Плазменное упрочнение износостойкого чугуна Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 48 Чейлях А.П.,* Куцомеля Ю.Ю.,** Чейлях Я.А.,*** Микула Я.**** * ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Украина, **ГВУЗ «Сумской государственный университет», г. Сумы, Украина, ***ЧАО «Мариупольский металлургиче- ский комбинат имени Ильича», г. Мариуполь, Украина, ****Краковский технологический университет им. Т. Костюшко, г. Краков, Польша E-mail: alex_edu@epage.ru ПЛАЗМЕННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОГО ЧУГУНА УДК 669.15:621.793.74 Установлены закономерности изменения микроструктуры износостойкого белого чугуна ЧГ5Д2Ф4 при плазменном упрочнении при различных режимах нагрева и оплавления поверхности образцов. При оптимальном фа- зовом составе и структуре аустенит-мартенсит-карбиды после плазменной закалки при 800 … 900 °С достигнуто по- вышение абразивной износостойкости чугуна в 1,3 раза в сравнении с закалкой при печном нагреве. Это объясняется измельчением структуры и метастабильностью аустенита, реализующего деформационное мартенситное γ→α′ пре- вращение и самоупрочнение в тонком поверхностном слое. Ключевые слова: износостойкий чугун, плазменное упрочнение, мартенсит, метастабильный аустенит, карбиды, абразивная износостойкость. Введение Создание новых рациональных сплавов и поиск оптимальных технологий их упрочнения являет- ся актуальной задачей современного материаловедения. Одной из наиболее перспективных упрочняю- щих обработок является плазменная технология, использование которой эффективно для поверхностного упрочнения различных изделий [1 - 2], в том числе быстроизнашивающихся деталей и инструмента из чугуна. После плазменного упрочнения (ПУ) они обладают повышенным уровнем свойств и, как более дешевые и технологичные в изготовлении, могут эффективно заменить детали из дорогостоящих высо- колегированных материалов [3 - 5]. Однако для плазменной обработки марганцовистых белых чугунов такие данные в литературе отсутствуют. Важно то, что высокая плотность мощности и регулирование продолжительности воздействия при использовании ПУ позволяют получить свойства материала, недос- тижимые общепринятыми способами термической обработки. Поэтому, исследование и установление закономерностей структурообразования таких износостойких материалов при ПУ, с учетом регулирова- ния степени метастабильности аустенита, представляет значительный научный и практический интерес применительно к указанным чугунам. Целью работы является изучение закономерностей структурообразования и формирования мета- стабильного состояния аустенита для повышения износостойкости белого чугуна. Материал и методика исследований В качестве материала исследования использован белый износостойкий чугун марки ЧГ5Д2Ф4, содержащий (масс. %): 3,4 С; 1,7 Si; 4,6 Мn; 0,01 S; 0,06 P; 0,2 Cr; 0,03 Ni; 2,2 Cu; 4,0 V, после различных режимов ПУ. Для сравнения проводили стандартную термическую обработку (нормализацию) с печным нагревом (табл.). Размеры образцов составляли 10×10×50 мм. ПУ проводили, используя плазменный технологиче- ский комплекс ГВУЗ «ПГТУ», с плазмотроном косвенного действия с секционированной межэлектрод- ной вставкой, работающим на инертном газе аргоне [1], термическую обработку – в лабораторной элек- трической печи. В работе применялся микроструктурный метод исследования с применением инвертированного металлографического микроскопа «Neophot-21» с приставкой KappaImage Base и сканирующего элек- тронного микроскопа (СЭМ) «JEOL / JSM-5500», который был использован также и для изучения рас- пределения химических элементов по сечению упрочненного слоя (энергодисперсионный микрорентге- носпектральный анализ). СЭМ-исследование проводили при ускоряющем напряжении 20 кВ. Микро- твердость измеряли на приборе ПMТ-3 при нагрузке 10 г. Плазменное упрочнение износостойкого чугуна Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 49 Таблица Состояние и режимы упрочнения исследованного чугуна ЧГ5Д2Ф4 Вариант обработки