º
Фазовые и структурные превращения при плазменном нагреве металлов
Способы плазменного поверхностного упрочнения
Плазменное легирование поверхностных слоев металла
Р=2кВ; 2. Р=3кВ; 3. Р=4кВ; 5. Р=6кВ; 6. Р=8кВ
Плазменное упрочнение в сочетании с другими способами воздействия на металлы
Свойства сталей после плазменного упрочнения
Плазменная закалка
Объемная закалка /сталь 45/; 2. плазменная закалка без оплавления/45/;
Навигация
Свойства сталей после плазменного упрочнения
Плазменное поверхностное упрочнение металлов
146065
знаков
37
таблиц
47
изображений
2.4. Свойства сталей после плазменного упрочнения
Основная цель поверхностного упрочнения концентрированными потоками энергии сталей, чугунов, цветных сплавов, является повышение износостойкости. Однако, высоко дисперсный структура упрочненного поверхностного слоя металла, характеризующуюся высокой твердостью, оказывает определенное влияние на изменение не только износостойкости, но и других механических свойств (прочность, пластичность, выносливость, трещиностойкость) тепло- и коррозиностойкость. Кроме того, работоспособность многих деталей часто зависит не только от механических свойств, сколько от физических. Так, например, стойкость режущего инструмента тем выше , чем меньше тепло- и температуропроводность инструментальной стали.
В случае низкой теплопроводности разогрев режущей кромки инструмента меньше, так как теплоотвод осуществляется больше стружкой, чем инструментом.
Влияние поверхностного упрочнения на механические и физические свойства металлов и сплавов наиболее широко исследовано для случая лазерного термоупрочнения [1, 15, 16. 32, 35, 48-50], в меньшей степени для электронно-лучевого упрочнения 52-56. Применительно к плазменному упрочнению, таких работ очень мало [9, 24, 25, 51].
Анализ многочисленных работ по поверхностному упрочнению концентрированными источниками нагрева сталей 09Г2С, 3, 26, 30, 45, 60, 4СХ, 65Г, ЗОХГСА,9ХФМ, У8, У10, У12, 65ХЗМФ, ШХ15, 38ХС, ХВГ показывает, что упрочнение в большинстве случаев снижает прочные характеристики ( σв, σ02 ) на 5-40 %, характеристики пластичности на 150-300 % 3. Установлено, что ударная вязкость стали 09Г2С снижается на 10-15 %, стали 20 на 15=20 %, стали 45, 60, 40Х, 65Г
на 40-70 %, стали У8,У10, 9ХФ на 50-70 %. Снижение ударной вязкости обусловлено высокой хрупкостью закаленного слоя и, как следствие этого, очень низким значением работы зарождения трещины в этом слое.
Табл. 2.17
| Материал | Кн | КС Мдж/м2 | КС3 Мдж/м2 | КСр Мдж/м2 | υ м/с | Рmax, кН | РсД кН | К1сД Мпа/м1/2 |
| 30ХГСА (наплавка) 45 50ХН 65Х3ФМ 9ХФ | 1,0 2,0 3,5 1,0 2,0 4,7 1,0 1,8 4,5 1,0 1,7 4,7 1,0 1,7 3,8 | 0,18 0,13 0,11 0,36 0,18 0,13 0,51 0,19 0,19 0,24 0,10 0,08 0,11 0,08 0,07 | 0,14 0,10 0,07 0,33 0,15 0,10 0,37 0,12 0,10 0,20 0,07 0,06 0,09 0,06 0,02 | 0,04 0,03 0,04 0,03 0,03 0,03 0,14 0,07 0,09 0,04 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02 | 250 240 240 200 190 200 70 77 66 230 240 230 270 300 300 | 10,20 9,39 8,75 7,80 7,00 7,50 7,60 6,30 5,50 7,20 6,00 5,60 6,60 6,56 5,10 | 9,15 8,11 7,43 7,15 5,70 5,35 6,45 5,20 4,40 6,35 5,10 4,75 5,35 5,75 4,20 | 23,3 20,6 18,9 18,2 14,5 13,6 15,4 13,2 11,2 16,1 12,9 12,1 13,6 14,6 10,7 |
| Степень повышения твердости Кн = Нупр/ Нисх, КС – ударная вязкость, КС3 – работа зарождения трещины, КСр – работа распространения трещины, Рmax – максимальное усилие разрушения, РсД– расчетное разрушающее усилие, υ – скорость распространения трещины, К1сД – критический коэффициент интенсивности напряжений. | ||||||||
Испытания на трещиностойкость табл. 2.17. упрочненных сталей 45, ЗОХГСА,5ЭХР1, 9ХФ, 65ХЗМФ показали [9], что процесс разрушения этих сталей происходит в несколько этапов. Субмикроскопическая трещина зарождается, растет в закаленной зоне и останавливается в переходной зоне (более пластичной) упрочненного слоя. Для дальнейшего ее распространения необходимы существенно большие усилия, чем усилим зарождения в закаленном слое. Качественный анализ диаграмм разрушения и фрактографический анализ изломов показал, что разрушение упрочненных сталей с содержанием углерода до 0,9 %, происходит по механизму «множественного» разрушения с торможением трещины в переходной зоне по механизму искривления траектории. Эффект торможения трещины не приводит к повышению трещиностойкости, из-за недостаточно высокой вязкости разрушения слоя основного металла, распространенного под упрочненным слоем.
