Дипломная (вкр): Изучение микроструктуры и свойств упрочненного слоя, полученного путем плазменной закалки

Все методы поверхностного высокоэнергетического упрочнения сталей предназначены для формирования закаленных слоев, обеспечивающих повышенный уровень износостойкости рабочих поверхностей деталей, находящихся в тяжелых условиях внешнего нагружения. Несмотря на принципиальные различия используемого для поверхностной обработки оборудования, механизм формирования упрочняемого слоя в общем случае одинаков [12]. Он заключается в быстром нагреве локального объема детали до аустенитного состояния и последующем отводе тепла в соседние объемы, не успевшие нагреться в тот период, когда источник нагрева был включен. В связи с тем, что масса нагретого слоя значительно меньше, чем масса обрабатываемой детали, скорость охлаждения поверхностного слоя как правило выше критической [12]. Следовательно, на стадии охлаждения аустенит претерпевает мартенситное превращение.

Комплекс механических свойств поверхностного слоя, в первую очередь твердости и показателей прочности, обеспечивается высокими значениями скоростей нагрева и охлаждения стали [29]. Это обстоятельство объясняет малый размер мартенситных кристаллов, возникающих в мелких зернах аустенита и отсутствие явных признаков самоотпуска пересыщенного твердого раствора [3]. При обработке материала в его поверхностных слоях развиваются физико-химические процессы, характер которых определяется химическим составом, температурой, временем, скоростью нагрева и последующего охлаждения [7].

Формирование высокотемпературной фазы в результате нагрева высококонцентрированными потоками энергии, в отличие от медленного нагрева, когда превращение перлит → аустенит происходит в близких к изотермическим условиях, из-за избытка подводимой энергии идет в условиях непрерывно повышающейся от A_с1^нач до A_с1^кон температуры [20]. График смещения критической точки изображен на рисунке 3.Следует отметить, что аустенит, полученный при высокоскоростном нагреве, отличается повышенным количеством дефектов. Большое число дефектов обусловлено наследованием их из б - фазы, а также дополнительным образованием вследствие усиления эффекта фазового наклепа в условиях превращения при высокой скорости нагрева. Степень завершенности процесса аустенитизации для конкретного состава железоуглеродного сплава определяется скоростью и температурой нагрева, временем теплового воздействия [20, 24], точнее временем пребывания некоторого объема нагретого металла в диапазоне температур существования аустенита.

Рисунок 3 - Смещение критической точки A_с1 при быстром нагреве стали.

Поскольку при обработке концентрированными потоками энергии различные слои материала нагреваются до различных температур, зону термического воздействия условно можно представить состоящей из ряда слоев, плавно переходящих друг в друга. Схема строения ЗТВ показана на рисунке 4

Первый слой - зона оплавления, имеет место при закалке из расплавленного состояния. Зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая для среднеуглеродистой стали - мартенсит [29]. Следует отметить, что по мере удаления от поверхности упрочняемого изделия в глубь размеры кристаллов мартенсита плавно изменяются. Обусловлено это тем, что температура материала в разных зонах быстро нагретого слоя существенно отличается (не смотря на то, что структура в этих зонах перед охлаждением была одинаковой - аустенит).

Рисунок 4 - Схема строения ЗТВ при плазменном упрочнении: 1 - зона оплавления; 2- зона закалки; 3 - переходная зона

Тем не менее, мартенсит основного слоя характеризуется высокой дисперсностью составляющих его элементов. Это обусловлено тем, что максимальная длина кристалла мартенсита соответствует размеру аустенитного зерна. Зерно аустенита из-за кратковременности выдержки не успевает вырасти и поэтому мартенсит, образующийся в его пределах, является мелкодисперсным. Кроме того, при смещении процесса образования аустенита в область высоких температур уменьшается концентрация углерода, снижается устойчивость зародыша, следовательно, скорость зарождения при этом резко увеличивается, что ограничивает рост зерен [29].

Второй слой - зона закалки из твердой фазы, образующийся в интервале температур Тпл › Тзак › ТАс1. По глубине слой характеризуется сильной структурной неоднородностью, так как наряду с полной закалкой происходит неполная закалка. В верхней границе слоя, ближе к поверхности, наблюдается мартенсит и остаточный аустенит. В нижней границе слоя, ближе к исходному металлу, наряду с мартенситом наблюдаются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидных сталях и цементит в заэвтектоидных [29].

Третий слой - переходная зона, в которой металл нагревается до температур ниже точки Ас1, в котором основными структурами являются структуры отпуска [29].

Металлографические исследования, проведенные авторами работы [26], показали, что микроструктура переходной зоны зависит от исходного состояния упрочняемого материала. В зависимости от режимов обработки, марки стали, ее предварительной термической обработки переходная зона может иметь различные размеры и строение. В доэвтектоидных сталях с исходной феррито-перлитной структурой и заэвтектоидных сталях с перлито-цементитной структурой после поверхностной закалки наблюдаются участки избыточных фаз (феррита и цементита). Размеры конгломератов этих фаз в направлении от закаленной зоны к зоне с исходной структурой возрастают.

