Плазменная поверхностная закалка. Поверхностное упрочнение деталей из стали и чугуна плазменной закалкой Оборудование для плазменной поверхностной термообработки металлов

1. Плазменная закалка

2. Плазменная нитроцементация

В общем виде стадии изнашивания поверхности трения выглядят следующим образом, рис. 2.56.

Стадия начального изнашивания (приработка) характеризуется приобретени­ем стабильной шероховатостью поверхностей трения. Стадия установившегося из­нашивания характеризуется изменением микро- и макрогеометрия трения и постепенным увеличением интенсивности изнашивания. Процесс установившегося изнашивания заключается в деформировании, разрушении и непрерывном воссоздании

на отдельных участках поверхности слоя со стабильными свойствами. По мере истирания поверхностного слоя с повышенной износостойкостью открываются по­верхности с нестабильными свойствами, что вызывает катастрофический износ. Рис. 2.56а соответствует случаю, когда во время этапа приработки накапливаются факторы, которые после окончания приработки ускоряют процесс изнашивания.

Рис. 2.56б соответствует случаю, когда отсутствует этап приработки, апериод установившегося изнашивания наступает сразу после начала работы (металлообрабатывающий, деревообрабатывающий, медицинский инструмент, рабочие органы машин и т. д.). Рис. Рис. 2.56в соответствует случаю, когда детали находятся под действием контактных напряже­ний и длительное время работают практически без истирания. Основной механизм износа - усталостное выкрашивание поверхностных слоев.

Проведенные испытания на износостойкость сталей после различных видов термообработки при различных видах трения, показали существенные преимущест­ва плазменного поверхностного упрочнения перед традиционными способами. Ре­зультаты испытания в условиях сухого трения на воздухе по пальчиковой схеме образцов стали 20, 45, 40Х, ЗОХГСА, прошедших плазменную закалку (без оп­лавления) представлены в табл. 2.20.

Результаты испытаний на износостойкость стали 40Х

Вид обработки
Плазменная закалка	415	5	0,28	13,8	0,69
Закалка ТВЧ	360	14	0,40	17,9	1,98
N y – общее число; N кр – число циклов до приработки; f тр – коэффициент трения; S – среднее значение площади поперечного сечения дорожки износа; I – путь трения

Из таблицы видно, что плазменная закалка снижает износ и коэффициент поения, а также количество циклов до приработки. Это обусловлено морфологическими особенностями упрочненного слоя после плазменной закалки.

При плазменном упрочнении с перекрытием дорожек упрочнения происхо­дит уменьшение микротвердости в зоне перекрытия (~ 10-30 %) . Однако, как показали исследования, интенсивного изнашивания в зоне перекрытия не наблюдается, так как эти зоны занимают значительно меньшую площадь, по сравнению с зонами закалки и при их изнашивании проявляется «теневой эффект» .

При упрочнении с оплавлением поверхности износостойкость упрочненного

слоя снижается (по сравнению с упрочнением без оплавления). Особенностью мартенситной структуры оплавленного слоя является ее столбчатый характер. Дис­персность мартенсита в оплавленной зоне, не смотря на высокие скорости охлажде­ния, зависит от химического

состава стали. Так, для стали

30ХГСА,30ХС,30ХГСН2А,

38Х2МЮА в оплавленной зоне зафиксирован мелкоигольчатый мартенсит, а в стали 20,30,45, 55, 9ХФ, 9ХФМ, 8Н1А, 40ХН -«крупноигольчатый».

Кроме того, в структуре оплавленной зоны обнаружено повышенное содержание остаточного аустенита (20-60%).

По мнению плазменное упрочнение с оплавлением поверхности наиболее эффективно для деталей, работающих в условиях интенсивного износа, но неиспытывающих значительныхударных и знакопеременных нагрузок.

Износостойкость стали 30ХГСА, 9 ХФ, 50ХН, 150 ХНМ после плазменного упрочнения (без оплавления) возрастает в 2,5-4 раза, по сравнению с объемной закалкой при испытаниях по схе­ме «вращающееся кольцо - неподвижная колодка» на машине трения МИ-1М (9) (в масляно - абразивной среде).

Оценка износостойкости конструкционных сталей, прошедших плазменное азотирование из газовой фазы (по различным режимам), показала, что износостой­кость сталей 20 возрастает в 1,3-1,5 раза по сравнению с плазменной закалкой и в 3-6 раз по сравнению с объемной закалкой рис. (испытание на машине СМУ-2).

Износостойкость нитроцементированного слоя на сталях 20, 45 в условиях сухого трения возрастает по сравнению с объемной ХТО, рис.

