Плазменное поверхностное упрочнение металлов (стр. 8 из 17)

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

В зоне закалки из твердойфазы закаленный слой имеет ярко выраженную неоднородность. Ближе к обрабатываемой поверхности твердый раствор насыщенуглеродом, что способствует образованию повышенного количествааустенита. Внижней границе слоя остаточногоРис.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 состояние стали. Так, в стали У8, У10 (предварительно объемно закаленной) становится возможным бездиффузионное обратное мартенситное превращение с наследованием аустенитной дефектной структуры мартенсита при полном торможении в процессе 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 неоднородной структуры. Вследствие незавершенности процессов аустенизации в упрочненном 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 содержание в данной стали при обычной объемной закалке.

Табл. 2.8.

Твердость стали после обработки холодом /жидкий азот/

Марка стали	Микротвердость, МПа
Марка стали	Исходная	После плазменного упрочнения	Плазменное упрочнение + обработка холодом
9ХФ9ХФМХВГ55Х7ВСМФ9ХС8Н1А13Х9Х5ВФ	2600-28002600-28002000-25002800-30002200-28002500-28009500-101009500-11000	10000-1100010500-1120013000-1400011500-1200012000-1250011000-1180012200-1280012200-13800	12200-1310011000-1300014500-1540012500-1380012500-1380012000-1380013100-1350014000-14800

Для устранения остаточного аустенита после плазменной закалки была проведена 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 инструментальными сталями(НRС_э65-69).

Однако использование этой

Рис. 2.22.Распределение микротвердости по глубине упрочненной зоны на сталипослеплазменногоупрочнения (безоплавления)

операции в практических целяхочень затруднительно и требуетдальнейших исследований.

При упрочнении легированных инструментальных сталей отмечается «эффект» максимальной твердости на некоторойглубине от поверхности, рис. 2.22.Призакалкелегированныхинструментальных 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. Легирующиеэлементы способны образовывать с углеродом соединения (в виде карбидов, которые удерживают углерод в труднорастворимых соединениях), препятствующие насыщению аустенита. Однако влияние легирующих элементов на микротвердость упрочненного слоя уменьшается с увеличением содержания углерода. Стали, содержание хрома в которых превышает 2-3 %, упрочняются 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 устойчивость 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, %

Р6М5*Р6М5**

Плазменнаязакалка

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

Плазменнаязакалка + отпуск при 570º С

86.2

0.2

2.4

1.6

0.6

4.2

91.0

МС-2,6,М₆С-7,М₂С-3,1М₂₇С-1,1М₂₃С6 ,М₇С₃ ,М₃С

6.1

26.3

30.5

9.1

6.5

21.5

Р9М4К8*

Плазменнаязакалка

62.0

29.0

0.6

5.0

3.0

1.7

3.7

8.9

77.1

МС-1,8,М₆С-7,2интериметаллид

4.4

4.03

19.5

8.1

3.3

2.2

22.2

Р9М4К8**

Плазменнаязакалка + отпуск при 580º С

86.2

0.2

3.2

1.8

1.2

2.9

9.2

81.5

МС-3,8,М₂С-3,6М₆С-7,4М₂₇С₆ ,М₇С₃ ,

5.8

39.4

20.6

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 термообработки, рис.2.23.

Для быстроорежущих сталей также возможно использовать обработку холодом 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 плазменного 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 значенияплазменного 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 быстрорежущих сталей НV=f(t)) имеет экстремум), т.к. длительность нагрева определяет 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.Проведенныеисследования 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 традиционней закалки в структуре остается значительное количество (12 %) избыточных карбидов и большое количество остаточного аустенита