Особенности структурообразования при плазменной поверхностной закалке на большую глубину изделий из стали 40Х13 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКЕ НА БОЛЬШУЮ ГЛУБИНУ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛИ 40Х13

© 2012 Д.С. Белинин, Ю.Д. Щицын

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Поступила в редакцию 16.11.2012

Разработана и опробована технология плазменной поверхностной закалки изделий из высоколегированной коррозионно стойкой стали 40Х13 позволяющая получить упрочненный слой глубиной более 4 мм. Приведены результаты исследований микроструктуры упрочненного слоя изделия, значения микротвердости основных зон упрочненного слоя.

Ключевые слова: плазма, поверхностная закалка, микроструктура, микротвердость

Часто к поверхностному слою детали предъявляются иные требования, чем для всей детали в целом. Поверхностное упрочнение детали, повышение твердости, износостойкости может быть получено не только методами наплавки и химико-термической обработки, но и посредством поверхностной термической обработки. Процессы поверхностного упрочнения требуют применения концентрированного источника нагрева с плотностью теплового потока на поверхности материала 103-106 Вт/см2. Такими характеристиками обладают электронный и лазерный лучи, плазменная дуга, однако применение лазерного и электронного лучей сдерживается высокой стоимостью и низкой мобильностью оборудования, низкой производительностью процесса. Поэтому применение плазменной дуги, благодаря таким преимуществам как: высокий кпд нагрева, возможность регулирования погонной энергии сжатой дуги оправдано, как в экономическом, так и в технологическом плане.

В основе плазменного поверхностного упрочнения металлов лежит способность плазменной дуги создавать на небольшом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева и плавления практически любого металла [1]. Основной физической характеристикой плазменного упрочнения является температурное поле, значение которого дает возможность оценить температуру в разных точках зоны термического воздействия (в разные моменты времени), скорость нагрева и охлаждения, а в конечном итоге структурное состояние и фазовый состав поверхностного слоя материала.

Белинин Дмитрий Сергеевич, аспирант Щицын Юрий Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сварочное производство и технология конструкционных материалов».E-mail: svarka@pstu.ru

В представленной работе разрабатывалась технология получения упрочненного слоя со следующими характеристиками: твердость поверхностного слоя 49-54 НЖС, глубина упрочненного слоя 4 мм, твердость на глубине 4 мм не ниже 42 НЖС с сохранением исходных свойств в сердцевине изделия. Закаливаемым изделием служили опорные вставки мостовой конструкции толщиной 40 мм. Материал вставки - коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса 40Х13 имеющая в исходном состоянии твердость порядка 15-20 ИЯС. Благодаря малой критической скорости закалки стали 40X13 закаливаются на мартенсит при охлаждении на воздухе (рис. 1) [2].

Оптимальная структура изделий из этих сталей достигается закалкой на воздухе от температур 950-1020°С, так как только выше этих температур происходит полное растворение карбидов Сг23Сб в аустените. Непосредственно после закалки сталь 40Х13 имеет твердость НЖС 56-58. После отпуска при 200-300°С с целью получения высоких значений твердости - ИЯС 50, а после отпуска при 600°С для получения требуемых значений ударной вязкости - ИЯС 32-34. В интервале 480-520°С наблюдается существенное снижение пластичности и ударной вязкости сталей из-за развития отпускной хрупкости [3].

Для решения поставленной задачи построили математическую модель плазменной поверхностной обработки на основе решения краевой задачи теплопроводности. Уравнение процесса распространения тепла (1) в массивном полубесконечном теле от мощного быстродви-жущегося нормально-распределенного источника нагрева, каким является плазменная дуга, имеет вид [4]:

и '

вг я» ти .......... НШГ^

в* г> 9* т. <

б)

где Т - температура нагрева; у ^ - ширина и глубина пятна нагрева; t - время; То - температура тела; g - эффективная мощность плазменной струи; X, а - коэффициенты теплопроводности, температуропроводности; и - скорость перемещения источников.

Решив приведенное уравнение в среде Mathcad 14 для выбранных режимов обработки (табл. 1) получены следующие тепловые поля (рис. 2). По приведенным температурным полям можно сделать вывод, что используемые для их построения параметры режима плазменной поверхностной закалки удовлетворяют требованиям к геометрии закалённого слоя.

Таблица 1. Режим плазменной поверхностной термообработки

1л, а ил, В Упев, м/ч

240 36 15

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов Fe - & (а), С-образные кривые для стали 40Х13 (б)

где !д, А - ток дуги; Ц, В - напряжение дуги; Vпеp, м/ч - скорость перемещения плазмотрона относительно изделия.

Решение полученной математической модели для граничных условий второго рода позволило получить термический цикл закалки (рис. 3 а) и график скоростей нагрева и охлаждения (рис. 3б).