Дополнительная обработка холодом (кривая 5, рис. 2.58.) снижает содержание остаточного аустенита в нитроцементированном слое и, как следствие этого, увеличивается износостойкость.

Сравнительные испытания образцов стали 45, 40Х на износостойкость при различных способах упрочнения показали, что плазменная закалка не уступает электронно-лучевой и лазерной закалке, табл. 2.21.

Рис. 2.58. Влияние режима плазменного легирования

на износостойкость стали 45.

1- исходное состояние

2- объемная ХТО /нитроцементирование/

3- плазменная нитроцементация из газовой фазы

4- плазменная нитроцементация из твердойй фазы

5 - плазменная нитроцементация из твердой фазы + обработка холодом.

Из всех видов изнашивания, встречающегося в промышленности, наиболее часто проявляется абразивный износ. Согласно детали машин и инструмен­ты, эксплуатирующиеся в различных условиях работы, наиболее часто испытывают абразивный износ (до 60-70 %). Абразивное изнашивание наиболее часто вызывает разрушение поверхности детали в результате ее взаимодействия с твердыми частицам. К твердым частицам! относятся:

Неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт по каса­тельной,

либо под небольшим углом атаки к поверхности детали;

Незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью детали;

Свободные частицы в зазоре сопряжения детали;

Свободные частицы, вовлекаемые в поток жидкостью или газом.

Испытание на абразивное изнашивание проводят по двум схемам взаимо­действия поверхности материала с абразивом: при трении и при ударе об абразив­ную поверхность . Методики испытаний, оборудование подробно изложены в работах , поэтому нет необходимости их описания, остановимся на резуль­татах испытаний. В качестве критерия оценки износостойкости упрочненных материалов использовалась относительная износостойкость, которая выражается отно­шением износа эталона к износу (линейному, весовому или объемному) исследуемого образца.

Самый простой способ оценки относительной износостойкости материалов – взвешивание образцов до и после испытания на абразивное изнашивание.

Сравнительные испытания на износостойкость пар трения шарик-цилиндрический образец

Способ упрочнения марки стали, образца	Линейный, мкм		По массе, мг		Суммарный
					Линейный, км	По массе, мг
1. Электронно-лучевое упрочнение, 40Х
2. Лазерное упрочнение
3. Плазменное упрочнение40Х
4. Закалка ТВЧ
5. Объемная закалка
6. Азотирование 20
7. Цементация 20				Закалку непосредственно под электровозом или вагоном (без выкатки колесных пар) . За восемь лет работы на ВСЖД открыты 12 участков плазменного упрочнения гребней колесных пар и обработано более 35 500 колесных пар. В течение этих лет проводились исследования триботехнических свойств упрочненных колесных пар на фиксированном участке ВСЖД, а именно на горном участке Иркутск-Слюдянка. Выбор... Триботехника,-М.: Машиностроение, 1985. Лахтин Ю.М. и др. Материаловедение: Учебник для ВУЗов, 3е издание. М.: машиностроение 1990. Плазменное поверхностное упрочнение / Лещинский Л.К. и др.- К.: Техника, 1990. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием / Яценко В.К. и др.- М.: Машиностроение,1985. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами / А.Г. Бойцов и... Перемещения луча приведено на рис. 1.5. Наблюдаемые различия в структуре и твёрдости слоёв зоны в стали 35, обрабатываемой непрерывным излучением лазера на СО2, объясняют различными условиями их нагрева и охлаждения. 1.6. Упрочнение кулачка главного вала В течение последних трёх – пяти лет появились мощные газовые лазеры, обеспечивающие в режиме непрерывной генерации мощность порядка... Является то, что рабочий стол 6 с обрабатываемыми образцами 5 размещается внутри данного устройства. Разрабатываемое оборудование позволит осуществлять имплантацию ионов азота с энергией 1 – 10 кэВ (Дж) в металлы и сплавы, модифицируя их свойства в нужном направлении. Заключение Несмотря на большое количество исследований в области ионной имплантации, остаётся ещё множество вопросов, ...

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

Технологические процессы, в которых материал подвергают воздействию концентрированных потоков энергии в виде электронного луча, лазера, плазмы (сварка, наплавка, резка, упрочнение, напыление), в настоящее время достаточно распространены в промышленности.

К достоинствам обработки электронным лучом в вакууме следует отнести высокие значения эффективного КПД нагрева (h » 0,85) при общем КПД технологических электронно-лучевых установок 50%, возможность передачи потоков энергии мощностью более 40-100 кВт, отсутствие окисления нагреваемой поверхности, высокую производительность процесса и др. В то же время большие капитальные затраты на приобретение и монтаж оборудования, затраты, связанные с его эксплуатацией и обслуживанием, ограничивают применение электронно-лучевой обработки деталей крупносерийным и массовым производством в машиностроении и инструментальной промышленности.

