автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Повышение срока службы деталей машин и инструментов при помощи плазменного циклического поверхностного упрочнения

РГ б од

БАЛАНОВСКИЙ АНДРЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ ~ 3 МАЙ 2ЭД-1

ПОВЫШЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ИНСТРУМЕНТОВ ПРИ ПОМОЩИ ПЛАЗМЕННОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Специальность 05.03.06 "Технология и машины сварочного производства"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БАЛАНОВСКИЙ АНДРЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

Повышение срока службы деталей машин и инструментов при помощи плазменного циклического поверхностного упрочнения

Специальность 05.03.06 "Технология и машины сварочного производства"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете (ИрГТУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук Н.А.Нестеренко (ИрГТУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Л.А.Ефименко

кандидат технических наук, доцент Р.Д.Бакаева

Ведущее предприятие: ОАО "Ангарская нефтехимическая компания"

Защита диссертации состоится 2000 г: в ауд. ля

в часов " мин}' г на заседании специализированного

Совета Д.53.27.13 Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу 117917, Москва, Ленинский проспект, 65

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах просим направить в адрес ученого секретаря специализированного совета РГУНГ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина

.Автореферат разослан

г.

Ученый секретарь специализированног

д.т.н.

Е.Е.Зорин

К557,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение срока службы деталей машин и инструментов в условиях экономического спада производства является важнейшей задачей машиностроения. В связи с этим представляется актуальным разработка новых технологических процессов, продлевающих срок службы деталей и инструментов. Большие перспективы открывают методы поверхностного упрочнения металлов концентрированными источниками нагрева, в частности, плазменный нагрев.

Материал, накопленный за период с 1984 по 1997 гг. по плазменному упрочнению деталей машин и инструментов в различных отраслях народного хозяйства, показывает, что в процессе эксплуатации упрочненных изделий возникают дефекты, приводящие к интенсивному износу, трещинообразованию и разрушению изделий. Анализ характера дефектов позволил предположить, что снижение износостойкости и трещиностойкости обусловлено структурным и водородным факторами и фактором напряжений.

Дальнейшее совершенствование процессов плазменного упрочнения может быть достигнуто при устранении указанных недостатков. Изучение существующих методов упрочнения показало, что этому условгао отвечает способ плазменного циклического упрочнения металлов (положительное решение ВНИИГПЭ на выдачу авторских свидетельств по заявке № 499182).

Цель работы - разработка способа и технологии плазменного циклического поверхностного упрочнения на основе установления особенностей структурообразования и влияния водорода на эксплуатационные свойства упрочненного слоя.

Научная новизна работы. Показано, что в процессе плазменного упрочнения металлов происходит наводороживание

поверхностного слоя. Наводороженная структура мартенсита обладает повышенной склонностью к трещинообразовангао в результате развития обратимой водородной хрупкости при положительных температурах и необратимой водородной хрупкости при отрицательных.

При плазменном циклическом упрочнении имеют место многократные структурные и фазовые превращения, снижающие степень неоднородности аустенита, что обеспечивает получение в упрочненном слое высокодисперсной структуры мартенсита, обладающей высокими показателями износостойкости и трещиностойкости по сравнению со структу рой мартенсита, образующегося в процессе плазменной закалит. Многократные циклы нагрева способствуют дегазации поверхностного слоя металла, что устраняет влияние водородного фактора.

Материалы и методы, исследования. При лабораторных исследованиях применялись методы металлографического, локального химического, рентгеноструктурного анализов, фрактография. Механические свойства и износостойкость изучались как по известным, так и по специально разработанным методикам. Для определения содержания диффузионного водорода использовался метод карандашных проб, а остаточного водорода - метод вакуум-нагрева при температуре 600С. При всех количественных измерениях обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики. Исследовались стали марок 20, 30, 45, 15Х, 20Х, 65 Г, ЗОХГСА, 40Х, 45ХН, 9ХФМ, У8. Для проведения экспериментов по плазменному упрочнению использовалась установка, разработанная в ИрГТУ.

Практическая ценность. На основе проведенных исследований разработаны и внедрены:

1. Технология плазменного циклического упрочнения дереворежущего инструмента, позволяющая повысить его

б

износостойкость в 1,8 - 2,5 раза по сравнению с плазменной закалкой. Технология внедрена на предприятиях лесопиления г. Иркутска АО "Брок-Сиб", ПО "Востсиб-взрывпром", МП "Орион", ТЖХ г. Иркутска и др.

2. Технология плазменного циклического упрочнения медицинского инструмента, внедренная в Иркутском НИИ травматологии и ортопедии.

3. Технология плазменного циклического упрочнения деталей железнодорожного транспорта, внедренная на ВСЖД (г. Иркутск).

