Плазменное поверхностное упрочнение металлов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. обработка без оплавления

2. обработка с оплавлением

3. обработка с парообразованием

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

1. обработка без оплавления;

2. обработка с оплавлением.

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

Плазменное легирование из твердой фазы. Цементация.

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.38 Распределение микротвердости по глубине

легированного слоя (а), рентгенограмма

легированного слоя на стали 20 (б)

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

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

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

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

Рис. 2.39. Влияние скорости обработки

на глубину и ширину цементированной зоны.

Рис. 2.40. Зависимость глубины цементированной зоны

от мощности плазменной струи.

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

Рис. 2.41. Влияние толщины углеродосодержащей пасты

на мощность плазменной струи.

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

Рис. 2.42. Влияние дополнительного тока,

пропускаемого через деталь

на глубину легированного слоя стали 20

при плазменной цементации.

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

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

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

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

Азотирование.

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

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

табл. 2.15.

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

Борирование

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

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

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

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

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

Плазменное легирование из жидкой фазы

Подробно процесс плазменно-го упрочнения в жидких средах рассмотрен в работе [25], где указывалось на воз-можность химико-термического упрочнения при использовании различных насы-щающих жидкостей (углеродосодержащих, азотосодержащих и т.д.), рис. 2.44.

Рис. 2.44. Влияние среды на степень упрочнения стали 45

1. исходная твердость до упрочнения

2. плазменное упрочнение на воздухе

3. плазменное упрочнение в 80% растворе хлористого аммония

4. плазменное упрочнение в воде

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

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

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

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

I. закалка без оплавления

II. закалка с оплавлением

III.Плазменное легирование из жидкой фазы.

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

Комбинированные способы плазменного легирования

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

1. исходная твердость

2. плазменное упрочнение на воздухе

3. плазменное упрочнение в воде

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

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

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

Плазменное легирование из жидкой, твердой и газовой фазы

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

Азотирование Проведенные исследования показали, что увеличение концен-трации азота в зоне обработки приводит к повышению содержания азота в поверхностных слоях, следствием чего является увеличение глубины слоя и микротвердо-сти, табл. 2.16. Микроструктура слоя после комплексного легирования такая же, как и после простого азотирования из газовой и твердой фазы. Непосредственно на по-верхности образуется насыщенная азотом нетравящаяся ? - фаза, за ней переохлаж-денная ? - фаза, под которой находится азотистый мартенсит.

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

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

Табл. 2.16.

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

Эффект «азотного кипения»

Многокомпонентное насыщение (N,С,В,Сг,V,Тi,W,Ni и др.)

Плазмообразующий газ (60 % азота +10% пропана + 30 % аргона) + боросодержащая паста (режим с оплавлением поверхности). В оплавленной зоне на стали 45 ближе к поверхности расположен слой, содержащий бориды ( FеВ,Fе₃В), глубиной 10-50 мкм, под ним располагается слой содержащий нитрид Fе₂N, карбонитрид Fе₂(СN), азо-тистый мартенсит, остаточный аустенит (10 %) глубина слоя 0,2-0,3 мм, рис. 2.48.

Рис. 2.48.Распределение микротвердости

по глубине легированного слоя на стали 45

1.Р=4кВт

2.Р= 6,5 кВт

Плазменное легирование стали 20 карбидами (порошки) + плазмообразующий газ (60 % азота, 40 % аргона) в режиме оплавления поверхно-сти показало, что в упрочненном слое образуются диффузионные слои сложного состава. Так, при использовании карбида титана, в диффузионном слое образуется нитрид титана, карбид титана, интерметаллид Fе2Т₁, оплавленная зона состоит из ?- твердого раствора на основе железа и ?- титана. При легировании WC (порошок) + (порошок) + плазмообразующий газ (аргон 90 % + 10 % пропана) уп-рочненный слой имеет композитное строение.

Предварительное нанесение нитрида титана на поверхность стали 20 с последующей плазменной обработкой азотной струей (без оплавления поверхности) увеличивает глубину диффузионного слоя на 30-50 % и микротвердость на 40-50 %.

Возможны другие способы комбинированного легирования, позволяющие увеличивать глубину и микротвердость легированного слоя, такие как ХТО + плаз-менное легирование; нанесение покрытия + плазменное легирование (с оплавлени-ем и без оплавления); термодеформационное упрочнение + плазменное легирова-ние; электроискровое легирование + плазменное легирование и т.д.).

