автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Структура и свойства конструкционных сталей после плазменного поверхностного упрочнения

?Г6 од

-8 СЕН 1583

На правах рукописи

БРОВЕР Андрей Владимирович

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ПЛАЗМЕННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону, 1998

Работа выполнена в Донском государственном техническом университете (ДГТУ).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ПУСТОВОЙТ в.н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БЛЕДНОВА Ж.М.

кандидат технических наук, старший научный

сотрудник

ФИШТЕЙН Б.М.

Ведущее предприятие:

АО Ростсельмаш

Защита состоится 13 октября 1998 г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д.063 27.04 в Донском государственном техническом университете (ДГТУ) по адресу: 344010, г.Ростов-на-Дону, ГС-П-8. пл. Гагарина, 1, ДГТУ. ауд.252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим высылать в специализированный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан "3/1 0& 1998 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

Шипулин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Развитие всех отраслей современной техники предъявляет все более высокие требования к материалам, предназначенным для изготовления деталей машин и инструмента Достижения современного материаловедения в значительной мере позволяют решать проблему создания материалов с заданными свойствами путем целенаправленного формирования оптимального структурного состояния как в условиях поиска новых эффективных составов, так и путем совершенствования методов термообработки существующих сплавов.

Последнее направление, включающее разработку новых технологических способов поверхностной термической обработки, использование комбинированных способов воздействия на структурное состояние сплавов, представляется особенно перспективным. В этом случае можно более полно реализовать те ресурсы, которые обусловлены составом сплавов, повысить эффективность использования в сплавах легирующих компонентов, многие из которых дефицитны, расширить области применения существующих сплавов

Одним из перспективных, эффективных и мало изученных способов поверхностного террлоупрочнения и легирования металлических изделий является использование в качестве теплового источника низкотемпературной плазмы. Разработка и совершенствование этого процесса является актуальной задачей технологии плазменного поверхностного упрочнения

Технологическая перспективность обработки различных материалов плазменной дугой прямого действия определяется рядом особенностей

Прежде всего, высокая плотность мощности потоков энергии, вводимой в зону воздействия (104-105 Вт/см2), обеспечивает локальность и прецизионность обработки при существенно меньших суммарных энергозатратах. С помощью воздушно-плазменной дуги можно осуществлять контролируемый нагрев поверхностных слоев металлов на заданную глубину, практически не изменяя при этом температуру и структуру сердцевины изделия Большое практическое значение имеет появляющаяся "возможность совмещения различных видов термической, химической, механической, магнитной и других видов обработки в одном технологическом цикле поверхностного упрочнения, так как плазма является средством активизации химических и физических реакций, позволяющим осуществлять процессы, которые в условиях обычной объемной термообработки либо протекают с малой скоростью, либо просто невозможны. Кроме того, малая инерционность процессов обработки плазменной дугой, практическое отсутствие механического контакта с обрабатываемым изделием обеспечивает мобильность 8 управлении, возможность регулирования режимов обработки в сочетании с простотой позиционирования и закрепления деталей. Эта особенность открывает широкую перспективу эффективного использования технологий плазменного упрочнения в таких прогрессивных формах современного машиностроения, как робототехнические комплексы и гибкие автоматизмро-

ванные системы на основе микропроцессорной техники и адаптивных управляющих ЭВМ.

Существующие в настоящее время работы по плазменным процессам и установкам разрозненны, по многим вопросам отсутствуют необходимые обобщения и рекомендации. В частности, нет подробного анализа конструкций и характеристик плазмотронов; систематизированных сведений о практическом применении плазмы для целей термообработки различных материалов. Все это существенно сдерживает развитие и применение плазменных процессов в производстве. Кроме того, имеющиеся в промышленности плазменные установки работают в ряде случаев с низкой эффективностью использования мощности плазменной дуги, что влечет за собой существенные энергетические затраты и невысокое качество получаемых изделий.

В настоящей работе с научных позиций обсуждаются результаты исследований влияния плазменно-дугового поверхностного нагрева на процессы фазовых превращений при термической обработке и легировании, а именно, изменения, обусловленные скоростным плазменным нагревом в процессе образования аустенита, в термодинамике, кинетике и механизме мартенситного превращения, при осуществлении отпуска, некоторых видов химико-термической обработки и комбинированной обработки в сочетании с объемной термообработкой, лазерным облучением и др., а также влияния различных механизмов структурного и субструктурного упрочнения сталей и сплавов на их основные эксплуатационные свойства. Рассматриваются также возможности целенаправленного использования внутренних резервов упрочненных материалов к структурной приспосзб-ливаемости в условиях эксплуатации под действием внешних температурно-силовых факторов.

Работа выполнялась в соответствии с общероссийской межвузовской научно-технической программы "Университеты России" (Технические университеты) (1994-1997 г г.), раздел "Фундаментальные исследования в технических университетах" (подраздел 2.1-"Машиностроение", секция 2.1.2-"Фундаментальные основы создания высоких технологий специального машиностроения"), утвержденной приказом Госкомвуза РФ, межвузовской научно-технической программой "Механика, машиноведение и процессы управления", направление 2 "Машиноведение" (наукоемкие производственные технологии) (1998 г.). Основные результаты работы получены в период 1994-1998 г.г. при выполнении фундаментальных и поисковых научно-технических работ, финансируемых Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации из средств республиканского бюджета по единому заказ-наряду ДГТУ, а также в 1998 году при выполнении НИР по гранту МАТИ-РГТУ им. К.Э.Циолковского, присужденному конкурсным центром по фундаментальным исследованиям в области технологических проблем производства авиакосмической техники.

Цель работы. Цель настоящей работы заключается в комплексном металлофизиче-ском исследовании закономерностей структурообразования при воздушно-плазменном воздействии сканируемой дугой на металлические сплавы, определении основных

свойств закаленных слоев, возможностей управления процессом упрочнения и в разработке технологических принципов плазменно-дуговой термообработки деталей машин и инструмента.

Научная новизна диссертационной работы заключается в получении следующих новых научных результатов, которые автор защищает:

1. Конструктивно-технологические особенности установки для плазменно-дуговой обработки сталей и сплавов. Обоснование возможности использования сжатого воздуха в качестве плазмообразующего газа, что значительно повышает экономичность процесса регламентированного поверхностного нагрева, применение сканирования плазменной дуги, что увеличивает производительность процесса упрочнения.

2. Численное моделирование тепловых процессов при плазменной обработке сканируемой дугой, результаты которого могут быть использованы для инженерных расчетов режимов поверхностной плазменной обработки, а также прогнозирования основных свойств упрочненных зон материалов,

3. Экспериментальные данные о закономерностях и структурных особенностях процесса упрочнения металлических материалов при плазменно-дуговой обработке, в том числе о формировании повышенной плотности дефектов кристаллического строения основных фаз. возникающих из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения; о пластической деформации приповерхностных слоев под действием магнитострикционных и тер-мострикционных процессов, а также за счет скоростного напора сжатого воздушного потока плазменной дуги; о протекании ВТМО металла, следствием чего являются процесс динамической лолигонизации аустенита и формирование мелких кристаллов мартенсита после плазменной закалки; о развитии процесса распада пересыщенных твердых растворов по механизму "in statu nascendi", в результате которого образуется значительное количество ^-мартенсита и промежуточных s-карбидов.

