Байбосынова Л. А., Канаев А. Т.

Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева

Структурные особенности и химический состав стали по глубине плазменного упрочнения гребней колесных пар

Как известно, при обычных скоростях охлаждения первичные кристаллы твердого раствора растут в форме дендритов. С увеличением скорости охлаждения усиливается разветвление дендритов, уменьшается толщина их ветвей и соответственно уменьшаются размеры дендритных ячеек. Экспериментально установленная зависимость между размером дендритных ячеек и скоростью охлаждения имеет вид:

D = A V^-n

где A и n – постоянные, D – размер дендритных ячеек, V – скорость охлаждения. Размеры дендритных ячеек в отличие от толщины их ветвей неоднозначно связаны со скоростью охлаждения, так как сильно зависят от присутствия в расплаве зародышей кристаллизации, направления теплоотвода, толщины стенки охлаждающей формы и других факторов. Так, при высоких скоростях охлаждения с направленным теплоотводом могут формироваться длинные в направлении теплоотвода и тонкие дендриты. При достижении определенных скоростей охлаждения (~10⁵ - 10⁶ К/с) дендритная форма роста первичных кристаллов сменяется на недендритную: из множества центров формируются не успевшие разветвиться компактные мелкие зерна, т.н. «субдендритные зерна». Их размер (менее 10 мкм) уменьшается с увеличением скорости охлаждения по такому же закону, что и размер дендритных ячеек. В работе [1] показано, что рассматривая достаточно большой интервал скоростей охлаждения можно видеть следующую трансформацию структуры. При малых скоростях охлаждения растут крупные кристаллы с более или менее плоской огранкой. Увеличение скорости охлаждения приводит к развитию ячеистой, а затем дендритной структуры. При этом разветвленность дендритов уменьшается, причем сначала исчезают ветви более высоких порядков, а при скоростях охлаждения около 10⁶ К/с растут столбчатые кристаллы, совершенно лишенные боковых ответвлений. При дальнейшем увеличении скорости охлаждения происходит полное вырождение дендритного роста и формируется весьма тонкий конгломерат фаз путем диспергирования структурных составляющих сплава.

Таким образом, высокие скорости охлаждения приводят к тому, что структура стали после плазменной обработки характеризуются повышенной дисперсностью и высоким уровнем остаточных напряжений 11 рода (фазовые и структурные напряжения), а также ярко выраженной химической микро неоднородностью.

Заметим, что указанные структурные особенности после плазменной обработки объясняются сверхвысокими скоростями нагрева и охлаждения, недостижимыми при традиционных методах термической обработки [2].

Это приводит к тому, что структурные и фазовые составляющие стали после плазменной обработки (аустенит, мартенсит, троостит, сорбит) характеризуются повышенной дисперсностью и более высоким уровнем внутренних (фазовых и структурных) напряжений 11 рода, а также ярко выраженной химической микронеоднородностью. Для экспериментальной проверки этих утверждений были проведены специальные исследования по определению химического состава сплава с возбуждением спектра в искре на искровом спектрометре SPECTROLAB Jr^ССД фирмы Leica Microsystems. Данные химического анализа по глубине плазменного упрочнения и не упрочненной зоны, представленные в таблице 1, подтверждают химическую микро неоднородность структурных и фазовых составляющих исследованной стали.

Таблица 1. Данные химического состава по глубине плазменного

упрочнения и не упрочненной зоны

Наименова- ние зон по глубине упрочнения	Химический состав, % (ат.)
	C	Si	V	Mn	Fe	W	Ti	Cr	S
t 2	0,06	0,002	-	0,063	0,855	0,008	-	-	-
t 3	0,05	0,002	0	0,06	0,87	0,02	0,0002	-	0,0005
t 4	0,002	-	0,001	0,065	0,87	0,009	-	0,001	0,002
t 5	0,05	0,0005	0,001	0,062	0,86	0,018	0,004	-	0,002
t 6	0,047	0,0035	-	0,072	0,87	-	-	0,001	-
t 7	0,035	0,004	-	0,068	0,89	0,002	0,0026	-	-
t 8	0,02	0,0018	0,0027	0,07	0,88	0,019	-	-	-
t 9	0,027	0,0025	0,0023	0,065	0,88	-	-	-	-
t 10	0,03	0,004	-	0,074	0,86	0,026	-	-	-
t 11	0,04	0,004	0,001	0,069	0,88	-	0,003	-	-
Основа	0,008	-	-	0,059	0,90	-	-	-	-

Видно, что содержание углерода по глубине упрочненной зоны колеблется от 0,002 до 0,06 % (ат.). Такую же микро неоднородность по глубине закаленной зоны имеют и другие постоянные примеси стали (Si, Mn, V и др.).

При параметрах нагрева (t ≈ 12000–20000 ⁰С) и скорости охлаждения (V_охл ≈ 6000–7000 ⁰С/с), характерных для плазменной обработки, процессы, связанные с гомогенизацией жидких и твердых растворов, не успевают завершиться в объеме отдельных зерен и это способствует созданию неравновесных метастабильных структур высокой твердости с хорошим сопротивлением износу и микросхватыванию в процессе трения.

Неоднородность и искаженность структурных и фазовых составляющих стали подтверждаются результатами мультифрактального анализа снимков упрочненной зоны и основы (таблица 2).

Таблица 2. Результаты мультифрактального анализа снимков

поверхности стали

Мультифрактальные параметры	Упрочненный слой	Переходный слой	Основа
Удельная энтропия, Sуд	0,05	0,05	0,05
Упорядоченность, Δ	0,143	0,082	0,115
Фрактальная размерность, D0	1,991	1,993	1,993
Однородность, R^2	0,922	0,986	0,936
Плотность фрактальной структуры	1,391	1,368	1,349

Из таблицы 2 следует, что основа – достаточно упорядоченная неоднородная структура, возникшая, видимо, в результате предварительной закалки стали. Переходной слой – область хаоса, имеющая наиболее неупорядоченную и однородную структуру. Упрочненный слой – возросший параметр плотности фрактальных структур свидетельствует об образовании мультифрактальной структуры, характеризующейся неоднородностью и упорядоченностью. Поскольку фрактальная размерность D₀=2, структура представляет собой плотноупакованные кластеры с фрактальными границами [3].

Выводы

1. Фазовые (аустенит, мартенсит) и структурные (троостит, сорбит, перлит) составляющие стали после плазменной закалки характеризуются повышенной дисперсностью и более высоким уровнем внутренних микронапряжений II рода, а также ярко выраженной микронеоднородностью. Содержание углерода по глубине упрочненной зоны колеблется от 0,002 до 0,06% (ат.), кремния – от 0,0018 до 0,004%, ванадия от 0,001 до 0,003%. Такую же микронеоднородность по глубине закаленной зоны имеют и другие примеси (S, Ti, W).

2. Возросший параметр плотности фрактальных структур (1,391) в упрочненном слое свидетельствует о микронеоднородности и искаженности структурных и фазовых составляющих стали после плазменной закалки.

3. При скоростях охлаждения, характерных для плазменной закалки (V_охл ≈ 6000–7000 ⁰С/с) в тонком поверхностном слое возможно образование аморфной структуры с очень высокой твердостью (до 1600 HV).

Литература

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

2. Канаев А.Т., Рысмагамбетов К.А. К вопросу о плазменной закалке гребней железнодорожных колес. Труды международной научной конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии 2030», Караганда, 2002, вып.2, стр.135-137.

3. Иванова В. С., Баланкин А. С., Бунин И. Ж., Оксогоев А. А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994, 585 с.