Исследование заэвтектоидных сталей [9], упрочненных плазменным нагревом, не выявило эффекта торможения трещины в переходной зоне. Кроме того, плазменное упрочнение этих сталей не приводит к снижению трещиностойкости из-за их высокой хрупкости в исходном состоянии.
Плазменное упрочнение с оплавлением поверхности приводит к повышению трещиностойкости на сталях содержащих менее 0,37 % углерода. На сталях с большим содержанием углерода трещиностойкость снижается, что проявляется в межзерновом характере разрушения оплавленного слоя.
Плазменное упрочнение с перекрытием дорожек упрочнения на 30, 50, 75 % существенно повышает трещиностойкость, но несколько снижает износостойкость.
Повышение трещиностойкости и снижение износостойкости обусловлено образованием: зоны отпуска ( с троститно-сорбитной структурой) в месте перекрытия дорожек упрочнения. Регулируя степень перекрытия и режимы упрочнения, можно получить на рабочей поверхности чередующиеся по определенному закону твердые (хрупкие) и мягкие (пластичные) участки.
Табл. 2.18.
Результаты испытаний образцов после комплексного поверхностного упрочнения (температура + 20º С)
| Технология упрочнения, марка стали | σ02 МПа | σв МПа | δ % | φ % | КС МДж/м2 | К1сД Мпа/м1/2 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Закалка ТВЧ + плазменная обработка стали У8 75Х2МФ Закалка ТВЧ + отпуск+плазменная обработка при температуре отпуска, º С У8200º С 300º С 400º С 75Х2МФ200º С 300º С 400º С | 920 1180 900 1020 705 1120 1300 980 |
1240 1310 1190 1360 880 1310 1480 1060 |
5 4 2 7 5 2 7 4 | 28 24 16 31 27 14 28 24 | 0,048 0,053 0,030 0,058 0,046 0,027 0,070 0,050 |
5,32 7,47 3,18 8,07 5 14 4,83 9,84 7,34 |
Оценка трещиностойкости материалов после плазменного упрочнения, установление характера разрушения для различных вариантов упрочнения позволило авторам [9] разработать комплексную технологию упрочнения сталей 45, ЗОХГСА,9ХФ, У8, 75Х2МФ, 150ХНМ, обеспечивающую получение высоких механических свойств, износостойкости и трещикостойкости, табл.2.18
Высокий комплекс механических свойств, а также повышение трещиностойкости и износостойкости получается при использовании комплексного упрочнения
| Рис. 2.52. Влияние предварительной пластической деформации на механические свойства стали 45 после плазменной закалки |
(деформация + плазменная
закалка), рис.2.52.
Повышение механических свойств после плазменного упрочнения обусловлено образованием
высокодисногоогомартенсита в упрочненном слое.
Увеличение степени дисперсностимартенсита и микротвердости является одной из главных причин повышения трещиностойкости и износостойкостипосле такой комплексной обработки.
Комплексная обработка, включающая в себя закалку ТВЧ + плазменную
закалку + лазерную закалку,
позволяет регулировать эксплуатационные свойства упрочненных деталей, табл.2.19.
Табл.2.19.
Результаты испытаний образцов из стали У8 комплексного упрочнения
(температура испытаний 250º С)
| Технология упрочнения | σ02 МПа | σв МПа | δ % | φ % | КС МДж/м2 | К1сД Мпа/м1/2 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1. Закалка и отпуск + (250º С)+ плазменная закалка 2. Закалка ТВЧ + плазменная закалка + лазерная закалка 3. Закалка ТВЧ + плазменная закалка + лазерная закалка + отпуск 180º С 250º С 300º С 400º С | 980 1150 1200 1020 900 700 |
1300 1510 1580 1390 1080 920
|
6,2 7,8 7,9 7,1 6,2 5 | 29 38 40 38 30 25 | 0,058 0,062 0,064 0,058 0,052 0,048 |
7,8 8,9 9,2 8,2 6,4 4,8 |
К числу важных эксплуатационных свойств, определяющих область применения плазменного упрочнения, относится усталостная прочность. На сопротивляемость усталости материалов, после плазменного упрочнения, большее влияние оказывают параметры режима упрочнения. Параметры режима упрочнения определяют: величину и знак остаточных напряжений, дисперсность микроструктуры и т.д.
