Урал-Техно-Плазма

ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ

ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ И ЧУГУНА

ПЛАЗМЕННОЙ ЗАКАЛКОЙ

Коммерческое предложение

Нижний Тагил 2012

Введение…………………………………….……………………….…………3

1. Цель плазменной закалки………..…………………………………………4

2. Упрочняемые материалы.....……………………………………….....…….4

3. Физическая сущность процесса……………………………..……………..4

4. Упрочняемые детали……………….……………………….………………5

5. Технологический процесс………………………………………………….10

6. Состав оборудования...…………………………………………………......11

7. Эффективность……………………………………………………..……….15

Заключение …………………………………………...……………………….16

Контактная информация………………………………………………...……18

Приложения…………………………………………………..…………......…19

Введение

Перспективным направлением решения этой проблемы представляется упрочняющая термическая обработка рабочей поверхности концентрированным потоком энергии. Образующиеся при скоростных нагреве и охлаждении структуры закалочного типа обладают высокими твердостью, износостойкостью, сопротивлением разрушению. Причем, упрочнение целесообразно осуществлять как для новых деталей, так и для реставрированных, например, наплавкой и (или) механической обработкой рабочей поверхности, используя дешевые высокопроизводительные методы с низкой трудоемкостью, пригодные для применения в условиях действующего производства.

Широкое промышленное применение большинства известных способов упрочняющей обработки концентрированным потоком энергии (лазерной, электроннолучевой, катодно-ионной и др.) сдерживается высокой стоимостью и сложностью оборудования, недостаточными его надежностью и производительностью, необходимостью использования вакуума , специальных помещений с особыми требованиями, потребностью в квалифицированном обслуживании, высокими эксплуатационными расходами и др.

В этих условиях, для продления эксплуатационного ресурса быстроизнашивающихся деталей рациональным по параметрам универсальности, доступности, экологичности и экономической эффективности представляется способ поверхностной термообработки плазменной дугой прямого действия. Не изменяя параметров шероховатости поверхности, такая термообработка легко встраивается в технологический процесс подготовки и ремонта деталей, являясь финишной операцией, малозатратна, достаточно производительна и позволяет эффективно увеличить их эксплуатационную стойкость.

Необходимо отметить, что применение поверхностной термической обработки не только не исключает, а в целом ряде случаев увеличивает эффективность наплавки, поскольку позволяет использовать относительно дешевые материалы с меньшей твердостью наплавленного металла. При этом наплавкой восстанавливают первоначальные размеры рабочей поверхности, без затруднений проводят механическую обработку наплавленного слоя, а окончательный комплекс свойств формируют в процессе плазменной закалки. Применение комплексного технологического процесса восстановления и упрочнения деталей обеспечивает при весьма невысокой себестоимости эффективность реновации за счет ресурсо - и энергосбережения в сочетании с экологичностью.

Представленные разработки являются результатом научно-исследовательской деятельности -Техно-Плазма совместно с Лабораторией плазменных процессов Нижнетагильского технологического института (филиала) Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России ».

1.Цель плазменной закалки

Целью плазменной закалки является повышение эксплуатационного ресурса деталей машин за счет упрочнения их поверхностного слоя (толщиной до нескольких миллиметров) термической обработкой плазменной дугой при неизменном общем химическом составе материала и сохранении во внутренних слоях первоначальных свойств исходного металла.

2. Упрочняемые материалы

Железоуглеродистые сплавы (0,2…3,7 мас. % С), испытывающие полиморфные превращения при нагреве – охлаждении.

3. Физическая сущность процесса

Упрочнение является результатом высокоскоростного локального нагрева плазменной дугой поверхностного слоя изделия до высоких (выше АС3) температур и быстрое его охлаждение со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода в глубинные (внутренние) слои материала изделия. Образующиеся при скоростном нагреве и охлаждении структуры закалочного типа обладают высокими твердостью, износостойкостью и сопротивлением разрушению. Эффект от плазменной закалки определяется повышением эксплуатационных свойств детали благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла, а также получения на поверхности сжимающих остаточных напряжений.

Структурные превращения в целом соответствуют происходящим при объемной закалке, однако, высокие скорости нагрева и охлаждения вызывают изменение соотношений между структурными составляющими, изменение их морфологии вследствие повышенной дефектности кристаллического строения (увеличение плотности дислокаций, измельчение блоков и рост напряжений в кристаллической решетке).

Таблица 1. Твердость поверхности сталей после плазменной закалки, HRC

Конструкционные углеродистые и низколегированные 34ХН1М, 38ХС, 40Х, 40ХН, 45
Пружинные 50ХФА, 65Г, 60С2
Инструментальные углеродистые У7, У8, У9, У10
Валковые 60ХН, 9Х, 9Х2МФ
Штамповые 5ХНМ, 5ХНВ, 4Х5ФМС

Таблица 2. Сравнение твердости сталей после плазменной закалки и

после других способов термообработки

	Твердость, HRC
Объемная закалка	Закалка ТВЧ	Плазменная закалка

В результате плазменной закалки железоуглеродистых сплавов в зоне термического влияния глубиной 0,5…2,5 мм образуется модифицированная мартенситно-аустенитная структура с переменным в зависимости от режима обработки и структурного класса сплава составом. Содержание фазонаклепанного остаточного аустенита в поверхностном слое составляет от 5 до 80 % в зависимости от состава сплава и режима обработки. В условиях динамического контактного трения при эксплуатации возможно дополнительное деформационное упрочнение термообработанной поверхности за счет превращения остаточного аустенита в мартенсит деформации и наклепа металлических фаз. Средняя твердость поверхности при этом возрастает и, соответственно, повышается износостойкость.

4. Упрочняемые детали

Условно можно разделить на три группы по назначению:

4.1. Детали рельсового транспорта (бандажи колес локомотивов, вагонов, колёса шахтных вагонеток, крановые колёса и т. п.). В качестве примера - фото 1-3.

Фото 1. Закалка кранового колеса (сталь 45), повышение твердости поверхности от исходной HB 160 до HB 300 после закалки	Фото 2. Закалка бандажей колёс локомотивов на Качканарском ГОКе
Фото 3. Закалка ходовой части колесных пар, повышение твердости до 58 HRC

4.2. Сменный технологический инструмент и оборудование (прокатные валки, бандажи, ролики, пуансоны, матрицы, ножи, штампы, буровой инструмент и др.). Примеры представлены на фото 4-24:

Фото 4. Закаленная внутренняя поверхность кольца пуансона (сталь 45Х1 от 48...50 до 60...62 HRC)	Фото 5. Закаленный ролик (сталь 34ХН1М от HB 240 до 55 HRC)
Фото 6. Закалка матрицы для холодной штамповки (сталь 40ХН от 20 до 52 НRC)	Фото 7. Закалка тройниковой матрицы для холодной штамповки от 50 до 60 НRC

