Влияние плазменной обработки на структуру, фазовый состав и микротвёрдость стали Р6М5

Effect of plasma treatment on structure, phase composition and micro-assertation of P6M5 steel

 

Авторы:

Жачкин С.Ю.

Профессор технических наук Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия.

Jackin S.Y.

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

Пеньков Н.А.

Кандидат технических наук, Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия.

Penkov N.A.

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

Нестеров Д.А.

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия.

Nesterov D.A.

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

 

Аннотация: В статье приведено исследование закономерностей изменения структуры, фазового состава и микротвердости стали Р6М5 при плазменном упрочнении.

Abstract: Investigation of regularities of changes in the structure, phase composition and microhardness of P6M5 steel under plasma hardening.

Ключевые слова: микротвердость, быстрорежущая сталь.

Keywords: microhardness, high-speed steel.

Тематическая рубрика: Технические науки и технологии.

 

Известно, что режущие инструменты с пластинами из быстрорежущей стали, прежде всего, должны быть износостойкими, прочными, обладать высокой теплостойкостью и коррозионной стойкостью. Данных свойств можно добиться, применяя лишь поверхностную химико-термическую обработку металлов, и наиболее приемлемыми и обеспечивающими данные требования являются процессы цементации, борирования, азотирования, сульфидирования и нитроцементации [1, 2]. Общим крупным недостатком этих процессов при их традиционном исполнении является большая продолжительность обработки (часы и десятки часов). Поэтому одной из основных задач в области химико-термической обработки является существенная интенсификация процессов диффузионного насыщения методами обработки концентрированными потоками энергий [3, 4]. Наиболее перспективным, энергосберегающим методом среди них, является метод плазменного упрочнения[5]. Было обнаружено, что скорость диффузии элементов в поверхностном слое при обработке в плазме значительно выше, чем при обычных процессах [6].

В процессе обработки в плазме происходят изменения структурно-фазовых состояний и свойств материала в тонких поверхностных слоях вследствие физического воздействия ионов высокотемпературной плазмы и электрического разряда. Поэтому изучение особенностей изменения структуры, свойств и механизмов выделения упрочняющей фазы в стали Р6М5 после плазменного упрочнения представляет большой научный и практический интерес в плане выяснения общих закономерностей структурно-фазовых превращений в сталях и разработки новых прогрессивных способов обработки материалов для улучшения их практически важных свойств.

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является исследование закономерностей изменения структуры, фазового состава и микротвердости стали Р6М5 при плазменном упрочнении.

Материал и методика исследования. В соответствии с поставленными задачами в качестве объекта исследования была выбрана быстрорежущая вольфрамомолибденовая сталь Р6М5 (0,80 - 0,88 С; 3,8 - 4,4 Сг; 5,5-6,5 W; 1,72,1 V; 5,0-5,5 Mo), широко используемая, предпочтительно для изготовления резьбонарезного и токарного инструмента, а также инструмента, работающего с ударными нагрузками [7].

Выбор материала исследования обоснован тем, что сталь Р6М5 является наиболее распространенной в металлообработке, типичной быстрорежущей сталью умеренной теплостойкости.

Заготовки образцов для исследований в виде параллелепипедов с размерами 10х30х30 мм3 вырезали из прутков стали Р6М5 в состоянии поставки. Перед плазменной обработкой заготовки подвергали обычной для этой стали термообработке: закалке от 1230°С в масло и последующему трехкратному отпуску при 560°С (длительность каждого отпуска 1 ч, охлаждение в воздухе) [8]. Далее заготовки со всех сторон прошлифовывались на глубину 1 мм. Перед обработкой поверхности образцов стали тщательно обезжиривали.

Исследования фазового состава и кристаллической структуры образцов стали осуществляли методами рентгеноструктурного анализа на дифрактометре X’Pert Pro в CuKa- излучении. Морфологию поверхности образцов изучали на оптическом микроскопе «NEOPHOT-21» и растровом электронном микроскопе JSM-6390LV, оснащенным приставкой энергодисперсионного анализа.

Микротвердость поверхностных слоев образцов до и после обработки измеряли методом вдавливания алмазного индентора на приборе ПМТ-3М при нагрузке 100 г и выдержке под нагрузкой 10 с. Исследование износостойкости проводили на установке для испытаний на абразивное изнашивание образцов при трении о не жестко закрепленные частицы абразива. Износостойкость испытуемого материала оценивалась путем сравнения его износа с износом эталонного образца (сталь 45) согласно ГОСТ 23.208-79.

