Задачей разработки технологии плазменного упрочнения является получение на детали упрочненного слоя с заданными эксплуатационны­ми характеристиками (износостойкость, прочность, трещиностойкость, выносливость и др.).

Глубина закаленной зоны зависит от плотности мощности источни­ка нагрева и скорости его перемещения. Глубину закалки или оплавле­ния сталей и чугунов определяют по формуле [17]

Z = Р / (do)0'4,

где Z — толщина закаленного или оплавленного слоя; Р — мощ­ность плазмотрона; d — диаметр сопла плазмотрона; о — скорость перемещения плазмотрона.

Наиболее широкое распространение получило плазменное упроч­нение брз оплавления слоев. Характер распределения микротвердости

Рис. 5. Характер распределения микротвердости по глубине (а) и ширине (б) ЗТВ плазменной струи при обработке без оплавления

по глубине S и ширине L ЗТВ плазменной струи при обработке без оплавления показан на рис. 5. В табл. 1 приведены значения микро­твердости и размеров ЗТВ для различных сталей [1].

Эти данные получены при обработке сталей плазмотроном косвен­ного действия с диаметром сопла 6 мм. Основными параметрами про­цесса плазменного упрочнения являются сила тока, напряжение на дуге, скорость перемещения плазмотрона. На силу тока и напряжение оказы­вают влияние расход плазмообразующего газа, диаметр и длина канала сопла, расстояние от среза сопла до обрабатываемой поверхности.

Таблица 1. Оптимальные режимы плазменного упрочнения сталей без оплавления Сталь Оптимальный режим обработки Микротвердость Н, МПа Сте­ пень упроч­ нения К„ Размеры упрочненной зоны, мм Сила тока дуги, А Скорость переме­щения, м/ч исходной структуры в закален­ной зоне 5ЗТВ 53.3 8П. З Чтв 4.3 4.3 ЗОХГСА 400 20 1950-2100 7400-7700 3,5 3,9 3,3 14,5 13,5 12,5 7,5 45 400 20 1700-1800 8200-8400 4,7 4,0 3,6 10,0 14,0 13,2 6,0 50XN 400 25 1900-2000 8400-8600 4,5 3,9 3,6 9,5 14,0 13,3 5,0 65ХЗМФ 400 30 1850-2000 8750-8850 4,7 3,7 3,4 8,0 13,7 13,1 4,5 М76 400 32 2300-2450 9950-10050 4,0 3,3 3,1 4,5 12,9 12,4 3,5 9ХФ 400 35 2600-2750 10500-10750 3,8 3,1 2,9 6,0 12,5 11,9 4,5 150ХНМ 400 40 3200-3600 9600-9750 3,1 3,5 2,8 16,0 11,5 10,6 7,5

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения: степень упрочнения Км — соотношение микротвердости закаленной зоны и исходной структуры; 5ЗТВ, 533 — глубина зоны термического влияния и закаленной зоны; 6ПЗ' — относительная глубина переходной зоны (5п з'=(йп. з/6зтв)'ЮО%); L3tb’ L3.3 — ширина зоны термического воздействия и закаленной зоны; *-п. з* — относительная ширина переходной зоны (Ln 3*= (Ln3/L3TB)-100%).

При варьировании плотности мощности плазменного нагрева обычно регулируют силу тока и скорость перемещения, оставляя другие параметры без изменения. При плазменной закалке больших поверхностей возникает проблема перекрытия соседних закаленных областей. Наиболее широко встречаются два случая последователь­ного упрочнения полос: обработка плоских поверхностей и обработка цилиндрических поверхностей. При этом важной характеристикой является коэффициент перекрытия

= S ' Цз. з -

где S — шаг между закаленными зонами; Ц 3 — ширина закален­ной зоны.

Полосы могут быть выполнены с перекрытием (при Кп < 1) и без перекрытия (при Кп> 1). Под действием теплового поля, возникающего при формировании очередной полосы, происходит частичный отпуск соседних закаленных зон. При этом распределение твердости по ширине ЗТВ будет представлять собой чередование участков с ее высокими и низкими значениями. Во многих случаях расположение упрочненных полос на некотором расстоянии друг от друга так, чтобы обработанная плазменной дугой площадь составляла 20-50% общей площади, приводит к наибольшей износостойкости.

Обработку плоских поверхнос­тей ведут по двум схемам выполне­ния полос (рис. 6): линейной (а) и клеточной (6). После выполнения каждой полосы деталь или плазмо­трон периодически смещают в по­перечном направлении на расстоя­ние, равное шагу S. Наиболее про­сто при клеточной схеме полосы выполнять под прямым углом друг к другу и с одинаковым шагом по обеим координатам, хотя больших сложностей для наложения полос не под прямым углом и для упроч­нения с Sx*Sy нет.

