CC BY
102
УДК 621.178.151.6
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОТВЁРДОСТИ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ
С НАГРЕВОМ ТВЧ
В.А. Скрипников, студент, ХНАДУ
Аннотация. Исследования распределения микротвёрдости по глубине показали, что закалкой с нагревом ТВЧ на высокопрочном чугуне создаётся достаточно однородный по структуре и свойствам поверхностный слой, который обеспечивает заданное качество материала в течение всего ресурса работы детали.
Ключевые слова: высокопрочный чугун с шаровидным графитом, закалка ТВЧ, микротвёрдость, неоднородность.
Введение
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) находит широкое применение в качестве конструкционного материала [1]. Из ВЧШГ изготавливают детали тракторов, комбайнов, автомобилей, нефтегазодобывающего оборудования, которые работают в условиях циклических и ударных нагрузок, в коррозионной среде, в условиях трения: коленчатые и распределительные валы, шестерни и др. В связи с этим высокий уровень прочности, твёрдости, коррозионной стойко -сти, износостойкости поверхностного слоя должен сочетаться с достаточной ударной вязкостью, пластичностью сердцевины.
Современная техника для упрочнения поверхностных слоев, которые в большинстве случаев определяют служебные характеристики деталей машин, включает целый ряд методов: химико-термическую обработку, закалку ТВЧ, лазерную обработку, специальную упрочняющую механическую обработку, упрочнение ХПД и т. д. Для массового производства широкое применение для упрочнения поверхностных слоёв деталей машин нашла закалка с нагревом ТВЧ.
Анализ публикаций
Высокопрочный чугун может иметь разнообразный комплекс свойств благодаря наличию большого количества структур металли-
ческой матрицы, которые создаются различными видами термической обработки: нормализацией, изотермической закалкой, двойной нормализацией и др. [1]. В работе [1] в качестве метода для упрочнения поверхностного слоя рекомендуется применять закалку с нагревом ТВЧ, которая позволяет получать высокий уровень механических свойств благодаря получению мелкодисперсного мартенсита и созданию сжимающих внутренних напряжений. Процесс индукционной закалки легко автоматизируется и встраивается в технологическую линию.
Для упрочнения ВЧШГ закалка с нагревом ТВЧ пока не нашла широкого применения. Поэтому исследований, посвящённых изучению влияния закалки ТВЧ на структуру и свойства поверхностного слоя чугуна, недостаточно.
Высокопрочный чугун является неоднородным материалом, в литом состоянии и после предварительной обработки в структуре могут присутствовать как перлит, так и феррит. Поэтому следует ожидать, что после закалки поверхностный слой также будет иметь неоднородную структуру, что может оказывать влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. В связи с этим необходимы исследования не только микроструктуры и величины микротвёрдости поверхностного упрочнённого слоя, но и степени их неоднородности.
Цель работы
Целью данной работы является исследование распределения микротвёрдости и степени её неоднородности по глубине упрочнённого закалкой с нагревом ТВЧ слоя ВЧШГ.
Материал и методики исследования
Исследовали чугун следующего химического состава:
3,3 - 3,8 % С; 2,4 - 3,2 % 81;
С+1/381 = 4,25 - 4,35 %;
0,004 - 0,007 % 8;
0,5 - 0,9 % Мп;
0,045 - 0,08 % Р;
0,05 - 0,1 % Сг;
0,1 - 0,15 % N1;
0,04 - 0,09 % Ме.
ВЧШГ, особенно в литом состоянии, относится к неоднородным материалам: наблюдается неравномерное распределение феррита, который сосредоточен, в основном, в околографитной зоне, и ликвация химических элементов, в основном кремния. Исследования выполняли на образцах чугуна диаметром 60 мм и длиной 15 мм. Исходная структура чугуна - перлит+феррит (30 - 35 %), количество включений графита 80 - 90 на 1 мм2. В качестве метода поверхностного упрочнения применяли закалку с нагревом ТВЧ. Закалку проводили высокочастотным ламповым генератором ВЧГ 6-60/0,4 с рабочей частотой 440 кГц в одновитковом индукторе одновременно по всей поверхности. Температура нагрева 950°С, скорость нагрева 150°С/с. Параметры нагрева под закалку выбирают в зависимости от исходной структуры. Для удобства выбора параметров закалки разработаны специальные номограммы и структурные диаграммы [2]. Охлаждение осуществляли водой из спрейера. После закалки образцы подвергали низкому отпуску при температуре 160°С на протяжении 1 часа.
