Содержание
Перейти к:
Исследование изменения структуры, показателей твердости и трещиностойкости плазменно-упрочненной стали 65Г
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-5-516-521
Аннотация
Проведены исследования структуры, показателей твердости и трещиностойкости до и после плазменной обработки стали марки 65Г лемешной части плуга. В результате плазменной обработки получен модифицированный слой с повышенной в 3,6 раза твердостью в интервале 980 – 3558 HV. Металлографические исследования показали, что перлитно-ферритная структура исходного металла вследствие плазменной закалки превращается в игольчатый мартенсит с высокими твердостью и прочностью. Усталостную трещину на образцах создавали на вибраторе Дроздовского. Перед выращиванием усталостной трещины на боковую поверхность образца наносились боковые V-образные надрезы различной глубины. Относительная длина трещины λ изменялась в пределах от 0,27 до 0,65. По результатам испытаний на сжатие установлено небольшое перемещение трещин в закаленных образцах в диапазоне 1,3 – 5,6 мм. Исходные неупрочненные образцы находятся в более хрупком состоянии, чем закаленные, соответственно наблюдается значительное разрушение их в условиях нанесения искусственной трещины. Проведенная оценка образцов стали 65Г на трещиностойкость путем испытания на ударный изгиб с последующим осциллографированием показала, что плазменная закалка способствует торможению увеличения трещины за счет роста ударной вязкости. Таким образом, применение плазменной закалки эффективно при поверхностном упрочнении стали марки 65Г, в частности лемехов плуга, которые постоянно подвергаются механическим воздействиям, трению и износу.
Ключевые слова
сталь,
твердость,
плазменная обработка,
поверхностный слой,
микротвердость,
оценка трещиностойкости,
испытание на ударный изгиб
Для цитирования:
Косанова И.М., Канаев A.T., Толкынбаев Т.А., Джаксымбетова М.А., Сарсембаева Т.Е. Исследование изменения структуры, показателей твердости и трещиностойкости плазменно-упрочненной стали 65Г. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2023;66(5):516-521. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-5-516-521
For citation:
Kossanova I.M., Kanayev A.T., Tolkynbayev T.A., Jaxymbetova M.A., Sarsembaeva T.E. Changes in structure, hardness and crack resistance of plasma-strengthened steel 65G. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2023;66(5):516-521. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-5-516-521
Введение
На сегодняшний день в Казахстане в целях повышения качества машин и агрегатов проводятся исследования прочностных характеристик, полученных при плазменной закалке поверхности тяжело нагруженных деталей. Для улучшения показателей прочности, в частности, твердости, износостойкости и трещиностойкости, целесообразно применять перспективный метод плазменной обработки [1; 2]. Данный способ воздействует на поверхностный слой деталей, не приводя металл к деформациям, и дает возможность получать на поверхности изделия модифицированный слой с высокими прочностными характеристиками. Изменение структуры и свойств поверхностного слоя происходит в условиях сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения (103 – 105 К/с) и кратковременности воздействия на обрабатываемый материал [3 – 5].
Материал и методика исследований
В качестве объекта исследования выбрана сталь 65Г лемешной части плуга, которая служит для подрезания пласта почвы и постоянно подвергается трению и износу [6; 7].
Вырезку темплетов осуществляли на отрезном станке Labotom-3 фирмы Struers (Швейцария). В процессе резания образец и отрезной диск охлаждались водой со специальным лубрикантом, исключающем окисление [8; 9]. После вырезки образцов соответствующих размеров определен химический состав стали на содержание легирующих элементов с помощью рентгенофлуоресцентного анализатора Niton XL2 (табл. 1).
Таблица 1. Результаты спектрального анализа образцов стали 65Г
|
Плазменное упрочнение проводили на установке плазменной закалки УДГЗ-200. Данная установка основывается на закаливании объектов плазменной дугой косвенного действия, что позволяет разогревать поверхность размером 1 – 2 мм и не приводит к внутренним деформациям деталей [10 – 12].
