ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 3, 2008
УДК 533.924.621
© 2008 г. Иванов В.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Коныжев М.Е.
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПЛАЗМЕННОГО МЕТОДА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛИ 451
Проведены экспериментальные исследования сильного локального взаимодействия микроплазменных разрядов с образцами из конструкционной стали 45. Установлено, что в приповерхностном слое образцов, обработанных микроплазменными разрядами, формируется переплавленная область с сильно измененными физико-химическими свойствами материала. Показано, что шероховатость, микротвердость, износостойкость и другие свойства обработанных образцов из стали 45 значительно отличаются от соответствующих исходных значений.
В [1, 2] изложены результаты исследований влияния микроплазменной обработки [3] на свойства приповерхностного слоя образцов из Ni-Cr и Co-Cr сплавов. Исследования, представленные в настоящей статье, являются продолжением изучения универсального плазменного метода обработки изделий из металлов и сплавов, основанного на новых принципах возбуждения импульсных микроплазменных разрядов, способных упрочнять металлические изделия со сложной формой поверхности.
В настоящей статье метод микроплазменной обработки использовали для эффективной модификации поверхности образцов из конструкционной стали 45, широко применяемой в машиностроении. При этом основные цели работы состояли в следующем: исследовать возможность применения микроплазменного метода для формирования прочного микрорельефа на поверхности образцов из конструкционной стали 45, широко применяемой в узлах трения машин и механизмов; изучить свойства микрорельефа, образующегося на поверхности образцов из стали 45 в результате их взаимодействия с микроплазменными разрядами; исследовать металлофизические и триботехнические характеристики обработанных образцов.
Экспериментальные установки и методы исследований. Исследования характеристик плазмы, необходимых для устойчивого возбуждения импульсных микроплазменных разрядов на поверхности металлов, проводили в ИОФ РАН на установке СФЕРА [4]. Изучение металлофизических, триботехнических, микроструктурных свойств поверхности металлических образцов, обработанных микроплазменными разрядами, выполняли в ИМАШ РАН.
Шлифованные образцы из стали 45 (содержание углерода 0,42-0,49%) с шероховатостью ~1 мкм имели форму параллелепипеда 4 х 4 х 12 мм. Были изготовлены и исследованы 12 образцов. Импульсный поток плазмы создавали плазменным инжектором в результате импульсного высоковольтного электрического разряда (электрическое напряжение 7 кВ, электрический ток 1,5 кА, длительность знакопеременного импульса 20 мкс), возникающего на поверхности плазмообразующего диэлектрического материала (полиметилметакрилат). Основным ионным компонентом плазмы являлись ионы
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Проект 06-08-01624-а).
водорода (90-80%) и ионы углерода (10-20%), а доля более тяжелых ионов составляла менее 1% [4].
Образцы из стали 45 подвергали микроплазменной обработке в двух режимах: 1 -электрическое напряжение на образце "-400 В", стартовый электрический ток микроплазменного разряда I = 200 А, длительность разряда 4 мс, количество импульсов плазмы N = 120; 2 - напряжение на образце "-400 В", стартовый ток микроплазменного разряда I = 200 А, длительность разряда 4 мс, количество импульсов плазмы N = 450.
В отличие от ранее исследованных образцов из №-Сг и Со-Сг сплавов, которые подвергали термическому отжигу в воздухе с целью создания окисной пленки на поверхности сплавов [1, 2], образцы из стали 45 не подвергали предварительной термической обработке. Следовательно, на их поверхности не формировалась специальным образом диэлектрическая окисная пленка.
Микротвердость образцов измеряли на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-60). Микрорельеф поверхности образцов оценивали на профилографе-профилометре (модель 201). С помощью профилограмм измеряли максимальные значения высоты микрорельефа Нтах и величины механического износа образцов при триботехнических испытаниях.
Для изучения микроструктуры приповерхностного слоя металлических образцов был использован метод скользящего пучка рентгеновских лучей [5]. Метод дает возможность проводить исследования при разных углах наклона зондирующего пучка лучей к исследуемой поверхности образца и изучать деформации микроструктуры в тонких приповерхностных слоях материала образцов при глубине исследуемого слоя, изменяющейся в интервале значений от десятых долей микрометра до десятков микрометров.
Триботехнические испытания исследуемых образцов проводили в лабораторных условиях на восьмипозиционной машине трения с возвратно-поступательным движением сопряженных образцов [6]. Средняя скорость относительного скольжения образцов 0,19 м/с. Максимальная нагрузка на образцы составляла 1250 Н. В качестве смазочного материала применяли солидол.
Для определения сравнительной износостойкости и антифрикционности материалов пары трения (образец из стали 45 - контробразец из стали 20, цементация, закалка) испытания проводили при ступенчато повышаемых давлениях от 0,2 МПа до достижения предельно допустимых значений, выше которых происходили задиры пары, "катастрофический" износ и резкое увеличение силы трения. В процессе испытаний на машине трения измеряли значения износа и силы трения между поверхностями образца и контробразца.
