CC BY
66
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. № 12
УДК 621.791.927.55
Самотугин С.С.1, Малинов Л.С.2, Самотугина Ю.С.3
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА УПРОЧНЕНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА
Исследовано влияние объемного и плазменного поверхностного упрочнения на характер фазовых превращений, структуру, твердость, ударную вязкость и динамическую трещиностойкостъ высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. С использованием растровой электронной микроскопии изучены механизмы разрушения чугуна в исходном и упрочненном состояниях. Даны рекомендации по выбору способа упрочнения чугуна в зависимости от условий эксплуатации деталей.
Высокопрочный чугун как конструкционный материал широко используется во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают такие ответственные детали и инструмент, как, например, коленчатые и распределительные валы двигателей, прокатные валки, направляющие станков, рабочие органы сельхозмашин и др. Это обусловлено относительно невысокой стоимостью и доступностью чугуна и достаточно высоким комплексом служебных свойств, прежде всего высокой износостойкостью.
Механические свойства высокопрочного чугуна могут быть дополнительно повышены применением термического упрочнения - объемного (при изотермической закалке [1]) или поверхностного (при индукционной закалке [2]). Однако при этом, одновременно с повышением твердости, прочности и износостойкости чугуна, происходит значительное снижение его вязкости. Поверхностное упрочнение более предпочтительно, поскольку сохраняется относительно более вязкой сердцевина детали и упрочненный чугун работает как двухслойный композиционный материал. В тоже время при индукционной закалке чугунных деталей с концентраторами напряжений (выточками, отверстиями, пазами и т.п.) из-за местного чрезмерного перегрева неизбежно образование технологических (закалочных) трещин [3], что значительно сужает область применения такой технологии.
Весьма перспективно использование при поверхностном упрочнении чугунных деталей высококонцентрированных источников энергии - лазерного луча [4] и плазменной струи [5, 6]. Благодаря локальному высокоскоростному тепловому воздействию уровень внутренних технологических напряжений при таком упрочнении значительно ниже, чем при индукционной закалке, что позволяет выполнять поверхностную обработку деталей практически любой формы и размеров без опасности образования трещин. За счет чрезвычайно высоких значений скорости нагрева и охлаждения до 105 ... 10б °С/с [4, 6] при лазерном и плазменном упрочнении чугуна возможно более высокая степень упрочнения (повышения твердости и износостойкости) в сравнении с объемной и индукционной закалкой. Но, несмотря на очевидные преимущества, широкое использование поверхностного упрочнения концентрированными источниками нагрева для изделий из чугуна сдерживается отсутствием результатов фундаментальных исследований структуры и эксплуатационных свойств, прежде всего вязкости разрушения чугуна при таком упрочнении. Важность таких исследований обусловлена тем, что чугуны даже в неуп-рочненном состоянии являются хрупкими материалами и частой причиной выхода из строя чугунных деталей бывают хрупкие микро- и макроразрушения. Наиболее полная и точная оценка трещиностойкости чугуна может быть выполнена методами механики разрушения и фрактографического анализа изломов, которые в последнее время все более широко используются при оптимизации как составов чугунов, так и технологии их термической обработки [7,8].
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, профессор
2 ГТГТУ, д-р техн. наук, профессор
3 ПГТУ, студентка
В настоящей работе исследованы структура, твердость и динамическая трещиностой-кость высокопрочного чугуна ВЧ-80-3 с перлитной основой и шаровидным графитом после плазменного поверхностного упрочнения в сравнении с исходным состоянием и объемной термической обработкой - закалкой, отпуском. Плазменному упрочнению без оплавления поверхности подвергали образцы размером 10x10x55 мм, обработку выполняли поперек одной из боковых граней. Режимы плазменного упрочнения выбирали в соответствии с рекомендациями работы [6]. Полная тепловая мощность плазменной струи (плазмотрон косвенного действия с секционированной межэлектродной вставкой, плазмообразующий газ - аргон), составляла 1,20-105 Вт/см2. Скорость перемещения плазмотрона варьировалась в зависимости от исходного состояния образцов в пределах 20... 30 м/ч.