4. Концептуальные положения проблемы прочности сталей после поверхностной плазменной обработки, установленные путем рассмотрения дислокационных механизмов повышения предела текучести материалов и сопоставления их с возможным изменением вязкости разрушения и позволившие определить основные упрочняющие механизмы, действующие при плазменно-дуговой обработке и позволяющие получить нетривиальное сочетание высокой прочности и достаточной вязкости в поверхностных слоях материалов.

5 Вскрытые взаимосвязи структуры металлических материалов в зонах плазменного упрочнения с их свойствами: теплостойкостью, износостойкостью, конструкционной прочностью. Найденные пути целенаправленного использования внутренних резервов структурной приспосабливаемое™ поверхностных слоев материалов в условиях термомеханического нагружения при эксплуатации.

6. Установленные возможности управления процессом упрочнения поверхностных слоев сталей за счет комбинированной обработки, включающей объемную термообработку и плазменно-дуговое упрочнение; плазменную обработку и последующий отпуск

при температурах 200-г400°С; ппазменно-дуговую обработку и лазерную закалку локальных, наиболее нагруженных участков рабочих поверхностей изделий.

7. Вскрытые взаимосвязи структуры металлических материалов в зонах лазерного упрочнения с их свойствами, теплостойкостью, износостойкостью, адгезионной стойкостью, трещиностойкостью, конструкционной прочностью, коррозионной стойкостью. Найденные пути целенаправленного использования внутренних резервов структурной приспосабливаемое™ поверхностных слоев материалов к условиям эксплуатации, исходя из анализа структурно-энергетического состояния материалов в парах трения.

8. Технологические принципы воздушно-плазменной поверхностной обработки сканируемой дугой деталей машин и инструмента, включающие рекомендации по выбору схем и оптимизации режимов упрочнения.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности.

В диссертации изложены научно обоснованные технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса. В частности, изученные и описанные в диссертации конструктивно-технологические особенности установки для воздушно-плазменной обработки сталей и сплавов сканируемой дугой; общие закономерности влияния основных характеристик и условий обработки на эффективность плазменного упрочнения различных материалов, позволяют существенно расширить пути целенаправленного воздействия на их структуру и получать свойства поверхностных слоев, необходимые для различных условий эксплуатации.

Прикладное значение для создания и совершенствования технологии плазменно-дуговой обработки материалов имеют полученные в диссертации теоретические и экспериментальные данные о закономерностях формирования структур сталей и сплавов при плазменном упрочнении; об особенностях дислокационной теории прочности в условиях скоростного плазменного нагрева; о влиянии исходной структуры и химического состава сталей на эффект плазменно-дугового упрочнения; о взаимосвязи структуры и основных эксплуатационных свойств плазменно-закаленных сталей. Это позволило раскрыть физическую сущность механизмов упрочнения и определить возможности управления составом и структурой поверхностных слоев материалов, а также использовать эффекты упрочнения и релаксационные эффекты для целенаправленного влияния на структуру и свойства сталей и сплавов в процессе плазменно-дуговой термообработки и легирования.

Новые сведения об интенсификации процесса плазменного упрочнения за счет комбинированной обработки, сочетающей объемную термообработку, лазерную закалку локальных участков рабочих поверхностей, легирование из внешних источников с плазменным нагревом расширяют возможности применения обработки изделий концентрированными потоками энергии и должны учитываться при назначении их режимов. Дополнительные резервы заключены в использовании внутренних ресурсов структурной приспо-сабливаемости плазменно-закаленных изделий в условиях термомеханического воздействия при эксплуатации

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу разработанных в диссертации технологических принципов плазменно-дугового упрочнения и легирования деталей машин и инструмента, позволивших повысить их стойкость в 2-5 раз

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в виде содержательной части учебных пособий, раскрывающих теоретические и технологические особенности методов поверхностного упрочнения материалов концентрированными потоками энергии; при чтении курсов "Материаловедение", "Теория термической обработки металлов", "Научные основы выбора материалов для деталей машин и методов достижения требуемых свойств".

Разработанные технологии плазменного упрочнения и легирования деталей машин и металлообрабатывающего инструмента апробированы и внедрены на предприятиях различных отраслей машиностроения России и Украины: АОМЗ (г.Азов), АЗП (г.Азов), НИИ "Градиент" (г.Ростов-на-Дону), ГП "Завод им Малышева" (г.Харьков)

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработанных технологических процессов плазменно-дугового упрочнения и легирования различных изделий, при создании которых были использованы теоретические, экспериментальные данные и рекомендации настоящей диссертации, составил 1015431000 рублей в ценах до 1998 года.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на всесоюзной научной студенческой конференции (г.Таганрог, 1995 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДГТУ (1995-1998 г.г.); явились содержательной частью работы, признанной лучшей в области инженерно-прикладных исследований на конкурсе молодых ученых, проводимом Ростовским отделением Российской Инженерной Академии и Северо-Кавказским научным центром высшей школы в 1996 году.

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 166 страницах машинописного текста и состоит из введения; 6 глав основной части; заключения, содержащего общие выводы; списка литературных источников из 148 наименований; приложения, содержащего акты внедрения технологических процессов плазменно-дугового упрочнения и легирования деталей машин и металлообрабатывающего инструмента в производство различных предприятий. В тексте диссертации содержится 80 рисунков.

Автор выражает признательность канд. техн. наук, доценту Домбровскому Ю М. за научное консультирование и техническое содействие в процессе выполнения диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ. ■ В краткой форме обоснована актуальность поставленной научно-технической проблемы. Приведены основные результаты ее решения с указанием научной новизны и практической ценности диссертации.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГО НАГРЕВА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ЛЕГИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ.

В первой главе диссертации выполнен критический обзор литературных данных, иллюстрирующих современный уровень разработок в области поверхностной термообработки и легирования с плазменно-дуговым нагревом. Анализ результатов этих исследований приводит к убеждению, что проблема далеко не полностью решена в теоретическом и практическом отношениях. В частности, в настоящее время отсутствуют:

« сведения об особенностях структурно-фазовых превращений в поверхностных слоях материалов при воздушно-плазменной закалке сканируемой дугой;

• сведения о влиянии формирующихся структур на основные свойства упрочненных изделий и о возможности адаптации плазменно-закаленного металла к условиям эксплуатации за счет протекания гаммы химических и структурных превращений.

Некоторые результаты экспериментов, обсуждаемые в литературе, противоречивы, что также свидетельствует об отсутствии единых взглядов на механизм взаимодействия воздушной плазменной дуги с веществом.

Значительное количество нерешенных вопросов как теоретического, так и прикладного характера создает большие трудности в освоении и промышленном внедрении технологий плазменно-дугового термоупрочнения и легирования различных изделий из металлических материалов.

На основании вышеизложенного определена цель работы, для решения которой сформулированы следующие задачи исследований:

1. Обоснование конструктивно-технологических особенностей установки для воздушно-плазменной обработки сталей и сплавов сканируемой дугой.

2. Проведение численного моделирования тепловых процессов при плазменной обработке сканируемой дугой.

3. Экспериментальное определение особенностей и закономерностей формирования структур сталей при плазменно-дуговой закалке.

4. Теоретическое рассмотрение концептуальных положений проблемы прочности сталей после плазменно-дуговой обработки.

5. Определение степени влияния плазменно-дуговой закалки на свойства сталей: теплостойкость, износостойкость, конструкционную прочность.

6. Установление возможности управления процессом упрочнения поверхностных слоев сталей за счет комбинированной обработки при плазменно-дуговом нагреве.

7. Разработка научно-обоснованных технологических принципов плазменно-дугового упрочнения деталей машин и инструмента.

