Методы плазменного поверхностного упрочнения

 Установлены зависимости между параметрами плазменного упрочнения на глубину и ширину цементированного слоя.

На глубину и твердость  легированного слоя сильное влияние  оказывает толщина углеродосодержащей обмазки, эффективное расплавление которой зависит от мощности плазменной струи.

Рентгеноструктурный и  фазовый анализ сталей 45, ЗОХГСА, 40Х, 20X13, 12ХФ1, проведенный в работах Скрипкина А.А., показал, что после плазменной цементации из твердой фазы в поверхностном слое углеродистых и легированных сталей происходит сильное перераспределение легирующих элементов в упрочненном слое. В упрочненном слое, в зависимости от режимов обработки, остаточные напряжения имеют резко выраженную неоднородность. По глубине упрочненного слоя остаточные напряжения распределяются следующим образом: в оплавленной зоне (50-100 мкм) зафиксированы растягивающие напряжения, которые переходят в сжимающие во втором слое (10-20 мкм) со структурой мартенсита. В переходной зоне зафиксированы напряжения растяжения. Сильное влияние на характер распределения остаточных напряжений оказывает химический состав стали и параметры обработки

 

 

Для увеличения глубины  легированного слоя можно использовать электротермический эффект (через деталь пропускается электрический ток). Проведенные исследования на сталях 3, 20, 40, 20X13, ЗОХГСА показали, что глубина легированного слоя (углеродом) может достигать 0,6-1 мм и зависит от параметров режима упрочнения, параметров дополнительного тока (род тока, сила тока и т.д.).

Электротермический эффект можно использовать практически  во всех способах плазменного легирования, использующих плазменную струю. Важной особенностью данного эффекта является возможность легирования без  оплавления поверхности.

При использовании плазменной дуги, глубина легированного слоя в 1,5-2 раза больше по сравнению с плазменной струей, за счет электронного тока. Однако легирующие обмазки должны проводить электрический ток с целью обеспечения стабильности плазменного упрочнения в режиме дуги.

 

Азотирование.

В качестве паст, обмазок  используют азотосодержащие соли. Насту со связующей связкой наносят на поверхность изделия слоем толщиной 0,5-1,5 мм и проводят плазменный нагрев с оплавлением поверхностности. В поверхностном слое на стали 20 образуется не только α→γ твердые растворы азота в железе, но и нитрид Fе₂,N. Микротвердость легированного слоя достигает 8400-8800 Мпа.

При использовании электротермического  эффекта (ЭТЭ) глубина азотированного слоя возрастает, таб 6.                                                                                          

  табл.6.

Марка стали	Микротвердость, МПа	Глубина, мм
	Плазменное  легирование	Без ЭТЭ	с ЭТЭ
1.	2.	3.	4.
Ст.3 Сталь 10 20 45 40Х 30ХГСА	8900-9500 6700-8000 7500-9000 10500-11400 12100-14000 10500-11800	0,15-0,3 0,30-0,35 0,30-0,4 0,35-0,40 0,25-0,35 0,3-0,4	0,6 0,7-0,8 0,7-0,8 0,6-0,9 0,8-1,2 0,8-1,2

 

 

Борирование

Плазменное борирование  осуществлялось при помощи специальных активных паст на основе порошка карбида бора. Диффузионный слой на стали 20 состоит из вытянутых и ориентированных перпендикулярно поверхности боридных фаз (FеВ,Fе₃В). Толщина слоя составляет 0,1-0,180 мкм. На поверхности образуется FеВ и Fе₂В (под слоем). На стали 65Г и 45 борированные слои имеют меньшую глубину, т.к. углерод препятствует диффузии бора в железе и оттесняется вглубь, образуя карбобориды по границам зерен. Микротвердость борида FеВ 18000-20100 Мпа, а Fе₂В- 15000-16500 Мпа. При борировании возможно образование наряду с фазами FеВ и Fе₂В- β- модификации бора с микротвердостью 25000-30000 Мпа. Однако, в наших исследованиях на стали 5, 10, 20, 45, 65Г, У10 такой модификации не зафиксировано.

 

Нитроцементация. Одновременноенасыщениеповерхностныхслоев стальных изделий углеродом и азотом проводилось при помощи паст на основе (K₄Fe(CN)₆ +

графит + связующее вещество. На стали 20 глубина легированного слоя достигает 0,3-0,45 мм. Концентрация углерода в поверхностном слое может достигать 2-3%, а азота 1,5-2,1%. Количество остаточного аустенита находится в пределах (5-18%) и зависит от скорости нагрева и охлаждения. При обработке холодом остаточный аустенит почти полностью устраняется. Микротвердость на поверхности стали 20 достигает 9800-10800 МПа.

Нитроцементированный  слой на стали 45 содержит мартенсит + остаточный Аустенит. Определение остаточного  напряжения показало, что максимальные напряжения сжатия расположены на 50-110 мкм от поверхности. По всей видимости это связано с высокой концентрацией азота и углерода в поверхностном слое и как следствие этого - повышенным количеством остаточного аустенита.

Плазменное  легирование из жидкой фазы

Для насыщения поверхностного слоя углеродом или азотом обрабатываемую деталь погружают в жидкость, содержащую углерод (толуол, минеральное масло и др.) или азот (водяной раствор хлористого аммония и др.)

 Был исследован процесс азотирования из жидкой фазы (водный раствор хлористого аммония) на образцах стали 20, 45, 50, 9ХФ, 38ХНМЮЛ.

Установлено, что процесс  азотирования наблюдается только при  оплавлении поверхности.

