14_Bratchenko.doc Влияние импульсно-плазменной обработки на микроструктуру и свойства стали 65Г Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 86 Батраченко А.В. Черкасский государственный технологический университет, г. Черкассы, Украина E-mail: batrachenko@rambler.ru ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ 65Г УДК: 621.9.04:637.5.02 Приведены результаты экспериментальных исследований свойств и микроструктуры образцов из стали 65Г, используемой для изготовления ножей куттеров, которые упрочнены импульсно-плазменной обработкой. Уста- новлено, что максимальные значения микротвердости (НV50=11000 МПа) и толщины упрочненного слоя (10 мкм) достигается при осуществлении 3 импульсов плазменной обработки в точку при емкости конденсаторной батареи разрядного контура С = 800 мкФ, напряжении на обложках конденсаторной батареи U = 3,2 кВ, индуктивности раз- рядного контура L = 30 мкФ и частоте инициирующих импульсов υ = 2,5 Нz. Полученные результаты позволяют считать целесообразным использование импульсно-плазменного упрочнения для повышения долговечности ножей куттеров. Ключевые слова: куттер, ножи, долговечность, сталь 65Г, импульсно-плазменная обработка, микроструктурные исследования. Актуальность проблемы Куттеры являются одним из основных видов технологического оборудования, определяющих количество и качество изготавливаемых колбасных изделий в промышленных условиях. Повышение долговечности ножей куттеров продолжает оставаться актуальной задачей, что обусловлено малым пе- риодом их стойкости и высокой стоимостью [1, 2]. Целесообразным является обоснование выбора такого метода повышения долговечности ножей, который будет обладать высокой эффективностью и будет пригоден к широкому промышленному использованию. Обзор предыдущих исследований Решению задач повышения долговечности ножей куттера посвящено значительное количество научных работ [3]. Исследовано влияние различных способов повышения долговечности ножей: химико- термической обработки (борирование, азотирование, хромирование), криогенного упрочнения, электро- искрового легирования, поверхностного пластического деформирования, лазерного упрочнения, исполь- зования дисперсионно-твердеющих сталей и пр. [3, 4]. Недостатками исследованных методов являются недостаточное повышение долговечности ножей, большие затраты энергии и рабочего времени на про- ведение процесса, слишком высокая стоимость необходимого технологического оборудования и его экс- плуатации. Высокими технико-экономическими показателями обладает технология импульсно-плазменного упрочнения [5, 6]. В работе [7] представлены результаты производственных испытаний ножей куттера, упрочненных импульсно-плазменной обработкой. Однако, не смотря на положительные результаты про- мышленных испытаний режущего инструмента, в литературе отсутствуют количественные данные о свойствах поверхностного слоя материалов, используемых для изготовления ножей куттера. Это ограни- чивает возможности поиска новых более эффективных путей повышения износостойкости данного вида режущего инструмента. Цель статьи Целью данной работы является экспериментальное исследование свойств поверхностного слоя материала, используемого для изготовления ножей куттера, после его упрочнения импульсно- плазменной обработкой. Изложение основного материала Наиболее широко применяемым материалом для изготовления ножей куттера в отечественных условиях является сталь 65Г, которая и была выбрана для проведения указанных исследований. С це- лью определения влияния импульсно-плазменного упрочнения на структуру материала обрабатываемого инструмента и выбора наиболее оптимальных режимов обработки были проведены микроструктурные исследования. Они состояли из таких этапов: - изготовление опытных образцов, которые по своим геометрическим и физико-механическим свойствам отвечали режущим кромкам исследуемых ножей куттера; - импульсно-плазменное упрочнение образцов; - металографические исследования; mailto:batrachenko@rambler.ru Влияние импульсно-плазменной обработки на микроструктуру