Характеристики упрочнения I. Исх литой II. Исх + TO закалка 950 °С (40 мин., охл. на воздухе), отпуск при 250 °С 2 ч. III. Исх + ПУ плазменная закалка 800 … 900 ºС IV. Исх + ПУ плазменная закалка 1100 ºС V. Исх + ПУО плазменная закалка 1300 … 1400 ºС со средним оплавлением Примечание: Исх – исходное состояние; ТО – термическая обработка с печным нагревом; ПУ и ПУО – плазменное упрочнение без оплавления и с оплавлением поверхности соответственно. Для оценки износостойкости упрочненной поверхности проводили испытания при абразивном изнашивании на установке Хауорта – Бринеля в среде корунда на образцах размером 10×10×25 мм. Уп- рочненная зона располагалась посередине одной из боковых граней образца, которой он прижимался к прорезиненному валику. Относительную абразивную износостойкость определяли по формуле: о э a m m    , где Δmэ и Δmo – потери в весе образца-эталона и исследуемого образца за одинаковое время испытаний. В качестве эталона использована сталь 45 в отожженном состоянии (HB 180). Испытания проводили в течение 70 минут с промежуточным взвешиванием образцов на аналитических весах с по- грешностью ± 0,0001 г через каждые 10 минут испытаний. Результаты исследования и их обсуждение Особенностью исследованного чугуна ЧГ5Д2Ф4 является метастабильность его структуры, со- стоящей из аустенитно-мартенситной металлической основы, благодаря стабилизирующему действию почти 6 % Mn, что увеличивает количество аустенита [6], а также присутствием дисперсных карбидов VС. Как установлено в работе [7], в тонких поверхно- стных слоях чугунов, содержащих метастабильный ау- стенит, в ходе изнашивания протекают процессы де- формационного мартенситного γ → α´ превращения (ДМПИ), а также выделения из аустенита и мартенси- та высокодисперсных карбидов (динамическое дефор- мационное старение), которые являются причиной вы- сокого сопротивления износу. Износостойкость уве- личивает также повышенная способность марганцево- го аустенита к наклепу, связанного с механическим двойникованием и образованием дефектов упаковки, повышением до ~1012 см-2 плотности дислокаций в местах контакта с абразивом. Результаты металлографических исследова- ний показали, что микроструктура чугуна ЧГ5Д2Ф4 после стандартной термической обработки с печным нагревом (закалка 950 °С, отпуск при 250 °С) пред- ставляет собой преимущественно аустенитную матри- цу с включениями карбидов, различающихся морфологическим строением – это разветвленные выделе- ния карбидов цементита первичного и мелкие округлые включения карбидов VC – эвтектику (рис. 1). Твердость чугуна составила HRC47. При ПУ отдельные слои обрабатываемого участка прогреваются по глубине до различных тем- ператур, вследствие чего зона термического воздействия (ЗТВ) имеет слоистое строение [8]. ПУ проводимое по схеме III (см. табл.) вызвало нагрев до 800 … 900 °С и ускоренное охлажде- ние за счет теплопроводности, по существу - закалку. Как видно из рис. 2, а, в результате наблюдается измельчение структуры в сравнении с обычной закалкой при печном нагреве. Микротвердость изменяет- ся по глубине зоны термического воздействия плавно: у поверхности она составляет ~ 2000 … 3000 Рис. 1 – Микроструктура чугуна ЧГ5Д2Ф4 после закалки 950 °С, отпуск при 250 °С Плазменное упрочнение износостойкого чугуна Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 50 МПа, на глубине 0,5 мм достигает максимума ~ 5000 МПа, а затем снижается до 3000 МПа. При этом, твердость чугуна после этого режима составила HRC49. Увеличение температуры ПУ до 1100 °С по режиму IV (табл.) качественно изменяет структуру (рис. 2, б), верхний слой которой характеризуется структурной неоднородностью по глубине. В поверхностной зоне произошло растворение карбидов, а нижняя часть характеризуется наличием не растворившихся карбидов. В верхней области наблюдается эвтектическая смесь (А + К) и аустенит. Очевидно γ - твердый раствор насыщен углеродом, что способ- ствует образованию повышенного количества Аост. Микротвердость изменяется по