Full Text

Современная промышленность предъявляет повышенные требования к работоспособности изделий и свойствам материалов, из которых они изготовлены. Решение вопросов повышения надежности, экономичности и ресурса выпускаемых деталей и узлов машин, агрегатов, ответственных конструкций требует применения материалов, способных работать в различных агрессивных средах, в условиях высокого перепада температур и давлений, повышенных вибраций при переменных контактных, ударных, статических нагрузках и т.д. [1, 2]. Многие параметры изделия в основном определяет состояние поверхностного слоя материала, из которого оно изготовлено. Для изготовления ответственных, тяжелонагруженных конструкций (тяжелонагруженные валы, зубчатые колеса, коленчатые валы, шатуны и другие детали автомобиле- и станкостроения) используется качественная сталь 38Х2Н2МА - конструкционная хромоникельмолибденовая легированная [3]. Химический состав и механические свойства стали приведены ниже. Химический состав стали 38Х2Н2МА: Содержание элементов, % C Si Cu Mn Ni P Cr Mo V Ti 0,33-0,40 0,17-0,37 0,30 0,25-0,50 1,30-1,70 ≤0,025 1,30-1,70 0,20-0,30 ≤0,03 0,03 Механические свойства стали 38Х2Н2МА: предел прочности σB = 1080 МПа; предел текучести σт = 930 МПа; относительное удлинение δ = 12 %; относительное сужение ψ = 50 %; ударная вязкость KCU = 780 кДж/м; твердость по ГОСТ 4543-71 HB 26. Сталь 38Х2Н2МА относится к категории улучшаемых сталей. Закалку таких сталей обычно проводят в масле в сочетании с высоким отпуском. Температура закалки составляет 820-850 °С. Температура отпуска составляет 550-650 °С. После термообработки стали рассматриваемой группы имеют структуру сорбитного типа, хорошо воспринимающего ударные нагрузки. Для полученной структуры характерно существенное повышение предела прочности при растяжении и ударной вязкости и почти полное (90-95 %) устранение всех внутренних напряжений. Наличие молибдена в рассматриваемой стали позволяет достичь уменьшения отпускной хрупкости в два раза. Данная сталь после улучшения обладает большим запасом вязкости при пониженной температуре эксплуатации [4]. Сталь теплоустойчивая, обеспечивает высокую работоспособность конструкций при вибрационных и динамических нагрузках в диапазоне температур -70…+450 °С. Многие детали из улучшаемых сталей работают в условиях поверхностного износа. Сопротивление износу обеспечивает высокая твердость, но после высокого отпуска твердость стали составляет 26-28 HRC. Повышение твердости поверхностного слоя при уникальных характеристиках сердцевины позволит существенно повысить эксплуатационные характеристики изделий и расширить области применения стали 38Х2Н2МА. При выборе технологии поверхностной термообработки необходимо помнить о пониженной обрабатываемости резаньем. Оптимальным вариантом является финишное упрочнение, после которого не требуется механическая обработка поверхностного слоя. Целью работы являлся поиск технологии финишной поверхностной закалки стали 38Х2Н2МА без оплавления поверхностного слоя. Большие возможности для достижения поставленной цели имеются у плазменной поверхностной термической обработки. Наибольшее распространение для финишного поверхностного упрочнения получила плазменная обработка непереносной дугой (плазменной струей) [5]. При определенных преимуществах (плазменная струя электрически не связана с обрабатываемым изделием, что существенно расширяет диапазон обрабатываемых материалов, возможность обработки без подплавления поверхностного слоя) такая технология имеет ряд существенных недостатков (низкий эффективный КПД нагрева поверхности, высокая тепловая нагрузка на плазмотрон; невысокие скорости нагрева и охлаждения поверхности изделия, необходимость применения специализированных источников питания с повышенным напряжением холостого хода) [6-8]. Плазменная поверхностная термическая обработка дугой прямого действия позволяет повысить производительность обработки и в широких пределах регулировать глубину упрочненного слоя. При работе плазмотрона на токе прямой полярности распределение мощности по пятну нагрева подчиняется закону нормального распределения Гаусса. При таком распределении максимальная мощность сосредоточена в центре пятна нагрева и при достаточных значениях тока дуги вызывает