Повышение износостойкости высокопрочного чугуна плазменным поверхностным упрочнением

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип.№ 14

УДК 621.771.07.001.5

Самотугин С.С.1, Малинов Л.С.2, Самотугина Ю.С.3

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА ПЛАЗМЕННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

Исследовано влияние плазменного поверхностного упрочнения на износостойкость высокопрочного чугуна ВЧ 80. Изучается влияние технологии плазменного поверхностного упрочнения, твердости упрочненной зоны и количества в ней остаточного аустенита на характер разрушения поверхности при абразивном изнашивании.

Износостойкость деталей определяется совокупностью внутренних и внешних факторов, к числу которых относят: физические, химические и механические свойства трущихся поверхностей; род и характер трения; величину удельной нагрузки, действующей между трущимися поверхностями; температурные условия; коррозионное воздействие внешней среды; степень и способ удаления продуктов износа и т.д. Из всех перечисленных факторов основное влияние на износостойкость металлов оказывает их структура, определяющая сопротивление продвижению дислокаций под действием внешних сил. Остальные факторы либо способствуют образованию определенной структуры (химический состав, термическая обработка), либо сами зависят от нее (механические свойства). Поверхностная обработка чугуна высококонцентрированной плазменной струей способствует образованию поверхностного слоя со структурой закалки (обработка без оплавления) или отбела (обработка с оплавлением) [1]. В обоих случаях твердость этого слоя повышается по сравнению с исходным состоянием в 2...3 и более раз. Поэтому следует ожидать значительного повышения износостойкости.

При выборе метода испытаний чугуна после плазменного упрочнения на износостойкость исходили из того, что наиболее распространенным является абразивный износ, представляющий собой разрушение поверхности деталей при трении скольжения, обусловленное наличием в зоне трения абразивной среды минерального или органического типа. В зависимости от условий взаимодействия детали с абразивными частицами разрушение металла может происходить в результате микрорезания, многократного пластического деформирования поверхности трения и коррозионно-механического изнашивания. Известно [2], что механизм абразивного изнашивания определяется главным образом соотношением значений твердости материала Нм и твердости абразивных частиц На. Микрорезание и интенсивное пластическое деформирование поверхностей трения могут наблюдаться при Нм< На При более высокой твердости металла (например, в результате поверхностного упрочнения) процесс разрушения протекает в основном за счет корро-зионно-механического изнашивания или хрупкого выкрашивания.

Целью настоящей работы является изучение влияния плазменного поверхностного упрочнения на абразивную износостойкость высокопрочного чугуна; влияния технологии плазменного поверхностного упрочнения, твердости упрочненной зоны и количества в ней остаточного аустенита на характер разрушения поверхности при абразивном изнашивании.

Для оценки износостойкости высокопрочного чугуна ВЧ 80 после плазменной обработки использовали методику испытаний, приведенную на рисунке 1,а.

1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.

2ПГТУ, д-р техн. наук, проф.

3 ПГТУ, аспирантка

Vv К вращающемуся стальному валу 3 под

заданной нагрузкой Р2, определяемой весом груза Рь прижимается образец 1. Размеры образца 10x10x30 мм. Образцы вырезали из массивных упрочненных пластин по схеме, приведенной на рисунке 1,6. Упрочненная зона располагалась посередине одной из боковых граней образца, которой образец прижимался к стальному валу. В качестве абразива использовали морской песок с размером частиц 0,5... 1 мм, подаваемый специальным дозатором 2 (рис.1,а). В качестве количественной характеристики изнашивания использовали коэффициент износостойкости Ки = АгПо/АШэ где Аш0 и Лт , - соответственно потери в весе исследуемого образца и образ-ца-эталона при трении в заданных условиях и в течение заданного времени. В качестве эталона испытывали образцы аналогичных размеров из чугуна ВЧ 80 в исходном (неупрочненном) состоянии. Испытания проводили в течение 3 часов с промежуточным взвешиванием образцов на аналитических весах через каждые 0,5 часа испытаний. По результатам взвешивания строили кинетические диаграммы интенсивности изнашивания. Испытывались образцы в следующем состоянии:

1) исходное состояние - эталон при расчете коэффициента износостойкости (Ки=1,0); твердость HV240;

2) объемная закалка от 900 °С в масло + объемный отпуск при 300 °С с выдержкой 1 час; твердость HV485;

3) объемная закалка; твердость HV560;

4) плазменное упрочнение с макрооплавлением (режим обработки: ток плазменной струи -1= 400А; скорость перемещения плазмотрона v = 18 м/ч); твердость HV790;

5) плазменное упрочнение с микрооплавлением (/=400А, v=22 м/ч); твердость HV835;

6) плазменное упрочнение без оплавления (/=400А; v=27 м/ч ); твердость HV800. Кинетические диаграммы интенсивности изнашивания приведены на рисунке 2.

а) б)

Рис.1 - Схема методики испытаний (а) и вырезки образцов (б); V - направление плазменной обработки.

30

60 90 120 150 I, мин

Испытания показали, что объемная закалка высокопрочного чугуна приводит к повышению его абразивной износостойкости в 2,10 раза, что можно объяснить закалкой матрицы, образованием крупноигольчатого мартенсита и повышением твердости. Последующий объемный отпуск способствует повышению вязкости и трещиностойкости закаленной матрицы [3], однако приводит к снижению твердости и износостойкости - до Ки = 1,54. Наиболее высокую абразивную износостойкость высокопрочный чугун имеет после плазменной обработки без оплавления поверхности - Ки повышается до 3,35.

Рис.2 - Кинетические диаграммы интенсивности абразивного изнашивания образцов из чугуна ВЧ 80

Результаты расчета Ки (после испытаний в течение 3-х часов) приведены в таблице 1 (средние значения для 5 образцов на "точку исследований").

Таблица - Коэффициент абразивной износостойкости образцов из чугуна ВЧ80

№обР 1 2 3 4 5 6

Ки 1 1,54 2,10 2,52 2,86 3,35

В целом для упрочненных образцов без поверхностного отбеленного слоя установлена зависимость Ки = /(НУ), близкая к линейной (сплошная линия на рисунке 3, а). При плазменной обработке с оплавлением поверхности зависимость Ки = /(НУ) носит сложный характер (пунктирная линия на рисунке 3,а), что можно объяснить наличием отбеленного слоя с различной твердостью, толщиной и степенью дисперсности структуры [4]. В тоже время установлена четкая зависимость Ки от содержания остаточного аустенита (рис. 3, б) - с повышением доли у-фазы в структуре металла ЗПВ абразивная износостойкость чугуна после плазменной обработки монотонно снижается.

Исследования поверхности изнашивания испытанных образцов с помощью оптической металлографии позволили объяснить характер влияния упрочнения на абразивную износостойкость. На поверхности образцов в исходном состоянии (№1) наблюдаются следы схватывания, окисные плены, вырывы, углубления - следы отделившихся частиц графита. На объемнозакаленных образцах (№2;3) поверхность изнашивания более гладкая, частицы графита прочнее удерживаются в закаленной матрице. Еще более гладкая поверхность изнашивания наблюдается на образцах после плазменной обработки без оплавления. Во всех случаях обработки с оплавлением и образованием поверхностного отбеленного слоя со структурой квазиледебурита износостойкость снижается по сравнению с обработкой без оплавления и в тем большей степени, чем ниже дисперсность структуры квазиледебурита и выше содержание остаточного аустенита. Рис.3 - Зависимость коэффициента абра- Исследования поверхностей изнаши-

