CC BY
132
УДК 621.791
Д.С. Белинин, В.С. Верхорубов, П.С. Кучев, Н.Н. Струков, Ю.Д. Щицын D.S. Belinin, V.S. Verkhorubov, P.S. Kuchev, N.N. Strukov, Y.D. Shitcin
Пермский национальный исследовательский политехнический университет Perm National Science Polyechnical University
ПЛАЗМЕННАЯ ЗАКАЛКА ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 40Х13
PLASMA SURFACE HARDENING OF HARD LOADING CONSTRUCTIONS MADE OF STEEL 40X13
Изложена технология плазменной поверхностной закалки с оплавлением поверхности изделий из стали 40Х13. Приведены структура, твердость упрочненного слоя и внешний вид поверхности после обработки.
Ключевые слова: плазма, поверхностная закалка, твердость, износостойкость, большая глубина.
The paper presented the technology of plasma surface hardening of surface melting of steel products 40Ch13. Given structure, the hardness of the hardened layer and the surface appearance after treatment.
Keywords: plasma, surface hardening, hardness, wear resistance, great depth.
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, 5]. Возможность продолжительной эксплуатации таких изделий во многом связана с износостойкостью материалов, из которых они изготовлены. Многие параметры изделия в основном определяет состояние поверхностного слоя материала, из которого оно изготовлено. Поэтому использование дефицитных и дорогостоящих конструкционных материалов во всем объеме изделия нецелесообразно. Перспективным направлением решения этой проблемы представляется упрочняющая термическая обработка (закалка) рабочей поверхности изделий плазменной дугой. Основной отличительной особенностью метода плазменного поверхностного упрочнения является возможность получения скоростей нагрева и охлаждения материалов, на не-
сколько порядков превышающих значения, характерные для традиционных методов упрочнения (печной закалки, закалки ТВЧ, газопламенной закалки и др.), что способствует получению упрочненных слоев с недостигаемым ранее уровнем эксплуатационных свойств [2, 4].
Сталь 40Х13 - высоколегированная, коррозионностойкая, жаропрочная сталь мартенситного класса (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав стали 40Х13
Марка Содержание элементов
стали С Бі Мп Б р Сг Мі Мо V прочие
40Х13 0,35-0,44 < 0,8 < 0,8 5 О, 0, VI < 0,025 12,0-14,0 - - - -
Хромистые стали рассматриваемой группы помимо высокой коррозионной стойкости обладают и другими важными свойствами - повышенными жаропрочностью и жаростойкостью. Повышенная жаропрочность высокохромистых сталей даже без дополнительного легирования связана с высоким содержанием хрома в твердом растворе; отношение Сг/С в этих сталях значительно выше критического. Кроме того, при достаточном содержании углерода в таких сталях они закаливаются на мартенсит даже при охлаждении на воздухе [6].
При высоких механических и антикоррозионных свойствах высокохромистые стали имеют пониженные технологические свойства, в том числе пониженную свариваемость, склонность к отпускной хрупкости, образованию ликваций, холодных трещин. Это связано с особенностями фазового состояния высокохромистых сталей и особенностями структурных и фазовых превращений, происходящих при нагреве и охлаждении.
Повышенная склонность мартенситных сталей к хрупкому разрушению в состоянии закалки усложняет технологию их обработки. При содержании углерода более 0,1 % мартенситные стали склонны к образованию холодных трещин из-за высокой степени тетрагональности кристаллической решетки мартенсита. Мартенситное превращение в них имеет две особенности, отрицательно влияющие на образование холодных трещин. При охлаждении сталей с температур нагрева аустенитного состояния (полного или частичного) мартенситный распад происходит в широком интервале скоростей охлаждения, что обусловливает обязательное образование в обработанной зоне полностью мартенситной структуры, иногда даже с некоторым количеством аустенита (повышенное содержание углерода, легирование никелем) или феррита (низкое содержание углерода, легирование ферритообразующими элементами).
Другая особенность мартенситного превращения, обусловливающая повышенную склонность к образованию холодных трещин, состоит в том, что мар-тенситный распад происходит при пониженной температуре (около 150 °С), исключающей протекание процессов самоотпуска. Образующийся в этих условиях мартенсит имеет повышенный уровень микронапряжений и плотность дислокаций, оказывающихся заблокированными, поэтому обладает повышенной хрупкостью.
Еще одна особенность сталей мартенситного класса осложняет технологические условия поверхностной обработки. В связи с тем, что мартенситные стали, в том числе и жаропрочные высокохромистые, являются термически улучшаемыми и используются после закалки и высокого отпуска, участки ЗТВ, нагревавшиеся при обработке до температуры, близкой к Ас1 разупроч-няются. Чтобы избежать такого разупрочнения, требуется проведение сложной термообработки.
В связи с указанным сочетанием свойств высокохромистые стали находят широкое применение в производстве большинства современных деталей машин, элементов конструкций и технологического инструмента. Как правило, такие изделия работают в условиях циклических нагрузок, при воздействии окислительных процессов, а также абразивных частиц. При этом максимальные повреждения и интенсивное изнашивание локализованы в поверхностном рабочем слое детали. В связи с этим особую актуальность приобретают задачи поверхностного упрочнения за счет изменения свойств и механизма изнашивания только рабочего слоя.
Плазменная поверхностная закалка может осуществляться как с оплавлением, так и без оплавления поверхности. Обработка без оплавления обеспечивает сохранение параметров шероховатости поверхности, достигнутых предшествующей механической обработкой. В этом случае термообработка является финишной операцией и легко встраивается в технологический процесс изготовления или ремонта. Обработка с оплавлением рекомендуется для повышения твердости и износостойкости переплавленного слоя высокоуглеродистых сталей.
