| Проведение упрочнения зубъев методом плазменной закалки стали установкой УДГЗ-200 ликвидировало серьезную проблему их выкрашивания во время эксплуатации. Работы проводились на ОАО Качканарский ГОК | |
 |
ОАО НТМК (Евраз холдинг) заказывал плазменную закалку зубчатого колеса изготовленного из стали 35ГЛ, используемого на сталеразливочном кране грузоподъемностью 220 тонн. В результате была повышено твердость по шкале НВ с 200 до 500 едениц, и как следствие увеличился срок эксплуатации более чем в 3 раза. |
 |
3-х кратное увеличение срока службы канатного барабана напора на экскаваторе ЭКГ-10 привела плазменная поверхностная закалка зубьев и канатных ручев выполненная установкой УДГЗ-200. |
 |
На ОАО ЧМК провели плазменную закалку опорных поверхностей и несущих роликов на зубчатом венце усреднительной машины. Работы проводили без разбора агрегата прямо на шихтовом дворе заказчика. Достигли отличного результата - увеличение межремонтного срока в два раза. |
 |
Производим плазменное упрочнение металла разнообразных сложнопрофильных зубчатых деталей, как пример на фотографии, проводилась закалка внутреннего профиля. |
 |
Плазменная закалка крупного нажимного винта по технологии проводится при закреплении его на токарный станок и вращением с небольшой скоростью. Данные процесс можно автоматизировать, подобрав на оборудовании нужную скорость вращения и подачи плазменной горелки. |
 |
Закалка шевронного зуба и шлицов выполняемая на установке УДГЗ-200. |
Закалка штампов
Плазменная закалка штампов дает весьма значительный экономический эффект. Наш заказчик ОАО ЧТПЗ снизил расход штампов из дорогостоящего модифицированного чугуна (использовались при формовке труб большого диаметра).
1. Плазменная закалка
2. Плазменная нитроцементация
В общем виде стадии изнашивания поверхности трения выглядят следующим образом, рис. 2.56.
Стадия начального изнашивания (приработка) характеризуется приобретением стабильной шероховатостью поверхностей трения. Стадия установившегося изнашивания 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 поверхности 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 напряжений 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 преимущества плазменного поверхностного упрочнения перед традиционными способами. Результаты испытания в условиях сухого трения на воздухе по пальчиковой схеме образцов стали 20, 45, 40Х, ЗОХГСА, прошедших плазменную закалку (без оплавления) представлены в табл. 2.20.
Результаты испытаний на износостойкость стали 40Х
| Вид обработки | |||||
| Плазменная закалка | 415 | 5 | 0,28 | 13,8 | 0,69 |
| Закалка ТВЧ | 360 | 14 | 0,40 | 17,9 | 1,98 |
| N y – общее число; N кр – число циклов до приработки; f тр – 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 происходит 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» .
При упрочнении с оплавлением поверхности износостойкость упрочненного
слоя снижается (по сравнению с упрочнением без оплавления). Особенностью мартенситной структуры оплавленного слоя является ее столбчатый характер. Дисперсность мартенсита в оплавленной зоне, не смотря на высокие скорости охлаждения, 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 плазменное упрочнение с оплавлением поверхности наиболее эффективно для деталей, работающих в условиях интенсивного износа, но неиспытывающих значительныхударных и знакопеременных нагрузок.
Износостойкость стали 30ХГСА, 9 ХФ, 50ХН, 150 ХНМ после плазменного упрочнения (без оплавления) возрастает в 2,5-4 раза, по сравнению с объемной закалкой при испытаниях по схеме «вращающееся кольцо - неподвижная колодка» на машине трения МИ-1М (9) (в масляно - абразивной среде).
Оценка износостойкости конструкционных сталей, прошедших плазменное азотирование из газовой фазы (по различным режимам), показала, что износостойкость сталей 20 возрастает в 1,3-1,5 раза по сравнению с плазменной закалкой и в 3-6 раз по сравнению с объемной закалкой рис. (испытание на машине СМУ-2).
