от скорости обработки (мощность Р=4, 5 кВт);

                                                                1. –Сталь 20; 2. – Сталь 45; 3. – Сталь 40Х;

 4- Сталь 9ХФМ

Проведенные исследования показали, что распределение остаточных напряжений по ширине упрочненной зоны на всех исследованных сталях характеризуются сильной неравномерностью. Более резкий переход от сжимающих напряжений к напряжениям растяжения наблюдается по глубине упрочненного слоя, что в неко­торых случаях может приводить к снижению прочности (вследствие хрупкого скола участков упрочненного слоя).

 Рис. 2.12. Зависимость остаточных напряжений

 в упрочненных сталях 45(1), 30ХГСА(2), от температуры отпуска.

В связи с этим, необходимо выбирать оптимальные режимы упрочнения

(в зависимости от типа стали) с благоприятным распределением остаточных напряже­нии Кроме того, при поверхностном упрочнении необходимо создавать благоприятные остаточные напряжения по величине, знаку и распределению, при которых в наибольшей мере компенсируются напряжения, создаваемые внешним напряжением. Известны случаи [18,19] снятия или перераспределения остаточных напряже­ний в процессе работы - под воздействием циклических упругих деформаций, малых пластических деформаций , при однократных перегрузках или невысокого, но продолжительного нагрева в процессе работы и т.д. Так, в процессе отпуска, происходит уменьшение остаточных напряжений за счет их релаксации. В образцах из стали 45, ЗОХГСА, закаленных при помощи плазменного упрочнения, после низкотемпературного отпуска наблюдается уменьшение сжимающих остаточных напряжений в упрочненном слое, рис.2. 12.

Способы плазменного поверхностного упрочнения можно разделить на два больших направления – процессы, проводящиеся с материалами в твердом состоя­нии и при расплавлении их поверхности [9, 10, 13, 14, 23-26]. На рис. 2.13. Приведена часть вариантов плазменного поверхностного упрочнения, которые теоретически и практически возможно осуществить.

2.13. Способы плазменного поверхностного упрочнения

 Рис. 2.13. Способы плазменного поверхностного упрочнения материалов

 В настоящее время наиболее широко исследу­ются следующие направления:

 1. Закалка сплавов из твердого состояния со скоростями нагрева и охлажде­ния 10²-10^4ºС\с;

2. Закалка сплавов из жидкого состояния с высокими скоростями плавления и кристаллизации 10² – 10⁵ º С\с ;

3. Поверхностное легирование, наплавка материала, обработка предвари­тельно  нанесенных на металл покрытий, нагрев поверхностных слоев после традиционной ХТО;

4. Оплавление и затвердевание с высокими и сверхвысокими скоростями (10⁴- 10⁷ °С\с), приводящие к аморфизации (стеклованию) тонкого поверхностного слоя.

На стадии лабораторных исследований находится плазменное ударное уп­рочнение, реализуемое за счет коротких промежутков времени. Газодинамический напор плазменного потока создает в зоне обработки давление, ( 400-800 МПа), что значительно выше предела текучести аустенита. Многочисленные исследования в области плазменного упрочнения [9, 10, 13, 14, 23-26] с использованием электронной и оптической микроскопии показали, что зона термического воздействияплазменной струи (дуги) имеет форму сегмента и по своему строению аналогична ЗТВ электронного и лазерного луча [1, 16. При нагреве плазменной струей (дугой) поверхности металла происходит нагрев поверх­ности слоя до различных температур, вследствие чего он имеет слоистое строение. В зависимости от микроструктуры и микротвердости в сталях по глубине различают три слоя.

 - Первый слой - зона оплавления, имеет место при закалке из расплавленного состояния. Зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая мартенсит.