Лазерная обработка интенсивно развивается, но основное распространение получили лазеры мощностью до 5 кВт. Лазеры большей мощности являются дорогостоящим оборудованием, эксплуатация которого экономически целесообразна при его загрузке на 80-90%.

Лазерное излучение обеспечивает наиболее высокую концентрацию нагрева (плотность мощности) 10 8 -10 9 Вт/см 2 , но не для всех технологических процессов это преимущество может быть реализовано. Так, при упрочнении без оплавления существует критическая плотность мощности Е кр, выше которой происходит оплавление поверхности. Для различных сталей значение Е кр находится в интервале (2-6)10 4 Вт/см 2 , т. е. используется диапазон плотности мощности, характерный для плазменной обработки.

Плазменные источники обеспечивают плотность мощности 10 4 -10 5 Вт/см 2 , т. е. меньше, чем электронный и лазерный луч, но их единичная мощность может достигать 160 кВт и более, а эффективный КПД нагрева - 0,72. Плазменное оборудование по стоимости и сложности изготовления вполне сопоставимо с электродуговым. Его широко применяют для резки, наплавки, напыления, сварки и более ограниченно для упрочнения.

Способы плазменного упрочнения

Следует выделить два направления использования плазменного нагрева. Первое связано с использованием нагрева, осуществляемого плазмой тлеющего разряда в вакуумной камере при давлении остаточного воздуха 1,33-13,3 Па. Этот процесс получил распространение для химико-термической обработки инструмента и других малогабаритных деталей. К недостаткам способа следует отнести наличие вакуумной камеры и ограничение обрабатываемых деталей ее размерами. Кроме того, плотность мощности, передаваемая обрабатываемой детали, небольшая.

К этому же направлению следует отнести и технологию электролитно-плазменного упрочнения. Электролитный нагреватель, включенный в электрическую цепь в качестве анода, подводят к изделию, которое является катодом. Замыкание электрической цепи между анодом-электронагревателем и поверхностью изделия происходит через электролит (водный раствор соли). Преобразование электрической энергии в тепловую идет преимущественно в приграничном к изделию слое. В результате нагрева этот слой переходит в парогазовое состояние, в нем под воздействием приложенного напряжения возбуждаются микродуги. Плотность мощности достигает 2,4 × 10 3 Вт/см 2 . Так как в качестве электролита используют водный раствор соли, то этим же электролитом можно производить охлаждение и закалку нагретых участков поверхности.

Второе направление применения плазменного нагрева базируется на использовании сжатой дуги прямого или косвенного действия, генерируемой специальным плазмотроном. Под воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующего газа столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, а температура в центральной части столба дуги повышается до 10 000-50 000 К. В результате внутренний слой, соприкасающийся со столбом дуги, превращается в плазму, а наружный спой, омывающий стенки канала сопла, остается сравнительно холодным, образуя электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла. Этот охлажденный слой газа препятствует отклонению столба дуги от заданного направления и замыканию его на стенку канала сопла. Напряжение сжатой дуги составляет 60-200 В, что в три-десять раз больше, чем в свободной дуге. Плотность тока сжатой дуги достигает 100 А/мм 2 , т. е. на порядок выше, чем у свободной, а удельная мощность достигает 2 × 10 6 Вт/см 2 .

Упрочнение сталей с нагревом концентрированными потоками энергии (КПЭ) по аналогии с другими видами закалки заключается в формировании на этапе нагрева аустенитной структуры и ее последующем превращении в мартенсит на этапе охлаждения. При этом подводимая тепловая энергия больше энергии, необходимой для перестройки кристаллической решетки, а сама перестройка происходит с некоторой конечной скоростью. Поэтому превращение осуществляется в интервале температур от Ас1нач до Ас1кон, т. е. окончание аустенитного превращения смещается в область высоких температур Т (рис. 1, область 1).

Вследствие высокой скорости нагрева диффузионные процессы перестройки решетки объемно-центрированного куба избыточного феррита в решетку гранецентрированного куба аустенита могут не заканчиваться на линии GS диаграммы Fe - Fe 3 C и сдвигаться в область более высоких температур (область 2). Также может происходить микроплавление границы цементита с аустенитом (область 3).

