CC BY
8
УДК 621.74: 669.13
Канд. техн. наук Ю. Г. Чабак Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь
ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА СОСТОЯНИЕ УПРОЧНЯЮЩИХ ФАЗ В Сг-Мп-М1-Б1-В СТАЛИ ЛЕДЕБУРИТНОГО КЛАССА
Описан характер изменения микроструктуры высоколегированной Сг-Мп-Ыг-Бг-Б стали ледебуритного класса при плазменной обработке с частичным оплавлением поверхности. Установлено, что плазменное оплавление оказывает благоприятное модифицирующее воздействие, приводя к существенному диспергированию карбидных фаз и росту микротвердости эвтектики.
Ключевые слова: плазма, оплавление, карбиды, бориды, эвтектика, микротвердость.
Введение
Стали ледебуритного класса находят широкое применение в качестве материала для изготовления инструмента и деталей, подвергающихся интенсивному изнашиванию [1]. Эти стали отличаются присутствием в своей структуре карбидной эвтектики, что делает их схожими с белыми чугунами [2, 3]. Наличие в сталях эвтектики при относительно невысоком содержании углерода обусловлено введением значительного количества хрома (стали типа Х12) или вольфрама (молибдена) (быстрорежущие стали Р18, Р6М5 и др.), что смещает точку Е диаграммы Бе-С в сторону меньшей концентрации углерода. Как правило, ледебуритные стали применяются в состоянии объемной термической обработки, протекающей по многостадийным схемам. Для инструмента из низколегированных сталей достаточно успешно используется упрочняющая поверхностная обработка высококонцентрированными источниками нагрева (лазерный и электронный лучи, плазма), приводящая к повышению износостойкости за счет структурного модифицирования поверхностных слоев [4-8]. В тоже время, применение методов поверхностной инженерии к высоколегированным сталям ледебу-ритного класса остается мало изученным.
Целью данной работы являлось исследование структурных превращений в сложнолегированной Сг-Мп-№-8ьБ стали ледебуритного класса под влиянием поверхностной закалки плазменной струей постоянного действия.
Материал и методики исследований
В качестве материала исследований использовали литую сталь, химический состав которой приведен в табл. 1.
Таблица 1 - Химический состав исследованной стали
Содержание, масс. %
С Cr Mn Si Ni В
1,70 12,98 3,29 3,95 1,00 1,22
Сталь была выплавлена в индукционной 20-кг печи и залита в металлическую изложницу. Порезку слитка осуществляли анодно-механическим способом, доводку образцов до конечных размеров - шлифовкой. Образцы размерами 5x12x25 мм подвергли плазменной обработке поверхности с применением плазмотрона косвенного действия [3] при следующих параметрах: диаметр сопла генератора - 6 мм, длина дуги - 150 мм, плазмообразующий газ - аргон (расход 2 м3/ч), питание постоянным током 230-250 А при рабочем напряжении 55-60 В. Плазменную обработку проводили при скорости перемещения плазменной струи 0,25 м/мин, что при указанных выше параметрах обеспечивает нагрев поверхности до 1500-1550 °С [9].
В работе применен металлографический анализ с помощью оптического микроскопа (ОМ) Nikon Eclipse M200 и электронного сканирующего микроскопа (СЭМ) JSM-6510 LV, оснащенного энергодисперсионным микроанализатором INCA PentaFET X3 (Oxford Instruments Ltd). Фазовый состав определяли с помощью рентгеновского дифрактометра Rigaku с Си-Ка-из-лучением. Микротвердость структурных составляющих замеряли на твердомере «Shimadzu HMV-2» при нагрузке 50 г с усреднением значений 5-7 замеров, выполненных в конкретной области образца.
Экспериментальная часть и анализ полученных результатов
В литом состоянии микроструктура стали представляла собой эвтектику и крупные первичные включения двух типов - неправильной гексагональной и прямоугольной форм (рис. 1 а). Гексагональные включения имеют в сечении 10.. .40 мкм, в длину - до 170 мкм; сторона прямоугольных сечений - 8.30 мкм. Эвтектические включения имеют вытянутую форму при следующих размерах: толщина - 2.5 мкм, длина - до 30 мкм.