зивной износостойкости чугуна ВЧ80 от вания образцов с оплавленным сло-

твердости (а) и содержания остаточного ем, а также сопоставление результа-

аустенита в упрочненной зоне (б). тами испытаний на динамическую

тр ещиностойкость [1,3] позв о лили сделать вывод, что снижение износостойкости оплавленного слоя со структурой квазиледебурита по сравнению с износостойкостью слоя со структурой закалки в твердом состоянии обусловлено снижением вязкости разрушения, образованием большого количества микротрещин у осно-

К„

К*

ч N

¿г• У

г •

ю

200 400

600 а)

20

30 б)

800

НУ

40 А ост, %

ваний выступов оплавленной поверхности (которые являются концентраторами напряжений) и хрупкими микроразрушениями этих выступов под воздействием абразивных частиц. Последующие абразивные частицы несколько сглаживают поверхность изнашивания, однако, исходная микрогеометрия поверхности оплавленного слоя после испытаний на изнашивание в значительной степени сохраняется.

Наиболее вероятными очагами образования микротрещины у оснований выступов оплавленной поверхности под действием абразивных частиц являются участки, в которых вектор скалывающих напряжений совпадает с междендритной границей соседних кристаллов квазиледебурита (рис.4).

В наибольшей степени износостойкость снижается в случае плазменного макрооплавления с образованием квазиледебурита дендритного строения. Этому варианту обработки соответствует и минимальная ударная вязкость [1]. В случае же плазменного микрооплавления и образования квазиледебурита ячеистого строения износостойкость и ударная вязкость высокопрочного чугуна выше, чем при макрооплавлении, но ниже, чем при обработке без оплавления. Рис.4 - Характер микроразрушений Выполненные исследования легли в основу разработки тех-поверхности оплавленного слоя под нологических процессов плазменного поверхностного уп-действием абразивных частиц : рочнения деталей и инструмента из высокопрочного чугу-1 - абразивные частицы; 2 - крис- на. Разработанные технологии комплексного объемнопо-таллы квазиледебурита; 3 - микро- верхностного упрочнения позволили получить композици-трещины; 4 - отделившиеся части- онные слоистые материалы, обладающие высоким комплек-цы металла оплавленной зоны; сом механических свойств. Такой подход делает возмож-стрелкой указано направление ным снижение высоких требований к уровню свойств вы-изнашивания. сокопрочного чугуна, достигаемого традиционной (стан-

дартной) объемной обработкой, и реализацией заданного, и даже более высокого, уровня свойств только в поверхностном слое.

Выводы

1.Плазменная обработка высокопрочного чугуна способствует повышению его абразивной износостойкости в 2,5...3,4 раза. При этом износостойкость в значительной степени зависит от режима и способа упрочнения. Наиболее высокая износостойкость достигается при плазменной обработке без оплавления поверхности с нанесением слоя закалки с высокодисперсной мартен-ситной структурой.

2. При плазменной обработке с оплавлением поверхности и образованием отбеленного слоя со структурой квазиледебурита износостойкость ниже, чем при обработке без оплавления, что можно объяснить повышенной хрупкостью квазиледебурита и хрупкими микроразрушениями поверхности оплавленного слоя под действием абразивных частиц.

Перечень ссылок

1. СамотугинС.С. Плазменное упрочнение инструментальных материалов / Л.КЛегцгшскгш. -Донецк: Новый мир, 2002. - 338 с.

2. Сулима A.M. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / В.А.Шулов,Ю.Д.Ягодк1т. -М: Машиностроение, 1988. -240с.

3. Самотуггт С.С. Влияние способа упрочнения на твердость и трещиностойкость высокопрочного чугуна / Л.С.Малинов, Ю.С.Самотуггша // Вюник Приазовського державного техшчного ушверситету. - Мар1уполь, 2002. - Вип.12. - С.76-80.

4. Малинов Л. С. Влияние режима обработки на структуру отбеленного слоя при плазменном упрочнении высокопрочного чугуна с оплавлением поверхности / Ю.С.Самотуггша // Сб. тез. докл. IX региональной научно-технической конф. - Мариуполь: ПГТУ, 2002. - С.53.

Статья поступила 17.03.2004