Адаптацию плазменных аппаратов сварки и резки для поверхностной закалки проводили в Нижнетагильском филиале Уральского политехнического института, ныне — Уральский федеральный университет (УрФу).
В качестве недостатка процесса было отмечено ведение закалки в автоматическом режиме, когда параметры настройки легко поддерживаются неизменными, а ручное ведение процесса практически невозможно. В современный век роботов и «безлюдных» производств разработка ручной технологии может показаться ошибочной. Однако, ручные технологии, благодаря универсальности, демонстрируют живучесть. Например, сегодня в мире основной объем сварки (более 80%) выполняется электродами или полуавтоматами, т. е. вручную. По аналогии можно было предположить, что с разработкой ручного способа плазменной закалки объемы ее применения возрастут, и произойдет это за счет изделий, которые ранее по тем или иным причинам закалить было невозможно.

Проблема ручной плазменной закалки была решена в 2002 г. в ООО «Композит», созданном в 1990 г. при Нижнетагильском филиале УПИ Здесь выполнили разработку закалочной установки УДГЗ‑200 [1, 2]. В ней предусмотрена горелка (рис. 1), небольшие размеры которой делают ее удобной для ручного манипулирования и позволяют до-бираться до труднодоступных мест, т. е. упрочнять то, что ранее оставалось без закалки.
При закалке сварщик перемещает дугу по поверхности со скоростью, обеспечивающей «вспотевание» (состояние предшествующее плавлению) поверхности под дугой. Это контролировать не труднее, чем плавление при сварке, но оно обеспечивает необходимый для закалки нагрев и не допускает грубого оплавления поверхности.
Дуга оставляет на поверхности закаленные полосы шириной 8…12 мм, которые сварщик располагает с некоторым перекрытием. Они окрашены «цветами побежалости», т. е. покрыты тонкой пленкой окислов, которые не оказывают существенного влияния на шероховатость поверхности в диапазоне Rz 4–40 (рис. 2). Плазменная закалка не дает деформаций, благодаря чему закаленным деталям во многих случаях не требуются финишная шлифовка, что существенно снижает трудоемкость и себестоимость производства.

  Рис. 1. Закалка установкой УДГЗ-200.

  
Рис. 2. плазменная дуга (слева) и закаленная полоса с цветами побежалости.

Закалка происходит за счет отвода тепла в тело детали без подачи воды на место нагрева. Поэтому установка УДГЗ‑200 применяется на ремонтных площадках, по месту механо-обработки и эксплуатации деталей, а не только в термических цехах и специализированных участках.

В состав установки УДГЗ‑20 входят: электрический источник питания дуги, горелка закалочная, блок водяного охлаждения горелки.
Технические характеристики установки УДГЗ‑200
Масса … … … … … … … … … … … … … ...  (20 + 0,5 + 20) кг
Напряжение сети … … … … … … … … … … … … … ...  380 В
Мощность … … … … … … … … … … … … … … … ... ... 10 кВт
Производительность … … … … … … … … . 25…95 см 2/мин
Расход рабочего газа (аргона) … … … … … … …   15 л/мин
Глубина закалки … … … … … … … … … … … ...   0,5–1,5 мм
Твердость закалки … … … … … … … … … … … .. HRC до 65
Работу на установке осваивают сварщики 2–3 разрядов. Ее наличие восполняет отсутствие печей для закалки, цементации, установок ТВЧ; делает закалку экологически чистой.

Закалка установкой УДГЗ‑200 может быть механизирована, автоматизирована и роботизирована (рис. 3), что позволяет применять ее в современных высокотехнологичных производствах.

Твердый (HRC 45…65) слой закалки (0,5…1,5 мм) многократно увеличивает срок службы крановых рельсов и колес, зубчатых и шлицевых соединений, канатных блоков, вырубных, формовочных, вытяжных штампов и других ответственных деталей.

