Плазменная цементация углеродистых сталей с использованием паст в твердой фазе

УДК 621. 785.5:5

ПЛАЗМЕННАЯ ЦЕМЕНТАЦИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАСТ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

В. В. Гюи

PLASMA CARBURIZING CARBON STEEL IN SOLID PHASE USING PASTES

V.V. Huy

Аннотация. Рассмотрена методика выполнения плазменной цементации в твердой фазе с использованием паст и последовательность изготовления коллоидного графитового раствора для процесса цементации. Уточнен механизм диффузии углерода в твердой фазе, и также выявлены причин, которые приводят к неравномерному распределению микротвердости по глубине поверхности деталей.

Ключевые слова: плазменное упрочнение металлов; паста; цементация; диффузия; выравнивание концентрации; микротвердость; аустенизация.

Abstract. The method of performing plasma carburizing in solid phase using pastes and manufacturing consistency of graphite colloidal solution for the process of carburizing. Clarifying the mechanism of carbon diffusion in the solid phase, and also revealed the reasons which lead to uneven distribution of micro hardness in the depth treated surface of the parts.

Keywords: plasma hardening metal; paste; diffusion; carburizing; equalization of concentration; micro hardness; austenization.

Введение

Проблема трения, износа деталей машин и режущих инструментов, вызывает необходимость повышения ресурса работы машин и заставляет нас решать задачу создания новых высокопроизводительных, энергосберегающих технологий упрочнения одной из основных в машиностроении. Традиционная объемная закалка не удовлетворяет возрастающим требованиям ресурса работы стальных деталей. Поэтому всё большее применение получает поверхностное упрочнение сталей[1]. Известно, чтоповерхностное плазменное упрочнение позволяет создать упрочненной слой толщиной 0,1 - 5 мм[1]. При этом нагревают и охлаждают только поверхностные слои детали, в результате чего поверхностный слой обладает высокой прочностью, а сердцевина изделия остается пластичной и вязкой, что обеспечивает высокую износостойкость и одновременно стойкость к динамическим нагрузкам. В тоже время,в машиностроении важна проблема повышения физико-механических и эксплуатационных свойств в тонких поверхностных слоях ( ~ 10 мкм) таких деталей, как калибры, волоки, мерительный инструмент, сверла , цилиндры ДВС и т.д. В настоящее время указанные задачи во многих случаях решаются путем нанесения упрочняющих покрытий [2]. Однако необходимость расходов на порошки и реактивы в этом случае, а также серьезная проблема обеспечения необходимой адгезии в системе "покрытие - деталь" стимулировали развитие другого подхода к решению задачи упрочнения сталей -их обработку с применением источников концентрированной энергии (электронная, лазерная, плазменная обработка, высокоэнергетическая индукционная закалка) [1-4]. Названные методы высокопроизводительны и позволяют получить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при сохранении исходной структуры внутри материала. Однако для низкоуглеродистых сталей эти методы малопригодны. Высокие показатели качества поверхностного слоя в этих случаях дает комбинированная химико-термическая обработка - высокотемпературное диффузионное насыщение поверхностей углеродом (цементация) при одновременной скоростной закалке. [1,4]. Цементацию

применяют для повышения твердости, теплостойкости, износостойкости деталей [3]. Сущность процесса заключается в том, что углерод более легко диффундирует в железо в атомном виде, при этом углекислый газ используется как источник углерода и активатор для ускорения процесса образования атомного углерода. Во времени горения дуги углекислый газ под действием высоких температур диссоциирует на СО (угарный газ) и У О2 (половина молекулы кислорода).

СО2 = СО + У О2

В результате этого в зоне упрочнения образуется смесь из трех газов: углекислый газ, угарный газ и кислород (исключение аргона) и протекают следующие процессы: Углерод соединяется с кислородом и образуется окись углерода (СО).

2С + О2 = 2СО

Окись углерода разлагается на углекислый газ (СО2) и углерод, образующийся в виде атомов (атомарный углерод):

2СО = СО2 + Сат

Атомарный углерод проникает (диффундирует) в поверхностный слой детали. Углерод, проникая в сталь, растворяется в у - железе с образованием аустенита. И при быстром охлаждении образуются мартенсит и выделяются карбиды железа.В данной работе рассмотрен процесс плазменной цементации в твердой фазе с использованием графитовой пасты.

Методика выполнения экспериментов. Плазменную цементацию проводили на стали 3.Химический состав материала СтЗпс в процентах ГОСТ 380 - 2005(табл.1).

Таблица 1 - Химический состав материала СтЗпс в процентах

С Мп N1 Б Р Сг N Си ЛБ

0.14 - 0.05 - 0.4 - до 0.3 до 0.05 до 0.04 до 0.3 до до 0.3 до

0.22 0.15 0.65 0.008 0.08

Экспериментальная часть работы состояла из нескольких этапов:

- подготовка поверхности детали(очистка поверхности до металлическогоблекса);

- нанесение покрытия;

- плазменная поверхностная цементация;

- подготовка металлографических шлифов, измерение микротвердости.

