Плазменная закалка режущего инструмента у10. Новые разработки установок плазменной закалки упзу, упзр

Владельцы патента RU 2313581:

Изобретение относится к области термической обработки. Для получения закаленной поверхности без оплавления с достаточной глубиной упрочнения поверхностную закалку осуществляют путем перемещения по поверхности закаливаемого изделия плазменной дуги прямого действия на обратной полярности, когда электрод является анодом, а изделие - катодом. 3 ил.

Изобретение относиться к машиностроению и предназначено для поверхностного упрочнения деталей.

Известно, что поверхностное упрочнение (закалку) деталей производят газовыми горелками, индукторами ТВЧ, лазерным лучом и др. источниками поверхностного нагрева. С 80 х годов распространение получила плазменная закалка дугой прямого действия, горит между электродом (плазматроном) и изделием. При этом используется дуга прямой полярности, когда неплавящейся электрод является катодом, а изделие - анодом. (Металловедение и термическая обработка металлов, 1988, №12, с.35 в статье "Упрочнение рабочих поверхностей чугунных деталей методом плазменного оплавления" авторов Н.С.Шепелева, М.В.Селиванова и др.).

Недостатком плазменной закалки на прямой полярности является то, что качество закалки в значительной степени зависит от скорости перемещения плазменной дуги по поверхности изделия. С ее увеличением глубина закалки резко уменьшается (Сварочное производство, 2003, №2, с.26 в статье "Поверхностное упрочнение стальных деталей сжатой электрической дугой" авторов А.Е.Михеева, С.С.Ивасева и др.). В еще большей степени на свойства закаленного слоя влияет длина дуги. Обычно для каждого режима подбирается оптимальная длина дуги, при которой дуга горит устойчиво. Ни один из авторов известных публикаций не пытался исследовать влияние длины дуги на свойства закалки. Это произошло потому, что проследить это чрезвычайно трудно. Обычно даже небольшое увеличение длины дуги от оптимального значения резко уменьшает глубину и твердость закалки, а укорочение дуги приводит к оплавлению поверхности, что часто является браковочным признаком.

Высокая чувствительность качества закалки к скорости перемещения и длине плазменной дуги обусловило, что плазменную закалку производят только на автоматических установках, где два вышеприведенных параметра поддаются точной настройке и точному поддержанию в процессе закалки. Ручная плазменная закалка до последнего времени не приводилась именно потому, что неизбежные в ручном процессе колебания длины дуги и скорости закалки дают оплавление поверхности или не обеспечивают ее упрочнения.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение чувствительности качества закалки к длине дуги, скорости ее перемещения и, на основе этого, изыскания возможности выполнения плазменной закалки вручную без оплавления поверхности.

Поставленная задача решена путем применения для поверхностной закалки дуги обратной полярности, когда электрод является анодом, а изделие - катодом.

Производилась плазменная закалка на автоматической установке цилиндра из стали 40 диаметром ⊘60 мм со скоростью 43,6 м/час на токе 60 А. Было установлено, что и на прямой и на обратной полярности при длине дуги 9 мм (расстояние от среза сопла плазмотрона до поверхности детали) оплавление закаленной дорожки не происходит. На фиг.1 показаны темплеты, вырезанные из образца с плазменной закалкой, выполненной при длине дуги 3 мм. По ним видно, что при закалке на обратной полярность (поз.1.) поверхность закаленной дорожки не имеет оплавления, а при закалке на прямой полярности (поз.2.) по средине закаленных дорожек имеется оплавление, сформировавшее буртик высотой 0,12 мм. При увеличении длины дуги прямой полярности до 6 мм избежать оплавления не удалось, но высота буртика уменьшилась до 0,06 мм. Таким образом, дуга обратной полярности даже при существенном укорочении не вызывает оплавления закаливаемой поверхности, тогда как даже небольшое укорочение дуги прямой полярности приводит к оплавлению.

На фиг.2 представлено распределение микротвердости по глубине закалки, выполненной дугой прямой полярности. Из нее видно, что с увеличением длины дуги с 3 мм до 9 мм произошло уменьшение: микротвердости с Н 500 500 до Н 500 450; а глубины закалки с 0,9 мм до 0,7 мм.

На фиг.3 представлено аналогичное распределение микротвердости по глубине закалки, но выполненное дугой обратной полярности. В данном случае имеет место обратная закономерность: с увеличением длины дуги с 3 мм до 9 мм микротвердость и глубина закалки не уменьшились, а увеличились: микротвердость - с Н 500 480 до Н 500 640, а глубина закалки - с 0,7 мм до 1,1 мм. Отсюда можно сделать следующие выводы о преимуществах плазменной закалки на обратной полярности по сравнению с закалкой на прямой полярности.

