Изучение микроструктуры и свойств упрочненного слоя, полученного путем плазменной закалки

Одной из важнейших задач современного этапа развития машиностроения является повышение качества, надежности и долговечности деталей и узлов различных машин и механизмов. Для радикального решения этой проблемы необходим комплексный подход, включающий создание новых материалов, разработку и освоение новых технологий.

В частности, для некоторых типов деталей в соответствии с особенностями нагружения при эксплуатации необходимо обеспечить высокую твердость, износостойкость поверхностного рабочего слоя и достаточно хорошую вязкость и пластичность сердцевины. Это касается деталей, работающих в условиях износа с одновременным действием динамических нагрузок. При динамической изгибающей нагрузке максимальные напряжения возникают в поверхностном слое изделия. Это же относится и к касательным напряжениям, возникающим при кручении. При воздействии на деталь знакопеременной нагрузки разрушение от усталости также начинается в поверхностном слое.

В процессе эксплуатации многих машин и механизмов их детали работают в жестких условиях в контакте с агрессивными средами при высоких температурах, вызывающих как существенный износ поверхности, так и интенсивную коррозию. Изнашивание рабочих поверхностей деталей нередко требует их полной замены, что повышает себестоимость производства, тогда как их массогабаритные характеристики составляют 90−95% от номинальных. Следовательно, нет необходимости большинству деталей машин придавать одинаковые свойства по всему сечению способами объемной закалки. В некоторых случаях это может оказаться не только излишним, но даже вредным.

Наиболее рациональное распределение свойств по сечению многих деталей — наибольшая твердость поверхностных слоев при достаточно вязкой сердцевине и плавном переходе между ними. Такое распределение свойств по сечению наиболее целесообразно и с точки зрения долговечности работы изделий. Снижается риск поломок при эксплуатации.

Среди методов упрочнения поверхности наиболее распространенными являются поверхностная термическая закалка и различные способы химико-термической обработки (цементация, азотирование и др.). Поверхностная термическая закалка по сравнению с химико-термической обработкой требует значительно меньшего времени и является, поэтому, более предпочтительной.

В данной работе отражаются ход и результаты исследований свойств поверхностного упрочненного слоя заготовок, полученного методом плазменной закалки. Для проведения данных исследований необходимо подготовить образцы для упрочнения, выполнить упрочнение, проанализировать результаты, установить как влияют на свойства получаемого упрочненного слоя основные параметры режима закалки. Также в данной работе на основании проведенного исследования предпринята попытка задать оптимальные параметры режима для упрочнения деталей машин, изготавливаемых из различных марок конструкционных сталей.

1. Обзор методов поверхностного упрочнения высококонцентрированными источниками нагрева

К наиболее перспективным и прогрессивно развивающимся способам поверхностной закалки следует отнести способы, основанные на применении высококонцентрированных источников нагрева: плазменная струя, лазерный луч, электронный пучок. Их применение позволяет получить более высокие эксплуатационные свойства изделий и качество упрочнения. Внедрение высококонцентрированных источников нагрева позволяет резко сократить энергозатраты, уменьшить коробление деталей, исключить необходимость использования различных сред и при этом полностью автоматизировать процесс. В соответствии с применяемым источником нагрева различают следующие способы поверхностной термической закалки:

— электронно-лучевая закалка,

— лазерная закалка,

— плазменная закалка.

1.1 Электронно-лучевая обработка

Электронный луч представляет собой мощное эффективное средство термического воздействия на материал [8, 9, 10, 11]. Первые попытки применения электронного луча для выполнения технологических операций были предприняты более 100 лет назад. В 1905 году Пирани успешно использовал электронный луч для электронно-лучевой плавки металлов, в том числе и тугоплавких, например тантала. В 1934 году фон Арденне и Рюле применили электронные пучки, сфокусированные магнитными линзами, с целью получения в материалах отверстий малого диаметра. К 1965 году в практику промышленного применения вошли такие технологические процессы как электронно-лучевая плавка, сварка, напыление, обработка поверхностей. Электронно-лучевая технология сформировалась в качестве самостоятельной научно-технической области в течение последних 40…50 лет. Это стало возможным, главным образом, благодаря успехам, достигнутым в области разработки и применения вакуумной техники и электронной оптики. В настоящее время понятие «электронно-лучевые технологии» охватывает ряд способов получения и обработки материалов, например плавку, сварку, резку, термическую обработку.

