Бергер Євген Емильович

доцент, кандидат технічних наук

 Херсонський національний технічний університет,

Україна, Херсон

 

Жигалов Олександр Юрійович

магістр з прикладної механіки

Херсонський національний технічний університет,

Україна, Херсон

 

  Анотація: задача даної роботи - дослідження і вибір обладнання та оптимальних технологічних режимів підвищення твердості і зносостійкості поверхневого шару деталей методом плазмового загартування.

  Ключові слова: плазмова дуга, міцність, поверхневий шар, режими обробки, гартування, мікроструктура. 

  Основними методами підвищення твердості і зносостійкості поверхневого шару деталей є цементація, азотування і плазмове загартування. Плазмове загартування є прийнятнішим, оскільки вимагає значно менше часу. Суть її полягає в термічних фазових і структурних перетвореннях, що відбуваються при швидкому концентрованому нагріві робочої поверхні деталі плазмовим струменем і подальшому відведенні тепла углиб деталі. Оскільки при обробці концентрованими потоками енергії різні шари матеріалу нагріваються до різних температур, зону термічної дії умовно можна представити тій, що складається з ряду шарів, що плавно переходять один в одного. Схема будови ЗТВ показана на рис. 1:

 

Рис.1: 1 - зона оплавлення; 2 - зона загартування; 3 - перехідна зона.

  C метою забезпечення високого рівня конструктивної міцності зміцнюваного виробу необхідно ретельно контролювати структуру не лише гартування але і перехідної зони. Змінюючи режими обробки, можна досить надійно управляти структурними параметрами основної і перехідної зони, формуючи при цьому сприятливий рівень механічних властивостей матеріалу. Дослідження проводили на пластинах, виготовлених з вказаних нижче конструкційних сталей : 

  •  зразок №1 - конструкційна вуглецева сталь 45;
  •  зразок №2 - конструкційна легована сталь 30ХНМА ; 
  •  зразок №3 - конструкційна легована сталь 40ХН2МА; 
  •  зразок №4 - конструкційна легована сталь 40Х. 

  Після того, як зразки були підготовлені, провели поверхневе загартування плазмовою дугою. Як джерело живлення плазмової дуги використовувався серійний зварювальний випрямляч ВДУ- 504. В якості плазмообразуючого газу застосовувався аргон. Структуру і твердість термообробленого поверхневого шару вивчали на поперечних мікрошліфах з використанням мікроскопа Neophot - 2 при збільшеннях 50-1000x. Вимір твердості робився на микротвердомірі Duramin - 2 під навантаженням 4,9x103 H. Виміри твердості і вивчення структури основного і загартованого ділянок поперечних мікрошліфів, виготовлених з оброблених зразків, дали наступні результати: 

  Зразок №1: Сталь 45

  Загартування зразка було проведене без оплавлення поверхні. Вивчення мікроструктури показало, що поблизу від поверхні зміцнений шар складається із зерен сорбіту і перліту (до 0,84мм). У перехідному шарі (0,84-1,04мм) окрім сорбіту і перліту з'являються прожилки фериту. Структура основного металу - перліт і ферритная сітка. Результати виміру твердості по глибині термоупрочненного шару зразка №1 представлені в таблиці 1. 

Таблиця 1 

Глубина, L, мм

0

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

1,7

1,9

Твердость, HV

350

330

310

305

290

288

270

265

260

255

250

 

  Зразок №2: Сталь 30ХНМА

  Загартування зразка було виконане без видимого неозброєним оком оплавлення поверхні. Мікроструктура верхнього шару термоупрочненной зони - шар мартенсіту з балом зерна 6 (ділянка до 0,2мм). За ним йде шар мартенсіту з балом зерна 5 і 6 з прожилками фериту (ділянка 0,2-0,58мм). Наступний прошарок - мартенсіт з балом зерна 3 і 4 з прожилками фериту (ділянка 0,58-1,28мм). У перехідній зоні спостерігаються зерна мартенсіту і сорбіту (ділянка 1,28-1,51мм), в зоні основного металу - зерна перліту і сорбіту. Результати виміру твердості по глибині термоупрочненного шару зразка №2 представлені в таблиці 2.

