1_Shevela.doc Поверхностное упрочнение доэвтектоидной стали при быстрой кристаллизации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 6 Шевеля В.В.,*, ** Трытек А.C.,* Соколан Ю.С.** * Жешувская политехника, г. Жешув, Польша ** Хмельницкий национальный университет, г. Хмельницкий, Украина ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ДОЭВТЕКТОИДНОЙ СТАЛИ ПРИ БЫСТРОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ Введение Термообработка рабочих поверхностей деталей машин с использованием концентрированного теплового потока большой мощности позволяет решать технические задачи, связанные с повышением износостойкости металлических изделий. В этой связи с экономической точи зрения и технологических возможностей представляет интерес метод обработки электродуговой плазмой, позволяющий после по- верхностного оплавления вызывать быструю кристаллизацию металла за счет интенсивного тепло- отвода (метод GTAW) [1]. Однако остается недостаточно изученным вопрос влияния технологических параметров процесса оплавления с последующей перекристаллизацией стальных изделий на форми- рующуюся микроструктуру и ее реолого-прочностные свойства, определяющие сопротивление износу. Методики исследований Исследовалась доэвтектоидная низкоуглеродистая сталь следующего состава: 0,18 % С; 0,02 % Si; 0,45 % Mn; 0,016 % Cr; 0,02 % Cu; 0,28 % Al; 0,016 % P; 0,028 % S. На поверхности стальных образцов в форме плиток (200 × 50 × 10 мм) с использованием оборудования FALTIG 315AC/DC прово- дилось зональ-ное оплавление плазмой электрической дуги в защитной атмосфере аргона с применением непла-вящегося вольфрамового электрода, упрочненного окисью тория. Оптимальная длина дуги состав- ляла 3 мм. Сила тока равнялась I = 100, 200 А; скорость сканирования электрической дугой: Sv = 200, 400, 600, 800 мм/мин. Для интенсификации отвода теплоты от зоны оплавления и кристаллизации сталь- ная плитка закреплялась в качестве крышки проточного калориметра так, что нижняя ее плоскость охла- ждалась потоком воды, в то время как ее верхняя поверхность подвергалась зональному оплавлению. В процессе сканирования дугой на входе и выходе калориметра измерялась температура воды при установ- ленном ее расходе [1]. Теплота, поглощенная материалом плитки, расходуется на нагревание (Qн) и плавление (Qп) зоны сканирования. Количество поглощенной таким образом теплоты (принятой калори- метром) рассчитывалось по формуле: tcVQQQ пнk ∆⋅⋅⋅ρ=+= , где ρ – плотность воды; V – объем воды, расходуемой в процессе оплавления; c – удельная тепло-емкость воды; t∆ – прирост температуры воды. Эффективность полезного использования выделяющейся в электрической дуге теплоты оцени- валась по тепловому к.п.д.: QQk /=η , где Q = I·U·τ – полное количество теплоты, выделенной за время τ . Противоизносные свойства стали определялись при испытании образцов в форме кубиков (10 × 10 × 10 мм), которые вырезались из зон оплавления. В машине трения такой образец прижимался с контролируемым усилием к поверхности вращающегося диска диаметром 210 мм, изготовленного из бе- лого чугуна (60 HRC). Удельная нагрузка равнялась Pn = 1 МПа, скорость скольжения (без смазки) vt = 1,6 м/с, время испытания 2 часа. Интенсивность изнашивания рассчитывалась по формуле: LA m Z ⋅⋅ρ ∆ = , где Δm – убыль массы образца; ρ – плотность стали; A – площадь контакта; L – путь трения. Микромеханические и реологические свойства поверхностных слоев оценивались по параметрам кинетических диаграмм непрерывного вдавливания индентора Берковича на установке NHT/NST фирмы CSM Instruments (Швейцария). Исследовались двукратные нагрузочно-разгрузочные циклы с регистра- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Поверхностное упрочнение доэвтектоидной стали при быстрой кристаллизации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 7 циeй