Фото 8. Закаленная внутренняя поверхность матрицы	Фото 9. Закалка трефа валка (сталь 34ХН1М)
Фото 10. Закаленные ролики трубопрокатного стана	Фото 11. Закаленный валок АНЛПМК
Фото 12. Закаленная с оплавлением деталь буровой коронки	Фото 13. Закалка ролика (сталь 40Х до 50-55 HRC с водяным охлаждением)
Фото 14. Закаленные пальцы (сталь 45ХН2МФА до 55 HRC)	Фото 15. Закаленный вал холодной прокатки (сталь 9ХС до 60 HRC)
Фото 16. Закалка бандажа в механическом цехе Уфалейского завода металлургического машиностроения для Коршуновского ГОКа (сталь 40Л от НВ 200 до 50 HRC)	Фото 17. Устройство закалки направляющей (сталь 9ХФ с 30 HRC до 60 HRC)
Фото 18. Закаленные коренные шейки коленвала (сталь 45Г2 с 30 HRC до 50 HRC)	Фото 19. Закалка клапана (сталь 30Х13 с 28 HRC до 50 HRC)
Фото 20. Закаленный фрагмент полукольца (сталь 45 с 25 HRC до 55 HRC)	Фото 21. Закалка вала (сталь 40Х до 55 HRC)
Фото 22. Лопатка дробомета (сталь 45 до 50 HRC)	Фото 23. Трефы валков пильгерстана (сталь 45 до 57 HRC)
Фото 24. Закаленный нож сталь 6Х3В2МФС до 62HRC

4.3. Детали общего машиностроения (шестерни, звездочки, кольца, валы, оси, втулки, шкивы, посадочные места под подшипники, чугунные станины и пр.). См. фото 25-42:

Фото 25. Закаленная внутренняя поверхность стальной втулки	Фото 26. Закалка втулки изнутри (сталь 20 от HB 140 до 50 HRC)
Фото 27. Закаленная изнутри чугунная гильза дизеля «КАМАЗ»	Фото 28. Закаленные тормозные барабаны
Фото 29. Ось (сталь 45)	Фото 30. Закаленные кулачки на валах (сталь 38Х2Н2МА от HB 240 до HB 500)

Фото 31. Косозубая шестерня	Фото 32. Закаленные зубчатые рейки
Фото 33. Закаленные вал-шестерни (сталь 30ХГСА)	Фото 34. Закаленная звездочка (сталь 20)
Фото 35. закаленные рабочие поверхности муфты кулачковой (сталь 50 с 30 HRC до 60 HRC)	Фото 36. Закаленные зубья шестерни (сталь 30хгса с 25 HRC до 60 HRC)
Фото 37. Закаленные шлицы (55 HRC)	Фото 38. Закалка рычага двигаHRC)
Фото 39. Закаленная рабочая часть рычага двигателя (сталь 45Х до 57 HRC)	Фото 40. Погон (сталь 20Х13 с 20 HRC до 52 HRC)
Фото 41. Закаленная тонкостенная деталь (сталь 20 до 40 HRC)	Фото 42. Пальцы (сталь 40Х до 52 HRC)

5. Технологический процесс

Технологический процесс плазменной закалки включает механическую обработку (при необходимости) и (или) очистку поверхности, подлежащей упрочнению, и собственно термообработку, которая, как правило, является финишной операцией.

Термообработка осуществляется при помощи плазматрона собственной конструкции (фото 43), генерирующего плазменную дугу прямого действия (между катодом и упрочняемым изделием) в атмосфере аргона. Перемещение плазматрона осуществляется в автоматическом режиме с использованием станочного оборудования или вручную, при этом плазмотрон устанавливается на специальном держателе.

Фото 43. Плазматрон

Обработка может производиться с оплавлением поверхности и без оплавления. Следует отметить, что даже при режимах, при которых не наблюдается видимого оплавления поверхности упрочняемого изделия, происходит изменение ее микрорельефа: уменьшается высота микронеровностей, увеличивается радиус закругления вершин за счет их микрооплавления. Это благоприятно сказывается на изменении параметров шероховатости обрабатываемой поверхности и увеличивает её несущую способность, повышает эксплуатационные свойства упрочненных изделий.

При плазменной закалке без плавления поверхности глубину упрочненного слоя можно изменять в пределах 0,5…2,5 мм, ширину локальной зоны закалки можно регулировать в пределах 5…25 мм. Большую ширину можно получить за счет сканирования дуги, когда наряду с поступательным перемещением она совершает поперечные колебания. Сканирование дуги реализуется за счет взаимодействия ее собственного магнитного поля с внешним поперечным переменным полем, создаваемым электромагнитной системой, размещенной на плазмотроне.

Для восстановления деталей различного назначения с одновременным повышением износостойкости возможно применение комбинированной технологии в виде сочетания плазменной закалки с наплавкой. Зачастую, использование наплавки износостойкими сплавами сдерживают проблемы механической обработки наплавленного слоя с твердостью больше 45 HRC. Предлагаются следующие комбинированные способы обработки:

– изношенные детали наплавляются материалом с повышенной твердостью HВ 420…450 (ПП 25Х5ФМС и др.). Механическая обработка наплавленной поверхности производится с плазменным подогревом, что повышает производительность в 2…4 раза. После обточки производится плазменная закалка до твердости 48…52 HRC;

– после наплавки материалами, обеспечивающими твердость HB 290…340 (Нп 30ХГСА и др.) и обточки, деталь упрочняется плазменной закалкой до твердости 49…53 HRC.

6. Состав оборудования

6.1. Установка для закалки в автоматическом режиме (УПЗА-1)

В качестве источника питания плазмотрона применяется сварочный выпрямитель типа ВДУ . Источник комплектуется защитными блокировками, электропневмоклапаном, расходомером газа, пультом для управления возбуждением и сканированием дуги и др.

Таблица 3. Основные данные установки

Наименование параметра	Значение
Номинальная частота, Гц Первичный ток, А, не более Номинальный рабочий ток, А Масса, кг, не более
Наименование	Назначение
Датчик давления воды Датчик давления аргона Датчик вращения детали	Предохранение плазмотронов от выхода из строя

Таблица 4. Узлы, входящие в комплект установки

Аппаратура может работать в комплекте со станком, вращателем или другим механизмом, который обеспечивает перемещение закаливаемой поверхности относительно плазмотрона с линейной скоростью 3…5 см/с.

В институте аппаратура плазменной закалки смонтирована на базе установки плазменной наплавки типа УПН 303 (фото 44). Подобные установки, которые практически не эксплуатируются в связи с высокой стоимостью наплавочных порошков, имеются на ряде предприятий. Рационально их переоборудовать в установки плазменной закалки. К примеру, такую работу планируется провести на Северском трубном заводе.

На Качканарском, Михайловским и Лебединском горно-обогатительных комбинатах и в окатыш» эта установка работает в комплекте со станком КЖ 20 (разновидность колесофрезерного станка). При закалке бандажей для Коршуновского ГОК использовался карусельный станок механического цеха Уфалейского завода металлургического машиностроения (фото 16).

Фото 44. Установка плазменной закалки

на базе УПН 303

Изготовленные в г. г. установки для закалки в автоматическом режиме поставлены на Катав-Ивановский механический завод и на Механический завод (г. Бийск).

6.2. Установка для закалки в ручном режиме

Разработана и предлагается установка плазменной закалки в ручном режиме (УПЗР-1) на базе сварочного выпрямителя ВДМ 2х313 производства «ЭТА» (Санкт-Петербург). На фото 45 показана такая установка, поставленная на Катав-Ивановский механический завод.