и свойства стали 65Г Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 87 - микродюрометрические исследования; - рентгеноструктурный анализ. Импульсно-плазменное упрочнение осуществляли на установке «ИМПУЛЬС» лаборатории Ин- ститута электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины. Схема работы установки показана на рис. 1. Де- тонационный плазменный генератор состоит из детонационной камеры 1, где осуществляется формиро- вание горючей газовой смеси и инициирование ее сгорания в детонационном режиме; коаксиальных электродов 2 и 3; источников питания 4. В процессе ускорения плазменного образования принимает уча- стие газодинамическая и электромагнитная силы [5, 6]. В результате детонации частично ионизирован- ные продукты сгорания попадают из детонационной камеры в междуэлектродный зазор 5 и замыкают R–L–C контур источника питания. Происходит разряд конденсаторной батареи. Между коаксиальными электродами 2 и 3 ток протекает по некоторому ведущему объему газа 6, степень ионизации которого увеличивается. При протекании тока по плазме выделяется джоулево тепло, определенная доля которого принимает участие в процессе ускорения при расширении нагретого объема ионизированного газа, уси- ливая тем самым газодинамическую составляющую силы. Во время протекания в межэлектродном зазо- ре плазма вызывает эрозию электрода, который приводит к насыщению плазмы легирующими элемента- ми (W, Mo). Полученная плазменная струя 7 действует на обрабатываемую поверхность 8. В процессе действия импульсной плазмой происходит нагрев поверхности с последующим ее охлаждением путем отвода тепла как в материал, так и в окружающую среду, в результате чего в поверх- ностном слое происходят структурно-фазовые превращения. При этом осуществляется эффективная тер- моциклическая обработка металла. Термическое действие импульсной плазменной струи сопровождают процессы легирования. Введение легирующих элементов в плазму осуществляется в виде парокапельной фазы от металлического электрода (стержня), закрепленного по оси центрального электрода, который эродирует, и с помощью плазмообразующего газа (пропан, азот). В результате микросекундной длитель- ности действия плазменной струи осуществляется интенсивное ударно-волновое действие в результате скоростных фазовых превращений. В результате всех выше указанных воздействий происходит упроч- нение обрабатываемой поверхности. При импульсно-плазменном упрочнении возможно проведение об- работки несколькими импульсами в точку, при этом расстояние между двумя соседними точками – не больше 0,5 диаметра точки (под точкой понимается пятно от действия плазменной струи). С 3 Н 8 О 2 п о в і т р я Д . Ж . h H 1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. 1 – Схема работы установки для импульсно-плазменного упрочнения В данном случае упрочнение образцов стали 65Г проводилось с использованием следующих па- раметров работы установки: емкость конденсаторной батареи разрядного контура С = 800 мкФ; напря- жение на обложках конденсаторной батареи U = 3,2 кВ; индуктивность разрядного контура L = 30 мкФ; частота инициирующих импульсов υ = 2,5 Нz; материал используемого электрода – W. Использовалось 3 режима обработки: №1 - 2 импульса в точку, деталь заземлена; №2 - 4 импуль- са в точку, деталь заземлена; №3 - 8 импульсов в точку, деталь заземлена. На рис. 2 видно, что пятна закалки на рис. 2, а и рис. 2, б имеют различный цвет, что указывает на то, что интенсивность упрочняющей обработки данных образцов существенно отличалась. Так образ- цы, обработанные на режиме 3 (рис. 2, б), имеют темно-синий цвет пятен закалки, к тому же – режущая кромка образцов оплавлена, что свидетельствует о высокой интенсивности нагрева. Для выявления микроструктуры поверхностных слоев контрольных образцов были изготовлены металлографические шлифы. Образцы поддавались шлифованию в несколько этапов и химическому по- лированию в течение 5 с в 3 % растворе азотной кислоты. Исследование микроструктуры проводилось на оптическом микроскопе “Neophot–32”. Упрочнение