Слоистое строение упрочненной зоны характерно для всех способов плазменного упрочнения. Геометрические параметры зоны плазменного нагрева характеризуются шириной и глубиной упрочненного поверхностного слоя, которые для большинства способов зависят от параметров режима упрочнения (мощности плазменной струи (дуги), дистанции упрочнения, скорости обработки) [29].

C целью обеспечения высокого уровня конструктивной прочности упрочняемого изделия необходимо тщательно контролировать структуру не только закаленной, но и переходной зоны. Изменяя режимы обработки, можно достаточно надежно управлять структурными параметрами основной и переходной зоны, формируя при этом благоприятный уровень механических свойств материала [18, 25].

3. Особенности напряженного состояния в поверхностных слоях металлических материалов, обусловленные нагревом и последующим ускоренным охлаждением

Для стальных изделий, поверхностные слои которых были упрочнены методами, основанными на использовании источников высококонцентрированной энергии, характерным является образование внутренних напряжений. Уровень этих напряжений достигает высоких значений, что в значительной степени определяет свойства упрочненного слоя, в первую очередь трещиностойкость [29]. Появление внутренних напряжений обусловлено, главным образом, неоднородным распределением деформации по объему материала. В процессах быстрого нагрева или охлаждения металла внутренние напряжения возникают вследствие неоднородного расширения (сжатия) поверхностных или внутренних слоев. Напряжения возникают также в процессе кристаллизации, при деформации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему материала.

При упрочнении сталей наибольший эффект в формировании внутренних напряжений обеспечивают процессы, основанные на фазовых превращениях, происходящие при резком охлаждении металла и приводящие к образованию мартенситной структуры [27]. Появление мартенсита сопровождается большими внутренними напряжениями в кристаллической решетке, что способствует ее перестройке из объемно-центрированной кубической в тетрагональную [27].

Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими стали и, особенно, с аустенитом имеет наибольший удельный объем. Увеличение этого параметра является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин. В процессе роста мартенситного кристалла вследствие разности удельных объемов аустенита и мартенсита в области когерентного сопряжения решеток возрастают упругие напряжения, что, в конечном счете, приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов [27].

Упругая аккомодация на границе решеток исходной и конечной фаз, объемные изменения при возникновении из аустенита новой менее плотной решетки, а также перемещение межфазной границы при росте мартенситных кристаллов приводят к возникновению дефектов, присущих структуре мартенсита. Такого рода дефекты, сконцентрированные у поверхности мартенситных кристаллов, являются источниками возникновения внутренних напряжений, подразделяемых на протяженные, образованные в результате упругого изгиба мартенситного кристалла, и локальные, являющиеся областями объемного растяжения кристаллической решетки [27].

Опыт эксплуатации конструкций различного назначения и результаты многочисленных экспериментов показывают, что остаточные напряжения существенно влияют на надежность и долговечность техники. Высокие закалочные напряжения, возникающие в изделиях, способны привести к растрескиванию изделий [28]. Поэтому одна из наиболее важных задач, возникающих при реализации методов поверхностной закалки с использованием источников высококонцентрированной энергии, заключается в применении таких решений, которые способствовали эффективному уменьшению уровня растягивающих внутренних напряжений в упрочняемых изделиях.

4. Технологические варианты плазменного упрочнения деталей

Накопленный опыт по практическому применению плазменного поверхностного упрочнения позволяет выделить следующие варианты [7]:

) упрочнение без оплавления и с оплавлением поверхности детали; 2) упрочнение с зазором между упрочненными зонами (ЗТВ), без перекрытия ЗТВ и с перекрытием ЗТВ.

Плазменное упрочнение без оплавления поверхности является наиболее распространенным для стальных деталей, поскольку обеспечивает сохранение качества (шероховатости) поверхности, достигнутого предшествующей механической обработкой. В этом одно из основных технологических преимуществ данного процесса, который на практике используется обычно как финишная операция. Требуемые значения твердости, размеров и эксплуатационных характеристик ЗТВ регулируются режимом обработки в достаточно широких пределах [7].

Однако в случаях, когда необходимо получить особые эксплуатационные свойства, возможно и упрочнение с оплавлением поверхности стальных деталей. Так, обработка с оплавлением может применяться для валков черновой группы клетей станов горячей прокатки, к шероховатости рабочей поверхности которых не предъявляют высоких требований. Оплавленная твердая поверхность валка в этом случае позволяет обеспечить улучшение захвата прокатываемого металла и имеет более высокую износостойкость по сравнению с неоплавленной. [7].

Наиболее широко плазменное упрочнение с оплавлением поверхности применяется для деталей из чугуна. В этом случае дополнительным фактором повышения срока службы является создание поверхностного отбеленного слоя с высокой износостойкостью [7].