Фото 45. Установка УПЗР-1

Таблица 5. Основные данные установки

Наименование параметра	Значение
Номинальное напряжение питающей сети трехфазного переменного тока, В Номинальная частота, Гц Первичная мощность, кВА, не более Первичный ток, А, не более Напряжение холостого хода, В, не более Номинальное рабочее напряжение, В Номинальный рабочий ток, А Пределы регулирования рабочего тока, А Коэффициент полезного действия, % не менее Масса, кг, не более Производительность установки, см2 /с
Блокировки и предохранительные устройства
Наименование	Назначение
Датчик давления воды	Предохранение плазматронов от выхода из строя
Органы управления и их назначение
Расходомер – редуктор Пульт дистанционного управления	Грубая регулировка расхода аргона Возбуждение дуги, регулирование рабочего тока и напряжения, управление сканирующим устройством

Таблица 6. Узлы, входящие в комплект установки

Примеры применения установки показаны на фото 46-57.

Фото 46. Закалка деталей вручную	Фото 47. Закалка зубьев звездочки (сталь 45 от HB 200 до 50 HRC)
Фото 48. Закалка храповых колец (сталь 45х2нмф от 20 до 50 HRC)	Фото 49. Закалка вала для проката шара Д40мм для (сталь 35ХГС от 23 до 50 HRC)
Фото 50. Закалка зубьев кремальерной шестерни для Завода «Металлист» (от 16 HRC до 40 HRC)	Фото 51. Закалка рычага двигателя сталь 45Х для Челябинского тракторного завода
Фото 52. Закалка звездочки (сталь 48 с 20 HRC до 55 HRC)	Фото 53. Трефы валков пильгерстана (сталь 45 до 57 HRC)
Фото 54. Хвостовики (сталь 34хн3м до 58 HRC)	Фото 55. Зубья втулки (сталь 40Х до 52 HRC)
Фото 56. Закалка шлицов сталь 45 до 50HRC	Фото 57. Закалка шестерни сталь 45 до 48HRC

Возможны также изготовление и поставка универсальной установки для закалки в ручном и автоматическом режимах (УПЗРА-1).

Еще раз хотелось бы отметить, что всё вышеперечисленное оборудование обладает мобильностью, малыми габаритами и может быть размещено в составе оборудования механической обработки деталей (с использованием последнего в качестве механизма перемещения этих деталей при плазменной закалке). Закалка может быть совмещена с обтачиванием детали (если это необходимо), образуя единый ремонтный цикл.

Экономическая эффективность от внедрения разработанных научно-технических и технологических решений составляет от 5 до 10 рублей на рубль затрат.

Заключение

Можно отметить следующие преимущества плазменной закалки по сравнению с другими способами термообработки:

1) при закалке концентрированными источниками энергии в силу специфичности обработки (высокие скорости нагрева и охлаждения) удается получить такую структуру и свойства поверхностного слоя, которые недостижимы при традиционных способах термической обработки;

2) упрочняется только поверхностный слой, а сердцевина остается вязкой, что обеспечивает повышенное сопротивление одновременно изнашиванию и усталости;

3) отсутствие или минимальные деформации упрочняемых деталей, что позволяет повысить точность их изготовления, снизить трудоёмкость механической обработки и затраты на изготовление;

4) высокая производительность (3-5 см2/с в зависимости от требуемой глубины и степени перекрытия закаленных участков);

5) при закалке без оплавления поверхности не требуется последующая механическая обработка, что позволяет использовать ее в качестве финишной операции технологического процесса;

6) наличие в поверхностном слое сжимающих напряжений и присутствие остаточного аустенита повышают сопротивляемость зарождению и распространению трещин;

7) возможность замены высоколегированных сталей низколегированными, упрочненными плазменной закалкой, возможно в сочетании с наплавкой;

8) высокий эффективный КПД нагрева плазменной дугой (до 85 %), для сравнения, при лазерном упрочнении – 5 %;

9) простота обслуживания, мобильность, невысокие стоимость и эксплуатационные расходы, малые габариты технологического оборудования, возможность автоматизации и роботизации технологического процесса.

10) по сравнению с лазерной и электроннолучевой закалкой плазменная имеет следующие преимущества:

– стоимость оборудования на порядок ниже;

– простота работы на установке и её обслуживания, т. е. не требуется высококвалифицированный обслуживающий персонал;

– мобильность установки, т. е. возможность перемещения и быстрого монтажа на любом станке, обеспечивающем необходимую скорость перемещения детали или плазматрона;

– не требуется, как при лазерной закалке, наносить на поверхность специальные покрытия для увеличения поглощения лазерного излучения;

Технология закалки плазменной дугой является оптимальной по параметрам универсальности, доступности, экологичности и экономической эффективности. Она позволяет увеличить срок службы деталей, минимум, в 1,5…2 раза и сократить затраты на обслуживание и ремонт оборудования на 40…50 %. Кроме того, эта технология производительней и дешевле других способов поверхностной закалки (в том числе и ТВЧ). Установка плазменной закалки малогабаритна, мобильна, проста в эксплуатации и обслуживании, обеспечивает возможность автоматизации процесса в сочетании с обычными требованиями производственной безопасности. После плазменной закалки без оплавления не требуется механической обработки, и она может являться финишной операцией.

В экономической эффективности этой технологии убедились такие предприятия, как Северский трубный завод, Лысьвенский металлургический завод, Качканарский, Михайловский и Лебединский горно-обогатительные комбинаты, Уралмашзавод, Уфалейский машиностроительные завод, Механический завод (г. Бийск), ЗАО «Горнозаводсктранспорт» и другие.

В рамках коммерческого предложения - оказание услуг по закалке требующих упрочнения деталей, поставка установок плазменной закалки, включая монтаж, пусконаладочные работы, гарантийный ремонт, сервисное обслуживание и обучение персонала. Работы могут производиться непосредственно на вашем предприятии или в г. Нижний Тагил. Возможна закалка опытных образцов. Рассмотрим предложения по созданию участка на ваших производственных площадях.

Контактная информация

г. Нижний Тагил, -40, -Техно-Плазма

Директор: - 8-

Начальник отдела сбыта: (34, 8-,

E-mail: dryzhinin. *****@***ru

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Расчет фактического экономического эффекта от плазменной закалки бандажей и планшайб роликоправильной машины Нижнетагильского металлургического комбината (повышение стойкости в 2,5-3 раза).

Приложение 8

Характеристика приводных вал-шестерней, представленная (увеличение срока службы в 1,6 раза).

Приложение 9

Акт производственных испытаний роликов рольгангов Череповецкого металлургического комбината. Износ закаленных плазмой роликов уменьшился в 5 раз.

Приложение 10

Акт производственных испытаний прокатных валков блюминга 1150 НТМК, сталь 50ХН. Стойкость после плазменной закалки повысилась на 45 %.

Приложение 11

Акт эксплуатационных испытаний прокатных валков из стали 60ХН удостоверяет повышение стойкости после плазменной закалки в 1,7 раза.

Приложение 12

Акт промышленных испытаний молотовых штампов на ВСМПО (увеличение эксплуатационной стойкости после плазменной закалки на 25 %).