зависимости глубины внедрения индентора (Pd) от действующей силы (Fn). При этом определя- лись: микротвердость HV0,05, модуль упругости Юнга Е, релаксационная способность R (отношение рабо- ты сил упругого последействия к полной работе внедрения индентора), контактная жесткость S и площадь петли гистерезиса WH, характеризующая механические потери (циклическую вязкость) при повтор-ном на- гружении. Контактная жесткость S определяется величиной снижения силы при разгрузке индентора, при- ходящегося на единицу деформации [1]. Чем меньше величина S, тем более материал микропластичен. Вязкопрочностные и трибологические свойства приповерхностных слоев определялись скрэч- ме-тодом на трибосклерометре REVETEST фирмы CSM Instruments, позволяющем измерять силу и ко- эффи-циент трения, а также уровень акустической эмиссии при сканировании изучаемой поверхности алмаз-ным индентором Роквелла (VCK = 4 мм/мин). Результаты исследований и их обсуждение На первом этапе исследовалось влияние основных технологических параметров процесса GTAW (силы тока и скорости сканирования дугой) на количество теплоты, принимаемой образцом - плиткой при нагреве и оплавлении ( )пнk QQQ += , а также на величину теплового к.п.д. процесса η (рис. 1). Напряжение дуги имело второстепенное значение. 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 1000 v s [мм/мин] Q k [к Д ж ] 1 2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 200 400 600 800 1000 vs [мм/мин] η 1 2 а б Рис. 1 – Зависимость поглощенного количества теплоты Qk (а) и теплового к.п.д. η (б) от скорости сканирования электрической дугой и силы тока: 1 – I = 100 А; 2 – I = 200 А (U = 14 В) Полученные зависимости показывают, что эффективность приема теплoты образцом растет с увеличением силы тока и уменьшением скорости сканирования. В исследованном диапазоне наибольшие значения теплового к.п.д. (η = 60÷70 %) наблюдались при скорости Sv = 200 мм/мин. 0 1 2 3 4 5 6 0 200 400 600 800 1000 vs [мм/мин] l [м м ] l 1 2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 200 400 600 800 1000 vs [мм/мин] h [ м м ] h 1 2 а б Рис. 2 – Влияние силы тока и скорости сканирования электрической дугой на ширину l (a) и глубину h (б) оплавлений: 1 – I = 100 А; 2 – I = 200 А Рис. 2 иллюстрирует влияние изучаемых технологических параметров на геометрические показа- тели оплавлений. Видно, что ширина, глубина и площадь поперечного сечения оплавлений увеличива- ются при росте силы тока и при уменьшении скорости сканирования. Эти геометрические характеристи- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Поверхностное упрочнение доэвтектоидной стали при быстрой кристаллизации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 8 ки имеют повышенную чувствительность к изменению силы тока при низкой скорости сканирования. Величины Qk и η, влияя на показатели l и h, одновременно формируют температурно-скоростные пара- метры теплового цикла: нaгрев - оплавление - кристаллизация - закалка - самоoтпуск стали. Решаю- щим фактором, вляющим на формирование структуры стали, является скорость отвода тепла от зоны оплавления. Проведено сопоставление износостойкости стали в зависимости от параметров оплавления – силы тока и скорости сканирования (рис. 3). Установлено, что износостойкость стали зна- чительно возрастает с увеличением скорости сканиро- вания и с уменьшением силы тока. Так, после оплав- ления при скорости сканирования 800 мм/мин и силе тока 100 А интенсивность изнашивания уменьшается почти на порядок. Это свидетельствует о том, что по- вышенная скорость сканирования и пониженная сила тока способствуют такой оптимизации условий охла- ждения и кристаллизации, при которых формируется микроструктура с благоприятными прочностными и вязкоупругими свойствами. На рис. 4 приведены диаграммы испытаний исследуемых материалов