глубине ЗТВ по кри- вой с максимумом: у поверхности она равна 5000 … 6000 МПа, на глубине 0,8 мм ~ 8000 МПа, а затем снижается до 3000 … 4000 МПа. Твердость чугуна после этого режима HRC57. а б Рис. 2 – Изменение микроструктуры чугуна ЧГ5Д2Ф4 после плазменного упрочнения при температурах: а – 800…900 ºС; б – 1100 ºС (стрелки – от поверхности к центру образцов) Рис. 3 – Изменение микроструктуры чугуна ЧГ5Д2Ф4 после ПУ при 1300…1400 ºС (стрелки – от поверхности к центру образца) ПУ с нагревом до 1300 … 1400 ºС по режиму V (см. табл.) со средним оплавлением поверхности образцов марганцовистого чугуна ЧГ5Д2Ф4 вызвала повышение твердости до HRC54. Установлены сле- дующие качественные изменения в структуре (рис. 3). Непосредственно у поверхности - зона оплавле- ния – преимущественно аустенитная с пониженным количеством карбидов. Причиной этого является преимущественное растворение первичного и эвтектического цементита в расплаве, что способствует образованию пересыщенного аустенита. Далее по глубине ЗТВ наблюдается область, имеющая столбча- тое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении обратном теплоотводу. Следует отметить, что в пределах ледебуритной области наблюдается выделение тонких пластин избыточного легированного це- ментита, высокой микротвердости - более 10 000 МПа. Далее по глубине расположена зона закалки из твердого состояния, которая характеризуется повышенным количеством аустенита. По глубине данный слой характеризуется структурной неоднородностью: ближе к поверхности наблюдаются дендриты ау- стенита, карбидные включения и мелкие участки ледебурита. Это характеризуется понижением микро- твердости до 6000 МПа. В верхней области твердый раствор перенасыщен углеродом и марганцем, что способствует образованию повышенного количества аустенита. В нижней части ЗТВ его содержание значительно меньше, а преимущественно мартенситно-карбидная структура характеризуется максималь- ной твердостью более 13000 МПа. Постепенно структура по глубине переходит в исходную, рассмотрен- ную выше (рис. 1). Плазменное упрочнение износостойкого чугуна Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 51 На образцах чугуна, полученных в различных условиях плазменного упрочнения, была исследо- вана микроструктура и поэлементный состав химических элементов с помощью энергодисперсионного микроскопа «JEOL / JSM-5510LV». Полученные профили распределения химических элементов вдоль заданной линии для структуры чугуна ЧГ5Д2Ф4 после ПУ по режиму IV: закалка 1100 ºС (без оплавле- ния) представлены на рис. 4. Элементный состав позволил установить, что образовавшиеся округлой формы включения, отличающиеся характерным серым, слегка светящимся цветом (рис. 4, а), являются сфероидальным карбидом ванадия VхC так, как энергодисперсионный спектр данных химических эле- ментов имеет достаточно высокую интенсивность. В матрице количество ванадия невелико - светлая и темная фазы имеют очень низкое содержание V, соответственно в карбиде VхC обнаруживается пони- женное содержание марганца по сравнению с твердыми растворами и карбидами FeхC (рис. 4, б). а б Рис. 4 – Микроструктура чугуна ЧГ5Д2Ф4 после плазменной закалки при 1100 ºС (без оплавления) c заданной линией анализируемой области (а); б –профиль распределения химических элементов по заданной линии Mn Si C V Fe Плазменное упрочнение износостойкого чугуна Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 52 При этом, темная фаза содержит Fe, Si, частично Mn и С (по-видимому, эвтектоидная смесь), в ней находятся отдельные мелкие разветвленные выделения. Обращает на себя внимание, что содержание кремния в местах карбидов значительно ниже, чем в твердых растворах, что можно объяснить его спо- собностью к вытеснению углерода из твердого раствора. Рис. 5 – Относительная абразивная износостойкостьобразцов из чугуна ЧГ5Д2Ф4 после плазменногоупрочнения (см. табл.) Зависимость относительной абразивной износостойкости чугуна ЧГ5Д2Ф4 при абразивном из- нашивании корундом после плазменной