Плазменное легирование можно использовать для упрочнения титановых сплавов (в часности азотирование и цементирование из газовой фазы, карбоборирование, карбосилицирование из твердой фазы) алюминиевых, медных и других спла-вов.

2.3.2. Плазменное упрочнение в сочетании с другими способами воздействия на металлы

Плазменное упрочнение в сочетании с другими способами: такими как объ-емная закалка, закалка ТВЧ, лазерная закалка, ультразвуковая обработка, термодеформационное упрочнение, наплавка, напыление и др. позволяют повысить меха-нические свойства упрочненных деталей. В работе [9] показаны различные варианты комплексного упрочнения. Исследованы структура, твердость, трещиностойкость и характер разрушения сталей ЗОХ1ГСА, 45, 9ХФ, 150ХНМ при различных со-четаниях объемной и плазменной термической обработки (плазменная закалка + отпуск, объемная закалка +пламенная закалка + отпуск). Использование комплексно-го упрочнения позволяет повысить трещиностойкость, микротвердость и износо-стойкость, по сравнению с простой плазменной закалкой в 1,5-2 раза. Плазменное упрочнению в сочетании с предварительной закалкой ТВЧ позволяет повысить трещиностойкость, ударную вязкость, пластичность в 1,3-2 раза, при сохранении твер-дости и износостойкости поверхности на высоком уровне [9]. Комплексная техно-логия плазменного упрочнения включает в себя:

-закалка ТВЧ + плазменное упрочнение;

-закалка ТВЧ + отпуск + плазменное упрочнение

(температура отпуска 290, 300, 400 ° С).

Упрочненная таким способом деталь имеет композиционный рабочий слой [9] с высокой износостойкостью и трещиностойкостыю, и относительно, мягкую

пластичную сердцевину, рис. 2.49. Природа образования внутреннего отпущенного слоя аналогична случаю плазменного упрочнения предварительно закаленных сталей.

Рис. 2.49. Схема расположения упрочненных

слоев при плазменном упрочнении после закалки ТВЧ

1- слой плазменного (воздействия

2- отпущенный слой

3- слой закалки ТВЧ.

Более сложный композиционный рабочий слой образуется после комбина-ции:

- объемная закалка + плазменная закалка + лазерная закалка + отпуск

(температура отпуска 200° С);

- закалка ТВЧ + отпуск + плазменная закалка + лазерная закалка + отпуск

(температура отпуска 200° С);

- закалка ТВЧ +отпуск + плазменная закалка+ лазерная закалка

(температура отпуска 200° С).

Каждый из способов в отдельности обеспечивает определенную глубину упрочненного слоя и степень дисперсности мартенсита в нем

Z_ТВЧ› Z_П.З. › Z_Л.З. , d_ТВЧ › d_П.З. › d_Л.З.

где Z - глубина упрочненного слоя после закалки ТВЧ, плазменный и лазер-ный соответственно;

d - размер зерна после закалки ТВЧ, плазменной и лазерной соответст-венно.

Использование этих способов в определенной комбинации позволяет повысить микротвердость рабочей поверхности и трещиностойкость. Повышение трещиностойкости обусловлено увеличением степени дисперсности мартенсита, т.к. критическое напряжение хрупкому разрушению обратно пропорционально размеру

зерна. Кроме того, образование нескольких слоев в упрочненном слое, после комплексной обработки, (с различными структурными составляющими) изменяет микромеханизм разрушения, рис. 2.48. Трещины, распространяющиеся от поверхности в глубь упрочненного слоя, при переходе из твердого и хрупкого слоя лазерной за-калки тормозятся в мягком и пластинчатом слое отпуска.

Рис. 2.49. Схема расположения упрочненных слоев

и распространения микротвердости по глубине после комплексной обработки

1,З,5 - слой лазерной, плазменной и ТВЧ закалки,

2,4,6 -отпущенные слои,

7 - основной металл

Несмотря на усложнение технологии упрочнения, комплексная обработка по-зволяет регулировать эксплуатационные характеристики в достаточно широких пределах, что позволяет добиться благоприятного соотношения параметров проч-ности, пластичности и трещиностойкости.

Более высокий комплекс механических свойств металлов и сплавов достигает-ся совмещением различных средств воздействия на структуру (например, термиче-ское и деформационное воздействие).

