книги / Специальные плазменные технологии

Закалка ТВЧ – токами высокой частоты (индукционная закалка). Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации. Разогрев детали производится за счет наведения в ней токов высокой частоты. Деталь помещается внутрь индуктора, подключенного к высокочастотному генератору. Достоинство способа – высокая производительность. Основной недостаток – высокая стоимость индукционных установок и индукторов (для каждой детали необходим свой индуктор), наличие вредных электромагнитных полей. Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве для однотипных деталей. Максимально возможная глубина упрочненного составляет 3 мм и достигается с оплавлением поверхности.

Химико-термическая обработка – одно из средств улучшения качества стальных деталей – повышения их прочности, твердости и износостойкости, заключающееся в насыщении поверхности углеродом, азотом, хромом, бором и другими элементами. При введении в поверхностный слой хрома, кремния, алюминия и других элементов можно придать изделию устойчивость против коррозии, жаростойкость, кислотоупорность и другие свойства.

Старение применяется к материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения. Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств. Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (Мк) ниже 0 °С. Для устранения остаточного аустенита проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур, до температуры ниже т. Мк (–80 °С). Обычно для этого используют сухой лед. Такая обработка назы-

51

вается обработкой стали холодом. Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита.

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.

Упрочнение методом пластической деформации. Ос-

новное назначение методов механического упрочнения поверхности – повышение усталостной прочности. Методы механического упрочнения – наклеп поверхностного слоя на глубину 0,2–0,4 мм. Разновидностью является дробеструйная обработка.

Способы поверхностного упрочнения высококонцентрированными источниками нагрева. Скорость нагрева и охлажде-

ния поверхностного слоя металла, структура и свойства упрочненной зоны определяются в первую очередь степенью локализации ввода тепла в обрабатываемое изделие (в пятно нагрева). От этого зависят величина остаточных напряжений и деформаций, необходимость применения дополнительных охлаждающих сред, производительность обработки, технико-экономические показатели. К способам поверхностной термообработки высококонцентрированными источниками энергии относятся: закалка с нагревом поверхности лазером, электронно-лучевая обработка, плазменная поверхностная термообработка.

Закалка с нагревом поверхности лазером. При этом спо-

собе закалки разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на нее высокоэнергетического пучка излучения. Перемещая луч лазера по поверхности, можно закаливать как отдельные участки детали, так и всю ее поверхность. Глубина закаленного слоя регулируется временем воздействия лазера. При этом достигается высокая твердость поверхности. Например, для стали 40Х она составляет 58–62 HRC.

Недостатками лазерной обработки являются высокая сложность и стоимость оборудования, низкий КПД лазеров, малая глубина упрочненного слоя.

52

Электронно-лучевая обработка. Обработка поверхности производится мощным электронным пучком в вакуумной среде. Необходимость создания вакуума препятствует широкому распространению такого упрочнения. Преимущества по сравнению с лазерной обработкой: более высокий КПД, более высокая мощность, меньшая стоимость.

Плазменная поверхностная термообработка сочетает в себе высокую технологическую и экономическую эффективность, доступность технологического оборудования. Возможны следующие варианты плазменного поверхностного упрочнения:

♦упрочнение без оплавления и с оплавлением поверхности

детали;

♦упрочнение с зазором между упрочненными зонами (ЗТВ), без перекрытия ЗТВ и с перекрытием ЗТВ;

♦химико-термическая плазменная обработка;

♦упрочнение в сочетании с другими способами объемной или поверхностной термической обработки.

2.3.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕПРОЦЕССЫПРИВОЗДЕЙСТВИИ

ПЛАЗМЕННОЙСТРУИНА ПОВЕРХНОСТЬДЕТАЛИ

В основе плазменного поверхностного упрочнения металлов лежит способность плазменной струи (дуги) создавать на небольшом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого металла. Основной физической характеристикой плазменного упрочнения является температурное поле. Эта характеристика позволяет определить температуру материала в любой точке зоны термического воздействия (ЗТВ) в различные моменты времени, скорость нагрева и охлаждения, длительность пребывания разогретого металла ЗТВ в заданном интервале температур в зависимости от параметров режима обработки и теплофизических характеристик обрабатываемого материала.