Цилиндрические поверхности обрабатывают преимущественно по четырем схемам (рис. 7): а — поло­су выполняют по одной винтовой линии; б — полосу выполняют по

двум винтовым линиям навстречу друг другу с постоянной осевой по­дачей S; в — кольцевые полосы выполняют с дискретной осевой пода­чей S; г— полосы выполняют вдоль оси по образующей с периодичес­ким вращением детали для смещения на шаг S.

По этим же схемам ведут упрочнение внутренних цилиндрических поверхностей. При этом минимальный внутренний диаметр упрочня­емых деталей ограничивают размеры плазмотрона для внутреннего упрочнения. Плазменное упрочнение в жидких средах расширяет воз­

W2-W3 при обработке в жидкой среде примерно на 20-30% шире, что облегчает выбор режимов упрочнения. Глубина упрочненного слоя при обработке в воде на 30-40% меньше, чем на воздухе. Максимальная твердость на поверхности возрастает примерно на 15%.

В качестве жидкой среды (кроме воды) используют концентриро­ванные растворы солей аммония [12]. При одних и тех же параметрах плазмы применение активной жидкой среды повышает поверхностную твердость на 20% по сравнению с закалкой в воде. При этом допол­нительный упрочняющий эффект за счет азотирования наблюдается

только при плотности мощности, со­ответствующей третьему энергети­ческому порогу W3, т. е. при оплав­лении поверхностного слоя.

Установлено, что толщина слоя образца из стали 20, обработанного на режимах, обеспечивающих ска­чок поверхностной твердости до 250 HV (в 2-2,5 раза больше исход­ной), составляла 25-40 мкм. Азоти­рованный слой представлял собой белую, плохо травящуюся полосу карбонатного состава, содержа­щую примерно 4% азота и 1,5% уг­лерода. Износостойкость образцов, упрочненных с дополнительным азотированием в жидкой среде, на 30% выше, чем при аналогичной обработке в воде и на воздухе.

Используя активные жидкие среды и плазмообразующие газы, можно проводить комбинированное насыщение поверхности азотом, уг­леродом и бором, что в сочетании с термическим упрочнением увеличи­вает эффективность процесса.

Одним из направлений повыше­ния качества упрочненных слоев яв­ляется использование плазменного циклического упрочнения. Выделяют три основных способа плазменного циклического упрочнения (рис. 8}
[13]. Плазменное циклическое упрочнение способом А (рис. 8, а) прово­дят при постоянных режимах обработки в интервале плотностей мощно­сти W2-W3. После определенного числа циклов изменения в структуре упрочненного слоя исследованных марок сталей прекращаются (табл. 3).

плазменном упрочнении

Таблица 3. Характеристика упрочненного слоя при циклическом Сталь Число ЦИКЛОВ Микротвердость Ширина, ММ Глубина, мм исходная в центре зоны закалки в переходной зоне 45 1 180 790 250 6,0 0,75 2 840 270 8,0 0,90 3 850 270 10,0 1,00 4 845 260 10,2 1,20 5 840 260 10,3 1,30 6 840 260 10,0 1,30 9ХФ 1 m 895 390 7,0 0,60 2 920 310 8,0 0,75 3 940 320 10,0 0,90 4 945 320 10,2 1,00 5 935 310 10,2 1,00 6 940 310 10,2 1,00 ЗОХГСА 1 190 650 165 7,0 0,75 2 710 180 9,0 0,95 3 740 182 10,0 1,00 4 745 180 10,0 1,00 5 740 180 10,2 1,10 6 740 180 10,2 1,Ю 20 1 120 410 150 6 0,66 2 470 160 8 0,75 3 480 160 9 0,85 4 470 160 10 0,90 5 475 161 10 0,90 65Г 1 290 840 290 7,0 0,70 2 890 310 9,0 0,90 3 900 310 10,0 0,95 4 905 310 10,2 1,00 5 900 300 10,2 1,00 6 910 305 10,3 1,10 7 905 305 10,3 1,10 8 905 305 10,3 1,10 У8 1 290 870 290 7,0 0,75 2 950 310 8,0 0,95 3 1020 390 10,0 1,20 4 1030 410 10,2 1,30 5 1030 410 10,2 1,30 6 1035 410 10,2 1,30 7 1030 410 10,2 1,30

По мере увеличения числа циклов мартенситная структура упроч­ненного слоя становится более дисперсной по сравнению со структу­рой при обычной плазменной закалке. Повышаются микротвердость, ширина и глубина упрочненного слоя от цикла к циклу. После трех цик­лов нагрева упрочненный слой на всех сталях состоит из зон закалки, отпуска и переходной к основному металлу. Структура металла зоны отпуска высокодисперсная трооститно-сорбитная.

