Кроме того, для нахождения максимальной глубины закалки можно использовать выражение Z = √4аt, где а - температуропроводность материала, которое определяет глубину проникновения тепловой энергии в металл за время t.
Степень упрочнения (отношение закаленной структуры к исходной) определяют при помощи измерения микротвердости. Твердость тонких слоев, толщиной менее 0,5 мм., измерять по шкале HRC нельзя, т.к. алмазный конус может проникнуть на глубину, превышающую толщину упрочненного слоя и показывать твердость низлежащих областей. Характер распределения микротвердости по глубине и ширине и ширине зоны плазменного воздействия показан на рис. 2.17. Размеры зоны зависят не только от параметров плазменного упрочнения, но и от особенностей фазовых структурных превращений (в сталях различного состава) и их прокаливаемости.
Рис. 2.17. Общий характер микротвердости по глубине /а/ и ширине /в/ зоны
термического воздействия ЗТВ при обработке без оплавления Zзз – глубина закаленного слоя;
Zпз – глубина переходного слоя; Zзтв – общая глубина ЗТВ; Взз – ширина закаленного слоя;
Впз – ширина переходного слоя; Взтв – общаа ширина ЗТВ
Многочисленные металлографические исследования структур, полученных в результате плазменного, лазерного и электронно-лучевого упрочнения, приведенные
в работах [1, 9, 10, 15, 16, 23-26] позволяют изложить общие закономерности их образования в различных железоуглеродистых сплавах.
Конструкционные углеродистые стали (доэвтектоидные)
В зоне оплавления низкоуглеродистых сталей с содержанием С<0,3 % образуется мелкоигольчатый малоуглеродистый мартенсит. Микротвердость в этой зоне составляет (5000 - 6500 Мпа) и зависит от содержания углерода в стали. Зона закалки из твердой фазы характеризуется большей структурной неоднородностью. Сохранение в структуре зоны плазменного нагрева исходного феррита создает значительную неоднородность микротвердости. С увеличением содержания углерода в стали увеличивается доля перлитной составляющей и, как следствие этого, микротвердость возрастает и ее распределение более однородно, см.табл. 2.6., 2.7.
В переходной зоне ферритная составляющая, в основном, полностью сохраняется. Присутствие феррита может отрицательно влиять на некоторые эксплутационные характеристики стали (износостойкость, усталостную прочность), В связи с этим, плазменное упрочнение целесообразно использовать для сталей, где влияние ферритной фазы незначительно.
Однако обращает на себя внимание достаточно высокая твердость закаленного слоя на низкоуглеродистых сталях (5000 - 6000 МПа), что в обычных условиях стандартной термической обработки не достигается (закалка либо вообще не про-мсходит, либо не дает такой высокой твердости), рис. 2.18. По мнению [1, 15, 16], о6ъясняется значительным изменением зерен феррита и аустенита, а также реек, пластин и пакетов мартенсита.
Табл. 2.6.
Результаты плазменного упрочнения сталей (без оплавления поверхности)
|
Марка стали |
Глубина закалки, мкм |
Исходная микротвердость Н, МПа |
Микротвердость после закалки, Н, МПа |
||
|
|
|
Феррит |
Перлит |
Бывшие перлитные зерна |
Феррит |
|
0,8 10 20 35 40 45 60 У8 30ХГСА 40Х |
80 85 100 110 110 120 140 200 200 200 |
1200-1300 1300-1400 1200-1300 1800 1800 1900 2000 - - - |
2000 2000-2200 2200 2300-2400 2300-2400 2400-2500 2500 6200 3400 2300-2500 |
2800-3000 5800-6000 4800-5300 5000-5600 6000-7100 7800-8600 9000-10500 10900-11300 6000-7500 10500-11200 |
1600 1500-1600 1600 2500-2700 2500 2600 - - - - |
Табл. 2.7.
Результаты плазменного упрочнения стали
(с оплавлением поверхности)
|
Марка стали |
Микротвердость Н, МПа |
|
|
Зона закалки из жидкой фазы |
Зона закалки из твердой фазы |
|
|
10 35 4510 40Х 30ХГСА У8 |
4000-4400 5000-5700 7000-8000 8500-9000 6200-7900 8800-9000 |
5800-6500 7100-7500 7800-8600 9600-10500 7100-8200 10200-11200 |
Рис. 2.18. Микротвердость доэвтектоидных сталей после
обычной и плазменной закалки.
