31004_beca4b46237cc8f32a015b784a469056

В исходном состоянии структура сплава представлена перлитом с микротвердостью 4000…4500 МПа, цементитом (10000 МПа) и шаровидным графитом (рис. 2.20а).

Взависимости от режима обработки глубина упрочненного слоя достигает 0,50…0,97 мм, микротвердость структурных составляющих зоны термического влияния вблизи поверхности образцов изменяется в пределах 8100…11500 МПа (рис. 2.20б). При этом на глубине до 0,4 мм отмечается присутствие слаботравящегося слоя с повышенным содержанием остаточного аустенита (рис. 2.20г).

Вцелом, изменение структуры по глубине зоны термического влия-

ния, где температура нагрева превышала Ас1, характеризуется плавным уменьшением количества остаточного аустенита и цементита с одновременным увеличением содержания мартенсита (рис. 2.21). Глобулярный графит окружен аустенитно-цементитной оболочкой вследствие насыщения прилегающего аустенита углеродом при нагреве (рис. 2.20г). Явной границы между термически модифицированной структурой зоны упрочнения и перлитной матрицей сплава, не испытавшего структурных изменений в результате термического воздействия, металлографически не отмечается (рис. 2.20в). Она определяется только по изменению микротвердости, причем, такая закономерность наблюдается для всех исследованных режимов обработки.

Исследование влияния технологических параметров процесса обработки на формирование структуры поверхностного слоя показало, что при снижении тока дуги (или увеличении скорости ее перемещения) образуется преимущественно ледебуритно-мартенситная структура.

Увеличение тепловложения (при повышении тока или снижении скорости обработки) сопровождается возрастанием доли остаточного аустенита, хотя погонная энергия в обоих случаях может быть примерно одинаковой. Несмотря на более жесткий термодеформационный цикл, такой вариант обработки не приводит к появлению трещин и отколов упрочненного слоя, что может объясняться высоким содержанием аустенита, обладающего наибольшей среди присутствующих структурных составляющих пластичностью.

Таким образом, варьируя параметры режима электродуговой термической обработки можно получить на поверхности чугунных изделий упрочненный рабочий слой с аустенитно-мартенситной или ледебуритномартенситной структурой, с повышенной стойкостью в соответствующих условиях эксплуатации.

51

100

%

80

γост

60

40

Feα(M)

20

Fe3C

0

Рис. 2.21. Схема распределения структурных составляющих (объемные доли в процентах) по глубине зоны термического влияния в чугуне типа СШХНМ (3,7 % С)

2.4.4.Влияние режима электродуговой термообработки чугунов на структуру и твердость зоны упрочнения

Анализ результатов исследования структуры рассматриваемых сплавов в пределах зоны термовлияния при электродуговой термообработке позволил выявить ряд закономерностей структурообразования.

Зона упрочнения не имеет четко выраженной границы с исходной структурой, она характеризуется образованием участков, близких по морфологическим особенностям к перлиту, но имеющих существенно более высокие значения микротвердости (6600…7900 МПа). По-видимому, в переходной зоне происходит образование участков дисперсной аустенитномартенситной структуры со значительной долей аустенита, аналогичных областям, образующимся на месте перлитных колоний при поверхностной закалке сталей.

После электродуговой обработки в поверхностном слое толщиной до 0,4 мм образуется ледебуритная структура с переменным в зависимости от режима содержанием аустенита. Выхода на поверхность структурносвободного цементита в области ледебуритного слоя не наблюдается. Графитные включения частично могут сохраняться. При получении упрочненного слоя последовательным формированием локальных зон термообработки с перекрытием на поверхности фиксируется непрерывный ледебуритный слой.

В подповерхностных областях формируется модифицированная мар- тенситно-аустенитная структура с микротвердостью 8000…10000 МПа,

53

включающая графитные и цементитные фазы, заключенные последовательно в ледебуритную и аустенитно-мартенситную оболочки. В насыщенном углеродом аустените, расположенном вокруг растворяющихся графитной и карбидной фаз, возможно выделение дисперсных частиц избыточного цементита, что обеспечивает высокую микротвердость этой структурной составляющей. Степень дисперсности составляющих мартен- ситно-аустенитной матрицы по мере приближения к поверхности образца снижается.