Скорость охлаждения при плазменной закалке

Расчет скорости охлаждения при закалке установкой УДГЗ‑200 по теории Н. Н. Рыкалина выполнен в работе [3]. Результаты показали, что скорости охлаждения 11459–286ºС/с частью больше, а частью меньше скорости охлаждения при закалке в воде, составляющей 500ºС/с, но существенно выше скоростей охлаждения при сварке (15ºС/с), при которых происходит закалка [4]. Таким образом, при плазменной закалке крупных деталей установкой УДГЗ‑200 скорости охлаждения достаточны, чтобы проводить ее без дополнительного охаждения водой.
На скорость охлаждения оказывают влияние размеры детали. Поверхности, расположенные вблизи дуги, дают отражение теплового потока и вызывают автоподогрев, способный в некоторых случаях подавлять мартенситное превращение. Для типичных режимов закалки установкой УДГЗ‑200 по методике работы [5] находилась критическая толщина пластины, при которой скорость охлаждения снижается до 80% от скорости охлаждения в массивном теле. Установлено, что для режимов с высокой погонной энергией (22000 Дж/см) критическая толщина пластины составляет ~40 мм, а для режимов с низкой погонной энергии (1700 Дж/см) — приблизительно 3 мм.
Для экспериментальной проверки расчета использовалась термопара хромель-алюмель ТХА (К). Ее сваренные концы плотно закрепляли в отверстиях тонких (толщиной 3 и 4 мм) пластин из стали 45. Закалка выполнялась на токе 200 А при скорости 20 м/ч, т. е. с высокой погонной энергией. Показания термопар снимались на измеритель ТРМ‑200 и через адаптер сети АС 4 передавались на компьютер, строились графики изменения температур в зависимости от времени, по которым определялись скорости охлаждения.

Установлено, что при низких температурах в обоих случаях происходит резкое замедление остывания, что свидетельствует о наступлении «автоподогрева», т. е. об увеличении температуры всего образца. У более тонкой пластины (3 мм) замедление остывания начинается при температуре 400ºС, которая выше точки начала мартенситного превращения в стали 45 (Мн 350ºС), что делает маловероятным получение закалки. В пластине толщиной 4 мм температура «автоподогрева» (200ºС) ниже начала мартенситного превращения, что допускает закалку. В связи с этим на ней выполнено измерение микротвердости. Установлено, что упрочнение составляет НV 350…380, т. е. произошла неполная закалка.

Исследовано влияние внешнего охлаждения на твердость при плазменной закалке. Для этого увеличили толщину образца до 27 мм и погрузили его в воду на половину высоты. На образце закалили одну за другой, с частичным перекрытием, две полосы. Измерения микротвердости представлены на рис. 4. Из него видно, что от нагрева плазменной дугой микротвердость увеличилась более чем вдвое: с НV~300 до НV 700…800. В месте перекрытия полос (двойной закалки) имеется возрастание микротвердости до НV 800…900, а в зоне термического влияния второй полосы на первую — снижение микротвердости до НV 600…700 вследствие протекания отпускных процессов.

Рис. 4. Поперечное сечение образца (сталь 45) с двумя полосами закалки плазменной дугой (внизу); распределение микротвердос-ти (нагрузка 500 г∙с) на глубине от поверхности 0,1 мм (вверху).

Приведенные исследования скоростей охлаждения при плазменной закалке установкой УДГЗ‑200 позволяют сделать следующие выводы.
• Скорость охлаждения при плазменной закалке массивных тел в области (750–500ºС) превращения аустенита в «мягкий» перлит, существенно превосходит «критическую». Это допускает веление закалки без сопутствующего охлаждения водой, которое необходимо при закалке с нагревом в печах, ТВЧ или газовым пламенем. Полученный результат имеет важное практическое значение, ибо организация рабочего места для закалки без подачи и сбора воды существенно проще, чем с ними.
• Скорости охлаждения в области мартенситного превращения (~400ºС) ниже, чем в области перлитного превращения. Это благоприятствует предупреждению закалочных трещин, т. е. качественному выполнению закалки. В практике термической обработки для получения такого эффекта используют прием охлаждения «через воду в масло». Но при плазменной закалке он присутствует естественным образом, что делает процесс технологически привлекательней.
• При плазменной закалке пластин происходит замедление охлаждения и подавление (в той или иной мере) мартенситного превращения, но применение водяного охлаждения позволяет закаливать пластины из углеродистой стали на максимальную твердость НV 700…800.

