31004_beca4b46237cc8f32a015b784a469056

Рис. 2.16. Структура чугуна типа СПХН-49 после поверхностной термической обработки электрической дугой:

а, б (×200); в, г, д, е (×500); ж, з (×2250)

42

Обработка с перекрытием зон на 50 % приводит к более равномерному распределению структурных составляющих. В этом случае на поверхности образца создается протяженный слой толщиной 0,1…0,2 мм, состоящий из чередующихся областей ледебурита и аустенитномартенситной матрицы (рис. 2.16а). Количество участков с большой долей мартенсита в поверхностном слое крайне незначительно. Массивные цементитные частицы после обработки по данному режиму выхода на поверхность практически не имеют, тогда как графитные включения полного растворения не испытывают (рис. 2.16б) и окружены ледебуритноаустенитной оболочкой. Структурные особенности отдельных участков исследованы с использованием большего увеличения ( 500). На рис. 2.16в представлен участок переходной зоны. Видно, что перлит после обработки трансформировался в бесструктурный мартенсит с микротвердостью, достигающей 10000 МПа. Растворения массивного цементита при этом не наблюдается. В основной части термоупрочненного слоя на месте цементитных частиц образуется ледебуритная область (рис. 2.16г) с аустенитномартенситной оболочкой. Микротвердость ледебурита достигает 12000 МПа, аустенитно-мартенситной структуры – 8000 МПа.

Мартенситная матрица представлена линзовидным мартенситом, имеющим микротвердость 7000 МПа.

Необходимо отметить, что в пределах ледебуритной области наблюдается выделение тонких пластин избыточного цементита (рис. 2.16г), обусловливающих ее высокую микротвердость.

В основной части упрочненного слоя микротвердость ледебуритных участков понижается в ряде случаев до уровня 9000 МПа. Типичный участок, отражающий сочетание структурных составляющих около графитных включений, представлен на рис. 2.16д. Ледебурит в рассматриваемом случае неоднороден. Можно выделить участки чисто ледебуритной эвтектики, расположенные между графитными частицами. В области между аустенитом и графитом, по-видимому, формируется ледебуритноаустенитная структура.

Для более детального анализа была привлечена растровая электронная микроскопия. Рельеф травленых шлифов анализировался в свете вторичных электронов. Видно, что около растворяющейся графитной частицы образуются цементитные включения (рис. 2.16ж), за которыми располагается ледебуритная эвтектика. В ряде случаев отдельных цементитных частиц не образуется, ледебурит расположен в непосредственном соприкосновении с графитом (рис. 2.16ж,з). Когда процесс растворения графита находит значительное развитие, внутри ледебурита можно наблюдать отдельные участки аустенита. Несмотря на большую скорость охлаждения, наблюдается выделение из аустенита вторичного цементита в виде дисперсных глобулей (рис. 2.16з). По-видимому, этим и объясняется высокая микротвердость (8000…8400 МПа) аустенитно-мартенситной структуры на периферии растворяющихся графитной и карбидной фаз.

43

Возвращаясь к анализу типичных структур основной части термообработанного слоя, необходимо отметить, что величина микротвердости (не ниже 6000 МПа) аустенитно-мартенситных участков может превышать микротвердость участков с линзовидным мартенситом (рис. 2.16е).

Рентгеноструктурный фазовый анализ поверхности образцов после формирования локальных зон термообработки с перекрытием на половину их ширины показал более равномерное распределение фазовых составляющих. Для основной части слоя характерно присутствие аустенита и цементита. Количество мартенсита невелико, что хорошо согласуется с данными металлографического анализа.

Использование при термообработке чугуна больших значений тока (270…280 А) при одновременном увеличении скорости перемещения дуги до 180 м/ч существенного изменения глубины упрочненного слоя не дает. Необходимо отметить образование при этом очень тонкого ледебуритного слоя на поверхности образца, где зоны сформированы с перекрытием в половину их ширины.

На рис. 2.17а,б приведена структура области перехода от основного металла к термообработанному. Видно, что ярко выраженной границы переходной зоны также не формируется. Термовлияние проявляется в образовании «бесструктурных» участков на месте перлитных колоний. Основным критерием смены структурного состояния является микротвердость. Так, например, на рис. 2.17а представлено изменение данной характеристики на границе зоны термовлияния. Микротвердость перлита равна 3600 МПа (отпечаток в центре снимка). При смещении к поверхности образца, несмотря на сохранение характерного для перлита рельефа, величина микротвердости увеличивается почти в 2 раза (6470 МПа, соседний с первым отпечаток). В слаботравящейся зоне микротвердость достигает значений 7900…10000 МПа (рис. 2.17а,б). Представляется вероятным образование на месте перлитных колоний аустенитно-мартенситной структуры с высокой степенью дисперсности ее составляющих. Цементит в рассматриваемых участках заметных изменений не испытывает.