В целом, изменение структуры по глубине зоны упрочнения характеризуется уменьшением объемной доли аустенита, некоторым снижением доли цементита с соответствующим увеличением количества мартенсита

(рис. 2.21, 2.22).

Соотношение структурных составляющих в зоне упрочнения зависит от состава чугуна, морфологии графитных включений и технологических параметров процесса обработки, в первую очередь от мощности дуги, скорости ее перемещения и степени взаимного перекрытия локальных зон упрочнения. Снижение удельного теплового потока (за счет уменьшения тока дуги или увеличения скорости ее перемещения) ведет к формированию в поверхностном слое ледебуритно-мартенситной структуры, а увеличение удельного теплового потока сопровождается ростом объемной доли остаточного аустенита.

Рис. 2.22. Распределение объемной доли структурных составляющих (%) по глубине зоны термического влияния (z) в чугуне типа

СШХНМ (3,7 % С) при различных параметрах режима обработки – ток (А) и скорость перемещения дуги (м/ч) соответственно:

а – 200, 90; б – 250, 100

54

Микротвердость поверхностного слоя составляет 7000…10000 МПа при ледебуритно-мартенситной структуре и 5000…8000 МПа – при аусте- нитно-мартенситной, с большой долей остаточного аустенита. Следует отметить, что во втором случае микротвердость подповерхностного слоя на глубине 0,1…0,3 мм обычно возрастает до 8000…10000 МПа за счет увеличения доли углеродистого мартенсита.

Повторное термическое воздействие на сформированную структуру зоны упрочнения, возникающее при термообработке соседнего участка поверхности, ведет к дальнейшей модификации структурного состояния. Так, на поверхности зоны, испытавшей повторный нагрев, в зависимости от режима обработки и состава чугуна формируется сплошной ледебуритный слой или слой (0,1…0,2 мм) чередующихся областей ледебурита и аустенитномартенситной матрицы. Причем, с увеличением степени взаимного перекрытия локальных зон термообработки, доля аустенита возрастает. В областях, где температура повторного нагрева не достигает Ас1, происходит отпуск сформированной предшествующей обработкой структуры. Остаточный аустенит частично распадается, встречаются участки мартенсита с различной степенью отпуска, микротвердость снижается до 4500…6500 МПа.

В целом, различные варианты обработки с определенным сочетанием параметров режима (эффективной тепловой мощности дуги, скорости ее перемещения и степени последовательного перекрытия локальных зон термического влияния) позволяют получать различные сочетания структурных составляющих с соответствующей вариацией свойств.

Например, относительно мягкий режим (ток дуги 250 А, скорость обработки 200 м/ч) при последовательном перекрытии зон упрочнения на 30 % их ширины позволяет получить в поверхностном слое чугуна СП-61 толщиной 10…30 мкм ледебуритно-мартенситную структуру. Увеличение степени перекрытия зон ведет к образованию на поверхности равномерного ледебуритного слоя толщиной до 60 мкм. Дальнейшее увеличение тока дуги и скорости ее перемещения сопровождается формированием на поверхности мартенситно-ледебуритного слоя неравномерной толщины.

С увеличением тока дуги возрастает удельное тепловложение в обрабатываемый материал, при этом глубина зоны термического влияния с модифицированной структурой и твердость ее поверхности в исследованном диапазоне параметров режима процесса также возрастают.

Увеличение скорости перемещения дуги при неизменной величине тока ведет к снижению удельного теплового потока через обрабатываемую поверхность и сопровождается уменьшением этих показателей. Общая глубина зоны упрочнения при обработке исследованных чугунов без оплавления составляет 0,5…0,9 мм, что в основном соответствует величине допустимого износа рабочей поверхности валков горячей прокатки за кампанию [11].

55

Таким образом, изменение параметров режима обработки, в первую очередь мощности дуги и скорости ее перемещения, а также степени перекрытия локальных зон упрочнения, позволяет целенаправленно формировать в поверхностном рабочем слое изделий из чугуна с различным химическим составом и морфологией графитных включений модифицированные структурные состояния со свойствами, наиболее удовлетворяющими конкретным условиям эксплуатации.

Например, формирование структуры с определенным количеством остаточного аустенита обеспечивает возможность дальнейшего деформационного упрочнения рабочего слоя в условиях динамического контакта при трении в ходе эксплуатационного нагружения.