В качестве энергоносителя при реализации электронно-лучевых технологий выступает электронный луч. Генератором электронного луча служит электронная пушка, обеспечивающая эмиссию свободных электронов, их ускорение в электростатическом поле, фокусировку и отклонение пучка с посредством электрического и магнитного полей. Сформированный пушкой электронный пучок выводится в изображенную на рисунке 1 рабочую камеру, из которой предварительно насосами откачивают воздух. При взаимодействии электронного пучка с поверхностью обрабатываемой детали 1 кинетическая энергия электронов превращается в другие формы энергии (главным образом в тепловую). Часть электронов отражается и рассеивается поверхностью объекта, появляется рентгеновское излучение, кроме того, возникают вторичные и тепловые электроны [8, 9]. Обрабатываемая деталь 1 при помощи механизма 3 перемещается с заданной скоростью. Закалка производится электронным лучом 4.

Комплекс устройств, служащих для формирования и фокусировки электронного луча, называют сварочной электронной пушкой. Оператор, осуществляющий закалку в зависимости от размеров камеры, находится за ее пределами или в самой камере.

Характер воздействия электронного пучка на металлические материалы зависит от энергии электронов, плотности потока, а также от свойств облучаемых объектов и условий, в которых они находятся (температура, внешняя среда). Проходя через вещество, электроны взаимодействуют как с кристаллической решеткой материала в целом, так и с отдельными встречающимися на его пути микрочастицами: атомами, молекулами, электронами, что приводит к ослаблению интенсивности электронного пучка.

Рисунок 1 — Схема установки для электронно-лучевой обработки

Рассеивание кинетической энергии ускоренных электронов происходит в виде тепла, разогревающего металл в области падения электронного луча [13, 14]. Такая особенность электронно-лучевого воздействия приводит к возможности реализации в поверхностных слоях обрабатываемых изделий таких процессов как нагрев, плавление, испарение, взрывное вскипание вещества и т. д. [9, 15, 16, 17].

Энергия, передаваемая электронами веществу, распределяется неравномерно. Интенсивность проходящих в нем превращений также неодинакова. Следовательно, одной из основных задач при выборе технологических параметров электронно-лучевой обработки является расчет допустимой неравномерности поглощенной дозы энергии. Это необходимо для того, чтобы разброс приобретаемых веществом свойств не выходил за пределы технических условий.

Анализ литературных данных позволяет выделить следующими основные технологические преимущества метода электронно-лучевой обработки по сравнению другими способами поверхностного упрочнения [2, 3, 18]:

— высокая производительность процесса;

— минимальное коробление изделия;

— не зависящий от изделия характер подвода энергии;

— возможность управления процессом с помощью ЭВМ и устройств с ЧПУ, встраивание установок в автоматические производственные линии;

— независимость степени поглощения энергии от оптических свойств и шероховатости поверхности, отсутствие необходимости нанесения покрытия на поверхность для повышения поглощающей способности;

— формирование зоны одновременного нагрева с площадью до сотен см²,

— высокая надежность электромагнитной системы сканирования;

— возможность использования одного оборудования для проведения различных технологических процессов — сварки, поверхностной закалки, плавления;

— возможность быстрой и надежной развертки пучка в магнитном поле;

— отсутствие окисления поверхности;

— относительная экологичность процесса за счет отсутствия вредных выбросов в атмосферу.

Несмотря на ряд перечисленных преимуществ, большие капитальные затраты на приобретение и монтаж оборудования, затраты, связанные с его эксплуатацией и обслуживанием, ограничивают применение электронно-лучевой обработки деталей крупносерийным и массовым производством в машиностроении и инструментальной промышленности [2, 3].

1.2 Лазерная обработка

Возможность концентрации лазерного излучения в пространстве и во времени позволяет отнести современные лазеры к высококонцентрированным источникам энергии. Лазерное излучение представляет собой вид электромагнитного излучения с набором уникальных свойств. Для него характерны монохроматичность, когерентность, малая расходимость в пространстве, высокие удельные энергетические характеристики.