Износостойкость нитроцементированного слоя на сталях 20, 45 в условиях сухого трения возрастает по сравнению с объемной ХТО, рис.
Дополнительная обработка холодом (кривая 5, рис. 2.58.) снижает содержание остаточного аустенита в нитроцементированном слое и, как следствие этого, увеличивается износостойкость.
Сравнительные испытания образцов стали 45, 40Х на износостойкость при различных способах упрочнения показали, что плазменная закалка не уступает электронно-лучевой и лазерной закалке, табл. 2.21.
Рис. 2.58. Влияние режима плазменного легирования
на износостойкость стали 45.
1- исходное состояние
2- объемная ХТО /нитроцементирование/
3- плазменная нитроцементация из газовой фазы
4- плазменная нитроцементация из твердойй фазы
5 - плазменная нитроцементация из твердой фазы + обработка холодом.
Из всех видов изнашивания, встречающегося в промышленности, наиболее часто проявляется абразивный износ. Согласно детали машин и инструменты, эксплуатирующиеся в различных условиях работы, наиболее часто испытывают абразивный износ (до 60-70 %). Абразивное изнашивание наиболее часто вызывает разрушение поверхности детали в результате ее взаимодействия с твердыми частицам. К твердым частицам! относятся:
Неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по касательной,
либо под небольшим углом атаки к поверхности детали;
Незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью детали;
Свободные частицы в зазоре сопряжения детали;
Свободные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью или газом.
Испытание на абразивное изнашивание проводят по двум схемам взаимодействия поверхности материала с абразивом: при трении и при ударе об абразивную поверхность . Методики испытаний, оборудование подробно изложены в работах , поэтому нет необходимости их описания, остановимся на результатах испытаний. В качестве критерия оценки износостойкости упрочненных материалов использовалась относительная износостойкость, которая выражается отношением износа эталона к износу (линейному, весовому или объемному) исследуемого образца.
Самый простой способ оценки относительной износостойкости материалов – взвешивание образцов до и после испытания на абразивное изнашивание.
Сравнительные испытания на износостойкость пар трения шарик-цилиндрический образец
| Способ упрочнения марки стали, образца | Линейный, мкм | По массе, мг | Суммарный |
|||
| Линейный, км | По массе, мг |
|||||
| 1. Электронно-лучевое упрочнение, 40Х | ||||||
| 2. Лазерное упрочнение | ||||||
| 3. Плазменное упрочнение40Х | ||||||
| 4. Закалка ТВЧ | ||||||
| 5. Объемная закалка | ||||||
| 6. Азотирование 20 | ||||||
| 7. Цементация 20 | Закалку непосредственно под электровозом или вагоном (без выкатки колесных пар) . За восемь лет работы на ВСЖД открыты 12 участков плазменного упрочнения гребней колесных пар и обработано более 35 500 колесных пар. В течение этих лет проводились исследования триботехнических свойств упрочненных колесных пар на фиксированном участке ВСЖД, а именно на горном участке Иркутск-Слюдянка. Выбор... Триботехника,-М.: Машиностроение, 1985. Лахтин Ю.М. и др. Материаловедение: Учебник для ВУЗов, 3е издание. М.: машиностроение 1990. Плазменное поверхностное упрочнение / Лещинский Л.К. и др.- К.: Техника, 1990. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием / Яценко В.К. и др.- М.: Машиностроение,1985. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами / А.Г. Бойцов и... Перемещения луча приведено на рис. 1.5. Наблюдаемые различия в структуре и твёрдости слоёв зоны в стали 35, обрабатываемой непрерывным излучением лазера на СО2, объясняют различными условиями их нагрева и охлаждения. 1.6. Упрочнение кулачка главного вала В течение последних трёх – пяти лет появились мощные газовые лазеры, обеспечивающие в режиме непрерывной генерации мощность порядка...
