Введение

Развитие машиностроения в России невозможно представить без применения среднеуглеродистых улучшаемых сталей. Рассматриваемые стали чаще всего работают в триботехнических условиях, поэтому создание на их поверхности упрочненных слоев позволит значительно повысить надежность и долговечность деталей машин [1 – 3], а также поверхностную твердость [4; 5], что приведет, несомненно, к повышению износостойкости применяемой стали в целом. Так, например, повышение износостойкости режущих инструментов – основная проблема металлообрабатывающей промышленности [6 – 8].

Высокие показатели поверхностной твердости в настоящее время достигаются, в основном, за счет применения различных методов упрочнения поверхности деталей с целью создания слоев и покрытий с заданными свойствами [9; 10]. Анализ литературных данных [11 – 13] показывает, что в настоящее время существует множество способов поверхностного упрочнения сталей, среди которых совместная электромеханическая с ультразвуковой обработка и электромеханическая обработка с динамическим силовым воздействием.

В работах [14; 15] эффективным методом поверхностного упрочнения деталей машин является комбинированная электромеханическая обработка (КЭМО). Такая обработка приводит к поверхностному упрочнению путем электромеханической обработки (ЭМО) и пластической деформации поверхностного слоя.

Методика проведения исследований

В настоящей работе использовали образцы 10×10×20 мм после нормализации стали марки 40Х, химический состав которой соответствует требованиям ГОСТ 4543 – 2016. Поверхностное упрочнение образцов проводили способом КЭМО на сварочной рельефной машине МР 2517 по режимам, представленным в таблице и на рис. 1.

Машина МР 2517 переменного тока с одним сварочным трансформатором с номинальной силой сварочного тока 25 кА оборудована пневматическим приводом 1 сжатия обрабатываемых деталей. Сварочный корпус машины выполнен в виде жесткой скобы. Ток в машине коммутируется тиристорными контакторами и протекает через специально подготовленные электроды 2 с уменьшенным поперечным сечением, что позволяет достигать высокой плотности электрического тока на обрабатываемой поверхности образца 3. Для управления циклом КЭМО используется бесконтактная аппаратура, позволяющая осуществлять регулирование тока, модуляцию и многоимпульсные включения.

Способ КЭМО включает в себя воздействие на поверхностный слой электрического тока больших значений и поверхностной пластической деформации. В результате этого поверхность стали нагревается до температур 1000 – 1300 °С [16 – 18]. При интенсивном охлаждении поверхности путем отвода тепла в глубь материала и окружающую среду происходят фазовые превращения (сверхскоростная закалка) с образованием мартенситных структур.

Металлографические исследования упрочненных слоев проводили с использованием микроскопа OLIMPUS – GX 50 методом измерения микротвердости (прибор HVS-1000) по ГОСТ 2999 – 75 «Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу» и методом оценки величины зерна в соответствии с ГОСТ 5639 – 82 «Методы выявления и определения величины зерна».

Результаты исследований и их обсуждение

Оптическая металлография образцов после обработки по режиму 1 (сила тока 39 кА, время импульса 0,02 с, количество импульсов 1, приложенная нагрузка 100 МПа) выявила образование на поверхности стали слоя, состоящего из двух зон общей толщиной 300 мкм с измененной микроструктурой по сравнению с исходной (рис. 2). Первая (поверхностная) зона толщиной 150 мкм (рис. 2, а, б) состоит из мелкоигольчатого мартенсита с твердостью 598 HV и номером зерна 8. Вторая переходная зона толщиной 150 мкм (рис. 2, а, в) состоит из мартенсита и феррита с твердостью 275 HV и номером зерна 7. Ниже располагается исходная структура феррита и перлита с твердостью 188 HV и номером зерна 6 [19; 20].

Образцы после КЭМО по режиму 2 (сила тока 39 кА, время импульса 0,02 с, приложенная нагрузка 250 МПа, количество импульсов 1) имеют упрочненный слой толщиной 700 мкм (рис. 3, а), который состоит из двух зон: первая (поверхностная) зона толщиной 500 мкм и номером зерна 7, 8 представлена мелкоигольчатым мартенситом (рис. 3, а, б) с твердостью 593 HV. Ниже расположена переходная зона (рис. 3, а, в) толщиной 200 мкм со структурой перлита и феррита с видманштеттовой направленностью. Твердость этой зоны 233 HV, номер зерна 4, 5. Переходная зона глубже переходит в исходную феррито-перлитную структуру. Более существенная по толщине поверхностная зона разогрева по рассматриваемому режиму (700 мкм) по сравнению с режимом 1 (300 мкм) и в сочетании с интенсивным отведением тепла от этой зоны поспособствовали формированию видманштеттовой структуры, которая является дефектной и недопустимой для эксплуатации.

Обработку по режиму 3 проводили при следующих параметрах: сила тока 39 кА, время импульса 0,02 с, приложенная нагрузка 250 МПа, количество импульсов 2. Микроструктура стали после упрочнения способом КЭМО (по режиму 3) представлена на рис. 4.

Металлографически выявлено увеличение толщины упрочненного слоя до 1200 мкм (рис. 4, а). Этот слой, как и в предыдущих случаях, состоит из двух зон: поверхностной толщиной 1000 мкм с номером зерна 7 со структурой мелкоигольчатого мартенсита (рис. 4, б) с твердостью 598 HV; ниже этой зоны располагается переходная зона толщиной 200 мкм со структурой мартенсита и феррита (твердость 275 HV) и номером зерна 6 (рис. 4, в). Далее упрочненный слой плавно переходит в исходную структуру феррита и перлита с номером зерна 6 и твердостью 190 HV.

Металлографически не идентифицируется дефектная видманштеттовая структура в переходной зоне, так как обработка стали марки 40Х по режиму 3 способствует прогреву поверхностного слоя на большую глубину, и, следовательно, структурообразование в переходной зоне происходит из межкритического интервала Аr3 – Аr1 (рис. 4, в).

Выводы

На поверхности стали марки 40Х со структурой в исходном нормализованном состоянии феррита и перлита получены способом комбинированной электромеханической обработки поверхностные слои толщиной 300 – 1200 мкм со структурой мелкоигольчатого мартенсита с твердостью 598 HV. Исследования показали, что рациональными режимами обработки по структурообразованию и полученной поверхностной твердостью являются режимы 1 и 3. Поверхностный слой, полученный по этим режимам, состоит из мелкоигольчатого мартенсита, ниже которого располагается переходная зона со структурой мартенсита и феррита, плавно переходящая в исходную феррито-перлитную структуру.