Дипломная работа: Плазменное поверхностное упрочнение металлов

 При упрочнении твердых сплавов с оплавлением поверхности (стеллит, релит) в оплавленной зоне микротвердость повышается. Высокая скорость кристаллизации в оплавленной зоне приводит к образованию высокодисперсионной структуры, обладающей высокой твердостью, рис. 2.26.

 

 Рис. 2.26. Микротвердость оплавленной зоны

 на сплавах релит (1а,б), стеллит (2), стеллит (3)

 

 Рис. 2.27. Зависимость микротвердости твердых сплавов

 от мощности плазменной струи

1 – ВК3, 2 – ВК6, 3 – ВК8, 4 – ВК15

Микровердость релита с увеличением мощности плазменной струи снижа­ется, т.к. увеличивается объем жидкой ванны и уменьшается скорость кристаллиза­ции, рис. 2.26.

Установлено, что с увеличением мощности плазменной струи микротвер­дость твердых сплавов возрастает, рис. 2.27.

Степень упрочнения возрастает с увеличением содержанием кобальта в спла­ве и размера зерен карбидной фазы. При нагреве происходит диффузионное раство­рение углерода и вольфрама в расплавленной кобальтовой связке, а при охлаждении образуются мелкодисперсные карбиды в пересыщенном твердом растворе углерода в кобальте (количество вольфрама в связке также возрастает). В связи с этим, увеличение микротвердости твердых сплавов после плазменного упрочнения зависит от степени упрочнения кобальтовой прослойки.

Упрочнение твердых сплавов сопровождается трещинообразованием, ко­торое начинается при мощности плазменной струи, превышающей некоторую кри­тическую величину, Р крит. Дальнейшее увеличение мощности приводит к сильному трещинообразованию. Для каждого твердого сплава существует оптимальная мощ­ность плазменной струи, обеспечивающая бездефектное упрочнение, и критическая мощность, соответствующая появлению дефектов после упрочнения.

Рис. 2.28. Распределение остаточных напряжений по глубине упрочненной зоны твердого сплава Т30К(1), ВК8(2), ВК15(3)

Остаточные напряжения после плазменного упрочнения твердых сплавов распределяются следующим образом, рис. 2.28: у поверхности – растягивающие напряжение, переходящие на глубине 20-30 мкм в сжимающие. Распределение остаточных напряжений по глубине и ширине упрочненной зоны зависит от скорости упрочнения, мощности плазменной струи, коэффициента перекрытия.

В проведенных исследованиях при различных режимах упрочнения твердых сплавов у поверхности возникало только растягивающие напряжение. Это связано с тем, что нагрев твердого сплава до высо­ких температур сопровождается увеличением объема и деформацией нагретого уча­стка. Причем объемная деформация

осуществляется в сторону поверхности, т.к. в других направлениях она невозможна вследствие большой массы нагретого сплава. Последующее охлаждение не возвращает вытесненный над поверхностью материал в исходное состояние. Поэтому в зоне упрочнения возникают напряжения растяжения.

Чугуны

Наряду со сталями, чугуны с самого начала работ по поверхностному упроч­нению металлов концентрированными источниками нагрева, оказались в центре внимания

[1, 9, 15, 16, 23, 38-41].

Применительно к плазменному поверхностному упрочнению, работ, посвя­щенных обработке чугуна, также очень немного. В работе [23] плазменному упроч­нению подвергался высокопрочный чугун ВЧ-60-2. Структура упрочненного слоя состояла из игольчатого мартенсита, цементита и остаточного аустенит. Рентено-структурный анализ показал, что доля остаточного аустенита составила 45 % с со­держанием углерода ( ≈1,4 мас %). Структура оплавленного участка имела диндридное строение с размером диндридов ≈ 5 баллов. Максимальная микротвердость зоны оплавления 8000-9300 Мпа.