Рис. 1. Участок диаграммы Fe - Fe 3 C с особенностями структурных превращений при высокоскоростном нагреве

При обработке сварочной дугой скорость нагрева достигает 1000-3000 °С/с. При таких скоростях нагрева смещение всех стадий аустенизации в сталях в область более высоких температур может достигать 100-300 °С. В результате нагрева КПЭ формируется структура, особенности которой обусловлены степенью завершенности процесса аустенизации, определяемой скоростью и температурой нагрева, временем воздействия, исходной структурой и др. При достаточно высокой температуре нагрева или при относительно большом времени воздействия возможно формирование однородного аустенита. Уменьшение температуры нагрева и времени воздействия в результате повышения критических точек и замедления процесса гомогенизации приводит к большой неоднородности аустенита в стали, особенно по углероду. Кроме аустенита, в этих условиях при высокой температуре возможно существование нерастворившихся карбидов.

Степень неоднородности структуры, образовавшейся в результате нагрева КПЭ, зависит от дисперсности исходной структуры. Причем чем дисперснее исходная структура, тем меньше неоднородность аустенита.

Процесс обработки КПЭ с целью термоупрочнения характеризуется высокими скоростями охлаждения, которые приводят к закалке поверхностных участков. Для получения мартенсита в сплавах железо-углерод в интервале температур минимальной устойчивости аустенита (400-600 0 С) необходимо обеспечить скорость охлаждения больше критической, которая для большинства сплавов железа находится в интервале 50-200 °С/с. Охлаждение при нагреве КПЭ характеризуется значительно большими скоростями. Так, скорость охлаждения при плазменном упрочнении изменяется в пределах от 10 4 до 10 6 °С/с. Плазменное упрочнение осуществляют без оплавления и с оплавлением поверхности детали.

Установлены энергетические пороги, определяющие режимы упрочнения (рис. 2). Энергетический порог W 1, соответствует нагреву металла до температуры начала аустенитного превращения. Дальнейшее увеличение плотности мощности приводит к возрастанию твердости обрабатываемой стали, которая достигает наибольшей величины при нагреве без оплавления при втором значении энергетического порога W 2. Затем увеличение плотности мощности приводит к незначительному повышению твердости, а третий порог W 3 соответствует началу оплавления поверхности.

Рис. 2. Влияние плотности мощности в пятне нагрева на поверхностную твердость

Плазменное упрочнение без оплавления поверхности наиболее распространено, так как позволяет в широких пределах регулировать твердость, размеры и эксплуатационные характеристики обрабатываемой зоны при сохранении высокого качества поверхности. Упрочнение с оплавлением поверхности обычно используют для достижения особых эксплуатационных свойств.

При плазменном термоупрочнении отдельные слои обрабатываемого участка прогреваются по глубине до различных температур, вследствие чего зона термического воздействия (ЗТВ) имеет слоистое строение. В зависимости от микроструктуры и микротвердости в сталях по глубине ЗТВ различают три слоя (рис. 3).

Рис. 3. Схема строения ЗТВ при плазменном упрочнении

Зона оплавления 1 (первый слой) имеет место при закалке с оплавлением. Как правило, зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая - мартенсит, карбиды обычно растворяются. При оптимальных режимах закалки с расплавлением обезуглероживание не происходит, нет пор и шлаковых включений. При плазменной закалке без оплавления первый слой отсутствует.

Второй слой - зона закалки 2 из твердой фазы. Его нижняя граница определяется температурой нагрева до Ас1. В этом случае наряду с полной закалкой происходит и неполная. По глубине данный слой характеризуется структурной неоднородностью. Ближе к поверхности имеются мартенсит и остаточный аустенит, полученные при охлаждении из гомогенного аустенита. Ближе к исходному металлу наряду с мартенситом имеются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидной стали и цементит в заэвтектоидной.

В переходной зоне 3 (третий слой) металл нагревается ниже точки Ас1. Если сталь имеет исходное состояние после закалки или отпуска, то в результате плазменной обработки в этом слое образуются структуры отпуска - троостит или сорбит, характеризуемые пониженной твердостью.

Зона термического влияния плазменной струи (дуги) имеет форму сегмента, по своему строению она аналогична ЗТВ электронного и лазерного лучей.

При плазменном нагреве не всегда удается избежать накопления теплоты в обрабатываемом изделии. С целью устранения накопления теплоты в изделии используют плазменное упрочнение в жидких средах. Обрабатываемое изделие погружают в жидкость таким образом, чтобы над его поверхностью была жидкая прослойка определенной толщины.

Литература:

Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. – К.: «Екотехнолог i я», 2003 – 64 с.

прогрессивный метод локального поверхностного упрочнения, многократно повышающий надежность и долговечность изделий

СУЩНОСТЬ ПЗ состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали.