Все многообразие вопросов, затронутых а диссертации, объединено единой линией. Они позволяют установить общие закономерности влияния энергетических характеристик и условий обработки на эффективность воздушно-плазменной закалки и легирования сканируемой дугой различных материалов, существенно расширить пути целенаправленного воздействия на их структуру и получать свойства поверхностных слоев, необходимые для различных условий эксплуатации.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Материалами для исследований послужили стали 30, ЗОХГСА, 45, 5ХНМ, 65, 65Г, 70, 7X3 и другие.

В ходе выполнения работы был осуществлен комплекс, экспериментальных иссле7 дований по изучению природы и механизма процесса"ппазменно-дуговой термообработки сталей.

Упрочнение образцов производилось на экспериментальной установке, созданной на базе аппарата для воздушно-плазменной резки "Киев-4".

Для определения особенностей организации структуры сталей и сплавов при комбинированном воздействии концентрированными потоками энергии использовалась импульсная лазерная обработка на установке "Квант-16".

Идентификацию фазового состава и изучение структуры материалов после, плаз-менно-дуговой обработки проводили несколькими методами, сочетание которых определялось задачами исследований и методическими возможностями: металлографическим, электронномикроскопическим, рентгеноструктурным, измерением твердости и др.

Основные свойства материалов определялись на стандартном оборудовании по стандартным методикам.

Метрологическое обеспечение экспериментов предусматривало обязательное планирование оптимальных объемов выборки, анализ возможных источников систематических ошибок, оценку значимости различия средних значений с целью получения результатов заданной надежности и с известным доверительным интервалом.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ СКАНИРУЕМОЙ ДУГОЙ

3.1. Рассмотрены и обоснованы конструктивные и технологические особенности созданной установки для плазменно-дуговой поверхностной термообработки сталей В частности, показана-перспективность применения для этих целей воздушной плазменной дуги прямого действия. Установлена возможность повышения производительности процесса упрочнения путем электромагнитного сканирования плазменной дуги в поперечном, перпендикулярном основному движению дуги, направлении. При этом на порядок снижается удельная мощность нагрева, увеличивается глубина упрочнения, уменьшается глубина оплавления. Рассмотрены конструктивные особенности отдельных элементов установки для плазменно-дугового упрочнения.

100

140

180

220

I. А

Определены условия устойчивости системы источник питания (ИП) - дуга путем изучения семейства построенных вольт-амперных характеристик (ВАХ) ИП и статических ВАХ дуги (рис.1). Проведена стабилизация на оптимальном уровне основных параметров процесса плазменно-дугового упрочнения таких, как ток в катушках электромагнитного сканера, зазор между соплом плазмотрона и обрабатываемой деталью, длина открытой части плазменной дуги, расход плазмо-

Рис.1. Вольт-амперные характеристики источника питания и дуги.

образующего газа, скорость перемещения плазмотрона относительно обрабатываемого изделия. Взаимозависимость остальных параметров процесса учтена при назначении режимов плазменно-дугового упрочнения.

3.2. Поскольку структурно-фазовые превращения и формирование требуемых структур в поверхностных слоях материалов при плазменной обработке достигаются созданием соответствующего термического цикла с заданными оптимальными параметрами, проведены исследования и моделирование тепловых процессов при воздушно-плазменном упрочнении сканируемой дугой, исходя из решения задач теплопроводности.

Традиционно движущийся тепловой источник, сканирующий с частотами в десятки герц, представляют моделью, имеющей нормально-синусоидальное распределение теплового потока в зоне нагрева.

Основываясь на результатах металлофизических исследований, показавших постоянство глубины упрочненного слоя в пределах ширины сканирования плазменной дуги, в настоящей работе показана целесообразность упрощения тепловой модели этого источника и представления ее в виде быстродвижущегося полосового источника с равномерным распределением теплового потока.

Проведен расчет изменения температур по глубине упрочненного слоя при различных скоростях перемещения сканируемой плазменной дуги относительно изделия для плотности теплового потока д= 0,82-108 Вт/см2 по формуле:

Т(х,у) = \У(х) • ехр

V' У

4 • ш • (х - х и)

\У(х) = З.2

при

при

< 1 ■

7"

т,°с

1200

400

0 1 2 3 4 у, мм

Рис.2. Расчетное изменение температуры по глубине металла при скоростях перемещения дуги 6 см'с (1), 4 см/с (2), 3 см/с (3).

где с\2 - плотность теплового потока полосового источника, Вт/м2, о - коэффициент температуропроводности, м2/с; /. - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С): V - скорость перемещения источника, м/с; / - размер источника в направлении движения, м;

х, у - текущие координаты в направлении движения и по глубине нагрева соответственно.

Результаты расчета приведены на рис.2. Сделан вывод о значениях и зависимости распределения температуры по глубине изделия при различной скорости перемещения источника тепла. Методом расчета на ЭВМ определено также изменение температур по времени на различной глубине плазменно-упрочненного слоя (рис.3) и сопоставлено с экспериментально полученными термограммами. Анализ полученных зависимостей показал, что после нагрева сканируемой плазменной дугой температура в обработанных слоях в течение некоторого времени стабилизируется на. уровне ~400°С, что может способствовать протеканию самоотпуска закаленных поверхностных слоев стали.

Построены теоретические зависимости изменения скорости охлаждения во времени на различной глубине после плазменного воздействия, которые позволили аналитически прогнозировать структурно-фазовые превращения в упрочненном слое при наложении полученных кривых изменения скорости охлаждения на термокинетические диаграммы превращения аустенита в стали.

Теоретически получены значения глубины плазменно-закаленных слоев стали при обработке с различными скоростями перемещения дуги и плотностями теплового потока

Рис.3. Расчетный • термический цикл точек на поверхности изделия (1),'на глубине 0,5 мм (2) в сравнении с экспериментальным; 1 мм (3); 1,5 мм (4) для у=2 см/с

(рис.4). Эксперименты показали удовлетворительное совпадение реально наблюдаемой глубины ллазменно - упрочненных слоев с их значениями, полученными расчетно.

Рассмотренные в работе методы определения основных параметров процесса плазмен-но-дугового упрочнения могут быть с достаточной точностью использованы для инженерных расчетов режимов ллазменно-дуговой обработки, а также прогнозирования фазового состава, структурной организации и свойств упрочненных зон материалов.

3.3. Рассмотрены некоторые особенности процесса поверхностной обработки материалов плазменной дугой. Показано, что плазменная дуга кроме теплового действия оказывает и силовое воздействие на поверхностные слои материалов, которое складывается из скоростного напора газового потока и объемной электромагнитной силы. Это приводит к формированию в прианодной области дуги высоких градиентов температур, напряжений и тепловых потоков, оказывающих влияние на формирование структуры поверхностных слоев изделий.

4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ЗАКАЛКЕ

4.1. Для определения возможностей и областей применения плазменно-дуговой термообработки получена надежная качественная и количественная информация об изменении структуры и свойств материалов в упрочненных зонах.

Показано, что выбранные режимы плазменного нагрева сканируемой дугой приводят к равномерной закалке поверхностей сталей и сплавов. Установлено, что в общем случае в упрочненном слое можно выделить 4 зоны с характерной микроструктурой и твердостью для каждой:

1. Первый слой - зона оплавления поверхности пониженной травимости с твердостью 6-8 ГПа. Наибольшие значения твердости металла наблюдаются при высокой скорости обработки в нижней части этой зоны (рис.5). Установлено, что при плазменно-дуговом оплавлении поверхности наблюдается уменьшение ширины рефлексов «-фазы и смещение их максимумов на рентгенограммах в сторону больших углов отражения по сравнению с нижележащими слоями (на глубине 0,8 мм), что свидетельствует об уменьшении содержания в ней углерода (рис.6, кр.2).