По мере приближения к поверхности образца структурные изменения более заметны. Во-первых, около графитных включений появляется аустенитная оболочка, максимальной толщиной обращенная к поверхности образца, а мартенсит, по причине укрупнения аустенитного зерна и повышения в его составе содержания углерода, становится типично линзовидным (рис. 2.17в). Во-вторых, наблюдается интенсивное растворение цементита, приводящее к образованию при последующем охлаждении ледебуритной эвтектики на поверхности образца (рис. 2.17г).

При смещении к краю локальной зоны, испытавшему меньшее термовлияние, наблюдается мартенситная структура основы, ледебуритного слоя на поверхности не образуется. Около графита можно обнаружить прослойку аустенита, а цементит структурных изменений не испытывает.

44

2.4.2.Исследование структуры зоны термического влияния в чугуне типа СП-61

Исследование проводилось на образцах, вырезанных из валков для горячей прокатки, поверхность которых была термообработана электрической дугой в диапазоне параметров режима, указанном в табл. 2.2.

Установлено, что термообработка током 250 А при скорости перемещения дуги 200 м/ч с последовательным формированием локальных зон упрочнения при перекрытии на 30 % обеспечивает максимальную глубину слоя 0,45 мм, а минимальную – 0,28 мм (среднее значение глубины модифицированного слоя 0,35 мм). При этом ледебуритная прослойка на поверхности имеет толщину ~ 0,04 мм. Вариант перекрытия локальных зон на 60 % их ширины (режим 1) позволяет увеличить максимальную глубину упрочненного слоя до 0,60 мм, причем среднее значение составляет 0,53 мм.

Глубина ледебуритной прослойки изменяется в пределах 0,096… 0,120 мм (среднее значение – 0,100 мм). Необходимо отметить, что этот вариант обработки дает более равномерный по глубине упрочненный слой

– разница глубины различных участков слоя составляет 0,12 мм, в то время как после обработки по режиму 2 (перекрытие 30 %) разница составляет 0,17 мм при меньшей средней глубине. Обработка током 350 А со скоростью 300 м/ч увеличивает глубину слоя по сравнению со вторым режимом почти в 1,5 раза (до 0,47 мм), однако размах колебаний глубины упрочненного слоя в этом случае составляет 0,22 мм.

Рентгеноструктурный анализ поверхности термообработанных образцов чугуна типа СП-61 показал, что цементит при исследованных вариантах обработки текстурирован. Об этом можно судить по отклонению интенсивности интерференционных линий этой фазы по сравнению с ее нормальным (идеально-кристаллическим) состоянием. На рис. 2.18а видно, что аномально высокие значения интенсивности имеют интерференционные линии (120), (130) и (140), в образовании которых принимает участие базисная плоскость и плоскости, близкие к ней по ориентации. Последний факт свидетельствует о направленном расположении кристаллов цементита относительно поверхности образца. Аустенит и мартенсит столь выровненной текстуры не имеют.

45

Рис. 2.17. Микроструктура чугуна после электродуговой поверхностной термической обработки (×500):

а, б, в, г – СПХН-49; д, е, ж, з – СП-61

46

ет около 50 %, а мартенсита – примерно 30 %. Состояние интерференционных линий различных участков термообработанной поверхности позволяет сделать вывод о чередовании мартенситных областей с различной концентрацией углерода.

Формирование упрочненного слоя с перекрытием локальных зон термообработки на 60 % их ширины сопровождается уменьшением степени текстурированности цементита и увеличением объемной доли аустенита до 60…65 % за счет снижения количества мартенсита. Состояние мартенсита в этом случае более стабильно, чем после обработки с меньшим перекрытием (рис. 2.18в).

Обработка с использованием более высоких значений тока дуги и скорости ее перемещения приводит к увеличению интенсивности интерференционных линий цементита, содержание мартенсита также увеличивается (до 40 %), а доля остаточного аустенита соответственно уменьшает-

ся (рис. 2.18г).

Исходная структура чугуна представлена на рис. 2.17ж. Микротвердость цементита составляет 12700 МПа, перлита – 3200 МПа.