ЦЕЛЬ ПЗ - изготовление деталей и инструмента с упрочненным поверхностным слоем толщиной до нескольких миллиметров при неизменном общем химическом составе материала и сохранении во внутренних слоях первоначальных свойств исходного металла.

МАТЕРИАЛЫ, ПОДВЕРГАЕМЫЕ ПЗ - инструментальные стали, чугуны, твердые сплавы, цементированные и нитроцементированные стали, цветные сплавы и другие материалы.

ЭФФЕКТ ОТ ПЗ определяется повышением эксплуатационных свойств детали, благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью, а также получения на поверхности сжимающих остаточных напряжений.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЗ состоит из источника питания дуги, малогабаритного плазмотрона и механизма для перемещения плазмотрона или детали. В качестве источника питания используются установки плазменной сварки и наплавки УПНС-304, плазменной обработки УПО-302, УПВ-301, плазменной резки УПРП-201, сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и другие. Плазмотрон изготавливается по оригинальным конструкторским разработкам. Механизмом для перемещения может служить серийное механическое, сварочное или наплавочное оборудование.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПЗ состоит из предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно ПЗ обрабатываемой поверхности путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот. Возможны следующие технологические варианты ПЗ - без оплавления и с оплавлением поверхности детали, с промежутками между упрочненными зонами или без них. Параметры процесса ПЗ - ток плазменной дуги (струи), расход плазмообразующего газа, расстояние между плазмотроном и изделием, скорость перемещения определяются алгоритмом, обеспечивающим получение оптимальных свойств в поверхностном слое упрочняемой детали. Интегральная температура нагрева в процессе ПЗ не превышает 150..200° С. В качестве плазмообразующего газа используются, как правило, аргон или его смеси с азотом, а также воздух. Средняя ширина закаленной зоны 6..13 мм.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПЗ обработанной поверхности осуществляется визуально по наличию и сравнению цветовой окраски с эталоном, а также по увеличению твердости образца-свидетеля после ПЗ.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПЗ определяются применением сварочных источников нагрева и требуют использования вытяжной вентиляционной системы и защиты органов зрения от излучения.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЗ: режущий и мерительный инструмент, штампы, напильники; контуры резьбы ходовых винтов, шестерен, зубчатых колес, реек; рабочие профили кулачков, копиров, а также разнообразных пазов, канавок, отверстий; направляющие, шпиндели, валы, оси, штоки; детали фотоаппаратов, текстильных машин, ножи для обработки дерева, бумаги, синтетических материалов; рамные и дисковые пилы, иглы, лезвия бритв, прокатные валки, коленчатые и распределительные валы, детали газораспределительных механизмов двигателей и т.д.

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЗ. По сравнению с аналогами - способами поверхностного упрочнения токами высокой частоты, газовым пламенем, химико-термической обработки, лазерным и электронно-лучевым упрочнением, данный процесс имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:

низкие интегральные температуры нагрева деталей;

большая глубина упрочненного слоя по сравнению, например, с лазерной закалкой;

высокий эффективный КПД нагрева плазменной дугой до (85%), для сравнения, при лазерном

упрочнении - 5%;

отсутствие применения специальных дополнительных химических препаратов или веществ;

возможность ведения процесса без применения охлаждающих сред, вакуума, специальных

покрытий для повышения поглощательной способности упрочняемых поверхностей;

в отличие от лазерного оборудования, отсутствие специальных хладоагентов для охлаждения;

простота, низкая стоимость, маневренность, малые габариты технологического оборудования;

возможность автоматизации и роботизации технологического процесса.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЗ определяется:

повышением работоспособности и износостойкости деталей и инструмента;

сокращением затрат на изготовление запасных деталей и дополнительного количества инструмента для выполнения заданной производственной программы;

уменьшения объема заточных операций, времени и средств, связанных с настройкой прессов и металлообрабатывающих станков для инструмента, подвергнутого ПЗ;

высвобождением работников, занятых на изготовлении запасных деталей и дополнительного количества инструмента;

интенсификацией режимов работы инструмента;

увеличением выпуска продукции на существующем оборудовании, вследствие сокращения простоев для замены изношенных деталей и аварийных ремонтов оборудования.

В зоне закалки из твердойфазы закаленный слой имеет ярко выраженную неоднородность. Ближе к обрабатываемой поверхности твердый раствор насыщенуглеродом, что способствует образованию повышенного количествааустенита. Внижней границе слоя остаточногоРис.2.21. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя стали У10 после плазменного упрочнения с различным исходным состоянием.

аустенита значительно меньше,вследствие чего достигается максимальная твердость. Кроме того, в нижней границе слоя наблюдается большее количество нерастворенных карбидов.