В работе [39] плазменное упрочнение с оплавлением проводили на высоко­прочном чугуне ВЧ-42-12. Фазовый анализ зоны оплавления выявил структуру фер­рита, аустенита и цементита. Графит полностью или частично растворяется в зависимости от параметров упрочнения. При снижении скорости упрочнения и увели­чения мощности плазменной дуги, количество растворенного в расплаве графита резко увеличивается. Глубина упрочненного слоя достигает 3 мм. А максимальная микротвердость достигает 10000 Мпа [39].

Исследование серых чугунов после плазменного упрочнения с оплавлением поверхности показало, что получение отбеленных слоев без трещин возможно толь­ко при предварительном подогреве свыше 350 ° С [38]. Оплавленная зона серых чу­гунов с пластинчатым и шаровидным графитом имеет твердость HV 580-600 и структуру, характеризующуюся сильной негамогенностью: квазиледебурит + це­ментит + карбиды + мартенсит + остаточный аустенит + бейнит + сорбит + графит. Количественные соотношения структур зависят от марки серого чугуна и режимов плазменного упрочнения [38].

При плазменном упрочнении с оплавлением поверхности валкового чугуна СП-62 упрочненный слой характеризуется высокой твердостью и износостойкостью [41]. Микротвердость в зоне оплавления составляет 6000 Мпа, в зоне закалки из твердой фазы достигает максимума 6500-7000 Мпа.

Важной особенностью упрочнения серых чугунов является небольшая глубина упрочненного слоя при обработке без оплавления поверхности, т.к. темпера­турный интервал образования аустенита ограничен сверху температурой солидуса Тс сплава, а снизу - критической точкой Ас1, оказывается очень узким (в пределах 100-150° С). В связи с этим для получения максимальной глубины упрочнения необходимо проводить закалку с оплавлением поверхностности.

Автором были проведены исследования влияния скорости нагрева и мощности

Плазменной струи на степень упрочнения различных чугунов, рис. 2.29.

Рис. 2.29. Зависимость степени упрочнения чугунов от скорости упрочнения, мощности плазменной струи (а) и дуги (б) (упрочнение с оплавлением)

Различные марки серого чугуна по разному склонны к плазменному упрочнению без оплавления поверхности, рис. 2.30.

 Легированные серые чугуны ХНМЧ и СЧХНМД из-за низкой теплопроводности требуют значительно меньших скоростей упрочнения и большей мощности с (целью получения гарантированного упрочненного слоя.

Рис. 2.30. Зависимость степени упрочнения серых чугунов после плазменного упрочнения без оплавления поверхности

1.  СЧ-12-48 2.  СЧ-15-32  3.СЧ-18-36  4.СЧ-21-40  5.СЧ-24-44

 

Из полученных данных следует, что плазменное упрочнение в режиме дуги наиболее эффективнее, по сравнению с режимом струи, в связи с высоким КПД нагрева. Скорость обработки оказывает существенное влияние на микротвердость чугунов, как при упрочнении в режиме струи, так и при упрочнении в режиме дуги. С увеличением скорости обработки (при постоянной мощности) снижается раствори­мость графита в оплавленной зоне, что вызывает уменьшение микротвердости. При увеличении мощности плазменной струи (дуги)растворимость графита увеличивается и микротвердость оплавленной зоны возрастает.Однако, дальнейшее повышение мощности вызываетувеличениеобъема жидкойванны иснижение скорости охлаждения. Упрочненный поверхностный слой на чугунах по глубине не однороден. Особенностью фазового упрочненного слоя является ис.содержание остаточного аустенита 30-

Рис. 2.31. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя на чугуне СЧ-24-44 в зависимости от исходного состояния1-отжиг, 2-обычная закалка+отпуск, 3-закалка ТВЧ.

60% и повышенное содержание в нем. углерода 1,4 – 1,58 %, а также 20-30 % мартенсита и 20-40 % цементита.

 Предварительная обработка чугунов (закалка, отжиг и т.д.) оказывает сильное влияние на распределение твердости по глубин^упрочненного слоя, рис. 2.31.