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования процесса паводороживания поверхностного слоя металла при различных способах плазменного упрочнения. Особенности кинетики диффузионного перераспределения водорода в упрочненном слое. Результаты оценки влияния водорода на механические свойства упрочненного слоя.

2. Особенности структурообразования при плазменном циклическом упрочнении металлов. Рез}гльтаты металлографических, рентгеноструктурных, фрактографичсских исследований, испытаний на износостойкость упрочненных материалов.

3. Способ плазменного циклического упрочнения деталей машин и инструментов. Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний упрочненных изделий.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзной конференции "Прогрессивные способы сварки в машиностроении" (г. Красноярск, 1991 г.); международной научно-технической конференции "Сварка, пайка, нанесение покрытий и восстановление изношенных деталей" (г. Тольятти, 1992 г.); международной научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей

машин" (г. Волгоград, 1992 г.); международной научно-технической конференции "Металлургия сварки и сварочные материалы" (г. Санкт-Петербург, 1993 г.); научных семинарах кафедры сварки ГАНГ им. И.М.Губкина (г. Москва, 19931994 гг.); научных семинарах кафедры сварочного производства ИрГТУ (г. Иркутск, 1993-1999 гг.); научно-технических конференциях машиностроительного факультета ИрГТУ (г. Иркутск, 1992-1997 гг.)

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 работ, получено положительное решение В11ИИГПЭ по заявке на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 213 наименований, содержит 169 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы задачи исследований, основные результаты, представленные к защите, кратко изложено содержание работы.

II е п и а я г л а в а посвящена анализу причин преждевременного выхода из строя деталей машин и инструментов, упрочненных при помощи плазменного нагрева. Показано, что основными дефектами являются трещины, сколы, выкрашивание рабочей поверхности. Первопричиной всех дефектов, образующихся в упрочненном слое, являются микротрещины, которые инициируют образование дефекта.

Возникновение микротрещин может происходить в процессе плазменного упрочнения, после упрочнения,

после однократного цикла работы, по истечению определенного промежутка времени.

Фактический материал, собранный и систематизированный автором, позволил изучить топографию дефектов, образующихся в упрочненном слое, и подсчитать количественную долю каждого (Рис.1). Из рисунка видно, что при плазменном упрочнении инструмента основными дефектами являются выкрашивание и сколы, а при упрочнении деталей машин - трещины. Микрофрактграфические исследования упрочненных изделий показали: упрочненная зона имеет более дисперсный, по сравнению с исходной структурой, микрорельеф излома, а по вязкости разрушения представляет собой квазихрупкое разрушение;

- развитие магистральной трещины, приводящей к скалыванию режущей кромки или выкрашиванию локального объема упрочненного металла, сопровождается образованием сетки микротрещин в вершине трещины;

- по структурному признаку разрушение происходит по телу зерна или границам зерен и субзерен.

Известно, что возникновению микротрещин способствуют три фактора - структурный, водородный и фактор напряжения.

Структурным фактор рассмотрен в работах по плазменному упрочнению Л.К.Лешинского, С.С.Самотупша, В.С Крапошина и других авторов, где приводится оценка трещиностойкости упрочненных материалов из сталей 45, 50ХН, 65X3МФ, М76, 9ХФ, ЗОХГСА, 150ХНМидр. Показано, что с увеличением степени дисперсности мартенсита увеличиваются износостойкость и трещиностойкость упрочненных слоев. Для дальнейшего увеличения износостойкости и трещиностойкости структуры упрочненного слоя необходимо снизить высокий градиент микротвердости по глубине упрочненного слоя.

Трещины Выкрашштнис

б)

Рис. 1. Топография дефектов в упрочненном слое металла (а); распределение дефектов в упрочненном слое по частоте их образования для инструмента и деталей машин (б) за период

1984-1997 гг.

Фактор напряжений, возникающий при поверхностном упрочнении материалов, более подробно исследован для способов лазерного и электроннолучевого упрочнения в работах Л.И.Миркина, Н.Н.Рыкалина, А.А.Углова, И.В.Зуева, В.С.Коваленко, В.М.Андрияхина, А.Г.Григорьянца и других авторов.

Установлено, что при поверхностном упрочнении металлов имеет место крайне неравномерное распределение температур как по глубине обрабатываемого металла, так и по его поверхности. Вследствие этого распределение остаточных напряжений характеризуется высокими градиентами. Это снижает показатели износостойкости и трещиностойкости.

Водородный фактор, который, как известно, может усилить действие других факторов в сталях с содержанием углерода 0.4-1.2% и стать доминирующим в сталях с содержанием углерода 0,15-0,4%, в литературе по поверхностному упрочнению не рассмотрен.