Таблица 2 

Глубина, L, мм

0

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

1,6

1,7

Твердость, HV

600

541

516

494

489

451

415

365

340

241

242

 

  Зразок №3: Cталь 30ХН2МА

  Загартування зразка було виконане з незначним рівномірним оплавленням поверхні. Мікроструктурний аналіз показав наявність глибокого зміцненого шару (до 2,4мм), структуру якого представляє мартенсіт з різними балами зерна. У верхньому шарі (до 0,9мм) це мартенсіт 7-го, 8-го балів; потім прошарок мартенситних кристалів з балом зерна 6 (ділянка 0,9 - 1,5мм). Далі шар мартенсіту із зерном 4-го і 5-го балів, який в перехідній зоні (до 2,5 мм) замінюють перліт і сорбіт. Результати виміру твердості по глибині термоупрочненного шару зразка №3 представлені в таблиці 3.

Таблица 3 

Глубина, L, мм

0

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

1,6

1,7

Твердость, HV

600

541

516

494

489

451

415

365

340

241

242

 

  Зразок №4: Cталь 40Х

  Загартування зразка було виконане без оплавлення поверхні. Мікроструктурний аналіз показав, що верхній шар ЗТВ (до 0,11мм) складається з мартенсіту 5б. Далі він переходить в структуру, що складається з мартенсіту 5б і сорбіту (ділянка 0,11 - 0,17мм). Потім спостерігається прошарок з мартенсіту, сорбіту і перліту (на глибині 0,17 - 0,29мм), яка переходить в структуру із зерен сорбіту і перліту В зоні основного металу спостерігається пластинчатий перліт і ферритная сітка. Результати виміру твердості по глибині термоупрочненного шару зразка №4 представлені в таблиці 4.

Таблица 4

Глубина, L, мм

0

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

1,6

1,7

Твердость, HV

600

541

516

494

489

451

415

365

340

241

242

 

  Висновки

  Після обробки поверхні наявних зразків було підтверджено припущення про те, що середньовуглецеві сталі добре піддаються зміцненню плазмовою дугою. Було приблизно визначено, що твердість поверхневого шару зразків зростає в два і більше раз в порівнянні з початковими значеннями. Так само було показано, що змінюючи режими обробки, можна управляти структурними параметрами основної і перехідної зони, отримуючи таким чином необхідну твердість і глибину зміцненого шару. При збільшенні сили струму при незмінній швидкості обробки на зразках із сталі 30ХНМА сталося збільшення твердості по усій глибині зміцненого шару. Зразок № 3 із сталі 30ХН2МА, який також оброблявся при підвищених значеннях струму, привернув до себе увагу найвищими показниками по твердості і глибині зміцненого шару серед усіх зразків. Це можна пояснити тим, що в цій сталі підвищений вміст нікелю, який у свою чергу відноситься до групи аустенітотвірних легуючих елементів, тобто розширює область існування аустеніту. Таким чином процес аустенізації протікає досить повно навіть на глибині близько двох міліметрів від поверхні зразка, а значить там стає можливим утворення мартенсіту. Низькі значення сили струму, згідно з очікуваннями не дозволили отримати істотного приросту по твердості в зоні термічного впливу (зразки із сталі 45, 40Х). Експеримент також показав, що зі збільшенням швидкості загартування (продуктивності) максимальна глибина загартованого шару зменшується. Це пов'язано з тим, що знижується час поширення тепла в тіло гартованої деталі, внаслідок чого глибокі шари не устигають прогрітися і пройти аустенізацію, необхідну для подальшого мартенситного перетворення.

 

Література

1. Лащенко Г. И. Плазменное упрочнение и напыление. – Киев: Экотехнология, 2003. – 64 с., ил.

2. Коротков В. А., Бердников А. А., Толстов И. А. Восстановление и упрочнение деталей и инструмента плазменными технологиями. 1993. –144 с.

3. Плазменное поверхностное упрочнение / Л.К. Лещинский, С.С Самотугин, И.И. Пирч, В.И. Комар. – Киев: Техника, 1990. – 109 с.