Байбосынова Л. А., Канаев А. Т., Кусаинова К. Т.

Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева

Исследование структуры и свойств бандажной стали в процессе поверхностного упрочнения методом плазменной закалки

В последние годы для повышения износостойкости тяжело нагруженных деталей и инструментов интенсивно развиваются различные методы поверхностного упрочнения с применением высококонцентрированных источников энергии. Среди этих методов следует отметить поверхностную обработку низкотемпературной плазмой, представляющей собой направленный поток ионизированных частиц с высокой концентрацией энергии. Плазменная обработка обеспечивает большую скорость нагрева (до 10⁶ °С/с), что связано с очень высокой концентрацией мощности на обрабатываемой поверхности. Ввиду локального нагрева участки металла, окружающие плазменную струю, остаются холодными и после прохождения плазмы обеспечивают интенсивный теплоотвод в глубь материала. Скорость охлаждения за счет естественного отвода тепла в холодный металл при этом достигает ~ 6000-7000 °C/c и необходимости в дополнительном охлаждении не возникает. Следует отметить при этом, что закалка в тело холодного металла возможна лишь в том случае, если толщина обрабатываемой детали или изделия по меньшей мере в 4-5 раз превышает глубину закаленного слоя. [1]

Исследования проводили на бандажах колесных пар на Защитинском ремонтном локомотивном депо, которые изготовлены из стали марки 2 в соответствии с требованиями ГОСТ 398-96. Химический состав стали, %: С 0,57 – 0,65; Si 0,22-0,45; Mn 0,60 – 0,90; V до 0,15; Р не более 0,035; S не более 0,040. Повышенное содержание углерода (0,57-0,65%), с одной стороны, обеспечивает износостойкость и контактную выносливость, с другой стороны, снижает теплостойкость. Поэтому в состав стали марки 2 введен ванадий, который повышая термостойкость, способствует улучшению сопротивляемости термическим и термомеханическим воздействиям.

Процесс плазменного упрочнения заключался в нагреве поверхности гребня плазменной струей и охлаждения за счет естественного теплоотвода в глубь материала.

Режим плазменного упрочнения:

Сила тока, А 275

Напряжение электрической дуги, В 120

Номинальное значение мощности дуги, кВт 35

Расход защитного газа, л /мин 5

Частота вращения колесной пары, об/мин 0,143

(7,0–7,2 мин за полный оборот колеса)

Упрочнению подвергалась зона перехода от рабочей поверхности гребня к поверхности катания. Зона упрочнения начинается на расстоянии 2-3 мм от вершины гребня и имеет ширину 25-26 мм.

Твердость упрочненного слоя, измеренная переносным твердомером ТЭМП–3, составляет 777 единиц, что в переводе на твердость по Роквеллу соответствует 65,2 НRс, а по Виккерсу – 852 HV.

Твердость не упрочненного гребня соответственно 576 единиц или 32 HRc, 324 HV. После плазменного упрочнения был произведен микроструктурный анализ поверхностного слоя, определен химический состав всех зон по сечению, микротвердость по глубине упрочненной зоны, измерена толщина закаленного слоя на растровом электронном микроскопе JEOL ISM–5910 и оптическом микроскопе фирмы Leica Microsystems (Германия).

Микротвердость металла была определена по методу Виккерса на инвертированном микроскопе фирмы Leica Microsystems при нагрузке 2,5Н. Величина микротвердости зависит от диагоналей полученного отпечатка и измерена в единицах по Виккерсу (HV). Характер изменения микротвердости по глубине упрочненной зоны приведен в таблице 1, из которой видно, что микротвердость в приповерхностном слое (на расстоянии 0,123-0,3 мм от поверхности) высока, составляет 1080,3-1589,1 HV и резко снижается до значений 404,6 HV на глубине 1,2 мм. Таким образом, при указанном режиме упрочнения толщина закаленной зоны составляет 1,0–1,2 мм исключительно высокой твердости [2].

