Печать
Категория: Технологии Технологии
Опубликовано: 14 июля 2014 14 июля 2014
Просмотров: 4719 4719

 

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) 108—109 Вт/см2, но не для всех технологических процессов это преимущество может быть реализовано. Так, при упрочнении без оплавления существует критическая плотность мощности Екр, выше которой происходит оплавление поверхности. Для различных сталей значение Екр находится в интервале (2-6)104 Вт/см2, т. е. используется диапазон плотности мощности, характерный для плазменной обработки.

Плазменные источники обеспечивают плотность мощности 104-105 Вт/см2, 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 2,4×103 Вт/см2. 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/мм2, т. е. на порядок выше, чем у свободной, а удельная мощность достигает 2×106 Вт/см2.

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 GSдиаграммы Fe-Fe3Cи сдвигаться в область более высоких температур (область 2). Также может происходить микроплавление границы цементита с аустенитом (область 3).

 

Рис. 1. Участок диаграммы Fe-Fe3Cс 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 0С) 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 104 до 106 °С/с. Плазменное упрочнение осуществляют без оплавления и с оплавлением поверхности детали.

Установлены энергетические пороги, определяющие режимы упрочнения (рис. 2). Энергетический порог W1, 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 W2. Затем увеличение плотности мощности приводит к незначительному повышению твердости, а третий порог W3 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.: «Екотехнологiя», 2003 – 64 с.