1- исходная без закалки; 2-обычная закалка; 3 - плазменная закалка
При увеличении содержания углерода до 0,6° - 0,7 % в среднеуглеродистых сталях твердость мартенситной
структуры резко возрасает. Так в стали20микротвердостьмар-
тенсита составляет 6000 Мпа, а в
стали 45 - 8000 Мпа. Объясняется это тем, что твердость мартенсита растет с повышением содержания углерода и увеличением степени тетрагональности кристаллической решетки. При
закалке с оплавлением стали 45 в
зоне оплавления образуется мел-
кодисперсный реечный мартенсит
Зона закалки без оплавления состоит из верхней областис однородной структурой и нижней области с неоднородной структурой (мертенситотростит +мартенсит + троститная сетка).+ троститная сетка). В переходной зоне образуется троститоферритная структура, переходящая на границе с исходной структурой в ферритную. Микротвердость по глубине упрочненного слоя показана на рис.2.19.
При плазменном упрочнении без оплавления поверхности среднеуглеродистых сталей область более однородного мартенсита отсутствует и троститферритная сетка вокруг мартенсита может доходить до поверхности, что приводит к снижению твердости. Это связанно с частичной гомогенизацией аустенита.
Инструментальные стали /эвтектоидные, заэвтектоидные/
По химическому составу инструментальная сталь разделяется на углеродистую, легированную и высоколегированную /быстрорежущую/. В особую группу можно выделить штамповые и валковые инструментальные стали.
Плазменному поверхностному
упрочнению подвергались
инструментальные углеродистые
сталиУ7, У8, У10, У12 с оплавлением и безоплавления
Рис. 2.20. Распределение микротвердости по глубине упрочнения
поверхностности. При закалке с оплавлением поверхности в зонезакалки из жидкой фазы, кроме мелкодисперсного мартенситазафиксировано большее количество остаточного аустенита /в стали У8 достигает 35%, в стали У12 – 50%.
В тоже время микротвердость Инструментальных сталей после плазменной закалки очень высокая, рис. 2.20.
В зоне закалки из твердой фазы закаленный слой имеет ярко выраженную неоднородность. Ближе к обрабатываемой поверхности твердый раствор насыщен углеродом, что способствует образованию повышенного количества аустенита. В нижней границе слоя остаточного Рис.2.21. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя стали У10 после плазменного упрочнения с различным исходным состоянием.
аустенита значительно меньше, вследствие чего достигается максимальная твердость. Кроме того, в нижней границе слоя наблюдается большее количество нерастворенных карбидов.
Большое значение для получения высокой твердости оказывает исходное состояние стали. Так, в стали У8, У10 (предварительно объемно закаленной) становится возможным бездиффузионное обратное мартенситное превращение с наследованием аустенитной дефектной структуры мартенсита при полном торможении в процессе плазменного нагрева эффектов разупрочнения и рекристаллизации, рис. 2.21.
При упрочнении, без оплавления предварительно закаленной стали (У 10) с исходной структурой мартенсита в зоне нагрева появляется третий слой - слой отпуска (высокодисперсная структура тростита). Микротвердость слоя отпуска со структурой тростита составляет 4000-4300 Мпа. Формирование зоны отпуска на границе закаленного слоя с исходной структурой может играть роль «мягкой» прослойки, способной тормозить развитие трещин, распространяющихся от поверхности .
Легированные инструментальные стали
Плазменному упрочнению подвергались стали 9ХФ, 9ХФМ, 9ХС, 9Х5ВФ, 6ХС, 55Х7ВСМФ, 7ХНМА, 8Н1А, ИХ, 13Х, ХВГ с оплавлением и без оплавления поверхности.
При упрочнении без оплавления поверхности в зоне оплавления возникает мелкодисперсная структура высокоуглеродистого мартенсита и остаточного аустенита. Вследствие высокой скорости плавления и кристаллизации, в зоне оплавления наблюдаются нерастворенные карбиды. Высокая легированность мартенсита в зоне оплавления обеспечивает большие значения микротвердости (12000-14000 Мпа). Однако, в большинстве случаев в зоне оплавления появляются микротрещины, что приводит к сколу и выкрашиванию упрочненного слоя.
Плазменное упрочнение без оплавления поверхности легированных инструментальных сталей приводит к формированию в упрочненной зоне сильно неоднородной структуры. Вследствие незавершенности процессов аустенизации в упрочненном слое образуются мартенсит + нерастворенный цементит + остаточный аустенит. (Так в стали 9ХФ и 9ХФМ количество остаточного аустенита достигает 35 %, а в стали 55Х7ВСМФ до 40 %. Количество остаточного аустенита по глубине упрочненной зоны уменьшается и уже на глубине 80-100 мкм не превышает его содержание в данной стали при обычной объемной закалке.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18