подплавление обрабатываемой поверхности, что при финишной обработке недопустимо. В отличие от плазменной дуги прямой полярности плазменная дуга обратной полярности характеризуется более равномерным распределением тепловой мощности по поверхности изделия. Достигается это следующим образом: при работе плазмотрона в режиме дуги прямого действия обратной полярности обрабатываемое изделие является холодным катодом, а дуга относится к типу дуг с нестационарными катодными пятнами, блуждающими по его поверхности. Одной из отличительных особенностей нестационарных пятен является кратковременность их существования и большая плотность тока в них (j » 105-106 A/cм2), при этом удельные тепловые потоки достигают значений q » 106-107 Вт/см2, таким образом получаются необходимые для поверхностной закалки скорости нагрева и охлаждения [9]. Задачей первого этапа работы было определение режимных параметров финишного упрочнения методом плазменной поверхностной закалки без оплавления поверхности дугой прямого действия на токе прямой и обратной полярности, обеспечивающих упрочнение изделий из стали 38Х2Н2МА. Следующей задачей было определение оптимального варианта плазменной поверхностной закалки с точки зрения получения наилучших характеристик закаленного слоя при отсутствии его подплавления. В качестве рабочего инструмента использовался универсальный плазмотрон, разработанный на кафедре сварочного производства, метрологии и технологии материалов Пермского национального исследовательского политехнического университета. Плазмотрон обеспечивает устойчивую работу на токах прямой и обратной полярности в широком диапазоне изменения параметров процесса плазменного упрочнения [10-12]. Были выбраны следующие варианты обработки: 1) плазменная закалка на токе обратной полярности с линейным перемещением плазмотрона; 2) плазменная закалка на токе обратной полярности с использованием закрытой дуги (рис. 1); 3) плазменная закалка на токе прямой полярности; 4) плазменная закалка на токе прямой полярности с поперечными колебаниями плазмотрона. Рис. 1. Схема закрытой плазменной дуги: 1 - плазмотрон; 2 - изделие; 3 - плазменная дуга; 4 - защитная камера Основные технологические параметры процесса плазменной поверхностной закалки приведены в табл. 1. Таблица 1 Технологические параметры плазменной поверхностной закалки Режимы упрочнения Ток дуги, А Расход защит. газа, л/мин Расход плазмо-образующего газа, л/мин Скорость обработки, м/ч Поперечные колебания Режим закрытой дуги Плазменная закалка на токе обратной полярности 140 4,5 2,5 16 - - 160 4,5 25 - + Плазменная закалка на токе прямой полярности 120 4,5 2,5 12 + - 140 4,5 20 - - Вид поверхности образца с закаленными по приведенным в табл. 1 технологическим режимам дорожками представлен на рис. 2. 3 1 2 4 Рис. 2. Внешний вид закаленных дорожек На поверхности закаленных дорожек наблюдается образование цветов побежалости. Шероховатость поверхности образцов, полученных с использованием токов как прямой, так и обратной полярности, идентична неупрочнявшейся поверхности. Следовательно, дальнейшая механическая обработка поверхности не требуется, а устранение цветов побежалости возможно при необходимости полировкой поверхности. Измерения твердости и геометрических характеристик упрочненного слоя (табл. 2), показывают высокую эффективность выбранных вариантов плазменной обработки. Таблица 2 Результаты измерений Номер образца Глубина слоя, мм Ширина дорожки, мм Твердость HB Твердость HRC 1 1,3 14 512 52 2 1,1 23,8 321 35 3 1,4 16,9 477 49 4 1,4 23,6 404 40 Примечание. Твердость стали при объемной закалке составляет HB 280, в состоянии поставки - HB 220. Исследования микроструктур упрочненных слоев, проведенные с помощью световой микроскопии, позволили установить следующее (рис. 3-6). На всех образцах прослеживается сложная структура, представляющая собой последовательную смену закаленной зоны, переходной зоны и основного металла. Подплавление поверхности отсутствует на всех образцах. Микроструктура основного металла представляет собой феррито-перлитную смесь (рис. 3-6, г). Кроме того, следует отметить, что в основном металле наблюдаются характерные полосы и выделения сульфидов, связанные с особенностями состояния поставки материала (ковка/прокатка). Закаленная зона