ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА

МЕТОДИКА И ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПОВЪРХНОСТНО УЯКЧЕНИ СЛОЕВЕ ОТ СТОМАНА Х12МФ

METHODOLOGY AND RESEARCH OF SURFACE HARDENED LAYERS OF STEEL H12MF (D2 AISI)

Иван Христов Иванов, Стелиан Желев Георгиев

Резюме. В настоящата работа е представена методика за изследване на повърхностно уякчени слоеве от стомана Х12МФ. Проведен е микроструктурен, дюрометричен и електронномикроскопски анализ върху “кос” шлиф подложен на плазмено закаляване и повърхностна пластична деформация.

Ключови думи: плазмено-дъгово закаляване, повърхностна пластична деформация

Abstract: Current paper presents a methodology for researching the surface hardened layers of steel H12MF (D2 AISI). We made microstructural, hardness and electron microscopy analysis of plasma-arc hardened and surface plastic deformed sidelong specimen.

Key words: plasma-arc treatment, surface plastic deformation

Въведение: Известно е, че при обработката на металите с концентрирани енергийни потоци се

формират структури и фази нехарактерни за класическата обемна термична обработка. При обработване на високолегирани инструментални стомани със стопяване на повърхността се получават големи количества остатъчен аустенит, вариращи от 82% [8] до над 90%[1]. Авторите [2] предлагат провеждането на повърхностна вибропластична деформация върху лазерно уякчени слоеве от инструментални стомани, което се получава увеличаване на твърдостта в зоната на въздействие. Експерименталните изследвания на плазмено закалена стомана Х12 подложена на повърхностна пластична деформация[1] показват, увеличаване на твърдостта на слоя, при запазване на количеството на остатъчния аустенит.

Трудностите, които възникват при изследването на тези повърхностни слоеве е малките обеми на въздействие. При използването на напречен шлиф се наблюдават множество от слоеве, а измерването на микротвърдостите е затруднено поради попадането на отпечатъка в множество от равнини на слоя. Провеждането на послоен микроструктурен и дюрометричен анализ е трудоемка задача, което прави този метод за изследване малко приложим.

Целта на настоящата работа е да се предложи методика и да се проведе изследване на повърхностно уякчени слоеве от стомана Х12МФ.

Методика на изследването:На повърхностно плазмено-дъгово закаляване са подложени образци от стомана Х12МФ

с размери 20х20х60 mm. Предварителната термична обработка е съгласно табл.1.Табл.1 Режими на предварителна обемна термична обработка

Термична обработка Т зак.оС Т отвр.оС Т отгр.оС τ, min HRC Охлаждаща

средаЗакаляване 1050 200 - 120 60-62 маслоОтгряване - - 1050 720 25 С пещта

ВАРНА, 2008 г.

ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА

Повърхностното плазмено-дъгово уякчаване на образците от стомана Х12МФ бе извършено на съоръжение РМ6601П обезпечаващо линейното движение на плазмотрона. Плазмообразуващия и защитния газ е аргон.

Режима на плазмено-дъгово закаляване е представен в табл.2.

Табл. 2. Параметри на режима на плазмено-дъгово закаляванеСкорост на

транслация, V mm/sПлътност на

мощността, Ns

W/cm2

Разход на плазмообразуващ газ,

Q, l/min

Разстояние между челото на плазмотрона и повърхността, H, mm

4÷10 1,5÷1,7*104 4÷6 2

Повърхностната еластично-пластична деформация е извършена върху универсална фрезова машина при въртеливо движение на инструмента и постъпателно на образеца. Инструментът е закрепен ексцентрично, при което се получава ширина на деформираната полоса от 15 mm. Деформационното въздействие се извършва от сферично тяло с диаметър d=10,5 mm, като силата на въздействие F=650N е осъществена от предварително тарирана пружина. Деформиращото въздействие върху повърхността на тялото се извършва при скорост на въртене 250 min-1, диаметър на кръга D=15 mm и линейна скорост 12,5 mm/min. Броя на преходите N на деформиращия елемент е определен по закона (1):

N=2i, i=1÷5 (1)

Схема на проведената повърхностна пластична деформация е показана на фиг.1

Извършения дюрометричен анализ е при 0,2,4,8,16 и 32 деформиращи прехода на инструмента. За получаването на по-точни резултати от изследването на изменението на микротвърдостта в дълбочина бе изработен “кос” шлиф показан на фиг.2.