Температурные поля (рис. 2), а также термоцикл и график скоростей охлаждения (рис. 3) при совмещении с данными диаграммы состояния сплавов Fe-Cr (рис. 1) и С-образными кривыми для стали 40Х13 (рис. 1) позволяют спрогнозировать возможные фазовые и структурные превращения при плазменной поверхностной термообработки. Совместив результаты полученной математической модели с диаграммой состояния Fe-Cr и С-образными кривыми можно сделать вывод, что упрочнённый слой будет состоять из трёх зон: зоны закалки из жидкой фазы (Т > 1539°С), зоны закалки из твёрдой фазы (1539°С < Т < 910°С) и зоны термовлияния (Т < 910°С).

Рис. 2. Расчётное температурное поле по глубине изделия при плазменной закалке

Металлографический анализ показал следующий результат (рис. 4.). Величина усиления

- 0,4-0,6 мм, ширина закаленной дорожки за один проход - 9,5-10,6 мм, глубина упрочненной зоны - 4,35 мм. Структура основного материала

- сорбит отпуска. Структура зоны оплавления (рис. 4. уч. 1) представляет собой мартенсит с выделениями карбидной фазы по осям дендри-тов. В зоне закалки из твердой фазы (рис. 4. уч. 2) наблюдается спектр структур - от структуры мартенситного типа на границе с зоной оплавления с переходом к структуре мартенситного типа с выделениями карбидов (как в теле зерна, так и по границам зёрен). В переходной зоне (зоне термовлияния) (рис. 4. уч. 3) - структура имеет вид феррито-карбидной смеси сорбитного типа различной дисперсности. Такое распределение микроструктур по зонам характерно для традиционной закалки изделий из стали 40Х13 на максимальную твердость с сохранением свойств коррозионной стойкости. Значения микротвердости основных зон представлены в табл. 2.

<5цЭ макрошяифа

Г, -Жуу т- Гк < ' ^ к V IV и 1 Улу.. ^'■ЛУ у ? ^ \ К3(/ 1 * л/^^/Л с ] 'У

А Л^* . «^Ль» ч »/г • ^Ч 1 Ям Р^У! Д - у .-Л 1 . * 'ч ■ • «Ч . » . ■

V * -г • •.'2 50 рт 4 ** л V г т 4 (- •« г*^ ->/ • -ч ' 50 рт

участок 1 участок 2 участок 3

Рис. 4. Вид макро и микроструктуры полученного образца

с

а)

3»

К С б)

Рис. 3. Термический цикл (а) и скорости нагрева и охлаждения (б) при поверхностной термообработке при 1д=240 А; ид=36 В и Упер=15 м/ч

Таблица 2. Микротвердость по зонам

№ образца Микротвердость по зонам, Нц50, кгс/мм2

зона оплавления (1) зона закалки из твердой фазы (2) ЗТВ (3) основной материал

1 402-596 599 495-537 279-292

1.

Выводы: использование приведенных режимов плазменной закалки позволяет получить упрочненный слой глубиной 4,3 5 мм с мар-тенситной структурой и равномерно распределенными по сечению значениями микротвердо- 2 сти без изменения геометрической формы и структуры сердцевины детали из стали 40Х13.

3.

4.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Лещинский, Л.К. Плазменное поверхностное упрочнение / Л.К. Лещинский, С.С. Самотугин, И.И. Пирч, В.И. Комар. - К.: Техника, 1990. 109 с. Гольдштейн, М.И. Специальные стали / М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. - М. : Металлургия, 1985. 408 с.

Лившиц, Л.С. Металловедение для сварщиков. -М.: Машиностроение, 1979. 253 с. Рыкалин, Н.Н. Тепловые характеристики взаимодействия плазменной струи с нагреваемым телом / Н.Н. Рыкалин, И.Д. Кулагин, А.В. Николаев // Автоматическая сварка. 1963. №6. С. 3-13.

FEATURES OF STRUCTURIZATION AT PLASMA SURFACE HARDENING ON BIG DEPTH OF PRODUCTS FROM 40Cr13

STEEL

© 2012 D.S. Belinin, Yu.D. Shchitsyn Perm National Research Polytechnical University

The technology of plasma surface hardening of products from high-alloyed corrosion resistant 40Cr13 steel, allowing to receive the strengthened layer by depth more than 4 mm is developed and tested. Results of researches of microstructure of strengthened layer of product, value of microhardness of the main zones of strengthened layer are given.

Key words: plasma, surface hardening, microstructure, microhardness

Dmitriy Belinin, Post-graduate Student Yuriy Shchitsyn, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department "Welding Production and Technology of Constructional Materials". E-mail: svarka@pstu.ru