Идентификация фаз с помощью рентгеноструктур-ного анализа показала наличие в стали карбидов М7С3,
© Ю. Г. Чабак, 2016
24
боридов Сг5В6, а также альфа- и гамма-твердых растворов железа (рис. 2). Судя по интенсивности пиков на рентгенограмме, среди включений преобладают карбиды М7С3. Анализ микроструктуры с помощью СЭМ в режиме back-scuttered (ВЕС) (рис. 1 б) позволил выявить неоднородность эвтектических и первичных включений по химическому составу, что визуально выразилось в различной окраске включений. Более светлыми являются включения, обогащенные химическими элементами с большим атомным номером (железо, хром), а более темными - включения, содержащие «легкие» элементы с малым атомным номером (в частности, бор). С учетом этого можно полагать, что светлые включения гексагональной формы являются первичными карбидами хрома М7С3, а темные прямоугольные включения - первичными боридами хрома Сг5В6. Как следует из рис. 1 б, среди эвтектических включений определенная часть имеет более темную окраску, т. е. они обогащены бором. Следовательно, сталь содержит эвтектику двух типов - «аустенит + М7С3» и «аустенит + Сг5В6». Микротвердость первичных карбидов хрома колеблется от 1245 до 1738 ИУ50 (средн. 1469,4 ИУ50), микротвердость эвтектики - 398... 687 ИУ50 (средн. 540,3 ИУ50).
Плазменная обработка привела к частичному оплавлению поверхности образца на глубину до 250.300 мкм (рис. 3). По сравнению с литым состоянием на рентгенограмме оплавленного образца появилось большее количество пиков карбида М7С3 и борида Сг5В6; также появился пик, который можно отнести к бориду железа БеВ.
В результате плазменной обработки у поверхности сформировался модифицированный слой, резко отличающийся по своему строению от основной структуры. В этом слое сохранились отдельные крупные первичные карбиды и бориды, однако произошло их частичное оплавление с округлением граней (рис. 4, а).
б
Рис. 1. Микроструктура стали в литом состоянии:
а - ОМ-изображение, б - СЭМ-изображение в ВЕС-режиме (К - карбид, Б - борид)
Кроме того, в структуре возникли мелкие первичные карбиды (показаны на рис. 3,б стрелками); их размер составил: в сечении - 2.6 мкм, в длину - не более 30 мкм. Изменилось строение эвтектики: она стала намного дисперснее, резко возросла плотность карбидных (бо-ридных) включений в пределах эвтектических колоний, а размеры включений уменьшились на порядок относительно литого состояния: их толщина составила 0,15.0,30 мкм, длина - 2.4 мкм. Произошла резкая дифференциация эвтектических участков по степени травимости на светлые и темные участки (рис. 4).
Рис. 2. Дифрактограммы исследованной стали в литом и оплавленном состояниях
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2016
25
Рис. 3. Микроструктура оплавленного поверхностного слоя:
а - общий вид оплавленной зоны и исходной структуры; б - мелкие первичные карбиды, возникшие после оплавления
Рис. 4. Строение карбидной эвтектики в пределах оплавленного слоя:
а, б - 8Е!-изображения, в - ВЕС-изображение
Изображение во вторичных электронах (SEI) показывает, что в светлых участках карбиды имеют вытянутое веерообразное, а в темных - скелетообразное строение (рис. 4 а, б). В первом случае матрица практически не травится, во втором - наблюдается ее сильное растравливание, вследствие чего она приобретает темный оттенок. Исследование этих же участков в отраженных электронах (ВЕС-режим) позволяет видеть, что светлые участки (сохраняющие светлую окраску и на ВЕС-изображениях) обогащены элементами, имеющими более высокий атомным номер. В свою очередь, темные участки обогащены элементами с меньшим атомным номером. Предположительно, в темных участках преимущественно сконцентрировался кремний (Z = 14) и бор (Z = 5), а в светлых - никель (Z = 28), железо (Z = 26) и хром (Z = 24). Формированию двух типов эвтектики в оплавленной зоне, очевидно, предшествовало расслоение жидкости по химическому составу, вызванное исходным неравномерным распределением элементам в карбидах и матрице, и, возможно, процессами гидродинамического давления со стороны плазменной струи.
Микротвердость «светлой» эвтектики составила 568.848 HV50 (среднее значение - 698,9 HV50), «темной» - 649-822 HV50 (среднее значение - 731,3 HV50). Таким образом, произошло существенное повышение микротвердости эвтектической составляющей по сравнению с исходной структурой. Это может быть связано как с диспергированием эвтектических карбидов, так и с увеличением их количества, что обеднило матрицу по С, Cr и Mn и облегчило протекание мартенситного превращения в эвтектическом аустените при охлаждении из оплавленного состояния.
