Влияние параметров режима обработки на структуру и характеристики упрочненной зоны

Основной физической характеристикой поверхностного упрочнения высококонцентрированными источниками нагрева является температурное поле. Эта характеристика позволяет определить температуру материала в любой точке зоны термического воздействия (ЗТВ) в различные моменты времени, скорость нагрева и охлаждения, длительность пребывания разогретого металла ЗТВ в заданном интервале температур в зависимости от параметров режима обработки и теплофизических характеристик обрабатываемого материала.

Основной отличительной особенностью методов поверхностного упрочнения высококонцентрированными источниками нагрева является возможность получения скоростей нагрева и охлаждения материалов, на несколько порядков превышающих значения, характерные для традиционных методов упрочнения (печной закалки, закалки ТВЧ, газоплазменной закалки и др ), что способствует получению упрочненных слоев с недостигаемым ранее уровнем эксплуатационных свойств.

В процессе многочисленных исследований установлено, что скорость охлаждения поверхностного слоя металла, структура и свойства упрочненной зоны определяются в первую очередь степенью локализации ввода тепла в обрабатываемое изделие (в пятно нагрева). От этого зависят и такие важные для практики факторы, как величина остаточных напряжений и деформаций, необходимость применения дополнительных охлаждающих сред, производительность обработки, технико-экономические показатели. В общем случае порядок величины скорости охлаждения (°С/с) практически соответствует порядку величины концентрации тепловой мощности (Вт/см²) источника. Основные характеристики локальных источников нагрева для поверхностного упрочнения приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные технико-экономические характеристики источников нагрева

Уравнение процесса распространения тепла в массивном полубесконечном теле от мощного быстродвижущегося нормально распределенного источника нагрева, каким является плазменная струя, имеет вид:

где Т — температура нагрева °С; у, z — ширина и глубина пятна нагрева, мм; t— время, с; Т₀ — начальная температура тела, °С; q — эффективная мощность плазменной струи, кал/с; l — коэффициент теплопроводности, кал/см•с•°С; u — скорость перемещения источника (скорость обработки), м/ч; a — коэффициент температуропроводности, см²/с

Мгновенная скорость охлаждения

Для практического определения температуры Т и скорости W в зависимости от параметров режима нагрева и конструкции плазмотрона необходимо решить систему уравнений (4) и (5). Регулирование характеристик термического цикла возможно в достаточно широких пределах. Так, температура нагрева регулируется в интервале от начальной температуры до температуры плавления, скорость охлаждения — от 10⁴ до 10⁶°С/с, что соответствует условиям обработки высококонцентрированными источниками нагрева.

Опыт использования плазменного упрочнения показывает, что термический цикл нагрева и охлаждения материалов наиболее удобно варьировать изменением таких параметров режима, как ток дуги I_д и скорость перемещения плазмотрона u_п при постоянном оптимальном уровне других параметров (расход плазмообразующего газа Qг и охлаждающей воды Qв, расстояние от среза сопла до обрабатываемой поверхности).

В процессе исследования характера влияния скорости перемещения плазмотрона на твердость упрочненной зоны ряда сталей установлено, что при снижении скорости uп ниже наименьшего (порогового) значения для каждого материала обрабатываемая поверхность оплавляется. Для различных сталей пороговые значения неодинаковы.

С повышением содержания углерода эти значения возрастают. При этом увеличиваются и максимальные значения твердости упрочненной зоны.

Важное практическое значение имеет характер зависимости размеров упрочненной зоны от параметров режима плазменной обработки. Для различных сталей он устанавливается применительно к конкретной конструкции плазмотрона и соответствующим условиям обработки.

Теплофизическими особенностями плазменного воздействия на материалы (очень большие скорости нагрева и охлаждения, высокая температура нагрева, малая длительность пребывания нагреваемого материала в интервале температур, превышающих критические) обусловливаются отличительные признаки фазовых и структурных превращений, и, следовательно, характер сформировавшихся структур при плазменном упрочнении в сравнении с традиционными способами общей (печной) и поверхностной термической обработки (закалка ТВЧ, газопламенная закалка и др.). Важнейшей отличительной особенностью структур, сформировавшихся при плазменном упрочнении, как и при других способах обработки высококонцентрированными источниками нагрева, является высокая степень дисперсности мартенсита, которая и определяет комплекс эксплуатационных характеристик.

