Плазменное поверхностное упрочнение металлов (стр. 9 из 17)
( 40-45%). Приупрочнении с оплавлением поверхности карбиды хрома не успевают образовываться из-за высокой скорости охлаждения, а аустенит настолько обогащен 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 (HRCэ 61-62).
Стали этого класса широко используются в машиностроении для изготовления различных деталей, работающих в сложных эксплуатационных условиях. Поэтому в практике плазменного упрочнения онизанимают 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 другие вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем, марганцем для дополнительного улучшения свойств. Известно, что при введении в сталь легирующих элементов последние могут образовывать с железом различные фазы: твердые растворы, легированный 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 Асз и расширяют область γ- фазы. Другие (хром, вольфрам, молибден, кремний, алюминий, ванадий, бор и др.) при определенной концентрации повышают критическую точку Ас3. Наиболее резко превращения замедляются при легировании сталей (V,W,Мо) образующие устойчивые карбиды, а также при повышенном содержании хрома (более 2 %).
Легированные конструкционные стали обладают меньшей критической скоростью 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 плазменного упрочнения глубина упрочненного слоя больше, по сравнению с углеродистыми сталями при одинаковых режимах упрочнения.
При сравнении степени упрочнения легированных и углеродистых конструкционных 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 |
| ЗОХ8800-9000 40Х 9500-1050050Х11000-12000 45Г9500-1050050Г11200-12500 | 30 7900-740045 7800-8600508200-9500 |
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 легированных 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 деталей изготовленных из этих сталей рекомендуется использовать режимы упрочнения, позволяющие добиться неполного растворения карбидов (достаточного для насыщения мартенсита) и меньшего содержания остаточного аустенита. Это достигается при максимальных скоростях обработки.
Плазменному поверхностному упрочнению подвергались стали коррозионностойкие типа 20X13, 30X13, 40X13, 95X18, 25Х13Н2, рессорно-пружинные стали 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 | ||
| 30Х40Х50Х40ХН50ХН30Г45Г50Г20ХГР30ХГТ15ХФ40ХФА40ХС30ХГСА35ХМ20ХН3А38ХГН45ХН2МФА38Х2МЮА38ХН1М18Х2Н4МА | 1800-20001900-23002000-21002200-22502300-24002100-22002100-22002200-23001800-19001800-20001750-19002000-21001900-20001800-19501900-21001800-21002000-21002100-22002200-23002200-23002200-2100 | 8800-90009500-1050011000-12000*9200-1050010700-115007900-82009500-1050011200-12500*7200-86008100-95007900-8500*10500-112009800-110007500-79008300-98009000-10000*10500-11000*12200-1300012100-1300010000-11500*13000-13800 | 0,1-30,1-30,1-30,1-40,1-40,1-2,50,1-40,1-50,1-20,1-30,1-3,50,1-30,1-3,50,1-40,1-3,50,1-3,50,1-40,1-40,1-40,1-4,50,1-4,5 |
* - 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 достигает у поверхности 35-45 %.
Максимальная микротвердость приходится на слой закалки из твердой фазы,где частично сохраняются нерастворившиеся карбиды и небольшое содержание остаточного 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 | ||
| 20Х1330Х1340Х1395Х1825Х13Н2 | 4800-56005000-58006000-68007800-89006900-7400 | 5500-60006200-75008800-94009000-105009500-11000 | 8900-95009000-105009500-1100010000-1150011200-12500 |
 |
При плазменном упрочнении без оплавления максимальная твердость по глубине также находится на некотором расстоянии от поверхностности. В поверхностном 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. Подругим 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 | |
| 15Л20Л25Л35Л45Л35ГЛ30ГСЛ45ФЛ30ХГСФЛ | 1600-18001600-18001600-190020002100-2200---- | 3900-45004000-45004100-47005100-59005000-60005100-55005500-60005900-65006100-6500 | 5000-6700*5000-6700*5200-6900*6500-68007500-82006500-73007200-78008900-9500*7500-8100 |
* Режим обработки с оплавлением поверхности
Твердые сплавы
Твердые сплавы не относятся к числу железоуглеродистых сплавов, однако они широко используются в инструментальном производстве. Сведений об упрочнении твердых сплавов при помощи плазменного нагрева в литературе (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: образованием карбидов WCгек, WCкуб, 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 поверхности), 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 1Стеллит 2РелитТ15К6Т30КВК3ВК6ВК8ВК15 | 2,124------ | 1,82,5------- | 3228------- | 59,163-6436815 | 54,596------ | ---796697949285 | ---1530---- | --------- | 49-5050-5150768076737168 |
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.