 - Второй слой - зона закалки из твердой фазы, образующийся в интервале температур Т_пл › Т_зак › Т_Ас1. По глубине слой характеризуется сильной структурной неоднородностью, т.к. наряду с полной закалкой происходит неполная закалка. В верхней границе слоя, ближе к поверхности, наблюдается мартенсит и остаточный аустенит. В нижней границе слоя, ближе к исходному металлу, наряду с мартенси­том наблюдаются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидных сталях и цемен­тит в заэвтектоидных.

 - Третий слой - переходная зона, в которой металл нагревается до температур ниже точки Ас₁, в котором основными структурами являются структуры отпуска.

Слоистое строение упрочненной зоны характерно для всех способов плаз­менного упрочнения. Конкретные структуры и строение зоны плазменного воздей­ствия для каждого способа и типа стали будут рассмотрены ниже. Геометрические параметры зоны плазменного нагрева характеризуются ши­риной и глубиной упрочненного поверхностного слоя, которые для большинства способов зависят от параметров режима упрочнения (мощности плазменной струи (дуги), дистанции упрочнения, скорости обработки), рис. 2.14.

В работах [23-25] для определения интервала гарантированного упрочнения (ИГУ) металлов используется энергетический параметр плотность энергии по

Поверхности W, Дж/мм ². Первый энергетический порог W₁ соответствует началу аустенитных превращений в стали.

 Рис. 2.14. Влияние параметров процесса упрочнения

на геометрию упрочненной зоны: ширину В/а/ и глубину Z/б/.

При дальнейшем увеличении плотности энергии поверхностная твердость в зоне плазменного воздействия резко возрастает и при втором критическом значении достигает почти максимальной величины. В диапазонеW₁ – W₂процессы α→γи γ→α - превращений протекаютужедостаточноплотно.

Третий энергетический порог W ₃ соответствует началу микроплавления. Энергетический порог W ₂ – W ₃, по мнению [23-25],можно считать интервалом гарантированного упрочнения (ИГУ) для данно­го материала, рис. 2. 15.

Рис. 2.15. Влияние плотности энергии в пятне нагрева

на поверхностную твердость

Однако на практике использование этого энергетического параметра не нашло широкого применения. Как правило, в качестве основных параметров используют силу тока дуги в плазмотроне, дислокацию упрочнения, диаметр сопла, скорость обработки. Наиболее сильно на степень упрочнения оказывает влияние скорости обработки и сила тока, т.к. они по­зволяют регулировать скорость нагрева и охлаждения, рис. 2.16.

Рис. 2.16. Влияние основных параметров плазменного упрочнения:

 силы тока /а/, скорости упрочнения /б/, дистанции обработки /в/, диаметра сопла /г/

 на твердость упрочненной зоны / закалка без оплавления/;

 1 - Сталь 20 ; 2 – Сталь 45 ; 3 – Сталь 60

Для поисков оптимальных режимов рекомендуется использовать следующий прием. На образце-свидетеле производится упрочнение 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. Экспериментально установлено, что при таком подходе нет необходимости производить трудоемкой операции (металлографический анализ), т.к. глубина плаз­менного упрочнения оказывается максимальной.

Кроме того, для нахождения максимальной глубины закалки можно исполь­зовать выражение Z = √4а t , где а - температуропроводность материала, кото­рое определяет глубину проникновения тепловой энергии в металл за время t.

Степень упрочнения (отношение закаленной структуры к исходной) опреде­ляют при помощи измерения микротвердости. Твердость тонких слоев, толщиной менее 0,5 мм., измерять по шкале HRC нельзя, т.к. алмазный конус может проникнуть на глубину, превышающую толщину упрочненного слоя и показывать твердость низлежащих областей. Характер распределения микротвердости по глу­бине и ширине и ширине зоны плазменного воздействия показан на рис. 2.17. Размеры зоны зависят не только от параметров плазменного упрочнения, но и от особенно­стей фазовых структурных превращений (в сталях различного состава) и их прокаливаемости.

Рис. 2.17. Общий характер микротвердости по глубине /а/ и ширине /в/ зоны

 термического воздействия ЗТВ при обработке без оплавления Z зз – глубина закаленного слоя;