Результаты исследования и их обсуждение. При исследовании структуры приповерхностных слоев образцов стали Р6М5, подвергнутых плазменному упрочнению, обнаружены фазовые и структурные изменения. Изменения микроструктуры поверхностного слоя стали после плазменного упрочнения в течении 5 мин. Наблюдается рост карбидов, феррит обедняется легирующими элементами и обогащается углеродом. В результате происходит выделение из твёрдого раствора большого количества дисперсных частиц карбидов на основе легирующих компонентов, т.е. происходит дисперсионное твердение. Микроструктура упрочненной поверхности образцов стали представляет собой мелкозернистую мартенситную структуру с дисперсными включениями нерастворимых карбидов и нитридов.

Анализ изображений, полученных методом растровой электронной микроскопии, позволяет заключить, что в результате плазменного упрочнения происходит изменение морфологии поверхности стали Р6М5.

 На поверхности образцов из стали Р6М5 после плазменного упрочнения при температуре 650...750°С, обнаружены рефлексы s-фазы Fe2N, Fe3N. Нитриды железа обладают большей теплоемкостью по сравнению с железом, при этом создаются благоприятные условия для предотвращения температурных вспышек на поверхности инструмента.

Микроструктура диффузионного слоя стали Р6М5. Видно, что на поверхности азотированных образцов стали Р6М5 формируется нитридная зона глубиной 20-45 мкм. Слой распределен по всей нагреваемой поверхности стали равномерно.

С увеличением температуры обработки скорость насыщения и микротвердость увеличиваются. При этом необходимо отметить, что за сравнительно короткое время (5 мин) в исследованном интервале температур 550-750°С формируется азотированный слой достаточно большой толщины. Микротвердость всех модифицированных слоев стали Р6М5 достаточно высока HA=9,5-13,5 ГПа. Высокая твердость модифицированного слоя обусловлена, по-видимому, тем, что, он состоит из азотистого мартенсита и дисперсных нитридов - s-фазы, у- фазы, а также нитридов легирующих компонентов Mo, W, Cr, V. Однако частицы у-фазы, а также нитридов молибдена, вольфрама, ванадия и хрома не обнаруживаются методами рентгеноструктурного анализа, возможно, из-за их дисперсности и малого количества.

Анализируя полученные в работе результаты можно сделать выводы о том, что:

- усовершенствованный способ плазменного упрочнения позволяет проводить модифицирование поверхности быстрорежущих сталей и обеспечить высокую кинетическую эффективность процесса диффузионного насыщения;

- экспериментально установлено, что на поверхности образцов стали Р6М5 после плазменного упрочнения формируется сплошной модифицированный слой, состоящий из частиц е-фазы Fe2N, Fe3N;

- установлено, что произошло значительное увеличение микротвердости в поверхностных слоев стали Р6М5 (1,3 - 1,8 раз).

 

Литература:

1. Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. - М.: Машиностроение, 1991. - 208 с.

2. Баяти М.Р., Молеи Р., Жанхорбан К. Поверхностное легирование углеродистых сталей из электролитической плазмы // Металловедение и термическая обработка металлов, 2011, №2 (668), с.42-45.

3. Забелин С. Ф. Об акктивации и кинетической теории процессов диффузионного насыщения металлов при химико-термической обработке // Материаловедение, 2004, №7, с.17-22.

4. Сараев Ю.Н., Штерцер А.А., Оришин А.М., Ильюшенко А.Ф., Скаков М.К.. Комплексный подход к повышению эксплуатационной надежности деталей и изделий // Технология машиностроения, 2011, №8, с.39-42.

5. Суминов И.В., Белкин П.Н. и др. Мир материалов и технологий. В 2-х томах, Том 1, М. изд. Техносфера, 2011, - 464 с.

6. Gupta P., Tenhundfeld G., Daigle E.O., Ryabkov D. Electrolytic plasma technology: Science and engineering - an overview // Surf. & Coat. Technol. 2007. V. 25. P. 8746.

7. Позняк Л.А., Тишаев С.И., Скрынченко Ю.М. Инструментальные стали: Справочник. М.: Металлургия, 1977, 167 с.

8. Кремнев Л.С., Виноградова Л.А., Онегина А.К., Сапронов И.Ю. Особенности состава, структуры и свойств быстрорежущих сталей для металлорежущего инструмента с ионно-плазменными покрытиями на основе нитрида титана // Металловедение и термическая обработка металлов, 2012, №1 (679), с.4-9.

9. Бунин К.П., Мовчан В.И., Педан Л.Г. Структурообразование при изотермическом науглероживании железных сплавов, легированных молибденом и вольфрамом // Изв. АН СССР. Металлы. - 1975. - №3. - с.164- 168.