Большое значение для получения высокой твердости оказывает исходное со­стояние стали. Так, в стали У8, У10 (предварительно объемно закаленной) становит­ся возможным бездиффузионное обратное мартенситное превращение с наследова­нием аустенитной дефектной структуры мартенсита при полном торможении в про­цессе плазменного нагрева эффектов разупрочнения и рекристаллизации, рис. 2.21.

При упрочнении, без оплавления предварительно закаленной стали (У 10) с исходной структурой мартенсита в зоне нагрева появляется третий слой - слой отпуска (высокодисперсная структура тростита). Микротвердость слоя отпуска со структурой тростита составляет 4000-4300 Мпа. Формирование зоны отпуска на границе закаленного слоя с исходной структурой может играть роль «мягкой» прослойки, способной тормозить развитие трещин, распространяющихся от поверхности.

Легированные инструментальные стали

Плазменному упрочнению подвергались стали 9ХФ, 9ХФМ, 9ХС, 9Х5ВФ, 6ХС, 55Х7ВСМФ, 7ХНМА, 8Н1А, ИХ, 13Х, ХВГ с оплавлением и без оплавления поверхности.

При упрочнении без оплавления поверхности в зоне оплавления возникает мелкодисперсная структура высокоуглеродистого мартенсита и остаточного аустенита. Вследствие высокой скорости плавления и кристаллизации, в зоне оплавления наблюдаются нерастворенные карбиды. Высокая легированность мартенсита в зоне оплавления обеспечивает большие значения микротвердости (12000-14000 Мпа). Однако, в большинстве случаев в зоне оплавления появляются микротрещины, что приводит к сколу и выкрашиванию упрочненного слоя.

Плазменное упрочнение без оплавления поверхности легированных инструментальных сталей приводит к формированию в упрочненной зоне сильно неодно­родной структуры. Вследствие незавершенности процессов аустенизации в упроч­ненном слое образуются мартенсит + нерастворенный цементит + остаточный аустенит. (Так в стали 9ХФ и 9ХФМ количество остаточного аустенита достигает 35 %, а в стали 55Х7ВСМФ до 40 %. Количество остаточного аустенита по глубине упрочненной зоны уменьшается и уже на глубине 80-100 мкм не превышает его со­держание в данной стали при обычной объемной закалке.

Табл. 2.8.

Твердость стали после обработки холодом /жидкий азот/

Для устранения остаточного аустенита после плазменной закалки была прове­дена обработка холодом.Известно, что в легированных инструментальных сталях точка конца мартенситного превращения лежит ниже комнатной температуры. При дальнейшем охлаждении в жидком азоте этих сталей происходит мартенситное превращение, и количество остаточного аустенита заметно снижается, табл. 2.8.

Проведенные исследования показали, что обработка холодом приближает легированные инструментальные стали по твердости к твердым сплавам (НRС Э 65- 80) и находится на одном уровне

с быстрорежущими инструмен­тальными сталями(НRС э 65-69).

Однако использование этой

Рис. 2.22.Распределение микротвердости по глубине упрочненной зоны на сталипослеплазменногоупрочнения (безоплавления)

операции в практических целяхочень затруднительно и требуетдальнейших исследований.

При упрочнении легированных инструментальных сталей отмечается «эффект» максимальной твердости на некоторойглубине от поверхности, рис. 2.22.Призакалкелегированныхинструментальных сталей

Требуются меньшие скорости охлаждения, чем для углеродистых, т.к. аустенит в них более 13Х(1), стали 9ХС(2), стали 9ХФМ(3) устойчив против распада. Легирующиеэлементы способны образовывать с углеродом соеди­нения (в виде карбидов, которые удерживают углерод в труднорастворимых соеди­нениях), препятствующие насыщению аустенита. Однако влияние легирующих элементов на микротвердость упрочненного слоя уменьшается с увеличением со­держания углерода. Стали, содержание хрома в которых превышает 2-3 %, упроч­няются менее эффективно в связи с сильным влиянием легирующих примесей на процесс закалки.

Быстрорежущие инструментальные стали

Плазменному упрочнению с оплавлением и без оплавления поверхности подвергается уже готовый инструмент, прошедший окончательную термическую обработку, изготовленный из различных марок стали Р18, Р6М5, РУМ4К8.

При упрочнении с оплавлением поверхности стали Р18 в зоне оплавления происходит растворение карбидов, повышается степень легирования и устойчи­вость аустенита. Как следствие этого твердость оказывается ниже, чем твердость стали после обычной термической обработки.