Аустенит, образующийся при плазменном нагреве, обладают более развитой субструктурой. Дальнейшее деформирование такого аустенита при высокой температуре приведет к значительным изменениям в субструктуре после закалки, Кроме того, микронеоднородность аустенита, образующегося при плазменном нагреве (вследствие частичной гомогенизации), при его дальнейшем деформировании приво-дит к образованию мелкой текстуры неоднородностей, что усложняет морфологию мартенсита после закалки.

Для оценки влияния предварительной деформации на степень измельчения зерна аустенита после плазменного упрочнения, была выбрана сталь 45. Образцы готовили волочением заготовок одинаковой исходной структуры и разных разме-ров, с целью получения требуемых деформаций от 0 до 90 %. Параллельно исследо-вались образцы после плазменного упрочнения без деформации.

В результате проведенных исследований построенные пространственные диаграммы, учитывающие влияние скорости нагрева, степени деформации на размер аустенитного зерна, рис.2.50

Рис. 2.50. Зависимость величины зерна аустенита в

стали 45 от степени предварительной пластической

деформации скорости нагрева при

плазменном упрочнении

Из диаграммы видно, что по мере увеличения скорости нагрева и степени деформации, процесс измельчения зерна стабилизируется. Наиболее сильное измельчение зерна происходит в интервале скоростей нагрева 10-10, при степени деформации от 10 до 60%.

Эффект измельчения зерна при такой комплексной обработке заключается в том, что вследствие предварительной пластической деформации структура аустенита становится более однородной, в связи с уменьшением количества аномально больших зерен и их предварительного размера. По мере увеличения скорости нагрева, степень деформации оказывает сильное влияние на размеры зерна. Чем дисперснее структура к началу

?>? -превращения, тем более мелкозернистым получа-ется аустенит.

При распаде такого аустенита получается высокодисперсный мартенсит, отличающийся более высокими механическими свойствами.

Проведенные исследования показали, что с увеличением степени деформи-рования и скорости нагрева в упрочненном слое возрастает плотность дефектов кристаллической структуры. Кроме того, эффект измельчения зерна аустенита наи-более сильно проявляется при обработке сталей с грубодисперсной структурой (в закаленных сталях эффект измельчения проявляется незначительно.

На рис. 2.51. Приведены данные о влиянии предварительного деформирования

стлали 45 на микротвердость упрочненного слоя после плазменной закалки. Повышение микротвердости связано с наследованием аустенитом дислокационной структуры деформирования ? - фазы. Электронно-микроскопичесикй анализ показал, что в упрочненном слое размеры игл мартенсита сильно уменьшены, по сравнению с простой плазменной закалкой. С увеличением степени деформации вели-чина относительного измельчения возрастает.

Рис. 2.51. Влияние предварительной пластической деформации

на миктотвердость упрочненного слоя на стали 45 (плазменное упрочнение без оплавления) 1- 20% деформации; 2- 50% деформации; 3- 85% деформации

Многообразие возможных вариантов комбинированного воздействия (термического и деформационного) на структуру, позволяет формировать в широких пределах окончательные свойства детали. При разработке технологических вариантов основные параметры (температура нагрева, скорость нагрева, степень де формации) должны выбираться из расчета достижения максимального эффекта измельчения зерна аустенита. Усложнение технологии упрочнения компенсируется высоким механическими свойствами обработанных деталей. На практике возможно осуществить следующие варианты:

- холодная пластическая деформация + отжиг + плазменная закалка + отпуск:

- плазменная закалка + деформация (в интервале температур Аr₃ и Аr1) +отпуск,

- плазменная закалка + отпуск + деформация;

- объемная обработка + отпуск + холодная пластическая деформация + от-жиг + плазменное упрочнение.

Эффективность применения плазменного поверхностного упрочнения с целью повышения износостойкости изделий во многом зависит от соотношения глу-бины упрочненной зоны Z к допустимой величине износа h. Для большинства изделий глубина упрочнения во много раз меньше, чем износ. Поэтому плазменное поверхностное упрочнение целесообразно использовать в комплексе с операцией наплавки. Применение комплексной технологии упрочнения ( наплавка + плазменное упрочнение) позволяет в очень больших пределах регулировать не только глу-бину, но и структуру наплавленного металла. Основные подходы к выбору наплавленного металла сформулированы в работе [9].