Известно, что наличие высоких сжимающих остаточных напряжений в закаленной зоне оказывает положительное влияние на усталостную прочность [1,9, 16].
Однако высокая хрупкость мартенсита в закаленном слое может являться причиной преждевременного разрушения при многоцикловом погружении.
Проведенные исследования и анализ литературных данных[1, 12, 15, 16, 491], показали, что плазменное, лазерное и электронно-лучевое упрочнение значительно увеличивают усталостную прочность деталей, работающих в условиях циклического нагружения, рис. 2.53.
Испытания на усталость при изгибе с кручением коленчатых валов (сталь 45) после плазменного упрочнения показали, что предел усталости по началу трещинообразования (60 МПа) у не упрочненных также (60 МПа) и на разрушение (130Мпа против 120Мпа) [49].
Плазменное азотирование из газовой: фазы стали 20 также позволило повысить предел выносливости на 40-60 %, по сравнению с исходным материалом [24].
Плазменная нитроцементация стали 20 также повышает предел выносливости на 40-60 %, по сравнению с исходным материалом. Исследования показали, что предел выносливости стали сильно зависит от режимов упрочнения, т, к. от них зависит величина остаточных сжимающих напряжений на поверхности, содержание азота и углерода в упрочненном слое. Установлено, что нитроцементированный слой постоянной глубины, но с разным содержанием остаточного аустенита имеет разные значения предела выносливости. В стали 20 повышение содержания остаточного аустенита с 5 % до 12%, при постоянной глубине нитроцементированного слоя , увеличивает значение предела выносливости на 10-20 %. Плазменная нитроцементация стали 20 повышает предел выносливости, по сравнению с простой плазменной закалкой, рис. 2.54.
Исследование пластичности диффузионных слоев на стали 20 [24] показали,что наибольшей пластичностью обладает малоазотистая фаза, соответствующая твердому раствору на базе нитрида Fе4N , рис. 2.55 а также карбонитридная фаза Fе3(NС).
Как уже отмечалось выше, основная цель поверхностного упрочнения - повышение износостойкости деталей машин и инструментов.
Формирование изнашиваемой поверхности происходит в результате суммирования различных по интенсивности и видам элементарных актов разрушения и изменений механических, физико-химических свойств материала, а также под воздействием внешних факторов (среда, температура, давление и т. д.). Совокупность явлений в процессе трения определяет вид изнашивания и его интенсивность. При назначении поверхностной упрочняющей обработки (с целью повышения износостойкости) необходимо установить причину изнашивания.
Под термином изнашивание понимают разрушение поверхности твердого тела, проявляющиеся в изменении его размеров или форм. Элементарные виды разрушения поверхностей трения: микрорезание, царапанье, отслаивание, выкрашивание, глубинное выравнивание, перенос материала, усталостное разрушение. Реализация элементарных видов разрушения на поверхностях трения возможно только при наличии следующих факторов: пластической деформации, повышенной температуры и химического действия окружающей среды [55- 61].
Рис. 2.54. Диаграмма выносливости стали 20 после различных способов плазменного упрочнения
Похожие работы
... закалку непосредственно под электровозом или вагоном (без выкатки колесных пар) [1-3]. За восемь лет работы на ВСЖД открыты 12 участков плазменного упрочнения гребней колесных пар и обработано более 35 500 колесных пар. В течение этих лет проводились исследования триботехнических свойств упрочненных колесных пар на фиксированном участке ВСЖД, а именно на горном участке Иркутск-Слюдянка. Выбор ...
... Триботехника,-М.: Машиностроение, 1985. Лахтин Ю.М. и др. Материаловедение: Учебник для ВУЗов, 3е издание. М.: машиностроение 1990. Плазменное поверхностное упрочнение / Лещинский Л.К. и др.- К.: Техника, 1990. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием / Яценко В.К. и др.- М.: Машиностроение,1985. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами / А.Г. Бойцов и ...
... перемещения луча приведено на рис. 1.5. Наблюдаемые различия в структуре и твёрдости слоёв зоны в стали 35, обрабатываемой непрерывным излучением лазера на СО2, объясняют различными условиями их нагрева и охлаждения. 1.6. Упрочнение кулачка главного вала В течение последних трёх – пяти лет появились мощные газовые лазеры, обеспечивающие в режиме непрерывной генерации мощность порядка ...
... является то, что рабочий стол 6 с обрабатываемыми образцами 5 размещается внутри данного устройства. Разрабатываемое оборудование позволит осуществлять имплантацию ионов азота с энергией 1 – 10 кэВ ( Дж) в металлы и сплавы, модифицируя их свойства в нужном направлении. Заключение Несмотря на большое количество исследований в области ионной имплантации, остаётся ещё множество вопросов, ...
0 комментариев