Металл, наплавленный проволокой Св-З0ХГСА под флюсами АН-60, АН-348А, ОСЦ45, АН-26 и др. в исходном состоянии имеет невысокую микротвердость – 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 высокую твердость наплавленного слоя. Последующая операция плазменного упрочнения 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 металла 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 ифлюсы АН-60, АНЦ-1, АН-348 А, АНК-18, смеси этих флюсовэ 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 структурныесоставляющие (феррит - перлит - сорбит - тростит - бейнит - мартенсит) с различной твердостью от 190 до 600 НВ.
Оптимальная твердость наплавленного металла, обеспечивающая хорошую обрабатываемость и незначительное повышение износостойкости в процессе эксплуатации, находится в пределах НВ 240-280. Дальнейшее повышение твердости можно обеспечить при помощи плазменного упрочнения на глубину 3-4 мм с твердостью закаленного слоя HRС 45-62 в зависимости от условий эксплуатации.
Выбирая состав наплавленного металла для последующего плазменного упрочнения, необходимо учитывать условия эксплуатации изделия. Повышение содержания 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 распространение 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 износостойкость и трещиностойкость восстановленных деталей машин и инструментов. Плазменное поверхностное упрочнение позволяет повысить эксплуатационные свойства напыленных покрытий (прочность сцепления, микротвердость, износостойкость) [9]. При напылении, покрытие и основной металл практически всегда являются разнородными по составу и свойствам. Высокий градиент свойств на границе покрытие - основной металл существенно снижает прочность сцепления. После плазменного упрочнения (без оплавления) покрытия, его микроструктура становится 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 повысилась 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. Покрытие приобретает однородную мелкодисперсную структуру без пор и пустот. Износостойкость таких покрытий повысилась в 1,5-2 раза, что показывает перспективность 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 механических 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 инструмента меньше, так как теплоотвод осуществляется больше стружкой, чем инструментом.
Влияние поверхностного упрочнения на механические и физические свойства 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 концентрированными 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 ( σв, σ02 ) 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 высокой хрупкостью закаленного слоя и, как следствие этого, очень низким значением работы зарождения трещины в этом слое.
Табл. 2.17
| Материал | Кн | КСМдж/м2 | КС3Мдж/м2 | КСрМдж/м2 | υм/с | Рmax,кН | РсДкН | К1сДМпа/м1/2 |
| 30ХГСА(наплавка)4550ХН65Х3ФМ9ХФ | 1,02,03,51,02,04,71,01,84,51,01,74,71,01,73,8 | 0,180,130,110,360,180,130,510,190,190,240,100,080,110,080,07 | 0,140,100,070,330,150,100,370,120,100,200,070,060,090,060,02 | 0,040,030,040,030,030,030,140,070,090,040,030,020,020,020,02 | 250240240200190200707766230240230270300300 | 10,209,398,757,807,007,507,606,305,507,206,005,606,606,565,10 | 9,158,117,437,155,705,356,455,204,406,355,104,755,355,754,20 | 23,320,618,918,214,513,615,413,211,216,112,912,113,614,610,7 |
| 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,υ – 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 закаленной зоне и останавливается в переходной зоне (более пластичной) упрочненногослоя. Для дальнейшего ее распространения необходимы существенно большие усилия, чем усилим зарождения в закаленном слое. Качественный анализ диаграмм разрушения 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 нагревом, 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 + 20º С)