CC BY
26
УДК 621.785.52
М.Е. Федосеев, В.А. Кошуро, А. Аман, А.А. Фомин
СТРУКТУРА И ТВЕРДОСТЬ СТАЛИ Х12МФ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ЦИРКОНИЕМ И ЦЕМЕНТАЦИИ В ГРАФИТОВОЙ ПАСТЕ
Аннотация. Качество штампового инструмента зависит от режимов упрочнения и характеристик структуры поверхности. В данной работе предлагается новый метод упрочнения и модификации рабочей поверхности штампового инструмента, основанный на последовательном использовании электроискрового легирования цирконием с последующей цементацией слоистой системы «инструментальная сталь Х12МФ - циркониевое покрытие». Изучены характеристики структуры и механические свойства полученных карбидных покрытий. Установлено, что последующая цементация данной слоистой системы индукционной обработкой при температуре выдержки 850-900 °С способствует получению карбидного покрытия толщиной около 30 мкм с микротвердостью 720-950 HV1.
Ключевые слова: электроискровое легирование, цирконий, инструментальная сталь, упрочнение, цементация, индукционный нагрев
M.E. Fedoseev, V.A. Koshuro, A. Aman, A.A. Fomin
STRUCTURE AND HARDNESS OF CHX12MoV STEEL AFTER ELECTRIC SPARK ALLOYING WITH ZIRCONIUM AND CEMENTATION IN GRAPHITE PASTE
Abstract. The quality of the stamping tool depends on the strengthening modes and characteristics of the surface structure. This work proposes a new method for strengthening and modification of the working surface of the stamping tool based on sequential use of electrospark alloying with zirconium followed by carburization of the layered «tool steel X12MoV - zirconium coating» system. Characteristic of the structure and mechanical properties of the resulting carbide coatings has been investigated. It has been established that the subsequent carburization of the layered system by induction treatment at the exposure temperature of 850-900 °С contributes to formation of the carbide coating with a thickness about 30 ¡m and microhardness of 720-950 HV1.
Keywords: electric spark alloying, zirconium, tool steel, hardening, cementation, induction heating
ВВЕДЕНИЕ
В машиностроении, в частности штамповом производстве, при разработке технологического процесса необходимо предусмотреть комплекс мероприятий по снижению коэффициента трения и износа инструмента [1]. В ходе металлообработки инструмент подвергается воздействию высоких контактных механических напряжений, в результате чего происходит поверхностная деформация и изнашивание вспомогательных и рабочих поверхностей (рис. 1) [2]. К штамповому инструменту предъявляется комплекс требований по механическим и эксплуатационным характеристикам, таких как твердость, коэффициент трения, износостойкость и качество поверхности, определенное сочетание которых необходимо для длительной и эффективной работы [3].
Известны различные методы упрочнения рабочих поверхностей штампового инструмента, например обработка концентрированными потоками энергии, нанесение тонких слоев вакуумными методами распыления (РУВ и СУВ) и термообработка (закалка и последующим низким отпуском). Для создания толстых слоев карбидов используется также химико-термическая обработка (ХТО), например цементация [4]. Помимо традиционных методов твердофазной и газовой цементации, развиваются методы ХТО в пастообразных (углеродсо-держащих) составах [5].
Однако существующие методы упрочнения имеют ряд недостатков, в частности низкая производительность и высокое энергопотребление [6]. В связи с тем, что цементация металлов и сплавов является важной операцией повышения качества изделий, совершенствование ХТО предусматривает использование скоростных методов модификации. Одним из таких вариантов является использование искровых или микродуговых разрядов, а также направленного когерентного монохроматического излучения [7, 8]. Селективное упрочнение металлических материалов эффективно осуществляется при использовании электроискрового легирования (ЭИЛ) [9, 10].
Рис. 1. Участки износа штампового инструмента (пуансона): 1 - боковая поверхность; 2 - рабочая поверхность
Таким образом, для повышения качества штампового инструмента предлагается проводить электроискровое легирование цирконием (карбидообразующим металлом) рабочих поверхностей и последующую индукционную ХТО слоистой системы «штамповая сталь Х12МФ - циркониевое покрытие» в углеродсодержащей пасте.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Циркониевое покрытие наносилось на стальные образцы (высоколегированная инструментальная сталь Х12МФ, химический элементный состав в мас. %: С - 1,45-1,65; -0,1-0,4; Мп - 0,15-0,45; Сг - 11,0-12,5; V - 0,15-0,30; Мо - 0,4-0,6; Бе - остальное), представляющие собой диски толщиной 3,5-4,2 мм и диаметром 11,5-12,0 мм. Подготовка их поверхности предусматривала точение и тонкое шлифование (Яа 0,2-0,4). Далее поверхность образцов обрабатывалась методом ЭИЛ цирконием (сплав Э110) с применением электроэрозионного устройства - маркера «АгкОхаРо А50/6» («АЯОЬО АО», Швейцария) [11]. Равномерность циркониевого слоя достигалась применением механизированной схемы обработки с применением настольного токарного станка (рис. 2).
