Плазменное поверхностное упрочнение металлов

Однако, по мнению [9- 13], существуют оптимальные скорости охлаждения аустенита (10²- 10³ °С\с), которые при плазменном упрочнении увеличиваются, по сравнению с закалкой традиционными методами. При слишком больших скоростях охлаждения, свыше 10⁵ ?С\с, повышается доля остаточного аустенита и возрастает вероятность образования трещин.

Таким образом, основными физическими особенностями плазменного по-верхностного упрочнения являются: увеличение температурных интервалов ?> ? и ?>? - превращений, доминирование бездиффузионных механизмов фазовых переходов, наследование дефектов и карбидной фазы исходной структуры,влияние состояния исходной структуры; влияние термоупругих¹ и остаточных напряжений.

Термодеформационные процессы в железоуглеродистых сплавах при плазменном упрочнении

После плазменного упрочнения металлов в поверхностном слое возникают остаточные напряжения, появление которых обусловлено двумя основными причинами: термическими напряжениями при неоднородном температурном поле и структурными превращениями. Остаточные напряжения при поверхностном упроч-нении распределяются, по мнению [1, 9, 10, 12, 16, 24, 25], следующим образом: в поверхностном слое Х_с (10-100 мкм) они носят сжимающий характер, а в более глу-боком слое Х_р (0,3-3 мм) переходят в растягивающие напряжения и по мере углуб-ления в глубь металла уменьшаются до нуля, рис.2.6.

Рис.2.6. Схема распределения остаточных напряжений по глубине

упрочненного поверхностного слоя.

?_{с 9} ?_р - величина максимальных остаточных напряжений сжатия и растяжения;

х_С9 х_р- глубина залегания.

На характер распределения остаточных напряжений большое влияние ока-зывают параметры режимов упрочнения, химический состав упрочняемого материала, исходное состояние поверхностного слоя и т.д. Изменяя параметры режимов упрочнения, можно получить разную глубину закаленного слоя и различный харак-тер остаточных напряжений по глубине материала, рис.2.7.

Термоупругие напряжения, действующие в процессе охлаждения, сдвигают влево термокинетические кривые распада аустенита, что приводит к необходимости увеличения критических скоростей охлаждения.

Рис. 2.7. Распределение остаточных напряжений на стали 45 при различной глубине

закаленного слоя (плазменная закалка): 1 - 0,5 мм ; 2 - 1,0 мм ; 3 2 мм.

Эпюры остаточных напряжений на поверхности сталей показывают сильную неравномерность, рис.2.8. В центре упрочненной зоны (у=0) при мощности плаз-менной струи 1,5 кВт имеются незначительные напряжения растяжения. С увеличе-нием мощности плазменной струи до 2,5 кВт, характер распределения и знак оста-точных напряжений в центре упрочненной зоны (у-- 0) изменяется. Это связано с тем, что с увеличением мощности плазменной струи, металл в зоне обработки нагре-вается до температуры выше фазовых превращений, на стадии охлаждения образуется мартенсит. Подобный характер изменений остаточных напряжений в зависимости от мощности получен при упрочнении плазменной струей на стали 45, рис. 2.9.

На углеродистых сталях максимальные напряжения сжатия зафиксированы при упрочнении с оплавлением поверхностно Однако, дальнейшее увеличение мощ-ности приводит к снижению напряжения сжатия в центре упрочненной зоны, что связано с увеличением объема жидкой ванны и, как следствие этого, уменьшение скорости охлаждения. Увеличение мощности плазменной струи (дуги) приводит к существенному изменению тепловых процессов, фазовых и структурных превраще-ний при упрочнении, вследствие чего изменяются не только остаточные напряже-ния в центре упрочненной зоны, но и характер их распределения поперек зоны в направлении оси y. На рис. 2.10. показано распределение на поверхности стали У10, 9ХМФ в зависимости от мощности.

Рис. 2.10. Распределение остаточных напряжений на поверхности

сталей У10 (а) и 9ХФМ (б) при различной мощности

плазменной струи. 1.Р = 2.5 кВт; 2. Р = 3,5 кВт; 3. Р = 5,5 кВт /оплавление/

В работах [1,16, 32, 35] отмечалось, что значительное влияние на распреде-ление остаточных напряжений при поверхностном упрочнении оказывает скорость обработки.

На рис. 2.11. доказано влияние скорости обработки сталей 20, 45, 40Х, 9ХМФ.

При небольших скоростях обработки в центре упрочненной зоны (с оплавлением) сталях 20, 45,40Х формируются растягивающие напряжения, а краям зоны оплавления - напряжения сжатия.

С увеличением скорости обработки напряжения в центре зоны переходят из растягивающих в сжимающие.

На стали 9ХМФ с увеличением скорости обработки напряжения сжатиявцентре, зоны

(у - 0) переходят в растягивающиеся.

