1. ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА
МЕТОДИКА И ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПОВЪРХНОСТНО УЯКЧЕНИ
СЛОЕВЕ ОТ СТОМАНА Х12МФ
METHODOLOGY AND RESEARCH OF SURFACE HARDENED LAYERS
OF STEEL H12MF (D2 AISI)
Иван Христов Иванов, Стелиан Желев Георгиев
Резюме. В настоящата работа е представена методика за изследване на повърхностно
уякчени слоеве от стомана Х12МФ. Проведен е микроструктурен, дюрометричен и
електронномикроскопски анализ върху “кос” шлиф подложен на плазмено закаляване и
повърхностна пластична деформация.
Ключови думи: плазмено-дъгово закаляване, повърхностна пластична деформация
Abstract: Current paper presents a methodology for researching the surface hardened layers of
steel H12MF (D2 AISI). We made microstructural, hardness and electron microscopy analysis of
plasma-arc hardened and surface plastic deformed sidelong specimen.
Key words: plasma-arc treatment, surface plastic deformation
Въведение:
Известно е, че при обработката на металите с концентрирани енергийни потоци се
формират структури и фази нехарактерни за класическата обемна термична обработка. При
обработване на високолегирани инструментални стомани със стопяване на повърхността се
получават големи количества остатъчен аустенит, вариращи от 82% [8] до над 90%[1].
Авторите [2] предлагат провеждането на повърхностна вибропластична деформация върху
лазерно уякчени слоеве от инструментални стомани, което се получава увеличаване на
твърдостта в зоната на въздействие. Експерименталните изследвания на плазмено закалена
стомана Х12 подложена на повърхностна пластична деформация[1] показват, увеличаване на
твърдостта на слоя, при запазване на количеството на остатъчния аустенит.
Трудностите, които възникват при изследването на тези повърхностни слоеве е малките
обеми на въздействие. При използването на напречен шлиф се наблюдават множество от
слоеве, а измерването на микротвърдостите е затруднено поради попадането на отпечатъка в
множество от равнини на слоя. Провеждането на послоен микроструктурен и дюрометричен
анализ е трудоемка задача, което прави този метод за изследване малко приложим.
Целта на настоящата работа е да се предложи методика и да се проведе изследване на
повърхностно уякчени слоеве от стомана Х12МФ.
Методика на изследването:
На повърхностно плазмено-дъгово закаляване са подложени образци от стомана Х12МФ
с размери 20х20х60 mm. Предварителната термична обработка е съгласно табл.1.
Табл.1 Режими на предварителна обемна термична обработка
Термична
обработка
Т зак.о
С Т отвр.о
С Т отгр.о
С τ, min HRC
Охлаждаща
среда
Закаляване 1050 200 - 120 60-62 масло
Отгряване - - 1050 720 25 С пещта
ВАРНА, 2008 г.

2. ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА
Повърхностното плазмено-дъгово уякчаване на образците от стомана Х12МФ бе
извършено на съоръжение РМ6601П обезпечаващо линейното движение на плазмотрона.
Плазмообразуващия и защитния газ е аргон.
Режима на плазмено-дъгово закаляване е представен в табл.2.
Табл. 2. Параметри на режима на плазмено-дъгово закаляване
Скорост на
транслация, V mm/s
Плътност на
мощността, Ns
W/cm2
Разход на
плазмообразуващ газ,
Q, l/min
Разстояние между
челото на плазмотрона
и повърхността, H, mm
4÷10 1,5÷1,7*104
4÷6 2
Повърхностната еластично-пластична деформация е извършена върху универсална
фрезова машина при въртеливо движение на инструмента и постъпателно на образеца.
Инструментът е закрепен ексцентрично, при което се получава ширина на деформираната
полоса от 15 mm. Деформационното въздействие се извършва от сферично тяло с диаметър
d=10,5 mm, като силата на въздействие F=650N е осъществена от предварително тарирана
пружина. Деформиращото въздействие върху повърхността на тялото се извършва при
скорост на въртене 250 min-1
, диаметър на кръга D=15 mm и линейна скорост 12,5 mm/min.
Броя на преходите N на деформиращия елемент е определен по закона (1):
N=2i
, i=1÷5 (1)
Схема на проведената повърхностна пластична деформация е показана на фиг.1
Извършения дюрометричен анализ е при 0,2,4,8,16 и 32 деформиращи прехода на
инструмента. За получаването на по-точни резултати от изследването на изменението на
микротвърдостта в дълбочина бе изработен “кос” шлиф показан на фиг.2.
ВАРНА, 2008 г.
F=650N
n=250 min-1
12,5mm/min
Ф10,5 Ф15
фиг.1 Схема на повърхностната пластична деформация

3. ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА
фиг.2. Схема на кос шлиф 1-повърхностно деформирана зона, 2-плазмено закалена
зона, 3-основен метал
Образецът е шлифован под ъгъл 0,014о
на дълбочина 0,3 mm, при което се получава
достатъчно голяма площ в дълбочина за извършване на послоен дюрометричен анализ.
Структурата е проявена с 3%-ен разтвор на HNO3 в етилов алкохол. Микротвърдостите
са измерени по метода на Викерс с изпозването на микротвърдомер ПМТ3 с натоварване от
100g. Микроструктурите са заснети на оптичен микроскоп NEOPHOT 32, а
електронномикроскопските изследвания са проведени на сканиращ електоронен микроскоп
JOEL–JXA-50A с увеличение до 4000 пъти.
Резултати и дискусия:
При провеждане на плазмено-дъговото въздействие се формират няколко зони –
стопена, зона с частично разтопяване, закалена от твърдо състояние и зона на вторично
отвръщане (при предварително закалените образци). Тези зони притежават различна
морфология и фазов състав, а съответно и различни механични характеристики.
Фиг.3. Микротвърдост по широчина (на повърхността) и по дълбочина (кос шлиф 32
прехода на деформиращото тяло) на стомана Х12МФ
ВАРНА, 2008 г.
1
2
3
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
00,01050,0210,03150,0420,05250,0630,0735
0,0840,09450,1050,11550,1260,13650,1470,1575
дълбочина на уякчения слой mm
HV0,1
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2,5 2 1,5 1 0,5 0,5 1 1,5 2 2,5
широчина на уякчения слой
HV0,1
0 прехода 2 прехода 4 прехода
8 прехода 16 прехода 32 прехода

4. ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА
Стопената зона се отличава с дендритен строеж, който според рентгеноструктурния
анализ на стомани от този тип е около 90% Аост [1-4]. При кристализацията на стопилката
около аустенитните дендрити се формира фин микроквазиевтектикум ледебурит. Твърдостта
в тази зона е 550÷600 HV0,1. Във втората зона частично разтопяване се наблюдава в
микрообемите около първичните карбиди, където вследствие на дифузията на въглерода при
високите температури настъпва микроевтектично стопяване. Зоната на закаляване от твърдо
състояние е изградена от мартензито-карбидна смес и се харатеризира с висока твърдост
750÷780 HV0,1 .
фиг.4. Микроструктора на стомана Х12МФ след плазмено-дъгово закаляване и
повърхностна пластична деформация с 32 прехода
Проведената повърхностна пластична деформация на плазмено закалените слоеве води
до повишаване на твърдостта на повърхността, като с увеличаване на броя на
деформационните преходи тя става практически еднаква в уякчените зони. В най-голяма
степен увеличаването на твърдостта се наблюдава в стопената зона, което е логично от
гледна точка на количественото съдържание на аустенит, склонен на механично наклепване.
фиг.5. Микроструктура на стомана Х12МФ в зоната на частично разтопяване около
карбидните зърна
ВАРНА, 2008 г.

5. ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА
фиг.6. Микроструктура на стомана Х12МФ на границата на частичното разтопяване и
зоната на закаляване от твърдо състояние
Макар и в по-малка степен уякчаване настъпва и в останалите зони с по-висока твърдост
след плазменото закаляване. Най-значимо увеличаване на микротвърдостта се наблюдава до
около осмия преход на деформиращия инструмент. С увеличаването на броя на
деформационните преходи до 32 не се наблюдава съществено изменение на твърдостта на
повърхността, а характера на функцията става затихващ. Проведения послоен дюрометричен
анализ на кос шлиф показва, че най-голямото увеличение на твърдостта се наблюдава до
около 0,02 mm – 840-860 HV0,1, като в дълбочина тя намалява до около 700 HV0,1 при 0,2 mm.
фиг.7. Микроструктура на стомана Х12МФ в зоната на закаляване от твърдо състояние
Електронномикроскопските изследвания показват формиране на двойникуван иглест
мартензит в зоната на закаляване от твърдо състояние и фини дисперсни карбиди от порядъка
на 0,2÷1μm уякчаващи допълнително металната матрица, явявайки се препятствие при
движение на дислокациите.
ВАРНА, 2008 г.

6. ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА
Заключения и изводи:
1. Комбинираното плазмено-дъгово и повърхностно деформационно въздействие
на стомана Х12МФ води до увеличаване на твърдостта на стопената зона с
около 30% и на зоната закалена от твърдо състояние с около 10÷15%.
2. Електронномикроскопски се установява наличие на фини дисперсни карбиди в
закалената от твърдо състояние зона.
3. Използваната методика на косия шлиф дава възможност за изледване на тънки
повърхностни слоеве с формирани множество структурни състояния.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Киров С., Иванов И., Шамонин Ю., Георгиев С., Структура и свойства на стомана Х12 след комбинирано
плазмено – дъгово въздействие и повърхностна пластична деформация, V Международен конгрес
„Машиностроителни технологии’ 06”, 20 – 23 септември 2006 г., Варна, България, кн. 2, стр. 36 – 39
[2] Бровер Г. И., Варавка В. Н., Блиновский В. А., О возможности повышения эффективности лазерной закалки
дополнительным пластическим деформированием, ЭОМ, 1989г., № 3, стр. 16 – 18
[3] Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface treatment. Part I: surface hardening of AISI D3 tool steel,
Vacuum 69 (2003) 513–516
[4] Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface re-melting of AISI D2 cold-worked die steel, Surface and
Coatings Technology 157 (2002) 1–4
[5] Bendikiene R, Žvinis J., Investigation of Transformation Plasticity of Tempered High Chromium Steel During
Quenching, Materials Science (MEDŽIAGOTYRA). 2004, Vol. 10, No. 4 pp.317-320
[6] Фукс – Рабинович Г. С., Кузнецов А. Н., Леник К. С., Шаурова Н. К., Кузьмина Н. В., Влияние структурных
характеристик контактных поверхностей на работоспособность вырубных штампов, Кузнечно – штамповочное
производство, 1990 г., №9, стр. 25 – 27
[7] De Beure H., De Hosson J. Th. M. Wear induced hardening of laser processed chromium-carbon steel, Scripta
METALLURGICA 1987, Vol. 21, pp. 627-632
[8] Run Wu, Chang-sheng Xie, Mulin Hu, Wei-ping Cai, Laser-melted surface layer of steel X165CrMoV12-1 and its
tempering characteristics, Materials Science and Engineering A278 (2000)1–4
[9] Wei J., O. Kessler, M. Hunkel, F. Hoffmann, P. Mayr, Anisotropic phase transformation strain in forged D2 tool
steel, Materials Science and Technology; Jul 2004; 20, 7, pp. 909 – 914
[10] Ivanov I. H., Deformation and thermal treatment of iron carbon alloys using concentrated energy fluxes,
Proceedings VII ITSC on Advanced Manufacturing Operations, 17 – 19 September 2006, Sozopol, Bulgaria, pp. 146 –
151
За контакти: инж. Иван Христов Иванов, инж. Стелиан Желев Георгиев Технически университет - Варна, ул.
“Студентска” №1E-mail: ivan_h_ivanov@mail.bg, stgeorgiev@abv.bg
ВАРНА, 2008 г.

7. ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-ВАРНА
Заключения и изводи:
1. Комбинираното плазмено-дъгово и повърхностно деформационно въздействие
на стомана Х12МФ води до увеличаване на твърдостта на стопената зона с
около 30% и на зоната закалена от твърдо състояние с около 10÷15%.
2. Електронномикроскопски се установява наличие на фини дисперсни карбиди в
закалената от твърдо състояние зона.
3. Използваната методика на косия шлиф дава възможност за изледване на тънки
повърхностни слоеве с формирани множество структурни състояния.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Киров С., Иванов И., Шамонин Ю., Георгиев С., Структура и свойства на стомана Х12 след комбинирано
плазмено – дъгово въздействие и повърхностна пластична деформация, V Международен конгрес
„Машиностроителни технологии’ 06”, 20 – 23 септември 2006 г., Варна, България, кн. 2, стр. 36 – 39
[2] Бровер Г. И., Варавка В. Н., Блиновский В. А., О возможности повышения эффективности лазерной закалки
дополнительным пластическим деформированием, ЭОМ, 1989г., № 3, стр. 16 – 18
[3] Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface treatment. Part I: surface hardening of AISI D3 tool steel,
Vacuum 69 (2003) 513–516
[4] Song R. G., Zhang K., Chen G. N., Electron beam surface re-melting of AISI D2 cold-worked die steel, Surface and
Coatings Technology 157 (2002) 1–4
[5] Bendikiene R, Žvinis J., Investigation of Transformation Plasticity of Tempered High Chromium Steel During
Quenching, Materials Science (MEDŽIAGOTYRA). 2004, Vol. 10, No. 4 pp.317-320
[6] Фукс – Рабинович Г. С., Кузнецов А. Н., Леник К. С., Шаурова Н. К., Кузьмина Н. В., Влияние структурных
характеристик контактных поверхностей на работоспособность вырубных штампов, Кузнечно – штамповочное
производство, 1990 г., №9, стр. 25 – 27
[7] De Beure H., De Hosson J. Th. M. Wear induced hardening of laser processed chromium-carbon steel, Scripta
METALLURGICA 1987, Vol. 21, pp. 627-632
[8] Run Wu, Chang-sheng Xie, Mulin Hu, Wei-ping Cai, Laser-melted surface layer of steel X165CrMoV12-1 and its
tempering characteristics, Materials Science and Engineering A278 (2000)1–4
[9] Wei J., O. Kessler, M. Hunkel, F. Hoffmann, P. Mayr, Anisotropic phase transformation strain in forged D2 tool
steel, Materials Science and Technology; Jul 2004; 20, 7, pp. 909 – 914
[10] Ivanov I. H., Deformation and thermal treatment of iron carbon alloys using concentrated energy fluxes,
Proceedings VII ITSC on Advanced Manufacturing Operations, 17 – 19 September 2006, Sozopol, Bulgaria, pp. 146 –
151
За контакти: инж. Иван Христов Иванов, инж. Стелиан Желев Георгиев Технически университет - Варна, ул.
“Студентска” №1E-mail: ivan_h_ivanov@mail.bg, stgeorgiev@abv.bg
ВАРНА, 2008 г.