Упрочнение металлических поверхностей электрической дугой

УДК 621.785.

А. Е. Михеев, А. В. Гирн, С. С. Ивасев, Р. В. Карпов УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОЙ

Рассмотрен механизм упрочнения металлических поверхностей при обработке концентрированными источниками энергии. Приведены результаты исследований по упрочнению образцов из серого чугуна электродуговым способом. Показано, что микротвердость поверхностного слоя упрочненных чугунов возросла на 20 % по сравнению с обычной упрочняющей термообработкой.

Развитие промышленности неразрывно связано с созданием новых материалов с высокими технико-экономическими показателями. Одной из наиболее важных задач машиностроения является улучшение механических характеристик металлических деталей, работающих в условиях изнашивания. Эффективное решение этой задачи заключается во внедрении современных технологических методов, позволяющих обеспечить оптимальное состояние поверхностного слоя материала. Для деталей, работающих в условиях трения, наиболее важными являются такие физико-механические свойства, как твердость и контактная выносливость поверхности при сохранении пластичности основной массы изделия. Поэтому целесообразно повышение характеристик не всего материала детали, а только ее поверхностного слоя.

Анализ современных методов упрочнения поверхностей стальных деталей показывает, что одним из перспективных направлений является упрочнение с использованием концентрированных потоков энергии. Это обусловлено тем, что основным направлением развития новых методов обработки является стремление повысить скорости нагрева, охлаждения и деформации. Это позволяет повысить концентрацию дефектов кристаллической решетки в обработанных материалах, изменить их распределение в материале и в результате улучшить их механические и другие важные для техники свойства материалов.

С 70-х г. для упрочнения поверхности металлов начинают применять лазерные, а затем электронно-лучевые и плазменные источники нагрева. Общим для этих методов является подвод тепловой энергии в заданную точку поверхности, последовательный нагрев соседних точек благодаря относительному перемещению теплового пучка и заготовки, скоростное охлаждение нагретого слоя кондуктивным теплоотводом во внутренние слои детали. Работами в этой и смежных областях занимались такие отечественные ученые, как Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов,

В. С. Крапошин, И. Н. Кидин, Л. И. Миркин, В. С. Коваленко, А. Г. Григорьянц и др.

С помощью концентрированных потоков энергии можно нагревать материалы со скоростями, на несколько порядков превышающими скорости нагрева при всех ранее известных видах обработки, обрабатывать очень малые поверхности, миниатюрные детали, наружные и внутренние поверхности деталей, создавать отверстия с упрочненной поверхностью и т. д.

Однако вопросы, касающиеся как механизма изменения структуры металла при обработке, так и областей практического применения термоупрочнения с помощью концентрированных потоков энергии, еще не реше-

ны. Прежде всего не получены количественные закономерности изменения структуры и свойств металлов при такой обработке. Для практического использования упрочняющей обработки с помощью концентрированных потоков энергии необходимо установить области, где они могут быть применены с большей эффективностью, чем существующие традиционные методы обработки. Новые методы обработки материалов тесно связаны с исследованиями физической природы процессов, возникающих при термическом упрочнении сплавов.

Наряду с достоинствами, перечисленные методы упрочнения поверхности имеют ряд недостатков, наиболее важными из которых являются высокая стоимость оборудования и как следствие - высокая себестоимость обработанной поверхности.

Из анализа методов поверхностного упрочнения с помощью концентрированных потоков энергии следует, что электрическая дуга, обладая относительно низкой стоимостью обработки, по плотности мощности сопоставима с плазменной струей. Это позволяет использовать обработку электрической дугой для упрочнения металлических поверхностей, что и определило цель и поставленные задачи исследования.