непрерывным вдавливанием индентора (два цикла нагружения). Исследовались приповерхностные слои (на глубине h = 50 мкм) на шлифах поперечного сечения областей оплавления в сравнении с исходным (без оплавления) состоянием. а б Рис. 4 – Кинетические диаграммы непрерывного микровдавливания индентора после оплавления при силе тока дуги I = 100 А (а) и I = 200 А (б): 1 – исходное состояние; 2 - 5 – vS = 200, 400, 600, 800 мм/мин (NHT/NST CSM Instruments) Таблица 1 Сравнение микромеханических показателeй ( Sv = 800 мм/мин) Состояние Микро- Модуль Релаксационная Площадь петли Контактная 0 2 4 6 8 10 12 0 200 400 600 800 1000 vs [мм/мин] Z* 10 7 1 2 Исходное cостояние Рис. 3 – Зависимость интенсивности изнашивания стали от скорости сканирования электрической дугой (Fn = 1 МПа, vt = 1,6 м/сек): 1 – I =100 А; 2 – I =200 А PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Поверхностное упрочнение доэвтектоидной стали при быстрой кристаллизации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 9 способность материала твердость, HV0,05 упругости Е, ГПа R1, % R2, % гистерезиса WH ∙10-3, пДж жесткость S, мН/нм Исходное 140 155 4,5 55 4 3,1 Упрочнение при I = 100 А 580 205 23 87 11 1,4 Упрочнение при I = 200 А 570 230 17 78 9 2,0 На основании записи таких диаграмм получены значения ряда микромеханических показателей, характеризующих сопротивление микропластической деформации и упруговязкие свойства стали после упрочняющей обработки (рис. 5). Проявляется специфическая закономерность: с увеличением скорости сканирования при оплавлении и последующей быстрой кристаллизации существенно повышаются мик- ротвердость (HV0,05), упругость (Е), релаксационные показатели (R1, R2) и диссипативная способность (WH). При этом жесткость контактного взаимодействия индентора с материалом (S) снижается. Для на- глядности сравнения указанные характеристики сведены в табл. 1 для скорости сканирования Sv = 800 мм/мин. 0 100 200 300 400 500 600 E [Г П а] H V 0, 05 0 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 S [м н/ м м ]S E HV 0, 05 0 100 200 300 400 500 600 E , [ ГП а] H V 0, 05 0 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 S [м н/ м м ] HV0,05 S E 0 5 10 15 20 25 0 200 400 600 800 vs, [мм/мин] W н [п Д ж ] R 1 [% ] 0 20 40 60 80 100 R 2 [% ] Исходное cостояние R1 R2 W H 0 5 10 15 20 25 0 200 400 600 800 vs, [мм/мин] W н, [п Д ж ] R 1, [% ] 0 20 40 60 80 100 R 2 [% ] Исходное cостояние R1 R2 WH а б Рис. 5 – Влияние скорости сканирования электрической дугой на микромеханические свойства упрочнeнных поверхностей при I = 100 А (a) и I = 200 А (б): HV0,05 – микротвердость; Е – модуль упругости Юнга; S – контактная жесткость; R1 и R2 – релаксационная способность в первом и втором циклах; WH – площадь петли гистерезиса Из приведенных данных следует, что изучаемая технология дает повышение твердости в 4 раза, модуля упругости в 1,3 - 1,5 раза, релаксационной способности в 4 - 5 раз, диссипативной способности (циклической вязкости) в 2 - 3 раза с одновременным снижением контактной жесткости в 1,5 - 2 раза. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Поверхностное упрочнение доэвтектоидной стали при быстрой кристаллизации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 10 0 100 200 300 400 500 600 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 h [мм] H V 0, 05 1 23 Рис. 6 – Изменение микротвердости по глубине области оплавления в зависимости от скорости сканирования электрической дугой (I = 200 А); 1 - 3 – vS = 400, 600, 800 мм/мин Рис. 7 – Кинетические диаграммы микровдавливания индентора, соответствующие зонам, формирующимся после оплавления при I = 200 А, vS=400 мм/мин; 1 - 4 – зоны, соответственно, дендритной кристаллизации (1), перегрева (2), нормализации (3), pекристаллизации (4); 5 – переходная область (NHT/NST CSM