Рис.2.11. Изменение остаточных напряжений в

центре упрочненной зоны в зависимости

от скорости обработки (мощность Р=4, 5 кВт);

1. -Сталь 20; 2. - Сталь 45; 3. - Сталь 40Х;

4- Сталь 9ХФМ

Проведенные исследования показали, что распределение остаточных напряжений по ширине упрочненной зоны на всех исследованных сталях характеризуются сильной неравномерностью. Более резкий переход от сжимающих напряжений к напряжениям растяжения наблюдается по глубине упрочненного слоя, что в неко-торых случаях может приводить к снижению прочности (вследствие хрупкого скола участков упрочненного слоя).

Рис. 2.12. Зависимость остаточных напряжений

в упрочненных сталях 45(1), 30ХГСА(2), от температуры отпуска.

В связи с этим, необходимо выбирать оптимальные режимы упрочнения

(в зависимости от типа стали) с благоприятным распределением остаточных напряже-нии Кроме того, при поверхностном упрочнении необходимо создавать благоприятные остаточные напряжения по величине, знаку и распределению, при которых в наибольшей мере компенсируются напряжения, создаваемые внешним напряжением. Известны случаи [18,19] снятия или перераспределения остаточных напряже-ний в процессе работы - под воздействием циклических упругих деформаций, малых пластических деформаций , при однократных перегрузках или невысокого, но продолжительного нагрева в процессе работы и т.д. Так, в процессе отпуска, происходит уменьшение остаточных напряжений за счет их релаксации. В образцах из стали 45, ЗОХГСА, закаленных при помощи плазменного упрочнения, после низкотемпературного отпуска наблюдается уменьшение сжимающих остаточных напряжений в упрочненном слое, рис.2. 12.

Способы плазменного поверхностного упрочнения можно разделить на два больших направления - процессы, проводящиеся с материалами в твердом состоя-нии и при расплавлении их поверхности [9, 10, 13, 14, 23-26]. На рис. 2.13. Приведена часть вариантов плазменного поверхностного упрочнения, которые теоретически и практически возможно осуществить.

2.13. Способы плазменного поверхностного упрочнения

Рис. 2.13. Способы плазменного поверхностного упрочнения материалов

В настоящее время наиболее широко исследу-ются следующие направления:

1. Закалка сплавов из твердого состояния со скоростями нагрева и охлажде-ния 10²-10^4?С\с;

2. Закалка сплавов из жидкого состояния с высокими скоростями плавления и кристаллизации 10² - 10⁵ ? С\с ;

3. Поверхностное легирование, наплавка материала, обработка предвари-тельно нанесенных на металл покрытий, нагрев поверхностных слоев после традиционной ХТО;

4. Оплавление и затвердевание с высокими и сверхвысокими скоростями (10⁴- 10⁷ °С\с), приводящие к аморфизации (стеклованию) тонкого поверхностного слоя.

На стадии лабораторных исследований находится плазменное ударное уп-рочнение, реализуемое за счет коротких промежутков времени. Газодинамический напор плазменного потока создает в зоне обработки давление, ( 400-800 МПа), что значительно выше предела текучести аустенита. Многочисленные исследования в области плазменного упрочнения [9, 10, 13, 14, 23-26] с использованием электронной и оптической микроскопии показали, что зона термического воздействияплазменной струи (дуги) имеет форму сегмента и по своему строению аналогична ЗТВ электронного и лазерного луча [1, 16. При нагреве плазменной струей (дугой) поверхности металла происходит нагрев поверх-ности слоя до различных температур, вследствие чего он имеет слоистое строение. В зависимости от микроструктуры и микротвердости в сталях по глубине различают три слоя.

- 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 мартенсит.

- Второй слой - зона закалки из твердой фазы, образующийся в интервале температур Т_пл › Т_зак › Т_Ас1. По глубине слой характеризуется сильной структурной неоднородностью, т.к. 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 мартенси-том наблюдаются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидных сталях и цемен-тит в заэвтектоидных.

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

Слоистое строение упрочненной зоны характерно для всех способов плаз-менного упрочнения. Конкретные структуры и строение зоны плазменного воздей-ствия для каждого способа и типа стали будут рассмотрены ниже. Геометрические параметры зоны плазменного нагрева характеризуются ши-риной и глубиной упрочненного поверхностного слоя, которые для большинства способов зависят от параметров режима упрочнения (мощности плазменной струи (дуги), дистанции упрочнения, скорости обработки), рис. 2.14.

В работах [23-25] для определения интервала гарантированного упрочнения (ИГУ) металлов используется энергетический параметр плотность энергии по

Поверхности W, Дж/мм ². Первый энергетический порог W₁ соответствует началу аустенитных превращений в стали.

Рис. 2.14. Влияние параметров процесса упрочнения

на геометрию упрочненной зоны: ширину В/а/ и глубину Z/б/.

При дальнейшем увеличении плотности энергии поверхностная твердость в зоне плазменного воздействия резко возрастает и при втором критическом значении достигает почти максимальной величины. В диапазонеW₁ - W₂процессы ?>?и ?>? - превращений протекаютужедостаточноплотно.

Третий энергетический порог W₃ соответствует началу микроплавления. Энергетический порог W₂ - W₃, по мнению [23-25],можно считать интервалом гарантированного упрочнения (ИГУ) для данно-го материала, рис. 2. 15.