Образец закреплялся в патроне станка, при этом биение не превышало 0,05 мм. Держатель электрода-инструмента устанавливался в резцедержатель через зажимное приспособление. Частота вращения образца составила 500 об/мин. Контакт циркониевого (сплав Э110) электрода-инструмента с обрабатываемой поверхностью стального электрода-образца осу-86
ществлялся передвижением суппорта по аналогии с операцией подрезания торца. Продолжительность ЭИЛ составила 2-4 мин при межэлектродном напряжении от 3,2 до 6,5 В и рабочем токе не более 3,5-4 А.
Рис. 2. Механизированный комплекс для электроискрового легирования цилиндрических образцов, основными элементами которого являются трехкулачковый патрон 1, приспособление для перемещения 2 держателя электрода 3, суппорт станка 4, устройство электроискровой обработки 5, закрепленный образец 6 и электрод-инструмент 7
После ЭИЛ цирконием на поверхность образца наносилась паста, в составе которой присутствовало натриевое жидкое стекло (20-25 мас. %), кальцинированная сода (4-5 мас. %) и графитовый порошок. Химико-термическая обработка (ХТО) образцов с нанесенной пастой проводилась при индукционном нагреве (ИН) и выдержке. Потребляемая электрическая мощность данного процесса не превышала 150-480 Вт, которая изменялась в зависимости от температуры ХТО. В результате данной обработки устанавливалось влияние температуры выдержки в диапазоне от 850-900 до 1100-1250 °С на структуру получаемых слоев и ее микротвердость.
При исследовании структуры и химического состава покрытий применялась растровая электронная (РЭМ) микроскопия («MIRA II LMU», Tescan) в комбинации с энергодисперсионным рентгенфлуоресцентным (ЭДРФА) анализом («INCA PentaFETx3», Oxford). Микротвердость оценивались с применением метода микроиндентирования («ПМТ-3М») при нагрузке на индентор 100 гс.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При исследовании микроструктуры циркониевых покрытий отмечалась их равномерность по толщине (рис. 3). При минимальной продолжительности обработки tsnn = 2 мин отсутствовали участки без покрытия, толщина циркониевого слоя равнялась 15 -20 мкм. С ростом величины рабочего тока толщина функционального слоя практически не изменялась, что может быть связано с окислением переносимого циркония и разогревом материала стальной основы. Максимальная микротвердость данного слоя равнялась 960±70 HVi (эквивалентно 67-69 HRC), что может приводить к скалыванию рабочих кромок при вырубных операциях штамповки. Результаты химического анализа показали, что содержание циркония в приповерхностном слое при данной продолжительности ЭИЛ составило около 22 ат. %.
Продолжительность ЭИЛ, равная tsnn = 4 мин, позволила увеличить толщину слоя до 30-40 мкм. Сочетание умеренно высокой микротвердости 780 ± 50 HV (эквивалентно 62-65 HRC) и равномерной толщины слоя обеспечивалось при токе 2-3 А, напряжении 4,8 В и tsHu = 4 мин. Кроме того, возрастание продолжительности обработки повлияло на содер-
жание циркония в легированном слое, которое составило около 66 ат. %. Данные параметры ЭИЛ были выбраны при изготовлении слоистых образцов для последующей ХТО с применением обработки ТВЧ.
Рис. 3. Микроструктура стального образца после электроискрового легирования цирконием при продолжительности гЭИЛ = 2 мин и токе I = 1,9-2,1 А.
Результаты исследования химического состава образцов, подвергнутых цементации в пасте, характеризовали ускоренное протекание процесса диффузионного насыщения углеродом приповерхностного слоя с повышением температуры. Максимум содержания углерода составил 55,5-56 вес. %, что характеризовало протекание необходимых структурных превращений и проникновение углерода в структуру приповерхностного слоя. Однако при наибольшей температуре ХТО, равной 1100±50 °С и более, распределение углерода по толщине имело выраженную неравномерность. Высокотемпературная обработка также способствовала снижению содержания циркония, что было связано с разрушением модифицируемого карбидного слоя. Таким образом, для ХТО стальных образцов с циркониевым слоем использовался режим цементации при минимальной температуре Т = 850-900 °С и выдержке
г = 100-300 °С.
Максимум микротвердости составил 870±70 НУ1, и далее наблюдалось снижение до 690±45 НУ1 на большей глубине индентирования (около 240 мкм), т.е. области структурно-измененной стальной основы (рис. 4). В полученном покрытии не отмечалось наличия трещин и крупных пор. Формировались карбиды, в том числе 2гС, поскольку данные химического анализа показали высокое содержание углерода и циркония. При увеличенной продолжительности выдержки до I = 300 с микротвердость приповерхностной области снижалась до 830±100 НУ1 и вдвое увеличивался разброс значений микротвердости относительно средней величины. На глубине индентирования 30-60 мкм микротвердость заметно снижалась до 610-690 НУ1, что исключало дальнейшее увеличение продолжительности выдержки при ХТО.