Первый подход состоит в использовании низко- или среднеуглеродистых низколегированных сталей (применяемых для восстановления геометрических раз-меров детали) типа 18ХГС, З0ХГСА и т.д.

Второй подход - использование низко- или среднеуглеродистых среднелегированных сталей мартенситного или мартенситно-карбидного класса типа 10Х5МТ, ЗОХ2М2ЕФ и т.д.

Выбор этих сталей определяется экономным легированием, обеспечивающим износостойкость при нормальной и повышенной температуре, теплостойкость, ударную вязкость и т.д. [9].

Металл, наплавленный проволокой Св-З0ХГСА под флюсами АН-60, АН-348А, ОСЦ45, АН-26 и др. в исходном состоянии имеет невысокую микротвер-дость - 1950-2800 Мпа. Последующая операция упрочнения повышает значение микротвердости до 5000-7100 МПа, Наплавка стали 3 проволокой Св-08Г2С,

Св-10ГА, Св- 18ХГСА, Св-18ХМА в среде углекислого газа не позволяет получить вы-сокую твердость наплавленного слоя. Последующая операция плазменного упроч-нения увеличивает микротвердость до 5000-8000 МПа. При наплавке порошковой проволокой ПП-АН-124, наплавленный металл имеет микротвердость порядка 6000-7500 МПа, после плазменного упрочнения микротвердость наплавленного ме-талла возрастает до 7700-8900 Мпа.

Использование плазменного поверхностного легирования (азот, углерод, бор и т.д.) позволяет повысить микротвердость наплавленного слоя в 2-5 раза, по сравнению с исходным состоянием. Так, сталь 20, наплавленной проволоки Св-08А под флюсом

АН-60 после плазменной нитроцементации из газовой фазы имеет микротвердость 7000-9000 МПа.

Часто, на практике, при восстановлении геометрических размеров изделий требуется, чтобы наплавленный металл механически хорошо обрабатывался и в то же время имел высокую износостойкость. Например, при наплавке колесных пар железнодорожного транспорта используется проволока Св-08А, Св-08ХМ, Св-10Г2,

Св-18ХГСА и флюсы АН-60, АНЦ-1, АН-348 А, АНК-18, смеси этих флюсов_э а также смеси флюса АНК-18 с кварцевым песком. В зависимости от режимов наплавки и материалов, содержание химических элементов в наплавленном металле изменяется в очень широких пределах: С 0,04-0,7 %, Si 0,1-0,5 %, Мn 0,7-1,6 %, Сr 0,07-2,8 %. Это позволяет получать в наплавленном слое различные структурные составляющие (феррит - перлит - сорбит - тростит - бейнит - мартенсит) с различ-ной твердостью от 190 до 600 НВ.

Оптимальная твердость наплавленного металла, обеспечивающая хорошую обрабатываемость и незначительное повышение износостойкости в процессе экс-плуатации, находится в пределах НВ 240-280. Дальнейшее повышение твердости можно обеспечить при помощи плазменного упрочнения на глубину 3-4 мм с твер-достью закаленного слоя HRС 45-62 в зависимости от условий эксплуатации.

Выбирая состав наплавленного металла для последующего плазменного упрочнения, необходимо учитывать условия эксплуатации изделия. Повышение со-держания углерода до 0,4-1 % приводит к росту твердости и износостойкости, однако трещиностойкость наплавленного и упрочненного металла резко падает, Повысить трещиностойкость удается, наплавляя на изделие материалы, подвергающиеся закалке имеющие вязкость разрушения большую, чем материалы изделия (30ХГСА, 15Х3МФ, 25Х5ФМС и др.). [9]

По мнению [9], применение технологии наплавки к упрочнения позволяет чередовать прочные и мягкие слои, что создает возможность затормозить распро-странение трещины в результате изменения напряженно- деформированного состояния в ее вершине. Остановка трещины по механизму образования микрорасслоения на границе слоев с различными физико-химическими свойствами происходит из-за разного увеличения радиуса ее вершины [9].