обработки по различным режимам приведены на рис. 5. Испы- тания показали, что наиболее высокую абразивную износостойкость марганцовистый чугун имеет после плазменной закалки 800 … 900 ºС без оплавления поверхности, которая в 1,3 раза выше по сравнению с исследованным чугуном в закаленном состоянии с печным нагревом. Это можно объяснить получением в ЗТВ сфероидизированных карбидных включений ванадия, которые придают чугуну повышенное со- противление абразивному и эрозионному изнашиванию благодаря меньшей концентрации напряжений [9] и измельчению аустенитного зерна. Дополнительный вклад в формирование износостойкости вносит метастабильность остаточного аустенита, который претерпевает γост → α′ ДМПИ в тонком поверхност- ном слое образцов. Это вызывает дополнительное самоупрочнение поверхностного рабочего слоя и ре- лаксацию микронапряжений. Кроме того на это превращение расходуется часть механической энергии внешнего воздействия абразива и меньшая ее часть остается на разрушение [7]. Следует заметить, что плазменная закалка чугуна 1100 ºС без оплавления также дает хорошие результаты по повышению износостойкости, что соответствует твердости HRC57. Положительную роль в повышении износостойкости в этих случаях играет деформационная метастабильность аустенита, обу- словливающая развитие γ → α′ ДМПИ и вызывающее эффект деформационного самоупрочнения в тон- ком поверхностном слое. Выводы 1. Плазменная закалка в твердом состоянии при температурах нагрева 800…900 ºС формирует и существенно измельчает аустенитно-мартенситно-карбидную структуру чугуна ЧГ5Д2Ф4 с повышен- ным содержанием метастабильной γ – фазы, обуславливающей развитие γ → α′ ДМПИ и эффект допол- нительного самоупрочнения при изнашивании. 2. Плазменная обработка с оплавлением поверхности (t = 1300 … 1400 ºС) обеспечивает диффе- ренциацию микроструктуры чугуна по сечению зоны воздействия с повышенным содержанием метаста- бильного аустенита. 3. Рентгеновский микроанализ позволил подтвердить наличие сфероидальных карбидов ванадия VхC, аустенитно-карбидную эвтектику, пониженное содержание кремния в местах расположения карби- дов ванадия и цементита в сравнении с твердыми растворами. 4. Плазменное упрочнение чугуна по оптимальному режиму без оплавления поверхности (t = 800 … 900 ºС) обеспечивает повышение его абразивной износостойкости в 1,3 раза, в сравнении с за- калкой при печном нагреве. ɛа Плазменное упрочнение износостойкого чугуна Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 53 Литература 1. Самотугин С.С. Плазменное упрочнение инструментальных материалов / С.С. Самотугин, Л.К. Лещинский. – Донецк: Новый мир, 2002. – 338 с. 2. Степанова Т.Ю. Технологии поверхностного упрочнения деталей машин: учебное пособие/ Т.Ю. Степанова; Иван. гос. хим.-технол. ун-т.- Иваново, 2009.– 64 с. 3. Самотугин С.С. Повышение износостойкости высокопрочного чугуна плазменным поверхно- стным упрочнением / С.С. Самотугин, Л.С. Малинов, Ю.С. Самотугина // Вісник Приазовського держав- ного технічного університету. Зб. наук. праць № 14. – Маріуполь, 2004. – С. 156-160. 4. Самотугин С.С. Aнализ напряженного состояния поверхностного упрочненного слоя при плазменной обработке чугуна с шаровидным графитом / С.С. Самотугин, Б.А. Ляшенко, Ю.С. Самотуги- на// Вісник Приазовського державного технічного університету. Зб. наук. праць № 18. – Маріуполь, 2008. – С. 126-129. 5. Ляшенко Б.А. Плазменная поверхностная модификация белого высокохромистого чугуна / Б.А. Ляшенко, Ю.С. Самотугіна // Новітні технології в машинобудуванні. Зб. наук. праць вип. № 2. – Маріуполь, 2010. – С. 140-152. 6. Олійник І. М. Розробка економнолегованих зносостійких чавунів з метастабільним аустенітом і способів управління їх властивостями: дис. … канд. техніч. наук: 05.16.01. / Олійник Інна Михайлівна. – Маріуполь, 2006. – 148 с. 7. Чейлях А.П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии / А.П. Чейлях. – Мариуполь: ПГТУ, 2009. – 483 с. 8. Лащенко Г. И. Плазменное упрочнение и напыление / Г.