Электронно-лучевая закалка поверхностного слоя стали вне вакуума

Электронно-лучевая закалка поверхностного слоя стали вне вакуума

И.М. Полетика, М.Г. Голковский1, М.В. Перовская

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия

Электронно-лучевая закалка поверхностных слоев стали 50 позволила достичь существенного уровня упрочнения, что связано с образованием высокодисперсной мартенситной структуры. Обнаружено существование линейных зависимостей твердости, износостойкости и глубины зоны полной фазовой перекристаллизации от удельной поверхностной энергии излучения. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными позволило определить значение температуры аустенизации при нагреве электронным пучком.

Electron-beam hardening of steel surface layer outside vacuum

I.M. Poletika, M.G. Golkovskii1, and M.V Perovskaya

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia

Electron-beam hardening of surface layers of steel 50 (in the Russian designation) has allowed us to achieve a rather high strength, which is related with the formation of a fine-grained martensite structure. We have found that hardness, wear resistance and depth of the zone of complete phase recrystallization depend linearly on the specific surface of radiant energy. The comparison of the calculation data with experimental has allowed us to find the austenization temperature value at electron-beam heating.

1. Введение

Закалка лазерным или электронным пучком является одним из способов упрочнения поверхностного слоя металлов и сплавов. Использование этих источников энергии обеспечивает короткий цикл нагрева и охлаждения, приводящий к образованию мелкодисперсной закаленной структуры с высокой твердостью и износостойкостью. В течение ряда последних лет проводятся эксперименты по закалке низкоуглеродистых сталей в пучке релятивистских электронов со значительно увеличенной энергией, выведенных в атмосферный воздух.

В настоящей работе на ускорителе электронов модели ЭЛВ-6 закаливали поверхностные слои среднеуглеродистой стали 50, используемой для изготовления валков прокатных станов. Сталь 50 является модельным материалом, который легко закаливается на мартенсит и не содержит других легирующих элементов, кроме углерода, что позволяет выявить основные закономер-

ности влияния облучения на структуру, твердость и износостойкость в зоне воздействия. Структурные особенности облученных зон сопоставили с расчетами по модели температурного поля, создаваемого на поверхности металла тепловым источником, каковым является электронный пучок.

Энергия электронов в пучке и равнялась 1.4 МэВ. Расстояние пролета электронов в атмосфере (расстояние до выпускного отверстия) выбирали равным 9 см при соответствующем ему диаметре пучка d = 1.2 см. Использовали дорожечный режим закалки — образец линейно перемещался под неподвижным пучком с переменной скоростью. Меняли также ток пучка I. Для сравнительного анализа влияния различных режимов облучения на структуру поверхностного слоя использовали характеристики 10 и W, где 10 — время воздействия пучка (время нагрева отдельной точки поверхности), которое находится по формуле:

© Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., 2006

¿0 =

то есть при постоянном диаметре пучка однозначно определяется скоростью перемещения образца; Ж — удельная поверхностная энергия, которую вычисляли по формуле:

W =

2(1 - ft) UI yfndv

где fr — коэффициент отражения пучка от поверхности образца.

Структуру поверхностного слоя после закалки исследовали методом металлографического анализа на поперечных шлифах с помощью оптического микроскопа Neophot. Для выявления микроструктуры применяли химическое травление в 4%-ом растворе азотной кислоты. Распределение микротвердости в закаленном слое измеряли на микроскопе ПМТ-3 при нагрузке 50 г. Проводили испытания на абразивный износ при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 23.20879).

2. Результаты эксперимента и их обсуждение

С точки зрения влияния параметров облучения на структуру и твердость в зоне воздействия, режимы обработки условно разделили на «быстрые» (t0 = 0.1... 0.3 с; W = 1.1.1.7 кДж/см2), «средние» (t 0 = 0.3.0.7 с; W= = 1.7...2.5 кДж/см2) и «медленные» (t0 = 0.7.1.2 с; W = 2.5.3 кДж/см2).

Если исходная структура стали 50 — ферритно-пер-литная, то после закалки на быстрых режимах образуется высокодисперсная мартенситная структура (рис. 1, а). На средних и медленных режимах закалки в связи с увеличением тепловложений происходит рост зерна в области температур аустенизации, а при охлаждении облученного слоя образуется крупноигольчатый мартенсит.

Важное значение имеет структура границы раздела закаленного слоя с материалом основы. При быстрых режимах она представляет собой фактически прямую линию, выше которой успевает пройти процесс аусте-низации, а ниже не успевает, причем граница закалки делит даже отдельные зерна (рис. 1, б).