Упроченные образцы использовали для металлографических исследований на микроскопе «Неофот - 21», измеряли твердости по Виккерсу, проводили испытания на динамическую трещиностойкость по методике [9] с записью диаграмм разрушения в координатах «усилие - время» и определением ударной вязкости и динамического коэффициента интенсивности напряжений. Исследованы несколько вариантов упрочнения - плазменная обработка в исходном состоянии, отпуск после плазменного упрочнения (нагрев в печи до 300 °С, выдержка 1 час, охлаждение с печью), объемная закалка (нагрев в печи до 900 °С, охлаждение в масло), отпуск после объемной закалки по аналогичному режиму, плазменное упрочнение после объемной закалки, то же с последующим отпуском. Результаты испытаний приведены в таблице (средние значения для 10 образцов каждой серии). На изломах образцов выполняли фрактогра-фический анализ на растровом электронном микроскопе РЭМ - 200.
Таблица - Механические свойства высокопрочного чугуна
Вариант обработки Твердость HV Ударная вязкость КС Дж/см2 Динамический коэффициент интенсивности напряжений Кт , МПа-л/м
ДО упрочнения после упрочнения
I. Исходное состояние 240-270 - 3,6 7Д
II. Плазменное упрочнение 240-270 740-810 ЗД 6,2
III. Плазменное упрочнение + отпуск 240-270 675-720 3,3 7,5
IV. Объемная закалка 530-590 - 1,5 4,8
V. Объемная закалка + отпуск 485-520 - 1,9 5,2
VI. Объемная закалка + плазменное упрочнение 530-590 755-800 2,3 5,4
VII. Объемная закалка + плазменное упрочнение + отпуск 485-520 690-725 2,7 6,6
Плазменное упрочнение на оптимальных, принятых в данной работе, режимах вызывает образование на чугуне поверхностной упрочненной зоны (зоны плазменного воздействия -ЗПВ), имеющей форму сегмента окружности с размерами: глубина - 2,4..2,7 мм при обработке в исходном состоянии и 3,0..3,2 при обработке после объемной закалки; ширина - в обоих случаях 12 ± 0,5 мм. В отличие от закалки ТВЧ [3], переходная зона между ЗПВ и исходным металлом не образуется, что можно объяснить, как и для случая лазерного упрочнения [4], высокой концентрацией вводимого тепла. Поверхностных трещин, пор, газовых раковин в ЗПВ не обнаружено. Микроструктура чугуна при различных способах упрочнения приведена на рис. 1, электронные микрофрактограммы изломов - на рис.2.
а)
б)
в)
г)
Рис. 1 - Микроструктура высокопрочного чугуна в различных состояниях: а - исходное; б -объемная закалка; в - плазменное упрочнение; г - участок локального оплавления; х 1000.
Рис. 2 - Характер разрушения высокопрочного чугуна в различных состояниях: а - исходное; б - объемная закалка; в - плазменное упрочнение; г - участок локального оплавления; х400.
