ЦЕМЕНТАЦИЯ СТАЛИ ПРИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИОННОЙ ЗАКАЛКЕ
Марусин М.В., Виноградов А.Б., Марусин В.В.
(ИТПМ СОРАН, г.Новосибирск, РФ)
The opportunity of a hardening of a steel St. 3 by a combined method of carburizing and high-energy induction heating is displayed.
Проблема трения, износа деталей машин и режущих инструментов, необходимость повышения ресурса работы машин делает задачу создания новых высокопроизводительных, энергосберегающих технологий упрочнения одной из основных в машиностроении.
Традиционная объемная закалка не удовлетворяет возрастающим требованиям ресурса работы стальных деталей. Поэтому всё большее применение получает поверхностное упрочнение сталей [1].
В машиностроении важна проблема повышения физико-механических и эксплуатационных свойств в тонких поверхностных слоях ( ~ 10 мкм) таких деталей, как калибры, волоки, мерительный инструмент, сверла , цилиндры ДВС и т.д. В настоящее время указанные задачи во многих случаях решаются путем нанесения упрочняющих покрытий [2]. Однако необходимость расходов на порошки и реактивы в этом случае, а также серьезная проблема обеспечения необходимой адгезии в системе “покрытие - деталь” стимулировали развитие другого подхода к решению задачи упрочнения сталей – их обработку с применением источников концентрированной энергии (электронная, лазерная, плазменная обработка, высокоэнергетическая индукционная закалка ) [2]. Названные методы высокопроизводительны и позволяют получить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при сохранении исходной структуры внутри материала.
Однако для низкоуглеродистых сталей эти методы малопригодны. Высокие показатели качества поверхностного слоя в этих случаях дает комбинированная химико- термическая обработка – высокотемпературное диффузионное насыщение поверхностей углеродом (цементация) при одновременной скоростной закалке. [3]. Цементацию применяют для повышения твердости, теплостойкости, износостойкости деталей [3].
В данной работе исследован процесс цементации стали при ее высокоэнергетической индукционной обработке.
Наиболее известны твердая и газовая цементации [4]. Ниже АCl цементацию не ведут, т.к. a-железо практически не растворяет углерод и на поверхности детали образуется лишь тонкий слой цементита [1]. Нижний порог температуры нагрева составляет (900-950) 0С.Температура процесса определяет глубину слоя. Чем выше температура, тем, в соответствии с диаграммой состояния Fe-C (линия SE диаграммы рис.1.) , больше содержание углерода в слое, но не выше 2%.
Рисунок 1 – Диаграмма Fe –С
Обычно цементацию ведут так, чтобы содержание углерода в наружном слое не превышало (1,1-1,3)% , более высокое содержание С ведет к образованию в слое вторичного цементита, и повышению хрупкости слоя.
Цементация экономична, но при этом сохраняется крупнозернистость поверхностного слоя, т.к. при многочасовом процессе цементации зерно аустенита растет. Для повышения механических свойств детали необходима последующая закалка, как правило, на мартенсит. При закалке поверхностный слой стальной детали нагревают до температуры Т>АС1, тогда наружный слой металла, нагретый выше Т>А С3, получит полную закалку, следующий слой, нагретый до Т>A Сl (сердцевина детали) нагревается до Т< A Сl и не закаляется. При этом предельная температура нагрева под закалку, обеспечивающая высокую дисперсность структуры слоя, зависит от скорости нагрева. Чем выше скорость нагрева Vн, тем при более высокой температуре происходят фазовые превращения, в результате кратковременного нагрева образуется более дисперсная микроструктура. С ростом скорости нагрева температура нагрева под закалку возрастает [1]. При высокоэнергетическом индукционном нагреве эта скорость достигает (105 - 106) К/с [2] и область максимальных температур достигает Тпл ..
Для цементации образцов Ст3 на их поверхность наносился слой углеводородных масел, который после подсушки составлял толщину (100 – 200) ·10 –6 м. Схема процесса приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Принципиальная схема процесса обработки
Рабочая частота ВЧ генератора - 440 кГц, мощность – до 8 кВт.
Технологические достоинства масел – доступность, способность к образованию сплошного покрытия после подсушки, и безопасность. Площадь мгновенного нагрева составляла S=(1,5 · 10)10-6 м 2, удельная мощность ~ 2 ·10 8 Вт/м2. Максимальная микротвердость, согласно рисунку 3, на глубине 2 ×10 –6 м наблюдается при скорости обработки Vх = 0,3 ×10-2 м/ с и близка к исходной. Однако на глубине 4×10-6 м она значительно возрастает. Износостойкость таких слоев измерялась с применением абразива на основе карбида кремния SiC. Методика измерения заключалась в том, что вначале для контрольного необработанного образца из Ст3 весовым методом определялась скорость износа мкм/с, а затем цементированные методом ВКИН образцы проходили испытания на износ из расчета износа ~ 2 ·10 -6м за цикл для исходной стали. Перед измерениями поверхностный слой обработанной стали очищался на глубину, соответствующую ~ 2 ·10 –6 м исходной Ст3. На рисунке 4 приведены зависимости относительного износа от скорости обработки образца.
Рисунок 3 - Зависимость микротвердости ПС от скорости протяжки:
1 - на глубине 2 ·10 –6 м, 2-на глубине 4 ·10 –6 м
Рисунок 4 - Зависимость относительного износа цементированного ПС стали Ст3 от скорости обработки:
1 - исходная сталь; 2 – износ цементированного ПС при глубине 2 ·10 –6 м;
3- износ цементированного ПС при глубине 4 ·10 –6 м.
Как видно, рост износостойкости более чем в 3 раза происходит при скоростях обработки образца, достигающих V x ~ (0,2 – 0,4) ·10 –2м /с.
Таким образом, исследования показали возможность проведения цементации при ВКИН.
Литература
1. Поляк М.С. Технология упрочнения М:. Машиностроение – 1995 – 612 с.
2. Солоненко О.П., Алхимов А.П., Марусин В.В. и др. Высокоэнергетические процессы обработки материалов. Новосибирск: Наука – 2000-425с.
3. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение машиностроительных материалов .- М.: Машиностроение - 1994 - 340с.
4. Гуляев А.П. Металловедение. М : Металлургия – 1986 – 542с.