Рис.4. Расчетные и экспериментальные зависимости глубины закалки от скорости перемещения плазмотрона для Чг=0,82-10а Вт/м2 (1), я2=1,25-108 Вт/м2 (2), Я2=1,95-108Вт/М2(3)

2. Второй слой - зона перегрева со структурой крупноигольчатого мартенсита. Темперэтур-но-временные условия в этой зоне достаточны для гомогенизации у-фазы и получения однородного мартенсита.

3. Третий слой - зона мелкоигольчатого

мартенсита, составляющая 75т-80% от толщины

всего слоя, с наиболее высокой твердостью.

Электронно-микроскопические исследования

фолы плазменно-закаленной стали 65 показали

повышение дисперсности пакетов мартенситных

кристаллов и составляющих пакет реек в этой

зоне. Установлено, что твердые растворы харак-

Рис.5. Распределение твердости по тери3уются оптимальным сочетанием достаточ-глубине плазменно-закаленного слоя

2 г, мм

из стали 65.

но высокой насыщенности углеродом и концентрационной неоднородности, высокой плотностью дефектов кристаллического строения.

I Д|П1«М

120

II

115 .1; 111 II.'} -.1.1? «1 55 5; з: м

Угол отражения I(•>. град Рис.6. Фрагменты рентгенограмм стали 65 после плазменно-дуговой обработки, снятых с оплавленной поверхности (1) и на глубине 0,8 мм (2).

4. Четвертый слой - переходная зона от упрочненного к основному металлу. Образуется в интервале температур АС1-АС3, имеет видманштеттову или трооститно-мартенситную структуру с наличием на глубине островков нерастворившегося феррита.

Рассмотрены особенности структурообразования в поверхностных слоях образцов различной толщины при различных вариантах охлаждения после плазменной термообработки (на воздухе, под слоем воды, с использованием водяного спрейера) путем наложения экспериментально полученных термограмм нагрева и охлаждения поверхностных

т,°с

т, с

Рис.7. Схема структурообразования в упрочненном слое стали 65 в образце малого сечения при слрейерном (1), подводном (3) и воздушном (4) охлаждении, а также массивного образца при воздушном охлаждении (2)

слоев на диаграмму изотермического распада переохлажденного аустенита в стали 65 (рис.7). Установлено, что получить мартенситную структуру по всей глубине упрочненного слоя на образцах малого сечения (-6 мм) можно путем применения водяного спрейерного охлаждения по методу непрерывно-последовательной закалки (рис.7, кр 1). На "массивных" образцах (более 20 мм) упрочненный слой имеет мартенситную структуру по всему сечению при охлаждении на воздухе (рис.7, кр.2), что подтверждает необходимость соблюдения определенного соотношения глубины плаз-менно-упрочненного слоя и толщины изделия, равного 1:10. В случае отсутствия условий для достижения критической скорости закалки в упрочненном слое образуются структуры диффузионного распада переохлажденного аустенита (рис.7, кр.З, кр.4).

Сделан вывод о возможности получения на стальных изделиях при плазменно-дуговом нагреве и различных вариантах охлаждения широкой гаммы структур с различными свойствами, которые можно задавать в зависимости от условий эксплуатации.

4.2. Выявлены структурные особенности процесса упрочнения металлических материалов при плазменно-дуговой закалке. Показано, что формирование третьей зоны мелкоигольчатого мартенсита, несмотря на высокие температуры нагрева рлеталла, объясняется созданием при плазменной обработке сканируемой дугой условий для протекания процесса ВТМО. Это обусловлено пластической деформацией аустенита в области его высокотемпературной термодинамической стабильности за счет совокупного воздействия скоростного динамического напора газового потока, объемных электромагнитных сил, магнитострикционных и термострикционных эффектов Следствием является процесс динамической полигонизации аустенита, приводящий после скоростной плазменной закалки к формированию мелких кристаллов и пакетов мартенсита, наследующего дислокационную субструктуру горячедеформированного аустенита и характеризующегося одновременным упрочнением и сохранением вязко-пластических свойств по причине развитой субструктуры.

Установлено, что во второй зоне крупноигольчатого мартенсита изменяются условия протекания ВТМО за счет частичного обезуглероживания металла под действием высоких температур нагрева и образования малоуглеродистого пластичного аустенита. Следствием является протекание процесса динамической рекристаллизации "in situ" путем коалесценции субзерен аустенита и образования при плазменно-дуговой обработке крупных игл мартенсятз с несколько пониженной твердостью.

Анализ результатов рентгеноструюурных исследований мартенсита стали 65 показал, что при термообработке плазменной дугой фиксируется состояние двухфазного распада мартенсита, претерпевшего самоотпуск в процессе закалочного охлаждения (распад "in statu nascendi"). При этом увеличивается количество углерода, связанного с дефектами кристаллического строения, и образуются дисперсные частицы промежуточной карбидной фазы (s-карбиды), что подтверждается результатами анализа микроэлек-тронограмм от образцов стали 65 после плазменной закалки.

Формирующиеся дисперсные частицы карбидов наряду с дислокационными субграницами полигональных ячеек, формирующихся при ВТМО, являются полупроницаемыми препятствиями при движении дислокаций, что облегчает релаксацию "пиковых" напряжений.

Таким образом, совокупность структурных изменений после плазменно-дуговой обработки обеспечивает большой запас пластичности, что повышает реализуемую прочность в закаленном состоянии и делает возможным получение максимальной прочности при более низких температурах отпуска, начальные стадии которого протекают уже в период закалочного охлаждения.

4.3. Рассмотрено полученное при плазменно-дуговой обработке сталей структурное состояние с привлечением основных положений структурной теории конструктивной прочности металлических сплавов. Для оценки эффективности плазменно-дуговой обработки металлов и сплавов с точки зрения возможности реального эффективного упрочнения без снижения вязкости разрушения рассмотрены дислокационные механизмы повышения предела текучести и сопоставлены с возможным изменением при этом вязкости разрушения. Показано, что если в случае мартенситного превращения при объемной закалке углеродистых сталей главным упрочняющим фактором является упрочнение растворенными атомами, то после поверхностной плазменной термообработки главное значение в общей прочности приобретает упрочнение за счет формирования при ВТМО дислокационных субграниц регулярно расположенных полигонов, ячеек; за счет деформационного старения, а также дисперсными фазами (s-карбиды), формирующимися в процессе двухфазного распада мартенсита. Такое решение наибопее эффективно, так как позволяет вместе с ростом напряжения течения получить достаточную вязкость разрушения сталей.

