Методы плазменного поверхностного упрочнения

 

Оценка трещиностойкости материалов после плазменного упрочнения, установление характера разрушения для различных вариантов упрочнения позволило авторам [9] разработать комплексную технологию упрочнения сталей 45, ЗОХГСА, 9ХФ, У8, 75Х2МФ, 150ХНМ, обеспечивающую получение высоких механических свойств, износостойкости и трещикостойкости, табл.9

Высокий комплекс механических свойств, а также повышение трещиностойкости и износостойкости получается при использовании комплексного упрочнения

(деформация + плазменная

закалка), .

Повышение механических свойств после плазменного упрочнения обусловлено образованием

высокодисногоогомартенсита в упрочненном слое.

Увеличение степени  дисперсностимартенсита и микротвердости является одной из главных причин повышения трещиностойкости и износостойкостипосле такой комплексной обработки.

Комплексная обработка, включающая в себя закалку ТВЧ + плазменную

закалку + лазерную закалку,

позволяет регулировать эксплуатационные свойства упрочненных деталей, табл.10.                                                                                                                       

 Табл.10.

Результаты испытаний образцов из стали У8 комплексного упрочнения

(температура  испытаний 250º С)

Технология  упрочнения	σ02 МПа	σв МПа	δ %	φ %	КС МДж/м2	К1сД Мпа/м1/2
1	2	3	4	5	6	7
1. Закалка и отпуск + (250º С)+ плазменная закалка 2. Закалка ТВЧ + плазменная закалка + лазерная закалка 3. Закалка ТВЧ + плазменная  закалка + лазерная закалка + отпуск 180º С  250º С  300º С  400º С	980   1150     1200 1020 900 700	1300   1510       1580 1390 1080 920	6,2   7,8     7,9 7,1 6,2 5	29   38       40 38 30 25	0,058   0,062       0,064 0,058 0,052 0,048	7,8   8,9       9,2 8,2 6,4 4,8

К числу важных эксплуатационных свойств, определяющих область применения плазменного упрочнения, относится  усталостная прочность. На сопротивляемость усталости материалов, после плазменного  упрочнения, большее влияние оказывают параметры режима упрочнения. Параметры режима упрочнения определяют: величину и знак остаточных напряжений, дисперсность микроструктуры и т.д.

Известно, что наличие  высоких сжимающих остаточных напряжений в закаленной зоне оказывает положительное влияние на усталостную прочность.

Однако высокая хрупкость  мартенсита в закаленном слое может  являться причиной преждевременного разрушения при многоцикловом погружении.

Проведенные исследования и анализ литературных данных, показали, что плазменное, лазерное и электронно-лучевое упрочнение значительно увеличивают усталостную прочность деталей, работающих в условиях циклического нагружения.

Испытания на усталость  при изгибе с кручением коленчатых валов (сталь 45) после плазменного упрочнения показали, что предел усталости по началу трещинообразования (60 МПа) у не упрочненных также (60 МПа) и на разрушение (130Мпа против 120Мпа).

Плазменное азотирование из газовой: фазы стали 20 также позволило  повысить предел выносливости на 40-60 %, по сравнению с исходным материалом .

Плазменная нитроцементация  стали 20 также повышает предел выносливости на 40-60 %, по сравнению с исходным материалом. Исследования показали, что  предел выносливости стали сильно зависит  от режимов упрочнения, т, к. от них зависит величина остаточных сжимающих напряжений на поверхности, содержание азота и углерода в упрочненном слое. Установлено, что нитроцементированный слой постоянной глубины, но с разным содержанием остаточного аустенита имеет разные значения предела выносливости. В стали 20 повышение содержания остаточного аустенита с 5 % до 12%, при постоянной глубине нитроцементированного слоя , увеличивает значение предела выносливости на 10-20 %. Плазменная нитроцементация стали 20 повышает предел выносливости, по сравнению с простой плазменной закалкой.

Исследование пластичности диффузионных слоев на стали 20 показали, что наибольшей пластичностью обладает малоазотистая фаза, соответствующая твердому раствору на базе нитрида Fе₄N , а также карбонитридная фаза Fе₃(NС).

Как уже отмечалось выше, основная цель поверхностного упрочнения - повышение износостойкости деталей  машин и инструментов.

Формирование изнашиваемой поверхности происходит в результате суммирования различных по интенсивности  и видам элементарных актов разрушения и изменений механических, физико-химических свойств материала, а также под воздействием внешних факторов (среда, температура, давление и т. д.). Совокупность явлений в процессе трения определяет вид изнашивания и его интенсивность. При назначении поверхностной упрочняющей обработки (с целью повышения износостойкости) необходимо установить причину изнашивания.

Под термином изнашивание  понимают разрушение поверхности твердого тела, проявляющиеся в изменении  его размеров или форм. Элементарные виды разрушения поверхностей трения: микрорезание, царапанье, отслаивание, выкрашивание, глубинное выравнивание, перенос материала, усталостное разрушение. Реализация элементарных видов разрушения на поверхностях трения возможно только при наличии следующих факторов: пластической деформации, повышенной температуры и химического действия окружающей среды

 

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 [7-60] образцов стали 20, 45, 40Х, ЗОХГСА, прошедших плазменную закалку (без оплавления) представлены в табл.11.                                                                                                                                     

 Табл11.

Результаты  испытаний на износостойкость стали 40Х

Вид обработки	Ny	Nкр	fтр	S, мм2	I*103 мм2/м
Плазменная закалка	415	5	0,28	13,8	0,69
Закалка ТВЧ	360	14	0,40	17,9	1,98
Ny – общее число; Nкр – число циклов до приработки; fтр – 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 (испытание на машине СМУ-2).

Износостойкость нитроцементированного  слоя на сталях 20, 45 в условиях сухого трения возрастает по сравнению с объемной ХТО.

Дополнительная обработка холодом 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.

Из всех видов изнашивания, встречающегося в промышленности, наиболее часто проявляется абразивный износ. Согласно [55-61] 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: [60] 

- 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.

 

Табл.12.

Сравнительные испытания на износостойкость пар  трения шарик-цилиндрический образец

Износ
Способ упрочнения марки стали, образца	Линейный, мкм		По массе, мг		Суммарный
	образец	ширина	образец	ширина	Линейный, км	По массе, мг
1	2	3	4	5	6	7
1. Электронно-лучевое  упрочнение, 40Х	2,01	56,20	1,58	0,19	58,21	1,77
2. Лазерное  упрочнение  40Х  45	2,22 2,31	58,10 58,90	1,63 1,69	0,25 0,28	60,32 61,21	1,88 1,97
3. Плазменное  упрочнение40Х 45	2,30 2,38	57,90 59,01	1,69 1,72	0,26 0,28	60,20 61,39	1,95 2,00
4. Закалка ТВЧ  40Х 45	2,45 2,54	59,90 61,87	1,72 1,84	0,30 0,39	62,35 62,41	2,02 2,23
5. Объемная  закалка 40Х 45	23,00 26,21	24,50 26,01	12,70 14,52	0,03 0,04	47,50 52,22	12,73 14,56
6. Азотирование 20	12,64	85,40	3,10	1,12	97,04	4,22
7. Цементация 20	10,60	52,17	3,75	0,26	62,67	4,01

 

  Результаты испытаний сильно зависят от режимов испытаний на абразивный износ.