Металлографический анализ упрочненных сталей с использованием оптической и электронной микроскопии показал, что зона термического воздействия плазменной струи имеет форму сегмента и по своему строению аналогична ЗТВ электронного и лазерного лучей. При обработке без оплавления она состоит из закаленной зоны, в которой произошли мартенситные превращения, и пограничной (переходной к исходному материалу). При обработке с оплавлением возникает дополнительная поверхностная зона оплавления (закалка из жидкого состояния).

Независимо от состава стали, микроструктура закаленной зоны представляет собой весьма однородный высокодисперсный мартенсит + остаточный аустенит + карбиды. Формирование такой структуры обусловлено малыми размерами аустенитных зерен, образовавшихся при высокоскоростном плазменном нагреве. Малый размер аустенитного зерна можно объяснить следующим образом. Несмотря на очень высокие температуры нагрева при оптимальных режимах обработки, близкие к температуре плавления, рост зерна аустенита, а также его гомогенизация не происходят из-за чрезвычайно малой длительности пребывания металла при данной температуре и последующего резкого охлаждения. По этим же причинам задерживается и растворение карбидов. Здесь также сказывается и повышение температуры начала a®g-превращений при плазменном нагреве на 100—150°С, обусловленное высокой скоростью нагрева (более 10⁴°С/с).

Повышение степени дисперсности закаленной структуры при лазерном и плазменном упрочнении обусловлено достижением высокой степени тетрагональности мартенсита, плотности дислокаций, а также измельчением реек и пластин мартенсита. Наряду с этим важное значение имеет и повышенное содержание остаточного аустенита в структуре закаленной зоны, особенно в подповерхностных слоях. Например, на стали ШХ15СГ оно достигает 75%. Наличие такого большого количества остаточного аустенита можно объяснить повышенным содержанием углерода в твердом растворе поверхностных слоев закаленной зоны по сравнению с сердцевиной. По мере продвижения в глубь ЗТВ содержание остаточного аустенита снижается.

Микроструктура пограничной зоны зависит от исходной структуры упрочняемого материала. Для доэвтектоидных сталей с исходной ферритно-перлитной структурой и заэвтектоидных сталей с перлитно-цементитной структурой в пограничной зоне наблюдаются участки избыточных фаз, представляющих собой для указанных сталей соответственно феррит и цементит. Наличие избыточных фаз объясняется реализацией в пограничной зоне превращений из межкритического интервала температур. Дисперсность этих фаз в направлении от закаленной зоны к исходной структуре снижается. В эвтектоидных сталях с исходной перлитной структурой протяженность пограничной зоны очень мала, избыточные фазы здесь практически отсутствуют, дисперсность мартенсита на границе с исходной структурой несколько ниже, чем в центре закаленной зоны.

Высокая микротвердость в закаленной зоне обусловлена также наличием значительных остаточных термических и структурных напряжений. При плазменном упрочнении сталей ШХ15СГ, 8ХФ и 45 было установлено, что остаточные напряжения распределяются по глубине и ширине ЗТВ так, как показано на рис. 15.

За пределами закаленной зоны напряжения сжатия на поверхности переходят в напряжения растяжения. На расстоянии 1 мм от края зоны они составляют 115МПа. При упрочнении с перекрытием ЗТВ в зоне перекрытия на поверхности также возникают напряжения растяжения, равные 30— 80МПа. Наличие больших напряжений сжатия является важным фактором, указывающим на возможность повышения работоспособности деталей после упрочнения, в первую очередь, деталей, эксплуатируемых при контактных и знакопеременных нагрузках.

Плазменная обработка может эффективно применяться для упрочнения не только деталей из стали, но и из чугуна. В этом случае широко используются в основном способы плазменного упрочнения с оплавлением рабочей поверхности, обеспечивающие создание на ней отбеленного слоя с дисперсной дендритной структурой. При этом скорость охлаждения расплава составляет примерно 10⁴ °С/с, что и обусловливает высокую степень дисперсности закристаллизовавшейся структуры. Расстояние между вторичными дендритами в зависимости от параметров режима обработки изменяется в предела: 2—5 мкм. Глубина расплавления и микротвердость также зависят от параметров режима oбработки.