4.4. Исследована степень влияния исходной структуры и химического состава сталей на эффект плазменно-дугового упрочнения. Исходя из результатов количественного металлографического, рентгеноструктурного и дюрометрического анализов установлено,

что оптимальное сочетание глубины закаленного слоя и его твердости достигается при плазменно-дуговом упрочнении металла, подвергнутого обьемной закалке и отпуску. Показано, что повышение твердости ллазменно-улрочненного слоя обусловлено при этом рядом причин: фазовым наклепом при ск->у перекристаллизации, субструктурными изменениями при ВТМО, обусловленным термическими напряжениями под влиянием значительных температурных градиентов (-104 °С/см) и ударным нагружением за счет объемных электромагнитных сил и скоростного напора сжатого воздушного потока плазменной дуги, степенью пересыщения u-твердого раствора атомами примесей внедрения вследствие высоких скоростей охлаждения; повышенной ппотностью дефектов, кристаллического строения основных фаз упрочненного металла, образующихся вновь и частично наследуемых от исходной структуры, мелкоигольчатым строением мартенс.ита; степенью протекания деформационного старения и распада мартенсита по механизму "in statu nascendi". •

Сделан вывод о перспективности-совмещения ллазменно-дуговой термообработки с легированием поверхностных слоев сталей из внешних источников, что позволяет формировать структуры с заданными свойствами путем искусственного регулирования уровня насыщенности твердых растворов углеродом и атомами легирующих элементов. , 5. ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ЗАКАЛКИ НА СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ. ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ УПРОЧНЕНИЯ 5.1. Экспериментально установлено, что плазменно-дуговая обработка повышает устойчивость структур к разупрочнению при нагреве на 50-100°С (рис.8)

Нг;..-----,---Показано, что процессы, протекающие

в плазменно-закаленных металлах при отпуске имеют следующие особенности:

замедляется распад мартенсита, более длительное время и до более высоких температур сохраняется двухфазное состояние, появляется тенденция к повышению устойчивости «-мартенсита против однофазного распада;

повышенная плотность дефектов кристаллического строения и- и у-фаз способствует множественному выделению при отпусКе дисперсных карбидов цементитного типа, упрочняющих закаленный металл.

5.2. Показано, что износостойкость в абразивной среде сталей после плазменной обработки повышается на 30-50% (рис.9) и достигается за счет оптимального сочетания упрочнения с достаточной вязкостью разрушения, предотвращающей хрупкое развитие

До 200 400 600" Т.°С ширева

Рис.8. Зависимость твердости от температуры отпуска для стали 65 после объемной закалки в масло и отпуска (1), ППУ нормализованной стали (2), ППУ объемно-закаленной и отпущенной стали (3).

трещин в поверхностных слоях, что определяется действием механизмов упрочнения металла, развитой дислокационной субструктурой, большим числом межфазных границ, деформационным старением, дисперсными фазами. Установлено, что плазменная химико-термическая обработка позволяет дополнительно повысить абразивную износостойкость.

Изнашивание плазменно-закаленных сталей в паре трения показали возможность повышения эффективности упрочняющей плазменной обработки путем целенаправленного использования внутренних ресурсов структурной приспосабливаемое™ поверхностных слоев материалов к условиям эксплуатации.

Исходили из усповия, что долговечность триботехнических материалов обеспечивается. если избыточная внутренняя энергия, накопленная при внешнем температурно-силовом воздействии, успевает рассеяться прежде, чем достигнет критического уровня, вызывающего разрушение поверхности. Показано, что каналами диссипации энергии при нагружении плазменно-закаленных слоев материалов являются зарождение и движение дислокаций; наклеп мартенсита; выделение карбидов и др.

5.3. Анализируя вопросы повышения свойств сталей после ппазменно-дуговой обработки рассмотрено влияние закаленного слоя на конструкционную прочность изделий. Показано, что отрицательное влияние плазменной обработки на прочность образцов при растяжении можно уменьшить применением дополнительного отпуска слоя; проведением комбинированной обработки, включающей объемную закалку в масло, промежуточный отпуск и плазменную поверхностную закалку, или выбором для упрочнения только тех участков и поверхностей рабочей части деталей машин и инструмента, которые в процессе эксплуатации подвергаются действию сжимающих нагрузок.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ИНСТРУМЕНТА.

Показано, что применение технопогий воздушно-плазменной обработки сканируемой дугой существенно улучшает основные свойства сталей и сплавов, что позволяет: повысить ресурс работы упрочненных изделий в 2-5 раз; сократить затраты на производство и приобретение деталей машин и инструмента; увеличить производительность труда; уменьшить расход сталей.

На основе проведенных исследований разработаны технологические процессы плазменно-дугового упрочнения деталей машин и инструмента, включающие технологи-

ей.«, 70

□ Стандартная 1аьалка

Закалка Чакалка '5акалка +отп.200° +отп.-М00

Рис.9. Влияние режима объемной термообработки на абразивную износостойкость стали 70 до и после плазменно-дуговой закалки.

ческие инструкции для проведения процесса, содержащие рекомендации по выбору оптимальных режимов и схем поверхностной обработки различных изделий, по контролю качества плазменного упрочнения.

Разработанные технологические процессы плазменно-дугового упрочнения деталей машин и инструмента освоены и внедрены на предприятиях различных отраслей машиностроения России и Украины, в том числе на: АОМЗ (г Азов. 1995 г.): АЗП (г. Азов. 1996 г.); НИИ "Градиент" (г. Ростов-на-Дону, 1996 г.); ГП "Завод им. Малышева" (г. Харьков, 1994-1997 г.г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итог научных разработок, изложенных в диссертации и соответствующих цели и задачам исследований, можно сформулировать в виде следующих общих выводов.

1. Воздушно-плазменная поверхностная термообработка сканируемой дугой является эффективным средством воздействия на структурообразование и формирование свойств конструкционных и инструментальных сталей. Она позволяет получать в поверхностных слоях структурное состояние металла, обладающее высоким уровнем конструктивной прочности, то есть достаточно высокой степенью упрочнения металла без снижения вязкости разрушения.

2. Для решения проблемных вопросов оптимизации режимов поверхностного термоупрочнения сталей обоснованы конструктивные и технологические особенности установки для плазменно-дуговой обработки, в частности, определены:

• перспективность применения для поверхностной термообработки и легирования воздушной плазмы;

• возможность повышения производительности процесса путем использования сканируемой дуги;

• условия устойчивости системы источник питания - дуга;

• взаимосвязь основных параметров процесса плазменной обработки, возможность стабилизации части из них на оптимальном уровне.

3. Разработанная математическая модель процесса поверхностной плазменной обработки сталей сканируемой дугой позволила:

• рассчитать поля температур и скорости охлаждения, глубину расположения заданных изотерм, которые могут быть использованы для инженерных расчетов режимов плазменно-дуговой обработки;

• прогнозировать характер и степень завершенности фазовых превращений, напряженное состояние, свойства упрочненной поверхности материалов.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования структурных особенностей процесса плазменно-дуговой закалки сталей, в- частности, показано, что:

• на формирование структуры и свойств поверхностных слоев .металла оказывают влияние большие градиенты температур, напряжений и тепловых потоков, сильные электрические поля и мощные потоки электронов; вследствие этого возможно проте-

кание процесса высокотемпературной пластической деформации поверхностных слоев, возникающей за счет действия объемных электромагнитных сил в виде "пинч-эффекта", а также за счет скоростного напора сжатого воздушного потока плазменной дуги;

• в результате структурных изменений при плазменно-дуговой обработке на поверхности материалов формируется упрочненный слой, имеющий 4 характерные зоны, которые различаются температурным интервалом образования, скоростью охлаждения

' металла. При этом в разной степени проявляются эффекты ВТМО, определяющие степень упрочнения металла - фрагментация субструктуры, дисперсность блоков и плотность дефектов кристаллического строения основных фаз, возникающие за счет динамической полигонизации и рекристаллизации "in situ", эффекты деформационного старения, а также возможный двухфазный распад пересыщенных твердых растворов непосредственно сразу после образования по механизму "in statu nascendi";

• при плазменной обработке со скоростью движения дуги относительно изделия более 10 см/с в поверхностных оплавленных слоях фиксируется текстурированный остаточный аустенит. Это связано с кратковременностью процесса обработки в этих условиях, направленностью теплоотвода, растворением карбидов, насыщением аусте-нита углеродом и понижением мартенситной точки;

• при плазменной обработке со скоростью движения дуги меньше 10 см/с поверхностные оплавленные слои содержат только «-фазу, что может быть следствием увеличения времени пребывания металла при высоких температурах и обезуглероживания поверхностных слоев;

• наилучшей исходной композицией для плазменной обработки являются структуры закалки и низкотемпературного отпуска, что связано с проявлением эффекта структурной наследственности, сопровождающегося сохранением и умножением плотности дефектов кристаллического строения твердых растворов при скоростном нагреве до относительно высоких температур.

