Возможны другие способы комбинированного легирования, позволяющие увеличивать глубину и микротвердость легированного слоя, такие как ХТО + плазменное легирование; нанесение покрытия + плазменное легирование (с оплавлением и без оплавления); термодеформационное упрочнение + плазменное легирование; электроискровое легирование + плазменное легирование и т.д.).
Плазменное легирование можно использовать для упрочнения титановых сплавов (в часности азотирование и цементирование из газовой фазы, карбоборирование, карбосилицирование из твердой фазы) алюминиевых, медных и других сплавов.
2.3.2. Плазменное упрочнение в сочетании с другими способами воздействия на металлы
Плазменное упрочнение в сочетании с другими способами: такими как объемная закалка, закалка ТВЧ, лазерная закалка, ультразвуковая обработка, термодеформационное упрочнение, наплавка, напыление и др. позволяют повысить механические свойства упрочненных деталей. В работе [9] показаны различные варианты комплексного упрочнения. Исследованы структура, твердость, трещиностойкость и характер разрушения сталей ЗОХ1ГСА, 45, 9ХФ, 150ХНМ при различных сочетаниях объемной и плазменной термической обработки (плазменная закалка + отпуск, объемная закалка +пламенная закалка + отпуск). Использование комплексного упрочнения позволяет повысить трещиностойкость, микротвердость и износостойкость, по сравнению с простой плазменной закалкой в 1,5-2 раза. Плазменное упрочнению в сочетании с предварительной закалкой ТВЧ позволяет повысить трещиностойкость, ударную вязкость, пластичность в 1,3-2 раза, при сохранении твердости и износостойкости поверхности на высоком уровне [9]. Комплексная технология плазменного упрочнения включает в себя:
-закалка ТВЧ + плазменное упрочнение;
-закалка ТВЧ + отпуск + плазменное упрочнение
(температура отпуска 290, 300, 400 ° С).
Упрочненная таким способом деталь имеет композиционный рабочий слой [9] с высокой износостойкостью и трещиностойкостыю, и относительно, мягкую
пластичную сердцевину, рис. 2.49. Природа образования внутреннего отпущенного слоя аналогична случаю плазменного упрочнения предварительно закаленных сталей.
Рис. 2.49. Схема расположения упрочненных
слоев при плазменном упрочнении после закалки ТВЧ
1- слой плазменного (воздействия
2- отпущенный слой
3- слой закалки ТВЧ.
Более сложный композиционный рабочий слой образуется после комбинации:
- объемная закалка + плазменная закалка + лазерная закалка + отпуск
(температура отпуска 200° С);
- закалка ТВЧ + отпуск + плазменная закалка + лазерная закалка + отпуск
(температура отпуска 200° С);
- закалка ТВЧ +отпуск + плазменная закалка+ лазерная закалка
(температура отпуска 200° С).
Каждый из способов в отдельности обеспечивает определенную глубину упрочненного слоя и степень дисперсности мартенсита в нем
ZТВЧ› ZП.З. › ZЛ.З. , dТВЧ › dП.З. › dЛ.З.
где Z - глубина упрочненного слоя после закалки ТВЧ, плазменный и лазерный соответственно;
d - размер зерна после закалки ТВЧ, плазменной и лазерной соответственно.
Использование этих способов в определенной комбинации позволяет повысить микротвердость рабочей поверхности и трещиностойкость. Повышение трещиностойкости обусловлено увеличением степени дисперсности мартенсита, т.к. критическое напряжение хрупкому разрушению обратно пропорционально размеру
зерна. Кроме того, образование нескольких слоев в упрочненном слое, после комплексной обработки, (с различными структурными составляющими) изменяет микромеханизм разрушения, рис. 2.48. Трещины, распространяющиеся от поверхности в глубь упрочненного слоя, при переходе из твердого и хрупкого слоя лазерной закалки тормозятся в мягком и пластинчатом слое отпуска.
Рис. 2.49. Схема расположения упрочненных слоев
и распространения микротвердости по глубине после комплексной обработки
1,З,5 - слой лазерной, плазменной и ТВЧ закалки,
2,4,6 -отпущенные слои,
7 - основной металл
Несмотря на усложнение технологии упрочнения, комплексная обработка позволяет регулировать эксплуатационные характеристики в достаточно широких пределах, что позволяет добиться благоприятного соотношения параметров прочности, пластичности и трещиностойкости.
Более высокий комплекс механических свойств металлов и сплавов достигается совмещением различных средств воздействия на структуру (например, термическое и деформационное воздействие).
Аустенит, образующийся при плазменном нагреве, обладают более развитой субструктурой. Дальнейшее деформирование такого аустенита при высокой температуре приведет к значительным изменениям в субструктуре после закалки, Крометого, микронеоднородность аустенита, образующегося при плазменном нагреве (вследствие частичной гомогенизации), при его дальнейшем деформировании приводит 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 размеров, с целью получения требуемых деформаций от 0 до 90 %. Параллельно исследовались 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 втом, 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
α→γ -превращения, тем более мелкозернистым получается аустенит.
При распаде такого аустенита получается высокодисперсный мартенсит, отличающийся более высокими механическими свойствами.
Проведенные исследования показали, что с увеличением степени деформирования и скорости нагрева в упрочненном слое возрастает плотность дефектов кристаллической структуры. Кроме того, эффект измельчения зерна аустенита наиболее сильно проявляется при обработке сталей с грубодисперсной структурой (взакаленных 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 α - фазы. Электронно-микроскопичесикй анализ показал, что в упрочненном слое размеры игл мартенсита сильно уменьшены, по сравнению с простой плазменной закалкой. С увеличением степени деформации величина 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 компенсируетсявысоким 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 + отжиг + плазменное упрочнение.
Эффективность применения плазменного поверхностного упрочнения с целью повышения износостойкости изделий во многом зависит от соотношения глубины упрочненной зоны Zк 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 глубину, 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 размеров 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].