Плазменная закалка сталей
Низкоуглеродистая сталь

Структура углеродистых сталей представляет собой чередование ферритных и перлитных зерен. В зависимости от содержания углерода меняется их соотношение. В низкоуглеродистых сталях преобладает феррит. При печном (медленном) нагреве углерод, сконцентрированный в перлитных зернах, успевает распределиться по всему металлу. Его концентрация по сравнению с концентрацией в зернах перлита (0,8%) уменьшается до марочного значения (0,1–0,2%), что не позволяет низкоуглеродистым сталям закаливаться с печного нагрева. По этой причине закалка низкоуглеродистых сталей в промышленности не применяется.

В работе [6] показано, что с увеличением скорости нагрева температурный интервал (a — γ) превращения увеличивается. Исчезновение исходных фаз происходит в иной последовательности: при полном исчезновении феррита на месте карбидных частиц могут сохраняться участки с высокой концентрацией углерода. Эти участки в случае последующего быстрого охлаждения становятся способными воспринимать закалку, т. е. упрочняться.
Производилась закалка низкоуглеродистой стали установкой УДГЗ‑200 с низкой погонной энергией [7]. Изменения структуры и твердости приведены на рис. 5. На нем видно, что в закаленном слое (верх) прослеживается наследственный характер исходной структуры (низ). Как и в исходной структуре в нем имеются зерна феррита (HV 207), но на месте перлитных зерен (HV 276) образовались зерна мартенсита с высокой микротвердостью (HV 905).
Полученный результат указывает на новые возможности в упрочнении корпусных частей машин и оборудования. Они изготавливаются из низкоуглеродистых сталей и термическому упрочнению не подвергаются. По этой причине их контактирующие поверхности быстро изнашиваются и становятся причиной частых и трудоемких ремонтов. Установкой УДГЗ‑200 этот недостаток может быть устранен.

Рис. 5. Микротвердость структурных составляющих низкоуглеродистой стали (0,2% С) до (внизу) и после (вверху) плазменной закалки. Увеличение 500 раз.

Сталь 70 (рельсовая)

Производилась закалка с поперечными колебаниями полос шириной 20–35 мм на головке рельса (L = 1 м, HRC 27) на участке 100 мм от торца. Затем вырезали темплет и приготовили шлиф, на котором измерили твердость и глубину закаленного слоя. Результаты приведены в табл. 1. По ней можно заключить, что при увеличении тока от 95 до 110 А глубина закалки увеличилась в ~ 2 раза, а твердость — на 23%. Последующее  увеличение тока со 110 до 140 А сопровождалось незначительным ростом толщины закаленного слоя и его твердости. При этом твердость достигла предельного для данной стали значения.

По рис. 6 видно, что рост температуры подогрева увеличивает толщину закаленного слоя. Имеющееся пониженное значение твердости под поверхностью отмечено многими исследователями и объясняется повышенным содержанием остаточного аустенита. При рабочих нагрузках он распадается на мартенсит и к снижению износостойкости не приводит.

Рис. 6. Влияние подогрева на микротвердость плазменной закалки головки рельса.

На машине МИ 1 по схеме трения «диск-колодка», без смазки исследовалась износостойкость рельсовой стали с плазменной закалкой [8]. Результаты приведены в табл. 2. По ним видно, снижение износа колодки в 121 раз; при этом неупрочненный диск не только не снизил износостойкости, но увеличил ее в 2,1 раза. Феноменальное увеличение стойкости в результате плазменной закалки объясняется сменой механизма изнашивания. Поверхности трения без упрочнения имеют возможность «схватываться», т. е. образовывать выступами микронеровностей точечные сварные соединения, которые создают абразивный фактор и ускоряют износ. Исключение явлений схватывания за счет упрочнения закалкой изменило характер изнашивания, который приобрел характер «усталостного диспергирования», что обычно многократно замедляет износ [9].