Таким образом, плазменная обработка исследованной стали, сопровождавшаяся частичным оплавлением поверхности, привела к существенным изменениям в ее микроструктуре и твердости. Главным образом, это выражается в повышении однородности структуры, уменьшении количества и сфероидизации крупных первичных карбидов и боридов, повышении дисперсности и микротвердости карбидной (боридной) эвтектики. Это может положительно отразиться на сопротивлении разрушению поверхностных слоев стали в условиях изнашивания, ударов или контактных нагру-жений.
Выводы
1. Плазменная обработка Cr-Mn-Ni-Si-B стали леде-буритного класса с частичным оплавлением на глубину до 300 мкм привела к модифицированию поверхностного слоя, что выразилось в повышении однородности структуры и уменьшении количества крупных первичных карбидов М7С3 и боридов Cr5B6.
2. В оплавленной зоне сформировались мелкие первичные карбиды, а также образовалась эвтектика двух типов, различающаяся по содержанию легирующих
б
б
в
элементов. Микротвердость эвтектик возросла на 150.200 HV50, а размеры эвтектических карбидов уменьшились на порядок по сравнению с исходным литым состоянием.
Список литературы
1. Гольдштейн М. И. Специальные стали / М. И. Гольдш -тейн, С. В. Грачев, Ю. Г. Векслер. - М. : Металлургия, 1985. - 408 с.
2. Цыпин И. И. Белые износостойкие чугуны: Структура и свойства / И. И. Цыпин. - М. : Металлургия, 1983. -176 с.
3. The Charpy-Bochvar Principle: white and stable-mottled wear resistanti / [A. A. Zhukov, G. I. Silman, L. I. Agapova, B. B. Pani] // Indian Foundry Journal. - 1996. - Feb. -P. 11-27.
4. Effects of thermal plasma jet heat flux characteristics on surface hardening / [Yong Xiang, Deping Yu, Qingtao Li, Huabei Peng and etc.] // J. Mater. Process. Technol. 226 (2015) 238-246.
5. The influence of plasma surface modification process on
the structure and phase composition of cutting-tool hardmetals / [S. S. Samotugin, V. I. Lavrinenko, E. V. Kudinova, Yu. S. Samotugina] // Journal of Superhard Materials. 33 (2011). - P. 200-207.
6. Semboshi S. Surface hardening of age-hardenable Cu-Ti alloy by plasma carburization / S. Semboshi, A. Iwase, T. Takasugi, // Surf. Coat. Technol. 283 (2015) 262-267.
7. Efremenko V. G. Pulsed plasma deposition of Fe-C-Cr-W coating on high-Cr-cast iron: Effect of layered morphology and heat treatment on the microstructure and hardness / [V. G. Efremenko, Yu. G. Chabak, A. Lekatou and etc.] // Surface and Coatings Technology. - 2016. - 304. - P. 293305.
8. Ismail M.I.S. Surface hardening of tool steel by plasma arc with multiple passes / Mohd Idris Shah Ismail, Zahari Taha // International Journal of Technology. - 2014. - 1. - P. 79-87.
9. Самотугин С. С. Моделирование тепловых процессов при плазменном поверхностном упрочнении тонколезвийного почвообрабатывающего инструмента / С. С. Самотугин, В. А. Мазур, Д. С. Литвиненко // Вюник СевНТУ. Серiя : Машиноприладобудування та транспорт. - 2012. -Вып. 129. - С. 194-198.
Одержано 28.04.2016
Чабак Ю.Г. Вплив плазмовоТ обробки на стан змщнювальних фаз у Cr-Mn-Ni-Si-B CT^i ледебуритного класу
Описано характер змгни мгкроструктури високолеговано'1 Cr-Mn-Ni-Si-B стал! ледебуритного класу при плазмовш обробц з частковим оплавленням поверхт. Встановлено, що плазмове оплавлення справляе сприятливий модиф1куючий вплив, призводячи до iстотного диспергування змщнювальних фаз сталi i зростання мiкротвердостi евтектики.
Ключовi слова: плазма, оплавлення, карбiди, бориди, евтектика, мiкротвердiсть.
Chabak Yu. Influence of plasma treatment on state of strengthening phases in Cr-Mn-Ni-Si-B ledeburite steel grade
The microstructure changes of high-alloyed Cr-Mn-Ni-Si-B steel of ledeburite class under plasma treatment with partial surface melting is described. It is found that the plasma melting has a favorable modifying effect, resulting in a significant dispersion of the strengthening phases and the growth of micro-hardness of the eutectic.
Key words: plasma, melting, carbides, borides, eutectics, microhardness.
ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2016 27