53

Плазменное упрочнение сталей 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 Ас3нач, т. е. окончание аустенитного пре-

вращения смещается в область высоких температур Т. Диффузионные процессы перестройки решетки объемно-центрированного куба избыточного феррита в решетку гранецентрированного куба аустенита из-за высокой скорости нагрева могут не заканчиваться на линии GS-диаграммы Fe-Fe3C и сдвигаются в область более высоких температур. Также может происходить микроплавление границ цементита с аустенитом.

При обработке плазменной 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 формируется структура, особенности которой обусловлены степенью завершенности процесса аустенизации, определяемой скоростью

итемпературой 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

ивремени 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, зависит от дисперсности исходной структуры. Причем чем мельче исходная структура, тем меньше неоднородность аустенита.

54

Процесс плазменной поверхностной термообработки характеризуется высокими скоростями охлаждения, которые приводят кзакалке поверхностных участков. Для получения мартенсита в сплавах железо–углерод в интервале температур минимальной устойчивости аустенита (400–600 °С) необходимо обеспечить скорость охлаждения больше критической, которая для большинства сплавов железа находится в интервале 50–200 °С/с. Скорость ох-

лаждения при плазменном упрочнении изменяется в пределах от

104 до106 °С/с.

Плазменное упрочнение осуществляют без оплавления и с оплавлением поверхности детали. Установлены энергетические пороги, определяющие режимы упрочнения (рис. 15).

HV

HVmax

HV

Рис. 15. Влияние плотности мощности в пятне нагрева на поверхностную твердость

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 энерге-

55

тического порога W2. Затем увеличение плотности мощности приводит к незначительному повышению твердости, а третий порог W3 соответствует началу оплавления поверхности.

При плазменной закалке в качестве основных параметров используют силу тока дуги в плазмотроне, дистанцию упрочнения, диаметр сопла, скорость обработки. Наиболее сильное влияние на степень упрочнения оказывают скорость обработки и сила тока, так как они позволяют регулировать скорость нагрева и охлаждения.

Для поисков оптимальных режимов рекомендуется использовать следующий прием. На образце-свидетеле добиваются оплавления поверхности, изменяя параметры – силу тока или скорость упрочнения. При появлении первых признаков оплавления плавным изменением одного из параметров добиваются исчезновения оплавления и вблизи этого порога проводят упрочнение без оплавления поверхности.

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.

2.4. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАГРЕВЕ

Процессы поверхностного упрочнения требуют применения концентрированного источника нагрева с плотностью теплового потока на поверхности материала 103–106 Вт/см2. Нагрев поверхности материала плазменной дугой осуществляется за счет вынужденного конвективного (qк) и лучистого теплообмена (qл), электронного тока (qe):

56

q = qк + qл + qe .

Для приближенных расчетов тепловых потоков в поверхности используется модель лучистого и конвективного теплообмена, основанная на теории пограничного слоя. Плотность конвективного теплового потока определяется из выражения

gк = λ∂∂Ту + ρυН + ρ Ктv,

где λ – коэффициент теплопроводности; Н – энтальпия единицы массы; Кт – термодиффузионный коэффициент; у – координата, нормальная к обрабатываемой поверхности.

На практике используют более простое выражение

qк = а(Tплаз − Tпов ),

где а – коэффициент теплопередачи; Тплаз – температура плазменной дуги на внешней границе пограничного слоя; Тпов – температура поверхности.

Связь между а и параметрами плазменной дуги выражается через критериальные зависимости (число Нуссельта, Прандля, Рейнольдса и т.д.).

Считается, что доля лучистого переноса энергии от плазменной струи к поверхности металла составляет 2–8 % от общего баланса энергии. В случае использования импульсной дуги доля лучистого теплообмена возрастает до 20–30 %. Лучистый поток к единице площади поверхности в нормальном направлении определяется следующим образом:

qл = ξ1ξ2 σСT 4 ,

где ξ1 – интегральная поглощательная способность поверхности; ξ2 – степень черноты плазмы; σС – постоянная Стефана– Больцмана; Т – температура плазмы.