Плазменное циклическое упрочнение по способу В (рис. 8, 6), отли­чающееся повышением температуры нагрева от цикла к циклу, харак­теризуется теми же закономерностями, что и по способу А — увеличе­нием микротвердости, ширины и глубины упрочненного слоя от цикла к циклу, получением высокодисперсной структуры мартенсита в упроч­ненном слое, образованием пластичного слоя — зоны отпуска после третьего цикла упрочнения. На рис. 9 показано влияние числа циклов на поверхностную твердость различных сталей при переменных режи­мах упрочнения (способ В). При упрочнении по способу С (рис. 8, в) по­сле двух циклов закалки проводят отпуск, что обеспечивает получение равновесной структуры благодаря выделению углерода из мартенсита закалки и остаточного аустенита, а также снижение внутренних струк­турных микронапряжений.

Важным преимуществом плазменного циклического упрочнения является наличие более широких возможностей регулирования трещи - ностойкости упрочненных слоев. Следует отметить, что наиболее рас­пространенными дефектами в деталях, подвергнутых плазменному уп­рочнению, являются продольные и поперечные трещины, которые рас­полагаются в упрочненном слое и переходной зоне, в ряде случаев выходя на поверхность. По времени появления и состоянию поверхности эти трещины могут быть отнесены к холодным. На образование трещин влияет ряд факторов: структурный, деформационный (фактор напря­жений) и водородный [1,13, 16, 18]. Увеличение степени дисперсности мартенсита — одно из главных на­правлений повышения трещино - стойкости упрочненных слоев.

Наряду с измельчением зерна в упрочненном слое важным факто­
ром повышения трещиностойкости при плазменном циклическом упрочнении является наличие зоны отпуска. Разрушение образцов после двойной закалки происходит по «множественному» механизму с торможением трещины на границе закаленного и переходного слоя к основному металлу [13]. Первой причиной торможения является пере­ход остаточных напряжений в этом месте от сжимающих к растягива­ющим, второй — большая пластичность металла на границе закаленной и переходной зоны.

Формирование напряжений при охлаждении поверхности, под­вергнутой плазменной закалке, можно представить следующим обра­зом. После прекращения воздействия плазменной дуги наиболее быст­ро охлаждается внутренний слой металла, расположенный возле не - прогретого исходного слоя, а приповерхностный слой — в последнюю очередь. В процессе сжатия он воздействует на внутренний слой, фор­мируя в нем сжимающие напряжения, в то время как на поверхности формируются растягивающие. При этом в поверхностном слое сталей мартенситное превращение происходит в последнюю очередь. По­скольку мартенсит имеет больший объем, то в приповерхностном слое в это время за счет фазовых напряжений происходит расширение и возникают сжимающие напряжения. В результате величина и знак ос­таточных напряжений аост зависят от соотношения термических сттерм и фазовых Стфаз напряжений с учетом возможных пластических эффектов. При атерм > афаз на поверхности формируются растягивающие напря­жения, а при отеры < офаз — сжимающие.

Решающее влияние на значение и характер суммарных напряже­ний оказывает время перемены знака термических напряжений по отношению ко времени появления структурных превращений [3]. Если структурные превращения произошли до перемены знака термических напряжений, то суммарные напряжения уменьшаются, в противном случае — увеличиваются.

Процесс плазменного упрочнения осуществляют таким образом, чтобы избежать появления растягивающих напряжений. С этой целью оптимизируют скорость нагрева, используют термоциклирование, регулируют величину перекрытия упрочняющих слоев и др.

Роль водородного фактора в образовании трещин при плазменном упрочнении изучена недостаточно [18]. Установлено, что содержание водорода в упрочненном слое зависит от марки стали и способа упроч­нения [18]. Максимальное количество водорода зафиксировано при плазменном упрочнении в жидких средах, несколько меньшее — при плазменном легировании и минимальное — при плазменной закалке. Основными источниками водорода при плазменном упрочнении явля­

ются плазмообразующий газ, легирующие пасты и обмазки, охлаждаю­щая жидкость и загрязненная поверхность.

С увеличением мощности плазменной струи и расхода плазмооб­разующего газа количество диффузионного и остаточного водорода по­вышается. С увеличением диаметра сопла плазмотрона возрастает со­держание диффузионного водорода, а с повышением скорости обра­ботки — снижается. С ростом толщины водной прослойки наблюдали увеличение количества диффузионного водорода в упрочненном слое.

При всех способах циклического плазменного упрочнения наблю­дали снижение диффузионного водорода [13]. Таким образом, при плазменном упрочнении существует ряд факторов, которые могут при­вести к образованию трещин. Но в то же время технология плазменно­го упрочнения позволяет использовать ряд приемов и способов, кото­рые существенно повышают трещиностойкость упрочненных слоев.