Рис. 2.15. Влияние плотности энергии в пятне нагрева

на поверхностную твердость

Однако на практике использование этого энергетического параметра не нашло широкого применения. Как правило, в качестве основных параметров используют силу тока дуги в плазмотроне, дислокацию упрочнения, диаметр сопла, скорость обработки. Наиболее сильно на степень упрочнения оказывает влияние скорости обработки и сила тока, т.к. они по-зволяют регулировать скорость нагрева и охлаждения, рис. 2.16.

Рис. 2.16. Влияние основных параметров плазменного упрочнения:

силы тока /а/, скорости упрочнения /б/, дистанции обработки /в/, диаметра сопла /г/

на твердость упрочненной зоны / закалка без оплавления/;

1 - Сталь 20 ; 2 - Сталь 45 ; 3 - Сталь 60

Для поисков оптимальных режимов рекомендуется использовать следующий прием. На образце-свидетеле производится упрочнение оплавления поверхности (изменяя параметры: силу тока или скорость упрочнения). При появлении первых признаков оплавления, плавным изменением одного из параметров добиваются исчезновения оплавления и вблизи этого порога проводят упрочнение без оплавления поверхности. Экспериментально установлено, что при таком подходе нет необходимости производить трудоемкой операции (металлографический анализ), т.к. глубина плаз-менного упрочнения оказывается максимальной.

Кроме того, для нахождения максимальной глубины закалки можно исполь-зовать выражение Z = v4аt, где а - температуропроводность материала, кото-рое определяет глубину проникновения тепловой энергии в металл за время t.

Степень упрочнения (отношение закаленной структуры к исходной) опреде-ляют при помощи измерения микротвердости. Твердость тонких слоев, толщиной менее 0,5 мм., измерять по шкале HRC нельзя, т.к. алмазный конус может проникнуть на глубину, превышающую толщину упрочненного слоя и показывать твердость низлежащих областей. Характер распределения микротвердости по глу-бине и ширине и ширине зоны плазменного воздействия показан на рис. 2.17. Размеры зоны зависят не только от параметров плазменного упрочнения, но и от особенно-стей фазовых структурных превращений (в сталях различного состава) и их прокаливаемости.

Рис. 2.17. Общий характер микротвердости по глубине /а/ и ширине /в/ зоны

термического воздействия ЗТВ при обработке без оплавления Zзз - глубина закаленного слоя;

Zпз - глубина переходного слоя; Zзтв - общая глубина ЗТВ; Взз - ширина закаленного слоя;

Впз - ширина переходного слоя; Взтв - общаа ширина ЗТВ

Многочисленные металлографические исследования структур, полученных в результате плазменного, лазерного и электронно-лучевого упрочнения, приведенные

в работах [1, 9, 10, 15, 16, 23-26] позволяют изложить общие закономерности их об-разования в различных железоуглеродистых сплавах.

Конструкционные углеродистые стали (доэвтектоидные)

В зоне оплавления низкоуглеродистых сталей с содержанием С<0,3 % образуется мелкоигольчатый малоуглеродистый мартенсит. Микротвердость в этой зоне составляет (5000 - 6500 Мпа) и зависит от содержания углерода в стали. Зона закалки из твердой фазы характеризуется большей структурной неоднородностью. Сохранение в структуре зоны плазменного нагрева исходного феррита создает значительную неоднородность микротвердости. С увеличением содержания углерода в стали увеличивается доля перлитной составляющей и, как следствие этого, микротвердость возрастает и ее распределение более однородно, см.табл. 2.6., 2.7.

В переходной зоне ферритная составляющая, в основном, полностью сохра-няется. Присутствие феррита может отрицательно влиять на некоторые эксплутационные характеристики стали (износостойкость, усталостную прочность), В связи с этим, плазменное упрочнение целесообразно использовать для сталей, где влияние ферритной фазы незначительно.

Однако обращает на себя внимание достаточно высокая твердость закален-ного слоя на низкоуглеродистых сталях (5000 - 6000 МПа), что в обычных условиях стандартной термической обработки не достигается (закалка либо вообще не про-мсходит, либо не дает такой высокой твердости), рис. 2.18. По мнению [1, 15, 16], о6ъясняется значительным изменением зерен феррита и аустенита, а также реек, пластин и пакетов мартенсита.

Табл. 2.6.

Результаты плазменного упрочнения сталей (без оплавления поверхности)

Марка стали	Глубина закалки, мкм	Исходная микротвердость Н, МПа	Микротвердость после закалки, Н, МПа
		Феррит	Перлит	Бывшие перлитные зерна	Феррит
0,8 10 20 35 40 45 60 У8 30ХГСА 40Х	80 85 100 110 110 120 140 200 200 200	1200-1300 1300-1400 1200-1300 1800 1800 1900 2000 - - -	2000 2000-2200 2200 2300-2400 2300-2400 2400-2500 2500 6200 3400 2300-2500	2800-3000 5800-6000 4800-5300 5000-5600 6000-7100 7800-8600 9000-10500 10900-11300 6000-7500 10500-11200	1600 1500-1600 1600 2500-2700 2500 2600 - - - -

Табл. 2.7.