Поверхность стали исследовали с помощью металлографического микроскопа Carl Zeiss с увеличением 200.
Твердость на поверхности образцов измеряли на твердомере макро Виккерса Wilson VH 1150 при нагрузке на индентор 30 кг.
Испытания на ударный изгиб осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 9454 – 78 с измерением величины ударной вязкости. Данный метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Ударные испытания проводили на маятниковом копре КМ-30. Были изготовлены ударные образцы размером 6,5×11,5×55 мм. Усталостную трещину на образцах создавали на вибраторе Дроздовского. При этом относительная длина трещины λ изменялась в пределах от 0,27 до 0,65 [13 – 15]. Оценку ударной вязкости в условиях гарантированной плоской деформации проводили на образцах с двумя дополнительными боковыми V-образными надрезами, глубина которых составляла 1,0 мм. Оценка ударной вязкости на образцах с боковыми надрезами дает возможность определять уровень удельной работы распространения трещины при разрушении в условиях плоско-деформированного состояния (ПДС) [16 – 18].
Полученные результаты и их обсуждение
Металлографические исследования показали, что механические свойства (прочность, твердость, трещиностойкость) плазменно-закаленных деталей определяются формой, размерами и ориентацией субзерен (рис. 1).
Рис. 1. Металлографическая структура стали 65Г после поверхностной плазменной закалки: |
В результате структурно-фазового исследования установлено, что основной металл состоит из перлитных зерен и феррита. При плазменной закалке они превращаются в игольчатый мартенсит с высокой твердостью и трещиностойкостью [19; 20].
Измерение твердости материалов
В табл. 2 показаны результаты измерений твердости до и после плазменной обработки образцов стали 65Г.
Таблица 2. Результаты измерений твердости на поверхности образцов стали 65Г
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Представленные данные свидетельствуют о значительном повышении твердости образцов стали 65Г за счет плазменной закалки. На основании трех измерений по каждому образцу взято среднее значение твердости до и после закалки. Наблюдается увеличение твердости в среднем в 3,6 раза.
Далее была проведена оценка трещиностойкости плазменно-упрочненной стали путем испытания на ударный изгиб с последующим осциллографированием. Значения ударной вязкости закаленных образцов составили 127, 116, 110, 104, 98, 106, 94 и 102 Дж/см2.
На рис. 2 представлены результаты исследований зависимости ударной вязкости от длины трещины. Наблюдается постепенное увеличение ударной вязкости при увеличении трещины-инициатора.
Рис. 2. Зависимость ударной вязкости от длины трещины (образцы 1 – 8) |
По результатам работ на излом и разрушение рассчитана основная характеристика динамических испытаний – ударная вязкость КСТ.
На рис. 3 показаны результаты оценки ударной вязкости образцов стали 65Г до и после плазменной закалки. Наблюдается динамичный рост КСТ после плазменной закалки, что свидетельствует о том, что она способствует торможению дальнейшего увеличения трещины за счет увеличения КСТ. Таким образом, исходные образцы находятся в более хрупком состоянии, чем закаленные, соответственно, отмечается значительное разрушение их в условиях плоской деформации [21; 22].
Рис. 3. Диаграмма динамической трещиностойкости исходных ( |
) и закаленных (
) образцов
При испытаниях образцов на сжатие наблюдалось перемещение трещин в диапазоне от 1,3 – 5,6 мм при линейной нагрузке до 120 кН (рис. 4, 5).
Рис. 4. Длина трещин при линейной нагрузке (закаленные образцы 1 – 4)
Рис. 5. Длина трещин при линейной нагрузке (закаленные образцы 5 – 8) |
В результате перемещения трещин видно, что площадь живого сечения образца уменьшилась незначительно и, соответственно, наблюдается рост работы разрушения Ар (рис. 4, 5).