Приложение 13

После плазменной закалки чугунных валков (СШХНМ-42) рельсобалочного цеха Нижнетагильского металлургического комбината, их износостойкость возросла на 46 %.

Приложение 14

Стойкость валков из чугуна СПХН-45 возросла на 33,7 %.

Приложение 15

Стойкость бандажей локомотивов увеличилась в 1,8 раза.

Задачей технологии плазменного упрочнения является получение на детали упрочненного слоя с заданными эксплуатационными характеристиками (износостойкость, прочность, трещиностойкость, выносливость и др.).

Технологические процессы, в которых материал подвергают воздействию концентрированных потоков энергии в виде электронного луча, лазера, плазмы (сварка, наплавка, резка, упрочнение, напыление), в настоящее время достаточно распространены в промышленности.

К достоинствам обработки электронным лучом в вакууме следует отнести высокие значения эффективного КПД нагрева (h » 0,85) при общем КПД технологических электронно-лучевых установок 50%, возможность передачи потоков энергии мощностью более 40-100 кВт, отсутствие окисления нагреваемой поверхности, высокую производительность процесса и др. В то же время большие капитальные затраты на приобретение и монтаж оборудования, затраты, связанные с его эксплуатацией и обслуживанием, ограничивают применение электронно-лучевой обработки деталей крупносерийным и массовым производством в машиностроении и инструментальной промышленности.

Лазерная обработка интенсивно развивается, но основное распространение получили лазеры мощностью до 5 кВт. Лазеры большей мощности являются дорогостоящим оборудованием, эксплуатация которого экономически целесообразна при его загрузке на 80-90%.

Лазерное излучение обеспечивает наиболее высокую концентрацию нагрева (плотность мощности) 10 8 -10 9 Вт/см 2 , но не для всех технологических процессов это преимущество может быть реализовано. Так, при упрочнении без оплавления существует критическая плотность мощности Е кр, выше которой происходит оплавление поверхности. Для различных сталей значение Е кр находится в интервале (2-6)10 4 Вт/см 2 , т. е. используется диапазон плотности мощности, характерный для плазменной обработки.

Плазменные источники обеспечивают плотность мощности 10 4 -10 5 Вт/см 2 , т. е. меньше, чем электронный и лазерный луч, но их единичная мощность может достигать 160 кВт и более, а эффективный КПД нагрева - 0,72. Плазменное оборудование по стоимости и сложности изготовления вполне сопоставимо с электродуговым. Его широко применяют для резки, наплавки, напыления, сварки и более ограниченно для упрочнения.

Способы плазменного упрочнения

Следует выделить два направления использования плазменного нагрева. Первое связано с использованием нагрева, осуществляемого плазмой тлеющего разряда в вакуумной камере при давлении остаточного воздуха 1,33-13,3 Па. Этот процесс получил распространение для химико-термической обработки инструмента и других малогабаритных деталей. К недостаткам способа следует отнести наличие вакуумной камеры и ограничение обрабатываемых деталей ее размерами. Кроме того, плотность мощности, передаваемая обрабатываемой детали, небольшая.

К этому же направлению следует отнести и технологию электролитно-плазменного упрочнения. Электролитный нагреватель, включенный в электрическую цепь в качестве анода, подводят к изделию, которое является катодом. Замыкание электрической цепи между анодом-электронагревателем и поверхностью изделия происходит через электролит (водный раствор соли). Преобразование электрической энергии в тепловую идет преимущественно в приграничном к изделию слое. В результате нагрева этот слой переходит в парогазовое состояние, в нем под воздействием приложенного напряжения возбуждаются микродуги. Плотность мощности достигает 2,4 × 10 3 Вт/см 2 . Так как в качестве электролита используют водный раствор соли, то этим же электролитом можно производить охлаждение и закалку нагретых участков поверхности.

Второе направление применения плазменного нагрева базируется на использовании сжатой дуги прямого или косвенного действия, генерируемой специальным плазмотроном. Под воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующего газа столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, а температура в центральной части столба дуги повышается до 10 000-50 000 К. В результате внутренний слой, соприкасающийся со столбом дуги, превращается в плазму, а наружный спой, омывающий стенки канала сопла, остается сравнительно холодным, образуя электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла. Этот охлажденный слой газа препятствует отклонению столба дуги от заданного направления и замыканию его на стенку канала сопла. Напряжение сжатой дуги составляет 60-200 В, что в три-десять раз больше, чем в свободной дуге. Плотность тока сжатой дуги достигает 100 А/мм 2 , т. е. на порядок выше, чем у свободной, а удельная мощность достигает 2 × 10 6 Вт/см 2 .

Упрочнение сталей с нагревом концентрированными потоками энергии (КПЭ) по аналогии с другими видами закалки заключается в формировании на этапе нагрева аустенитной структуры и ее последующем превращении в мартенсит на этапе охлаждения. При этом подводимая тепловая энергия больше энергии, необходимой для перестройки кристаллической решетки, а сама перестройка происходит с некоторой конечной скоростью. Поэтому превращение осуществляется в интервале температур от Ас1нач до Ас1кон, т. е. окончание аустенитного превращения смещается в область высоких температур Т (рис. 1, область 1).

Вследствие высокой скорости нагрева диффузионные процессы перестройки решетки объемно-центрированного куба избыточного феррита в решетку гранецентрированного куба аустенита могут не заканчиваться на линии GS диаграммы Fe - Fe 3 C и сдвигаться в область более высоких температур (область 2). Также может происходить микроплавление границы цементита с аустенитом (область 3).

Рис. 1. Участок диаграммы Fe - Fe 3 C с особенностями структурных превращений при высокоскоростном нагреве

При обработке сварочной дугой скорость нагрева достигает 1000-3000 °С/с. При таких скоростях нагрева смещение всех стадий аустенизации в сталях в область более высоких температур может достигать 100-300 °С. В результате нагрева КПЭ формируется структура, особенности которой обусловлены степенью завершенности процесса аустенизации, определяемой скоростью и температурой нагрева, временем воздействия, исходной структурой и др. При достаточно высокой температуре нагрева или при относительно большом времени воздействия возможно формирование однородного аустенита. Уменьшение температуры нагрева и времени воздействия в результате повышения критических точек и замедления процесса гомогенизации приводит к большой неоднородности аустенита в стали, особенно по углероду. Кроме аустенита, в этих условиях при высокой температуре возможно существование нерастворившихся карбидов.

Степень неоднородности структуры, образовавшейся в результате нагрева КПЭ, зависит от дисперсности исходной структуры. Причем чем дисперснее исходная структура, тем меньше неоднородность аустенита.

Процесс обработки КПЭ с целью термоупрочнения характеризуется высокими скоростями охлаждения, которые приводят к закалке поверхностных участков. Для получения мартенсита в сплавах железо-углерод в интервале температур минимальной устойчивости аустенита (400-600 0 С) необходимо обеспечить скорость охлаждения больше критической, которая для большинства сплавов железа находится в интервале 50-200 °С/с. Охлаждение при нагреве КПЭ характеризуется значительно большими скоростями. Так, скорость охлаждения при плазменном упрочнении изменяется в пределах от 10 4 до 10 6 °С/с. Плазменное упрочнение осуществляют без оплавления и с оплавлением поверхности детали.