Результаты плазменного упрочнения стали

(с оплавлением поверхности)

Марка стали	Микротвердость Н, МПа
	Зона закалки из жидкой фазы	Зона закалки из твердой фазы
10 35 4510 40Х 30ХГСА У8	4000-4400 5000-5700 7000-8000 8500-9000 6200-7900 8800-9000	5800-6500 7100-7500 7800-8600 9600-10500 7100-8200 10200-11200

Рис. 2.18. Микротвердость доэвтектоидных сталей после

обычной и плазменной закалки.

1- исходная без закалки; 2-обычная закалка; 3 - плазменная закалка

При увеличении содержания углерода до 0,6° - 0,7 % в среднеуглеродистых сталях твердость мартенситной

структуры резко возрасает. Так в стали20микротвердостьмар-

тенсита составляет 6000 Мпа, а в

стали 45 - 8000 Мпа. Объясняется это тем, что твердость мартенсита растет с повышением содержания углерода и увеличением степени тетрагональности кристаллической решетки. При

закалке с оплавлением стали 45 в

зоне оплавления образуется мел-

кодисперсный реечный мартенсит

Зона закалки без оплавления состоит из верхней областис однородной структурой и нижней области с неоднородной структурой (мертенситотростит +мартенсит + троститная сетка).+ троститная сетка). В переходной зоне образуется троститоферритная структура, переходящая на границе с исходной структурой в ферритную. Микротвердость по глубине упрочненного слоя показана на рис.2.19.

При плазменном упрочнении без оплавления поверхности среднеуглеродистых сталей область более однородного мартенсита отсутствует и троститферритная сетка вокруг мартенсита может доходить до поверхности, что приводит к сниже-нию твердости. Это связанно с частичной гомогенизацией аустенита.

Инструментальные стали /эвтектоидные, заэвтектоидные/

По химическому составу инструментальная сталь разделяется на углероди-стую, легированную и высоколеги-рованную /быстрорежущую/. В особую группу можно выделить штамповые и валковые инструментальные стали.

Плазменному поверхностному

упрочнению подвергались

инструментальные углеродистые

сталиУ7, У8, У10, У12 с оплавлением и безоплавления

Рис. 2.20. Распределение микротвердости по глубине упрочнения

поверхностности. При закалке с оплавлением поверхности в зонезакалки из жидкой фазы, кроме мелкодисперсного мартенситазафиксировано большее количество остаточного аустенита /в стали У8 достигает 35%, в стали У12 - 50%.

В тоже время микротвердость Инструментальных сталей после плазменной закалки очень высокая, рис. 2.20.

В зоне закалки из твердой фазы закаленный слой имеет ярко выраженную неоднородность. Ближе к обрабатываемой поверхности твердый раствор насыщен углеродом, что способствует образованию повышенного количества аустенита. В нижней границе слоя остаточного Рис.2.21. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя стали У10 после плазменного упрочнения с различным исходным состоянием.

аустенита значительно меньше, вследствие чего достигается максимальная твердость. Кроме того, в нижней границе слоя наблюдается большее количество нерастворенных карбидов.

Большое значение для получения высокой твердости оказывает исходное со-стояние стали. Так, в стали У8, У10 (предварительно объемно закаленной) становит-ся возможным бездиффузионное обратное мартенситное превращение с наследова-нием аустенитной дефектной структуры мартенсита при полном торможении в про-цессе плазменного нагрева эффектов разупрочнения и рекристаллизации, рис. 2.21.

При упрочнении, без оплавления предварительно закаленной стали (У 10) с исходной структурой мартенсита в зоне нагрева появляется третий слой - слой отпуска (высокодисперсная структура тростита). Микротвердость слоя отпуска со структурой тростита составляет 4000-4300 Мпа. Формирование зоны отпуска на границе закаленного слоя с исходной структурой может играть роль «мягкой» прослойки, способной тормозить развитие трещин, распространяющихся от поверхности .

Легированные инструментальные стали

Плазменному упрочнению подвергались стали 9ХФ, 9ХФМ, 9ХС, 9Х5ВФ, 6ХС, 55Х7ВСМФ, 7ХНМА, 8Н1А, ИХ, 13Х, ХВГ с оплавлением и без оплавления поверхности.

При упрочнении без оплавления поверхности в зоне оплавления возникает мелкодисперсная структура высокоуглеродистого мартенсита и остаточного аустенита. Вследствие высокой скорости плавления и кристаллизации, в зоне оплавления наблюдаются нерастворенные карбиды. Высокая легированность мартенсита в зоне оплавления обеспечивает большие значения микротвердости (12000-14000 Мпа). Однако, в большинстве случаев в зоне оплавления появляются микротрещины, что приводит к сколу и выкрашиванию упрочненного слоя.

