Full Text

Цементацию широко применяют в промышленности для повышения твердости и износостойкости поверхности изделий с сохранением вязкости их сердцевины. Традиционные и хорошо изученные способы цементации в твердом карбюризаторе, жидкой среде, газовая цементация, несмотря на широкое распространение, имеют ряд существенных недостатков: длительность процесса, высокая температура, приводящая к росту зерна аустенита, а следовательно, необходимость дополнительной термической обработки [1-3]. Значительную технологическую сложность представляет процесс химико-термической обработки крупногабаритных деталей и инструмента деформации [4, 5]. В последнее десятилетие предпринимаются попытки получения цементированного слоя на поверхности деталей с использованием искрового разряда [6-10]. За основу взят процесс электроискрового легирования (ЭИЛ) (рис. 1), сущность которого состоит в том, что искровой разряд разрушает материал анода, продукты эрозии которого переносятся на катод (обрабатываемую деталь) [11-13]. а б Рис. 1. Процесс электроискрового легирования плоской (а) и цилиндрической (б) деталей Высокая температура разряда вызывает плавление частиц электродного материала и их частичное испарение. Пары материала расширяются, сбрасывают с поверхности частицы анода, который, проходя через газовую среду, внедряется в катод, образуя упрочненный слой. Под действием искрового разряда катодная область тоже резко разогревается и сразу же охлаждается за счет теплоотвода в изделие. Таким образом, происходит закалка поверхности до повышенной твердости [4, 5]. Способ электроискровой цементации существенно снижает энергоемкость процесса, повышает производительность. Отсутствие длительных выдержек при высоких температурах не приводит к росту зерна аустенита, как при традиционном процессе. Несмотря на привлекательность метода, нерешенными вопросами остаются малая глубина цементированного слоя и невысокая степень цементации. Задачей данного исследования является интенсификация диффузионных процессов электроискровой цементации посредством ультразвуковых колебаний (УЗК). Для выявления специфического воздействия УЗК в областях узлов и пучностей колебаний использована резонансная схема [14, 15]. Размер пластин соответствовал значению длины звуковой волны λ в низкоуглеродистой стали (рис. 2). В образце генерировалась стоячая ультразвуковая волна с частотой 18 кГц и расчетной амплитудой 12,6 мкм. Образцы для исследований вырезались из пластины в областях узла и пучности стоячей волны (см. рис. 2). Основной металл - пластина из стали 20 - прошел предварительную термическую обработку по трем вариантам: отжиг (охлаждение с печью), нормализация (принудительный обдув воздухом), закалка (охлаждение в спреерном устройстве интенсивного охлаждения). Содержание углерода в поверхностном слое определялось на оптико-эмиссионном спектрометре Bruker Q2 ION; исследование структуры на сканирующем электронном микроскопе Phenom G2 Pure; распределение твердости по глубине слоя на автоматическом микротвердомере FutureTechFM-300. Рентгеноструктурный фазовый анализ проводился на рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Advance с медным анодом в θ-θ геометрии методом шагового сканирования в диапазоне углов 2q = 30…140°. а б в Рис. 2. Установка (а) и схема (б) электроискровой цементации в поле ультразвуковых колебаний. Распределение амплитуд в стоячей волне (в): 1 - инструмент ЭИЛ; 2 - образец; 3 - концентратор ультразвуковых колебаний; 4 - магнитострикционный преобразователь Фазовый анализ упрочненных слоев показал максимальное влияние УЗК в областях близких к узлу колебаний стоячей волны. Существенно увеличивается интенсивность линий цементита и аустенита, хорошо выявляется мартенситный дублет (рис. 3). Содержание углерода в мартенсите, оцененное по соотношению c/a, составило 0,78 мас. %. Как и ожидалось, наименьшая степень цементации была получена на образцах без ультразвукового воздействия на подложках из отожженной стали и после нормализации (0,80 и 1,15 % С) соответственно (рис. 4). Введение УЗК повышает содержание углерода в упрочненном слое, причем наиболее существенно в области циклических растяжений и сжатий среды (т.