Установлены энергетические пороги, определяющие режимы упрочнения (рис. 2). Энергетический порог W 1, соответствует нагреву металла до температуры начала аустенитного превращения. Дальнейшее увеличение плотности мощности приводит к возрастанию твердости обрабатываемой стали, которая достигает наибольшей величины при нагреве без оплавления при втором значении энергетического порога W 2. Затем увеличение плотности мощности приводит к незначительному повышению твердости, а третий порог W 3 соответствует началу оплавления поверхности.

Рис. 2. Влияние плотности мощности в пятне нагрева на поверхностную твердость

Плазменное упрочнение без оплавления поверхности наиболее распространено, так как позволяет в широких пределах регулировать твердость, размеры и эксплуатационные характеристики обрабатываемой зоны при сохранении высокого качества поверхности. Упрочнение с оплавлением поверхности обычно используют для достижения особых эксплуатационных свойств.

При плазменном термоупрочнении отдельные слои обрабатываемого участка прогреваются по глубине до различных температур, вследствие чего зона термического воздействия (ЗТВ) имеет слоистое строение. В зависимости от микроструктуры и микротвердости в сталях по глубине ЗТВ различают три слоя (рис. 3).

Рис. 3. Схема строения ЗТВ при плазменном упрочнении

Зона оплавления 1 (первый слой) имеет место при закалке с оплавлением. Как правило, зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая - мартенсит, карбиды обычно растворяются. При оптимальных режимах закалки с расплавлением обезуглероживание не происходит, нет пор и шлаковых включений. При плазменной закалке без оплавления первый слой отсутствует.

Второй слой - зона закалки 2 из твердой фазы. Его нижняя граница определяется температурой нагрева до Ас1. В этом случае наряду с полной закалкой происходит и неполная. По глубине данный слой характеризуется структурной неоднородностью. Ближе к поверхности имеются мартенсит и остаточный аустенит, полученные при охлаждении из гомогенного аустенита. Ближе к исходному металлу наряду с мартенситом имеются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидной стали и цементит в заэвтектоидной.

В переходной зоне 3 (третий слой) металл нагревается ниже точки Ас1. Если сталь имеет исходное состояние после закалки или отпуска, то в результате плазменной обработки в этом слое образуются структуры отпуска - троостит или сорбит, характеризуемые пониженной твердостью.

Зона термического влияния плазменной струи (дуги) имеет форму сегмента, по своему строению она аналогична ЗТВ электронного и лазерного лучей.

При плазменном нагреве не всегда удается избежать накопления теплоты в обрабатываемом изделии. С целью устранения накопления теплоты в изделии используют плазменное упрочнение в жидких средах. Обрабатываемое изделие погружают в жидкость таким образом, чтобы над его поверхностью была жидкая прослойка определенной толщины.

Литература:

Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. – К.: «Екотехнолог i я», 2003 – 64 с.

Сущность плазменной закалки состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали.

Цель плазменной закалки - изготовление деталей и инструмента с упрочненным поверхностным слоем толщиной до нескольких миллиметров при неизменном общем химическом составе материала и сохранении во внутренних слоях первоначальных свойств исходного металла.

Материалы, подвергаемые плазменной закалке - инструментальные стали, чугуны, твердые сплавы, цементированные и нитроцементированные стали, цветные сплавы и другие материалы.

Эффект от плазменной закалки определяется повышением эксплуатационных свойств детали, благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью, а также получения на поверхности сжимающих остаточных напряжений.

Плазменная закалка низкоуглеродистых сталей, обычно объемной закалке не подвергающихся, позволяет получить низкоуглеродистый пакетный мартенсит с твердостью 32…38 HRC. При обработке на режимах, обеспечивающих нагрев в области Ас1…Ас3, отдельные участки на месте перлитных зерен общей площадью 10…30 % имеют структуру высокоуглеродистой стали - мартенсит и остаточный аустенит с твердостью 750…820 HV. Такая комбинированная структура (феррит, перлит, мартенсит и остаточный аустенит) сочетает высокую износостойкость и пластичность, что позволяет расширить область применения низкоуглеродистых сталей. Плазменная закалка среднеуглеродистых литейных и конструкционных сталей обеспечивает в зоне упрочнения мартенситно-аустенитную структуру и твердость на 2…4 единицы HRC выше по сравнению с объемной закалкой и закалкой ТВЧ. После плазменной закалки в поверхностном слое фиксируется до 50 % остаточного аустенита, что позволяет реализовать энергопоглощающий процесс деформационного мартенситного пре- вращения в ходе эксплуатации. Износостойкость деталей, особенно при контактно-ударном взаимодействии и абразивном изнашивании, в этом случае многократно возрастает. С высокой эффективностью упрочняются углеродистые инструментальные стали типа У8, У10, стали для инструмента холодного деформирования типа 5ХВ2С, 9ХС, Х12, стали для инструмента горячего деформирования типа 5ХНМ, 60ХН и др. Образующаяся в поверхностном рабочем слое мелкозернистая мартенситно-аустенитная структура с твердостью до 65 HRC обладает повышенными прочностью и износостойкостью. Регулирование соотношения структурных составляющих в зоне упрочнения инструментальных сталей осуществляется путем тепловой стабилизации аустенита в области мартенситного превращения, подбором режимов предварительной термообработки и плазменной закалки. При плазменной закалке чугунов (с пластинчатым графитом типа СЧ 15-32, СПХН-45, СПХН-49; с шаровидным графитом - СШХНМ-42, СШХН-49 и др.) в поверхностном слое формируется структура с высокими твердостью (до 60 HRC) и износостойкостью. В зоне микрооплавления образуется ледебурит, вокруг графитных включений наблюдается высокоуглеродистый аустенит, в котором при охлаждении образуются участки мартенсита. В зоне плазменной закалки перлитных чугунов образуется мартенситно-аустенитная структура, ферритных - сорбито-троститная. Важными достоинствами упрочненных плазменной закалкой чугунных прокатных валков являются высокие твердость и, одновременно, сопротивляемость образованию трещин разгара за счет наличия аустенитной составляющей, что повышает их износостойкость на 40...60 %. Технологический процесс закалки включает механическую обработку (при необходимости) или очистку поверхности, подлежащей упрочнению, и плазменную термообработку, которая, как правило, является финишной операцией. Важной особенностью плазменной закалки является возможность ее эффективного применения для дополнительного упрочнения поверхности деталей, прошедших обычную объемную термическую обработку. Широкое внедрение процессов плазменной закалки в производство невозможно без обобщения результатов исследований и производственного опыта, научного обоснования закономерностей формирования фазового состава, структуры и свойств модифицированного термической обработкой поверхностного слоя, обеспечивающих гарантированное получение требуемых эксплуатационных характеристик деталей в зависимости от технологических параметров режима обработки. Сущность плазменного термоупрочнения железоуглеродистых сплавов заключается в нагреве локального участка поверхности детали выше критических температур фазовых переходов (Ас1, Ас3, Асm) и последующем охлаждении с высокой скоростью, гарантирующей образование закалочных структур. Как и при обычной термообработке, особенности полученного в результате плазменной закалки структурного состояния определяются степенью гомогенизации аустенита при нагреве, его продолжительностью, а также исходными составом и структурой сплава. Окончательное структурное состояние и свойства, сформированные в зоне термического влияния после поверхностного нагрева, зависят от скорости охлаждения в температурном интервале наименьшей устойчивости аустенита, состава и размеров его зерна, ряда других факторов, определяемых пара- метрами термического цикла в ЗТВ. Для генерации концентрированного потока энергии при плазменной закалке используются специальные устройства - плазмотроны. В сравнении с обычной свободно горящей дугой, генерируемой горелкой с неплавящимся электродом в защитной атмосфере аргона плазменная дуга при сопоставимой электрической мощности имеет повышенную (15000…20000 К) температуру и более сосредоточенный тепловой поток . Это достигается уменьшением проводящего сечения дуги, сжатой в канале сопла потоком плазмообразующего газа, молекулы которого, в свою очередь, ионизируются в столбе дугового разряда, повышая тем самым долю ионного тока. Большинство плазмотронов работает на постоянном токе прямой полярности (отрицательный потенциал на электроде), поскольку тепловыделение в анодном пятне дуги выше, чем в катодном. Такое распределение потенциалов увеличивает термический КПД нагрева детали и снижает тепловую нагрузку на электрод. В плазмотронах, генерирующих сжатую дугу прямого действия, горящую между электродом и поверхностью детали, теплопередача в деталь осуществляется за счет теплопроводности, конвекции, излучения и кинетической энергии заряженных частиц, запасенной в электрическом поле.

Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование) - введение примесных атомов в твёрдое тело бомбардировкой его поверхности ускоренными ионами. При ионной бомбардировке мишени происходит проникновение ионов вглубь мишени. Внедрение ионов становится существенным при энергии ионов Е>1 кэВ.

Формально ионной имплантацией следовало бы называть облучение поверхности твердого тела атомами или атомарными ионами с энергией не менее 5-10 энергий связи атома в решетке облучаемой мишени (тогда до остановки ион или атом пройдет не менее 2-3 межатомных расстояний, т.е. внедрится, “имплантируется” в объем мишени). Однако, мы по традиции термином “ионная имплантация” называем здесь более узкий диапазон энергий - от 5-10 кэВ до 50-100 кэВ. Движущиеся частицы в результате многократных столкновений постепенно теряют энергию, рассеиваются и в конечном итоги либо отражаются назад, либо останавливаются, распределяясь по глубине. Энергетические потери обусловлены как взаимодействием с электронами мишени (неупругие столкновения), так и парными ядерными (упругими) столкновениями, при которых энергия передаётся атомам мишени в целом и резко изменяется направление движения частицы. При высоких энергиях и малых прицельных параметрах ядра сталкивающихся частиц сближаются на расстояния, меньшие радиусов электронных орбит, и их взаимодействие описывается кулоновским потенциалом. При низких энергиях существенно экранирование ядер электронами. Обычно раздельно рассматривают взаимодействие движущегося иона с электронами (свободными и на внешних оболочках атомов) и взаимодействие между ядрами иона и атома мишени, считая оба механизма потерь аддитивными, а среду однородной и изотропной (теория Линдхарда-Шарфа-IIIиотта, ЛШШ). Теория предсказывает, что удельные потери энергии с ростом энергии иона в зоне упругих столкновений проходят через максимум а затем убывают. Удельные потери в неупругих столкновениях с ростом энергии возрастают по коренному закону. При очень больших скоростях энергиях ион движется в мишени как голое ядро и удельные потери энергии убывают с дальнейшим её ростом. Траектория иона представляет собой сложную ломаную линию, состоящую из отрезков пути между элементарными актами рассеяния на большие углы. Функция распределения стабилизированных ионов по глубине образца имеет максимум (расстояние точки максимума от поверхности определяется величиной среднего пробега ионов данной энергии.

Важными характеристиками процесса ионной имплантации являются т. н. проективный пробег иона Rпр -- проекция траекторного пробега на направление первонач. движения частицы, а также распределение имплантированных атомов по Rпр, т. е. но глубине х (при бомбардировке по нормали к поверхности мишени). Распределение по x частиц, имплантированных в аморфную мишень, характеризуется ср. пробегом Rср среднеквадратичным разбросом пробегов?R и параметром Sk, определяющим асимметрию распределения Пирсона. Эти величины зависят от М1 М2 и е0. При Sк = 0 распределение Пирсона переходит в гауссовское. При ионной имплантации в монокристаллы распределение внедрённых частиц по глубине может видоизменяться из-за каналирования заряженных частиц. Изменяя в процессе ионной имплантации энергию ионов, можно получить распределение внедрённой примеси по глубине желаемой формы. Полное число атомов примеси N, которое может быть имплантировано в твердотельную мишень через единицу поверхности, ограничивается распылением, если коэффициент распыления S (число атомов мишени, выбиваемых одним ионом) больше доли внедряющихся частиц б=1-k (k -- коэффициент отражения). В пренебрежении диффузией

где nS=бn0/S -- концентрация примеси у поверхности в установившемся режиме. Если S >б концентрация имплантированных атомов будет монотонно расти с увеличением дозы ионов. Наиболее широко ионная имплантация применяется для легирования полупроводников с целью создания р-n-переходов, гетеропереходов, низкоомных контактов. Ионная имплантация позволяет вводить примеси при низкой температуре, в том числе примеси с малым коэффициентом диффузии, создавать пересыщенные твёрдые растворы. Ионная имплантация обеспечивает точную дозировку вводимой примеси, высокую чистоту (сепарация пучка ионов по массам), локальность, а также возможность управления процессом с помощью электрических и магнитных полей. Для устранения образующихся при ионной имплантации радиационных дефектов и перевода внедрённых атомов в регулярные положения используют высокотемпературный прогрев. Ионную имплантацию в металлы применяют с целью повышения их твёрдости, износоустойчивости, коррозионной стойкости, создания катализаторов, изменения коэффициента трения и т. п. При больших дозах, когда концентрация внедрённой примеси сравнима с n0, возможно образование новых соединений. Ионная бомбардировка позволяет вводить примесь не только из пучка, но и из плёнки, предварительно нанесённой на поверхность мишени (имплантация атомов отдачи и ионное перемешивание). Бомбардировка ионами может сопровождаться наращиванием имплантируемого материала. Плёнки, полученные ионным осаждением, имеют высокую плотность и хорошую адгезию к подложке.

Достоинства ионной имплантации:

• 1. Возможность вводить (имплантировать) любую примесь, любой элемент Периодической Таблицы.
• 2. Возможность легировать любой материал.
• 3. Возможность вводить примесь в любой концентрации независимо от ее растворимости в материале подложки.
• 4. Возможность вводить примесь при любой температуре подложки, от гелиевых температур до температуры плавления включительно.
• 5. Возможность работать с легирующими веществами технической чистоты и даже с их химическими соединениями (тоже любой чистоты).
• 6. Изотопная чистота легирующего ионного пучка (т.е. возможность легировать не только исключительно данным элементом, но и исключительно данным изотопом этого элемента).
• 7. Легкость локального легирования (с помощью хотя бы элементарного механического маскирования).
• 8. Малая толщина легированного слоя (менее микрона).
• 9. Большие градиенты концентрации примеси по глубине слоя, недостижимые при традиционных методах с неизбежным диффузионным размыванием границы.
• 10. Легкость контроля и полной автоматизации технологического процесса.
• 11. Совместимость с планарной технологией микроэлектроники.