Проведенные нами исследования на различных сталях показали, что в зависимости от способа плазменного у прочнения содержание водорода в упрочненном слое различно (Рис. 2). Анализ источников попадания водорода в металл при различных способах плазменного упрочнения выявил, что главными источниками водорода являются охлаждающие в легирующие жидкости, легирующие пасты и обмазки, загрязнение поверхности, влажность плазмообразующего газа.

Известно, что наводороживание в процессе различных технологических операций (объемная закалка, сварка, токарная и фрезерная обработка и т. д.) отрицательно сказывается на механических свойствах металла. В связи с этим необходимо оценить влияние водородного фактора на износостойкость и трещшюстойкость упрочненных изделий в совокупности со структурным фактором и фактором напряжений.

Обзор литературы по поверхностному упрочнению, водородной хрупкости металлов и фактический материал, собранный автором, позволили сформулировать основные задачи исследования:

- оценка влияния параметров режимов плазменного упрочнения на наводороживание поверхностного слоя металла;

- изучение кинетики перераспределения водорода в упрочненном слое и исследование влияния водорода на износостойкость и трещиностойкость;

Нсум, СМ3/1()0г

ЗОХГСА Сталь 45 60ХН Стапь 20 9ХФМ

Нсум, смЗ/¡О0г

Плазменная закалка Плазменная закалка Плазменное Плазменное

е режиме дуги с в жидких средах легирование из легирование из оплавлением твердой фазы газовой фазы

б)

Рис. 2. Наводороживание поверхностного слоя металлов при плазменной закалке (а) и при различных способах упрочнения (б; Сталь 45)

- разработка мероприятий по снижению содержания водорода в упрочненном слое;

- исследование влияния плазменного циклического нагрева и охлаждения на структуру и свойства поверхностного слоя металла;

12

- разработка и внедрение технологий упрочнения деталей и инструментов.

Вторая глава посвящена исследованию факторов, влияющих на наводороживание поверхностного слоя металла при плазменном упрочнении.

В качестве основных технологических факторов были рассмотрены мощность плазменной струи, составы плазмообразующего газа, жидкой среды, легирующих паст, расход плазмообразую щего газа, скорость обработки, дистанция обработки, диаметр сопла плазмотрона, толщина слоя легирующей пасты, легирующие жидкости, шероховатость упрочняемой поверхности.

Оценка влияния технологических факторов на процесс наводороживания проведена для различных способов плазменного упрочнения: упрочнение в жидких средах, легирование из твердой и газовой фаз, закалка в режиме струи (дуги).

Из проведенных экспериментов следует, что с увеличением мощности плазменной струи (дуги), диаметра сопла плазмотрона, толщины жидкой прослойки и легирующей насты суммарное содержание водорода в упрочнешюм слое возрастает, и уменьшается с увеличением расхода плазмообразующего газа, скорости обработки.

Наибольшее содержание водорода в упрочненном слое зафиксировано при плазменном легировании из твердой фазы НСуМ = 7,2-10 смЗ/]()()г; при упрочнении в жидких средах Нст = 4,2 - 6,2 см-/ю0г» а наименьшее - при плазменной закалке без оплавления поверхности - 0,9 - 1,8 см^/юОг-

Исследования диффузионной подвижности водорода в упрочненном слое по методикам Г.Л.Петрова. И.И.Боровушина. В.В.Фролова, Н.А.Нестеренко показали:

- диффузионная подвижность водорода в упрочненном слое со структурой высокодисперсного мартенсита в интервале температур -40...+20С отличается от диффузионной подвижности водорода в мартенситной структуре ЗТВ при

сварке, объемной термообработке. Коэффициент диффузии составляет 2,310~8 " 1,8-Ю"9 см^/с (плазменная закалка без оплавления);

- количество дефектов кристаллической структуры в упрочненном слое в 1,5 - 3 раза больше по сравнению с объемной закалкой, что способствует увеличению доли остаточного водорода в упрочненном слое и накоплению его в дефектах неравновесной структуры в процессе вылеживания при отрицательных температурах.

В работах В.В.Фролова, Г.Л.Петрова, Р.А.Козлова, В.И.Махненко, Э.Л.Макарова, Н.И.Егорова. В.А.Кархина и других авторов показано, что водород способствует образованию трещин в связи с его высокой подвижностью и способностью накапливаться в определенных, локальных областях металла.

С целью определения влияния отрицательных температур на содержание водорода в упрочненной и переходной зонах была составлена программа для расчета распределения водорода в упрочненном слое металла, в которой использовались алгоритм расчета, заложенный в программ}' "ЛТП-2" "'Водород", а также алгоритм расчета, предложенный И.К.Походной и Л.И.Демченко. Нестационарное состояние потока водорода при диффузии в двух измерениях описывалось вторым законом Фика.