Под концентрированным потоком энергии следует понимать энергетический поток, воздействующий на локальный участок поверхности с плотностью тепловой мощности более 103 Вт/см2 [1, 2]. На практике для упрочнения поверхности чаще всего используют лазерное излучение, электронный пучок и плазменные потоки [1]. Несмотря на различия физических процессов, лежащих в основе того или иного способа скоростного нагрева, всем им присуща то, что фазовые и структурные превращения протекают в условиях, далеких от равновесных [3]. Особенностью обработки концентрированными потоками энергии является сопровождающая данный процесс закалка объемов изделия, нагретых до температур выше критических точек сплава [4]. Сразу после перемещения источника нагрева на новый участок поверхности обрабатываемого изделия начинается охлаждение нагретого объема. Тепло частично рассеивается в окружающем пространстве за счет лучеиспускания, но главным образом отводится вглубь металлов и сплавов. С учетом того, что нагретый объем составляет незначительную часть всего изделия, скорость отвода тепла (скорость охлаждения) оказывается выше критической скорости закалки не только для средне- и высокоуглеродистых сталей, но и для сталей с низким содержанием углерода и даже технически чистого железа [5]. Таким образом, для упрочнения не требуется принудительное охлаждение нагретых объе-

мов, т. е. происходит автозакалка. Это является одним из существенных преимуществ поверхностного упрочнения сталей, чугунов и других сплавов локальными источниками энергии.

Нагрев концентрированными потоками энергии может осуществляться как с оплавлением поверхности обрабатываемого изделия, так и без оплавления. Оплавление в сочетании с последующий автозакалкой представляет собой особый вид термической обработки - закалку из жидкого состояния. Сущностью ее является быстрое затвердевание тонких поверхностных слоев с образованием в них метастабильных структур. Поскольку формирование тонких структур часто приводит к повышению эксплуатационных характеристик изделий, закалка из жидкого состояния прочно вошла в арсенал термической обработки [6]. При такой закалке на поверхности обрабатываемого изделия могут появляться мелкие неровности как следствие газовыделения и усадки металла при его затвердевании. Правильный и тщательный подбор режима обработки часто позволяет ограничить эти неровности несколькими десятками микрометров. Последующая механическая обработка позволяет устранить эти дефекты.

При рассмотрении механизмов упрочнения различают четыре основных пути возможного упрочнения поверхностного слоя [7]:

- структурное упрочнение, достигаемое высокоскоростным нагревом тонкого поверхностного слоя, до температур, не превышающих температур фазового превращения;

- упрочнение путем поверхностной закалки с получением метастабильного фазового состояния и последующим старением или отпуском;

- упрочнение путем нагрева поверхностного слоя до температур, превышающих температуру плавления с последующей ускоренной кристаллизацией, при которой достигается образование сверхмелкодисперсной кристаллической структуры, аморфного состояния вещества либо иных метастабильных состояний закристаллизованной поверхности;

- упрочнение путем поверхностного легирования слоя на основе протекания микрометаллургических процессов в поверхностном расплаве и диффузионного взаимодействия легирующего компонента в слое с основой сплава в результате оплавления поверхности изделия вместе с предварительно нанесенным на поверхность слоем легирующего компонента.

Особенности фазовых превращений при обработке концентрированными потоками энергии заключаются в следующем: скорость охлаждения при обработке поверхностного слоя, как показывают расчеты, составляет 104-106 °С/с, а в ряде случаев и выше [5]. Такое сочетание высокой температуры нагрева и большой скорости охлаждения не может не сказываться на протекании фазовых превращений в поверхностных слоях. В этих условиях фазовые превращения начинаются и заканчиваются выше или ниже равновесных температур. Теоретическая (равновесная) температура Т0 полиморфного превращения для любых конечных скоростей нагрева и охлаждения растягивается в интервал температур. Величина этого

интервала растет с увеличением скорости нагрева (охлаждения).

Ранее проведенные работы по электродуговому упрочнению доэвтектоидных сталей [8] показали, что зона нагрева имеет четкую границу раздела основного металла и обработанной поверхности. Поверхностный слой имеет достаточно однородную дендритно-столбчатую, ориентированную в направлении теплоотвода микроструктуру и состоит преимущественно из мартенсита с прослойками троостита. Микротвердость этого слоя зависит от содержания углерода и в стали 20 составляет 4 ГПа, а в стали 40 - около 7,5 ГПа. При нагреве с оплавлением поверхности на эвтектоидной стали У8 в зоне нагрева различается два слоя. Первый, нагреваемый до расплавления, имеет дендритно-столбчатую микроструктуру, состоящую из мартенсита и остаточного аустенита. Микротвердость этого слоя составляет 7,3-9,5 ГПа. Второй слой состоит из мартенсита с меньшей твердостью.