Выводы
Металлографические исследования стали 65Г показали, что при ее поверхностной плазменной закалке в упрочненной зоне толщиной 2 мм формируется градиентно-слоистая структура с изменяющейся твердостью в интервале 980 – 3558 HV. Также наблюдается увеличение микротвердости до 3,6 раз, что является более высоким показателем в сравнение с другими видами закалок, например, электроплазменной, где увеличение твердости было зафиксировано в 2,16 раз.
Результаты исследований ударной вязкости и ударных трещин показали, что упрочнение плазменной дугой препятствует динамичному росту трещин в поверхностном слое.
Таким образом, результаты проведенных исследований подтвердили целесообразность применения закалки плазменной дугой при упрочнении поверхностного слоя тяжело нагруженных деталей, в частности, стали 65Г.
Список литературы
1. Kossanova I.M., Kanayev A.T., Jaxymbetova M.A., Akhmedyanov A.U., Kirgizbayeva K.Zh. Effect of electrolytic-plasma surface treatment on structure, mechanical, and tribological properties of grade 1 wheel steel. Metallurgist. 2022;66(7):69–73. https://doi.org/10.1007/s11015-022-01393-0
2. Korotkov V.A. Influence of plasma quenching on the wear resistance of 45 and 40X steel. Russian Engineering Research. 2016;36(11):916–919. https://doi.org/10.3103/S1068798X16110125
3. Kanayev A.T., Jaxymbetova М.А., Kossanova I.М. Quantitative assessment of the yield stress of ferrite-pearlitic steels by structure parameters. News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. 2021;3(447):65–71. https://doi.org/10.32014/2021.2518-170X.64
4. Xiang Y., Yu D., Cao X., Liu Y., Yao J. Effects of thermal plasma surface hardening on wear and damage properties of rail steel. Journal of Engineering Tribology. 2017;232(7): 787–796. https://doi.org/10.1177/1350650117729073
5. Jaxymbetova M., Kanayev A., Kossanova I., Mazur I., Akhmedyanov A., Kirgizbayeva K. Improvement of the mechanical properties of reinforcing bar steel by combined deformation-heat treatment. International Review of Mechanical Engineering. 2022;16(9):460–466. https://doi.org/10.15866/ireme.v16i9.21521
6. Токтарбаева Г.М., Алпысбаев С.К., Рахадилов Б.К., Сатбаева З.А., Жапарова М.С. Влияние электролитно-плазменного упрочнения поверхности на структуру и свойства стали 40ХН. Вестник ВКГТУ. 2020;87(1):200–205.
7. Petrov S.V., Saakov A.G. Technology and equipment for plasma surface hardening of heavy-duty parts. Materials and Manufacturing Processes. 2017;17(3)363–378. https://doi.org/10.1081/AMP-120005382
8. Korotkov V.A., Ananyev S.A., Shekurov A.V. Investigation of the effect of the cooling rate on the structure and mechanical properties of metal in plasma quenching. Welding International. 2014;28(2):140–142. https://doi.org/10.1080/09507116.2013.796665
9. Q’Donnelly B.E., Reuben R.L., Baker T.N. Quantitative assessment of strengthening parameters in ferrite-pearlite steels from microstructural measurements. Metals Technology. 2013;11(1):45–51. https://doi.org/10.1179/030716984803274837
10. Ramazanova Zh.M., Kirgizbayeva K.Zh., Akhmedyanov A.U., Jaxymbetova M.A. Influence of the process of microplasma treatment in electrolyte solutions on the oxide coating properties. International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2018;9(12):709–721.