Является то, что рабочий стол 6 с обрабатываемыми образцами 5 размещается внутри данного устройства. Разрабатываемое оборудование позволит осуществлять имплантацию ионов азота с энергией 1 – 10 кэВ (Дж) в металлы и сплавы, модифицируя их свойства в нужном направлении. Заключение Несмотря на большое количество исследований в области ионной имплантации, остаётся ещё множество вопросов, ... | |||||
УДК 621. 791
ПЛАЗМЕННАЯ ЗАКАЛКА ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
© Коротков Владимир Александрович, д-р техн. наук, e-mail: [email protected]
Нижнетагильский филиал Уральского федерального университета. Россия, г. Нижний Тагил Статья поступила 11.05.2012 г.
Разработка ручной поверхностной закалки плазменной дугой дала возможность упрочнять изделия, которые ранее не упрочнялись, и позволила решить многие задачи по увеличению срока эксплуатации металлургического оборудования. В несколько раз увеличен срок службы зубчатых колес литейных кранов, конусов дробилок, крановых рельсов, штампов различного назначения.
Ключевые слова: плазменная закалка; детали металлургического оборудования; износостойкость.
лияние закалки на долговечность деталей оборудования; способы закалки. Закалка чугуна и стали увеличивает твердость примерно в два раза, при этом износостойкость в зависимости от условий эксплуатации может увеличиваться в десятки раз, что объясняет ее применение при изготовлении деталей металлургического оборудования, относящихся к категории быстро изнашиваемых. Однако применение закалки сдерживается из-за того, что не для всех деталей возможно ее проведение из-за плохой прокали-ваемости массивных деталей, деформирования и образования трещин в них, высокой себестоимости, увеличивающейся в результате проведения обязательного отпуска. Для преодоления этих недостатков были разработаны способы поверхностной закалки с применением высококонцентрированных источников нагрева: электроконтактного и электролизного, газового пламени, токов высокой частоты (ТВЧ), лазерного и электронного лучей. Они способствовали расширению применения закалки, но, имея собственные недостатки, проблему не решили; по настоящее время эксплуатируется металлургическое оборудование с большим числом контактных поверхностей (сопряжений) деталей, не имеющих упрочнения, по этой причине быстро изнашивающихся и обусловливающих частые и дорогостоящие ремонты.
Одним из ранее не применявшихся способов поверхностной закалки стала закалка плазменной дугой. Первые сведения о нем появились в 80-х годах прошлого столетия. Наличие в промышленности плазменных аппаратов для резки, сварки, напыления было одной из причин поиска способа их применения для поверхностной закалки. Установку микроплазменной сварки применили для
закалки деталей шахтного оборудования, а установку плазменного напыления - для закалки деталей прокатных валков . Аппарат плазменной сварки УПС-501 модернизировали для закалки бандажей рельсо-правильных машин, а затем -прокатных валков . Адаптирована для закалки также установка плазменной резки УПР-404 .
Плазменная закалка 1980-1990-х годов имела существенный недостаток. Она применялась только в автоматическом режиме, когда параметры настройки легко поддерживаются неизменными, ручное же ведение процесса было практически невозможно. В современный век роботов и «безлюдных» производств разработка ручной технологии может показаться ошибочной. Однако, ручные технологии, благодаря универсальности, демонстрируют жизнеспособность. В мире основной объем сварки (более 80%) продолжают выполнять с помощью электродов или полуавтоматов, т.е. вручную. По аналогии полагали (этот расчет оправдался), что с разработкой ручного способа плазменной закалки объемы ее применения возрастут, и произойдет это за счет изделий,
Рис. 1. Закалка установкой УДГЗ-200
для которых ранее по тем или иным причинам провести закалку было невозможно.
Разработка способа ручной плазменной закалки и его характеристики. Проблема ручной плазменной закалки была решена в 2002 г. в ООО «Композит», созданном в 1990 г. при Нижнетагильском филиале УПИ (ныне УрФУ). Здесь разработали способ и установку УДГЗ-200 для ручной плазменной закалки .
В установке УДГЗ-200 (рис. 1) предусмотрена горелка, небольшие размеры которой делают ее удобной для ручного манипулирования, и позволяют обрабатывать самые труднодоступные места деталей.