Таким образом, использование при восстановлении изделий комплексной технологии наплавки и плазменного упрочнения позволяет повысить износостой-кость и трещиностойкость восстановленных деталей машин и инструментов. Плазменное поверхностное упрочнение позволяет повысить эксплуатацион-ные свойства напыленных покрытий (прочность сцепления, микротвердость, изно-состойкость) [9]. При напылении, покрытие и основной металл практически всегда являются разнородными по составу и свойствам. Высокий градиент свойств на гра-нице покрытие - основной металл существенно снижает прочность сцепления. По-сле плазменного упрочнения (без оплавления) покрытия, его микроструктура стано-вится мелкодисперсной с равномерно распределенными карбидами легирующих элементов. На границе покрытие - основной металл происходит выравнивание свойств. Устраняется характерный для такого типа соединений скачок миквотвердости, способствующий отслоению покрытий.

Проведенные эксперименты с металлизационными покрытиями (30ХГСА, 65Г) показали, что после плазменного упрочнения без оплавления покрытия, прочность сцепления (штифтовая проба) напыленного слоя с подложкой повы-силась на 15-30%.При использовании комплексной технологии (металлизация + плазменное упрочнение + холодное прессование) удается значительно повысить прочность сцепления (на 30-50 %) напыленного слоя с основным металлом. Покры-тие приобретает однородную мелкодисперсную структуру без пор и пустот. Износостойкость таких покрытий повысилась в 1,5-2 раза, что показывает перспектив-ность использования плазменного упрочнения при обработке напыленных покрытий.

2.4. Свойства сталей после плазменного упрочнения

Основная цель поверхностного упрочнения концентрированными потоками энергии сталей, чугунов, цветных сплавов, является повышение износостойкости. Однако, высоко дисперсный структура упрочненного поверхностного слоя металла, характеризующуюся высокой твердостью, оказывает определенное влияние на изменение не только износостойкости, но и других механических свойств (прочность, пластичность, выносливость, трещиностойкость) тепло- и коррозиностойкость. Кроме того, работоспособность многих деталей часто зависит не только от механи-ческих свойств, сколько от физических. Так, например, стойкость режущего инструмента тем выше , чем меньше тепло- и температуропроводность инструментальной стали.

В случае низкой теплопроводности разогрев режущей кромки инстру-мента меньше, так как теплоотвод осуществляется больше стружкой, чем инстру-ментом.

Влияние поверхностного упрочнения на механические и физические свойст-ва металлов и сплавов наиболее широко исследовано для случая лазерного термоупрочнения [1, 15, 16. 32, 35, 48-50], в меньшей степени для электронно-лучевого упрочнения 52-56. Применительно к плазменному упрочнению, таких работ очень мало [9, 24, 25, 51].

Анализ многочисленных работ по поверхностному упрочнению концентри-рованными источниками нагрева сталей 09Г2С, 3, 26, 30, 45, 60, 4СХ, 65Г, ЗОХГСА, 9ХФМ, У8, У10, У12, 65ХЗМФ, ШХ15, 38ХС, ХВГ показывает, что упрочнение в большинстве случаев снижает прочные характеристики ( ?_в, ?₀₂ ) на 5-40 %, характеристики пластичности на 150-300 % ³. Установлено, что ударная вязкость стали 09Г2С снижается на 10-15 %, стали 20 на 15=20 %, стали 45, 60, 40Х, 65Г

на 40-70 %, стали У8,У10, 9ХФ на 50-70 %. Снижение ударной вязкости обусловлено вы-сокой хрупкостью закаленного слоя и, как следствие этого, очень низким значени-ем работы зарождения трещины в этом слое.

Табл. 2.17

Материал	Кн	КС Мдж/м2	КС3 Мдж/м2	КСр Мдж/м2	? м/с	Рmax, кН	РсД кН	К1сД Мпа/м1/2
30ХГСА (наплавка) 45 50ХН 65Х3ФМ 9ХФ	1,0 2,0 3,5 1,0 2,0 4,7 1,0 1,8 4,5 1,0 1,7 4,7 1,0 1,7 3,8	0,18 0,13 0,11 0,36 0,18 0,13 0,51 0,19 0,19 0,24 0,10 0,08 0,11 0,08 0,07	0,14 0,10 0,07 0,33 0,15 0,10 0,37 0,12 0,10 0,20 0,07 0,06 0,09 0,06 0,02	0,04 0,03 0,04 0,03 0,03 0,03 0,14 0,07 0,09 0,04 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02	250 240 240 200 190 200 70 77 66 230 240 230 270 300 300	10,20 9,39 8,75 7,80 7,00 7,50 7,60 6,30 5,50 7,20 6,00 5,60 6,60 6,56 5,10	9,15 8,11 7,43 7,15 5,70 5,35 6,45 5,20 4,40 6,35 5,10 4,75 5,35 5,75 4,20	23,3 20,6 18,9 18,2 14,5 13,6 15,4 13,2 11,2 16,1 12,9 12,1 13,6 14,6 10,7
Степень повышения твердости Кн = Нупр/ Нисх, КС - ударная вязкость, КС3 - работа зарождения трещины, КСр - работа распространения трещины, Рmax - максимальное усилие разрушения, РсД - расчетное разрушающее усилие, ? - скорость распространения трещины, К1сД - критический коэффициент интенсивности напряжений.