Расчет показал, что после упрочнения процессы перераспределения и удаления водорода в атмосферу при температуре +20С развиваются в течение 30 часов. Снижение температуры до -20С вызывает замедление диффузионных процессов в упрочненном слое. При этом максимальная концентрация водорода в упрочненном слое с мартенситной структурой сохраняется в течение суток, что увеличивает вероятность перехода диффузионного водорода в остаточный и образование трещин в упрочненном слое. Зависимость содержания водорода в упрочненной, переходной зонах и сопротивляемость сталей 20,30 образованию холодных трещин от температуры среды соотносятся таким образом, что в одних и тех же температурных интервалах высокому содержанию

водорода соответствует низкое сопротивление хрупкому разрушению. Таким образом показано, что водородный фактор при упрочнении сталей с содержанием углерода 0,1 - 0,3% является основной причиной трещинообразования.

Для дальнейшего развития математического моделирования процесса перераспределения водорода в упрочненном слое металла необходимо точно определить, за счет чего осуществляется перенос атомов водорода в упрочненном слое металла. Учитывая, что в процессе упрочнения в поверхностном слое зафиксировано большое количество дефектов кристаллической структуры, которые могут являться ловушками водорода, гипотеза транспортировки атомов водорода дислокациями предпочтительна по сравнению с другими.

Третья глава посвящена оценке влияния водородного фактора на эксплуатационные свойства упрочненного слоя металла и разработке практических рекомендаций по снижению содержания водорода в упрочненном слое. В ходе исследований были выделены дефекты упрочненного слоя, которые могут образовываться только под воздействием водорода или в сочетании с другими факторами. К таким дефектам относятся поры, трещины, сколы, флокены, снижение пластичности и ударной вязкости.

Исследование механических свойств,а , КС сталей

20, 30, 45 показало резкое снижение пластичности и ударной вязкости при содержании водорода в упрочненном слое в пределах 2,8-3,6 см^/]()0г- Оценка склонности упрочненного слоя на сталях 20, 30, 45 к замедленному разрушению выявила снижение критического напряжения разрушения в 1,5-3,5 раза при увеличении содержания водорода в упрочненном слое. Резкое уменьшение сопротивляемости замедленному разрушению установлено при отрицательных температурах.

В процессе '"вылеживания" при положительной температуре происходит полное или частичное восстановление пластичности. При этом скорость десорбции водорода и восстановление пластичности тем больше, чем меньше сечение

образца и содержание углерода в стали. Более эффективным методом восстановления пластичности и увеличения скорости десорбции водорода является отпуск при Тотп = 150-300С.

Испытания на трещиностойкость проводились по методике Л.К.Лещинского и С.С.Самотугина на ударный изгиб с осциллографированием процесса разрушения в координатах "усилие - время". Исследованные стали подвергались плазменному упрочнению на трех режимах, обеспечивающих:

- максимальную степень упрочнения;

- 1,5- и 2-кратное повышение твердости.

При каждом режиме упрочнения оценивалось влияние содержания водорода на энергетические критерии трещиностойкости: ударную вязкость КС, работу зарождения трещины КСз; на кинетические - скорость распространения трещины V; и на силовые - максимальное усилие разрушения Р

и коэффициент интенсивности напряжений к,1 . Для сравнения

испытывались ненаводороженные образцы, прошедшие аналогичное плазменное упрочнение по вышеназванным режимам. Испытания проводились сериями через 30 мин., 90 мин., 2, 4, 6, 8, 16 и 24 часа "вылеживания".

Экспериментально установлено, что влияние водородного фактора на трешиностойкость упрочненных образцов из стали 45 проявляется после 8-10 часов "'вылеживания". Значения ударной вязкости уменьшаются в 1,5-3 раза вследствие снижения работы зарождения трещины в упрочненном слое по мере увеличения содержания водорода. Значения работы распространения трещины практически не изменяются, так как определялись по осциллограмме на стадии стабильного распространения трещины в материале с исходной структурой. Коэффициент интенсивности напряжений снижается на 25-50%. Фрактографический анализ изломов позволил выявить некоторые особенности водородного влияния:

- микрорельеф наводороженных образцов отличается большим количеством микродефектов, микротрещин, пор с включением оксидов и сульфидов;

- микрорельеф наводороженных образцов при упрочнешги с оплавлением поверхности имеет следы водородного охрупчивания по границам зерен.

Кроме указанных выше особенностей, на изломах наводороженных образцов из сталей 65Г, 45ХН обнаружены дефекты, напоминающие дефекты "рыбий глаз", образующиеся при сварке.

Таким образом, водородный фактор усиливает действие структурного фактора и, как следствие, возрастает склонность упрочненного слоя металла к образованию трещин.