При упрочнении без оплавления поверхности в упрочненном слое образуют­ся, в основном, аустенитно-мартенситные структуры с преобладанием мартенсита.

Анализ результатов плазменного упрочнения чугунов показывает, что степень их упрочнения в зоне оплавления зависит от химического состава, параметров упрочнения, температуры предварительного подогрева, исходного состояния.

Величина микротвердости в оплавленной зоне определяется, в основном, количест­венным соотношением цементита и аустенита, которое зависит от химического со­става чугуна, степени растворения графита и скорости охлаждения жидкой ванны.

Глубина упрочненного слоя зависит от параметров режима упрочнения, исход­ной структуры чугуна, типа матрицы, ее дисперсности. Тип матрицы и ее дисперс­ность определяют скорость и полноту α→γ -превращения в чугунах.

Чем выше дис­персность ферритно-карбидной смеси, тем меньше пути диффузии углерода при превращении.

2.3.1. Плазменное легирование поверхностных слоев металла.

Одной из разновидностей плазменного поверхностного упрочнения является легирование поверхностного слоя металла из твердой, жидкой и газовой фазы [24-26].

Плазменное поверхностное легирование из газовой фазы

В работе, [24] исследован процесс плазменного поверхностного упрочнения с применением активных плазмообразующих газов на низкоуглеродистых конструкционных сталях. В общем виде механизм упрочнения можно представить следую­щим образом: при нагреве поверхностного слоя азотосодержащей плазменной стру­ей (дугой) происходит насыщение металла азотом из плазмы. При последующем скоростном охлаждении образуются заключенные структуры, легированные азотом. Плазменное азотирование из газовой фазы проводится как с оплавлением поверхно­сти так и без оплавления [24]. Кроме азотирования возможно проводить цементацию, нитроцементацию [21, 24, 42, 43].

Установлено [24], что при 60 % добавке азота к аргону начинает протекать процесс азотирования. На поверхности стали 20 образуется диффузионный слой со структурой γ1- фазы (Fe4N) и азотистой α- фазы, рис. 2.32. Однако наиболее интенсивно поверхностный слой насыщается азотом при 80-100 % содержании азота в плазмообразующем газе. В результате чего формируется слой внутреннего азотиро­вания протяженностью 0,02-0,04 мм. Кроме стали 20, 45 в работе [24] исследовалась сталь 9ХФ. Обработка стали 9ХФ плазменной струей (100 % азота) приводит к перераспределению легирующих элементов V,Сr, Мn. Наиболее интенсивное пере­распределение происходит в центре упрочненной зоны, так содержание марганца

повышается до 1,5% (0,45 в исходном), хрома до 0,83 % (0,6 % в исходном), ванадия до 0,31 (0,25 в исходном). Рентгенофазовый анализ показал наличие цементита, высокоазотистых нитридов Fe2N нитридов хрома при 18 % содержании остаточного аустенита.

При упрочнении плазмой сложного состава (80 % N2 +10 %Аr+ 10 % СО2) со­держание углерода в поверхностной зоне карбонитридного слоя полученного на стали 20, достигает 0,3 % [24]. Толщина карбидной зоны 0,03-0,04 мм, а микротвер­дость 7800-8000 МПа при общей глубине упрочненного слоя 0,8 мм. По мнению [24] в упрочненном слое также возможно образование оксикарбонитридной фазы.