Плазменное упрочнение без оплавления поверхности легированных инструментальных сталей приводит к формированию в упрочненной зоне сильно неодно-родной структуры. Вследствие незавершенности процессов аустенизации в упроч-ненном слое образуются мартенсит + нерастворенный цементит + остаточный аустенит. (Так в стали 9ХФ и 9ХФМ количество остаточного аустенита достигает 35 %, а в стали 55Х7ВСМФ до 40 %. Количество остаточного аустенита по глубине упрочненной зоны уменьшается и уже на глубине 80-100 мкм не превышает его со-держание в данной стали при обычной объемной закалке.

Табл. 2.8.

Твердость стали после обработки холодом /жидкий азот/

Марка стали	Микротвердость, МПа
	Исходная	После плазменного упрочнения	Плазменное упрочнение + обработка холодом
9ХФ 9ХФМ ХВГ 55Х7ВСМФ 9ХС 8Н1А 13Х 9Х5ВФ	2600-2800 2600-2800 2000-2500 2800-3000 2200-2800 2500-2800 9500-10100 9500-11000	10000-11000 10500-11200 13000-14000 11500-12000 12000-12500 11000-11800 12200-12800 12200-13800	12200-13100 11000-13000 14500-15400 12500-13800 12500-13800 12000-13800 13100-13500 14000-14800

Для устранения остаточного аустенита после плазменной закалки была прове-дена обработка холодом.Известно, что в легированных инструментальных сталях точка конца мартенситного превращения лежит ниже комнатной температуры. При дальнейшем охлаждении в жидком азоте этих сталей происходит мартенситное превращение, и количество остаточного аустенита заметно снижается, табл. 2.8.

Проведенные исследования показали, что обработка холодом приближает легированные инструментальные стали по твердости к твердым сплавам ( НRС_Э65- 80) и находится на одном уровне

с быстрорежущими инструмен-тальными сталями(НRС_э65-69).

Однако использование этой

Рис. 2.22. Распределение микротвердости по глубине упрочненной зоны на стали после плазменного упрочнения (без оплавления)

операции в практических целях очень затруднительно и требует дальнейших исследований.

При упрочнении легированных инструментальных сталей отмечается «эффект» максимальной твердости на некоторой глубине от поверхности, рис. 2.22.Призакалкелегированных инструментальных сталей

Требуются меньшие скорости охлаждения, чем для углеродистых, т.к. аустенит в них более 13Х(1), стали 9ХС(2), стали 9ХФМ(3) устойчив против распада. Легирующие элементы способны образовывать с углеродом соеди-нения (в виде карбидов, которые удерживают углерод в труднорастворимых соеди-нениях), препятствующие насыщению аустенита. Однако влияние легирующих элементов на микротвердость упрочненного слоя уменьшается с увеличением со-держания углерода. Стали, содержание хрома в которых превышает 2-3 %, упроч-няются менее эффективно в связи с сильным влиянием легирующих примесей на процесс закалки.

Быстрорежущие инструментальные стали

Плазменному упрочнению с оплавлением и без оплавления поверхности подвергается уже готовый инструмент, прошедший окончательную термическую обработку, изготовленный из различных марок стали Р18, Р6М5, РУМ4К8.

При упрочнении с оплавлением поверхности стали Р18 в зоне оплавления происходит растворение карбидов, повышается степень легирования и устойчи-вость аустенита. Как следствие этого твердость оказывается ниже, чем твердость стали после обычной термической обработки.

Табл. 2.9.

Структура и фазовый состав сталей после плазменной закалки и печного отпуска

Марка стали	Способ обработки	Структура	Фазовые составляющие
			Твердый раствор	Карбиды
			Кол-во фаз,%	Состав по массе, %	Тип карбида и кол-во %	Суммарный состав по массе, %
			?	?	C	W	Mo	V	Cr	Co	Fe		C	W	Mo	V	Cr	Co	Fe
Р6М5* Р6М5**	Плазменная закалка	Мартенсит + остаточный аустенит + карбид	64. 1	26.8	0.4	3.35	3.1	1.1	4.2	-	87.85	МС-1,1, М6С-8,0	4.0	31.5	22.5	7.3	3.4	-	31.3
	Плазменная закалка + отпуск при 570? С		86.2	-	0.2	2.4	1.6	0.6	4.2	-	91.0	МС-2,6, М6С-7, М2С-3,1 М27С-1,1 М23С6 , М7С3 , М3С	6.1	26.3	30.5	9.1	6.5	-	21.5
Р9М4К8*	Плазменная закалка		62.0	29.0	0.6	5.0	3.0	1.7	3.7	8.9	77.1	МС-1,8, М6С-7,2 интериметаллид	4.4	4.03	19.5	8.1	3.3	2.2	22.2
Р9М4К8**	Плазменная закалка + отпуск при 580? С		86.2	-	0.2	3.2	1.8	1.2	2.9	9.2	81.5	МС-3,8, М2С-3,6 М6С-7,4 М27С6 , М7С3 ,	5.8	39.4	20.6	8.0	8.0	2.4	15.8
* Мартенсит + аустенит (твердый раствор) **Отпущенный мартенсит (твердый раствор), остаточный аустенит в пределах ошибки измерения

При упрочнении без оплавления поверхности, структура закаленного слоя состоит из мелкоиголъчатого мартенсита + остаточного аустенита + карбиды. Твердость стали (9500-12300 МПа) превосходит твердость после обычной термообра-ботки, рис.2.23.