Наибольшее внимание в работе уделено исследованию износостойкости. При выборе методики испытаний на износостойкость учитывались условия эксплуатации деталей машин и инструментов, по которым собран фактический материал катастрофического износа и разрушения. Наиболее часто встречаются следующие условия трения: "металл по металл}'" при наличии абразивной среды; "металл - абразивная среда". В связи с этим для экспериментов была принята методика испытания при трении и ударе об абразивную поверхность. Испытания проводились на универсальной установке, которая позволяет производить эксперименты при трении о монолитный или единично закрепленный абразив. Так же. как и в случае исследований на трещиностойкостъ. испытывались образцы из сталей 20,45, упрочненные по вышеназванным режимам и содержащие водород в упрочненном слое от 0,8 до 8 смЗ/'1 ((о,-. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наводороживание поверхностного слоя металла снижает износостойкость в 1,5-5 раз. Резкое снижение износостойкости упрочненных образцов под воздействием водорода проявляется при его содержании в припо-верхностном слое свыше 1.2 смЗ/юОг-

Изучение поверхностей изношенных наводороженных образцов показало, что при трении об абразив доминирующим процессом является микрорезание. Это обусловлено снижением пластических свойств упрочненного слоя в результате

наводороживания и, как следствие, уменьшением сопротивляемости изнашиванию.

Влияние дополнительного наводороживания упрочненного слоя в процессе трения оценивалось по методике Д.Н.Гаркунова и А.А.Полякова. Установлено, что с увеличением температуры в зоне фрикционного контакта скорость наводороживания поверхностного слоя увеличивается. Фрикционное взаимодействие в значительной мере способствует активизации диффузионных процессов в поверхностном слое металла. Вследствие того, что при трении максимальная температура нагрева в зоне контакта находится на глубине 0,02-0,05 мм (Конобеевский, А.А.Поляков), возникает эффект двух потоков водорода в зош' с максимальной температурой. Поток водорода, находящийся в упрочненном слое металла до трения, и поток водорода, образовавшийся после трения. В результате в подповерхностном слое упрочненных образцов образуются зоны с повышенным содержанием водорода, что вызывает интенсивное изнашивание.

Испытания на торцевой машине трения пары трения "сталь 45 - рстинакс"' при нагрузке 2-20 МПа и ступенчатом увеличении оборотов от 300 до 3000 об/мин показали, что паводороженные образцы изнашиваются интенсивнее в 1,5-2,5 раза по сравнению с ненаводороженными. При содержании водорода в упрочненном слое 2,2 см3/юог проявляется водородный износ в виде мгновенного разрушения поверхности на глубину 0.10,5 мм.

Проведенными исследованиями установлено, что присутствие водорода в упрочненном слое увеличивает склонность к трещинообразованию, снижает износостойкость и вызывает мгновенное разрушение поверхностного слоя. В связи с этим потребовалось разработать метод, который позволил бы устранить или снизить влияние водородного фактора, повысить трешино- и износостойкость уточненного слоя.

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке метода плазменного циклического упрочнения металлов. Анализ

характера разрушения упрочненных изделий, литературы по многоцикловой термообработке металлов, а также работ Н.Н.Рыкалина, Л.К.Лещинского, С.С.Самотугина, В.С.Крапошина показал, что повысить ударную вязкость и пластичность упрочненного слоя при сохранении прочностных свойств возможно путем увеличения работы зарождения и распространения трещины.

Для решения этой задачи были проведены эксперименты по оценке влияния скорости нагрева и охлаждения на структуру упрочненного слоя. Выявлено, что с увеличением скорости нагрева 3-102"4-Ю4С/с происходит изменение механизма

ОС —^ у превращения. Перлит превращается в аустенит но диффузионному механизм}', а свободный феррит - по бездиффузионному. Аустенит, образующийся из перлитных колоний, имеет высокую концентрацию углерода, а аустенит, образующийся из свободного феррита - низкую концентрацию углерода и существует не только внутри бывшего зерна феррита, но и между бывшими ферритными и перлитными участками. Признаки незавершенности процесса аустенизации при плазменном нагреве с различной скоростью обнаруживаются в пределах перлитных колоний.

С увеличением скорости нагрева поверхностного слоя резко уменьшается критический размер зародышей, и зерна аустенита начинают образовываться не только по границам зерен феррита, но и по границам блоков дефектов кристаллической структуры. Изучение тонкой структуры упрочненного слоя показало, что в интервале скоростей нагрева 500-5000 С/с размер блоков уменьшается в 1,5-3 раза, а плотность дислокаций увеличивается в 1,2-2,5 раза, вследствие этого происходит замедление процессов рекристаллизации.