Испытания на трещиностойкость табл. 2.17. упрочненных сталей 45, ЗОХГСА, 5ЭХР1, 9ХФ, 65ХЗМФ показали [9], что процесс разрушения этих сталей происходит в несколько этапов. Субмикроскопическая трещина зарождается, растет в закален-ной зоне и останавливается в переходной зоне (более пластичной) упрочненного слоя. Для дальнейшего ее распространения необходимы существенно большие уси-лия, чем усилим зарождения в закаленном слое. Качественный анализ диаграмм раз-рушения и фрактографический анализ изломов показал, что разрушение упрочненных сталей с содержанием углерода до 0,9 %, происходит по механизму «множественного» разрушения с торможением трещины в переходной зоне по механизму искривления траектории. Эффект торможения трещины не приводит к повышению трещиностойкости, из-за недостаточно высокой вязкости разрушения слоя основного металла, распространенного под упрочненным слоем.

Исследование заэвтектоидных сталей [9], упрочненных плазменным нагре-вом, не выявило эффекта торможения трещины в переходной зоне. Кроме того, плазменное упрочнение этих сталей не приводит к снижению трещиностойкости из-за их высокой хрупкости в исходном состоянии.

Плазменное упрочнение с оплавлением поверхности приводит к повышению трещиностойкости на сталях содержащих менее 0,37 % углерода. На сталях с большим содержанием углерода трещиностойкость снижается, что проявляется в межзерновом характере разрушения оплавленного слоя.

Плазменное упрочнение с перекрытием дорожек упрочнения на 30, 50, 75 % существенно повышает трещиностойкость, но несколько снижает износостойкость.

Повышение трещиностойкости и снижение износостойкости обусловлено образованием: зоны отпуска ( с троститно-сорбитной структурой) в месте перекрытия дорожек упрочнения. Регулируя степень перекрытия и режимы упрочнения, можно получить на рабочей поверхности чередующиеся по определенному закону твердые (хрупкие) и мягкие (пластичные) участки.

Табл. 2.18.

Результаты испытаний образцов после комплексного поверхностного упрочнения (температура + 20? С)

Технология упрочнения, марка стали	?02 МПа	?в МПа	? %	? %	КС МДж/м2	К1сД Мпа/м1/2
1	2	3	4	5	6	7
Закалка ТВЧ + плазменная обработка стали У8 75Х2МФ Закалка ТВЧ + отпуск+плазменная обработка при температуре отпуска, ? С У8200? С 300? С 400? С 75Х2МФ200? С 300? С 400? С	920 1180 900 1020 705 1120 1300 980	1240 1310 1190 1360 880 1310 1480 1060	5 4 2 7 5 2 7 4	28 24 16 31 27 14 28 24	0,048 0,053 0,030 0,058 0,046 0,027 0,070 0,050	5,32 7,47 3,18 8,07 5 14 4,83 9,84 7,34

Оценка трещиностойкости материалов после плазменного упрочнения, установление характера разрушения для различных вариантов упрочнения позволило авторам [9] разработать комплексную технологию упрочнения сталей 45, ЗОХГСА, 9ХФ, У8, 75Х2МФ, 150ХНМ, обеспечивающую получение высоких механических свойств, износостойкости и трещикостойкости, табл.2.18

Высокий комплекс механических свойств, а также повышение трещиностойкости и износостойкости получается при использовании комплексного упрочнения

Рис. 2.52. Влияние предварительной пластической деформации на механические свойства стали 45 после плазменной закалки

(деформация + плазменная

закалка), рис.2.52.

Повышение механических свойств после плазменного упрочнения обусловлено образованием

высокодисногоогомартенсита в упрочненном слое.

Увеличение степени дисперсностимартенсита и микротвердости является одной из главных причин повышения трещиностойкости и износостойкостипосле такой комплексной обработки.