Ограничения, лимитирующие возможности ионной имплантации:

• 1. Возможность вводить любую примесь иногда ограничена свойствами рабочего вещества ионного источника: а) слишком высокая рабочая температура б) химическая или температурная нестойкость, в) чрезмерная токсичность, г) коррозионная активность.
• 2. Возможность легировать любой материал в действительности означает только возможность ввести, внедрить атомы легирующего вещества внутрь объема мишени. Если понятие “легирование” означает еще и вполне определенное положение в кристаллической решетке мишени, то здесь возможности ионной имплантации во многих случаях не намного больше, чем, например, диффузии. Другое ограничение - радиационная стойкость материала мишени. Условия облучения таковы, что декомпозиция сложных материалов имеет место при имплантации почти всегда (из-за испарения или распыления какой-либо компоненты химического соединения).
• 3. Возможность вводить примесь в любой концентрации ограничена сверху коэффициентом распыления слоя. Кроме того, примесь, введенная сверх предела растворимости, при отжиге дефектов, как правило, выделяется в виде преципитатов другой фазы.
• 4. Низкие температуры легирования характерны только для таких систем, где состояние кристаллической решетки несущественно. Если же нарушенную решетку нужно восстановить после имплантации, то выигрыш в температуре по сравнению, например, с диффузионным легированием становится существенно скромнее.
• 5. Преимущество технической чистоты легирующих веществ изредка омрачается необходимостью осушки вещества либо устранения из него легкоионизующихся посторонних примесей
• 6. Изотопная чистота ионного пучка отнюдь не означает изотопной же чистоты легирования. Перераспыление деталей имплантационной установки быстрыми ионами и неконтролируемое вбивание этого распыленного вещества в легированный слой может существенно испортить свойства слоя, поэтому требуются ухищрения, для исключения попадания на легируемую поверхность посторонних веществ.
• 7. Локальность легирования при имплантации обеспечивается механическим маскированием либо накладными трафаретами-масками. Здесь неприятность связана с вбиванием материала маски в легированный слой.
• 8. Малая толщина легированного слоя хороша в микроэлектронике, но отнюдь не является достоинством в металлургических применениях.
• 9. Большие градиенты концентрации примеси по глубине. Расчетные градиенты (по распределению пробегов ионов) реально никогда не получаются из-за размытия профиля, обусловленного радиационным стимулированием диффузии примеси.
• 10. Легкость контроля и автоматизации процесса во многих установках используется, но до идеала - полностью автоматизированной технологической линии - еще далеко.

Важно также помнить, что в настоящее время ионная имплантация одна из самых дорогостоящих. Ионная имплантация с сепарацией по массам - уникальный по своим возможностям метод исследования и модификации поверхностных слоев. Уникальный и по спектру легирующих примесей, и по спектру обрабатываемых материалов, и по диапазону концентраций примеси в легированном слое. Однако эта уникальность хороша только для исследовательских, поисковых целей. Как только выявляются перспективы практического использования найденных примесей, концентраций и толщин легированного слоя, так сразу же надо искать, опробовать и отрабатывать альтернативные технологии, обеспечивающие те же или близкие результаты.

прогрессивный метод локального поверхностного упрочнения, многократно повышающий надежность и долговечность изделий

СУЩНОСТЬ ПЗ состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали.

ЦЕЛЬ ПЗ - изготовление деталей и инструмента с упрочненным поверхностным слоем толщиной до нескольких миллиметров при неизменном общем химическом составе материала и сохранении во внутренних слоях первоначальных свойств исходного металла.

МАТЕРИАЛЫ, ПОДВЕРГАЕМЫЕ ПЗ - инструментальные стали, чугуны, твердые сплавы, цементированные и нитроцементированные стали, цветные сплавы и другие материалы.

ЭФФЕКТ ОТ ПЗ определяется повышением эксплуатационных свойств детали, благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью, а также получения на поверхности сжимающих остаточных напряжений.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЗ состоит из источника питания дуги, малогабаритного плазмотрона и механизма для перемещения плазмотрона или детали. В качестве источника питания используются установки плазменной сварки и наплавки УПНС-304, плазменной обработки УПО-302, УПВ-301, плазменной резки УПРП-201, сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и другие. Плазмотрон изготавливается по оригинальным конструкторским разработкам. Механизмом для перемещения может служить серийное механическое, сварочное или наплавочное оборудование.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПЗ состоит из предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно ПЗ обрабатываемой поверхности путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот. Возможны следующие технологические варианты ПЗ - без оплавления и с оплавлением поверхности детали, с промежутками между упрочненными зонами или без них. Параметры процесса ПЗ - ток плазменной дуги (струи), расход плазмообразующего газа, расстояние между плазмотроном и изделием, скорость перемещения определяются алгоритмом, обеспечивающим получение оптимальных свойств в поверхностном слое упрочняемой детали. Интегральная температура нагрева в процессе ПЗ не превышает 150..200° С. В качестве плазмообразующего газа используются, как правило, аргон или его смеси с азотом, а также воздух. Средняя ширина закаленной зоны 6..13 мм.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПЗ обработанной поверхности осуществляется визуально по наличию и сравнению цветовой окраски с эталоном, а также по увеличению твердости образца-свидетеля после ПЗ.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПЗ определяются применением сварочных источников нагрева и требуют использования вытяжной вентиляционной системы и защиты органов зрения от излучения.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЗ: режущий и мерительный инструмент, штампы, напильники; контуры резьбы ходовых винтов, шестерен, зубчатых колес, реек; рабочие профили кулачков, копиров, а также разнообразных пазов, канавок, отверстий; направляющие, шпиндели, валы, оси, штоки; детали фотоаппаратов, текстильных машин, ножи для обработки дерева, бумаги, синтетических материалов; рамные и дисковые пилы, иглы, лезвия бритв, прокатные валки, коленчатые и распределительные валы, детали газораспределительных механизмов двигателей и т.д.

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЗ. По сравнению с аналогами - способами поверхностного упрочнения токами высокой частоты, газовым пламенем, химико-термической обработки, лазерным и электронно-лучевым упрочнением, данный процесс имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:

низкие интегральные температуры нагрева деталей;

большая глубина упрочненного слоя по сравнению, например, с лазерной закалкой;

высокий эффективный КПД нагрева плазменной дугой до (85%), для сравнения, при лазерном

упрочнении - 5%;

отсутствие применения специальных дополнительных химических препаратов или веществ;

возможность ведения процесса без применения охлаждающих сред, вакуума, специальных

покрытий для повышения поглощательной способности упрочняемых поверхностей;

в отличие от лазерного оборудования, отсутствие специальных хладоагентов для охлаждения;

простота, низкая стоимость, маневренность, малые габариты технологического оборудования;

возможность автоматизации и роботизации технологического процесса.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЗ определяется:

повышением работоспособности и износостойкости деталей и инструмента;

сокращением затрат на изготовление запасных деталей и дополнительного количества инструмента для выполнения заданной производственной программы;

уменьшения объема заточных операций, времени и средств, связанных с настройкой прессов и металлообрабатывающих станков для инструмента, подвергнутого ПЗ;

высвобождением работников, занятых на изготовлении запасных деталей и дополнительного количества инструмента;

интенсификацией режимов работы инструмента;

увеличением выпуска продукции на существующем оборудовании, вследствие сокращения простоев для замены изношенных деталей и аварийных ремонтов оборудования.

