ПЛАЗМЕННЫЙ НАГРЕВ И ТЕРМООБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

ПЛАЗМЕННЫЙ НАГРЕВ И ТЕРМООБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ

Яковлев Е.А., Дахно Л.А.

Химико-металлургический институт Национального центра по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан

Поверхностная термообработка с применением низкотемпературной плазмы основана на высокоскоростном нагреве поверхности материала и быстром ее охлаждении. Это обеспечивает формирование структуры и свойств стали, которые нельзя достигнуть при традиционных способах термической обработки металлов.

Установка состояла из дугового плазмотрона косвенного действия 1, стального образца 2 (рис. а).

Рис. Экспериментальная установка и кривые нагрева (а): Р=20 кВт, V=9 мм/с, l=17 мм; зависимость температуры образца от скорости его движения при l=15мм (б) и от дистанции обработки при V=8 мм/с (в); распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя при количестве циклов нагрева n: 1-n=1, 2-n=3 (г).

Образцы исследуемых материалов в форме пластины размером 87*30*4,7 мм передвигались над выходным электродом дугового подогревателя со скоростью V = 5 - 30 мм/с при дистанции обработки l = 15 - 40 мм. На расстоянии 35 мм от переднего края образца к нему приваривались три термопары по продольной оси симметрии на глубине 0, 1,5 и 4,7 мм от внутренней (обращенной к струе) поверхности образца. Изменение температуры фиксировалось быстродействующим усилителем Н 338-4П с рабочей частотой 150 Гц. Термическая обработка материала проводилась без оплавления поверхности. Образец охлаждался струей воды, распыленной пневматической форсункой.

Типичная кривая нагрева поверхностного слоя образца представлена на рис. а. Начало подъема температуры совпадает с моментом соприкосновения края образца с плазменной струей. В этот момент отмечалось распространение по внутренней поверхности образца светящихся потоков длиной 2-3 см. В области I скорость подъема температуры для кривой 2 составляет 80 К/с, для кривой 3 - 40 К/с. В области II, в зоне пятна нагрева, нарастание температуры происходит линейно со скоростью 1700, 450 и 250 К/с для кривых 1,2 и 3 соответственно. В области III для кривых 1 и 2 наблюдается спад температуры со скоростью 700 и 100 К/с, а для кривой 3 температура удерживается на уровне 700^оС. В области IY, где образец уходит от струи плазмы, температура всех участков выравнивается и происходит остывание со скоростью 10-15 К/с. Зависимость максимальной температуры образца от дистанции обработки и скорости его перемещения представлены на рис. б,в. Видно, что толщина области фазовых превращений d меняется приблизительно от 1,5 мм при V = 9 мм/с до нуля при V = 23 мм/с. Толщина области фазовых превращений меняется от 1,5 мм при l = 15 мм до нуля при l = 30 мм. Толщина зоны фазовых превращений обратно пропорциональна l при V = const и V при l = const. С точки зрения достижения более высокого КПД для увеличения толщины термообработанного слоя предпочтительнее уменьшать дистанцию обработки, а для уменьшения - увеличивать скорость образца. Очевидно, оптимальный режим будет при максимальной температуре на поверхности образца, равной температуре плавления металла ( Т_{o max}= Т_пл ). Этот режим характеризуется наиболее высокими КПД и толщиной термообработанного слоя. Из рис. б,в видно, что в этом случае для увеличения d надо увеличивать l и уменьшать V одновременно, а для уменьшения d надо одновременно уменьшать l и увеличивать V.

Микроструктура стали 65Г до обработки (в исходном состоянии) представлена ферритно-перлитной смесью, перлитная составляющая наблюдалась в виде пластинчатой и глубомерной модификаций. Средняя толщина цементитных пластин составляла 0,077 мкм, расстояние между пластинами 0,2 мкм. В пределах одной колонии цементита пластины ориентированы в одном направлении. В феррите наблюдались хаотически распределенные дислокации, склярная плотность которых не превышала 10⁸ см ^-2. После обработки поверхности стали 65Г плазменной струей выявлено несколько структурных зон: поверхность - модифицированный слой белого цвета размером 8-24 мкм, далее зона термического влияния до 2,4 мм и переход к феритоперлитной структуре сердцевины. На рис.г показано изменение микротвердости Нm по глубине упрчненного слоя: кривая содержит несколько участков, которые соответствуют определенным структурным состояниям стали.Микротвредость в приповерхностном слое изменяется от 8400 до 12500 МПа а зависимости от режима обработки. Электронномикроскопическое исследование поверхностных слоев стали после обработки плазмой выявило повышение дисперсности микроструктуры и формирование упрочненной зоны. Основными структурными составляющими упрочненной приповерхностной зоны стали 65Г был мелкодисперсный мартенсит смешанной морфологии; количество остаточного аустенита, расположенного между пластинами мартенсита, не превышало 10%, размеры пластин мартенсита изменялись в зависимости от режимов плазменной термообработки в пределах l от 1,09 до 3,15 мкм и d от 0,25 до 0,74 мкм.

Технология плазменной поверхностной термообработки была успешно реализована при производстве ножей для летучих ножниц агрегата поперечной резки листопрокатного цеха N 3 (цех белой жести) АО “Испат - Кармет”.