Сталь 38ХС

Производилась закалка зубьев шестерни из стали 38ХС, рис. 7. Установлено [11], что структурообразование в закаленном слое, как в случае закалки низкоуглеродистой стали, имеет наследственный характер. В нем сохранились фрагменты изначальной перлитной структуры с низкой микротвердостью HV344. У поверхности их меньше; здесь преобладает аустенитно-мартенситная структура с высокой твердостью HV783. По мере углубления доля аустенито-мартенсита уменьшается с понижением его твердости до HV668…568. Исходная структура стали представляет феррито-перлит с микротвердостью перлита HV 239.

  Рис. 7. Макрошлиф закаленного зуба.

Стали 5ХНМ и 5ХВ2 С

Данные стали относятся к категории штамповых и при-меняются в упрочненном состоянии с объемной закалкой и отпуском на твердость ~ HRC 45. Поэтому плазменная закалка производилась на образцах в нормализованном и упрочненном (объемная закалка с отпуском) состояниях. В обоих случаях твердость увеличилась до
одного и того же уровня. Но в предварительно упрочненных образцах на границе слоя плазменной закалки имелось снижение твердости ниже начального уровня (рис. 8). Это связано с нагревом до температур высокого отпуска. Можно отметить, что разупрочнение стали 5ХНМ произошло в большей мере (до HV 280), чем стали 5ХВ2С (до HV 400), что указывает на более высокую жаропрочность последней.

Рис. 8. Распределение микротвердости по глубине плазменной закалки на образцах, прошедших предварительную объемную закалку с отпуском.
 

Сталь 20Х13

На образце из стали 20Х13 (рис. 9) с шагом 7 мм закалили три полосы, приготовили шлиф и изучили микротвердость закаленного слоя (рис. 10). Можно отметить, что глубина упрочненного слоя на двух участках закаленных в последнюю очередь, больше, чем на первом участке, что объясняется автоподогревом образца во время закалки. Поверхностные слои на всех трех участках имеют высокую твердость.

Рис. 9. Порядок закалки образца из стали 20Х13.

Рис. 10. Линейная аппроксимация распределения микротвердости на закаленных участках образца на рис. 9.

Проведенные исследования плазменной закалки сталей позволяют сделать следующие выводы.
Углеродистые и легированные стали под воздействием плазменной закалки существенно увеличивают твердость.
В закаленных слоях низко- и среднеуглеродистых сталей прослеживается наследственная неоднородность исходной структуры, т. е. локальная закалка на максимальную твердость перлитных зерен.

Плазменная закалка высокоуглеродистой рельсовой стали (70) снизила износ более чем в сто раз. При этом не только не произошло ускорения, но наблюдалось замедление износа сопряженного неупрочненного образца. Отсюда следует, что распространенное среди механиков убеждение, что упрочнение одной детали вызывает ускоренное изнашивание сопрягаемой с ней, по меньшей мере, не всегда верно.

Плазменная закалка чугуна

Легированные чугуны типа ЧНХМД используются при изготовлении штампового инструмента. Исследовалась возможность упрочнения их плазменной закалкой. На образце размером 35×305×155 мм закалили дорожки на токах 100, 140 и 180 А, после чего вырезали темплеты, на которых приготовили шлифы, измерили ширину и глубину закаленных дорожек, шероховатость и твердость поверхностей Результаты приведены в табл. 3.
На рис. 11 приведены характерные структуры и значения микротвердости закаленного слоя по мере удаления от поверхности. Можно отметить высокие значения микротвердости по всей толщине закаленного слоя с образованием дисперсного ледебурита, аустенито-мартенсита и мартенсита.

Рис.11. Микроструктура закаленного слоя в чугуне по мере удаления от поверхности (увеличение 450 раз): а – дисперсный ледобурит в зоне оплавления, HV 1247; б – мартенсито-аустенит, HV 1010; в – мартенсит с включениями графита, HV 861; г – перлит с частицами графита, HV 343.

