Фазовые и структурные превращения при плазменном нагреве металлов
Высокая диффузионная активность мелкозернистого и мелкоблочного аустенита, образующегося при плазменном нагреве, усиливается наличием многочисленных источников вакансии, благоприятной дислокационной структурой и повышенной плотностью дислокации [14]. Это связано с тем, что границы зерен являются основными источниками вакансий в металлах с плотноупакованной решеткой, а измельчение зерна приводит к увеличению концентрации вакансий [27]. Несовершенства структуры границ (дислокации, избыточная концентрация вакансии) является, по мнению [ 14, 18, 27,28], источником избыточной энергии, что облегчает перенос диффундирующих атомов.
Наряду с особенностями превращений в железоуглеродистых сплавах при плазменном нагреве на интенсификацию процессов ХТО оказывает сильное влияние сам источник нагрева - плазменная струя (дуга). При плазменном нагреве (струей или дугой) азот, углерод, водород поглощаются металлом в количестве,превышающем их растворимость при тех ж температурах и давлениях, но в отсутствии плазменного нагрева [28, 29] . Высокая температура плазменной струи (дуги), где газ частично диссоциирован и ионизирован, вызывает отставание релаксационных процессов от скорости снижения температуры газа у поверхности металла.
Следствием этого является взаимодействие с металлом газа (плазмы) в неравновесном, относительно его температуры состоянием. Сверхравновесное поглощение газа в некоторых случаях приводит к значительному перенасыщению металла газом и к стремлению выделиться из него, что приводит к пористости на поверхности металла [24].
Важной особенностью плазменного нагрева является, также неоднородность температурного поля нагрева, свойственная всем процессам, использующим концентрированные источники нагрева. Отсюда усиление термодиффузионных процессов на границе металл-активная среда. Кроме того, использование плазменной дуги позволяет ускорить диффузионные процессы за счет электронного тока (электротермический эффект).
Таким образом, причины интенсификации процессов насыщения легирующими элементами при плазменном нагреве заключаются в следующем:
- при плазменном нагреве образуется мелкозернистый и мелкоблочный аустенит (в который диффундирует тот или иной элемент), содержащий в себе большее количество дефектов структуры (границы зерен блоков, дислокации и т.д.), что значительно облегчает процесс диффузии на границе раздела металл-активная среда;
- использование плазменной струи (дуги) позволяет создать лучшие условия для протекания поверхностных реакций, заключающихся в сверхравновесномпоглощениигаза ивысокойактивностинасыщающейсреды (газовая, твердая, жидкая фаза );
- резко сокращается время нагрева поверхности металла до температуры насыщения (доли секунд).
Охлаждение
При охлаждении аустенитной структуры возможно два типа γ→α
-превращения: диффузионное и бездиффузионное. Прискорости охлаждения W‹W1 реализуется первый тип, а при W>W2 только второй тип. (Характерные значения для доэвтектоидной стали W1 ≈50° С\с, эвтектоидных W ≈100º С\с.
Для получения мартенсита в железоуглеродистых сплавах необходимо обеспечить скорость охлаждения выше критической, которая для большинства сталей составляет 50-200 ° С\с [1. При плазменном упрочнении скорость охлаждения значительно превышает критическую и составляет 102-105 ° С\с [9]. Таким образом, распад аустенита происходит по бездиффузионному механизму с образованием мартенсита. Как уже отмечалось, при плазменном нагреве образуется неоднородный аустенит, и, как следствие этого, при охлаждении объемы с разной концентрацией углерода будут закаливаться по-разному. Диапазон температур, в которых происходит мартенситное превращение, существенно увеличивается. Превращение малоуглеродистого аустенита происходит при температуре 350-420° С с образованием мелкоигольчатого мартенсита [15, 19, 22]. С ростом концентрации углерода температура мартенситного превращения снижается до 100° С с образованием пластинчатого мартенсита. Для охлаждения неоднородного аустенита требуются большие скорости охлаждения [19, 20, 22], по сравнению с однородным аустенитом. Это связано с тем, что повышение градиента концентрации углерода приводит к ускорению диффузии и облегчению распада аустенита.