На кафедре ТМ и М ХНАДУ был создан комплекс для измерения микротвёрдости с высокой точностью на базе микротвердомера ПМТ-3 и персонального компьютера [3]. Измерение микротвёрдости производили вдавливанием стандартной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136° при нагрузке 100 г. Изображение отпечатка передаётся при помощи видеокамеры на экран монитора. На экране изображение может
быть увеличено до любых размеров. Для того чтобы получить ещё большее увеличение, изображение отпечатка проецируется на большой экран.
Предложенная методика даёт возможность самый маленький отпечаток увеличивать до размеров, которые позволяют его измерять с самой высокой точностью. Затем изображение отпечатка обрабатывается с помощью программы 8еореРЬо1ю. Центр пересечения визирных линий совмещают сначала с одной вершиной, и фиксируют её координаты, затем с другой, и тоже фиксируют её координаты. Автоматически рассчитывается длина диагонали отпечатка.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Макроструктура закаленного с нагревом ТВЧ слоя приведена на рис. 1. Перед измерением микротвёрдости чугун травили 4% раствором азотной кислоты для выявления микроструктуры.
Рис. 1. Макроструктура чугуна после поверхностной индукционной закалки
Измерения микротвердости по глубине производили через 0,2 мм. Проводили статистическую обработку значений микротвёрдости: определяли среднее значение Н , среднеквадратичное отклонение ст и коэффициент вариации микротвёрдости V упрочнённого и переходного слоёв, а также сердцевины (табл. 1).
Таблица 1 Статистические характеристики микротвёрдости
Расстояние от поверхности, мм Статистические характеристики микротвёрдости
Н.. , МПа М-ср ст, МПа V
0...3,0 7367 1758 0,23
3,0...3,6 5033 1665 0,33
3,6.6,2 2370 813 0,34
Глубина упрочнённого - закаленного - слоя 2,8...3,0 мм, микротвердость 7367 МПа. Твердость на глубине 3,0 мм достаточно резко начинает снижаться, что является свидетельством малой ширины переходной зоны. Переходный слой имеет ширину 0,4...0,6 мм, микротвердость 5033 МПа. Твердость сердцевины 2370 МПа.
Изображение отпечатков микротвёрдости приведено на рис. 2. На экране монитора можно изображение увеличивать, изменять яркость и резкость. Это очень важно для материалов, имеющих очень неоднородную микроструктуру - чугунов, для материалов, у которых получаются отпечатки очень маленького размера, не очень чёткие.
б
Рис. 2. Изображение отпечатков микротвёрдости: а - поверхностный слой, б - сердцевина
Среднеквадратичное отклонение и коэффициент вариации характеризуют степень неоднородности чугуна - неоднородность структуры и распределения химических элементов (как колеблются значения микротвердости вокруг среднего значения). По статистическим показателям наибольшую степень неоднородности имеет сердцевина (табл. 2): v=0,34. Сердцевина имеет достаточно неоднородную перлито-ферритную структуру - поля феррита расположены вокруг включений графита (рис. 2, б). Неоднородность структуры является причиной высокой степени неоднородности микротвёрдости.
Поверхностный слой имеет наименьшую степень неоднородности v=0,23. Это является свидетельством того, что индукционная
закалка создает достаточно однородный по структуре и свойствам слой, который обеспечивает заданное качество материала в течение всего ресурса работы детали (фотографии отпечатков в закалённом слое на рис. 2, а). Твердость после закалки увеличивается почти в 3,5 раза.
Метод закалки с нагревом ТВЧ позволяет получать закаленные слои различной толщины с достаточно высокой и однородной твердостью, а также износостойкостью. Структура и свойства закалённого слоя зависят от свойств и структуры исходного чугуна.
Выводы
1. Проведены исследования распределения микротвёрдости по глубине чугуна после закалки с нагревом ТВЧ по новой методике с использованием компьютерных технологий.
2. Предложенная методика позволяет измерять диагонали самых маленьких отпечатков с высокой точностью в автоматическом режиме.
3. Анализ статистических характеристик микротвёрдости отдельных слоёв показал, что индукционная закалка создаёт однородный по структуре и свойствам слой, который обеспечивает заданное качество материала в течение всего ресурса работы детали.
Литература
1. Солнцев Л.А., Зайденберг А.Ф., Малый А.Ф.
Получение чугунов повышенной прочности. - Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1986. - 152 с.
2. Яковлев Ф.И. О превращениях при индук-
ционном нагреве перлитного и феррит-ного чугуна с шаровидным графитом // МиТОМ. - 1987. - №6. - С. 2 - 5. 2. Мощенок В.И., Лалазарова Н.А., Тимченко О.Н. Измерение микротвёрдости с наноточностью // Вестник ХНАДУ. -Харьков: ХНАДУ. - 2008. - Вып. 42. -С.83 - 85.
Рецензент: В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 6 июля 2009 г.