поверхностного слоя характеризовалось величиной микротвердости, измеренной на металлографических шлифах. Измерения проводились на микротвердо- мере М–400 фирмы “LECO” при нагрузке 50г. Влияние импульсно-плазменной обработки на микроструктуру и свойства стали 65Г Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 88 а б Рис. 2 – Внешний вид пятен закалки: а – образцов, упрочненных на режиме 2; б – образцов, упрочненных на режиме 3 На рис. 3 показана микроструктура основного металла (сталь 65Г), который не подвергался за- калке и упрочняющей обработке. На рис. 4 показана микроструктура контрольного образца, прошедше- го закалку на стандартных для ножей куттера режимах, и упрочненного на режиме 3. Около поверхности образца видно белый слой, который плохо травится в растворе кислоты. Этот слой имеет измененную мартенситную структуру, при этом следует ожидать значительное повышение его микротвердости. Ос- новной металл, в отличие от необработанного, имеет ярко выраженную мелкодисперсну игольчатую структуру. Рис. 3 – Микроструктура основного металла (сталь 65Г), увеличение × 500 а б Рис. 4 – Микроструктура контрольного образца (сталь 65Г), упрочненного на режиме 3: а – увеличение × 200; б – увеличение × 500 Результаты проведенных микродюрометрических исследований представлены на рис. 5. Наи- высшее значение микротвердости имеет образец, упрочненный на режиме 3. Следует отметить, что в данном случае значение толщины упрочненного слоя находится в пределах 10 мкм. Полученные экспе- Влияние импульсно-плазменной обработки на микроструктуру и свойства стали 65Г Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 89 риментальные данные были аппроксимированы методом наименьших квадратов уравнением вида (зна- чения коэффициентов регрессии приведены в табл. 1). cx xbay ⋅⋅= 1 , где y – значение микротвердости, МПа; x – расстояние от обработанной поверхности, мкм. Дифрактометрические исследования образцов стали 65Г проводились с помощью дифрактомет- ра ДРОН-УМ1 в монохроматическом Cu-Kα-излучении методом шагового сканирования (35 кV, 25 mA, время экспозиции в точке 10 с, шаг 0,05º). В качестве монохромата использовался монокристалл графита, установленный на дифрагированном пучке. Образцы исследовались в плоскости падения рентгеновского пучка при вращении вокруг оси. Параметры решетки рассчитывались с использованием программы для полнопрофильного анализа рентгеновских спектров от смеси поликристаллических фазовых составляю- щих Powder Cell 2.4. Профили дифракционных максимумов аппроксимировали функцией псевдо-Фойхта (Pseudo-Voight). Таблица 1 Значение коэффициентов уравнения регрессии Вид режима упрочняющей обработки а b с S r Режим 1 1538,6 7,0 0,201 241,1083 0,9964 Режим 2 2564,8 3,8 0,178 269,4979 0,9935 Режим 3 7546,5 1,0 -0,187 412,7895 0,9696 Рис. 5 – Микротвердость стали 65Г, упрочненной импульсно-плазменной обработкой: 1 – режим обработки 2 импульса в точку, деталь заземлена; 2 – режим обработки 4 импульса в точку, деталь заземлена; 3 – режим обработки 8 импульсов в точку, деталь заземлена Рентгенограмма стали (рис. 6), которая прошла отпуск и неподвергалась импульсно-плазменной обработке, показывает, что в процессе отпуска закаленной структуры произошло выделение углерода из мартенсита и значительный распад аустенита. Таким образом, фазовый состав стали, подвергнутой им- пульсно-плазменному упрочнению, состоит из отпущенного малоуглеродистого (С 0.13%) мартенсита с кубической решеткой. Кроме того, на рентгенограмме зафиксированы пики Fe3C — цементита, слабые пики остаточного аустенита и низкотемпературного ε-Fe3C карбида. На рентгенограмме образца (рис. 7), подвергнутого импульсно-плазменной обработке на режиме 3 значительно уменьшается интенсивность линий α-Fe и появляются линии остаточного аустенита. Ли- ния α-Fe расщепляется на пару близко расположенных друг к другу линий мартенсита. Увеличивается тетрагональность решетки за счет насыщения мартенсита углеродом. На пиках также заметно расшире- ние междуплетного расстояния, которое подтверждает увеличение тетрагональности решетки мартенсита. Влияние импульсно-плазменной обработки на микроструктуру и свойства стали 65Г Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 90 Рис. 6 – Рентгенограмма образца, который прошел отпуск, упрочнение не проводилось Рис. 7 – Рентгенограмма образца, упрочненного на режиме 3 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 6213 3107 0 P o w d e rC e ll 2 . 