Свойства сталей после плазменного упрочнения

Основная цель поверхностного упрочнения концентрированными потоками энергии сталей, чугунов, цветных сплавов, является повышение износостойкости. Однако, высоко дисперсный структура упрочненного поверхностного слоя металла, характеризующуюся высокой твердостью, оказывает определенное влияние на изменение не только износостойкости, но и других механических свойств (прочность, пластичность, выносливость, трещиностойкость) тепло- и коррозиностойкость. Кроме того, работоспособность многих деталей часто зависит не только от механических свойств, сколько от физических. Так, например, стойкость режущего инструмента тем выше , чем меньше тепло- и температуропроводность инструментальной стали.

В случае низкой теплопроводности разогрев режущей кромки инструмента меньше, так как теплоотвод осуществляется больше стружкой, чем инструментом.

Влияние поверхностного упрочнения на механические и физические свойства металлов и сплавов наиболее широко исследовано для случая лазерного термоупрочнения [1, 15, 16. 32, 35,48-50], в меньшей степени для электронно-лучевого упрочнения 52-56. Применительно к плазменному упрочнению, таких работ очень мало [9, 24, 25, 51].

Анализ многочисленных работ по поверхностному упрочнению концентрированными источниками нагрева сталей 09Г2С, 3, 26, 30, 45, 60,4СХ, 65Г, ЗОХГСА, 9ХФМ, У8, У10, У12, 65ХЗМФ, ШХ15, 38ХС, ХВГ показывает, что упрочнение в большинстве случаев снижает прочные характеристики ( σ_в, σ₀₂ ) на 5-40 %,характеристики пластичности на 150-300 % ³. Установлено, что ударная вязкость стали 09Г2С снижается на 10-15 %, стали 20 на 15=20 %, стали 45, 60, 40Х, 65Г

на 40-70 %, стали У8,У10, 9ХФ на 50-70 %. Снижение ударной вязкости обусловлено высокой хрупкостью закаленного слоя и, как следствие этого, очень низким значением работы зарождения трещины в этом слое.

Табл. 2.17

Материал	К_н	КС Мдж/м²	КС₃ Мдж/м²	КС_р Мдж/м²	υ м/с	Р_max, кН	Р_с^Д кН	К_1с^Д Мпа/м^1/2
30ХГСА (наплавка) 50ХН 65Х3ФМ 9ХФ	1,0 2,0 3,5 1,0 2,0 4,7 1,0 1,8 4,5 1,0 1,7 4,7 1,0 1,7 3,8	0,18 0,13 0,11 0,36 0,18 0,13 0,51 0,19 0,19 0,24 0,10 0,08 0,11 0,08 0,07	0,14 0,10 0,07 0,33 0,15 0,10 0,37 0,12 0,10 0,20 0,07 0,06 0,09 0,06 0,02	0,04 0,03 0,04 0,03 0,03 0,03 0,14 0,07 0,09 0,04 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02		10,20 9,39 8,75 7,80 7,00 7,50 7,60 6,30 5,50 7,20 6,00 5,60 6,60 6,56 5,10	9,15 8,11 7,43 7,15 5,70 5,35 6,45 5,20 4,40 6,35 5,10 4,75 5,35 5,75 4,20	23,3 20,6 18,9 18,2 14,5 13,6 15,4 13,2 11,2 16,1 12,9 12,1 13,6 14,6 10,7
Степень повышения твердости К_{н =}Н_упр/ Н_исх, КС – ударная вязкость, КС₃ – работа зарождения трещины, КС_р – работа распространения трещины, Р_max – максимальное усилие разрушения, Р_с^Д– расчетное разрушающее усилие, υ – скорость распространения трещины, К_1с^Д – критический коэффициент интенсивности напряжений.

Испытания на трещиностойкость табл. 2.17. упрочненных сталей 45, ЗОХГСА, 5ЭХР1, 9ХФ, 65ХЗМФ показали [9], что процесс разрушения этих сталей происходит в несколько этапов. Субмикроскопическая трещина зарождается, растет в закаленной зоне и останавливается в переходной зоне (более пластичной) упрочненного слоя. Для дальнейшего ее распространения необходимы существенно большие усилия, чем усилим зарождения в закаленном слое. Качественный анализ диаграмм разрушения и фрактографический анализ изломов показал, что разрушение упрочненных сталей с содержанием углерода до 0,9 %, происходит по механизму «множественного» разрушения с торможением трещины в переходной зоне по механизму искривления траектории. Эффект торможения трещины не приводит к повышению трещиностойкости, из-за недостаточно высокой вязкости разрушения слоя основного металла, распространенного под упрочненным слоем.

Исследование заэвтектоидных сталей [9], упрочненных плазменным нагревом, не выявило эффекта торможения трещины в переходной зоне. Кроме того, плазменное упрочнение этих сталей не приводит к снижению трещиностойкости из-за их высокой хрупкости в исходном состоянии.

Плазменное упрочнение с оплавлением поверхности приводит к повышению трещиностойкости на сталях содержащих менее 0,37 %углерода. На сталях с большим содержанием углерода трещиностойкость снижается, что проявляется в межзерновом характере разрушения оплавленного слоя.

Плазменное упрочнение с перекрытием дорожек упрочнения на 30, 50, 75 % существенно повышает трещиностойкость, но несколько снижает износостойкость.

Повышение трещиностойкости и снижение износостойкости обусловлено образованием: зоны отпуска ( с троститно-сорбитной структурой) в месте перекрытия дорожек упрочнения. Регулируя степень перекрытия и режимы упрочнения, можно получить на рабочей поверхности чередующиеся по определенному закону твердые (хрупкие) и мягкие (пластичные) участки.

Табл. 2.18.

Результаты испытаний образцов после комплексного поверхностного упрочнения (температура + 20º С)

Технология упрочнения, марка стали	σ₀₂ МПа	σ_в МПа	δ %	φ %	КС МДж/м²	К_1с^Д Мпа/м^1/2

Закалка ТВЧ + плазменная обработка стали У8 75Х2МФ Закалка ТВЧ + отпуск+плазменная обработка при температуре отпуска, º С У8200º С 300º С 400º С 75Х2МФ200º С 300º С 400º С					0,048 0,053 0,030 0,058 0,046 0,027 0,070 0,050	5,32 7,47 3,18 8,07 4,83 9,84 7,34

Оценка трещиностойкости материалов после плазменного упрочнения, установление характера разрушения для различных вариантов упрочнения позволило авторам [9] разработать комплексную технологию упрочнения сталей 45, ЗОХГСА, 9ХФ, У8, 75Х2МФ, 150ХНМ, обеспечивающую получение высоких механических свойств, износостойкости и трещикостойкости, табл.2.18

Высокий комплекс механических свойств, а также повышение трещиностойкости и износостойкости получается при использовании комплексного упрочнения

Рис. 2.52. Влияние предварительной пластической деформации на механические свойства стали 45 после плазменной закалки

(деформация + плазменная

закалка), рис.2.52.

Повышение механических свойств после плазменного упрочнения обусловлено образованием

высокодисногоогомартенсита в упрочненном слое.

Увеличение степени дисперсностимартенсита и микротвердости является одной из главных причин повышения трещиностойкости и износостойкостипосле такой комплексной обработки.

Комплексная обработка, включающая в себя закалку ТВЧ + плазменную

закалку + лазерную закалку,

позволяет регулировать эксплуатационные свойства упрочненных деталей, табл.2.19.

Табл.2.19.