Источник:http://www.castingarea.com/research/paper-Ivan-Ivanov.htm
Аннотация
В работе представлены результаты анализа микроструктуры, твердости, электронной микроскопии и шероховатости поверхности образца из инструментальной стали класса Х12, упрочненной плазменно-дуговой обработкой и поверхностно-пластическим деформированием.
Ключевые слова: плазменно-дуговое упрочнение, поверхностное пластическое деформирование, остаточный аустенит.
Введение
Работоспособность режущих и деформирующих инструментов зависит от их закалки и качества механической обработки. Плохая реализация одной из технологий, ухудшает работоспособность и долговечность инструмента, и, соответственно, его обрабатывающих поверхностей.
В последние годы поверхностная термообработка концентрированными потоками энергии, дополняемая поверхностно-пластической деформацией становится широко применяемой. Использование CEF в качестве источника тепла позволяет повысить износостойкость инструмента местным упрочнения. Кроме того, мы получаем твердость, превосходящую твердость после обычной термообработки, так как незакаленные слои сохраняют свои исходные свойства. [1,2,4,8].
Применение поверхностно-пластического деформирования обеспечивает снижение шероховатости поверхности, увеличение твердости, возникновение остаточных напряжений [9,11], а также структурные изменения в поверхностном слое. Это способствует повышению прочности детали [3,9].
Сочетание закалки поверхности и CEF с пластической деформацией поверхности упрочненного слоя приводит к дополнительному повышению твердости при сохранении относительно фазового состава [1,2,4,5]. Существуют две основные схемы комбинированной обработки - пластическая деформация до CEF обработки [5,10] и после CEF обработки [1,2,4,5].
Целью данной работы является изучение комбинирования плазменно-дугового упрочнения с обработкой поверхностно–пластическим деформированием стали класса Х12.
Методология
Мы применяем плазменно-дуговое упрочнение образцов из сталей Х12, Х12М, Х12МФ с размерами 20х20х60 мм. Предварительные режимы термообработки представлены в таблице 1.
Таблица 1. Предварительные режимы термообработки
Поверхностное плазменно-дуговое упрочнение образцов из стали класса Х12 было осуществлено с помощью прибора РМ6601П, который обеспечивает линейное перемещение плазмотрона. Для производства плазмы и защиты использовался газ аргон.
Режимы плазменно-дуговой закалки приведены в таблице 2.
Таблица 2. Режимы плазменно-дуговой закалки
Упруго - пластическое деформирование поверхности осуществляется на универсально - фрезерном станке при вращательном движении инструмента и поступательном перемещении образца. Инструмент был установлен эксцентрично, поэтому получили ширину деформированного слоя 15мм. Деформирование осуществлялось сферой D = 10,5 мм при силе F = 650 Н. Обработка поверхности образцов осуществлялась на окружности диаметром D = 15 мм при скорости вращения 250 мин-1 и линейной скорости 12,5 мм / мин. Число перемещений N деформирующего инструмента определяется следующим законом:
N=2i, i=1 ÷ 5
Схема линейной поверхностно-пластической деформации представлена на рисунке 1.
Рис.1 Схема линейной поверхностно-пластической деформации
Анализ твердости проводится с 0,2,4,8,16 и 32 переходами деформирующего инструмента. Для того, чтобы достичь лучших результатов в исследовании образцов в микро изменения твердости мы наклонили металлографический образец. Образцы шлифуются под углом 0,014° на глубину 0,3 мм, так что мы получаем достаточно большую поверхность для послойного анализа деформации.
Поверхность была обработана составом с 3%-ым содержанием HNO3 в С2Н5ОН. Микротвердости измерялись методом Викерса с микротвердостью измерителя ПМТ3 при давлении 100 г и микротвердостью измерителя Heckert при давлении 5 кг. Микроструктуры были сфотографированы с помощью оптического микроскопа Neophot 32 и на электронном микроскопе ДЖОУЛЬ-ДЖКСА-50А с увеличением масштаба изображения 4000 раз.
Шероховатость измерялась в направлении, перпендикулярном направлению шлифования. Мы использовали 3 инструмента Тэйлора-Хобсон Сертроника со стандартной шириной 4,5 мм и основной длиной 4 мм. Длина обработки - 0,8 мм, и скорость подачи - 0,25 мм/с.
Результаты и анализ
Независимо от прохождения термообработки после плазменно-дуговой закалке в поверхностном слое появляется белая расплавленная зона с характерной морфологией дендритов, состоящей из более чем 90% остаточного аустенита [1,4]. Во время кристаллизации в зоне плавления вокруг осей дендритов формируется квазиэвтектика. Твердость в этой зоне достигает 500 - 600 HV, превышающая средний показатель по обычному аустениту. Мы предположим, что это является следствием полного растворения карбидов в этой зоне и насыщение аустенита углеродом и всеми добавками. С точки зрения классической объемной термообработки достигнутой твердости в зоне плавки не хватает для этого класса сталей, работающих при высоких давлениях и относительно высоких температурах.
