Дипломная работа: Плазменное поверхностное упрочнение металлов

При использовании электротермического эффекта (ЭТЭ) глубина азотированного слоя возрастает, табл. 2.15.

                                                                                            табл. 2.15.

Марка стали	Микротвердость, МПа	Глубина, мм
	Плазменное легирование	Без ЭТЭ	с ЭТЭ
1.	2.	3.	4.
Ст.3 Сталь 10 20 45 40Х 30ХГСА	8900-9500 6700-8000 7500-9000 10500-11400 12100-14000 10500-11800	0,15-0,3 0,30-0,35 0,30-0,4 0,35-0,40 0,25-0,35 0,3-0,4	0,6 0,7-0,8 0,7-0,8 0,6-0,9 0,8-1,2 0,8-1,2

 

Борирование

Плазменное борирование осуществлялось при помощи специ­альных активных паст на основе порошка карбида бора. Диффузионный слой на стали 20 состоит из вытянутых и ориентированных перпендикулярно поверхности боридных фаз (FеВ,Fе3В). Толщина слоя составляет 0,1-0,180 мкм. На поверхности образуется FеВ и Fе2В (под слоем). На стали 65Г и 45 борированные слои имеют меньшую глубину, т.к. углерод препятствует диффузии бора в железе и оттесняется вглубь, образуя карбобориды по границам зерен. Микротвердость борида FеВ 18000-20100 Мпа, а Fе2В- 15000-16500 Мпа. При борировании возможно образова­ние наряду с фазами FеВ и Fе2В- β- модификации бора с микротвердостью 25000-30000 Мпа. Однако, в наших исследованиях на стали 5, 10, 20, 45, 65Г, У10 такой модификации не зафиксировано.

Нитроцементация. Одновременноенасыщениеповерхностныхслоев стальных изделий углеродом и азотом проводилось при помощи паст на основе (K4Fe(CN)6 +

Рис. 2.43.Распределение остаточных напряжений по глубине нитроцементированного слоя стали. 1 – сталь 20 2 – сталь 45

графит + связующее вещество. На стали 20 глубина легированного слоя достигает 0,3-0,45 мм. Концентрация углерода в поверхностном слое может достигать 2-3%, а азота 1,5-2,1%. Количество остаточного аустенита находится в пределах (5-18%) и зависит от скорости нагрева и охлаждения. При обработке холодом остаточ­ный аустенит почти полностью устраняется. Микротвердость на поверхности стали 20 достигает 9800-10800 МПа.

Нитроцементированный слой на стали 45 содержит мартенсит + остаточный Аустенит. Определение остаточного напряжения показало, что максимальные на­пряжения сжатия расположены на 50-110 мкм от поверхности. По всей видимости это связано с высокой концентрацией азота и углерода в поверхностном слое и как следствие этого - повышенным количеством остаточного аустенита.

Плазменное легирование из жидкой фазы

Подробно процесс плазменно­го упрочнения в жидких средах рассмотрен в работе [25], где указывалось на воз­можность химико-термического упрочнения при использовании различных насы­щающих жидкостей (углеродосодержащих, азотосодержащих и т.д.), рис. 2.44.

Рис. 2.44. Влияние среды на степень упрочнения стали 45

1.  исходная твердость до упрочнения

2.  плазменное упрочнение на воздухе

3.  плазменное упрочнение в 80% растворе хлористого аммония

4.  плазменное упрочнение в воде

Для насыщения поверхностного слоя углеродом или азотом обрабатываемую деталь погружают в жидкость, содержащую углерод (толуол, минеральное масло и др.) или азот (водяной раствор хлористого аммония и др.)

В работе [25] был исследован процесс азотирования из жидкой фазы (водный раствор хлористого аммония) на образцах стали 20, 45, 50, 9ХФ, 38ХНМЮЛ.

Установлено, что процесс азотирования наблюдается только при оплавлении поверхности, рис. 2.45.

Рис. 2.45. Влияние мощности плазменной струи на микротвердость стали 20.

I. закалка без оплавления

II. закалка с оплавлением

III.Плазменное легирование из жидкой фазы.