5. Определены корреляционные связи механических свойств со структурным состоянием поверхностных слоев материалов, упрочненных с использованием плазменно-дугового нагрева, а также направление трансформации структуры и свойств упрочненных слоев при внешнем температурно-силовом воздействии в процессе эксплуатации. В том числе;

• показано, что за счет увеличения числа дислокаций в организованных построениях ячеисто-полигонального типа и развития субзеренности, деформационного старения и действия дислокационной модели размельчения зерна или структурных составляющих сплава, модели создания дисперсных упрочняющих фаз или зон по механизму "in statu nascendi", реализованных в практике упрочняющей плазменно-дуговой обработки, рост прочности поверхностных слоев стали не сопровождается снижением вязкости разрушения,

• рассмотрена степень устойчивости структур плазменной закапт к разупрочнению при нагреве. Показано, что свойственные плазменно-дуговой закалке сталей процессы распада мартенсита по двухфазному механизму в период закалочного охлаждения, повышение дисперсности мартенситных кристаллов и общая структурная фрагментация наследуется при отпуске стали, что приводит к замедлению распада мартенсита, появлению тенденции к повышению устойчивости а.-мартенсита против однофазного распада. Плазменно-дуговая обработка повышает теплостойкость сталей на 50-100°С:

• показано, что путем плазменно-дуговой обработки стали существует возможность повышения как износостойкости в абразивной среде, так и износостойкости в парах трения за счет создания на поверхности структур, приводящих в процессе трения к явлению структурно-энергетической приспосабливаемое™, что минимизирует износ пар трения,

• установлена степень влияния плазменной закалки на конструкционную прочность сталей. Показано, что отрицательное влияние плазменной обработки на прочность стали в условиях работы поверхностного слоя на растяжение можно уменьшить применением дополнительного отпуска упрочненного слоя, проведением комбинированной обработки, включающей объемную закалку, промежуточный отпуск и плазменную поверхностную закалку, а также выбором для упрочнения тех поверхностей и участков рабочей части изделий, которые в процессе эксплуатации подвергаются действию сжимающих нагрузок.

6. Определены возможности управления процессом упрочнения поверхностных слоев сталей за счёт комбинированной обработки, включающей объемную закалку и плазменное поверхностное упрочнение; плазменно-дуговую закалку и последующий отпуск; плазменно-дуговую обработку и локальное лазерное упрочнение, плазменную химико-термическую обработку. Показано, что эффекты упрочнения после комбинированной обработки объясняются изменением состояния и степени распада твердых растворов в процессе закалочного охлаждения, присутствием в структуре дисперсных карбидов, выделившихся при самоотпуске мартенсита плазменной закалки или твердых растворов, обогащенных атомами легирующих элементов (азота, бора) при проведении плазменной обработки в водных растворах солей различного состава. При этом достигается одновременное повышение как твердости рабочих поверхностей изделий, так и трещиностойкости.

7. На основании установленных закономерностей структурных превращений в поверхностных слоях материалов при плазменно-дуговой закалке и вскрытии степени их влияния на эксплуатационные свойства упрочненных изделий разработаны и опробованы технологические принципы воздушно-плазменной термообработки сканируемой дугой, включающие рекомендации по:

• выбору схем упрочнения рабочей части изделий в зависимости от условий эксплуатации.

• оптимизации режимов упрочнения для получения требуемой глубины и твердости

плазменно-закапенного слоя,

8. Применение технологии воздушно-плазменной закалки сканируемой дугой делает возможным эффективную реализацию резервов долговечности деталей машин и инструмента из конструкционных и инструментальных сталей. Установленное в результате лабораторных и производственных испытаний увеличение показателей прочности, износостойкости характеризует плазменную обработку как перспективный способ упрочнения. Свойства, определяющие работоспособность деталей машин и инструмента повышаются в 2-5 раз, что обусловлено положительным влиянием плазменно-дуговой обработки на процессы структурных и субструктурных изменений при фазовых переходах.

9. Результаты работы прошли апробацию и внедрены на ряде предприятий различных отраслей машиностроения России и ближнего зарубежья. Экономическая эффективность от внедрения результатов работы, подтвержденная актами внедрения, составила 1015431000 рублей в ценах до 1998 года.

Основные положения диссертации опубликованы в 19 научных работах, в том числе:

1. Пустовойт В.Н., Бровер A.B. Влияние исходной структуры сталей на морфологию упрочненных зон при высококонцентрированном нагреве. -М, 1996. -5 с. -Деп. в ВИНИТИ 26.04.96, №1384-В96

2. Пустовойт В.Н., Бровер A.B. Структурная наследственность в сталях при термообработке высококонцентрированными потоками энергии. -М, 1996. -4 с. -Деп. в ВИНИТИ 26.04.96, №1385-В96

3. Домбровский Ю.М., Бровер A.B. Перспективы использования плазменной дуги для поверхностного упрочнения// Термическая обработка стали (Теория, технология, техника эксперимента): Межвуз. сб. науч. тр. / ДГТУ; -Ростов н/Д, 1996. -С.43-49.

4. Бровер Г.И., Бровер A.B. Текстура, как фактор улучшения технологических свойств материалов после лазерной обработки// Термическая обработка стали (Теория, технология, техника эксперимента): Межвуз. сб. науч. тр / ДГТУ;-Ростов н/Д, 1996. -С.36-40.

5. Домбровский Ю М.. Бровер A.B. Экспериментальная установка для плазменного поверхностного упрочнения деталей машин. -М., 1996. -5 с. -Деп. в ВИНИТИ, 22.11.96, №3387-В96.

6. Бровер A.B. Плазменное поверхностное упрочнение деталей машин// Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники: Сб.тр./СКНЦ ВШ, "Эверест"; -Ростов н/Д, 1997. -С. 103-113.

7. Пустовойт В.Н., Бровер A.B. Синергетический подход к проблеме конструирования оптимальной структуры сплавов при обработке концентрированными потоками энергии -М, 1996. -6 с. -Деп. в ВИНИТИ 28.02.97, №631-В97

8. Пустовойт В.Н., Бровер А.В Термодинамическое обоснование возникновения метастабильного аустенита в сталях при обработке концентрированными потоками энергии -М. 1996. -4 с. -Деп. в ВИНИТИ 28.02.97, №632-В97

9 Пустовойт В Н , Бровер А В. Особенности организации структуры сталей и сплавов при термообработке концентрированными потоками энергии -М, 1996 -4 с -Деп. в ВИНИТИ 28.02.97, №633-В97

10. Домбровский Ю М , Бровер А. В К вопросу о теплофизике нагрева сканируемой плазменной дугой// Термическая обработка стали (Теория, технология, техника эксперимента) Межвуз. сб. науч тр. / ДГТУ;-Ростов н/Д, 1998 -С.17-21.