В работе установлено, что при плазменном упрочнении чугуна с шаровидным графитом вследствие нагрева до температуры аустенизации и быстрого охлаждения перлитная матрица (рис.1, а) в результате у а - перехода превращается в высоко дисперсный мартенсит (рис.1, в). По данным рентгеноструктурных исследований в структуре ЗПВ имеется также остаточный аустенит (порядка 10%) и полностью сохраняется графит. Твердость чугуна по сравнению с исходным состоянием повышается более чем в 3 раза и значительно превосходит значения, достигаемые при объемной закалке (таблица). Это обусловлено, прежде всего, высокой степенью дисперсности мартенсита и является, как и для сталей [6], одним из основных преимуществ высококонцентрированного нагрева. В то же время плазменное упрочнение вызывает и снижение трещиностойкости - ударной вязкости КС и динамического коэффициента интенсивности напряжений Кх . Охрупчивание чугуна при плазменном упрочнении вызвано снижением работы зарождения трещины в более хрупком металле ЗПВ по сравнению с исходным состоянием. Исходная перлитная матрица разрушается по механизму транскристаллитного скола (рис.2, а) с образованием развитых участков микропластической деформации - «лепестков» и «гребней». Мартенситная основа ЗПВ разрушается по механизму высокодисперсного квазискола (рис.2, в), размер фасеток которого соизмерим с размером мартенситных кристаллов. Частицы графита шаровидной формы как в исходной структуре, так и в ЗПВ не являются концентраторами вторичных микроразрушений - растрескивание вблизи графита обнаружено не было.
В поверхностных слоях ЗПВ металлографическими исследованиями выявлены отдельные участки локального (контактного) оплавления вокруг частиц графита со структурой высокодисперсного ледебурита и мелкими дендритами избыточного аустенита (рис.1, г). Такие уча-
а)
б)
в)
г)
стки являются очагами интеркристаллитного скола на фоне квазискольного разрушения металла ЗПВ (рис.2, г).
Объемный отпуск чугуна после плазменного упрочнения приводит к незначительному снижению твердости (таблица) без заметных изменений в микроструктуре ЗПВ и повышению вязкости - КС при этом остается ниже, чем в исходном состоянии, а К^ - превышает. Это
можно объяснить, по-видимому, снижением внутренних структурных микронапряжений в мартенсите, повышение пластичности которого сопровождается снижением твердости. Разрушение металла ЗПВ после отпуска также происходит по механизму высокодисперсного квазискола. Дальнейшее увеличение температуры отпуска после плазменного упрочнения, выше принятой в данной работе (300 °С), не приводит к заметному повышению КС и К ^ . но твердость в ЗПВ
снижается вплоть до уровня исходного состояния.
Объемная закалка высокопрочного чугуна приводит к резкому снижению его трещино-стойкости (таблица). Крупноигольчатая мартенситная структура объемнозакаленной матрицы (рис.1, б) разрушается при динамическом нагружении по механизму интеркристаллитного скола (рис. 2, б). В участках, прилегающих к частицам графита, обнаружены вторичные микротрещины, направление распространения которых перпендикулярно плоскости излома.
Плазменное упрочнение после объемной закалки приводит к дополнительному повышению твердости - до уровня, соответствующего упрочнению в исходном состоянии (таблица), и незначительному повышению трещиностойкости. Микроструктура и характер развития трещины в металле ЗПВ при комплексном объемно-поверхностном упрочнении аналогично случаю обработки в исходном состоянии (рис.1, в; 2, в): высокодисперсная мартенситная матрица разрушается по микромеханизму дисперсного квазискола. Это позволяет сделать вывод, что твердость, микроструктура и характер разрушения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при плазменном упрочнении как в состоянии поставки (исходном), так и после предварительной объемной закалки идентичны. Аналогично и влияние последующего объемного отпуска после плазменного упрочнения - как при обработке в исходном состоянии, так и после объемной закалки отпуск при температуре 300 °С приводит к незначительному снижению твердости и повышению трещиностойкости, но она все же остается меньшей по сравнению с исходным состоянием.