Структура и фазовый состав сталей после плазменной закалки и печного отпуска

Марка стали	Способ обработки	Структура	Фазовые составляющие
			Твердый раствор									Карбиды
			Кол-во фаз,%		Состав по массе, %							Тип карбида и кол-во %	Суммарный состав по массе, %
			α	γ	C	W	Mo	V	Cr	Co	Fe		C	W	Mo	V	Cr	Co	Fe
Р6М5* Р6М5**	Плазменная закалка	Мартенсит + остаточный аустенит + карбид	64. 1	26.8	0.4	3.35	3.1	1.1	4.2	-	87.85	МС-1,1, М 6 С-8,0	4.0	31.5	22.5	7.3	3.4	-	31.3
	Плазменная закалка + отпуск при 570º С		86.2	-	0.2	2.4	1.6	0.6	4.2	-	91.0	МС-2,6, М 6 С-7, М 2 С-3,1 М 27 С-1,1 М 23 С6 , М 7 С 3 , М 3 С	6.1	26.3	30.5	9.1	6.5	-	21.5
Р9М4К8*	Плазменная закалка		62.0	29.0	0.6	5.0	3.0	1.7	3.7	8.9	77.1	МС-1,8, М 6 С-7,2 интериметаллид	4.4	4.03	19.5	8.1	3.3	2.2	22.2
Р9М4К8**	Плазменная закалка + отпуск при 580º С		86.2	-	0.2	3.2	1.8	1.2	2.9	9.2	81.5	МС-3,8, М 2 С-3,6 М 6 С-7,4 М 27 С 6 , М 7 С 3 ,	5.8	39.4	20.6	8.0	8.0	2.4	15.8
* Мартенсит + аустенит (твердый раствор) **Отпущенный мартенсит (твердый раствор), остаточный аустенит в пределах ошибки измерения

При упрочнении без оплавления поверхности, структура закаленного слоя состоит из мелкоиголъчатого мартенсита + остаточного аустенита + карбиды. Твердость стали (9500-12300 МПа) превосходит твердость после обычной термообра­ботки, рис.2.23.

Для быстроорежущих сталей также возможно использовать обработку холо­дом после плазменного упрочнения, что повышает твердость упрочненной зоны на стали Р6М5 с 10000 до 12000 Мпа, на стали Р18 до 11500 Мпа, Р9М4К8Ф до 13800 Мпа.

Для повышения твердости закаленной быстрорежущей стали после плазмен­ного упрочнения можно использовать отпуск, что благоприятно изменяет структуру и фазовый состав стали, табл. 2.9.

Рис. 2.23. Микротвердость стали Р18(1), Р6М5 (2) и Р9М4К8Ф (3) после плазменного упрочнения без плавления

При упрочнении быстрорежущих сталей наиболее эффективно упрочнение без оплавления поверхностности. Оптимальные значенияплазменного упрочнения необходимо подбирать для каждого инструмента из той же стали. Кроме того,повышение твердости предварительно закаленной стали очень сильно зависит от длительности плазменного нагрева (зависимость для быст­рорежущих сталей НV=f(t)) имеет экстремум), т.к. длительность нагрева определя­ет скорость фазовых и структурных превращений в упрочненном слое.

Штампованные инструментальные стали

Поверхностное упрочнение стали Х17Ф1 осуществлялось с оплавлением и без оплавления поверхности. Использовалась сталь, прошедшая стандартную термообработку (закалка и отпуск) и без нее, рис. 2.24.Проведенныеисследования показали, что присутствие в структуре этой стали большего количества карбидов (15-25 % по массе) требует высоких температур закалки для полного растворения карбидов и получения высокой твердости. После традицион­ней закалки в структуре остается значительное количество (12 %) избыточных карбидов и большое количество остаточного аустенита

Закалка металла представляет собой нагрев до некоторой критической температуры (более 750 градусов) и последующее быстрое охлаждение, в результате чего твердость стали и чугуна увеличивается в 2-3 раза, с HRC 20...25 до HRC 50...65. Благодаря этому изнашивание деталей замедляется. Снижение износа может составлять десятки и даже сотни раз.