В качестве твердого покрытия для цементации использовали пасту следующего состава: графит, жидкое стекло, вода, масло. Стекло растворяется в воде и после сушки образуется коллоидный раствор, масло способствует перемешиванию графита с полученного раствора. Порядок подготовки графитового покрытия:

• Смешиваем воду с жидкого стекла с отношением по объему 1:10;

• Добавляем масло в раствор (объем равен объему жидкого стекла) и смешиваем на минуту;

• Добавляем графит до получения пастообразный раствора;

• Наносим полученный раствор на поверхность детали кисточкой;

• Сушка образцовв печи, горелкой при температуре 50°С , в течении 30мин.

На рис.1 представлен зачищенный образец после нанесения графитового покрытия.

--2015, Т. 1, №1

Рисунок 1 - Образец с графитовым покрытием

Плазменная цементация выполнялась на установке, которая включает источник питания Кешр1Р8Б5000, осциллятор Ти50(блок управления аргонодуговой сваркой), пульт дистанционного управления С110Б, цифровой анализатор МШ0 (для снятия значений силы тока и напряжения), систему охлаждения WU10, баллонную установку с плазмообразующими газами (аргоном, углекислым газом), горелку и штатив. Штативоснащен зажимными устройствами, которые позволяют закреплять горелку и менять высоту дугового промежутка. Также установка состоит из столика (рис. 2). Столик оснащен специальными прижимными элементами для закрепления на нем заранее приготовленных фрагментов образцов. Движение столика осуществляется с помощью электрического привода, который работает от источника питания 24В. Регулирование скорости передвижения столика осуществляется с помощью потенциометра. Потенциометр создает сопротивление и снижает напряжение, а соответственно и скорость движения столика. Скорость передвижения столика составляет от 5.4 до 39,6 м/ч.

Рисунок 2 - Столик с механизм электрического привода: 1 - горелка; 2 - деталь; 3 - плита; 4 - электрический привод.

Режимы плазменной цементации:ток50-100А,расход аргона 5л/мин; углекислый газ 5л/мин; зазор между вольфрамовым электродом и деталью 5 мм; скорость движения образцов 2.7-5 мм/с.Для подготовки и изучения микрошлифов использовалось следующее оборудование: автоматический отрезной станок Полилаб Р100А для резки металлографических и петрографических образцов. Для запрессовки образцов использовался пресс "Полилаб С50А". Пресс "Полилаб С50А" предназначен для запрессовки металлографических образцов с использованием любых видов термопластичных и термоотверждающихся смол. Для полировки поверхности микрошлифов использовался шлифовально-полировальный станок "Полилаб П12М". Микротвердость измеряется на установке ПМТ - 3.

Результаты экспериментов и обсуждение результатов

В процессе плазменного упрочнения с использованием аргона на поверхности не было следов оплавления

наблюдается сильное оплавления поверхности и происходит процесс диффузии и растворения углерода в металл в жидкой фазе. Но из недостаточного количества углерода образующегося в процессе диссоциации углекислого газамикро твердость по Виккерсу в этих зонах составляет от 5000 - 6000 Мпа (при нагрузке 2Н).Нанесение пасты на поверхность образцов увеличивает количество углерода в пятне нагрева(участок).

Рисунок 3 - Образец после упрочнения: а - Чистый аргон;Ь - аргон + углекислый газ; с - аргон + углекислый газ + покрытие

В табл.1 представлены результаты экспериментов по плазменной цементацииПри режимах 2 и 5 (без оплавления поверхности) после травления шлифов под микроскопом наблюдется цементированный слой 10 - 70 мкм в виде белого не травящегося слоя (Рис 4, 5, 6), которая имеется высокую микро твердость 8000 - 9000 Мпа (при нагрузке 2Н). На рис.4 не травящиеся белые слои располагаются локально по поверхности упрочненного слоя. На рис.5,6 представлены результаты исследования при большем увеличении и приведены замеры микротвердости. Видно, что отпечатки в белой зоне меньше ,чем в упрочненном слое.