Азотированный слой на стали 20 представляет собой белую плохо  травящуюся полоску карбонитридного состава, содержащую ≈ 4 % азота, ≈ 1,5 углерода, ≈ 10-15% остаточного аустенита. Содержание остаточного аустенита на стали 20 возрастает с увеличением длительности насыщения и концентрации азота в растворе.  

 

Комбинированные способы плазменного легирования

 

К комбинированным способам плазменного легирования относятся  способы плазменного легирования (твердая фаза + жидкая фаза; твердая  фаза + жидкая + газовая фаза и т.д.)

Плазменное  легирование из жидкой, твердой и  газовой фазы

Исследования проводились на стали 20, 45. В качестве жидкой среды использовался водный раствор соли аммония (различной концентрации), газовые среды (азот и пропан, СО₂), пасты (углеродосодержащие, азотосодержащие).

Азотирование Проведенные исследования показали, что увеличение концентрации азота в зоне обработки приводит к повышению содержания азота в поверхностных слоях, следствием чего является увеличение глубины слоя и микротвердости, табл. 2.16. Микроструктура слоя после комплексного легирования такая же, как и после простого азотирования из газовой и твердой фазы. Непосредственно на поверхности образуется насыщенная азотом нетравящаяся ε – фаза, за ней переохлажденная γ – фаза, под которой находится азотистый мартенсит.

Нитроцементация. Особенностью комбинированного способа нитроцементации при плазменном упрочнении является повышенная концентрация азота и углерода. Слой наибольшей твердости и глубины получается при комбинации: плазмообразующий газ (азот 100 %) + азотоуглеродосодержащая паста.

Глубина диффузионного  слоя на стали 20 составляла 0,6-1,1 мм, микротвердость 11000-12500 Мпа. Микротвердость повышается при увеличении скорости нагрева. Нагрев с большей скоростью уменьшает время, в течении которого азотоуглеродосодержащая паста находится в расплавленном состоянии, что увеличивает концентрацию активных атомов углерода и азота на границе раздела: насыщенная среда - поверхность металла. Однако, концентрации азота и углерода приводит к увеличению остаточного аустенита (от 2,5 до 10 % на стали 20), что снижает микротвердость. Глубина диффузионного слоя на стали 45 составляла 0,65-0,8 мм., а микротвердость 11200 -13000 Мпа. Содержание остаточного аустенита увеличивается  при повышении скорости обработки (от 8 до 15 %). Нитроцементированный слой на стали 45 после легирования по структуре аналогичен процессу нитроцементации, описанному выше.

 

 

 Табл. 7.

Марка стали	Вариант легирования		Глубина слоя, мм				Микротвердость, Мпа
			Легированного		Общая
1		2		3		4		5
Сталь 20		1.                    Плазмообразующий газ азот (100%) (без оплавления 2.                    Плазмообразующий газ азот (100%) + 90% водный раствор хлористого аммония (без оплавления) 3.                    Плазмообразующий газ азот (100%)+90% водный раствор хлористого аммония (с оплавлением) 4.                    Плазмообразующий газ азот (60%) + аргон (40%) +азотосодержащая паста   (с оплавлением) 5.                    Плазмообразующий газ азот (100%) + 50% водного раствора хлористого аммония +азотосодержащая паста ( с оплавлением) 6.                    Плазмообразующий газ аргон (100%)+ 50% водного раствора хлористого аммония +азотосодержащая паста (с оплавлением) 7.                    Плазмообразующий газ аргон (100%)+ азотосодержащая паста (с оплавлением)		0,3-0,35   0,35-0,55     0,6-0,8     0,6-0,8       0,75-0,1           0,75-0,1           0,6-0,8		0,7   0,9     1,8     2       3           1,2           2		8100-8200   8300-9400     8800-12000* (пористая поверхность)   7200-8800       9100-11300* (пористая поверхность)       8800-9500           8800-9200

Эффект «азотного  кипения»

Многокомпонентное насыщение (N,С,В,Сг,V,Тi,W,Ni и др.)

Плазмообразующий газ (60 % азота +10% пропана + 30 % аргона) + боросодержащая паста (режим с оплавлением поверхности). В оплавленной зоне на стали 45 ближе  к поверхности расположен слой, содержащий бориды ( FеВ,Fе₃В), глубиной 10-50 мкм, под ним располагается слой содержащий нитрид Fе₂N, карбонитрид Fе₂(СN), азотистый мартенсит, остаточный аустенит (10 %) глубина слоя 0,2-0,3 мм.

Плазменное легирование  стали 20 карбидами (порошки) + плазмообразующий газ (60 % азота, 40 % аргона) в режиме оплавления поверхности показало, что в упрочненном слое образуются диффузионные слои сложного состава. Так, при использовании карбида титана, в диффузионном слое образуется нитрид титана, карбид титана, интерметаллид Fе2Т₁, оплавленная зона состоит из α- твердого раствора на основе железа и α- титана. При легировании WC (порошок) + (порошок) + плазмообразующий газ (аргон 90 % + 10 % пропана) упрочненный слой имеет композитное строение.

Предварительное нанесение  нитрида титана на поверхность стали 20 с последующей плазменной обработкой азотной струей (без оплавления поверхности) увеличивает глубину диффузионного слоя на 30-50 % и микротвердость на 40-50 %.

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.  

 

 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. Природа образования внутреннего отпущенного слоя аналогична случаю плазменного упрочнения предварительно закаленных сталей.

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 

Z_ТВЧ› Z_П.З. › Z_Л.З. , d_ТВЧ › d_П.З. › d_Л.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.                            

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, Кроме того, 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.