Экспериментально установлено, что в сравнительно холодных чистовых клетях универсально-балочного стана Нижнетагильского металлургического комбината лучшей эксплуатационной стойкостью обладают упрочненные чугунные валки с аустенитно-мартенситной структурой, а в более горячих – черновых – с ледебуритно-мартенситной [13].

Следовательно, можно заключить, что формирование ледебуритномартенситной или аустенитно-мартенситной структур в термически модифицированном поверхностной закалкой рабочем слое чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом позволяет значительно увеличить твердость, а наличие остаточного аустенита обеспечивает возможность дальнейшего деформационного упрочнения поверхности в условиях динамического контактного трения. Совокупность этих факторов способствует сохранению профиля рабочей части чугунных изделий и обеспечивает повышение их эксплуатационной стойкости.

На основе анализа результатов проведенных исследований разработан способ термической обработки изделий, новизна которого подтверждена авторским свидетельством на изобретение. Способ включает нагрев поверхности изделий путем наложения полос сжатой или сканирующей дугой в среде инертного газа и охлаждение, и отличается тем, что с целью повышения эксплуатационной стойкости и качества поверхности нагрев и охлаждение осуществляют циклически, причем нагрев ведут до темпера-

тур Тсол…(Тсол – 60 ºC), а охлаждение – со скоростью 120…300 ºC/с до температуры мартенситного превращения и далее – на воздухе, полосы накла-

дывают с перекрытием 0,1…0,5М, где М – ширина полосы [40].

56

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ЗАКАЛКИ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

3.1. Воздействие параметров режима плазменной закалки сталей на фазовый состав и твердость поверхности

в зоне термического влияния

Исследовали структуру и свойства зоны упрочнения отожженных сталей 20, 35, 34ХН1М, 35ХН2Ф, 38ХГН, 45, У8, У10 после обработки плазменной дугой. Диапазон варьирования параметров режима процесса: ток дуги 120…300 А, скорость перемещения плазмотрона 40…150 м/ч. Сочетания параметров режима выбирали из условия отсутствия оплавления поверхности образцов.

Фазовый анализ поверхностного слоя проводили с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-1 в железном К -излучении. Объемная доля фаз определялась по отношению интегральных интенсивностей линий (311) аустенита и (112-211) – (121) мартенсита. Для оценки содержания углерода в фазовых составляющих определяли параметры их решеток. Изучали влияние параметров режима обработки на ширину (d), глубину (z) ЗТВ и твердость (HR-30N) в центре упрочненной полосы, а также фазовый состав поверхностного слоя. Результаты исследования представлены на рис. 3.1…3.5 и в табл. 3.1. Можно отметить, что с увеличением скорости перемещения плазмотрона глубина, ширина и твердость закаленной поверхности доэвтектоидных сталей в исследованном диапазоне параметров режима уменьшаются. Увеличение тока плазменной дуги, напротив, сопровождается соответствующим увеличением ширины, глубины и твердости обработанной поверхности. Исходная структура доэвтектоидных сталей представлена ферритом и перлитом (30…50 %), в структуре стали У8, представленной перлитом, встречается избыточный цементит. Эта составляющая, вместе с перлитом, образует структурную основу стали У10. Неоднородность исходной структуры сохраняется и после плазменной обработки. В процессе плазменного нагрева в участках перлита образуется углеродистый аустенит, состав которого близок к эвтектоидному. В поверхностном слое, где температура нагрева и его продолжительность максимальны, возможно, некоторое диффузионное выравнивание концентрации углерода. Результатом полноты протекания этого процесса является формирование на обработанной поверхности тонкого (~ 10 мкм) слоя мартенситно-аустенитной структуры с переменным в зависимости от режима обработки и состава стали содержанием остаточного аустенита.

57

а

HR-30N80 70 60 50 40 30 20

б

HR-30N

80

70

60

50

40

30

20

в

Рис. 3.3. Влияние параметров режима плазменной закалки сталей на глубину (z), ширину (d) и твердость поверхности (HR-30N) зоны упрочнения:

а – сталь 35, ток дуги 200 А; z – , d – , HR-30N – ; б, в – стали: 35ХН2Ф(), 38ХГН (), 34ХН1М (), 35 (). Скорость перемещения дуги (м/ч) –108 (б) и 144 (в)

60