11. Yong X., Yu D., Li Q., Huabei P., Xiuquan C., Jin Ya. Effects of thermal plasma jet heat flux characteristics on surface hardening. Journal of Materials Processing Technology. 2015;226(12):238–246. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.07.022
12. Bespalova A., Lebedev V., Florenkova O., Knysh A. Increasing efficiency of plasma hardening by local cooling of surface by air with negative temperature. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019;4(12):52–57. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.176825
13. Yan M.F., Chen B.F., Li B. Microstructure and mechanical properties from an attractive combination of plasma nitriding and secondary hardening of M50 steel. Applied Surface Science. 2018;455:1–7. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.04.213
14. Esfandiari M., Dong H. Plasma surface engineering of precipitation hardening stainless steels. Surface Engineering. 2006;22(2):86–92. https://doi.org/10.1179/174329406X98368
15. Martynov V., Brzhozovsky B., Zinina E., Yankin I., Susskiy A. Fluctuations in the process plant as a quality assessment criterion of low-temperature plasma hardening process. Procedia Engineering. 2017;176:451–460. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.344
16. Semboshi S., Iwase A., Takasugi T. Surface hardening of age-hardenable Cu–Ti alloy by plasma carburization. Surface and Coatings Technology. 2015;283:262–267. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.11.003
17. Lebrun J.P. Plasma-assisted processes for surface hardening of stainless steel. Thermochemical Surface Engineering of Steels. 2015;6(16):615–632. https://doi.org/10.1533/9780857096524.4.615
18. Околович Г.А., Шарикова Т.Г., Петрова Е.В. Повышение долговечности инструмента в условиях взаимного влияния износа и усталости стали. Ползуновский вестник. 2015;(2):33–36.
19. Расщупкин В.П., Акимов В.В. Усталостная прочность и износостойкость высокомарганцовистой стали. Омский научный Вестник. 2006;35(2):78–80.
20. Mohd I., Zahari T. Surface hardening of tool steel by plasma arc with multiple passes. International Journal of Technology. 2014;5(1):79–87. https://doi.org/10.14716/ijtech.v5i1.156
21. Zhao K., Yan G., Li J., Guo W., Gu J., Li Ch. The resistance to wear and thermal cracking of laser surface engineered P20 steel. Metallic Materials. 2023;13(1):97–105. https://doi.org/10.3390/coatings13010097
22. Medina L., Marcus V.T., Paschalidou M., Lindwall G., Riekehr L. Enhancing corrosion resistance, hardness, and crack resistance in magnetron sputtered high entropy CoCrFeMnNi coatings by adding carbon. Materials and Design. 2021; 205:109–121. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109711
Об авторах
И. М. Косанова
Казахский агротехнический университет имени Сакена Сейфуллина
Казахстан
Казахстан
Индира Муратовна Косанова, магистр, докторант
Казахстан, 010000, Астана, пр. Женис, 62
A. T. Канаев
Казахский агротехнический университет имени Сакена Сейфуллина
Казахстан
Казахстан
Амангельды Токешович Канаев, д.т.н., профессор кафедры стандартизации, метрологии и сертификации
Казахстан, 010000, Астана, пр. Женис, 62
Т. А. Толкынбаев
Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева
Казахстан
Казахстан
Темирхан Анапияевич Толкынбаев, д.т.н., профессор
Казахстан, 010008, Астана, ул. Сатпаева, 2
М. А. Джаксымбетова
Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева
Казахстан
Казахстан
Макпал Адликановна Джаксымбетова, старший преподаватель
Казахстан, 010008, Астана, ул. Сатпаева, 2
Т. Е. Сарсембаева
Казахский агротехнический университет имени Сакена Сейфуллина
Казахстан
Казахстан
Толкын Ержановна Сарсембаева, к.т.н., старший преподаватель
Казахстан, 010000, Астана, пр. Женис, 62
Рецензия
Для цитирования:
Косанова И.М., Канаев A.T., Толкынбаев Т.А., Джаксымбетова М.А., Сарсембаева Т.Е. Исследование изменения структуры, показателей твердости и трещиностойкости плазменно-упрочненной стали 65Г. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2023;66(5):516-521. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-5-516-521
For citation:
Kossanova I.M., Kanayev A.T., Tolkynbayev T.A., Jaxymbetova M.A., Sarsembaeva T.E. Changes in structure, hardness and crack resistance of plasma-strengthened steel 65G. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2023;66(5):516-521. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2023-5-516-521
Просмотров:
825
Послать статью по эл. почте 