Для быстроорежущих сталей также возможно использовать обработку холо-дом после плазменного упрочнения, что повышает твердость упрочненной зоны на стали Р6М5 с 10000 до 12000 Мпа, на стали Р18 до 11500 Мпа, Р9М4К8Ф до 13800 Мпа.

Для повышения твердости закаленной быстрорежущей стали после плазмен-ного упрочнения можно использовать отпуск, что благоприятно изменяет структуру и фазовый состав стали, табл. 2.9.

Рис. 2.23. Микротвердость стали Р18(1), Р6М5 (2) и Р9М4К8Ф (3) после плазменного упрочнения без плавления

При упрочнении быстрорежущих сталей наиболее эффективно упрочнение без оплавления поверхностности. Оптимальные значения плазменного упрочнения необходимо подбирать для каждого инструмента из той же стали. Кроме того, повышение твердости предварительно закаленной стали очень сильно зависит от длительности плазменного нагрева (зависимость для быст-рорежущих сталей НV=f(t)) имеет экстремум), т.к. длительность нагрева определя-ет скорость фазовых и структурных превращений в упрочненном слое.

Штампованные инструментальные стали

Поверхностное упрочнение стали Х17Ф1 осуществлялось с оплавлением и без оплавления поверхности. Использовалась сталь, прошедшая стандартную термообработку (закалка и отпуск) и без нее, рис. 2.24. Проведенные исследования показали, что присутствие в структуре этой стали большего количества карбидов (15-25 % по массе) требует высоких температур закалки для полного растворения карбидов и получения высокой твердости. После традицион-ней закалки в структуре остается значительное количество (12 %) избыточных карбидов и большое количество остаточного аустенита

( 40-45%). При упрочнении с оплавлением поверхности карбиды хрома не успевают образовываться из-за высокой скорости охлаждения, а аустенит настолько обога-щен этим элементом, что при охлаждении до комнатной температуры мартенситное превращение не происходит.

Поэтому в оплавленной зоне твердость значительно ниже, чем в закаленном слое яз твердей фазы. Структура закаленного слоя из твердой фазы включает в себя мслкоигольчатый мартенсит + остаточный аустенит (до 30-40 %) +карбиды. Микротвердость этого слоя зависит от соотношения структурных составляющих.

Снижение скорости охлаждения при упрочнении с оплавлением поверхности позволяет получать высокую твердость в оплавленной зоне (HRC_э 61-62).

Стали этого класса широко используются в машиностроении для изготовления различных деталей, работающих в сложных эксплуатационных условиях. Поэтому в практике плазменного упрочнения они занимают особое место, т.к. по ним автором собран большой материал эксплуатационных испытаний. К их числу относятся сталь ЗОХ, 40Х, 50Х, 20ХГР, ЗОХГТ, 15ХФ, 40ХФА, 40ХС, ЗОГ, 50Г, 40ХФА, 38ХС, ЗОХГСА, ЗОХМ, 40ХН, 50ХН, 20ХНЗА, 38ХГН, 45ХН2МФА, 38Х2МЮА, 38ХН1М, 18Х2Н4МА.

Основными легирующими элементами конструктивных сталей являются хром, никель, кремний, марганец. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и дру-гие вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем, марганцем для дополнительного улучшения свойств. Известно, что при введении в сталь легирующих элементов по-следние могут образовывать с железом различные фазы: твердые растворы, легиро-ванный цементит или специальные карбиды, интерметаллические соединения.

Наличие легирующих элементов и образование ими соединений с углеродом оказывает существенное влияние на высокотемпературные процессы на диаграмме Fе-Fе₃С по сравнению с углеродистыми сталями. Одни элементы (никель, марганец, медь) понижают критическую точку Ас_з и расширяют область ?- фазы. Другие (хром, вольфрам, молибден, кремний, алюминий, ванадий, бор и др.) при определенной концентрации повышают критическую точку Ас₃. Наиболее резко превра-щения замедляются при легировании сталей (V,W,Мо) образующие устойчивые карбиды, а также при повышенном содержании хрома (более 2 %).

Легированные конструкционные стали обладают меньшей критической ско-ростью охлаждения* и как следствие этого лучше прокаливаются. Известно, что чем выше в стали легирующих элементов, тем выше ее прокаливаемость. На сталях, имеющих в своем составе марганец , хром, бор, никель, молибден после плазменно-го упрочнения глубина упрочненного слоя больше, по сравнению с углеродистыми сталями при одинаковых режимах упрочнения.

При сравнении степени упрочнения легированных и углеродистых конст-рукционных сталей, т.к. ЗОХ, 40Х, 5ОХ и стали 30, 45, 50 показывает, что даже при небольшом легировании хромом (0,8-1,1 %) происходит заметное увеличение микротвердости. Аналогичная картина и для сталей, легированных марганцем, табл. 2.10.