Комплексная обработка, включающая в себя закалку ТВЧ + плазменную

закалку + лазерную закалку,

позволяет регулировать эксплуатационные свойства упрочненных деталей, табл.2.19.

Табл.2.19.

Результаты испытаний образцов из стали У8 комплексного упрочнения

(температура испытаний 250? С)

Технология упрочнения	?02 МПа	?в МПа	? %	? %	КС МДж/м2	К1сД Мпа/м1/2
1	2	3	4	5	6	7
1. Закалка и отпуск + (250? С)+ плазменная закалка 2. Закалка ТВЧ + плазменная закалка + лазерная закалка 3. Закалка ТВЧ + плазменная закалка + лазерная закалка + отпуск 180? С 250? С 300? С 400? С	980 1150 1200 1020 900 700	1300 1510 1580 1390 1080 920	6,2 7,8 7,9 7,1 6,2 5	29 38 40 38 30 25	0,058 0,062 0,064 0,058 0,052 0,048	7,8 8,9 9,2 8,2 6,4 4,8

К числу важных эксплуатационных свойств, определяющих область применения плазменного упрочнения, относится усталостная прочность. На сопротивляемость усталости материалов, после плазменного упрочнения, большее влияние оказывают параметры режима упрочнения. Параметры режима упрочнения определя-ют: величину и знак остаточных напряжений, дисперсность микроструктуры и т.д.

Известно, что наличие высоких сжимающих остаточных напряжений в зака-ленной зоне оказывает положительное влияние на усталостную прочность [1,9, 16].

Однако высокая хрупкость мартенсита в закаленном слое может являться причиной преждевременного разрушения при многоцикловом погружении.

Проведенные исследования и анализ литературных данных[1, 12, 15, 16, 491], показали, что плазменное, лазерное и электронно-лучевое упрочнение значительно увеличивают усталостную прочность деталей, работающих в условиях цик-лического нагружения, рис. 2.53.

Испытания на усталость при изгибе с кручением коленчатых валов (сталь 45) после плазменного упрочнения показали, что предел усталости по началу трещинообразования (60 МПа) у не упрочненных также (60 МПа) и на разрушение (130Мпа против 120Мпа) [49].

Плазменное азотирование из газовой: фазы стали 20 также позволило повысить предел выносливости на 40-60 %, по сравнению с исходным материалом [24].

Плазменная нитроцементация стали 20 также повышает предел выносливости на 40-60 %, по сравнению с исходным материалом. Исследования показали, что предел выносливости стали сильно зависит от режимов упрочнения, т, к. от них зависит величина остаточных сжимающих напряжений на поверхности, содержание азота и углерода в упрочненном слое. Установлено, что нитроцементированный слой постоянной глубины, но с разным содержанием оста-точного аустенита имеет разные значения предела выносливости. В стали 20 повышение содержания остаточного аустенита с 5 % до 12%, при постоянной глуби-не нитроцементированного слоя , увеличивает значение предела выносливости на 10-20 %. Плазменная нитроцементация стали 20 повышает предел выносливости, по сравнению с простой плазменной закалкой, рис. 2.54.

Исследование пластичности диффузионных слоев на стали 20 [24] показали, что наибольшей пластичностью обладает малоазотистая фаза, соответствующая твердому раствору на базе нитрида Fе₄N , рис. 2.55 а также карбонитридная фаза Fе₃(NС).

Как уже отмечалось выше, основная цель поверхностного упрочнения - повышение износостойкости деталей машин и инструментов.

Формирование изнашиваемой поверхности происходит в результате суммирования различных по интенсивности и видам элементарных актов разрушения и изменений механических, физико-химических свойств материала, а также под воздействием внешних факторов (среда, температура, давление и т. д.). Совокупность явлений в процессе трения определяет вид изнашивания и его интенсивность. При назначении поверхностной упрочняющей обработки (с целью повышения износо-стойкости) необходимо установить причину изнашивания.

Под термином изнашивание понимают разрушение поверхности твердого тела, проявляющиеся в изменении его размеров или форм. Элементарные виды раз-рушения поверхностей трения: микрорезание, царапанье, отслаивание, выкрашива-ние, глубинное выравнивание, перенос материала, усталостное разрушение. Реали-зация элементарных видов разрушения на поверхностях трения возможно только при наличии следующих факторов: пластической деформации, повышенной темпе-ратуры и химического действия окружающей среды [55- 61].