Instruments) Металлографические исследования показали, что в результате оплавления и быстрой кри- сталлизации изучаемой стали в поверхностном слое формируется верхний или нижний бейнит (в зави- симости от скорости охлаждения) и ориентированная видманштеттова структура феррита («игольчатый феррит») с прослойками перлита. Характер изменения микротвердости по глубине от оплавленной обла- сти (рис. 6) отражает формирование зон, соответствующих определенным температурам нагрева и ско- ростям охлаждения (рис. 7). Наблюдаются четыре характерные зоны: область дендритной (ориенти- рованной) кристаллизации, крупнозернистая зона перегрева (1100 - 1500 °С), зона нормализации с мел- ко-зернистой структурой (900 - 1100 °С) и зона рекристаллизации (600 - 900 °С). Примечательно, что при четырехкратном повышении твердости износостойкость стали увеличи- лась почти в десять раз. Это свидетельствует о том, что сопротивление износу металлов при трении оп- ределяется не только макроскопической прочностью и твердостью, но и способностью к релаксации ло- кальных пиковых напряжений в условиях динамического контактного взаимодействия. Релаксационные процессы при внешнем трении реализуются различными теплотворными меха- низмами внутреннего трения (диссипации механической энергии), которые обусловлены проявлением неупругости в условиях циклического динамического взаимодействия пятен фактического контакта [2]. Одним из показателей неупругости (внутреннего трения) является петля гистерезиса, площадь которой характеризует вязкость и релаксационную способность материала. При повторных нагружениях гистере- зисные потери в значительной степени связаны с эффектом Баушингера, проявляющимся в уменьшении напряжения микротекучести при изменении знака приложенной силы. Это связано с тем, что при дефор- мации материала в одном направлении дислокационные скопления создают напряжения, противодейст- вующие приложенной нагрузке. При изменении направления силы на противоположное (например, при разгрузке индентора) внутренние контактные напряжения суммируются с внешней нагрузкой, вызывая микротекучесть при более низких напряжениях [3]. После оплавления и быстрой кристаллизации формируется феррито-бейнитная ориентированная гетерогенная структура повышенной твердости, значительно менее подверженная деформационному на- клепу и охрупчиванию по сравнению со сталью в исходном нормализованном состоянии. Поэтому с уве- личением доли упрочняющей фазы увеличиваются гистерезисные потери, снижается контактная жес- ткость и растет величина упругого последействия, которая является одним из показателей релаксацио- нной способности.Из сопоставления данных, приведенных на рис. 3 и 5, видно, что структуры перекри- сталлизации, полученные при силе тока I = 100 А (рис. 5, а), I = 200 А (рис. 5, б) и скоростях сканирова- ния Sv = 600, 800 мм/мин приобретают практически одинаковую повышенную твердость. Однако изно- состойкость таких структур различна. Это обусловлено тем, что режим обработки при I = 100 А более существенно улучшает релаксационные показатели (R и WH) и повышает микро-пластичность (S), кото- рая непосредственно связана с процессами релаксации. Эти выводы подтвержда-ются исследованиями с применением склерометрии (скрэч-метода). На рис. 8 - 10 приведены данные склерометрического анализа поперечных шлифов стали в исход- ном состоянии и после поверхностного упрочнения методом быстрой кристаллизации. Рис. 8, а показывает, что для стали в исходном нормализованном состоянии с ростом контактного давления непоcредственно в процессе движения индентора существует критическая нагрузка (около 25 N), при которой накопленная упругая энергия достигает предельного значения, материал охрупчивается и образуются разрывы (микро- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Поверхностное упрочнение доэвтектоидной