Техническая характеристика установки УДГЗ-
200 приведена ниже
Масса (источник питания, горелка, блок
охлаждения горелки), кг 20 + 0,5 + 20
Напряжение сети, В 380
Мощность, кВт 10
Производительность, см2/мин 25-95
Расход рабочего газа (аргона), л/мин 15
Глубина закалки, мм 0,5-1,5 Твердость после закалки (в зависимости от
марки стали) до ИКС 65
При закалке сварщик перемещает дугу по поверхности со скоростью, обеспечивающей «вспо-тевание» (состояние предшествующее плавлению) поверхности под дугой. Этот процесс контролировать не труднее, чем плавление при сварке, но оно обеспечивает необходимый для закалки нагрев и не допускает грубого оплавления поверхности. Дуга оставляет на поверхности закаленные полосы шириной 8-16 мм, которые сварщик располагает с некоторым перекрытием. На их поверхности наблюдаются цвета побежалости в результате образования тонкой пленки оксидов, которая не оказывает существенного влияния на шероховатость в диапазоне Rz = 4-40 (рис. 2). Кроме того, плазменная закалка не дает значительных деформаций, что, в совокупности
Рис. 2. Плазменная дуга и закаленная ею полоса
с предыдущим позволяет исключить для многих деталей трудоемкую финишную механическую обработку твердого закаленного слоя и, как следствие, снизить трудоемкость и себестоимость производства.
Закалка происходит за счет отвода тепла в тело детали без подачи охладителя (воды) к месту нагрева . Поэтому установка УДГЗ-200 применяется на ремонтных площадках, по месту механообработки и эксплуатации деталей, а не только в термических цехах и специализированных участках. Работу на ней осваивают сварщики 2-го-3-го разрядов. При этом процесс закалки может быть механизирован, автоматизирован и роботизирован, что делает УДГЗ-200 пригодной к применению в современных высокотехнологичных производствах. Наличие установки УДГЗ-200 в определенной мере восполняет отсутствие печей для закалки, цементации, установок ТВЧ, делает закалку экологически чистой.
На рис. 3 представлен характерный микрошлиф закаленного слоя толщиной примерно 1 мм и распределение твердости в закаленных полосах, выполненных с перекрытием. Видно, что в результате нагрева плазменной дугой микротвердость увеличилась более чем вдвое: от -НУ 250 до НУ 700-800. В месте перекрытия полос (двойной закалки) микротвердость возрастает до НУ 800-900, а в зоне термического влияния второй полосы на первую снижается до НУ 600-700 вследствие протекания процессов отпуска.
Увеличение долговечности деталей металлургического оборудования в результате плазменной закалки. Закалка (см. рис. 1) установкой УДГЗ-200 зубчатых колес (сталь 35ГЛ, z = 90, т = 24) сталеразливочного крана (на Нижнетагильском металлургическом комбинате) грузо-
Расстояние от края второй закаленной полосы, мм
Рис. 3. Поперечное сечение образца (сталь 45) с двумя
полосами закалки плазменной дугой (внизу); распределение £
от поверхности (вверху) ш
подъемностью 225 т (выполняется с 2004 г.) увеличила твердость зубьев от НВ200 до НВ500 и срок службы - от 6 мес. до 17 мес., т.е. в 2,8 раза. Такие же колеса на кране меньшей грузоподъемности (на Челябинском металлургическом комбинате) (180 т) служат 10-11 мес. (до износа зубьев около 11 мм). После плазменной закалки они отработали вдвое больше и имели износ порядка 1 мм, т.е. на толщину закаленного слоя. Поскольку, износ зубьев не достиг предельного значения (11 мм), то сделана повторная закалка зубчатого колеса прямо на кране, без его демонтажа. Экономия за счет сокращения закупки зубчатых колес и расходов по их замене в данном случае составила примерно 4,8 млн руб., при эффективности вложений в плазменную закалку порядка 28 руб. экономии на каждый рубль расходов на закалку.
Подобным образом (предварительная закалкой новых зубчатых колес и повторные закалки без демонтажа по мере износа закаленного слоя) в семь раз увеличен срок службы зубчатого венца (сталь 40ГЛ) барабана окомкователя и под-венцовой шестерни (сталь 34ХН1М) в агломерационной установке. Экономия составила почти 38 млн руб. при эффективности вложений в плазменную закалку около 5 руб. экономии на каждый рубль затрат.