На рис. 2.17д,з приведены микрофотографии структуры различных участков термоупрочненного слоя, полученного при обработке по первому режиму. Зона термовлияния проявляет себя появлением мартенситных участков (рис. 2.17з). В переходной зоне эти участки граничат с областями, в которых цементит перлита испытал только коагуляцию. По мере продвижения к поверхности увеличивается длина игл мартенсита при одновременном понижении их плотности, микротвердость мартенсита составляет 7500 МПа. В поверхностном слое встречаются области ледебурита, имеющего высокую степень дисперсности составляющих. Наблюдаются участки, в пределах которых плотность мартенситных игл очень низка (1…3 на одно зерно аустенита, рис. 2.17д). Основная часть поверхностного слоя представлена ледебуритной эвтектикой, составляющие которой располагаются перпендикулярно поверхности (рис. 2.17д,е).

Непосредственно поверхностный слой толщиной ~10 мкм имеет иную ориентацию цементитных пластинок (рис. 2.19а,б). Они располагаются под углом ~ 30 к поверхности. Указанное расположение составляющих ледебуритной эвтектики подтверждает текстурированность цементита, возникшую при кристаллизации оплавленного тонкого поверхностного слоя.

Уменьшение степени перекрытия локальных зон упрочнения (переход от режима 1 к режиму 2) сопровождается формированием в поверхностном слое структуры, особенности которой иллюстрирует рис. 2.19в,г. Видно, что в данном случае подплавление происходит только в отдельных микроучастках, выявляемых по наличию эвтектической морфологии.

48

Рис. 2.19. Микроструктура поверхностного слоя чугуна типа СП-61 после электродуговой термообработки:

а, б (×200); в, г, д, е, ж, з (×500)

49

Основная часть приповерхностного слоя является практически полностью аустенитно-ледебуритной, выхода мартенсита на поверхность не наблюдается. Микротвердость ледебуритных областей немного уступает микротвердости цементита (рис. 2.19г) и соизмерима с микротвердостью мартенситных участков (рис. 2.19в). Массивный мартенсит в рассматриваемом варианте обработки обнаруживается непосредственно вблизи поверхностного аустенитно-ледебуритного слоя (рис. 5.19в,г), глубина залегания этой структурной составляющей может достигать 0,2 мм.

Остальная часть зоны термовлияния представляет собой, помимо цементитных включений, сложное структурное сочетание аустенита и мартенсита, кристаллиты которых имеют высокую степень дисперсности.

Использование больших токов (350 А) с одновременным увеличением скорости перемещения дуги при перекрытии в 30 % ширины зоны приводит к получению на поверхности ледебуритного слоя толщиной ~ 0,05 мм с ярко выраженной текстурой кристаллизации (рис. 2.19д). Однако при этом наблюдается выход мартенсита на поверхность, причем его концентрация в подповерхностном слое может быть значительной (рис. 2.19е).

Характер структуры ледебурита и толщина слоя, содержащего эту структурную составляющую, в рассматриваемом варианте обработки могут значительно различаться. Так, показанный на рис. 2.19ж участок поверхностного слоя состоит из ледебуритной эвтектики, составляющие которой не имеют преимущественной ориентировки. Рис. 2.19з иллюстрирует наличие ледебуритного слоя толщиной ~ 0,01 мм.

Таким образом, рассмотренные варианты режимов обработки чугуна СП-61 позволяют получить в зоне термовлияния различные сочетания структурных составляющих. Относительно «мягкий» режим (ток 250 А, скорость 200 м/ч) формирования слоя с последовательным перекрытием локальных зон упрочнения на 30 % их ширины обеспечивает образование в поверхностном слое толщиной 10…30 мкм аустенитно-ледебуритной структуры. Увеличение степени перекрытия ведет к созданию равномерного, относительно массивного (глубиной до 60 мкм), ледебуритного слоя. Использование «жесткого» режима обработки (ток 350 А, скорость 300 м/ч) при перекрытии локальных зон на 30 % ширины приводит к получению мартенситно-ледебуритного слоя неравномерной глубины.

2.4.3.Исследование структуры зоны упрочнения в чугуне типа СШХНМ

Обработку проводили сканирующей дугой прямого действия в аргоне без оплавления поверхности при скорости 90…180 м/ч, величине тока дуги 200…350 A, с наложением полос встык, а также с перекрытием на 30 и 50 % ширины локальной зоны упрочнения.

50