ВЫВОДЫ
Методом электроискрового легирования цирконием (сплав Э110) поверхности инструментальной стали Х12МФ формировалась слоистая система «инструментальная сталь Х12МФ - циркониевое покрытие» с высокой микротвердостью 780±50 НУ1 и толщиной слоя около 30 мкм при величине рабочего тока 2-3 А, межэлектродном напряжении 4,8 В и продолжительности процесса не более 4 мин. 88
\ 1
2 v /
Y
юо р Вт 500
Рис. 4. Зависимости микротвердости ИУ1 поверхности покрытия от мощности Р при цементации с применением индукционной обработки при различной продолжительности выдержки: 1 - ^ = 100 с; 2 - ^ = 300 с.
Последующая химико-термическая обработка (цементация) в пасте с применением индукционной обработки (нагрева и выдержки) рассмотренной слоистой системы позволила сохранить металлокерамический слой. Микротвердость полученной структуры составила 870±70 ИУ1 при глубине индентирования до 30 мкм. Данное сочетание микротвердости и глубины модифицированного слоя, а также высокого содержания циркония и углерода достигалось ХТО при температуре Т = 800-950 °С и выдержке не более ^ = 100 с.
Таким образом, полученная слоистая система «инструментальная сталь Х12МФ -карбидное ^гС) покрытие» характеризуется необходимым сочетанием микротвердости и большой глубины модифицированного слоя. Это позволит эффективно использовать штамповый инструмент в условиях трения и скалывания, в частности при формоизменяющих и разделительных операциях листовой штамповки.
Научные результаты получены в рамках гранта Президента Российской Федерации для молодых докторов наук (проект № МД-157.2019.8).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Carpene E., Schaaf P. Formation of Fe3C surface layers by laser plasma cementation / E. Carpene, // Applied physics letters. - 2002. - Vol. 80(5). - pp. 891-893.
2. Блажаев В.В., Иваночкин П.Г., Личковаха А.С. Исследование механических свойств покрытия, наносимого методом электроискрового легирования // Вестник Донского государственного технического университета. - 2014. - № 3. - С. 111-117.
3. Methodology for fabrication of highly pitting corrosion-resistant type 304 stainless steel by plasma carburizing and post-pickling treatment / Y. Sugawara, W. Inoue, I. Muto, N. Hara // Journal of the electrochemical society. - 2018. - Vol. 165(9). - pp. 441-449.
4. Thomas G.D., Samuel J.R. Heat treatment and properties of iron and steel // National Bureau of Standards, Washington. - 1960. - p. 46.
5. Chongxue Z. Assessment of depth of case-hardening in steel rods by electromagnetic methods // Ames, Iowa: Iowa State University. - 2009. - p. 57.
6. Bepari M.M.A. 2.3 Carburizing: a method of case hardening of steel // Comprehensive Materials Finishing. - Elsevier. - 2017. - pp. 71-106.
7. Домбровский Ю.М., Степанов М.С. Микродуговая цементация стальных изделий в порошковых средах // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2013. - № 12. - С. 25-30.
8. Low temperature plasma carburizing of martensitic stainless steel / C.J. Scheuer, R.P. Cardoso, R. Pereira, M. Mafra, S.F. Brunatto // Materials Science and Engineering A. 2012. Vol. 539. pp. 369-372.
9. Мулин Ю.И. Особенности формирования структуры и свойства покрытий, нанесенных методом электроискрового легирования стали // Физика и химия обработки материалов. -2006. - № 4. - С. 60-66.
10. Koshuro V., Fomina M., Fedoseev M. Microstructure and composition of zirconium coatings obtained by electro-spark alloying // Journal of Physics: Conference Series. - 2018. -Vol. 1124(2). - pp. 022008.
11. Okamoto H. C-Zr (Carbon-Zirconium) // Journal of Phase Equilibria. - 1996. -Vol. 17(2). - pp. 162-162.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Федосеев Максим Евгеньевич -
аспирант Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Maksim E. Fedoseev -
Postgraduate, Yuri Gagarin
State Technical University of Saratov
Кошуро Владимир Александрович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Vladimir A. Koshuro -
PhD (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Александр Аман -
Ph.D., руководитель R&D отдела компании «Vollmann Group», Германия
Alexander Aman -
PhD, Head of R&D Department,
Vollmann Group, Germany
Фомин Александр Александрович -
доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleksandr A. Fomin -Dr. Sci. Tech., Head: Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 20.02.20, принята к опубликованию 15.03.20