11 Домбровский Ю М., Бровер А.В Изменение ширины зоны нагрева при плазменном поверхностном упрочнении// Оптимизация процессов обработки давлением: Межвуз. сб науч тр. /ДГТУ.-Ростовн/Д, 1998.

12. Домбровский Ю.М , Бровер A.B. Влияние кратности обработки на структуру и свойства плазменно-упрочненных слоев// Оптимизация процессов обработки давлением Межвуз. сб. науч. тр. / ДГТУ.'-Ростов н/Д, 1998.

13. Домбровский Ю.М, Бровер A.B. Оптимизация параметров при плазменно-дуговом нагреве со сканированием// Электронная обработка материалов.-1998. (в печати)

14. Домбровский Ю.М , Бровер A.B. Закалка стали воздушно-плазменной дугой со сканированием/' Метэпповедение и термическая обработка металпов -1998 (в печати)

15 Домбровский Ю.М Пустовойт В Н., Бровер А В Структурообрэзование в стали при нагреве плазменной сканируемой дугой// Материаловедение -1998 (а печати).

L^ у

ЛР № 020630 от 26.04.96 г. В набор 13 Об- $g В печать 04. Объем усл. п.л., уч.-изд.л. Офсет. Формат 60x84/16

Бумага Тип № 3. Заказ № . Тираж 42,0 .

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Бровер, Андрей Владимирович

1. Структура и свойства конструкционных сталей после плазменного поверхностного упрочнения

1.1. Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru 2005

Бровер, Андрей Владимирович

Структура и свойства конструкционных сталей после плазменного поверхностного упрочнения [Электронный ресурс]: Дис. ... канд. техн. наук: 05.02.01 -М.: РГБ, 2005 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки)

Материаловедение ( по отраслям )

Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/02/0278/020278033.pdf

Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Бровер, Андрей Владимирович

Структура и свойства конструкционных сталей после плазменного поверхностного упрочнения

Ростов н/Д 1998

Российская государственная библиотека, 2005 год (электронный текст).

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ДГТУ)

УДК 621.785: 669.14.018.29 На правах рукописи

Бровер Андрей Владимирович

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ПЛАЗМЕННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение

(машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук ПУСТОВОЙТ в. н.

Ростов-на-Дону, 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 5

1. Современное состояния вопроса и оценка перспектив использования плаз-менно-дугового нагрева для целей термической обработки и легирования материалов. Постановка задачи исследований................................................................. 9

2. Методики проведения исследований..................................................................... 19

2.1. Методика металлографических исследований металла после плаз-менно-дуговой обработки................................................................................ 20

2.2. Методика рентгеноструктурных исследований металла после плаз-менно-дуговой обработки................................................................................ 21

2.2.1. Качественный рентгеновский фазовый анализ.................................... 21

2.2.2. Количественный рентгеновский фазовый анализ................................ 23

2.3. Изучение тонкого строения материалов после плазменной обработки

с использованием электронного микроскопа................................................. 24

2.4. Теплостойкость плазменно-упрочненного металла и методика ее определения........................................................................................................... 25

2.5. Износостойкость и методы ее определения............................................ 26

3. Технологические и теплофизические особенности воздушно-плазменной обработки сталей сканируемой дугой............................................................................ 28

3.1. Конструктивные и технологические особенности установки для плазменно-дуговой поверхностной термообработки сталей......................... 28

3.1.1. Особенности установки для плазменного поверхностного упрочнения...................................................................................................................... 28

3.1.2. Условия устойчивости системы источник питания - дуга................... 34

3.1.3. Стабилизация параметров процесса ППУ............................................ 37

3.2. Численное моделирование тепловых процессов при плазменно-дуговой обработке............................................................................................. 45

3.3. Особенности процесса плазменно-дугового нагрева сталей.................. 57

4. Закономерности формирования структур сталей при плазменно-дуговой закалке.............................................................................................................................. 60

4.1. Строение поверхностных слоев сталей после воздушно-плазменной обработки сканируемой дугой......................................................................... 60

4.2. Структурные особенности процесса упрочнения металлических ма-

териалов при плазменно-дуговой закалке...................................................... 72

4.3. Концептуальные положения проблемы прочности сталей и сплавов после плазменно-дуговой обработки.............................................................. 80

4.4. Влияние исходной структуры и химического состава сталей на эффект плазменно-дугового упрочнения............................................................ 87

4.5. Упрочнение поверхностей деталей машин и инструмента комбинированными способами, включающими плазменно-дуговой нагрев............. 94

5. Влияние плазменно-дуговой закалки на свойства конструкционных сталей. Возможности управления процессом упрочнения.................................................... 107

5.1. Исследование теплостойкости упрочненного металла........................... 107

5.2. Износостойкость материалов после плазменного поверхностного упрочнения............................................................................................................ 113

5.2.1. Износостойкость в абразивной среде.................................................... 114

5.2.2. Изнашивание материалов в паре трения.............................................. 117

5.3. Влияние плазменно-дуговой обработки на конструкционную прочность материалов.............................................................................................. 123

6. Технологические основы плазменно-дугового упрочнения деталей машин и инструмента.................................................................................................................. 130

6.1. Рекомендации по выполнению технологического процесса плазменно-дугового упрочнения изделий.................................................................... 137

6.1.1. Требования к упрочняемым изделиям.................................................. 137

6.1.2. Выбор поверхностей для плазменно-дугового упрочнения................. 138

6.1.3. Требования к поверхности изделий, поступающих на плазменно-дуговую обработку............................................................................................ 138

6.1.4. Выполнение операций по упрочнению изделий.................................. 138

6.1.5. Контроль качества плазменно-дугового упрочнения........................... 139

6.1.6. Информационный материал по обслуживанию установок для плазменного поверхностного упрочнения...................................................... 140

6.2. Организация производственных испытаний упрочненных деталей машин и металлообрабатывающего инструмента.......................................... 141

Заключение................................................................................................................... 143

Библиографический список........................................................................................ 147

Приложение. Результаты промышленного внедрения технологий плазменно-дугового упрочнения различных изделий.................................................................. 159

ПЛ. Акт внедрения поверхностного упрочнения и легирования деталей машин и металлообрабатывающего инструмента номенклатуры Азовского оптико-механического завода (г. Азов, 1995 г.)......................................... 160

П.2. Акт внедрения поверхностного упрочнения и легирования деталей машин и металлообрабатывающего инструмента номенклатуры Азовского завода пластмасс (г. Азов, 1996 г.).............................................................. 161

П.З. Акт внедрения поверхностного упрочнения и легирования деталей машин и металлообрабатывающего инструмента номенклатуры НИИ

"Градиент" (г. Ростов-на-Дону, 1996 г.)......................................................... 162

П.4. Акт внедрения технологического процесса поверхностного упрочнения и легирования деталей машин и металлообрабатывающего инструмента номенклатуры ГП "Завод им. Малышева" (г. Харьков, 1994-

1996г.г.).............................................................................................................. 163

П.5. Акт внедрения технологического процесса плазменного поверхностного упрочнения и легирования деталей машин номенклатуры ГП "Завод им. Малышева" с использованием для нагрева воздушно-плазменной дуги прямого действия (г Харьков, 1996 г.)............................. 164

ВВЕДЕНИЕ

Развитие всех отраслей современной техники предъявляет все более высокие требования к материалам, предназначенным для изготовления деталей машин и инструмента. Достижения современного материаловедения в значительной мере позволяют решать проблему создания материалов с заданными свойствами путем целенаправленного формирования оптимального структурного состояния как в условиях поиска новых эффективных составов, так и путем совершенствования методов термообработки существующих сплавов.