е. в области узла колебаний стоячей волны). Наибольшая степень цементации достигнута на подложках после нормализации и закалки (2,20 и 2,15 % С). Среднее содержание углерода в цементированном слое на образцах, вырезанных из области пучности стоячей волны, также повышено и составляет 1,2-1,4 %. Рис. 3. Участки дифрактограмм цементированного слоя: в области узла (1); пучности (2) колебаний стоячей волны; без УЗК (3) Рис. 4. Среднее содержание углерода в упрочненном слое (мас. %) в характерных участках стоячей ультразвуковой волны при различных вариантах предварительной термической обработки заготовки Ключевым параметром цементации является глубина слоя, которая может быть ориентировочно определена на наклонных шлифах. Значения глубины слоя имеют высокую погрешность измерения вследствие особенностей технологии процесса ЭИЛ и специфики строения упрочненного слоя. Металлографические исследования показали, что на поверхности образца, подвергнутого цементации методом ЭИЛ, можно выделить четыре характерные зоны: 1 - верхняя зона - «островковое» покрытие с повышенной шероховатостью поверхности (рис. 5, а); 2 - сплошной «белый» («не травящийся») слой; 3 - переходный слой (рис. 5, б); 4 - основной металл (рис. 5, в, г). а б в г Рис. 5. Структура упрочненного слоя (наклонный шлиф): а - «островковое» покрытие; б - диффузионный слой; основной металл: в - после закалки; г - после отжига После обработки данных глубины слоя, полученных прямым измерением, было установлено, что при электроискровой цементации без УЗК он минимален - (0,06 ± 0,02) мм. Можно отметить, что при изменении состояния основного металла от отожженного к закаленному глубина увеличивается, хотя близка к пределу статистической ошибки. Применение ультразвукового воздействия увеличивает глубину покрытия до значений (0,10 ± 0,02) мм, причем в пучности она выше, чем в узле. Степень развития диффузионных процессов может быть оценена по протяженности переходной зоны ∆, мм (рис. 6). Значения параметра ∆ максимальны в областях пучности стоячей волны и увеличиваются при измельчении структурных составляющих подложки. Наибольшую величину (до 0,02 мм) протяженность переходной зоны достигает при электроискровой цементации образцов после нормализации и закалки. В узле колебаний и при проведении процесса без УЗК значения ∆ близки и составляют соответственно 0,017 и 0,014 мм (рис. 7). S, мм Рис. 6. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя (измерено на наклонном шлифе): 1 - область пучности; 2 - область узла колебаний стоячей УЗ-волны; 3 - без УЗК. Предварительная термообработка подложки - нормализация. Пунктиром обозначен переход к основному металлу Рис. 7. Размеры переходной зоны цементированного слоя ∆, мм Таким образом, способ электроискровой цементации эффективен для обработки поверхностей крупногабаритных изделий и, в отличие от традиционной химико-термической обработки, является способом финишной обработки. Характеристики упрочненного слоя (степень цементации и глубина) могут быть расширены при ведении процесса в поле ультразвуковых колебаний. Резонансная схема эксперимента позволила установить влияние характерных областей стоячей ультразвуковой волны на параметры цементированного слоя. Наибольшее увеличение степени цементации обнаружено в области узла колебаний стоячей ультразвуковой волны, где циклические растяжения и сжатия способствуют увеличению доли избыточных фаз. Степень развития диффузионных процессов, определяющая глубину цементированного слоя и размеры переходной зоны, в свою очередь, максимальна в области пучности УЗК, где под действием колебаний наблюдается наибольшее динамическое смещение частиц подложки. Дисперсность структурных составляющих основного металла также увеличивает глубину упрочненного слоя. В сочетании с ультразвуковым воздействием на образцах после нормализации и закалки она достигает значений (0,10 ± 0,02) мм.

About the authors

O. I Shevchenko

Nizhny Tagil Technology Institute of Ural Federal Univetsity named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Email: shevchenko_oleg@mail.ru

G. E Trekin

Nizhny Tagil Technology Institute of Ural Federal Univetsity named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Email: trekin1963@yandex.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 16

PDF (Russian) - 7

Refbacks

• There are currently no refbacks.