В данной работе исследовали влияние технологических параметров обработки электрической дугой на структуру и свойства чугунных поверхностей. Чугуны являются особым классом железоуглеродистых материалов, используемых обычно в виде отливок благодаря хорошим литейным качествам. Однако в последние десятилетия эти сплавы все чаще вытесняют из эксплуатации традиционно применяемые там стали. Можно усмотреть, по крайней мере, две причины этого явления. Первая из них чисто экономическая, согласно которой формообразование заготовки литейным способом имеет неоспоримое преимущество в сравнении с ковкой и объемной штамповкой, не говоря уже о механической обработке. Кроме того, было доказано, что чугун так же, как и сталь, можно термически упрочнять и, в том числе, поверхностным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). При этом оказывалось, что основная цель поверхностной закалки - повышение твердости и износостойкости изделия в чугунах достигается ничуть не хуже, чем в сталях. [9].

Обработка проводилась на образцах из серого чугуна СЧ24-44 и СЧ32-53 в исходном отожженном состоянии. Структура серого чугуна состоит из металлической основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. Металлическая основа серых чугунов формируется из аустенита при эвтектоидном распаде и может быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной. Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и, главным образом, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости.

Исследования проводили на экспериментальной установке [10]. Между поверхностью детали и вольфрамовым электродом, находящимся под напряжением, посредством искрового высокочастотного разряда возбуждается электрическая дуга. Для защиты электрода и нагретого участка поверхности детали от окисления используется инертный газ - аргон. Установка оснащена сканирующей магнитной системой, позволяющей увеличить производительность обработки. Ток в управляющих обмотках сканирующего устройства изменялся от 2 до 5 А, частота тока 50 Гц. Ширина обработки за один проход со-

ставляла 10 мм. Упрочнение поверхности необходимой площади достигалось перемещением пятна нагрева с о скоростью от 0,01 до 0,5 м/с по заданной траектории. Термический цикл в поверхностном слое детали регулировался изменением тока дуги (100-250 А) при напряжении 46 В. Обработка проводилась на режимах с оплавлением поверхностного слоя и без оплавления.

Микроструктуру и размер зерен исследовали при 800-1000-кратном увеличении на оптическом микроскопе МИМ-7. Рентгеноспектральный анализ выполняли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2, электронномикроскопический анализ - на растровом электронном микроскопе РЭМ-200. Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 1 МПа. Износостойкость оценивали на машине трения по величине абразивного износа. Коррозионную стойкость определяли по стандартной методике.

Результаты исследования обработки серых чугунов показали, что зона нагрева на предварительно отожженных или нормализованных образцах имеет четкую границу раздела основного металла и обработанной поверхности (рис. 1). Поверхностный слой имеет достаточно однородную цементитную, ориентированную в направлении теплоотвода микроструктуру. Микротвердость этого слоя колеблется от 850 до 1100НУ . Далее следует слой, состоящий из перлито-цементитной смеси с включениями пластинчатого графита. Микротвердость этого слоя колеблется от 380 до 500 НУ. Далее идет основной металл, который имеет перлитную структуру, а микротвердость этого слоя колеблется от 200 до 260 НУ. Общая глубина закаленного слоя в зависимости от режима обработки у чугуна СЧ 24-44 колеблется от 220 мкм до 460 мкм, у

СЧ 32-52 глубина упрочненного слоя изменяется от 300 мкм до 800 мкм.

При увеличении скорости обработки микротвердость (рис. 2) сначала начинает расти, так как скорость охлаждения поверхности увеличивается, затем происходит ее снижение вследствие уменьшения количества теплоты, которая передается поверхности металла от электрической дуги. При увеличении скорости перемещения электрической дуги наблюдается уменьшение глубины упрочненной зоны (рис. 3), которое можно объяснить уменьшением теплового потока вследствие уменьшения времени воздействия дуги на данный участок поверхности металла. Оптимальные скорости обработки лежат в интервале от 0,03 до 0,06 м/с, при котором достигается максимальная микротвердость при незначительном изменении глубины поверхностного слоя (рис. 4, 5). Увеличение тока приводит к заметному росту глубины упрочненной зоны, при этом микротвердость снижается.