Из второй группы технологических вариантов плазменного упрочнения наибольшее практическое применение получила обработка без перекрытия ЗТВ. Преимуществом такой обработки является получение упрочненных слоев на деталях с практически равномерной твердостью на поверхности. Износостойкость в этом случае наиболее высокая. В то же время обработка с перекрытием может применяться в специально оговоренных случаях, когда, например, необходимо обеспечить большую стабильность глубины упрочненного слоя [7].

5. Схемы получения плазмы

В настоящее время основным методом получения плазмы для технологических целей является метод пропускания газовой струи через сжатую электрическую дугу, расположенную в узком медном канале.

В современной сварочной технике применяют три схемы получения плазмы. Первая соответствует схеме сжатой дуги прямого действия, когда анодом служит обрабатываемый материал Схема показана на рисунке 5а. Вторая - сжатая дуга косвенного действия возникает между вольфрамовым электродом и внутренним соплом плазмотрона, из которого выдуваются потоки газа в виде плазменной струи. Схема показана на рисунке 5б. Третья - схема с комбинированным подключением плазмотрона к источнику питания.

Схема обработки плазменной дугой прямого действия имеет определенные особенности. К преимуществам можно отнести достаточно высокий КПД нагрева дугой прямого действия (до 85% [1]). Кроме того, плазмотроны с дугой прямого действия обладают сравнительно простой конструкцией. Преимущество плазменной закалки дугой прямого действия еще и в том, что имеется возможность повысить ее производительность за счет сканирования дуги магнитным полем. Схема плазмотрона со сканируемой дугой изображена на рисунке 6.

Плазма сильно подвержена воздействию магнитных полей из-за насыщенности ее заряженными частицами [29]. Возможно два случая воздействия магнитного поля на плазменную дугу при помощи продольного и поперечного магнитного поля. Благодаря хорошей устойчивости дуги в поперечном магнитном поле, появляется возможность получать широкие дорожки упрочнения до 45 мм при решении различных технологических задач. Некоторые конструкции магнитных систем позволяют получать плоскую, веерообразную, конусную, кольцевую плазменную струю. Продольное магнитное поле используется для стабилизации и сжатия дуги.

Рисунок 5 - Плазменная дуга: а - прямого и б - косвенного действия [6]: 1 - водоохлаждаемый электрододержатель; 2 - вольфрамовый неплавящийся электрод; 3 - водоохлаждаемое сопло; 4 - плазменная дуга; 5 - изделие

Рисунок 6 - Сканируемая плазменная дуга [6]: 1 - сопло плазмотрона; 2 - губки магнитопровода; 3 - плазменная дута; 4 - сечение сканируемой дуги; 5 - сечение дуги без сканирования; 6 - изделие

Необходимо отметить, что при работе с использованием магнитных отклоняющих систем длина дуги увеличивается из-за необходимости введения и промежуток между соплом и изделием губок магнитопровода. Это требует источников питания с более высоким напряжением холостого хода (до 200 В) [6].

Основным недостатком схемы дуги прямого действия является то, что при закалке данным способом деталь находится под напряжением. Это позволяет разогревать и закаливать лишь тонкий поверхностный слой толщиной 1-2 мм. Кроме того, данная схема не позволяет вести закалку неэлектропроводных деталей и деталей с высоким электрическим сопротивлением. Недостатком также является сложность возбуждения основной дуги. Вначале приходится возбуждать вспомогательную дугу между катодом и соплом через сопротивление. Затем, как только факел коснется детали, автоматически зажигается основная дуга между катодом и деталью, а вспомогательная дуга отключается.

Дуга косвенного действия (плазменная струя) электрически не связана с обрабатываемым металлом, что существенно расширяет диапазон обрабатываемых материалов, а также снимает опасность поражения электрическим током при проведении упрочнения. Меньший КПД нагрева (тепловая энергия от дуги к свариваемой детали передается лишь струей плазмы) позволяет прогреть материал на большую по сравнению с дугой прямого действия глубину при отсутствии оплавления поверхности, а значит увеличить глубину закаленного слоя. Недостатками способа являются трудность подбора и поддержании режима. Кроме того, малый КПД нагрева косвенной дуги накладывает жесткое ограничение на колебания расстояния между соплом плазмотрона и обрабатываемой поверхностью. Данное условие особенно трудно соблюсти при обработке деталей, в конструкции которых присутствуют пазы, канавки.

Третья схема с комбинированным подключением плазмотрона к источнику питания сочетает в себе преимущества первых двух схем и при этом лишена некоторых недостатков. В этом случае между вольфрамовым электродом и соплом анода зажигается вспомогательная сжатая дуга косвенного действия, обладающая электропроводимостью и образующая при соприкосновении с токоведущей обрабатываемой деталью сжатую дугу прямого действия. Такая схема позволяет избежать дополнительных операций по возбуждению дуги, получать высокий КПД нагрева и вместе с тем упрочнять изделие на большую глубину. Основным преимуществом данной схему подключения плазмотрона является то, что появляется возможность, раздельно задавая силу тока на каждой из дуг (прямой и косвенной), добиваться довольно широких пределов регулирования по прогреву детали.