Шестерни (т = 10; г = 16) из конструкционной стали 40Х в «улучшеном» состоянии, в открытой передаче укладчика, работающего с вагоноопро-кидывателем в том же агломерационном производстве, изнашивались в течении одной недели. Плазменная закалка увеличила наработку - до четырех недель, т.е. в четыре раза. При этом износился только закаленный слой (~1мм), что позволило повторять закалку прямо на укладчике и увеличить срок службы шестерней до восьми раз.
В приводе прокатного стана 300 крутящий момент передается валкам через шлицевые муфты (сталь 45), срок службы которых не превышал трех месяцев. Упрочнение шлицев существенно снизило их износ: после двукратной наработки он составлял менее 10%.
Размеры закалочной горелки установки УДГЗ-200 позволяют закаливать зубья шестерен с модулем т > 6. Закалка производится по боковой поверхности зуба. Впадины между зубьями не закаливаются, так как там плазменная дуга не действует. Это недостаток закалки ТВЧ, вызывающий поломку зубьев при эксплуатации. Однако плазменная закалка только боковых поверхностей к поломкам не приводит, так как производится последовательно, тогда как закалка ТВЧ -
Рис. 4. Плазменная закалка зубьев (справа) исключила поломки имевшие место при закалке ТВЧ (слева)
одновременно по всему профилю, с наведением высоких остаточных напряжений. Кроме того, при закалке зубьев ТВЧ необходимо соблюдать еще одно условие - не допускать прокалки зубьев на всю толщину, для чего используют сталь пониженной про-каливаемости. В случаях поломки зубьев приводных шестерен из
конструкционных сталей (рис. 4) железнодорожных локомотивов (на Качканарском ГОКе) исключить поломки без замены стали удалось применением плазменной закалки, при этом вдвое сократился расход шестерен.
ГОЛЕНИЩЕВ А.А., ГОЛЕНИЩЕВ А.В., ПАНЫЧЕВ А.П., ПОЛУЯКТОВА Т.А., ШАВНИНА М.В. - 2015 г.
ГОЛЕНИЩЕВ А.А., ГОЛЕНИЩЕВ А.В., ИВАНОВ В.А. - 2015 г.
Плазменное поверхностное упрочнение, как один из методов упрочнения источниками нагрева с высокой плотностью мощности, в настоящее время применяется в условиях как мелкосерийного и единичного, так и крупносерийного и массового производства. Сущность его заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей и последующем отводе тепла в глубь детали .
Для технологических целей используют низкотемпературную плазму, которая представляет собой частично ионизированный газ и имеет температуру порядка 10 3 ...10 s К. Механизм образования плазмы, свойства и параметры плазменной струи зависят от рода и свойств плазмообразующей среды, которая может быть однокомпонентной и многокомпонентной. В качестве однокомпонентной плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород. В качестве многокомпонентных используют смеси: аргон и водород, аргон и гелий, азот и водород, воздух, воду, аммиак, азот и кислород .
Плазмообразующий газ должен обладать высоким значением удельной теплоемкости и теплопроводности. В этом отношении аргон обладает худшими электрическими и теплофизическими характеристиками по сравнению с другими плазмообразующими газами, однако хорошо защищает вольфрамовый электрод, легко ионизируется под действием дугового разряда и не оказывает вредного воздействия на поверхностный слой обрабатываемого металла. Однако аргон и другие инертные газы дорогостоящи. Кроме того, они не могут диссоциировать в столбе дугового разряда. Активными теплоносителями являются двух- и трехатомные газы, поэтому их применяют в качестве добавки к аргону. Наилучшими теплофизическими характеристиками обладает водород. В смеси его содержание обычно не превышает 15-20%. Дальнейшее увеличение содержания водорода в смеси приводит к резкому возрастанию напряжения на дуге. .
