Структура и свойства образцов из конструкционной стали 35 после электролитно-плазменной обработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сумский институт модификации поверхности

Институт металлофизики НАН Украины

Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины

Институт физики тяжелых ионов, Пекинский университет, Китай

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ 35 ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

А.Г. Бойко, А.Д. Погребняк, Ю.Н. Тюрин,

Жао Вейджанг, С.И. Головенко

АННОТАЦИЯ

углеродистый конструкционный сталь плазменный

В работе представлены результаты исследований структуры, морфологии образцов из углеродистой качественной конструкционной стали 35, обработанных с помощью электролитно-плазменной обработки (ЭПО). Рассмотрено их влияние на механические характеристики: износ при трении в среде технического вазелина, микро- и нанотвердость. Показано, что обработка ЭПО позволяет увеличить твердость от 20 до 50 %, а износостойкость повысить не меньше чем в 5 раз.

ВВЕДЕНИЕ

Электролитно-плазменная обработка является одним из самых производительных и экономичных методов обработки металлических изделий на сегодняшний день. Благодаря тому что исследователи и производственники начали понимать физические и плазмохимические процессы, происходящие на поверхности изделия в пароплазменном слое, значительно больше стали использовать эту обработку для упрочнения деталей, нанесения покрытий, легирования поверхностного слоя [1, 2].

При периодическом включении высокого напряжения электрического потенциала (320 В) и низкого (200 В) наблюдаются периодическое увеличение и понижение скорости нагрева, что дает возможность увеличить время и получить более толстый нагретый слой. Подключение в электрическую цепь нагревателя напряжения в 200 В свидетельствует о том, что поверхность практически не нагревается в течение 8 ч 12 сек. Это обусловлено тем, что в начальный момент времени в электрической цепи происходят скачки тока от 0 до 50А-60А/см², в этот момент происходит взаимодействие жидкого электрода анода и поверхности изделий [2-4], длительность этого процесса до 12 сек. Затем после образования парогазового слоя с относительно небольшой электропроводностью д=0,5-07 Ом^-1 м^-1 и плотность тока падает до минимального значения ј=5-8 А/см² [3].

Эксперименты показали, что время до образования устойчивого плазменного слоя зависит от величины электрического потенциала [1-5]. Периодическое повышение и понижение напряжения электрического потенциала позволяет чередовать высокую плотность мощности нагрева поверхностного слоя изделия 30-60 с/с. Подключение электрического потенциала в момент охлаждения поверхности изделия позволяет снижать скорость охлаждения и создает возможность закаливать изделия, которые изготовлены из сталей с высоким содержанием углерода.

В данной работе было использовано два режима обработки: обработка поверхностного слоя толщиной до нескольких мм и плотность закалки всего изделия по глубине (10-12 мм). Поэтому целью данной работы было исследование структуры, морфологии и механических свойств образцов стали 35 для этих двух режимов обработки в сравнении с исходным состоянием.

На рис. 1 представлена зависимость нанотвердости в модифицированном слое по глубине. Как видно из рисунка, наибольший прирост нанотвердости находится вблизи поверхности по глубине около 0,4 мм, равной 20%. А на глубинах свыше 1,2 мм значения нанотвердости выходят на 4,2 ГПа значения. На самой поверхности увеличение нанотвердости составляет всего около 4,4 ГПа. Таким образом, толщина упрочненного слоя не превышает 6 мм, а наибольшее значение твердости, равное 4,8 ГПа, находится вблизи поверхности на глубине около 0,8 мм.

Рисунок 1 Зависимость нанотвердости модифицированной электролитно-плазменной обработкой слоя по глубине (косой шлиф)

На рис. 2 представлена зависимость износа при трении пальца в среде технического вазелина на поверхности образцов стали 35.

Как видно из рисунка, наблюдается значительное уменьшение износа обработанных электролитно-плазменной обработкой изделий стали 35. На больших глубинах уменьшение износа примерно в 2,5 раза, т.е. уменьшение износа наблюдается также и с обратной стороны образца, однако она больше, чем со стороны обработанной поверхности.

По-видимому, увеличение нанотвердости на некоторой глубине связано с уменьшением износа вследствие закалки, измельчения зерна, появления мартенсита (см. данные XRD анализа в табл. 1).

На следующем рисунке представлены изображения поверхности обработанного электролитно-плазменной обработкой образца из Ст.3. На некоторых участках наблюдаются характерные места, появившиеся в результате плавления поверхностного слоя (застывшие капельки металла), и происходит травление поверхности в местах границы зерен.