Таблица 2 - Параметры режим плазменной цементации

№ Скорость цементации (мм/с) Толщина покрытия (мм) Мощность дуги(Вт) микрооплавления

1 2.7 0.5 720 нет

2 2.7 0.5 810 нет

3 2.7 0.5 900 есть

4 2.7 1 900 нет

5 2.7 1 1000 нет

6 2.7 1 1100 есть

Рисунок 4 - Микроструктура стали Сталь 3 после цементации с увеличением 50 раз

~~^ --2015, Т. 1, №1

Рисунок 5 - Микроструктура в белых слоях стали Ст 3 после цементации с увеличением 1000 раз

Рисунок 6 - Микроструктура стали Ст3 с увеличением 500 раз после измерения микротвердости

Распределение микротвердость в стали 3 по глубине упроченной поверхности приведена на рис. 7, видно что в тонком поверхностном слое значения микротвердости максимальные.Появление белых зон, требующихся больше времени травления доказало возможность диффузии углерода в твёрдой фазе в металл при коротком времени пребывании металла пр высоких температурах. При этом углекислый газ играет важную роль для ускорения процесса. Когда используется только аргон для зажигания дуги и в качестве плазмообразующего вещества диффузия углерода идет медленно, микротвердость стали после упрочнения достигается до 5000мпа. Другой фактор, влияющий на результат процесса, является толщиной графитового покрытия, покрытие оказывает большое влияние на ток, напряжение на дуге и требуемую мощность дуги для процесса диффузии. Практически трудно контролировать равномерность нанесения покрытия на поверхность детали.

Неравномерное распределение микротвердости объясняется тем, что в доэктектиодных сталях возможно наследственное сохранение участков с высокой концентрацией углерода в аустените, образовавшемся из перлита при высокоскоростном кратковременном нагреве поверхности. Когда диффузионный процесс выравнивания концентрации углерода не успевает развиваться в объеме аустенитного зерна. Не гомогенность аустенита приводит к неравномерному распределению твердости по глубине упрочненной дорожки.

http://vestnik-nauki.ru/

10000

с; м 9000

8000

л 7000

и

о п 6000

п о. 5000

1)

й 4000

и

и 3000

% 2000

1—1

1000

О

<ъ> V* ^ <? ^ ^ ^ ^ ^ ^^^

У V

Расстояние от поверхности, мм

Рисунок 7 - Микротвердости стали Ст3 по глубине после цементации при нагрузке Р = 2Н

Неравномерная микротвердость наблюдается особенно при режиме с оплавлением поверхности металла. При приближении к поверхности упрочненного слоя увеличивается максимальная температура нагрева и продолжительность ее воздействия, в результате чего процессы диффузии и выравнивания концентрации углерода в аустените происходит более полно. И мартенсит, образующийся в этих зонах, имеет более равномерные концентрации углерода чем, участки на глубине от поверхности. По мнению [3] максимальное значение твердости наблюдается в зоне термического влияния. В данной зоне образуется игольчатый мартенсит с твердостью, превышающей твердость мартенсита, характерной для упрочняемой стали. Это объясняется диффузией углерода, как из зоны расплава, так и из сердцевины в зону термического влияния в результате градиента температур, возникающего в сплаве под действием плазменной дуги. Авторы [4 ]объясняют высокую твердость в зоне термического влияния образованием тонких каналов жидкой фазы по границам зерен и блоков в твердом металле и массопереносом легирующих элементов по этим каналам. Кроме того долгое время пребывания поверхностных слоев на повышенной температуре вызывает рост зерно аустенита. Это приводит к снижению микротвердости на поверхности. На рисунке 8 приведена микротвердость стали Ст3 по глубине упроченной поверхности при цементации с оплавлением поверхности.

2

Й

I—I

о

о П

а

<и Й 1-4

0

1

1—1

2

Расстояние от поверхности, мкм Рисунок 8 - Микротвёрдости стали Ст3 по глубине после цементации при нагрузке Р = 2Н

Таким образом, проведенные эксперименты доказали возможность плазменной поверхностной цементации низкоуглеродистых сталей, как в режиме оплавления поверхности (из жидкой фазы) так и без оплавления поверхности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Балановский А.Е. Плазменное поверхностное упрочнение металлов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. 180 с.

2. Болховитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка. М.: Машиностроение, 1965. 505 с.

3. Бердников А.А, Филиппов М.А. Студенок Е.С. Структура закаленных углеродистых сталей после плазменного поверхностного нагрева // Металловедение и термического обработка металлов,1997. № 6. С 2-4.

4. Чудина О.В. Комбинированные методы поверхностного упрочнения сталей с применением лазерного нагрева. Теория и технология. М.: МАДИ (ГТУ), 2003, 248с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Гюи Ву Ван

ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», г. Иркутск, инженер, аспирант кафедры машиностроительных технологий и материалов технологий и материалов,

E-mail: huy24_89@yahoo.com

Vu Van Huy

FSEI HPE «Irkutsk National Research Technical University», Irkutsk, Russia, Postgraduate of the Department of Mechanical Engineering Technologies and Materials, E-mail: huy24_89@yahoo.com

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 664074, г. Иркутск (Иркутская обл.), ул. Лермонтова, д. 83, каб. К05. Гюи Ву Ван

89148740225