И. Лашенко. – К.: – «Екотехнология», 2003. – 64 с. 9. Ефременко В.Г. Межфазное распределение химических элементов в комплексно- легированном белом чугуне / В.Г. Ефременко, А.П. Чейлях, Т.В. Козаревская, К. Шимидзу, Ю.Г. Чабак, А.В. Ефременко // Вісник Приазовського державного технічного університету. Зб. наук. праць № 28. – Маріуполь, 2014. – С. 89-99. Поступила в редакцію 07.12.2016 П р о б л е м и т р и б о л о г і ї “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” E-mail: tribosenator@gmail.com Плазменное упрочнение износостойкого чугуна Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 54 Cheiliakh A.P., Kutsomelya Yu.Yu., Cheylyakh Y.A., Mikula Y. Plasma hardening wear resistant cast iron. The aim of the research is the study of the regularities of structure formation and the formation of metastable aus- tenite condition for increase of wear resistance of white cast iron. Plasma hardening in solid state at temperatures heat up 800 ... 900° c significantly refines the microstructure of cast iron ChG5D2F4 with high content of residual metastable austenite. Plasma processing with melting surface (t = 1300…1400 °C) provides the differentiation of the microstructure of cast iron on the plane of the impact zone with high content of metastable austenite. X-ray microanalysis allowed us to confirm the pres- ence of spheroidal carbides of vanadium VxC, austenitic-carbide eutectic, low content of Silicon in vanadium carbides and cementite locations in comparison with solid solutions. Plasma hardening of cast iron on the optimal regime without melting the surface (t = 800 ... 900 °C) enhances its abrasive wear resistance in 1.3 times in comparison with the quenching with fur- nace heating, which corresponds to the austenite-martensite-carbide structure with metastable γ - phase. This is grinding of the structure and metastable austenite realizing deformation induced martensitic γ → α' transformation and self-strengthening effect in a thin surface layer. Keywords: The wear-resistant cast iron, plasma hardening, martensite, metastable austenite, carbide, abrasive wear- resistance. References 1. Samotugin S.S. Plazmennoe uprochnenie instrumental'nyh materialov. S.S. Samotugin, L.K. Lesh- hinskij. Doneck: Novyj mir, 2002. 338 s. 2. Stepanova T.Ju. Tehnologii poverhnostnogo uprochnenija detalej mashin: uchebnoe posobie. T.Ju. Stepanova; Ivan. gos. him.-tehnol. un-t.- Ivanovo, 2009. 64 s. 3. Samotugin S.S. Povyshenie iznosostojkosti vysokoprochnogo chuguna plazmennym poverhno-stnym uprochneniem. S.S. Samotugin, L.S. Malinov, Ju.S. Samotugina. Vіsnik Priazovs'kogo derzhav-nogo tehnіchnogo unіversitetu. Zb. nauk. prac' № 14. Marіupol', 2004. S. 156-160. 4. Samotugin S.S. Analiz naprjazhennogo sostojanija poverhnostnogo uprochnennogo sloja pri plaz- mennoj obrabotke chuguna s sharovidnym grafitom. S.S. Samotugin, B.A. Ljashenko, Ju.S. Samotugi-na. Vіsnik Priazovs'kogo derzhavnogo tehnіchnogo unіversitetu. Zb. nauk. prac' № 18. Marіupol', 2008. S. 126-129. 5. Ljashenko B.A. Plazmennaja poverhnostnaja modifikacija belogo vysokohromistogo chuguna. B.A. Ljashenko, Ju.S. Samotugіna. Novіtnі tehnologії v mashinobuduvannі. Zb. nauk. prac' vip. № 2. Marіupol', 2010. S. 140-152. 6. Olіjnik І. M. Rozrobka ekonomnolegovanih znosostіjkih chavunіv z metastabіl'nim austenіtom і sposobіv upravlіnnja їh vlastivostjami: dis. … kand. tehnіch. nauk: 05.16.01. Olіjnik Іnna Mihajlіvna. Marіupol', 2006. 148 s. 7. Chejljah A.P. Jekonomnolegirovannye metastabil'nye splavy i uprochnjajushhie tehnologii. A.P. Chejljah. Mariupol': PGTU, 2009. 483 s. 8. Lashhenko G. I. Plazmennoe uprochnenie i napylenie. G.I. Lashenko. K.: «Ekotehnologija», 2003. 64 s. 9. Efremenko V.G. Mezhfaznoe raspredelenie himicheskih jelementov v kompleksno-legirovannom be- lom chugune. V.G. Efremenko, A.P. Chejljah, T.V. Kozarevskaja, K. Shimidzu, Ju.G. Chabak, A.V. Efremenko. Vіsnik Priazovs'kogo derzhavnogo tehnіchnogo unіversitetu. Zb. nauk. prac' № 28.– Marіupol', 2014. S. 89-99.