Таблица 1. Микротвердость по глубине закаленной зоны (вторая серия экспериментов)

Исходная микротвердость, HV	Плазменная закалка
	Глубина замера HV от поверхности, мкм	Значение микротвердости по глубине, HV
		Зона оплавления	Переходная зона	Основа сплава (исходная микроструктура)
404,3 404,9 403,6	123,0 300,0 645,1 932,5 993,1 1120,3 1221,5 1239,4 1401,6	1080,3 1589,1	1021,5 1012,9 820,3 662,7	443,2 404,6 404,9

Металлографические исследования упрочненных зон показали, что микроструктура по глубине плазменного воздействия состоит из трех зон:

1) Зоны оплавления, состоящей из неравновесной мелкодисперсной структуры, близкой к аморфной. Эта зона микроструктурно выявляется в виде белого не травящегося слоя исключительно высокой твердости [3]. Зона оплавления неравномерна по ширине обработанной поверхности: максимальная глубина центральной части составляет 921 мкм, к краю обработанной поверхности она уменьшается и составляет 148 мкм. Отсюда следует, что при отработке оптимального режима плазменной обработки необходимо обеспечить равномерность упрочненного слоя как по ширине закалочной дорожки, так и по окружности бандажа, а контроль равномерности осуществлять в диаметрально-противоположных направлениях.

2) Непосредственно под белым не травящимся слоем расположена зона плазменного воздействия, граничащая с зоной неполной закалки (между критическими точками Ас₃–Ас₁) с микротвердостью, соответствующей твердости мелкоигольчатого мартенсита и троосто–мартенсита, переходящая в сорбит закалки и сорбит отпуска ближе к основной (исходной) структуре. Толщина этой зоны также неравномерна и колеблется от 0,2 до 0,3 мм.

3) Зона исходной структуры и твердости, представляющая мелкодисперсный сорбит отпуска с твердостью 400–450 HV.

Такая микроструктура и исключительно высокая твердость, полученная в результате плазменного упрочнения, наряду с другими технологическими мерами, обеспечивает существенное снижение износа гребней колесных пар. Так, по данным ремонтного локомотивного депо “Защита” за 2007 год средний износ гребней упрочненных колесных пар на 10, 20 и 30 тыс. км по сравнению не упрочненными колесными парами снижается соответственно на 0.3; 0.78; и 0.55 мм.

Выводы

1. Установлено, что при действующем режиме упрочнения глубина зоны плазменного воздействия составляет 1,0-1,2 мм с исключительно высокой твердостью поверхности и высокой коррозионной стойкостью. Такая глубина зоны плазменной закалки, наряду с другими технологическими мерами, направленными на снижение износа, (в частности, лубрикации) приводит к уменьшению среднего износа гребней на 0,3-0,5 мм.

2. Основным фактором, приводящим к сильному упрочнению поверхностного слоя при плазменной обработке, является формирование в приповерхностной зоне неравновесной метастабильной структуры, близкой к аморфной,, переходящей к узкой зоне полной и неполной закалки с неоднородной и искаженной структурой мартенсита с высоким уровнем внутренних напряжений.

3. Показано, что поверхностная зона с аморфной структурой, формирующаяся из тонкого оплавленного слоя, неоднородна по глубине: максимальная глубина этой зоны в центральной части составляет 921 мкм, к краю обработанной площади–148 мкм. Отсюда следует, что при отработке оптимального режима плазменной обработки необходимо обеспечить равномерность упрочненного слоя как по ширине закалочной дорожки, так и по окружности бандажа, а контроль равномерности осуществлять в диаметрально-противоположных направлениях.

Литература

1. Селиванов М. В., Шепелев Н.С. Применение плазмы для упрочнения поверхности за рубежом / серия «Металловедение и термическая обработка». М.:Черметинформация,1987, вып.2, 42с.

2. Канаев А. Т., Байбосынова Л. А. Упрочнение гребней локомотивных колесных пар с использованием плазменных инновационных технологий. Материалы международной Казахстанско-Российско-Японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». – Москва, Усть-Каменогорск, 2008. стр. 115-126.

3. Мирошниченко И. С. Закалка из жидкого состояния. – М.: Металлургия, 1992, 166с.