57

Эффективный КПД плазменно-дугового нагрева может достигать 70–85 %.

При использовании плазменной дуги как источника тепловой энергии наибольший интерес представляет распределение теплового потока по пятну нагрева. Распределение теплового потока qz в пятне нагрева при работе плазмотрона на токе прямой полярности приближенно описывается законом нормального распределения Гаусса

qz = q2m exp(− Kr2 ),

где К – коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривой нормального распределения, а следовательно, концентрацию энергии в пятне нагрева; q2m – максимальный тепловой поток.

Коэффициент сосредоточенности имеет большое значение в процессах плазменного упрочнения, так как регулирует скорость нагрева поверхностного слоя металла, однако его определение достаточно сложная задача.

Максимальное значение теплового потока в центре пятна нагревасвязаноc коэффициентом сосредоточенностивыражением

qmax = q2m π .

K

Теплообмен между плазменной струей и упрочняемой поверхностью происходит в области пятна нагрева, условный диаметр которого

dн = 3,46 .

K

На границе этого пятна нагрева удельный тепловой поток составляет 0,05 % от максимального q2m .

Параметры режима работы плазмотрона оказывают сильное влияние на коэффициент сосредоточенности. С увеличени-

58

ем силы тока К возрастает. Уменьшение диаметра сопла и рост расхода плазмообразующего газа повышают коэффициент сосредоточенности К. На коэффициент сосредоточенности К оказывают большое влияние способ подачи газа, геометрия сопла и электрода.

Уравнение процесса распространения тепла в массивном полубесконечном теле от мощного быстродвижущегося нормаль- но-распределенного источника нагрева, каким является плазменная дуга, имеет вид

где Т – температура нагрева; у, z – ширина и глубина пятна нагрева; t – время; Т0 – температура тела; Q – эффективная мощность плазменной дуги; λ, а – коэффициенты теплопроводности и температуропроводности; v – скорость перемещения источников.

При действии на поверхность полубесконечного тела теплового источника, движущегося вдоль оси X, следует различать медленнодвижущийcя, быстродвижущийся и импульсный источники тепла. Первый случай имеет место тогда, когда теплонасыщение успевает произойти раньше, чем пятно нагрева пройдет расстояние, равное радиусу пятна нагрева. При этом максимальная температура нагрева материала находится в центре пятна нагрева. По мере увеличения скорости перемещения теплового источника максимум температуры сдвигается к краю нагрева, в сторону, противоположную направлению перемещения теплового источника. Если тепловой источник движется с постоянной скоростью, то через определенный промежуток времени температурное поле вокруг движущегося источника стабилизируется. При упрочнении импульсной плазменной дугой время распространения теплового потока

59

соизмеримо со временем воздействия плазменной дуги на материал. В реальных условиях после прекращения действия теплового источника происходит выравнивание температуры. При этом в начальный момент времени, после прекращения действия происходит продвижение изотермы с фиксированной температурой вглубь материала, и после достижения определенной глубины Zmах имеет место, обратное перемещению данной изотермы.

Мощность в пятне нагрева W выражается следующей зависимостью:

где Q – эффективная тепловая мощность плазменной дуги; t – длительность нагрева; d – диаметр пятна нагрева.

В случае упрочнения без оплавления поверхности необходимо, чтобы Тmах на поверхности материала не превышала температуру плавления:

Tmax ≤ Tпл.

При разработке технологических процессов на практике необходимо иметь простые и удобные аналитические выражения для расчета основных параметров упрочнения. Предлагается скорость нагрева локальной зоны определять из выражения

где qs – плотность мощности плазменной дуги; а, λ – коэффициенты температуропроводности и теплопроводности; t – время воздействия; h – глубина упрочнения.

Значение мощности плазменной дуги, достаточной для фазовых превращений, определяют следующим образом:

60