Исследования показали, что для получения высокодисперсной структуры мартенсита в упрочненном слое, необходимо подготовить к этому аустенит путем проведения полной фазовой перекристаллизации. Для выполнения этого условия необходимо использовать многоцикловое плазменное

упрочнение, сущность которого заключается в многократном прохождении структурных и фазовых превращений в поверхностном слое. Так, если при плазменной закалке структура поверхностного слоя характеризуется начальным и конечным состоянием, то при многоцикловом упрочнении структура перед каждым циклом разная, что влияет на условие прохождения последующих фазовых превращений, их механизм и кинетику. При этом важной особенностью цикла является его интенсивность, наличие или отсутствие выдержек при крайних температурах, оптимальный диапазон изменения температуры цикла.

К основным параметром процесса плазменного циклического уп-рочнения относятся мощность плазменной струи (дуги), диаметр сопла плазмотрона, расход плазмообразующего газа, дистанция обработки, скорость обработки, количество циклов упрочнения, температурновременной режим процесса (схема процесса).

При обработке по схеме нагрева поверхностного слоя с различ-ными скоростями нагрева в цикле (V] < \г2 < уз < ... < уп' "T1<T2<T3< ... < Тл) установлено:

1. Оптимальное количество циклов, при котором в струтуре поверхностного слоя происходят изменения, зависит от содержания углерода в стали, и с увеличением последнего оно уменьшается.

2. Структура у прочненной зоны состоит из нескольких слоев. Первый слой - высокодисперсный мартенсит с высокой твердостью, полученный при охлаждении из области гомогенного аустенита; второй слой - высокодисперсный троостити сорбит, образовавшийся в результате нагрева металла шоке точки Ас[. Граница между слоями достаточно резкая, что обусловлено температурновременными условиями процесса.

Размер действительного зерна аустенита на стали 45 в первом цикле составил 8 баллов, во втором 12, в третьем 15 баллов; дальнейшего измельчения зерна в последующих циклах на обнаруживалось. Рентгеноструктурным анализом выявлено, что

от цикла к циклу происходит насыщение мартенсита углеродом, которое достигает максимума к 5 цикл)'.

Исследование тонкой структуры показало возрастание количества дефектов кристаллической структуры от цикла к циклу, что приводит к повышению микротвердости высокодисперсной структуры мартенсита. Распределение остаточных напряжений по глубине упрочненного слоя также претерпевает сильное изменение от цикла к циклу. После первого цикла глубина залегания остаточных напряжений небольшая, а их градиент очень высокий. После пяти циклов в результате структурных изменении и увеличения количества дефектов кристаллической структуры распределение остаточных напряжений характеризуется, во-первых, увеличением остаточных напряжений сжатия, во-вторых - более плавным переходом по глубине упрочненного слоя от напряжений сжатия к напряжениям растяжения. Снижение градиента напряжений по глубине слоя должно способствовать повышению трещиностойкости.

Плазменное циклическое упрочнение по схеме (Т = const, V1 = v2= v3 = vn)> было осуществлено на сталях 20, 30, 40Х, 2ОХ, 30ХГСА, 9ХФ, 65Г, У8. Для легированных сталей типа 15Х, 20Х, 40Х, 9ХФ, 30ХГСА изменение значений микротвердости после 3-го цикла характеризуется максимумами и минимумами. Это связано с накоплением дефектов кристаллической структуры в процессе упрочнения, вызывающим возрастание твердости, и их аннигиляцией, вызывающей снижение твердости.

При испытаниях на износостойкость исследовались различные условия трения. В условиях сухого трения скольжения на машине "Фрикцион-П" показатель износостойкости упрочненного слоя стали 45, прошедшей плазменное циклическое упрочнение, от цикла к циклу возрастает. При этом с увеличением количества циклов величина коэффициентов трения и износа снижается, что обусловлено изменешгем дисперсности мартенсита.

Исследования износостойкости пары "сталь 45 - бронза" в условиях трения скольжения на машине "СМ-2" проводились при ступенчатом увеличении нагрузки от 80 до 200 кг. Динамика износа при действии каждой величины нагрузки в течение 2,5 часов работы пары трения показана, что в период приработки скорость износа резко возрастает до определенного значения, затем наступает уменьшение скорости износа. С повышением степени дисперсности мартенсита от цикла к циклу протяженность участка замедленного износа увеличивается. В связи с этим время до наступления стадии катастрофического износа возрастает.

Таким образом, структурные превращения в поверхностном слое после плазменного циклического упрочнения изменяют условия износа стали 45, что приводит к увеличению износостойкости по сравнению с плазменной закачкой.

Испытания упрочненных образцов из статей 45,30, 20,40Х, 65Г, 9ХФ, У8 в условиях трения "металл по металлу" с абразивной прослойкой показали повышение износостойкости от цикла к циклу.