Плазменное упрочнение с оплавлением поверхности менее рас­пространено, чем упрочнение без оплавления. Оплавление поверхнос­ти сталей и чугунов определяют по формуле [17]

Р / d(du)0’4 = (АТПЛ - Т0) / 0,77а0'4 ,

где Р — мощность плазменной дуги; d — диаметр сопла плазмо­трона; о — скорость перемещения плазмотрона; X, а — соответственно теплопроводность и температуропроводность материала; Тпл — темпе­ратура плавления; Т0 — исходная температура нагреваемого тела.

В ряде случаев к упрочнению с оплавлением прибегают с целью обеспечения более высокой трещиностойкости, но этот технологический прием эффективен только для сталей, содержащих менее 0,35% углеро­да [1]. Что касается плазменного упрочнения с оплавлением сталей, со­держащих более 0,35% углерода, то оно может быть применено только для деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания и не испытывающих значительных ударных и знакопеременных нагрузок.

Получило распространение плазменное упрочнение с поверхност­ным оплавлением чугунных деталей [1]. При этом дополнительным фак­тором повышения срока службы деталей является создание поверхно­стного отбеленного слоя с высокой износостойкостью. Образования трещин удается избежать при использовании предварительного подо­грева до температуры более 350 °С.

Доказана возможность получения теплостойких структур типа белого чугуна на низкоуглеродистой стали 20 при плазменном легиро­вании углеродом из твердой обмазки в условиях оплавления [19]. Кро­ме упрочнения без оплавления и с оплавлением, химико-термической плазменной обработки, применяют комбинированное упрочнение с использованием плазменного нагрева в сочетании с другими спосо­бами объемной или поверхностной термической обработки [1].

К перспективным способам комбинированного упрочнения относят плазменную закалку в сочетании с предварительной закалкой токами высокой частоты. При таком способе упрочнения детали имеют ком­позиционный рабочий слой с высокой износостойкостью и трещино- стойкостью, а также относительно мягкую и пластичную сердцевину. Глубину упрочненного слоя можно регулировать за счет закалки ТВЧ в достаточно широких пределах.

ОАО «УкрИСП» проводило эксперименты по возможности исполь­зования комбинированного упрочнения (ТВЧ + плазма) применительно к ходовым винтам передачи винт—гайка качения. Длинномерные вин­ты этих передач изготавливают из стали 9ХФ и упрочняют закалкой ТВЧ, после чего деталь подвергают окончательной механической обра­ботке (шлифовке). Испытания проводили на специальных образцах с резьбовыми канавками. Металлографические исследования исходной структуры показали, что микротвердость составляет 2690-2780 МПа при наличии карбидов, характерных для отожженной стали. После закалки ТВЧ наблюдали растворение карбидов. Сохранялась наслед­ственность исходной отожженной структуры, что характерно для скоро­стных способов закалки. Микротвердость после закалки ТВЧ составила 6370-7890 МПа, а микротвердость зоны плазменной закалки после ТВЧ изменялась в пределах 8500-10000 МПа.

После закаленной зоны следует зона отпуска значительной протя­женности. Закаленные по различной технологии образцы испытывали на изнашивание при контактных напряжениях 1000-9000 МПа. Испыта­ния проводили до наработки 1 и 28,7 млн. циклов. Степень деформации оценивали по глубине дорожки качения. Результаты испытаний образ­цов на контактную усталость приведены в табл. 4.

Таблица 4. Результаты испытаний образцов из стали 9ХФ на контактную усталость Наработка, Глубина дорожки качения, мкм, при различных вариантах обработки млн. циклов Закалка ТВЧ Сырые образцы+плазма Упрочнение ТВЧ+ллазма 1 1 2,8 0 28,7 4,4 28 0

При упрочнении ТВЧ + плазма наличие протяженной зоны высоко­температурного отпуска с пониженной микротвердостью не сказывает­ся отрицательно на износостойкости образцов. По-видимому, в услови­ях высоких контактных нагрузок, наблюдающихся при работе пары винт—гайка качения, слой с пониженной микротвердостью, имеющий структуру троостита отпуска, оказывает положительное воздействие за счет своих высоких упругих свойств. Этот слой может влиять на способ­ность поверхности, подвергнутой плазменной закалке после закалки ТВЧ, сопротивляться пластической деформации.

Для деталей, эксплуатируемых при значительных динамических нагрузках, рекомендуют комплексное упрочнение, включающее закал­ку ТВЧ + плазменную обработку с промежуточным объемным отпус­ком [1]. В зависимости от требуемого уровня служебных свойств тем­пературу промежуточного отпуска назначают в интервале 200-400 °С.