стали при быстрой кристаллизации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 11 трещины). В процессе образования таких микротрещин упругая энергия высвобождается в виде упругих волн, вызывающих акустическую эмиссию (АЭ) с одновременной релаксацией внутренних микронапряже- ний. Другими словами, в нормализованной стали деформационное упрочнение сопровождается наклепом с охрупчиванием, приводящим к быстрому развитию процессов разрушения [4]. В то же время сталь, упрочненная при быстрой кристаллизации (рис. 8,б), судя по отсутствию акус-тико-эмиссионной активности в значительно большем нагрузочном диапазоне склерометрирования (до Fn = 120 N), не проявляет признаков трещинообразования, свидетельствуя о сочетании высоких по- казателей твердости и вязкоупругости. При этoм наблюдается двукратнoe снижение силы и коэффициен- та трения (например, при Fn = 50 N). Рис. 9 иллюстрирует реакцию исходной и упрочненной структур стали на скрэчвоздействие при постоянных значениях действующих на индентор контактных нагрузок. На стали неупрочненной уже при Fn=20 N (рис. 9, а) наблюдаются периодические всплески АЭ, которые, как правило, соответствуют минимумам силы и коэффициента трения. По-видимому, сила трения, среднее значение которой состав- ляет 7,5 N, уменьшается в момент высвобождения упругой энергии при образовании микронесплошно- стей с разблокировкой дислокационных барьеров, сопровождающейся релаксацией напряжений и излу- чением импульсов АЭ. В то же время в упрочненной зоне (рис. 9, б) даже при значительно большей кон- та-ктной нагрузке (Fn = 100 N) и более высокой силе трения (Ft = 56 N) микротрещины не образуются, о чем говорит отсутствие сигналов АЭ. a б Рис. 8 – Влияние контактной нагрузки на склерометрические показатели стали в исходном состоянии (а) и после упрочнения при I = 100 А, vS = 200 мм/мин (б): Fn – нормальная сила; μ – коэффициент трения; Ft – сила трения; АЭ – акустическая эмиссия (REVETEST CSM Instruments) a б Рис. 9 – Сопоставление склерометрических показателей при постоянных значениях контактной нагрузки для исходного состояния стали (а) и после упрочнения при I = 100 А, vS = 400 мм/мин (б): Fn – нормальная сила; μ – коэффициент трения; Ft – сила трения; АЭ – акустическая эмиссия (REVETEST CSM Instruments) На рис. 10 показан характер изменения склерометрических показателей при переходе индентора из упрочненной зоны в материал с исходной структурой. При контактной нагрузке (Fn = 40 N), превыша- ющей критическое значение для стали в исходном состоянии, упрочненная зона практически не прояв- ляет акустико-эмиссионной активности. В то же время движение индентора вне зоны упрочнения сопро- вождается интенсивной акустической эмиссией, свидетельствующей о развитии трещинообразования. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Поверхностное упрочнение доэвтектоидной стали при быстрой кристаллизации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 12 a б Рис. 10 – Примеры склерометрического анализа перехода из упрочненной зоны в область исходного состояния стали: а – I = 100 А; vS = 200 мм/мин; б – I = 200 А; vS = 800 мм/мин; Fn – нормальная сила; μ – коэффициент трения; Ft – сила трения; АЭ – акустическая эмиссия (REVETEST CSM Instruments) При меньшей глубине внедрения индентора в зоне упрочнения регистрируются меньшие значения как силы трения, так и коэффициента трения (рис. 11). Таким образом, при быстрой кристаллизации низкоуглеродистой стали формируется тонкая мик- роструктура, состоящая преимущественно из реeчного (пластинчатoго) бейнита (пересыщенный углеро- дом феррит + карбиды) и игольчатого феррита. Та- кая микроструктура с ориентированными фазами, образующимися по сдвиговому механизму, прояв- ляет одновременно высокую прочность и благопри- ятную вязкость из-за малой длины свободного про- бега дислокаций [5]. Последнее и объясняет низкую акустико-эмиссионную активность упрочненных зон, т.