Для испытаний на износостойкость на машине трения по схеме «диск-колодка» были приготовлены колодки из различного чугуна: ВЧ120, ВЧ60, СЧ25, а диски — из стали 30ХГСА (HB 330). Половина колодок была упрочнена плазменной закалкой. Испытания проводились без смазки 4 цикла по 5 мин. Результаты представлены на рис. 12 [10].

Рис. 12. Износ чугунных колодок при трении о диск из стали 30ХГСА на машине трения МИ-1.
 

Чугун ВЧ60 без плазменной закалки не выдержал даже одного цикла, получив износ 5 г на глубину 3 мм, т. е. больше обычного в 250 раз. Еще больше был износ серого чугуна СЧ25, поэтому эти результаты на графике не приведены. Наименьший износ получил чугун ВЧ60 с плазменной закалкой, который оказался меньше износа чугуна ВЧ120 на 50%. Износ серого чугуна СЧ25 с плазменной закалкой, хотя и больше износа ВЧ120 на 84%, но не катастрофичен как износ СЧ25 без плазменной закалки. Микроструктура закаленного чугуна представляет собой плохо травящийся слой с включениями пластинчатого (в СЧ25) и шаровидного (в ВЧ60) графита (рис. 13, при увеличении в 100 раз).

Рис. 13. Микроструктура слоя плазменной закалки на чугунах: СЧ25 (слева) и ВЧ60 (справа). Увеличение в 100 раз.
 

Полученные результаты позволяют рекомендовать плазменную закалку как эффективное средство упрочнения
чугуна.

Многочисленные примеры промышленного применения плазменной закалки будут рассмотрены в номере 1’2014.

Коротков Владимир Александрович
Профессор Нижнетагильского технологического института
(филиал) Уральского федерального университета
им. первого Президента России Б. Н. Ельцина
Тел.+7 (950) 656‑25‑75, vk@udgz.ru

Литература

1. Пат. 2313581 Российская Федерация. Способ ручной плазменной закалки / В. А. Коротков, И. Д. Михайлов, Э. Ж. Агофонов [и др.]. — Бюл. № 36 от 27.12.2007.
2. Коротков, В. А. 10 лет применению ручной плазменной закалки/В. А. Коротков // Тяжелое машиностроение. — 2012. — № 1. — С. 2–5.
3. Коротков, В. А. Исследование влияния скорости охлаждения на качество поверхностного слоя при плазменной закалке / В. А. Коротков, С. П. Ананьев, А. В. Шекуров // Сварочное производство. — 2012. — № 3. — С. 23–27.
4. Сварка в машиностроении: справ. в 4‑х тт. Т. 1 / редкол.: Г. А. Николаев [и др.]; Т. 1 под ред. Н. А. Ольшанского. — М.: Машиностроение, 1978. — 504 с.
5. Теория сварочных процессов / под ред. В. В. Фролова. — М. Высш. шк., 1988. — 559 с.
6. Кидин, И. Н. Фазовые превращения при ускоренном нагреве стали/ И. Н. Кидин. — М.: Металлургиздат, 1957. — 94 с.
7. Коротков, В. А. Новое в поверхностной закалке. // Главный механик, 2010. — № 5. — С. 18–26.
8. Ананьев, С. П. Исследование износостойкости материала крановых рельс и колес / С. П. Ананьев, В. А. Коротков // Вестник машиностроения, 2011. № 8. С. 35–37.
9. Гаркунов, Д. Н. Триботехника. — М.: Машиностроение, 1989. — 328 с.              
10. Коротков, В. А. Износостойкость материалов с плазменной за-калкой/В. А. Коротков // Трение и износ. — 2011. — № 3. — С. 23–29.
11. Коротков, В. А. Плазменная закалка чугунных штампов / В. А. Коротков, А. В. Шекуров, Д. С. Бабайлов, А. С. Зотов // Ремонт. Восстановление. Модернизация. — 2007. — № 1. — С. 31–34.