При обработке стали 20 азотосодержащей плазменной струей с оплавлением поверхности упрочненный слой имеет структуру ε и γ ́- фаз, соответствующих твердому раствору на базе нитридов Fе2N и Fе4N, рис.2.33. При травлении этот слой выявляется в виде светлой полоски, толщиной ≈ 0,1 мм с микротвердостью 6200-6500 Мпа. Ниже поверхностного слоя располагается диффузионная зона со структурой γ ́- фазы ( Fе4N) и α- фазы, где наблюдается провал микротвердости до 4200-3800 Мпа. Непосредственно к диффузионному слою премыкает нетравя­щийся слой с аномально высокой микротвердостью 12500-13000 Мпа. Это связано с увеличением содержания углерода в этом слое, по сравнению с основным металлом, рис. 2.34. Увеличение содержания углерода способствует повышению устойчивости аустенита при охлаждении и, как следствие, образование карбидного мартенсита инебольшого количества остаточного аустенита (≈7 %), рис.2.35. Общая глубина упроч­нения составила 0,8 мм., а азотированного слоя – 0,35 мм.

 

 

Рис. 2.32. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя (а) и рентгенограмма поверхностной нитридной зоны на стали 20 (без оплавления)

 

Рис. 2.33. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя (а) и рентгенограмма поверхностной нитридной зоны (б) на стали 20 (с оплавлением поверхности)

 

Рис. 2.34. Распределение углеродов в упрочненном слое стали 20 при обработке азотной плазменной струей (с оплавлением поверхности)

Рис. 2.35. Рентгенограмма зоны внутреннего азотирования на стали 20 при обработке азотной плазменной струей с оплавлением поверхности

Дальнейшее увеличение мощности плазменной азотосодержащей струи при упрочнении с оплавлением поверхности вызывает интенсивное порообразование. Происходит «азотное кипение» ванны расплавленного металла, что связано с уве­личением скорости поглощения азота поверхностью из плазмы (предел растворимо­сти азота в стали наступает почти мгновенно [24].

Распределение содержания азота по глубине диффузионных слоев снижается от поверхности к сердцевине основного металла, рис.2.36.

В работе [24] определены величины и знак остаточных напряжений после плазменного азотирования стали 20,9ХФ. Максимальные сжимающие напряжение зафиксированы в зоне нитридных фаз (на глубине 30 мкм).

 

Рис. 2.36. Распределение содержания азота по глубине азотированного слоя на стали 20

 1. обработка без оплавления

2. обработка с оплавлением

3. обработка с парообразованием

Рис. 2.37. Распределение остаточных напряженийпо глубине азотированного слоя на стали 20

 1. обработка без оплавления;

2. обработка с оплавлением.

Таким образом, использование активных плазмообразующих газов позволяет за доли секунды проводить химико-термическую обработку поверхностного слоя, как с оплавлением поверхности, так и без оплавления. Глубина легированного слоя в зависимости от режимов упрочнения может достигать 0,2-0,5 мм с микротвердостью на стали 20 6500-1300 Мпа, что значительно выше, чем при простой плазменной закалке.

Плазменное легирование из твердой фазы. Цементация.

В работах [26, 44] рассмотрены вопросы плазменной поверхностной цемента фазы. Сущность способа заключается в нанесении на поверхность металла углеродосодержащей обмазки или покрытия, которое оплавляется под воздействием плазменной струи. Под действием газодинамического напора плазменной струи происходит интенсивное перемешивание жидкого металла с углеродом и при последующей скорости кристаллизации образуется легированный углеродом слой.

В работах [26, 44] показано, что плазменная цементация из твердой фазы воз­можна только с оплавлением поверхности.

В качестве основного компонента углеродосодержащих паст, обмазок, покры­тий наиболее часто используют графит [26, 44]. При нанесении на сталь 20 углеродосодержащей пасты и последующего ее оплавления плазменной струей, в упроч­ненном слое образуются три зоны.

Первая зона (глубиной до100-120 мкм) является зоной легированной углеродом, с микротвердостью 8400-9200 Мпа. Структура не вытравливается.

Вторая зона глубиной до 50-100 мкм) является зоной закалки из твердой фазы,

Структура - мартенсит и остаточный аустенит. Микротвердость по глубине распре делена неравномерно, т.к. в этой зоне имеются структуры полном (ближе к легиро­ванной зоне) и неполной (нижняя граница зоны) закалки.