Исследованиями сопротивляемости стали образованию трещин и разрушению под действием ударных нагрузок выявлено, что ударная вязкость упрочненных образцов возрастает от цикла к цикл)'. Измельчение размера зерна аустенига от цикла к циклу существенно сказывается на хладостойкости стали, которая возрастает в 1,5-2 раза по сравнению с плазменной закалкой.

Фрактографическим анализом изломов сталей 20, 45, 40Х, 9ХФ установлено, что размер фасеток скола связан с размером зерна аустенита. Наиболее мелкие фасетки скола наблюдаются после 3-5 циклов упрочнения, что соответствует 13-15 баллу зерна аустенита. Кроме того, слоистое строение упрочненного слоя способствует образованию ступеней на границе слоев закалки и отпуска, что говорит о торможении трещины. В связи с этим трещиностойкость сталей после плазменного циклического упрочнения возрастает в 1,2-2 раза.

Таким образом, использование плазменного циклического упрочнения позволяет получить в упрочненном слое высокодисперсные структуры, обладающие высокой твердостью и пластичностью, что приводит к увеличению в 1,5-2 раза износостойкости и трещиностойкости по сравнению с традиционными способами плазменного упрочнения.

При оценке водородного фактора учитывалось, что в процессе плазменной закалки зафиксировано минимальное содержание водорода в упрочненном слое. Проведенные эксперименты показали, что с увеличением скорости нагрева и сокращением длительности процесса от цикла к циклу содержание водорода в упрочненном слое сокращается и приближается к исходному содержанию водорода в металле (до упрочнения). Это объясняется тем, что при повторных нагревах процесс десорбции водорода из упрочненного слоя доминирует над процессом насыщения. В связи с этим водородный фактор при плазмешюм циклическом упрочнении устраняется. Кроме того, структура упрочненного слоя обладает низкой склонностью к наводороживанию в процессе трения по сравнению со структурой, получаемой в процессе плазменной закалки. Это позволяет рекомендовать использование плазменного циклического упрочнения для деталей и инструментов, работающих в водородсодержащих средах.

В пятой главе представлены мероприятия по сшшетпо содержания водорода в упрочненном слое для существующих способов плазменного поверхностного упрочнения, а также технологии плазменного циклического упрочнения деталей машин и инструментов.

С учетом проведенных исследований особенностей структурообразования при плазменном циклическом упрочнении и оценке влияния водорода на износостойкость и трещиностойкость были разработаны технологии упрочнения деталей и инструментов.

Плазменное циклическое упрочнение рамных и дисковых пил устраняет выкрашивание и сколы режущих кромок, снижает интенсивность наводороживания в процессе пиления, что

обеспечивает высокую износостойкость и трещиностойкость инструмента. Испытания, проведенные на предприятиях лесопиления г. Иркутска, показали, что срок службы рамных пил увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению с пилами, упрочненными плазменной закалкой.

Плазменное циклическое упрочнение деталей пассажирских и грузовых вагонов позволило увеличить срок службы шпинтонов в 2-3 раза, втулок шпинтонов - в 3 раза, в&чиков подвески - в 2 раза, колесных пар - в 2-3 раза.

Результаты внедрения технологий плазменного циклического упрочнения в различных отраслях промышленности согласуются с результатами научных исследований и подтверждаются соответствующими актами, прилагаемыми к работе.

Общие выводы по работе.

1. Анализ фактического материала и проведенные исследования показали, что при плазменном упрочнении металлов инициатором образования трещин в упрочненном слое наряду со структурным фактором и фактором напряжения является водород.

2. Плазменное поверхностное упрочнение в режиме струи (дуги) легированием из твердой, жидкой, газовой фаз сопровождается наводороживанием металла в пределах НСуМ = 0,5-10,5 см^/юог-

3. Определяющим в процессе наводороживания является технологический фактор. При увеличении мощности плазменной струи, диаметра сопла плазмотрона, дистанции упрочнения, толщины жидкой прослойки или легирующей пасты, влажности плазмообразующего газа содержание водорода в упрочненном слое увеличивается, и с увеличением скорости обработки, расхода плазмообразующего газа, коэффициента перекрытия - уменьшается.

4. Большое количество дефектов кристаллической структуры упрочненного слоя способствует увеличению и накоплению доли остаточного водорода в условиях отрицательных

температур, что приводит к развитию необратимой водородной хрупкости.

5. Наводороживание поверхностною слоя детали снижает показатели износостойкости в 1,5-2 раза. При трении в водородсодержащих средах происходит дополнительное наводороживание поверхностного слоя металла, что вызывает интенсивное микровыкрашивание слоя на глубину 0,5-2 мм.

6. Экспериментально установлена возможность получения в поверхностном слое металла высокодисперсных структур мартенсита, обладающих высокими значениями трещиностойкостн и износостойкости, при помощи плазменного циклического упрочнения.