При лазерной обработке поверхности нагрев металла осуществляется мощным световым лучом, получаемым от специальных твердых или газовых излучателей. Для управления сформированного излучателем луча служат специальные оптические системы. Вакуум при закалке лазером не нужен, и последняя может осуществляться на воздухе даже на значительном расстоянии от генератора, благодаря малому значению угла расходимости лазерного луча и~10^-3 рад (высокой направленности), обеспечивающему высокую плотность мощности излучения. В зоне обработки плотность мощности лазерного луча может достигать величины 10⁶ Вт/см². Схема установки для лазерной обработки показана на рисунке 2.

Важнейшим достоинством лазерного луча является его высокая универсальность. Один и тот же лазерный комплекс может служить для выполнения различных технологических операций — термической обработки, сварки, резки, поверхностного легирования, наплавки. Эти достоинства объясняют широкое распространение технологических лазеров в современном промышленном производстве, в том числе и в машиностроении [19−21].

Рисунок 2 — Схема установки для лазерной обработки: 1 — источник питания; 2 -лампа накачки; 3 резонатор; 4 — луч лазера; 5 — оптическая система; 6 — свариваемое изделие.

Специфику лазерной обработки определяют очень высокие скорости нагрева и охлаждения материала. В месте встречи лазерного луча с поверхностью за короткое время выделяется столько тепловой энергии, что скорость нагрева материала может достигать миллиона градусов в секунду. В то же время локальность взаимодействия луча с объектом означает, что после прохождения луча, быстро нагретый участок оказывается в окружении холодного металла, который интенсивно забирает тепло, обеспечивая интенсивное охлаждение.

Таким образом, лазерная термическая обработка является эффективным методом поверхностной закалки, обеспечивающим формирование высокопрочной структуры. В качестве основного недостатка лазерного термоупрочнения следует отметить высокую отражающую способность многих реальных металлических изделий, требующих упрочнения, что в итоге негативно отражается на коэффициенте полезного действия лазеров при реализации поверхностной упрочняющей обработки.

Основное распространение получили лазеры мощностью до 5 кВт. Лазеры большей мощности являются дорогостоящим оборудованием, эксплуатация которого экономически целесообразна при его загрузке на 80−90% [4, 5].

1.3 Плазменная закалка

Плазменное поверхностное упрочнение, как один из методов упрочнения источниками нагрева с высокой плотностью мощности, в настоящее время применяется в условиях как мелкосерийного и единичного, так и крупносерийного и массового производства. Сущность его заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей и последующем отводе тепла в глубь детали.

Для технологических целей используют низкотемпературную плазму, которая представляет собой частично ионизированный газ и имеет температуру порядка 10³…10^s К. Механизм образования плазмы, свойства и параметры плазменной струи зависят от рода и свойств плазмообразующей среды, которая может быть однокомпонентной и многокомпонентной. В качестве однокомпонентной плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород. В качестве многокомпонентных используют смеси: аргон и водород, аргон и гелий, азот и водород, воздух, воду, аммиак, азот и кислород [13, 22].

Плазмообразующий газ должен обладать высоким значением удельной теплоемкости и теплопроводности. В этом отношении аргон обладает худшими электрическими и теплофизическими характеристиками по сравнению с другими плазмообразующими газами, однако хорошо защищает вольфрамовый электрод, легко ионизируется под действием дугового разряда и не оказывает вредного воздействия на поверхностный слой обрабатываемого металла. Однако аргон и другие инертные газы дорогостоящи. Кроме того, они не могут диссоциировать в столбе дугового разряда. Активными теплоносителями являются двухи трехатомные газы, поэтому их применяют в качестве добавки к аргону. Наилучшими теплофизическими характеристиками обладает водород. В смеси его содержание обычно не превышает 15−20%. Дальнейшее увеличение содержания водорода в смеси приводит к резкому возрастанию напряжения на дуге.