Последнее направление, включающее разработку новых технологических способов поверхностной термической обработки, использование комбинированных способов воздействия на структурное состояние сплавов, представляется особенно перспективным. В этом случае можно более полно реализовать те ресурсы, которые обусловлены составом сплавов, повысить эффективность использования в сплавах легирующих компонентов, многие из которых дефицитны, расширить области применения существующих сплавов.

В настоящее время известен ряд способов поверхностного упрочнения сталей и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии: лазерного излучения, электронных пучков, плазменной дуги и др. Перечисленные методы обеспечивают высокую производительность процесса упрочнения промышленных изделий, однако большинство из них имеют такой недостаток, как специальная подготовка упрочняемой поверхности для повышения ее поглощающей способности. Кроме того, оборудование для реализации процесса упрочнения, например, методами лазерной и электроннолучевой обработки требует особых условий эксплуатации, а иногда и вакуумирования изделия, что ограничивает их практическое использование.

Одним из перспективных, эффективных и мало изученных способов поверхностного термоупрочнения и легирования металлических изделий является использование в качестве теплового источника плазменных пучков. Разработка и совершенствование этого процесса является актуальной задачей плазменной технологии.

Технологическая перспективность обработки различных материалов плазменной дугой прямого действия определяется рядом особенностей.

Прежде всего, высокая плотность мощности потоков энергии, вводимой в зону воздействия (104-105 Вт/см2), обеспечивает локальность и прецизионность обработки при существенно меньших суммарных энергозатратах. С помощью воз-

душно-плазменной дуги можно осуществлять контролируемый нагрев поверхностных слоев металлов на заданную глубину, практически не изменяя при этом температуру и структуру сердцевины изделия. Большое практическое значение имеет появляющаяся возможность совмещения различных видов термической, химической, механической, магнитной и других видов обработки в одном технологическом цикле поверхностного упрочнения, так как плазма является средством активизации химических и физических реакций, позволяющим осуществлять процессы, которые в условиях обычной объемной термообработки либо протекают с малой скоростью, либо просто невозможны. Кроме того, малая инерционность процессов обработки плазменной дугой, практическое отсутствие механического контакта с обрабатываемым изделием обеспечивает мобильность в управлении, возможность регулирования режимов обработки в сочетании с простотой позиционирования и закрепления деталей. Эта особенность открывает широкую перспективу эффективного использования технологий плазменного упрочнения в таких прогрессивных формах современного машиностроения, как робототехнические комплексы и гибкие автоматизированные системы на основе микропроцессорной техники и адаптивных управляющих ЭВМ.

Следует отметить, что возможность целенаправленного изменения свойств поверхностного слоя при плазменной обработке позволяет на качественно новом уровне решать одну из важнейших задач - обеспечение оптимального соотношения свойств поверхности и объема материала. Известно, что практически все процессы, приводящие к отказам изделий - износ, коррозия, рост усталостных трещин, начинаются с поверхности и определяются свойствами относительно тонкого поверхностного слоя. Технология плазменного упрочнения предоставляет широкий спектр возможностей улучшения эксплуатационных свойств - повышения твердости, износостойкости, устойчивости к разупрочнению при нагреве, коррозионной стойкости и др. При этом отпадает необходимость использования объемно-легированных материалов и появляется возможность решения кардинальной задачи - повышения надежности и долговечности изделий. Одновременно появляется возможность существенно повысить производительность обработки, сократить затраты в ремонтном производстве.

Существующие в настоящее время работы по плазменным процессам и установкам разрозненны, по многим вопросам отсутствуют необходимые обобщения и рекомендации. В частности, нет подробного анализа конструкций и характеристик плазмотронов; систематизированных сведений о практическом применении плазмы

для целей термообработки различных материалов. Все это существенно сдерживает развитие и применение плазменных процессов в производстве. Кроме того, имеющиеся в промышленности плазменные установки работают в ряде случаев с низкой эффективностью использования мощности плазменной дуги, что влечет за собой существенные энергетические затраты и невысокое качество получаемых изделий.

Промышленное применение методов плазменного упрочнения требует разностороннего и глубокого рассмотрения физики и технологии процесса; исследования закономерностей формирования структуры сталей и сплавов; установления взаимосвязи между структурным состоянием и свойствами; определения путей воздействия на процессы структурообразования с целью формирования оптимального структурного состояния в сталях, отвечающего все возрастающим требованиям к комплексу их свойств. Это будет способствовать широкому внедрению технологии плазменно-дугового упрочнения в производство.

В настоящей работе с научных позиций обсуждаются результаты исследований влияния плазменно-дугового поверхностного нагрева на процессы фазовых превращений при термической обработке и легировании, а именно, изменения, обусловленные скоростным плазменным нагревом в процессе образования аустени-та, в термодинамике, кинетике и механизме мартенситного превращения, при осуществлении отпуска, некоторых видов химико-термической обработки и комбинированной обработки в сочетании с объемной термообработкой, лазерным облучением и др., а также влияния различных механизмов структурного и субструктурного упрочнения сталей и сплавов на их основные эксплуатационные свойства. С термодинамических позиций рассматриваются также возможности целенаправленного использования внутренних резервов упрочненных материалов к структурной приспосабливаемости в условиях эксплуатации под действием внешних темпера-турно-силовых факторов.

В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации по выбору режимов и схем воздушно-плазменного поверхностного упрочнения сканируемой дугой деталей машин и инструмента различного функционального назначения; инструкции по контролю качества плаз-менно-дуговой обработки сталей и сплавов.

Основные области применения разработанного технологического процесса воздушно-плазменного поверхностного упрочнения сканируемой дугой деталей машин и инструмента: предприятия машиностроительной и металлургической промышленности.

На защиту выносится решение научно-технической проблемы материаловедения, имеющей важное значение для экономики и заключающейся в комплексном металлофизическом исследовании закономерностей структурообразования при плазменно-дуговом воздействии на металлические сплавы, определении основных свойств закаленных слоев, возможностей управления процессом упрочнения и в разработке технологических принципов плазменно-дуговой термообработки деталей машин и инструмента.

Разработанные технологические процессы апробированы и внедрены со значительным экономическим эффектом на ряде предприятий России и Украины: АОМЗ (г. Азов, 1995 г.), АЗП (г. Азов, 1996 г.), НИИ "Градиент" (г. Ростов-на-Дону, 1996 г.), ГП "Завод им. Малышева " (г. Харьков, 1994-1997 г.г.).

По теме диссертации опубликовано 19 научных работ.

Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста и состоит из введения; 6 глав основной части; заключения, содержащего общие выводы; списка литературных источников из 148 наименований; приложения, содержащего акты внедрения технологического процесса плазменно-дугового упрочнения деталей машин и инструмента в производство различных предприятий. В тексте диссертации содержится 80 рисунков.

Работа выполнена на кафедре "Физическое и прикладное материаловедение" Донского государственного технического университета в течение 1994-1998 г.г.

Автор выражает признательность канд. техн. наук, доценту Ю.М. Домбров-скому за научное консультирование и техническое содействие в процессе выполнения диссертационной работы.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГО НАГРЕВА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ЛЕГИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Анализ проблемы повышения надежности и долговечности деталей машин и инструмента показал, что в настоящее время немыслимо решить вопрос увеличения срок