Рис. 2.38 Распределение микротвердости по глубине

легированного слоя (а), рентгенограмма

легированного слоя на стали 20 (б)

Третья зона - переходная зона, образовавшаяся при нагреве ниже точки Ас3.

Рентгеноструктурным анализом, рис. 2.38. выявлены, наряду с линиями γ - фазы и цементита линии смеси α- фазы и цементита. Средняя концентрация углерода в ле­гированном слое составляет ≈ 3,5 %, количество остаточного аустенита (10-12 %).

При плазменной цементации возможно получить слой не только с легирован­ной аустенитно-мартенситной структурой., но и слой со структурой белого чугуна [26]. Структура белого чугуна была получена на стали 20. Нагрев и выдержка при температуре 500° С не выявил снижение микротвердости, которая осталась на уров­не 6500-8000 Мпа.

В работах [26, 44, 45] установлены зависимости между параметрами плазмен­ного упрочнения на глубину и ширину цементированного слоя, рис. 2.39., 2.40.

Рис. 2.39. Влияние скорости обработки

на глубину и ширину цементированной зоны.

Рис. 2.40. Зависимость глубины цементированной зоны

от мощности плазменной струи.

На глубину и твердость легированного слоя сильное влияние оказывает толщина углеродосодержащей обмазки, эффективное расплавление которой зависит от мощности плазменной струи, рис. 2.41.

Рис. 2.41. Влияние толщины углеродосодержащей пасты

на мощность плазменной струи.

Рентгеноструктурный и фазовый анализ сталей 45, ЗОХГСА, 40Х, 20X13, 12ХФ1, проведенный в работах Скрипкина А.А., показал, что после плазменной це­ментации из твердой фазы в поверхностном слое углеродистых и легированных сталей происходит сильное перераспределение легирующих элементов в упрочнен­ном слое. В упрочненном слое, в зависимости от режимов обработки, остаточные напряжения имеют резко выраженную неоднородность. По глубине упрочненного слоя остаточные напряжения распределяются следующим образом: в оплавленной зоне (50-100 мкм) зафиксированы растягивающие напряжения, которые переходят в сжимающие во втором слое (10-20 мкм) со структурой мартенсита. В переходной зоне зафиксированы напряжения растяжения. Сильное влияние на характер распре­деления остаточных напряжений оказывает химический состав стали и параметры обработки.

Рис. 2.42. Влияние дополнительного тока,

пропускаемого через деталь

на глубину легированного слоя стали 20

при плазменной цементации.

1. Р=2кВ; 2. Р=3кВ; 3. Р=4кВ; 5. Р=6кВ; 6. Р=8кВ

Для увеличения глубины легированного слоя можно использовать электротер­мический эффект (через деталь пропускается электрический ток). Проведенные ис­следования на сталях 3, 20, 40, 20X13, ЗОХГСА показали, что глубина легированно­го слоя (углеродом) может достигать 0,6-1 мм и зависит от параметров режима упрочнения, параметров дополнительного тока (род тока, сила тока и т.д.), рис. 2.42.

Электротермический эффект можно использовать практически во всех способах плазменного легирования, использующих плазменную струю. Важной особенностью данного эффекта является возможность легирования без оплавления поверхности.

При использовании плазменной дуги, глубина легированного слоя в 1,5-2 раза больше по сравнению с плазменной струей, за счет электронного тока. Однако ле­гирующие обмазки должны проводить электрический ток с целью обеспечения стабильности плазменного упрочнения в режиме дуги.

Азотирование.

В качестве паст, обмазок используют азотосодержащие соли. Насту со связующей связкой наносят на поверхность изделия слоем толщиной 0,5-1,5 мм и проводят плазменный нагрев с оплавлением поверхностности. В поверхност­ном слое на стали 20 образуется не только α→γ твердые растворы азота в железе, но и нитрид Fе2,N. Микротвердость легированного слоя достигает 8400-8800 Мпа.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11