Закалка увеличивает срок службы машин, но не всегда доступна. Поэтому значительное число рабочих поверхностей эксплуатируется без упрочнения, быстро изнашивается и становится причиной частых ремонтов. Это положение может исправить установка плазменной закалки УДГЗ-200, разработанная в 2002г и удостоенная в 2008г медали Женевского салона изобретений и инноваций. Сварщик горелкой (как маляр кистью) закаливает поверхность полосами 7…14мм с некоторым перекрытием. Твердый слой закалки HRC45-65 (в зависимости от марки стали) толщиной 0,5…1,5мм обеспечивает хорошую работоспособность в различных условиях эксплуатации, в том числе крановых рельс и колес, зубчатых и шлицевых соединений, футеровочных плит, штампов и др. Закалка происходит без подачи воды на деталь (за счет теплоотвода в её тело), поэтому применяется не только в специализированных цехах, но и на ремонтных площадках. Закалка, оставляя на поверхности цвета побежалости, не ухудшает шероховатость в диапазоне Rz4…40 и не дает деформаций, благодаря чему детали могут эксплуатироваться без последующей механообработки (шлифовки). Упрочняются не только конструкционные, но и низкоуглеродистые стали типа 20ГЛ, 35Л, традиционно считающиеся не закаливающимися: посадочные места в корпусах и станинах различных машин и оборудования. Работу на УДГЗ-200 легко осваивают сварщики 2…3 разрядов. Процесс закалки может быть автоматизирован. Установка УДГЗ-200 состоит из источника питания, блока водяного охлаждения закалочной горелки и самой горелки с кабелем-рукавом. Снабжается паспортом, сертификатом, руководством по эксплуатации и техинструкцией по ведению закалки для сварщика.

В нашей компании "РусСтанКом" вы можете купить высокотехнологичную установку УДГЗ 200 по выгодной цене, мы предлагаем только запатентованное и сертифицированное оборудование.

УДГЗ-200 география поставок

Плазменная закалка: техническая информация

Плазменная закалка представляет собой локальный нагрев детали до температуры более 750 С и последующем быстром охлаждении. В результате этой процедуры твердость и износостойкость металла увеличиваются в несколько раз. Эта технология остается наиболее распространенным способом упрочнения деталей на производствах. Такой процедуре подвергаются, например, пружины, режущие инструменты, крановые рельсы и т.д.

Основное удобство установки УДГЗ 200 заключается в том, что закалку деталей можно осуществлять без их предварительного демонтажа. Упрочнению можно подвергать следующие металлы:

• сталь
• чугун
• низкоуглеродистая сталь
• инструментальная сталь

Перед обработкой сначала проводится предварительная зачистка поверхности и обезжиривание, а затем осуществляется сама плазменная закалка - плазматрон перемещают над изделием полосами с небольшим перекрытием.

Технические характеристики станка УДГЗ 200:

• Твердость слоя (HRC): до 65.
• Производительность (см2/мин): до 110.
• Рабочий газ: аргон (15л/мин).

С таким оборудованием плазменная закалка становится высокоэффективным процессом. Технология и установка запатентованы и много лет применяются на практике.

Установка плазменной закалки УДГЗ 200: технология

Мощная и функциональная установка плазменной закалки УДГЗ 200 позволяет сделать процесс упрочнения автоматизированным. Технология проста и легко осваивается сварщиками любых разрядов.

Закалка с помощью установки УДГЗ-200 избавляет от необходимости использования печей. Процесс осуществляется без подачи воды на деталь, за счет теплоотвода в её тело, что дает возможность использовать станок на ремонтных площадках.

Также эта установка за счет высоких скоростей нагрева, обеспечивающих сохранение концентрации углерода структуре, способна на упрочнение низкоуглеродистой стали. После обработки на поверхности не образуются какие-либо деформации, благодаря чему деталь далее можно использовать без финишной шлифовки.

Цены на плазменную закалку

Устанавливаемая на УДГЗ 200 цена вполне удовлетворяет наших клиентов, реализовано уже более 100 установок на территории Российской федерации, Украины, Казахстана, Азербайджана, Киргизии. Мы являемся эксклюзивными поставщиками данной установки, что позволяет держать доступную цену.

Подробно ознакомиться с ценами вы можете в прайс-листе, размещённом на нашем сайте. При закупке нескольких единиц возможно предоставление скидок.

Покупка у нас очень удобна:

• техника отгружается со склада.
• оборудование всегда в наличии.

Гарантированные преимущества покупки

Ознакомьтесь со следующими преимуществами приобретения установки УДГЗ 200:

1. Повышение износостойкости поверхности.
2. Увеличение безремонтной эксплуатации оборудования.
3. Сокращение затрат на проведение ремонтов.
4. Снижение простоев оборудования.
5. Восполняет отсутствие дорогостоящих печей на предприятии.

Как следствие – повышение производительности и эффективности предприятия в целом.

Благодаря установке плазменной закалки УДГЗ 200, вы сэкономите время и средства. На все модели цены в нашей компании невысоки, предоставляется заводская гарантия. Поэтому сделать заказ предлагаем уже сейчас!

← Вернуться