Плазменная обработка материалов обладает рядом достоинств, обуславливающих ее широкое использование для реализации всех известных методов термического воздействия на материал: возможностью достижения высокой концентрации тепловой энергии; пригодностью для плавления или испарения практически любых известных в природе материалов; повышенной стабильностью плазменной дуги по сравнению с электрической; высокой скоростью газа в плазменной струе .
Плазменные источники обеспечивают плотность мощности 10 4 ~10 5 Вт/см 2 , т.е. меньше, чем электронный и лазерный луч, но их единичная мощность может достигать 160 кВт и более, а эффективный КПД нагрева - 0,85. Плазменное оборудование по стоимости и сложности изготовления вполне сопоставимо с электродуговым, отличается малыми габаритами и высокой маневренностью. Его широко применяют для резки, наплавки, напыления, сварки и более ограниченно для упрочнения .
2. Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии
Все методы поверхностного высокоэнергетического упрочнения сталей предназначены для формирования закаленных слоев, обеспечивающих повышенный уровень износостойкости рабочих поверхностей деталей, находящихся в тяжелых условиях внешнего нагружения. Несмотря на принципиальные различия используемого для поверхностной обработки оборудования, механизм формирования упрочняемого слоя в общем случае одинаков . Он заключается в быстром нагреве локального объема детали до аустенитного состояния и последующем отводе тепла в соседние объемы, не успевшие нагреться в тот период, когда источник нагрева был включен. В связи с тем, что масса нагретого слоя значительно меньше, чем масса обрабатываемой детали, скорость охлаждения поверхностного слоя как правило выше критической . Следовательно, на стадии охлаждения аустенит претерпевает мартенситное превращение.
Комплекс механических свойств поверхностного слоя, в первую очередь твердости и показателей прочности, обеспечивается высокими значениями скоростей нагрева и охлаждения стали . Это обстоятельство объясняет малый размер мартенситных кристаллов, возникающих в мелких зернах аустенита и отсутствие явных признаков самоотпуска пересыщенного твердого раствора . При обработке материала в его поверхностных слоях развиваются физико-химические процессы, характер которых определяется химическим составом, температурой, временем, скоростью нагрева и последующего охлаждения .
Формирование высокотемпературной фазы в результате нагрева высококонцентрированными потоками энергии, в отличие от медленного нагрева, когда превращение перлит > аустенит происходит в близких к изотермическим условиях, из-за избытка подводимой энергии идет в условиях непрерывно повышающейся от A с1 нач до A с1 кон температуры . График смещения критической точки изображен на рисунке 3.Следует отметить, что аустенит, полученный при высокоскоростном нагреве, отличается повышенным количеством дефектов. Большое число дефектов обусловлено наследованием их из б - фазы, а также дополнительным образованием вследствие усиления эффекта фазового наклепа в условиях превращения при высокой скорости нагрева. Степень завершенности процесса аустенитизации для конкретного состава железоуглеродного сплава определяется скоростью и температурой нагрева, временем теплового воздействия , точнее временем пребывания некоторого объема нагретого металла в диапазоне температур существования аустенита.
Рисунок 3 - Смещение критической точки Aс1 при быстром нагреве стали.
Поскольку при обработке концентрированными потоками энергии различные слои материала нагреваются до различных температур, зону термического воздействия условно можно представить состоящей из ряда слоев, плавно переходящих друг в друга. Схема строения ЗТВ показана на рисунке 4
Первый слой - зона оплавления, имеет место при закалке из расплавленного состояния. Зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая для среднеуглеродистой стали - мартенсит . Следует отметить, что по мере удаления от поверхности упрочняемого изделия в глубь размеры кристаллов мартенсита плавно изменяются. Обусловлено это тем, что температура материала в разных зонах быстро нагретого слоя существенно отличается (не смотря на то, что структура в этих зонах перед охлаждением была одинаковой - аустенит).