Рис. 2.54. Диаграмма выносливости стали 20 после различных способов плазменного упрочнения

1. Плазменная закалка

2. Плазменная нитроцементация

В общем виде стадии изнашивания поверхности трения выглядят следующим образом, рис. 2.56.

Стадия начального изнашивания (приработка) характеризуется приобретени-ем стабильной шероховатостью поверхностей трения. Стадия установившегося из-нашивания характеризуется изменением микро- и макрогеометрия трения и постепенным увеличением интенсивности изнашивания. Процесс установившегося изнашивания заключается в деформировании, разрушении и непрерывном воссоздании

на отдельных участках поверхности слоя со стабильными свойствами. По мере истирания поверхностного слоя с повышенной износостойкостью открываются по-верхности с нестабильными свойствами, что вызывает катастрофический износ. Рис. 2.56а соответствует случаю, когда во время этапа приработки накапливаются факторы, которые после окончания приработки ускоряют процесс изнашивания.

Рис. 2.56б соответствует случаю, когда отсутствует этап приработки, апериод установившегося изнашивания наступает сразу после начала работы (металлообрабатывающий, деревообрабатывающий, медицинский инструмент, рабочие органы машин и т. д.). Рис. Рис. 2.56в соответствует случаю, когда детали находятся под действием контактных напряже-ний и длительное время работают практически без истирания. Основной механизм износа - усталостное выкрашивание поверхностных слоев.

Проведенные испытания на износостойкость сталей после различных видов термообработки при различных видах трения, показали существенные преимущест-ва плазменного поверхностного упрочнения перед традиционными способами. Ре-зультаты испытания в условиях сухого трения на воздухе по пальчиковой схеме [7-60] образцов стали 20, 45, 40Х, ЗОХГСА, прошедших плазменную закалку (без оп-лавления) представлены в табл. 2.20.

Табл. 2.20.

Результаты испытаний на износостойкость стали 40Х

Вид обработки	Ny	Nкр	fтр	S, мм2	I*103 мм2/м
Плазменная закалка	415	5	0,28	13,8	0,69
Закалка ТВЧ	360	14	0,40	17,9	1,98
Ny - общее число; Nкр - число циклов до приработки; fтр - коэффициент трения; S - среднее значение площади поперечного сечения дорожки износа; I - путь трения

Из таблицы видно, что плазменная закалка снижает износ и коэффициент поения, а также количество циклов до приработки. Это обусловлено морфологическими особенностями упрочненного слоя после плазменной закалки.

При плазменном упрочнении с перекрытием дорожек упрочнения происхо-дит уменьшение микротвердости в зоне перекрытия (~ 10-30 %) . Однако, как показали исследования, интенсивного изнашивания в зоне перекрытия не наблюдается, так как эти зоны занимают значительно меньшую площадь, по сравнению с зонами закалки и при их изнашивании проявляется «теневой эффект» [1,9].

При упрочнении с оплавлением поверхности износостойкость упрочненного

Рис. 2.57. Зависимость износостойкости трущейся пары «азотированная сталь 20 - бронзовая втулка» от режима плазменного азотирования. 1- упрочнение азотной плазмой с оплавлением 2- упрочнение углеродосодержащей плазмой без оплавления 3- упрочнение азотной плазмой в режиме «азотного кипения» 4- упрочнение азотной плазмой без оплавления

слоя снижается (по сравнению с упрочнением без оплавления). Особенностью мартенситной структуры оплавленного слоя является ее столбчатый характер. Дис-персность мартенсита в оплавленной зоне, не смотря на высокие скорости охлажде-ния, зависит от химического

состава стали. Так, для стали

30ХГСА,30ХС,30ХГСН2А,

38Х2МЮА в оплавленной зоне зафиксирован мелкоигольчатый мартенсит, а в стали 20,30,45, 55, 9ХФ, 9ХФМ, 8Н1А, 40ХН -«крупноигольчатый».

Кроме того, в структуре оплавленной зоны обнаружено повышенное содержание остаточного аустенита (20-60%).

По мнению [1, 9, 10, 13] плазменное упрочнение с оплавлением поверхности наиболее эффективно для деталей, работающих в условиях интенсивного износа, но неиспытывающих значительныхударных и знакопеременных нагрузок.