образцов № 1 и № 2 представляет собой мартенститную структуру различной дисперсности (рис. 3, 4, б). Структура переходной зоны образца № 1 представляет собой феррито-карбидную смесь сорбитного типа (рис. 3, в). Структура переходной зоны образца № 2 представляет собой троостит отпуска (рис. 4, в). В структуре основного металла вблизи переходной зоны также заметны локальные выделения карбидов, предположительно хрома. а б в г Рис. 3. Вид макро- и микроструктуры закаленной дорожки № 1: а - макроструктура; б - зона закалки; в - переходная зона; г - основной металл а б в г Рис. 4. Вид макро- и микроструктуры закаленной дорожки № 2: а - макроструктура; б - зона закалки; в - переходная зона; г - основной металл В закаленной зоне образцов № 3, № 4 наблюдается преимущественно бейнитно-мартенситная структура (рис. 5, 6, б), что характерно для плазменной обработки на токе прямой полярности, вследствие максимальной температуры в центре пятна нагрева поверхности. В переходной зоне образца № 3 происходит формирование структуры бейнита отпуска (рис. 5, в). В переходной зоне образца № 4 происходит образование структуры троостита отпуска с небольшими выделениями феррита, что можно связать с термическим циклом нагрева, полученным в результате сканирования поверхности (рис. 6, в). В переходной зоне и основном металле заметны локальные выделения карбидов. а б в г Рис. 5. Вид макро- и микроструктуры закаленной дорожки № 3: а - макроструктура; б - зона закалки; в - переходная зона; г - основной металл Плазменная закалка на токе прямой полярности без сканирования поверхности (рис. 2, поз. 3) позволяет получать упрочненные слои глубиной до 1,3 мм без оплавления поверхности и шириной закаленной дорожки в 14 мм за один проход. Использование варианта со сканированием поверхности (рис. 2, поз. 4) позволяет увеличить ширину закаленной дорожки примерно в 1,5 раза за один проход, однако при этом происходит увеличение глубины упрочненного слоя и снижение твердости упрочненного слоя вследствие снижения скоростей охлаждения. а б в г Рис. 6. Вид макро- и микроструктуры закаленной дорожки № 4: а - макроструктура; б - зона закалки; в - переходная зона; г - основной металл Использование обратной полярности благодаря широким возможностям регулирования мощности сжатой дуги и тепловложения в обрабатываемое изделие позволяет получать упрочненные слои достаточной ширины и глубины без применения сканирующих механизмов (рис. 2, поз. 1, 2). На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: - Показана возможность финишной плазменной поверхностной закалки дугой прямого действия на токе прямой и обратной полярности в вариантах со сканированием и без сканирования и в режиме открытой и закрытой дуги. - Максимальная твердость закаленной поверхности 52 HRC достигается при плазменной закалке на токе обратной полярности с использованием открытой дуги, ширина закаленной дорожки составляет 14 мм, глубина 1,3 мм. - Установлено, что применение плазменной дуги обратной полярности способствует снижению риска образования бейнитной структуры в закаленной зоне. - Использование плазменной дуги прямой полярности позволяет получать упрочненные слои твердостью 49 HRC глубиной до 1,5 мм без оплавления поверхности и шириной 14 мм, однако при таком варианте обработки происходит образование бейнитной структуры, что сдерживает применение такого варианта обработки в условиях ударных и циклических нагрузок. - Использование сканирования плазменной дуги позволяет увеличить ширину упрочненной зоны до 20 мм за один проход, однако значение твердости при этом снижается до 40 HRC. Использование же закрытой плазменной дуги обратной полярности позволяет получать слои шириной до 24 мм за один проход без сканирования поверхности со схожими значениями твердости.

About the authors

Yu. D Shitsyn

Perm National Research Polytechnic University

D. S Belinin

Perm National Research Polytechnic University

S. D Neulybin

Perm National Research Polytechnic University

I. L Sinani

Perm National Research Polytechnic University

S. A Terentyev

Perm National Research Polytechnic University

V. S Verkhorubov

Public Proton Joint Stock Company

References

Statistics

Views

Abstract - 32

PDF (Russian) - 10

Refbacks

• There are currently no refbacks.