Плазменная обработка материалов обладает рядом достоинств, обуславливающих ее широкое использование для реализации всех известных методов термического воздействия на материал: возможностью достижения высокой концентрации тепловой энергии; пригодностью для плавления или испарения практически любых известных в природе материалов; повышенной стабильностью плазменной дуги по сравнению с электрической; высокой скоростью газа в плазменной струе [22, 23].

Плазменные источники обеспечивают плотность мощности 10⁴~10⁵ Вт/см², т. е. меньше, чем электронный и лазерный луч, но их единичная мощность может достигать 160 кВт и более, а эффективный КПД нагрева — 0,85. Плазменное оборудование по стоимости и сложности изготовления вполне сопоставимо с электродуговым, отличается малыми габаритами и высокой маневренностью. Его широко применяют для резки, наплавки, напыления, сварки и более ограниченно для упрочнения.

2. Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии

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. 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. 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. Это обстоятельство объясняет малый размер мартенситных кристаллов, возникающих в мелких зернах аустенита и отсутствие явных признаков самоотпуска пересыщенного твердого раствора. При обработке материала в его поверхностных слоях развиваются физико-химические процессы, характер которых определяется химическим составом, температурой, временем, скоростью нагрева и последующего охлаждения.

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. 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. 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.

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.

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

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).

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. 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. Появление мартенсита сопровождается большими внутренними напряжениями в кристаллической решетке, что способствует ее перестройке из объемно-центрированной кубической в тетрагональную.

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.

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.

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. 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]:

1) 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.

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.

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.

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.

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. 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).

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.

6. Постановка задачи исследования Применительно к поверхностной закалке деталей машин из описанных в предыдущих разделах методов предпочтение следует отдать плазменной дуге, как более экономичной и производительной. Высокая себестоимость процесса электронно-лучевой закалки связана с необходимостью создания вакуумной камеры и высокой стоимостью установок. Лазерное оборудование, помимо высокой стоимости, характеризуется еще и низким КПД (менее 10%). Для плазменной закалки можно применять оборудование с небольшой единичной мощностью и, следовательно, с невысокой стоимостью. Кроме того, плазменная закалка имеет преимущество перед закалкой лазером и электронным лучом в производительности.

Для эффективного применения плазменной закалки необходимо максимально точно прогнозировать свойства получаемых упрочненных поверхностей, устанавливать их зависимость от режимов процесса.

Основными регулируемыми параметрами плазменной закалки являются величина тока, напряжение дуги, тип плазмообразующего газа и его расход, скорость закалки. Наибольшее влияние на свойства упрочняемой поверхности имеют величина тока и скорость закалки. Установлено, что для каждой скорости закалки существует некоторое предельное значение тока I_кр, начиная с которого происходит оплавление закаливаемой поверхности. При этом токе имеют место наибольшие твердость, ширина и глубина закаленного слоя.

Таким образом, наиболее актуальным видится изучение влияния силы тока и скорости плазменной закалки на структуру и твердость упрочненного слоя, поиск оптимального соотношения этих двух параметров для достижения наиболее высоких показателей по твердости для различных деталей, изготовленных из среднеуглеродистых сталей.

7. Материалы и методика эксперимента В качестве основного (упрочняемого) материала использовались пластины, изготовленные из указанных ниже конструкционных сталей:

· образец № 1 — конструкционная углеродистая сталь 45 (отливка)

· образец № 2 — конструкционная углеродистая сталь 45 (отливка)

· образец № 3 — конструкционная легированная сталь 30ХНМА (отливка)

· образец № 4 — конструкционная легированная сталь 30ХНМА (отливка)

· образец № 5 — конструкционная легированная сталь 40ХНМА (отливка)

· образец № 6 — конструкционная легированная сталь 30ХН2МА (отливка)

· образец № 7 — конструкционная легированная сталь 40ХН2МА (поковка)

· образец № 8 — конструкционная легированная сталь 40Х (отливка) Химический состав материала образцов представлен в таблицах 1−6.

Таблица 1 — Химический состав стали 45 по ГОСТ 1050–88

Таблица 2 — Химический состав стали 30ХНМА по ГОСТ 4543–71

Таблица 3 — Химический состав стали 40ХНМА по ГОСТ 4543–71

Таблица 4 — Химический состав стали 30ХН2МА по ГОСТ 4543–71

Таблица 5 — Химический состав стали 40ХН2МА по ГОСТ 4543–71

Таблица 6 — Химический состав стали 40Х по ГОСТ 4543–71

Размер всех образцов одинаков: длина — 200 мм, ширина — 50 мм, толщина 30 мм.