При средних режимах происходит размытие границы раздела, связанное с чередованием областей с измененной и неизмененной структурами. Это свидетельствует о том, что диффузия углерода за пределы перлитных зерен в феррит не успевает происходить и не образуется аустенит, необходимый для последующей закалки. На участках, где произошло превращение, наблюдается промежуточная с мартенситной структура.

При медленных режимах воздействия отсутствует четкая граница раздела между закаленной и незакаленной областями. Имеет место постепенное ослабление степени закалки с образованием широкой зоны промежуточных структур — от бейнитной до троосто-сорбит-ной, что связано с увеличением тепловложения и уменьшением скорости охлаждения нагретого металла. Далее следует зона частичной аустенизации, где наряду с участками, претерпевшими превращение, сохраняются исходные зерна феррита.

Показатели твердости, износостойкости и глубины слоев зависят от произошедших структурных изменений. Из кривых распределения микротвердости (рис. 2) видно, что с увеличением удельной поверхностной энергии Ж средние значения твердости Н^ в слое с мартенситной структурой уменьшаются от 6500 до 5000 МПа, а глубина слоя ^, претерпевшего полное аустенитное превращение (отсутствуют участки с исходной структурой), возрастает от 0.8 до 1.6 мм.

При быстрых режимах средние значения твердости не меняются вплоть до самой границы зоны закалки, а затем резко падают (рис. 2, а), что согласуется с наличием резкой границы раздела закаленной зоны с основным металлом (рис. 1, б). При средних режимах на кривых распределения появляется переходная зона, где значения твердости меняются постепенно и имеет место более плавный переход свойств (рис. 2, б). При медленных режимах обнаруживается обширная переходная область с постепенным понижением твердости, ширина которой достигает 0.5...0.7 мм (рис. 2, в), что соответствует исчезновению четкой границы раздела между закаленной и незакаленной зонами.

Рис. 1. Микроструктура поверхностного слоя стали 50 в зоне закалки (а) и на границе раздела с основным металлом (б). х500

Рис. 2. Распределение микротвердости в сечениях, перпендикулярных поверхности образцов, закаленных в режимах с энергией излучения Ж = 1.38

Проведенные испытания на абразивную износостойкость закаленных слоев показали, что при увеличении времени воздействия значение коэффициента износостойкости, определенное из экспериментальных измерений потери массы исследуемого и эталонного образцов, монотонно уменьшается от 8.52 до 2.14.

На основании полученных данных были построены зависимости средних значений микротвердости Н^, коэффициента износостойкости Ки и глубины зоны полного фазового превращения 1К от удельной поверхностной энергии Ж. Оказалось, что эти зависимости носят линейный характер (рис. 3). Это позволяет, зная параметры излучения (и, I, V), прогнозировать свойства упрочненного слоя для данной (или близкой ей по составу) стали, не проводя дополнительных исследований. Наиболее эффективными являются «средние» режимы

воздействия (¿0 = 0.3...0.7 с, Ж = 1.7_2.5 кДж/см2), при

которых формируется упрочненный слой достаточной протяженности, плавно переходящий в материал основы.

Для разработки методики предварительного выбора режимов закалки с целью получения необходимых свойств был проведен расчет, основанный на аналитическом представлении температурного поля на основе

Рис. 3. Зависимость твердости, износостойкости и глубины закаленного слоя от удельной энергии излучения Ж

метода функций Грина. Математическая модель пучка как объемного теплового источника учитывает распределение плотности потока мощности в сечении пучка и его диаметр как функцию пролета электронов в атмосфере, распределение потерь энергии электронами пучка при их проникновении в материал, отражение электронов от поверхности материала.

С целью построения аналитической модели процесса тепловые параметры материала, а именно: теплоемкость с и температуропроводность а, были приняты постоянными. Значения этих параметров определялись как среднеарифметические от их реальных значений в интервале температур от начальной до близкой к температуре плавления. Воздействие на материал объемного теплового источника, каковым является поток электронов, представили в виде суммы решений для точечных источников. При этом интегрирование по пространственным координатам заменили суммированием по четырем источникам.

Для определения температурного поля в плоских изделиях рассматривали распространение тепла в бесконечной среде с плоскостью симметрии, совпадающей с поверхностью образца. Координата х направлена вглубь образца, у — параллельно его поверхности и перпендикулярно направлению обрабатываемой дорожки, координата z — вдоль дорожки. Для заданного поперечного сечения дорожки ее всегда можно принять равной нулю. Толщина образца принималась во внимание путем добавления мнимых источников тепла. Учитывались потери тепла на конвекцию и излучение. Полученное выражение для расчета температурного поля содержит четыре слагаемых:

Т

где Тн — начальная температура образца.