2 Alpha_Fe_bcc 53,1% 11 0 20 0 21 1 Gam m a-Fe 29,4% 11 1 20 0 22 0 FEO1 10,8% 11 1 20 0 22 0 31 1 22 2 GREENALIT 6,7% 00 2 00 3 11 1 11 2 00 4 11 3 11 4 13 0 -2 01 13 2 11 5 00 6 04 1 22 2 2 04 02 6 00 7 20 5 11 7 22 5 00 8 -3 11 31 2 22 6 -2 26 -1 37 24 4 -3 14 -3 31 33 2 11 9 33 3 33 4 04 8 33 5 -3 35 40 1 40 2 04 9 17 2 26 4 -1 3. 10 26 5 -3 54 31 9 -1 59 44 1 44 2 35 6 Kutter-5.x_y 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 42271 21135 0 P o w d e r C e ll 2 . 2 Alpha_Fe_bcc 88,7% 11 0 20 0 21 1 Gam m a-Fe 3,6% 11 1 20 0 22 0 LIZARD IT 7,7% 00 1 10 0 10 1 00 2 10 2 11 0 -1 -1 1 00 3 20 0 20 1 -1 -1 2 20 2 21 0 -2 -1 1 10 4 -2 -1 2 30 0 30 1 -1 -1 4 00 5 -2 -1 3 10 5 22 0 22 1 30 3 -2 -2 2 20 5 00 6 30 4 10 6 Kutter-6.x_y Влияние импульсно-плазменной обработки на микроструктуру и свойства стали 65Г Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 91 Увеличение содержания углерода в мартенсите происходит, во-первых, за счет распада карбид- ных фаз. Пики Fe3C и ε-Fe3C на рентгенограмме практически исчезли. Во-вторых, возможно насыщение углеродом из плазмообразующей среды (обработка проводилась в среде с избытком C3H8). На рентгеног- рамме появился пик вюстита FeO. Возможно также существование карбида МоС. Линия α-Fe расщепля- ется на пару линий высокоуглеродистого мартенсита. Увеличение количества импульсов способствует последующему увеличению относительной ин- тенсивности пиков остаточного аустенита. Значительно усиливается интенсивность пика MoO3. Размыв- ка линий на рентгенограммах образцов после упрочнения говорит о напряженном состоянии обработан- ной поверхности в результате фазового наклепа. Несмотря на достаточно большое содержимое аустени- та, твердость поверхностных слоев увеличивается за счет фазового наклепа в результате оборотных α— γ превращений. Выводы Можно сделать вывод, что проведенные микроструктурные исследования подтвердили рацио- нальность выбранных режимов упрочняющей обработки и позволили установить особенности фазовых превращений при импульсно-плазменной обработке стали 65Г. Определенно, что наивысшее значение микротвердости (НV50=11000 МПа) и наивысшее значе- ние толщины упрочненного слоя (10 мкм) достигается при осуществлении 3 импульсов плазменной об- работки в точку при емкости конденсаторной батареи разрядного контура С = 800 мкФ, напряжении на обложках конденсаторной батареи U = 3,2 кВ, индуктивности разрядного контура L = 30 мкФ и частоте инициирующих импульсов υ = 2,5 Нz. Полученные результаты позволяют считать целесообразным использование данного метода по- верхностного упрочнения для повышения долговечности ножей куттеров. Литература 1. Василевский О.М., Соловьев О.В. Машины периодического действия для приготовления фарша // Мясные технологии. – 2007. – №5. – С. 35-39. 2. Дуда А.Н. Марки сталей для куттерных ножей // Мясная индустрия. – 2008. – № 6. – С. 43-44. 3. Чижикова Т.В., Мартынов Г.А. Перспективы повышения эксплуатационной надежности ре- жущих инструментов в мясной промышленности. – М.: АгроНИИТЭИММП, 1987. – 43 с. 4. Маркус Л.И., Шаталов А.Н. и др. Дисперсионно-твердеющие стали для создания равноизнаши- вающихся инструментов измельчающих машин // Мясная индустрия. – 2008. – № 9. – С. 28-29. 5. Тюрин Ю.Н., Жадкевич М.Л. Плазменные упрочняющие технологии. – К.: Наукова думка, 2008. – 215 с. 6. Колісниченко О.В. Формування модифікованих шарів при плазмово-детонаційній обробці вуглецевих сталей. Дисертація на здобуття вченого ступеня канд. техн. наук. – К.: Інститут електрозва- рювання ім.. Є.