После того как образцы были подготовлены, провели поверхностную закалку плазменной дугой. В качестве источника питания плазменной дуги использовался серийный сварочный выпрямитель ВДУ-504. В качестве плазмообразующего газа применялся аргон. Закалка проводилась в ручном режиме. Режимы закалки указаны в таблице 7.

Таблица 7 — Режимы закалки исследуемых образцов

Структуру и твердость термообработанного поверхностного слоя изучали на поперечных микрошлифах с использованием микроскопа Neophot-2 при увеличениях 50−1000^x. Измерение твердости производилось на микротвердомере Duramin-2 под нагрузкой 4,9×10³ H. Оценка зеренной структуры в зоне термического влияния проводилась по ГОСТ 8233–56 «Сталь. Эталоны микроструктуры».

8. Обсуждение результатов эксперимента Измерения твердости и изучение структуры основного и закаленного участков поперечных микрошлифов, изготовленных из обработанных образцов, дали следующие результаты.

8.1 Результаты изучения микроструктуры образца № 1 из стали 45

Результаты измерения твердости образца № 1 представлены в таблице 8. На основании этих данных для наглядности был построен изображенный на рисунке 7 график изменения твердости по глубине закаленного слоя.

Таблица 8 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 1

Закалка образца была проведена без оплавления поверхности.

Изучение микроструктуры показало, что вблизи от поверхности упрочненный слой состоит из зерен сорбита и перлита (до 0,84 мм). В переходном слое (0,84−1,04 мм) помимо сорбита и перлита появляются прожилки феррита. Структура основного металла — перлит и ферритная сетка.

Рисунок 7 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 1

8.2 Результаты изучения микроструктуры образца № 2 из стали 45

Результаты измерения твердости образца № 2 представлены в таблице 9. На основании этих данных был построен изображенный на рисунке 8 график изменения твердости по глубине закаленного слоя.

Таблица 9 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 2

По сравнению с предыдущим образцом, закалка проведена с большей скоростью и при меньшем значении силы тока. Расчетное значение погонной энергии значительно снизилось, что привело к снижению твердости упрочненного слоя и переходной зоны. Таким образом можно сделать вывод о нецелесообразности дальнейшего снижения величины удельного тепловложения.

Рисунок 8 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 2

Микроструктура упрочненного, переходного и основного слоев металла та же, что и у образца № 1, с той лишь разницей, что переходный слой находится на меньшей глубине (0,54−0,7мм).

8.3 Результаты изучения микроструктуры образца № 3 из стали 30ХНМА Результаты измерения твердости образца № 3 представлены в таблице 10. На основании этих данных был построен изображенный на рисунке 9 график изменения твердости по глубине закаленного слоя.

Таблица 10 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 3

Рисунок 9 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 3

Закалка образца была выполнена без видимого невооруженным глазом оплавления поверхности.

Микроструктура верхнего слоя термоупрочненной зоны — слой мартенсита с баллом зерна 6 (участок до 0,2 мм). За ним следует слой мартенсита с баллом зерна 5 и 6 с прожилками феррита (участок 0,2−0,58 мм). Следующая прослойка — мартенсит с баллом зерна 3 и 4 с прожилками феррита (участок 0,58−1,28 мм). В переходной зоне наблюдаются зерна мартенсита и сорбита (участок 1,28−1,51 мм), в зоне основного металла — зерна перлита и сорбита.

8.4 Результаты изучения микроструктуры образца № 4 из стали 30ХНМА Результаты измерения твердости образца № 4 представлены в таблице 11. На основании этих данных был построен изображенный на рисунке 10 график изменения твердости по глубине закаленного слоя.

Таблица 11 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 4

Закалка образца была выполнена с незначительным оплавлением поверхности.