Рисунок 2 Зависимости износа при трении закаленного пальца в среде технического вазелина по поверхности Ст. 35 после обработки электролитной плазмой и с обратной стороны изделия (в результате закалки)

а)

Рисунок 3 Изображение поверхности модифицированного слоя в результате ЭПО: а - микроанализ, проведенный с локальной точки участка, справа в таблице приведена концентрация в wt.%; б, с - разные участки обработанной поверхности Ст.35 с различным разрешением. Лист 1

б)

с)

Рисунок 3 лист 2

а)

Рисунок 4 Микроанализ, проведенный с участков, изображенных на рис.3 б, с. Справа приведены таблицы с концентрацией элементов в поверхностном слое после обработки электромагнитной плазмой. Лист 1

б)

Рисунок 4 лист 2

Микроанализ обработанных участков поверхности образцов стали 35 показывает, что наряду с железом в нем присутствует Mn от 0,11 до 1,67%, кислород (в областях, где произошло оплавление) и, по-видимому, происходит образование окислов (рис. 4 а, б). На некоторых участках наблюдаются небольшие трещины, рис. 5 а, а концентрация кислорода в этих участках достигает 18,84% (рис. 5 б). В отдельных местах обнаружены Ti; Ca; K; O (до 83%) и очень небольшая концентрация Fe всего 11,39% (рис. 6 а, б и рис. 7 а, б.)

Структурно-фазовый анализ превращений с помощью дифракции рентгеновских лучей показал, что матрица образцов составляет б-Fe
(Im 3m), см. табл. 1, где приведены расчеты данных XRD.

а)

Рисунок 5 а) изображение участка с ячеистой структурой поверхности Ст. 35 после ЭПО; б) микроанализ того же участка (с локальной точки), что изображен на рис.5а. Лист 1

б)

Рисунок 5 лист 2

а)

б)

Рисунок 6 а) изображение участка, обработанного электронной плазмой. На снимке имеются участки с оплавленными сплошными зонами и с ячеистой структурой поверхности; б) микроанализ, проведенный с учатка, изображенного на рис. 6 а, который показывает очень высокое содержание кислорода

а)

б)

Рисунок 7 а) - изображение участка поверхности Ст. 35 после обработки электронной плазмой, на снимке видны небольшие трещины, коорые появились в результате закалки(термомеханических напряжений); б) микроанализ участка поверхности Ст.35, изображенного на рис. 7а. Также имеется очень высокая концентрация кислорода до 83%, а на остальные 6 элементов приходится 17 %

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Были сняты две дифрактограммы: с обработанной поверхности и со стороны подложки. Они практически идентичны. Матрицу образцов в обоих случаях составляет -железо (-Fe (Im 3m)). Согласно проведенным расчетам были получены следующие результаты.

Поскольку точность третьего знака после запятой мы гарантировать не можем, то предполагаем, что никаких существенных изменений в решетке -железа после обработки обнаружено не было. Пиков, соответствующих -Fe, на дифрактограмме также нет.

После электролитно-плазменной обработки на поверхности предположительно образуется также оксид железа - FeO, но его концентрация незначительна. На дифрактограмме наблюдаются только два пика FeO, интенсивность которых согласно табл. 1 составляет 1 и 0,5.

Таблица 1

В таблице d - межплоскостное расстояние, а - параметр решетки.

ВЫВОДЫ

Таким образом, в работе показано, что обработка электролитной плазмой в режиме полного нагрева изделия приводит к увеличению твердости изделия толщиной до 10-12 мм с небольшим максимумом вблизи поверхности, где твердость выше объёмной примерно на 20%. Износостойкость обработанной поверхности выше примерно в 5 раз, несмотря на то, что на поверхности образуется «своеобразный» рельеф и могут образовываться окислы железа и других элементов. Значительных изменений в фазовом составе обработанного поверхностного слоя не обнаружено. Происходит небольшой массоперенос элементов из глубины образца (результаты элементного анализа, рентгеновского микроанализа).

Работа была частично финансирована с проекта № 3078 УНТЦ, а также программой НАН Украины (наноносители, наноматериалы, нанопленки).

Авторы признательны за помощь в получении результатов и их интерпретацию Ю.А. Кравченко, В.С. Кшнякину, С.В. Дубу (Институт сверхтвердых материалов НАН Украины).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yu.N. Tyurin and A.D. Pogrebnjak “Electric Heating Using a Liquid Electrode” Surf. And Coat. Tech. - 2001.Vol. 142-144. P. 293-299.

2. A.D. Pogrebnjak, O.P. Kobzev, Yu.N. Tyurin et.al. “Mass transfer and Doping during Electrolyte - Plasma Treatment of Cast Iron Tech. Phys. Left. - 2003. - Vol. 29, n.4. P.312-315.

3. Yu.N. Tyurin and A.D. Pogrebnjak Specific Features of Electrolytic - Plasma Quenching Tech. Phys. - 2002. Vol. 47, n. 11. P. 1463-1464.

4. A.D. Pogrebnjak, Yu.N. Tyurin, A.P. Ivcheno et.al. “Features and Advantages of Electrolyte - Plasma Quenching” Metallofisika and noveishye Technologies”. 2003. Vol. 25, n.10. P. 1329-1353.

5. A.D. Pogrebnjak and Yu.N. Tyurin “Structure and properties of Coatings of Al₂O₃ and Al deposited by Microarc Oxidation on Substrate of Graphic (C) Jour. Tech. Phys. 2004. Vol. 74, n.8. P. 109-112.

Размещено на Allbest.ru