1. При длине дуги 9 мм, когда в обоих случаях нет оплавления, на обратной полярности выше микротвердость (Н 500 640 вместо Н 500 430) и больше глубине закалки (1,1 мм вместо 0,7 мм).

2. Максимальные значения микротвердости и глубины закалки на обратной полярности получены на длинной (9 мм) дуге, которая более удобна, чем короткая, для ведения процесса вручную. Ибо при короткой дуге корпус плазматрона мешает наблюдению за ней, что создает трудности с направлением дуги в требуемое место.

Изложенное позволяет заключить, что на обратной полярности при ведении плазменной закалки вручную, когда происходят колебания длины дуги и скорости ее перемещения, все же возможно получение закаленной поверхности без оплавления с достаточной глубиной упрочнения.

Практическое применение нового способа

Штамп из стали 5ХНМ, массой 2200 кг используется для горячей штамповки титана ВТ-20. При изготовлении он упрочняется объемной закалкой с отпуском на НВ 340. После 1100 штамповок его осаживают для восстановления гравюры. По мере удаления от поверхности во время осадок твердость гравюры снижается и после 8 осадок она достигла НВ 300. Штамп подлежал утилизации, ибо его повторная объемная закалка была невозможна, т.к. потеряв в толщине, при объемной закалке он получил бы недопустимую деформацию. Тогда сложнопрофильную гравюру штампа вручную упрочнили плазменной закалкой на обратной полярности. Твердость поверхности увеличилась до НВ 540, а съем - до 1862 штамповок. Таким образом, ручная плазменная закалка не только продлила срок службы штампа, но и увеличила его стойкость во время компании в 1,7 раза (с 1100 шт. до 1862 шт.).

Штамп из стали 8Х3 используется для холодной вырубки заготовок из стали 30ХГСА толщиной 6,5 мм. Обычно на нем нарубают ˜5 тыс. заготовок, подвергают зачистке, дополнительно нарубают 10 тыс. шт. и утилизируют. Штамп по рабочим кромкам упрочнили вручную плазменной закалкой на обратной полярности; твердость кромок увеличилась с HRC 52 до HRC 60. С двумя зачистками штамп нарубил 40 тыс. заготовок, что в 2,6 раза больше, чем нарубает штамп без плазменной закалки (15 тыс. шт.).

Штамп из стали 5ХВ2С используется для горячей вырубки заготовок из стали 30ХГСА толщиной 10 мм. Обычно с периодическими зачистками он нарубает 8 тыс. заготовок. После ручной плазменной закалки по рабочим кромкам твердость увеличилась с HRC 54 до HRC 62, а наработка штампа возросла до 42,2 тыс. шт., т.е. в 5,3 раза.

Производилась плазменная закалка зубьев венца шестерни сталеразливочного крана. Затрудненный доступ к поверхности зубьев потребовал увеличения длины дуги до 20 мм. Это не отразилось на качестве закалки и срок службы зубчатых венцов увеличелся с 6 мес. до 17 мес., т.к. в 2,8 раза.

Способ поверхностной закалки изделий, включающий закалку путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, возбуждаемой между электродом и изделием, отличающийся тем, что для предупреждения оплавления закаливаемой поверхности с одновременным обеспечением достаточной глубины и твердости закаленного слоя плазменную закалку выполняют на обратной полярности, когда электрод является анодом, а изделие - катодом.

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам упрочнения изделий и может быть использовано преимущественно в машиностроении при индукционной закалке изделий типа осей, валов, имеющих сложную конфигурацию упрочняемых участков в местах выхода шлиц, пазов, лысок и т.д.

ВЕСТИ IT

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВ^

2. СП 52-104-2006*. Сталефибробетонные конструкции. - М.: НИИЖБ: ОАО «НИЦ «Строительство», 2010. - 68 с.

3. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории проектирования, технологии, конструкции / Ф. Н. Рабинович. - М.: Изд-во АСВ, 2004. - 560 с.

4. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1989. - 80 с.