Рис. 2. Зависимость микротвердости чугуна СЧ 24-44 от скорости обработки: 1 - I = 130 А; 2 - I = 150 А

Рис. 1. Микроструктура поверхности упрочненного чугуна СЧ 32-52 (X 125): а - I=100A, б - I=130A, в - I=150A, v = 0.03 м/с = const

h,MKM

V м/с

1 2 3

Рис. 3. Зависимость глубины упрочненного слоя чугуна СЧ 24-44 от скорости обработки:

1 - I = 130 А; 2 - I = 150 А

Н ГПа

3

r№ * ¡=*=11

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

h,MKM

Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине чугуна СЧ 32-52 при скорости обработки:

1 - V = 0,03 м/с, 2 - V = 0,05 м/с, 3 - V = 0,06 м/с

Н ГПа

Рис. 5. Распределение микротвердости по глубине чугуна СЧ 24-44, скорость обработки:

1 - V = 0,03 м/с, 2 - V = 0,05 м/с, 3 - V = 0,06 м/с

Результаты исследования износостойкости полученных образцов (рис. 6) показали, что износостойкость увеличилась в 4 раза по сравнению с необработанным материалом. Коррозионная стойкость упрочненных образцов в среднем увеличилась в 2 раза.

Предлагаемый метод упрочнения металлических поверхностей можно использовать для деталей машин и механиз-

Рис. 6. Относительная величина износа поверхности образцов: 1 - необработанный образец; 2 - шлифованный упрочненный образец; 3 - нешлифованный упрочненный образец

мов, эксплуатирующихся в условиях повышенного износа и в агрессивной среде, как вид финишной обработки.

Библиографический список

1. Новое в технологии получения материалов / под ред. Ю. А. Осипяна и А. Хауфа. М.: Машиностроение, 1990. 448 с.

2. Коваленко, В. С. Прогрессивные методы лазерной обработки материалов / В. С. Коваленко. Киев: Вища школа, 1985. 243 с.

3. Григорьянц, А. Г. Основы лазерной обработки материалов / А. Г. Григорьянц. М.: Машиностроение, 1989. 480 с.

4. Леонтьев, П. А. Лазерная обработка металлов и сплавов / П. А. Леонтьев, М. Г. Хан, Н. Т. Чеканова. М.: Металлургия, 1986. 142 с.

5. Миркин, Л. И. Физические основы обработки материалов лучами лазера / Л. И. Миркин. М.: Изд-во МГУ, 1975. 393 с.

6. Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов / И. И. Новиков. М.: Металлургия, 1986. 480 с.

7. Кан Р. У. Сплавы, быстрозакаленные из расплава / Р. У. Кан // Физическое металловедение: в 3 т. / под. ред. Р. У Кана, П. Хаазена. М.: Наука, 1964. 487 с.

8. Михеев, А. Е. Поверхностное упрочнение стальных деталей сжатой электрической дугой / А. Е. Михеев,

A. В. Гирн, С. С. Ивасев, В. В. Стацура, Н. А. Терехин // Сварочное производство. 2003. № 2. С. 24-27

9. Домбровский, Ю. М. Плазменное поверхностное упрочнение графитизированных чугунов / Ю. М. Домбровский, Е. В. Анищенко // Вестник ДГТУ 2001. Т. 1. N° 1

С. 65-70.

10. Михеев, А. Е. Упрочнение стальных поверхностей электрической дугой / А. Е. Михеев, С. С. Ивасев,

B. В. Стацура, А. В. Гирн // Физика и химия обработки материалов. 2003. № 8. С. 88-90.

A. E. Mikheev, A. V. Girn, S. S. Ivasev, R. V Karpov HARDENING OF METAL SURFACES BY ELECTRICAL ARC

In a paper the mechanism of hardening of metal surfaces is considered at handling by the concentrated power sources. The outcomes of researches on hardening are reduced is exemplar from grey pig-iron by an electric arc mode. Is shown that the microhardness of a surface stratum hardened pig-iron has increased by 20 % on a comparison with usual hadening by heat treatment.