Микроструктурный анализ показал наличие значительного слоя (до 0,5 мм) мартенсита с баллом зерна 6 и 7. Продвигаясь в глубь металла, наблюдаем прослойку мартенситных зерен баллом шестого балла с ферритными вкраплениями (участок на глубине 0,57−0,76 мм), затем переходную зону (1−1,9 мм), которая начинается с прослойки мартенсита с зернами четвертого балла и феррита, а потом переходит в перлит и сорбит. Структура основного металла — зерна феррита и перлита.

8.5 Результаты изучения микроструктуры образца № 5 из стали 40ХНМА Результаты измерения твердости образца № 5 представлены в таблице 12. На основании этих данных был построен изображенный на рисунке 11 график изменения твердости по глубине закаленного слоя.

Рисунок 10 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 4

Таблица 12 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 5

Закалка образца была выполнена с частичным оплавлением поверхности.

Микроструктурный анализ показал наличие у поверхности упрочненного слоя (участок до глубины 0,15 мм) прослойки мартенсита, с баллом зерна от 5 до 8. Следующий участок — мартенсит с зерном четвертого, пятого и шестого баллов (глубина 0,2−1 мм), далее мартенсит с прожилками феррита (глубина до 1,48 мм). В зоне перехода к основному металлу наблюдается мартенсит (до глубины 1,55 мм) и сорбит. В зоне основного металла преобладающие структуры — зерна перлита и сорбита.

Рисунок 11 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 5

8.6 Результаты изучения микроструктуры образца № 6 из стали 30ХН2МА Результаты измерения твердости образца № 6 представлены в таблице 13. На основании этих данных был построен изображенный на рисунке 12 график изменения твердости по глубине закаленного слоя.

Таблица 13 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 5

Закалка образца была выполнена с незначительным равномерным оплавлением поверхности.

Микроструктурный анализ показал наличие глубокого упрочненного слоя (до 2,4 мм), структуру которого представляет мартенсит с различными баллами зерна. В верхнем слое (до 0,9 мм) это мартенсит 7-го, 8-го баллов; затем прослойка мартенситных кристаллов с баллом зерна 6 (участок 0,9 — 1,5 мм). Далее слой мартенсита с зерном 4-го и 5-го баллов, который в переходной зоне (до 2,5 мм) заменяют перлит и сорбит.

Рисунок 12 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 6

Результаты изучения микроструктуры образца № 3 из стали 40ХН2МА Результаты измерения твердости образца № 5 представлены в таблице 14. На основании этих данных был построен изображенный на рисунке 13 график изменения твердости по глубине закаленного слоя.

Таблица 14 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 7

Закалка образца была выполнена без оплавления поверхности.

Микроструктурный анализ показал, что верхний слой ЗТВ (до 0,7 мм) состоит из мартенсита с зерном 4-го балла. Далее он переходит в мартенсит с зерном 2-го балла, одновременно с этим в структуре появляются прожилки феррита (на глубине 0,7−1,4 мм). В зоне основного металла преобладающая структура — сорбит.

Рисунок 13 — Изменение. твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 7

8.7 Результаты изучения микроструктуры образца № 3 из стали 40Х Результаты измерения твердости образца № 8 представлены в таблице 15. На основании этих данных был построен изображенный на рисунке 14 график изменения твердости по глубине закаленного слоя.

Таблица 15 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 8

Закалка образца была выполнена без оплавления поверхности.

Микроструктурный анализ показал, что верхний слой ЗТВ (до 0,11 мм) состоит из мартенсита 5б. Далее он переходит в структуру, состоящую из мартенсита 5б и сорбита (участок 0,11 — 0,17 мм). Затем наблюдается прослойка из мартенсита, сорбита и перлита (на глубине 0,17 — 0,29 мм), которая переходит в структуру из зерен сорбита и перлита В зоне основного металла наблюдается пластинчатый перлит и ферритная сетка.

Рисунок 14 — Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца № 8

После обработки поверхности имеющихся образцов было подтверждено предположение о том, что среднеуглеродистые стали хорошо поддаются упрочнению плазменной дугой. Было примерно определено, что твердость поверхностного слоя образцов возрастает в два и более раз по сравнению с исходными значениями.

Так же было показано, что изменяя режимы обработки, можно управлять структурными параметрами основной и переходной зоны, получая таким образом, необходимую твердость и глубину упрочненного слоя.