Рисунок 4 - Схема строения ЗТВ при плазменном упрочнении: 1 - зона оплавления; 2- зона закалки; 3 - переходная зона
Тем не менее, мартенсит основного слоя характеризуется высокой дисперсностью составляющих его элементов. Это обусловлено тем, что максимальная длина кристалла мартенсита соответствует размеру аустенитного зерна. Зерно аустенита из-за кратковременности выдержки не успевает вырасти и поэтому мартенсит, образующийся в его пределах, является мелкодисперсным. Кроме того, при смещении процесса образования аустенита в область высоких температур уменьшается концентрация углерода, снижается устойчивость зародыша, следовательно, скорость зарождения при этом резко увеличивается, что ограничивает рост зерен .
Второй слой - зона закалки из твердой фазы, образующийся в интервале температур Тпл › Тзак › ТАс1. По глубине слой характеризуется сильной структурной неоднородностью, так как наряду с полной закалкой происходит неполная закалка. В верхней границе слоя, ближе к поверхности, наблюдается мартенсит и остаточный аустенит. В нижней границе слоя, ближе к исходному металлу, наряду с мартенситом наблюдаются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидных сталях и цементит в заэвтектоидных .
Третий слой - переходная зона, в которой металл нагревается до температур ниже точки Ас1, в котором основными структурами являются структуры отпуска .
Металлографические исследования, проведенные авторами работы , показали, что микроструктура переходной зоны зависит от исходного состояния упрочняемого материала. В зависимости от режимов обработки, марки стали, ее предварительной термической обработки переходная зона может иметь различные размеры и строение. В доэвтектоидных сталях с исходной феррито-перлитной структурой и заэвтектоидных сталях с перлито-цементитной структурой после поверхностной закалки наблюдаются участки избыточных фаз (феррита и цементита). Размеры конгломератов этих фаз в направлении от закаленной зоны к зоне с исходной структурой возрастают.
Слоистое строение упрочненной зоны характерно для всех способов плазменного упрочнения. Геометрические параметры зоны плазменного нагрева характеризуются шириной и глубиной упрочненного поверхностного слоя, которые для большинства способов зависят от параметров режима упрочнения (мощности плазменной струи (дуги), дистанции упрочнения, скорости обработки) .
C целью обеспечения высокого уровня конструктивной прочности упрочняемого изделия необходимо тщательно контролировать структуру не только закаленной, но и переходной зоны. Изменяя режимы обработки, можно достаточно надежно управлять структурными параметрами основной и переходной зоны, формируя при этом благоприятный уровень механических свойств материала .
PLASMA HARDENING HIGH-CHROMIUM CAST IRON
Kirill Vaskin
PhD, assistant professor of Togliatti State University,
Russia , Togliatti
Artur Blinov
undergraduate of Togliatti State University,
Russia, Togliatti
Andrey Blinov
head of "Technological Department of die tooling " PJSC AVTOVAZ,
Russia, Togliatti
АННОТАЦИЯ
В работе было исследовано влияние плазменной закалки на физико-механические свойства чугуна ХФ. Были определены значения микротвердости и глубины упрочненного слоя. В результате проведенных исследований было получено, что использование плазменного поверхностного термоупрочнения позволило повысить микротвердость поверхностного слоя образца более чем в 2 раза.
ABSTRACT
Effect of plasma hardening physical and mechanical properties of high-chromium cast iron in article are investigated. Values of hardness and depth of the hardened layer are determined. The use of highly concentrated energy sources makes it possible to increase the hardness of the surface layer more 2 times, as a result of our research.
Ключевые слова: плазменная закалка; термоупрочнение.
Keywords: plasma hardening; thermal hardening.
Кратковременное действие температурного фактора при закалке приводит к диспергированию структуры. Это характерно при плазменной и лазерной закалке . Однако, при лазерной закалке пятно контакта лазерного луча и обрабатываемого материала меньше пятна контакта плазменной дуги с обрабатываемой поверхностью. Поэтому при больших областях закалки более производительным является метод плазменной закалки. Таким образом, при закалке штамповой оснастки предпочтительным является способ плазменного термоупрочнения.
Исследования по изучению влияния плазменной закалки проводили на чугуне ХФ, который применяют при изготовлении пуансонов и матриц формообразующих штампов холодной штамповки на ПАО «АВТОВАЗ» .