Технические науки/ 8.Обработка материалов в машиностроении

Бергер Е.Э., Ларушка Н.А.

Херсонский национальный технический университет

ПЛАЗМЕННАЯ ЗАКАЛКА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Основными методами повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя деталей являются цементация, азотирование и плазменная закалка. Плазменная закалка является более предпочтительной, т.к. требует значительно меньше времени. Сущность ее заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей и последующем отводе тепла вглубь детали.

Поскольку при обработке концентрированными потоками энергии различные слои материала нагреваются до различных температур, зону термического воздействия условно можно представить состоящей из ряда слоев, плавно переходящих друг в друга. Схема строения ЗТВ показана на рис. 1:

Рис.1. 1 – зона оплавления; 2- зона закалки; 3 – переходная зона.

C целью обеспечения высокого уровня конструктивной прочности упрочняемого изделия необходимо тщательно контролировать структуру не только закаленной, но и переходной зоны. Изменяя режимы обработки, можно достаточно надежно управлять структурными параметрами основной и переходной зоны, формируя при этом благоприятный уровень механических свойств материала.

Исследования проводили на пластинах, изготовленных из указанных ниже конструкционных сталей:

Образец №1 – конструкционная углеродистая сталь 45 (отливка)

Образец №2 – конструкционная легированная сталь 30ХНМА (отливка)

Образец №3 – конструкционная легированная сталь 40ХН2МА (поковка)

Образец №4– конструкционная легированная сталь 40Х (отливка)

После того как образцы были подготовлены, провели поверхностную закалку плазменной дугой. В качестве источника питания плазменной дугииспользовался серийный сварочный выпрямитель ВДУ-504. В качестве плазмообразующего газа применялся аргон.

Структуру и твердость термообработанного поверхностного слоя изучали на поперечных микрошлифах с использованием микроскопа Neophot-2 при увеличениях 50-1000x. Измерение твердости производилось на микротвердомере Duramin-2 под нагрузкой 4,9x103 H. Измерения твердости и изучение структуры основного и закаленного участков поперечных микрошлифов, изготовленных из обработанных образцов, дали следующие результаты:

Образец №1: Сталь 45

Закалка образца была проведена без оплавления поверхности.

Изучение микроструктуры показало, что вблизи от поверхности упрочненный слой состоит из зерен сорбита и перлита (до 0,84мм). В переходном слое (0,84-1,04мм) помимо сорбита и перлита появляются прожилки феррита. Структура основного металла – перлит и ферритная сетка.

Образец №2: Сталь 30ХНМА

Закалка образца была выполнена без видимого невооруженным глазом оплавления поверхности.

Микроструктура верхнего слоя термоупрочненной зоны – слой мартенсита с баллом зерна 6 (участок до 0,2мм). За ним следует слой мартенсита с баллом зерна 5 и 6 с прожилками феррита (участок 0,2-0,58мм). Следующая прослойка – мартенсит с баллом зерна 3 и 4 с прожилками феррита (участок 0,58-1,28мм).

Рис.2 – Изменение твердости по глубине упрочненного слояобразца №1

В переходной зоне наблюдаются зерна мартенсита и сорбита (участок 1,28-1,51мм), в зоне основного металла – зерна перлита и сорбита.

Образец №2: Cтал ь 30ХН2МА

Закалка образца была выполнена с незначительным равномерным оплавлением поверхности.Результаты измерения твердости образца №3 представлены в таблице 1.

Таблица 1

Изменение.твердости по глубине термоупрочненного слоя образца №3

Глубина, L, мм			0,35	0,64	0,89	1,14	1,47	1,77	2,08	2,35	2,79
Твердость, HV

Микроструктурный анализ показал наличие глубокого упрочненного слоя (до 2,4мм), структуру которого представляет мартенсит с различными баллами зерна.

В верхнем слое (до 0,9мм) это мартенсит 7-го, 8-го баллов; затем прослойка мартенситных кристаллов с баллом зерна 6 (участок 0,9 - 1,5мм). Далее слой мартенсита с зерном 4-го и 5-го баллов, который в переходной зоне (до 2,5 мм) заменяют перлит и сорбит.

Рис.3– Изменение твердости по глубине упрочненного слояобразца №2.

Образец №4: Cталь 40 Х

Закалка образца была выполнена без оплавления поверхности. Результаты измерения твердости образца №4 представлены в таблице 2.

Таблица 2

Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца №4

Глубина, мм		0,04	0,11	0,17	0,29	0,43	0,58
Твердость, HV

Микроструктурный анализ показал, что верхний слой ЗТВ (до 0,11мм) состоит из мартенсита 5б. Далее он переходит в структуру, состоящую из мартенсита 5б и сорбита (участок 0,11 - 0,17мм). Затем наблюдается прослойка измартенсита,сорбитаиперлита(наглубине0,17-0,29мм),которая переходит в структуру из зерен сорбита и перлита В зоне основного металла наблюдается пластинчатый перлит и ферритная сетка.

Выводы

После обработки поверхности имеющихся образцов было подтверждено предположение о том, что среднеуглеродистые стали хорошо поддаются упрочнению плазменной дугой. Было примерно определено, что твердость поверхностного слоя образцов возрастает в два и более раз по сравнению с исходными значениями.

Так же было показано, что изменяя режимы обработки, можно управлять структурными параметрами основной и переходной зоны, получая таким образом необходимую твердость и глубину упрочненного слоя.

При увеличении силы тока при неизменной скорости обработки на образцах из стали 30ХНМА произошло увеличение твердости по всей глубине упрочненного слоя. Также хорошие результаты по твердости показал образец из стали 40ХНМА, который обрабатывался при повышенных значениях силы тока.

Образец № 6 из стали 30ХН2МА, который также обрабатывался при повышенных значениях тока, обратил на себя внимание самыми высокими показателями по твердости и глубине упрочненного слоя среди всех образцов. Это можно объяснить тем, что в данной стали повышенное содержание никеля, который в свою очередь относится к группе аустенитообразующих легирующих элементов, т.е. расширяет область существования аустенита. Таким образом процесс аустенизации протекает достаточно полно даже на глубине порядка двух миллиметров от поверхности образца, а значит там становится возможным образование мартенсита.

Низкие значения силы тока, согласно ожиданиям не позволили получить существенного прироста по твердости в зоне термического влияния (образцы из стали 45, 40ХН2МА).

Эксперимент также показал, что с увеличениемскорости закалки (производительности) максимальная глубина закаленного слоя уменьшается. Это связано с тем, что снижается время распространения тепла в тело закаливаемой детали, вследствие чего глубокие слои не успевают прогреться и пройти аустенизацию, необходимую для последующего мартенситного превращения.