О. Патона НАН України, 2003 – 154 с. 7. Некоз А. И. Упрочнение ножей волчков и куттеров импульсно-плазменной обработкой / А. И. Некоз, А. В. Батраченко // Научно-аналитический журнал «Научный обозреватель». – Уфа: «Инфинити». – 2012. – № 12.– С. 115-118. Поступила в редакцію 02.10.2014 Влияние импульсно-плазменной обработки на микроструктуру и свойства стали 65Г Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 92 Batrachenko A.V. Effect of pulsed-plasma treatment on microstructure and properties of steel 65G. The purpose of this work is experimental research of properties of superficial layer of material, utillized for making of knives of bowl cutter, after his consolidating impulsive-plasma treatment. Bowl cutters are one of basic types of techno- logical equipment, determining amount and quality of the made sausage wares in industrial terms. Expedient is a ground of choice of such method of increase of longevity of knives, which will possess high efficiency and will be suitable to the wide industrial use. High technical and economical indexes are possessed by technology of the impulsive-plasma consolidating. However, not looking on the positive results of industrial tests of the consolidated cutting instrument, in literature quantita- tive information absent about properties of superficial layer of materials, utilized for making of knives of bowl cutter. It lim- its possibilities of search of new more effective ways of increase of wearproofness of this type of cutting instrument. Most by the widely applied material for making of knives of bowl cutter there is steel of 65Г in domestic terms. With the purpose of determination of influencing of the impulsive-plasma consolidating on the structure of material of the processed instrument and choice of the most optimum modes of treatment microstructure researches were conducted. They consisted of such stages: making of pre-production models which on the geometrical and physics and mechanical properties answered the cuttings edges of the probed knives of bowl cutter; impulsive-plasma consolidating of standards; laboratory re- searches. The impulsive-plasma consolidating was carried out on setting «IMPULSE» of laboratory of Institute of the electric welding the name of E.O. Paton of NAS of Ukraine. Is it set that maximal values of micro-solid (HV50=11000 MPa) and thickness of the consolidated layer (10 мкм) arrived at during realization of 3 impulses of plasma treatment pithily at the ca- pacity of condenser battery of bit contour of C=800 мicro-F, tension on the covers of condenser battery of U=3,2 kV, to in- ductance of bit contour of L=30 micro-F and frequency of initiating impulses 2,5 Nz. The got results allow to consider expe- dient the use of the impulsive-plasma consolidating for the increase of longevity of knives of bowl cutter. Keywords: cutter, knives, durability, steel 65G, pulsed-plasma treatment, microstructure studies. References 1. Vasylevskyi O.M., Solovev O.V. Mashyny peryodycheskoho deistvyia dlia pryhotovlenyia farsha. Miasnye tekhnolohyy, 2007, №5. pp. 35-39. 2. Duda A.N. Marky stalei dlia kutternykh nozhei. Miasnaia industryia, 2008, №6. pp.43-44. 3. Chyzhykova T.V., Martynov H.A. Perspektyvy povyshenyia ekspluatatsyonnoi nadezhnosty rezhushchykh ynstrumentov v miasnoi promyshlennosty. M.: AhroNYYTEYMMP, 1987. 43 p. 4. Markus L.Y., Shatalov A.N. y dr. Dyspersyonno-tverdeiushchye staly dlia sozdanyia ravnoyznashyvaiushchykhsia ynstrumentov yzmelchaiushchykh mashyn. Miasnaia industryia, 2008, №9. pp. 28-29. 5. Tiuryn Yu.N., Zhadkevych M.L. Plazmennye uprochniaiushchye tekhnolohyy. K.: Naukova dumka, 2008. 215 p. 6. Kolisnychenko O.V. Formuvannia modyfikovanykh shariv pry plazmovo-detonatsiinii obrobtsi vuhletsevykh stalei. Dysertatsiia na zdobuttia vchenoho stupenia kand. tekhn. nauk. Kyiv: Instytut elektrozvariuvannia im.. Ye.O. Patona NAN Ukrainy, 2003. 154 p. 7. Nekoz A. Y. Uprochnenye nozhei volchkov y kutterov ympulsno-plazmennoi obrabotkoi / A. Y. Nekoz, A. V. Batrachenko. Nauchno-analytycheskyi zhurnal «Nauchnyi obozrevatel». №12, 2012. Ufa: «Ynfynyty». pp. 115-118.