Микротвердость, НПО
Легированная	Конструкционная
ЗОХ 8800-9000 40Х 9500-10500 50Х11000-12000 45Г 9500-10500 50Г 11200-12500	30 7900-7400 45 7800-8600 508200-9500

В высокоуглеродистых сталях добавки легирующих элементов (0,5-1,5 %) приводят к усилению неоднородности структуры упрочненного слоя вследствие уменьшения коэффициента диффузии углерода и увеличения стойкости карбидов. Благодаря высокой легированности мартенсита микротвердость упрочненного слоя достигает больших значений. Основные структуры, образующиеся в упрочненном слое легированных сталей мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Анализ ле-гированных сталей затрудняется многообразием влияния легирующих элементов на фазовые структурные превращения при плазменном упрочнении и ограничивается только экспериментальными данными по микротвердости упрочненного слоя, табл. 2.11.

При использовании плазменного упрочнения для повышения твердости де-талей изготовленных из этих сталей рекомендуется использовать режимы упрочне-ния, позволяющие добиться неполного растворения карбидов (достаточного для насыщения мартенсита) и меньшего содержания остаточного аустенита. Это дости-гается при максимальных скоростях обработки.

Плазменному поверхностному упрочнению подвергались стали коррозионностойкие типа 20X13, 30X13, 40X13, 95X18, 25Х13Н2, рессорно-пружинные ста-ли типа 65Г, 60С2, 50ХФА, а также стали для отливок типа 35Л, 45Л, 20ФЛ.

Табл. 2.11

Микротвердость легированных сталей после плазменного упрочнения

Сталь	Микротвердость Н, Мпа	Глубина упрочненного слоя, мм
	Исходной структуры	В закаленной зоне
30Х 40Х 50Х 40ХН 50ХН 30Г 45Г 50Г 20ХГР 30ХГТ 15ХФ 40ХФА 40ХС 30ХГСА 35ХМ 20ХН3А 38ХГН 45ХН2МФА 38Х2МЮА 38ХН1М 18Х2Н4МА	1800-2000 1900-2300 2000-2100 2200-2250 2300-2400 2100-2200 2100-2200 2200-2300 1800-1900 1800-2000 1750-1900 2000-2100 1900-2000 1800-1950 1900-2100 1800-2100 2000-2100 2100-2200 2200-2300 2200-2300 2200-2100	8800-9000 9500-10500 11000-12000* 9200-10500 10700-11500 7900-8200 9500-10500 11200-12500* 7200-8600 8100-9500 7900-8500* 10500-11200 9800-11000 7500-7900 8300-9800 9000-10000* 10500-11000* 12200-13000 12100-13000 10000-11500* 13000-13800	0,1-3 0,1-3 0,1-3 0,1-4 0,1-4 0,1-2,5 0,1-4 0,1-5 0,1-2 0,1-3 0,1-3,5 0,1-3 0,1-3,5 0,1-4 0,1-3,5 0,1-3,5 0,1-4 0,1-4 0,1-4 0,1-4,5 0,1-4,5

* - Режим обработки с оплавлением поверхности

Плазменное упрочнение коррозийных сталей проводилось без оплавления и с оплавлением поверхностности. Микротвердость упрочненного слоя на этих сталях очень высокая, по сравнению с печной термообработкой, табл. 2.12.

Структура упрочненного слоя при оплавлении поверхности состоит из мартенсита, остаточного аустенита и карбидов. Количество остаточного аустенита дос-тигает у поверхности 35-45 %.

Максимальная микротвердость приходится на слой закалки из твердой фазы, где частично сохраняются нерастворившиеся карбиды и небольшое содержание ос-таточного аустенита (по сравнению с оплавленной зоной).

Табл.2.12.

Микротвердость коррозионностойких сталей после

плазменного упрочнения

Сталь	Микротвердость упрочненного слоя Н, Мпа
	Печная закалка	Плазменная закалка
		без оплавления	с оплавлением
20Х13 30Х13 40Х13 95Х18 25Х13Н2	4800-5600 5000-5800 6000-6800 7800-8900 6900-7400	5500-6000 6200-7500 8800-9400 9000-10500 9500-11000	8900-9500 9000-10500 9500-11000 10000-11500 11200-12500

При плазменном упрочнении без оплавления максимальная твердость по глубине также находится на некотором расстоянии от поверхностности. В поверхно-стном слое фиксируется небольшое количество (5-10 %) остаточного аустенита.

Обработка рессорно-пружинных сталей 65Г,80С2, 50ХФА с оплавлением и без оплавления поверхности не отличается от обработки углеродистых и легированных сталей, рис. 2.25.

Структура упрочненной зоны представляет собой высоко - дисперсный мартенсит + остаточный аустенит + карбиды.

Рис. 2.25. Распределение микротвердости по глубине

упрочненного слоя на стали 65Г при плазменном

упрочнении без оплавления (1) и с оплавлением (2).