ВАРНА, 2008 г.

F=650N

n=250 min-1

12,5mm/min

Ф10,5 Ф15

фиг.1 Схема на повърхностната пластична деформация

ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА

фиг.2. Схема на кос шлиф 1-повърхностно деформирана зона, 2-плазмено закалена зона, 3-основен метал

Образецът е шлифован под ъгъл 0,014о на дълбочина 0,3 mm, при което се получава достатъчно голяма площ в дълбочина за извършване на послоен дюрометричен анализ.

Структурата е проявена с 3%-ен разтвор на HNO3 в етилов алкохол. Микротвърдостите са измерени по метода на Викерс с изпозването на микротвърдомер ПМТ3 с натоварване от 100g. Микроструктурите са заснети на оптичен микроскоп NEOPHOT 32, а електронномикроскопските изследвания са проведени на сканиращ електоронен микроскоп JOEL–JXA-50A с увеличение до 4000 пъти.

Резултати и дискусия:При провеждане на плазмено-дъговото въздействие се формират няколко зони –

стопена, зона с частично разтопяване, закалена от твърдо състояние и зона на вторично отвръщане (при предварително закалените образци). Тези зони притежават различна морфология и фазов състав, а съответно и различни механични характеристики.

Фиг.3. Микротвърдост по широчина (на повърхността) и по дълбочина (кос шлиф 32 прехода на деформиращото тяло) на стомана Х12МФ

ВАРНА, 2008 г.

1

2

3

01002003004005006007008009001000

дълбочина на уякчения слой mm

HV0,1

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

2,5 2 1,5 1 0,5 0,5 1 1,5 2 2,5

широчина на уякчения слой

HV

0,1

0 прехода 2 прехода 4 прехода

8 прехода 16 прехода 32 прехода

ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА

Стопената зона се отличава с дендритен строеж, който според рентгеноструктурния анализ на стомани от този тип е около 90% Аост [1-4]. При кристализацията на стопилката около аустенитните дендрити се формира фин микроквазиевтектикум ледебурит. Твърдостта в тази зона е 550÷600 HV0,1. Във втората зона частично разтопяване се наблюдава в микрообемите около първичните карбиди, където вследствие на дифузията на въглерода при високите температури настъпва микроевтектично стопяване. Зоната на закаляване от твърдо състояние е изградена от мартензито-карбидна смес и се харатеризира с висока твърдост 750÷780 HV0,1 .

фиг.4. Микроструктора на стомана Х12МФ след плазмено-дъгово закаляване и повърхностна пластична деформация с 32 прехода

Проведената повърхностна пластична деформация на плазмено закалените слоеве води до повишаване на твърдостта на повърхността, като с увеличаване на броя на деформационните преходи тя става практически еднаква в уякчените зони. В най-голяма степен увеличаването на твърдостта се наблюдава в стопената зона, което е логично от гледна точка на количественото съдържание на аустенит, склонен на механично наклепване.

фиг.5. Микроструктура на стомана Х12МФ в зоната на частично разтопяване около карбидните зърна

ВАРНА, 2008 г.

ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА

фиг.6. Микроструктура на стомана Х12МФ на границата на частичното разтопяване и зоната на закаляване от твърдо състояние

Макар и в по-малка степен уякчаване настъпва и в останалите зони с по-висока твърдост след плазменото закаляване. Най-значимо увеличаване на микротвърдостта се наблюдава до около осмия преход на деформиращия инструмент. С увеличаването на броя на деформационните преходи до 32 не се наблюдава съществено изменение на твърдостта на повърхността, а характера на функцията става затихващ. Проведения послоен дюрометричен анализ на кос шлиф показва, че най-голямото увеличение на твърдостта се наблюдава до около 0,02 mm – 840-860 HV0,1, като в дълбочина тя намалява до около 700 HV0,1 при 0,2 mm.

фиг.7. Микроструктура на стомана Х12МФ в зоната на закаляване от твърдо състояние

Електронномикроскопските изследвания показват формиране на двойникуван иглест мартензит в зоната на закаляване от твърдо състояние и фини дисперсни карбиди от порядъка на 0,2÷1μm уякчаващи допълнително металната матрица, явявайки се препятствие при движение на дислокациите.

ВАРНА, 2008 г.

ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА

Заключения и изводи:1. Комбинираното плазмено-дъгово и повърхностно деформационно въздействие

на стомана Х12МФ води до увеличаване на твърдостта на стопената зона с около 30% и на зоната закалена от твърдо състояние с около 10÷15%.

2. Електронномикроскопски се установява наличие на фини дисперсни карбиди в закалената от твърдо състояние зона.

3. Използваната методика на косия шлиф дава възможност за изледване на тънки повърхностни слоеве с формирани множество структурни състояния.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Киров С., Иванов И., Шамонин Ю., Георгиев С., Структура и свойства на стомана Х12 след комбинирано плазмено – дъгово въздействие и повърхностна пластична деформация, V Международен конгрес „Машиностроителни технологии’ 06”, 20 – 23 септември 2006 г., Варна, България, кн. 2, стр. 36 – 39[2] Бровер Г. И., Варавка В. Н., Блиновский В. А., О возможности повышения эффективности лазерной закалки дополнительным пластическим деформированием, ЭОМ, 1989г., № 3, стр. 16 – 18[3] Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface treatment. Part I: surface hardening of AISI D3 tool steel, Vacuum 69 (2003) 513–516[4] Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface re-melting of AISI D2 cold-worked die steel, Surface and Coatings Technology 157 (2002) 1–4[5] Bendikiene R, Žvinis J., Investigation of Transformation Plasticity of Tempered High Chromium Steel During Quenching, Materials Science (MEDŽIAGOTYRA). 2004, Vol. 10, No. 4 pp.317-320[6] Фукс – Рабинович Г. С., Кузнецов А. Н., Леник К. С., Шаурова Н. К., Кузьмина Н. В., Влияние структурных характеристик контактных поверхностей на работоспособность вырубных штампов, Кузнечно – штамповочное производство, 1990 г., №9, стр. 25 – 27[7] De Beure H., De Hosson J. Th. M. Wear induced hardening of laser processed chromium-carbon steel, Scripta METALLURGICA 1987, Vol. 21, pp. 627-632[8] Run Wu, Chang-sheng Xie, Mulin Hu, Wei-ping Cai, Laser-melted surface layer of steel X165CrMoV12-1 and its tempering characteristics, Materials Science and Engineering A278 (2000)1–4[9] Wei J., O. Kessler, M. Hunkel, F. Hoffmann, P. Mayr, Anisotropic phase transformation strain in forged D2 tool steel, Materials Science and Technology; Jul 2004; 20, 7, pp. 909 – 914 [10] Ivanov I. H., Deformation and thermal treatment of iron carbon alloys using concentrated energy fluxes, Proceedings VII ITSC on Advanced Manufacturing Operations, 17 – 19 September 2006, Sozopol, Bulgaria, pp. 146 – 151За контакти: инж. Иван Христов Иванов, инж. Стелиан Желев Георгиев Технически университет - Варна, ул. “Студентска” №1E-mail: ivan _ h _ ivanov @ mail . bg , stgeorgiev @ abv . bg

ВАРНА, 2008 г.