Азотированный слой на стали 20 представляет собой белую плохо травящуюся полоску карбонитридного состава, содержащую ≈ 4 % азота, ≈ 1,5 углерода, ≈ 10-15% остаточного аустенита. Содержание остаточного аустенита на стали 20 возрас­тает с увеличением длительности насыщения и концентрации азота в растворе.

Комбинированные способы плазменного легирования

Рис. 2.46. Влияние среды на степень упрочнения на стали 3.

1.  исходная твердость

2.  плазменное упрочнение на воздухе

3.  плазменное упрочнение в воде

4,5. плазменное упрочнение в солевом растворе NaCO (без оплавления и с оплавлением соответственно)

6. плазменное упрочнение в солевом растворе NaCO с добавкой 20% CО к плазмообразующему аргону (без оплавления)

К комбинированным способам плазменного легирования относятся способы плазменного легирования (твердая фаза + жидкая фаза; твердая фаза + жидкая + га­зовая фаза и т.д.) рис. 2.46.

Плазменное легирование из жидкой, твердой и газовой фазы

Исследова­ния проводились на стали 20, 45. В качестве жидкой среды использовался водный раствор соли аммония (различной концентрации), газовые среды (азот и пропан, СО2), пасты (углеродосодержащие, азотосодержащие).

Азотирование Проведенные исследования показали, что увеличение концен­трации азота в зоне обработки приводит к повышению содержания азота в поверхностных слоях, следствием чего является увеличение глубины слоя и микротвердо­сти, табл. 2.16. Микроструктура слоя после комплексного легирования такая же, как и после простого азотирования из газовой и твердой фазы. Непосредственно на по­верхности образуется насыщенная азотом нетравящаяся ε – фаза, за ней переохлаж­денная γ – фаза, под которой находится азотистый мартенсит.

Нитроцементация. Особенностью комбинированного способа нитроцементации при плазменном упрочнении является повышенная концентрация азота и углерода. Слой наибольшей твердости и глубины получается при комбинации: плазмообразующий газ (азот 100 %) + азотоуглеродосодержащая паста.

Глубина диффузионного слоя на стали 20 составляла 0,6-1,1 мм, микротвер­дость 11000-12500 Мпа. Микротвердость повышается при увеличении скорости на­грева. Нагрев с большей скоростью уменьшает время, в течении которого азотоуглеродосодержащая паста находится в расплавленном состоянии, что увеличивает концентрацию активных атомов углерода и азота на границе раздела: насыщенная среда - поверхность металла. Однако, концентрации азота и углерода приводит к увеличению остаточного аустенита (от 2,5 до 10 % на стали 20), что снижает микротвердость. Глубина диффузионного слоя на стали 45 составляла 0,65-0,8 мм., а микротвердость 11200 -13000 Мпа. Содержание остаточного аустенита увеличивается  при повышении скорости обработки (от 8 до 15 %). Нитроцементированный слой на стали 45 после легирования по структуре аналогичен процессу нитроцементации, описанному выше.

 Табл. 2.16.

Марка стали	Вариант легирования	Глубина слоя, мм			Микротвердость, Мпа
		Легированного	Общая
1	2	3		4		5
Сталь 20	1.  Плазмообразующий газ азот (100%) (без оплавления 2.  Плазмообразующий газ азот (100%) + 90% водный раствор хлористого аммония (без оплавления) 3.  Плазмообразующий газ азот (100%)+90% водный раствор хлористого аммония (с оплавлением) 4.  Плазмообразующий газ азот (60%) + аргон (40%) +азотосодержащая паста  (с оплавлением) 5.  Плазмообразующий газ азот (100%) + 50% водного раствора хлористого аммония +азотосодержащая паста ( с оплавлением) 6.  Плазмообразующий газ аргон (100%)+ 50% водного раствора хлористого аммония +азотосодержащая паста (с оплавлением) 7.  Плазмообразующий газ аргон (100%)+ азотосодержащая паста (с оплавлением)	0,3-0,35 0,35-0,55 0,6-0,8 0,6-0,8 0,75-0,1 0,75-0,1 0,6-0,8		0,7 0,9 1,8 2 3 1,2 2		8100-8200 8300-9400 8800-12000* (пористая поверхность) 7200-8800 9100-11300* (пористая поверхность) 8800-9500 8800-9200

Эффект «азотного кипения»

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:

 - 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

 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).

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