Углеродистые литейные стали отличаются от деформируемой стали меньшей пластичностью и ударной вязкостью. По другим физико-химическим свойствам различий практически нет. Плазменное упрочнение проводилось как с оплавлением, так и без оплавления поверхностности. Микротвердость упрочненного слоя находится примерно на одинаковом уровне с деформируемыми углеродистыми сталями, табл. 2.12. При плазменном упрочнении этих сталей желательно проводить предварительную общую печную термообработку (нормализацию, закалку, высокий отпуск).

Табл.2.13

Микротвердость упрочненного слоя на углеродистых литейных сталях после плазменного упрочнения

Сталь	Микротвердость Н, Мпа
	Исходная структура	После печной термообработки	После плазменного упрочнения
15Л 20Л 25Л 35Л 45Л 35ГЛ 30ГСЛ 45ФЛ 30ХГСФЛ	1600-1800 1600-1800 1600-1900 2000 2100-2200 - - - -	3900-4500 4000-4500 4100-4700 5100-5900 5000-6000 5100-5500 5500-6000 5900-6500 6100-6500	5000-6700* 5000-6700* 5200-6900* 6500-6800 7500-8200 6500-7300 7200-7800 8900-9500* 7500-8100

* Режим обработки с оплавлением поверхности

Твердые сплавы

Твердые сплавы не относятся к числу железоуглероди-стых сплавов, однако они широко используются в инструментальном производстве. Сведений об упрочнении твердых сплавов при помощи плазменного нагрева в ли-тературе (см. статью Самотугина С.С. в журнале 1997 №4, с45,-51)очень мало. Имеются данные по упрочнению твердых сплавов при помощи лазера [1, 15, 47-50]. Лазерное упрочнение твердых сплавов ВЗК (стеллит), ВК8, ВК6М, В15 повышает твердость

сплавов в зоне упрочнения на 30-50 %, глубина упрочнения составляет 100-150 мкм (разупрочненные области отсутствуют). Повышение твердости твердых сплавов по мнению [1,15, 47-50] связано со структурными и фазовыми превращениями: обра-зованием карбидов WC _гек, WC _куб, W₂С и насыщение кобальтовой связки вольфрамом, уменьшением карбидных частиц и т.д. Увеличение содержания кобальта в сплаве повышает степень упрочнения сплавов (с оплавлением и без оплавления поверхно-сти), химический состав и исходная твердость которых представлены в табл. 2.14.

Табл. 2.14.

Марка сплава	Химический состав, %	HRC
	C	Si	Cr	Co	W	WC	TiC	TaC
Cтеллит 1 Стеллит 2 Релит Т15К6 Т30К ВК3 ВК6 ВК8 ВК15	2,1 2 4 - - - - - -	1,8 2,5 - - - - - - -	32 28 - - - - - - -	59,1 63 - 6 4 3 6 8 15	5 4,5 96 - - - - - -	- - - 79 66 97 94 92 85	- - - 15 30 - - - -	- - - - - - - - -	49-50 50-51 50 76 80 76 73 71 68

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 снижа-ется, т.к. увеличивается объем жидкой ванны и уменьшается скорость кристаллиза-ции, рис. 2.26.

Установлено, что с увеличением мощности плазменной струи микротвер-дость твердых сплавов возрастает, рис. 2.27.

Степень упрочнения возрастает с увеличением содержанием кобальта в спла-ве и размера зерен карбидной фазы. При нагреве происходит диффузионное раство-рение 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, ко-торое начинается при мощности плазменной струи, превышающей некоторую кри-тическую величину, Р _крит. Дальнейшее увеличение мощности приводит к сильному трещинообразованию. Для каждого твердого сплава существует оптимальная мощ-ность 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 высо-ких температур сопровождается увеличением объема и деформацией нагретого уча-стка. 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 упроч-нению металлов концентрированными источниками нагрева, оказались в центре внимания

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

Применительно к плазменному поверхностному упрочнению, работ, посвя-щенных обработке чугуна, также очень немного. В работе [23] плазменному упроч-нению 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 со-держанием 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 высоко-прочном чугуне ВЧ-42-12. Фазовый анализ зоны оплавления выявил структуру фер-рита, аустенита и цементита. Графит полностью или частично растворяется в зависимости от параметров упрочнения. При снижении скорости упрочнения и увели-чения 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 толь-ко при предварительном подогреве свыше 350 ° С [38]. Оплавленная зона серых чу-гунов с пластинчатым и шаровидным графитом имеет твердость HV 580-600 и структуру, характеризующуюся сильной негамогенностью: квазиледебурит + це-ментит + 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. темпера-турный 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 раствори-мость 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 образуют-ся, 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, количест-венным соотношением цементита и аустенита, которое зависит от химического со-става чугуна, степени растворения графита и скорости охлаждения жидкой ванны.

Глубина упрочненного слоя зависит от параметров режима упрочнения, исход-ной структуры чугуна, типа матрицы, ее дисперсности. Тип матрицы и ее дисперс-ность определяют скорость и полноту ?>? -превращения в чугунах.

Чем выше дис-персность 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 следую-щим образом: при нагреве поверхностного слоя азотосодержащей плазменной стру-ей (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 поверхно-сти 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 ?¹- фазы (Fe₄N) и азотистой ?- 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 азотиро-вания 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 пере-распределение 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.