Плазменная закалка образца (рис. 1) была проведена на установке УГДЗ-200 .
Рисунок 1. Геометрические размеры образца для плазменной закалки
Из-за того что образец имел небольшие размеры, а его способность к отведению тепла не столь велика, то некоторые участки упрочняемой поверхности оплавлялись. Чтобы устранить возникшие неровности, образец шлифовали, при этом глубина резания составила порядка 0,3…0,4 мм, а шероховатость Ra0,8. После этого на электроэрозионном станке был вырезан фрагмент поверхности для того чтобы провести дальнейшие металлографические исследования.
Замеры микротвердости были проведены с помощью микротвердомера Micromet-II, структура образца изучалась на микроскопе AxioObserver.
Плазменная закалка образцов из чугуна ХФ
Внешний вид упрочненного плазменной закалкой образца из чугуна ХФ приведен на рисунке 2. На данном образце была проведена операция шлифования упрочненной цилиндрической поверхности со съемом материала толщиной 0,4 мм, затем электроэрозионным способом вырезан фрагмент поверхности для проведения металлографических исследований.
Основные параметры процесса упрочнения:
- рабочий ток дуги 150А;
- рабочее давление аргона 0,3 МПа;
- ширина закаленной зоны 10-12 мм;
- длина дуги - 20 мм;
- скорость прохода по поверхности - 0,5 м/мин.
Рисунок 2. Образец из чугуна ХФ после проведения плазменной закалки, шлифования, вырезки фрагмента упрочненной поверхности
Микроструктура упрочненной зоны образца из чугуна ХФ приведена на рисунке 3(а). Распределение микроструктуры от поверхности внутрь материала следующее: ледебурит, мартенсит, остаточный аустенит, троостомартенсит, цементит, графит пластинчатый по всему сечению упрочненного слоя.
а б
Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя образца из чугуна ХФ. (а) - структура упрочненного слоя, (б) - структура сердцевины.
Микроструктура сердцевины образца из чугуна ХФ представлена на рисунке 3б: перлит пластинчатый, цементит, графит пластинчатый.
Параметры упрочненного методом плазменной закалки слоя чугуна ХФ:
глубина упрочненного слоя – 0,8…1,0 мм;
твердость упрочненного слоя – HRC 55…58;
структура упрочненного слоя – ледебурит, мартенсит, остаточный аустенит, троостомартенсит, цементит, графит пластинчатый;
твердость сердцевины – HRC 26;
структура сердцевины – перлит пластинчатый, цементит, графит пластинчатый.
Список литературы:
- Васькин К.Я., Блинов А.А., Блинов А.В. Плазменная закалка стали Х12МФ. Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. LXVIII междунар. науч.-практ. конф. № 3(63). – Новосибирск: СибАК, 2017. – С. 58-62.
- Зубанов И.Ю., Блинов А.В. Новая технология изготовления штампов ОАО «ВАЗ». Материалы региональной научной конференции. Т. 2. 2014 - С. 122.
- Коротков В.А. Опыт применения установки плазменной закалки УДГЗ-200 на предприятиях уральского региона. Автоматическая сварка. 2012. №5 (709). - С. 55-58.
- Коротков В.А. Свойства и промышленное применение ручной плазменной закалки. Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. №8 (734). - С. 3-9.
- Огин П.А., Васькин К.Я. Повышение ресурса мелкоразмерного инструмента за счет модификации изнашиваемых поверхностей при помощи оптоволоконного лазера. IV Резниковские чтения: труды междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Тольятти: ТГУ, 2015. - С. 143–145.
- Огин П.А., Мерсон Д.Л., Кондрашина Л.А., Васькин К.Я. Влияние режимов лазерной модификации на структуру, свойства и износостойкость мелкоразмерного инструмента из быстрорежущей стали Р6М5. Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 4 (34). - С. 83-88.
- Xiang Y., Yu D., Li Q., Peng H., Cao X., Yao J. Effects of thermal plasma jet heat flux characteristics on surface hardening. Journal of Materials. 2015. P. 238-246.
Loading...