Второе слагаемое описывает распределение температуры в полубесконечном теле без учета толщины образца. Третье слагаемое в (3) учитывает роль поверхности материала, противолежащей к облучаемой. Оно, в свою очередь, состоит из нескольких слагаемых по форме совпадающих с Т0 (х, у, г), каждое из которых учитывает одно из зеркальных изображений источника.

Рис. 4. Расчетные зависимости: «температура - время» (а) и «максимальная температура - расстояние от поверхности» (б) в стали 50

Четвертое отрицательное слагаемое оценочно учитывает роль теплопотерь с поверхности за счет излучения и конвекции. Обычно слагаемое Т2^) пренебрежимо мало вследствие малости теплопотерь по сравнению с плотностью мощности электронного пучка.

При проведении расчетов по формуле (3) погрешность может быть связана в основном с неточностью нахождения параметров d (гауссов диаметр пучка), а (температуропроводность) и с (теплоемкость). Для уменьшения погрешности был введен поправочный коэффициент к, который определили на основе проведения дополнительных экспериментов в специальных реперных режимах, соответствующих началу плавления, с использованием теории размерностей, выделив 6 независимых параметров, определяющих процесс. Число входящих в них первичных размерностей было равно четырем — длина, масса, время, температура.

Пользуясь формулой (3), для каждого из рабочих режимов закалки стали 50 провели расчет температурных полей и построили температурно-временные зависимости на различных глубинах от поверхности образца (рис. 4, а). На отдельных графиках для каждого из режимов построили распределения максимально достигаемых по глубине температур (рис. 4, б), которые представляют интерес для сопоставления с реально существующим распределением по глубине материала структурных зон, таких как мартенситная, зона со смешанной структурой, зона термического влияния.

В практике обычной термической обработки для аустенизации доэвтектоидной стали используют нагрев на 30_50 °С выше Ас3. Для стали 50 температура в точке Ас3 составляет 750 °С. Пользуясь расчетными данными, из графиков зависимости максимальной температуры, достигаемой за время цикла, от расстояния до поверхности можно определить глубину зоны полного аустенитного превращения ^, предположив, что оно протекает при температуре 750 °С. Определенные таким образом глубины для пяти использованных режимов облучения составляют: 1.1, 1.4, 1.7, 1.9 и 2.0 мм. Полученные экспериментальным путем глубины /Л ниже и равны соответственно: 0.85, 1.15, 1.35, 1.45 и 1.55 мм.

Наблюдаемое различие связано с диффузионной природой процесса аустенизации, протекание которого требует временн ых затрат. Известно, что время, необходимое для образования аустенита при температурах, близких к 750 °С, составляет минуты. В нашем случае время нахождения электронного пучка в каждой точке поверхности £0 не превышало 1.2 с. Для осуществления превращения в условиях столь кратковременного воздействия необходим заметный перегрев, способствующий ускорению диффузионных процессов.

По экспериментально найденным значениям глубин /Л из графиков зависимости максимально достигаемых температур от расстояния до поверхности (рис. 4, б) были найдены соответствующие им температуры ТК на границе зоны аустенизации. Они оказались в среднем на 100__150 °С выше температуры в точке Ас3 на равно-

весной диаграмме состояния для стали 50. С увеличением времени воздействия £0 наблюдается некоторое понижение температуры ТК.

Очевидно, что увеличение времени воздействия и подбор скоростей обработки, достаточно малых для осуществления фазовой перекристаллизации в условиях, близких к равновесной диаграмме состояния, приведут к существенному увеличению тепловложения с одновременным ростом глубины упрочненного слоя и падению в нем твердости.

3. Заключение

Облучение в пучке релятивистских электронов, выведенных в атмосферный воздух, является высокоэффективным способом упрочнения поверхностного слоя стали. Метод позволяет сочетать большую глубину зоны обработки со значительным увеличением твердости и износостойкости. Эффект упрочнения связан с образованием высокодисперсной мартенситной структуры. При облучении стали 50 дисперсность мартенсита, глубина закаленного слоя, размеры переходной зоны, твердость и износостойкость определяются временем воздействия электронного пучка £0 и плотностью введенной энергии облучения Ж. Существуют линейные зависимости Н?, Ки и /х от Ж. Наиболее эффективными являются «средние» режимы воздействия (¿0 = = 0.3_0.7 с, Ж = 2.5_3 кДж/см2), при которых формируется упрочненный слой достаточной протяженности, плавно переходящий в материал основы. Расчет температурно-временных зависимостей в зоне действия пучка и сопоставление расчетных данных с экспериментальными показывает, что для протекания процесса аусте-низации в закаливаемых слоях стали и достижения здесь достаточного уровня упрочнения необходим перегрев не менее, чем на 100_150 °С относительно точки Ас3 на равновесной диаграмме состояния.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 05-03-32402-а).