При увеличении силы тока при неизменной скорости обработки на образцах из стали 30ХНМА произошло увеличение твердости по всей глубине упрочненного слоя. Также хорошие результаты по твердости показал образец из стали 40ХНМА, который обрабатывался при повышенных значениях силы тока.

Образец № 6 из стали 30ХН2МА, который также обрабатывался при повышенных значениях тока, обратил на себя внимание самыми высокими показателями по твердости и глубине упрочненного слоя среди всех образцов. Это можно объяснить тем, что в данной стали повышенное содержание никеля, который в свою очередь относится к группе аустенитообразующих легирующих элементов [37], т. е. расширяет область существования аустенита. Таким образом процесс аустенизации протекает достаточно полно даже на глубине порядка двух миллиметров от поверхности образца, а значит там становится возможным образование мартенсита.

Низкие значения силы тока, согласно ожиданиям не позволили получить существенного прироста по твердости в зоне термического влияния (образцы из стали 45, 40ХН2МА).

Эксперимент также показал, что с увеличением скорости закалки (производительности) максимальная глубина закаленного слоя уменьшается. Это связано с тем, что снижается время распространения тепла в тело закаливаемой детали, вследствие чего глубокие слои не успевают прогреться и пройти аустенизацию, необходимую для последующего мартенситного превращения. Исследование твердости образца из стали 40Х, обработанной на скорости около 4 см/м, обнаружило значительный недогрев.

Внедрение результатов исследования В сфере поверхностного упрочнения металлических изделий плазменное воздействие концентрированными источниками энергии находит всё более широкое применение. Но зачастую подходы конструкторов к проектированию деталей с износостойкой рабочей поверхностью по закалке ограничиваются требованиями по применению ТВЧ, цементации или азотирования.

Накопленный опыт внедрения плазменной закалки свидетельствует о высокой экономической эффективности её использования. Особенно когда предприятие-заказчик является конечным потребителем и комплексно осуществляет упрочнение и эксплуатацию изделий. Технологически грамотное применение плазменной закалки может существенно расширить перечень упрочняемых деталей. Так, эта технология позволяет термообрабатывать детали различных типоразмеров, как с относительно простой геометрией (прокатные валки, валы, колёса, бандажи, шкивы и т. п.) в автоматическом режиме, так и поверхности с развитым профилем (шестерни, гравюры штампов, звёздочки, шлицевые соединения и т. п.) в ручном и автоматическом режимах.

Плазменная закалка без оплавления не ухудшает параметров поверхности после механической обработки, поэтому эффективно встраивается в технологический процесс изготовления или ремонта деталей в качестве финишной операции.

На основе данной работы удалось установить оптимальные параметры режимов закалки для нескольких марок конструкционных сталей. Практически установлено, что закалка на этих режимах приводит к существенному увеличению твердости поверхностного слоя (до 700 HV). Глубина упрочненного слоя в среднем составляет около 1,5 мм. На образце из стали 30ХН2МА глубина упрочненного слоя составила 2 мм.

Таким образом, закалку на полученных в ходе исследования режимах можно рекомендовать для внедрения в производстве различных деталей, изготовленных из рассмотренного перечня марок конструкционных сталей.

9. Организационно-экономическая часть В процессе выполнения научных исследований оценить ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы достаточно сложно. В данном случае возникает необходимость планирования исследования с оценкой затрат на основе калькуляции потому как именно эти факторы обуславливают возможность его проведения.

Планирование произведём на основе сетевого метода и рассчитаем затраты на проведение закалки образцов.

Метод сетевого планирования состоит из составления перечня событий и работ; установления топологии сети; построения сетевого графика; определения продолжительности работ; расчета параметров сетевого графика; проведения анализа сетевого графика и его оптимизации, при необходимости.

9.1 Определение перечня событий и работ Перечень событий и работ по достижению цели исследования:

— устанавливаем логические связи между работами по моменту их совершения.

— производим кодирование событий и работ на основании выявленных логических связей между событиями.

— составляем таблицу, содержащую перечень событий и работ, таблица 16.

Таблица 16 — Перечень событий и работ