводит к получению равновесной структуры благодаря выделению углерода из мартенсита закалки и остаточного аустенита, снижению внутренних структурных микронапряжений, и, в результате этого, повышению пластичности и

трещиностойкости. В зависимости от требуемого достигаемого уровня служебных свойств, температуру промежуточного отпуска назначают в интервале 200—400°С. Для анализа структурных превращений, замеров микротвердости, оценки износо- и трещиностойкости, а также характера разрушения выполнялось комплексное упрочнение цилиндрических образцов диаметром 35 мм и длиной 200 мм из сталей У8 и 75Х2МФ. Установлено, что при плазменном упрочнении после закалки ТВЧ достигаются достаточно высокие значения эксплуатационных характеристик, что может способствовать значительному повышению работоспо собности деталей. Дополнительный промежуточный

Рис. 22. Схема расположения упрочненных слоев детали при плазменном упрочнении после закалки ТВЧ: 1 — слой плазменного воздействия; 2 — отпущенный слой; 3 — слой закалки ТВЧ.

отпуск (после закалки ТВЧ перед плазменной обработкой), несмотря на усложнение технологии, позволяет регулировать эксплуатационные характеристики в нужном направлении в достаточно широких пределах.

Наиболее благоприятное соотношение параметров прочности, пластичности, трещиностойкости достигается при температуре отпуска, равной 300°С. В этом случае по сравнению с комплексным упрочнением без промежуточного отпуска установлено повышение прочностных характеристик — в 1,2—1,3, пластических характеристик — в 1,4—2,0, ударной вязкости — в 1,3—1,4, трещиностойкости — в 1,3— 1,5 раза при сохранении твердости поверхности и износостойкости на достигнутом высоком уровне. Получение такого сочетания эксплуатационных свойств объясняется реализацией всего многообразия процессов превращений структуры при сложном многократном нагреве.

При температуре промежуточного объемного отпуска, равной 300°С, в слое закалки ТВЧ происходят I и II превращения при отпуске с получением фазового состава стали —отпущенный малоуглеродистый мартенсит (с. содержанием углерода ~0,1%) с кубической решеткой + пластинчатый цементит. Такая структура стали наиболее благоприятна с точки зрения повышения пластичности и трещиностойкости при сохранении высокой прочности и твердости. При этом во внутреннем отпущенном слое, возникающем при последующей плазменной обработке (рис. 21), происходят III и IV превращения при отпуске с образованием структуры сорбита с наиболее высокой пластичностью.

Наличие зоны отпуска с повышенной пластичностью обеспечивает повышение трещиностойкости комплексно-упрочненного материала, а также торможение эксплуатационных трещин, распространяющихся от поверхности детали из твердого и хрупкого слоя плазменной закалки при переходе в более мягкий и пластичный отпущенный слой.

Таким образом, комплексную обработку, включающую закалку ТВЧ, объемную термообработку и в качестве финишной операции плазменное упрочнение, можно считать одной из наиболее перспективных для дальнейшего развития и широкого практического применения для тяжелонагруженных изнашиваемых деталей оборудования, металлообрабатывающего инструмента и других изделий.

Обобщая накопленный опыт плазменного поверхностного упрочнения, можно сделать вывод, что данная технология по сравнению как с традиционными способами поверхностного упрочнения (закалкой токами высокой частоты, химико-термической обработкой и др.), так и с новыми способами, в том числе лазерным и электронно-лучевым упрочнением отличается рядом преимуществ: относительной простотой и низкой стоимостью технологического оборудования; отсутствием необходимости в дополнительном применении охлаждающих сред, вакуума, специальных покрытий для повышения поглощательной способности упрочняемых поверхностей; возможностью автоматизации и роботизации технологического процесса; отсутствием ионизирующих излучений, опасных для обслуживающего персонала.

В то же время плазменное упрочнение имеет и ряд недостатков, над устранением которых необходимо работать при совершенствовании этого технологического процесса. К ним относятся невозможность упрочнения труднодоступных мест на деталях сложной формы, что объясняется необходимостью обеспечения малого (порядка 5—10 мм) зазора между плазмотроном и деталью; отсутствие серийно-выпускаемого типового специализированного оборудования — плазмотронов и т. п.

Наиболее перспективно и экономически эффективно применять его для сменного технологического инструмента, эксплуатирующегося в условиях интенсивного трения металл по металлу в масляной и масляно-абразивной среде — валки, штампы, матрицы из углеродистых и легированных сталей, металлорежущего инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов, а также инструмента для обработки неметаллических материалов — продуктов пищевой, кормоперерабатывающей, деревоотделочной промышленности.

Дата добавления: 2014-01-04