Целью данной работы являлась разработка технологии плазменной закалки поверхности плиты и валка опорной пары мостовой конструкции. Опорная пара является тяжело нагруженным элементом мостовой конструкции и представляет собой каток, перемещающийся по поверхности плиты. Конструкция достаточно массивная и габаритная: вес катка 350 кг, плиты - 70 кг. Для обеспечения надежности такой конструкции к поверхности плиты предъявляются следующие требования: твердость на поверх-
ности не ниже 50 ИЯС, глубина упрочненного слоя 4 мм твердостью не ниже 42 ИЯС.
Для проведения плазменной закалки был собран стенд на базе универсального наплавочного станка У-653 (рис. 1). Для выполнения закалки использовалось многоцелевое оборудование для плазменной обработки металлов, разработанное на кафедре «Сварочное производство и технология конструкционных материалов» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
6
Рис. 1. Установка для проведения плазменной закалки: 1 - источник питания ВД-306Ф; 2 - наплавочный станок У-653; 3 - пульт управления; 4 - плазмотрон; 5 - изделие; 6 - вентиль подачи воды; 7 - распределитель воды; 8 - баллоны с аргоном
Технологические параметры процесса плазменной поверхностной закалки включают в себя величину и полярность тока, скорость перемещения плазмотрона относительно изделия, расход защитного и плазмообразующего газов, диаметр плазмообразующего сопла (табл. 2). Упрочнение поверхности заданной площади достигается последовательным формированием локальных зон закалки в виде протяженных полос встык (рис. 2-4), с зазором или с перекрытием между ними. Данная работа проводилась в варианте плазменной закалки на токе прямой полярности с оплавлением поверхности без перекрытия и без зазора между упрочненными зонами на следующих режимах:
Таблица 2
Режимы плазменной поверхностной закалки
Величина тока /св, А Полярность тока Величина скорости перемещения плазмотрона V, м/ч Расход плазмообразующего газа Qro л/мин Расход защитного газа Qз, л/мин
240 Прямая 7,2 5 7
Рис. 2. Вид процесса плазменной закалки Рис. 3. Внешний вид поверхности
после обработки
Рис. 4. Макрошлиф поперечного сечения закаленного слоя
Упрочнение рабочей поверхности изделия с помощью плазменной поверхностной закалки с оплавлением поверхности обеспечивает формирование поверхностного слоя с высокими показателями твердости. Это достигается благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью [3]. Однако получить бездефектный слой с равномерно распределенными свойствами, без наличия крупных включений, трещин достаточно трудно. С целью подтверждения эффекта от плазменной закалки (повышение эксплуатационных свойств детали, отсутствие трещин в упрочненном слое) было проведено металлографическое исследование и замеры микротвердости основных зон полученных образ-цов-свидетелей, результаты которого представлены в табл. 3, 4 и на рис. 5, 6.
Рис. 5. Микроструктура и замеры микротвердости закаленного слоя (переход от литой структуры к игольчатой)
Рис. 6. Микроструктура и замеры микротвердости закакленного слоя (переход от зернистой структуры к основному металлу)
Таблица 3
Изменение твердости по глубине упрочненной поверхности плиты после механической обработки (шлифовка поверхности)
Глубина, мм 0,35 0,75 1,15 1,55 1,95 2,35 2,75 3,15 3,55 3,95 4,35 4,55
Твердость, ЫЯС 52 50 48 51 55 53 56 57 49 46 44 40
Структура Литая Игольчатая Зернистая
Таблица 4
Изменение микротвердости по ширине упрочненной поверхности
№ п/п Расстояние от центра, мм Твердость, ЫЯС
1 0,4 57
2 0,8 56
3 1,2 55
4 1,6 55
5 2 55
6 2,4 53
7 2,8 55
8 3,2 57
Таким образом, после плазменной поверхностной закалки с оплавлением поверхности качество упрочненного слоя полностью удовлетворяет установленным требованиям, что дает основание рекомендовать разработанную технологию обработки как эффективную для изделий из сталей типа 40Х13, работающих в условиях высоких контактных нагрузок и перепада температур.
Сделаем следующие выводы:
1. Разработана технология, позволяющая получить бездефектный упрочненный слой глубиной до 5 мм с равномерно распределенными прочностными свойствами по сечению с сохранением исходных свойств сердцевины детали.
2. Максимальные значения твердости достигаются вблизи центра закаленной зоны. При этом, в связи с эффектом отпуска закаленной стали при повторном нагреве, значение твердости в области стыковки двух последовательно упрочненных участков незначительно уменьшается.
3. Минимальная деформация обрабатываемого изделия снижает трудоемкость последующей механической обработки.
Список литературы
1. Тюрин Ю.Н., Жадкевич М. Л., Мазунин В.М. Упрочнение металлических изделий с использованием импульсно-плазменной технологии // Сварщик в России. - 2007. - № 1. - С. 48-52.
2. Сафонов Е.Н. Новые материалы и технологические процессы для продления ресурса прокатных валков / НТИ(ф) УГТУ-УПИ. - Нижний Тагил, 2005.- С. 275.
3. Влияние технологии поверхностного упрочнения высококонцентрированным источником нагрева на структуру и трещиностойкость наплавленного металла и углеродистых сталей / Л.К. Лещинский [и др.]. // Сварочное производство. - 1987. - № 5. - С. 3-5.
4. Плазменное поверхностное упрочнение / Л.К. Лещинский [и др.]. // Тэхника. - 1990. - 109 с.
5. Сафонов Е.Н., Журавлев В.И. Поверхностное упрочнение железоуглеродистых сталей дуговой закалкой // Сварочное производство - 1997. - № 10. -С.30-32.
6. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. -М.: Металлургия, 1985. - 408 с.
Получено 13.09.2011
