Первая зона (глубиной до100-120 мкм) является зоной легированной углеродом, с микротвердостью 8400-9200 Мпа. Структура не вытравливается.
Вторая зона глубиной до 50-100 мкм) является зоной закалки из твердой фазы,
Структура - мартенсит и остаточный аустенит. Микротвердость по глубине распре делена неравномерно, т.к. в этой зоне имеются структуры полном (ближе к легированной зоне) и неполной (нижняя граница зоны) закалки.
Рис. 2.38 Распределение микротвердости по глубине
легированного слоя (а), рентгенограмма
легированного слоя на стали 20 (б)
Третья зона - переходная зона, образовавшаяся при нагреве ниже точки Ас3.
Рентгеноструктурным анализом, рис. 2.38. выявлены, наряду с линиями γ - фазы и цементита линии смеси α- фазы и цементита. Средняя концентрация углерода в легированном слое составляет ≈ 3,5 %, количество остаточного аустенита (10-12 %).
При плазменной цементации возможно получить слой не только с легированной аустенитно-мартенситной структурой., но и слой со структурой белого чугуна [26]. Структура белого чугуна была получена на стали 20. Нагрев и выдержка при температуре 500° С не выявил снижение микротвердости, которая осталась на уровне 6500-8000 Мпа.
В работах [26, 44, 45] установлены зависимости между параметрами плазменного упрочнения на глубину и ширину цементированного слоя, рис. 2.39., 2.40.
Рис. 2.39. Влияние скорости обработки
на глубину и ширину цементированной зоны.
Рис. 2.40. Зависимость глубины цементированной зоны
от мощности плазменной струи.
На глубину и твердость легированного слоя сильное влияние оказывает толщина углеродосодержащей обмазки, эффективное расплавление которой зависит от мощности плазменной струи, рис. 2.41.
Рис. 2.41. Влияние толщины углеродосодержащей пасты
на мощность 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.
Рис. 2.42. Влияние дополнительного тока,
пропускаемого через деталь
на глубину легированного слоя стали 20
при плазменной цементации.
1. Р=2кВ; 2. Р=3кВ; 3. Р=4кВ; 5. Р=6кВ; 6. Р=8кВ
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.), рис. 2.42.
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, табл. 2.15.
табл. 2.15.
|
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 +
|
Рис. 2.43.Распределение остаточных напряжений по глубине нитроцементированного слоя стали. 1 – сталь 20 2 – сталь 45 |
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
Подробно процесс плазменного упрочнения в жидких средах рассмотрен в работе [25], где указывалось на возможность химико-термического упрочнения при использовании различных насыщающих жидкостей (углеродосодержащих, азотосодержащих и т.д.), рис. 2.44.
Рис. 2.44. Влияние среды на степень упрочнения стали 45
1. исходная твердость до упрочнения
2. плазменное упрочнение на воздухе
3. плазменное упрочнение в 80% растворе хлористого аммония
4. плазменное упрочнение в воде
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.)
В работе [25] 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, рис. 2.45.
Рис. 2.45. Влияние мощности плазменной струи на микротвердость стали 20.
I. закалка без оплавления
II. закалка с оплавлением
III.Плазменное легирование из жидкой фазы.
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
|
|
Рис. 2.46. Влияние среды на степень упрочнения на стали 3.
1. исходная твердость
2. плазменное упрочнение на воздухе
3. плазменное упрочнение в воде
4,5. плазменное упрочнение в солевом растворе NaCO (без оплавления и с оплавлением соответственно)
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18