к., по данным [6], интенсивность АЭ микро- уровня определяется не столько плотностью дисло- каций, сколько их подвижностью и длиной свобод- ного пробега. В заключение заметим, что проведенные на- ми ранее подобные склерометрические исследова- ния [1] на высокоуглеродистом сплаве - чугуне дали противоположную картину: область оплавления и последующей закалки, имевшая структуру цемен- титной эвтектики с мартенситной основой, показала более высокую акустико-эмиссионную активность, нежели исходный материал (исcледовалась непо- средственно поверхность oплавленной зоны, а не её поперечное сечение). Это вызвано тем, что на мета- стабильном мартенсите при относительно небольших контактных на-грузках (Fn= 10; 20N) проявляется микроуровневый (дислокационный) механизм структурной перестройки, вызывающий акустическую эмиссию. Такой динамический процесс обуславливается прежде всего высокой плотностью подви-жных дислокаций, которые, имея достаточную длину свободного пробега, под действием внешней нагрузки изменяют свое энергетическое cостояние, вызывая локальную релаксацию пиковых напряжений. Именно поэтому при деформации мартенситных структур вклад релаксации напряжений, обусловленный микропластичностью, превалирует над механическим наклепом с трещинообразованием [4]. Заключение Поверхностное оплавление малоуглеродистой стали концентрированным тепловым потоком плазмы электрической дуги с последующей быстрой кристаллизацией формирует видманштеттову стру- ктуру феррита с бейнитной упрочняющей фазой. Такой материал при высокой твердости проявляет улуч- шенные вязкоупругие и релаксационные свойства, что обеспечивает значительный рост износос- тойкости. При скрэч-анализе не исключено влияние на акустико-эмиссионный эффект анизотропии свойств микроструктуры, что требует дополнительных исследований. Рис. 11 – Влияние контактной нагрузки на склерометрические показатели в зоне упрочнения (2, 4) и за ее пределами (1, 3): 1, 2 – сила трения; 3, 4 – коэффициент трения. Условия оплавления: I = 100 А, vS = 200 мм/мин 0 5 10 15 20 5 10 20 30 40 Fn, [N] F t , [ N ] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 µ 1 2 3 4 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Поверхностное упрочнение доэвтектоидной стали при быстрой кристаллизации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 13 В исследованиях использовано оборудование, закупленное согласно проекту № POPW.01.03.00-18-012/09 в рамках Программы развития Восточной Польши, финансируемой Ев- ропейским Союзом из средств Европейского фонда регионального развития. W badaniach wykorzystano aparaturę zakupioną w projekcie nr POPW.01.03.00-18-012/09 z Funduszy Strukturalnych w ramach Programu Operacyjnego Rozwój Polski Wschodniej współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Литература 1. Шевеля В.В., Трытек А.С., Калда Г.С. Влияние электродуговой обработки на структуру и из- носостойкость чугуна // Проблеми трибології. – 2009. – № 2. – С. 6-15. 2. Шевеля В.В., Олександренко В.П. Трибохимия и реология износостойкости. – Хмельницкий: ХНУ, 2006. – 278 с. 3. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. – М.: Машиностроение, 1990. – 224 с. 4. Шевеля В.В. Структурно-реологические механизмы снижения динамической напряженности и деформационного упрочнения фрикционного контакта / Трытек А., Олександренко В.П., Швед М., Соко- лан Ю.С. // Проблеми трибології. – 2010. – № 1. – С. 6-16. 5. Металловедение. Сталь. Справочник, Том 1. – М.: Металлургия, 1995. – 447 с. 6. Новиков Н.В., Вайнберг В.Е. О физической природе акустической эмиссии при деформирова- нии металлических материалов // Проблемы прочности. – 1977. – № 12. – С. 65-69. Надійшла 15.06.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com