Выполненные исследования легли в основу разработки технологических процессов плазменного поверхностного упрочнения деталей и инструмента из высокопрочного чугуна -направляющих станков, зернодробильных роликов, валков прокатных станов. Наиболее благоприятный комплекс свойств высокопрочного чугуна достигается при плазменном упрочнении в исходном состоянии - более, чем в 3 раза повышается твердость, износостойкость при незначительном снижении вязкости и трещиностойкости. Последнее может быть компенсировано применением объемного отпуска после поверхностной обработки. Комплексное упрочнение, включающее объемную закалку, плазменную обработку и финишный объемный отпуск, целесообразно только в специальных случаях. При этом необходимо учитывать 1,5-кратное снижение вязкости и трещиностойкости. Для тех чугунных деталей и инструмента, которые эксплуатируются в объемнозакаленном состоянии, плазменное упрочнение несомненно эффективно, так как способствует одновременному повышению и твердости, и трещиностойкости. Таким образом, выбор конкретной технологии упрочнения изделий из чугуна следует осуществлять в зависимости от исходного состояния и условий эксплуатации.
Выводы
1. Плазменное поверхностное упрочнение обеспечивает более высокие значения твердости и динамической трещиностойкости высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по сравнению с объемной закалкой.
2. Твердость, структура и микромеханизм разрушения высокопрочного чугуна при плазменном упрочнении без оплавления поверхности на зависят от его исходного состояния (предварительной обработки) - в зоне плазменного воздействия образуется высокодисперсный мартенсит с характерным для него квазисколом при динамическом разрушении. При этом тре-щиностойкость чугуна при упрочнении в исходном состоянии снижается, а в объемнозакален-
ном - повышается. Эффективным методом дополнительного повышения трещиностойкости упрочненного чугуна является финишный объемный отпуск.
Перечень ссылок
1. Влияние изотермической закалки на свойства и структуру высокопрочного чугуна / Л. С. Малиное, А.П. Чейлях, В.Л. Малиное и с)/;.//Металловедение и термическая обработка металлов. - 1992. -№ 10. - С.27-29.
2. Яковлев Ф.И. О превращениях при индукционном нагреве перлитного и ферритного чугуна с шаровидным графитом // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1987. -№ 6. - С. 2-5.
3. Головин Г.Ф., Замятнин М.М. Высокочастотная термическая обработка. - Л.: Машиностроение, 1990. -239 с.
4. Molían P.A., Baldwin М. Wear Behavior of laser surface - hardened gray and ductile cast irons // Translations of the ASME. - 1986. - V. 108. - P. 326-333.
5. Упрочнение чугунных валков методом плазменной закалки / A.A. Бердников, B.C. Демин, Е.Л. Серебрякова и др. II Сталь. - 1995. - № 1. - С. 56-59.
6. Лещинский Л.К., Самотугин С.С., Пирч И.И., Комар В.И. Плазменное поверхностное упрочнение. - К.: Техника, 1990. - 109 с.
7. Смирнова Л.Н., Щеглюк H.H. Особенности разрушения ферритного чугуна с шаровидным графитом // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1989. - № 4. - С. 17-20.
8. Куликов В.И., Беляков А.И. Микроструктура низколегированного чугуна с шаровидным графитом и высокой трещиностойкостью // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1986. - № 8,- С. 42-46.
9. Определение характеристик трещиностойкости углеродистых сталей, упрочненных плазменной струей / С. С. Самотугин, Л. К. Лещинский, И. И. Пирч и др. II Заводская лаборатория. - 1985 -№ 7 -С. 69-71.
Самотугин Сергей Савельевич. Д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты» , окончил Ждановский металлургический институт в 1981 году. Основные направления научных исследований - обработка материалов высоко-концентрироваными источниками энергии, прочность и работоспособность изделий с поверхностным упрочненным слоем.
Малинов Ленид Соломонович. Д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение», окончил Уральский политехнический институт им. С.М. Кирова в 1956 году. Основные направления научных исследований - разработка экономнолегированных высокопрочных и износостойких сплавов, а так же способов обработок, основанных на принципе получения в структуре наряду с другими составляющими метастабильного аустенита, регулирования его количества и стабильности применительно к конкретным условиям нагружения. Самотугина Юлия Сергеевна. Студентка гр. ММ-97. Направление исследований - обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии.
Статья поступила 19.03.2002