Кроме того, большое количество остаточного аустенита и его возможные термодеформационные превращения при использовании прибора приводит к нестабильности размера инструмента. С другой стороны, разрушение структуры карбида и его полное растворение в металлической решетке приводит к гомогенизации свойств поверхностного слоя. Однако, достигнутая относительно низкая твердость в расплавленной зоне не способствует повышению эксплуатационных характеристик инструментов. Иначе обстоит дело с закалкой зоны в твердом состоянии. Твердость в этой зоне достигает 750 - 820 HV что сопоставимо и даже выше, чем при объемной закалке. При плазменно-дуговой обработке на поверхностях инструмента формируются зоны с различными фазовыми составами и структурными свойствами, что не всегда положительно сказывается на их эксплуатационных характеристиках. Присутствие большого количества остаточного аустенита в расплавленной зоне может быть удалено двумя основными способами - тепловая дестабилизация и поверхностно-пластическое деформирование. С точки зрения насыщенности углеродом и добавками, тепловой дестабилизации трудно добиться при температурах ниже 400 ° С, остаточный аустенит сохраняет свою твердость, и дальнейшее повышение температуры нежелательно из-за уменьшения жесткости в объеме закаленной части. Образование деформационного мартенсита в результате преобразования аустенита в процессе эксплуатации прибора является неприемлемым.
Применения поверхностного пластического деформирования плазменно-упрочненных слоев является одним из способов повышения твердости поверхности. В текущем исследовании мы наблюдаем улучшение во всех зонах, образованных плазменно-дуговой закалкой, независимо от структурного состояния. В наибольшей степени повышение твердости наблюдается в расплавленной зоне - до 30%, что вполне логично для рассматриваемого количества аустенита. В меньшей степени, упрочнение наблюдается в твердых закаленных слоях - 10-15% (рис.2).
Ожидаемые преобразования в зоне g-a при многократной поверхностной деформации не подтверждаются рентгеновским структурным анализом образцов из стали X12 [2]. Тем не менее, после повышения твердости поверхностно – пластическим деформированием, особенно в расплавленной зоне, а также остаточные напряжения предполагают увеличение долговечности прибора, а из априорной информации известно, что при поверхностно - пластическом деформировании мы достигаем благоприятных усилий. Кроме того, мы наблюдаем снижение шероховатости. Наибольшее снижение Rа наблюдается после второго прохода деформирующего инструмента. Последующие деформации не способствуют существенным изменениям в шероховатости (рис.3).
Рис.2 Влияние стадии пластической деформации на микротвердости образцов после закалки и отжига Рис.3 Изменения в Rа в зависимости от количества проходов
Микроструктурно, мы отмечаем в упрочненном слое плазмы деформированную структуру, которая лучше всего выражена в расплавленном слое, потому что аустенит обладает большим количеством скользящих поверхностей в своей кристаллической решетки, чем мартенсит, и, следовательно, большей глубиной деформированного слоя (рис. 4). По периферии закаленной зоны образованы параллельные линии деформации с расстоянием между ними 1 - 2 мм и упорядочены в направлении линии дисперсных карбидов с размерами от 0,5 до 2 мм (рис. 4д). Кроме того, мы видим, разрушение больших первичных карбидов (рис.4 д, е).
Рис.4. Оптические и сканированные электронные микрофотографии зон, обработанных плазменно-дуговым упрочнением и поверхностно - пластическим деформированием
Заключение
Сочетание обработки поверхности плазменно-дуговым упрочнением и деформации сталей класса Х12 приводит к повышению твердости в расплавленной зоне до 30%, а в зоне, закаленной из твердого состояния до 10 ÷ 15% и упрочнение на глубину 0,2 мм. После плазменно-дугового упрочнения образуются рассеянные карбиды, упорядоченные в направлении деформационных линий после поверхностно-пластической деформации. Поверхностно-пластическая деформация уменьшает шероховатость Ra до 0,63.
Литература
Kirov S., Ivanov I., Metallographic and electron microscopy researches of steel H12MF (D2 AISI) after combined plasma arc and surface deformational treatment, Artcast 2008, 4th International Conference "Casting, from rigor of technique to art", 9-10 May 2008, Galati, Romania, Europlus publishing house, pp. 187-191
Киров С., Иванов И., Шамонин Ю., Георгиев С., Структура и свойства на стомана Х12 след комбинирано плазмено - дъгово въздействие и повърхностна пластична деформация, V Международен конгрес "Машиностроителни технологии' 06", 20-23 септември 2006 г., Варна, България, кн. 2, стр. 36-39
Метев Х., Кузманов Т., Обработване на закалени бързорежещи стомани чрез повърхностни механични въздействия,IV Международен конгрес "Машиностроителни технологии' 04", 2004 г., Варна, България
Иванов И., Георгиев С. Методика и изследване на повърхностно уякчени слоеве от стомана Х12МФ, Годишник на Технически Университет -Варна, 2008 г. стр.13-18
Бровер Г. И., Варавка В. Н., Блиновский В. А., О возможности повышения эффективности лазерной закалки дополнительным пластическим деформированием, ЭОМ, 1989 г., №3, стр. 16-18
Miralles M., Laser hardening of cutting tools, Master's Thesis, Lulea University of technology, Spring 2003, p.87
Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface treatment. Part I: surface hardening of AISI D3 tool steel, Vacuum 69 (2003) 513-516
Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface re-melting of AISI D2 cold-worked die steel, Surface and Coatings Technology 157 (2002) 1-4
Сучков, А. и др., Довършващо обработване чрез повърхностно пластично деформиране, "Техника", София, 1984 г., 255 с.
Г. Д. Гуреев, Д. М. Гуреев, Совмещение лазерного и ультразвукового воздействий для термообработки поверхности стали, Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2007, 1(14), 90-95
Вишняков Я. Д., Пискарев В. Д., Управление остаточными напрежениями в металлах и сплавах, Москва, Металлургия, 1989 г., 254 стр.