7. Установлено, что регулирование скорости нагрева и охлаждения от цикла к циклу приводит к измельчению зерна аустенита, к получению тонкой структуры, что увеличивает износостойкость в 1,5-2 раза по сравнению с плазменной закалкой.

8. В процессе плазменного циклического упрочнения формируется слой, состоящий из двух зон: зона высокодисперсного мартенсита и зона высокодисперсных структур отпуска - троостита и сорбита. В результате снижаются градиенты микротвердости и остаточных напряжений по глубине и ширине упрочненного слоя.

9. Плазменное циклическое упрочнение металлов приводит к повышению трещиностойкостн по сравнению с плазменной закалкой, что объясняется изменением микромеханизма разрушения, переходом от межзеренного к высокодисиерсному внутризеренному квазисколу в слое закалки, а в слое отпуска -энергоемкому микровязкому разрушению. В связи с этим значения ударной вязкости увеличиваются в 1,5-2 раза по сравнению с плазменной закалкой при испытаниях в условиях отрицательных температур.

10. Установлено, что с увеличением числа циклов нагрева и охлаждения происходит дегазация поверхностного слоя металла вследствие снижения скорости массообмена на границе системы "газ - твердое тело" и доминированием процессов десорбшш

водорода из упрочненного слоя над процессами адсорбции. Это приводит к снижению содержания водорода в упрочненном слое от цикла к циклу.

11. На основании проведенных исследований разработаны и внед-рены технологии плазменного циклического упрочнения дереворежущего, хирургического инструмента, деталей подвижного состава. Износостойкость изделий, упрочненных разработанным способом, в 1,5-3 раза выше по сравнению с результатами, получаемыми при помощи плазменной закалки.

Публикации по теме диссертации:

1. Балановский А.Е., Нестерснко H.A. Плазменная циклическая обработка сварных соединений. // Прогрессивные процессы сварки в машиностроении: Тез. докладов Всесоюзной научнотехнической конференции. Красноярск, 1991 . - С. 108-109.

2. Балановский А.Е., Нестеренко H.A., Токмаков В.П. Прогрессивная технология плазменного циклического упрочнения металлов. // Прогрессивные процессы сварки в машиностроении: Тез. докладов Всесоюзной научно-техшгческой конференции. Красноярск, 1991. - С. 109-110.

3. Балановский А.Е., Нестеренко H.A. Наводороживание поверхностного слоя металла при плазменном легировании из твердой фазы. Изв. вузов. Черная металлургия. - 1992 . - № 10. - С. 39-40.

4 Балановский А.Е.. Нестерснко H.A. Плазменное циклическое упрочнение сталей. // Сварочное производство. -1992.-№ 11.-С. 19-20.

5. Балановский А.Е., Нестеренко H.A. Наводороживание упрочненного слоя при плазменном поверхностном упрочнении. // Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Тез. докладов Межреспубликанской научно-технической конференции. Волгоград, 1992.-С. 50-51.

6. Балановский А.Е., Нестеренко H.A., Изосимов Л.Д. Повышение износостойкости деталей машин плазменным циклическим упрочнением. // Прогрессивные способы сварки. наплавки, напыления, упрочнения в машиностроении: Тез. докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Тольятти, 1992. - С. 40.

7. Балановский А.Е., Скрипкин A.A., Гречнева М.В. Плазменное поверхностное легирование металлов. // Прогрессивные способы сварки, наплавки, напыления, упрочнения в машиностроении: Тез. докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Тольятти, 1992. - С. 41.

8. Балановский А.Е., Нестеренко H.A. Проблема водорода при плазменном поверхностном упрочнении. Сварочное производство. - 1992. -№ 11. - С. 13-15.

9. Балановский А.Е., Токмаков В.П. Способ плазменного циклического упрочнения металлов. Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке № 499182.

10. Балановский А.Е., Нестеренко H.A., Нецветаев В.А. Анализ причин снижения трещииостойкости и износостойкости деталей упрочненных плазмой. //Современные проблемы сварочной науки и техники. Сварка 95. Сб.докладов Российской конференции, Пермь, 1995. - 41., С 76 -78.

11. Балановский А.Е., Чупин Ю.Б.. Гречнева М.В. Плазменное упрочннение гребней колесных пар подвижного состава // Сварка Урала в XXI веке. Тез. доладов 18-й конференции сварщиков Урала. Екатеринбург, 1999 С. 43-43

12. Балановский А.Е., Глазков B.C., Мороз Б.А. и др. Передовой опыт внедрения плазменного упрочнения гребней колесных пар подвижного состава на ВСЖД. // Новые технологии на ВСЖД. Сб. научных трудов. Новосибирск.

СГУПС. 1999. С. 57-65.