Экспериментальные результаты исследований образцов из стали 45. Характеристики импульсного потока водородно-углеродной плазмы при обработке образцов из стали 45 аналогичны характеристикам плазмы при обработке №-Сг и Со-Сг сплавов [1, 2]: скорость распространения фронта плазмы 1 х 10-5 х 10 см/с; длительность спадающего во времени импульсного потока плазмы 20 мкс; электронная температура плазмы в плазменном потоке 10 эВ; плотность плазмы в зоне размещения образцов 5 х 10 см- ; величина падения напряжения на стадии протекания электрического тока 50 В; средняя эффективность обработки поверхности 0,2 см /импульс.
Известно [7], что наличие диэлектрической пленки на поверхности металла существенно облегчает возбуждение микроплазменных разрядов на поверхности образцов. Поскольку в экспериментах специальной пленки на поверхность образцов из стали 45 не наносили, то возбуждение микроразрядов было затруднено при плотности плазмы в потоке 5 х 10 см- . При этом возбуждение локальных микроплазменных разрядов на поверхности образцов в потоке однородной импульсной плазмы при количестве импульсов N = 120 или N = 450 происходило с вероятностью около 10%, т.е. количество микроплазменных разрядов, инициируемых на поверхности образцов, составляло величину 12 или 45 импульсов, соответственно.
При взаимодействии импульсного потока плазмы инжектора с металлическими образцами на их поверхности возбуждались микроплазменные разряды [3, 4]. Вследствие интенсивного локального плавления металла в течение времени развития микроплаз-
менных разрядов, а затем (после окончания воздействия плотной плазмы) вследствие быстрого остывания расплавленных областей металла (из-за высокой теплопроводности и быстрого отвода тепла от поверхности вглубь объема металла), в локальных приповерхностных областях исследуемых образцов наблюдалось образование одиночных микрократеров и их скоплений. В результате многократно повторяющихся циклических процессов быстрого плавления и остывания локальных участков приповерхностного слоя образцов, при N = 120 или N = 450 импульсов плазмы инжектора на поверхности образцов формировался сплошной переплавленный слой, имеющий развитую структуру поверхностного микрорельефа. Микрофотография исходной поверхности образца из стали 45 представлена на рис. 1, а, а микрофотография образца после микроплазменного упрочнения дана на рис. 1, б .
Исходные образцы из стали 45 имели слабо выраженный микрорельеф, возникающий в результате предварительной механической обработки (фрезерования и шлифования) образцов. Измеренная на про-филографе-профилометре высота микрорельефа образцов поперек направления шлифования составляла величину Нтах = 1-2 мкм.
Микротвердость материала исходных образцов в зависимости от глубины залегания приповерхностных слоев монотонно возрастала с увеличением толщины исследуемого слоя: от значения 160 кгс/мм на глубине 2 мкм до 330 кгс/мм на глубине 7 мкм (рис. 2, кривая 1). Такая зависимость микротвердости исходных образцов из стали 45 является результатом механической обработки.
После микроплазменного упрочнения образцов из стали 45 в режиме 1 N = 120) наблюдали случаи, когда различные грани одного и того же образца сильно отличались друг от друга по характеристикам микрорельефа. При этом поверхности граней с грубой шероховатостью Нтах = 18 мкм характеризуются повышением микротвердости в 4 раза на глубине 3 мкм (рис. 2, кривая 2) по сравнению с исходным состоянием (рис. 2, кривая 1). Для граней с грубой шероховатостью характерен также заметный разброс значений микротвердости по глубине и по поверхности образцов. Грани с относительно малой шероховатостью Нтах = 4 мкм обладают пониженной микротвердостью (по сравнению с исходным состоянием) в слоях толщиной более 2 мкм; в более тонких слоях значение микротвердости приближается к исходному состоянию (рис. 2, кривая 3). Характерно, что разброс значений микротвердости для граней с малой шероховатостью невелик.
После микроплазменного упрочнения образцов из стали 45 в режиме 2 N = 450) все грани одного и того же образца имели грубую шероховатость с максимальной высотой микрорельефа Нтах = 15-27 мкм. В результате проведенных исследований установлено (рис. 2, кривая 4), что на глубине 4 мкм (в пределах разброса, характерного для измере-
Рис. 1
2 Микрофотографии образцов предоставлены Р.Х. Залавутдиновым.
Ну, кгс/мм2
1600
4
(211) а
1200
/ л
/
900 400
/
1
200
2 3 5 7 й, мкм
3
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 2. Изменение микротвердости Иу по глубине образцов из стали 45: 1 - в исходном состоянии; 2 - после микроплазменного упрочнения при N = 120 и Нтах = 4 мкм; 3 - после микроплазменного упрочнения при N = 120 и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.