5. СНиП 2.03.03-85*. Армоцементные конструкции. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1986. -

УДК 621.785; 621.791; 621.762 В. А. Коротков,

Разработанная в 2002 г. установка УДГЗ-200 позволяет вручную закаливать то, что ранее закалке не подвергалось, быстро изнашивалось и становилось причиной частых и дорогостоящих ремонтов. "Ухудшение шероховатости поверхности и искажение размеров при закалке столь незначительные, что многие детали после нее не нуждаются в финишной механообработке, а сразу направляются в эксплуатацию, что снижает продолжительность и себестоимость их производства. Слой плазменной закалки многократно превосходит в износостойкости металл в нормализованном или состоянии объемной закалки с отпуском, что делает применение плазменной закалки высокоэффективным. Плазменная закалка установкой УДГЗ-200 производится без подачи воды на деталь, что позволяет выполнять ее не только в специализированных термических цехах, но также по месту обработки и эксплуатации деталей. Это в совокупности с тем, что закалку установкой УДГЗ-200 осваивают сварщики 2-3-го разрядов, упрощает внедрение ее в производство.

Developed in 2002, setting UDGZ-200 allows you to manually temper what had previously not been subject to hardening, wear out quickly and cause frequent and costly repairs. Deterioration of surface roughness and dimensional distortion during hardening so minor that many of the items after her do not needfinish machining, and immediately sent to the operation, "which reduces the duration and cost of production. Layer of plasma hardening surpasses in wear metal in the normalized condition or bulk quenched and tempered, "which makes use of a highly effective plasma hardening. Plasma hardening installation UDGZ-200 is produced "without the water supply is not the item that allows her not only in specialized thermal shops, but also at the place of processing and operation details. This coupled "with the fact that the hardening installation UDGZ-200 master welder 2-3 discharges facilitates its introduction intoproduction.

Ключевые слова: плазменная поверхностная закалка, износостойкость.

Key words:plasma surface hardening, wear resistance.

В современный век роботов и «безлюдных» производств разработка ручной технологии может показаться ошибочной. Однако ручные технологии благодаря универсальности демонстрируют живучесть. В мире основной объем сварки (более 80 %) продолжает выполняться электродами или полуавтоматами, то есть вручную. По аналогии полагали (этот расчет оправдался), что с разработкой ручного способа поверхностной закалки объемы ее применения возрастут и произойдет

д-р техн. наук, профессор, Нижнетагильский филиал

Уральского федерального университета

ТЕХНОЛОГИЯ ручной плазменной закалки

TECHNOLOGY MANUAL PLASMA HARDENING

Введение

ДВЕСТИ И К

государственного университета

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

это за счет тех изделий, которые ранее по тем или иным причинам закалить было невозможно. Это контактные поверхности корпусов и станин оборудования, а также иных крупногабаритных деталей. Их термическому упрочнению известными способами мешают большие размеры и масса, а также плохая восприимчивость к закалке некоторых сталей, из которых они изготавливаются. Вместе с тем упрочнение этих поверхностей является важным в решении задач по увеличению сроков межремонтной эксплуатации и надежности оборудования .

Проблема ручной плазменной закалки была решена в 2002 г. в ООО «Композит», созданном в 1990 г. при Нижнетагильском филиале УПИ (ныне - УрФУ). Здесь выполнили разработку способа и установки УДГЗ-200 для ручной плазменной закалки. В установке (рис. 1, табл. 1) предусмотрена горелка, небольшие размеры которой делают ее удобной для ручного манипулирования и позволяют добираться до труднодоступных мест, то есть упрочнять, что ранее эксплуатировалось без упрочнения и становилось причиной частых и дорогостоящих ремонтов.

Рис. 1. Закалка установкой УДГЗ-200: слева - вручную, справа - роботом

Таблица 1

Характеристики установки УДГЗ-200 и процесса плазменной закалки

Процесс закалки Установка УДГЗ-200

Производительность - 25-85 см2/мин Рабочий газ - аргон (15л/мин) Глубина закалки -0,5-1,5мм Твердость - HRC35-65 (зависит от марки стали) Напряжение сети - 380 В Мощность - 10 кВт Масса - 20 + 20 кг (источник питания и блок охлаждения горелки)

Установка УДГЗ-200 выпускается по ТУ 3862-001-47681378-2007. К концу 2013 г. было произведено более 50 шт. установок, которые поставлены на предприятия России, Украины, Казахстана, Киргизии. В 2008 г. установка была отмечена серебряной медалью на Женевском салоне изобретений и инноваций

При закалке сварщик перемещает дугу по поверхности со скоростью, обеспечивающей «вспотевание» (состояние, предшествующее плавлению) поверхности под дугой. Это контролировать не труднее, чем плавление при сварке, но оно обеспечивает необходимый для закалки нагрев и не допускает грубого оплавления поверхности. Работу на установке осваивают сварщики 2-3 -го разрядов, при этом она может применяться в механизированных, автоматизированных и роботизированных (рис. 1, справа) комплексах, что делает ее пригодной к применению в современных высокотехнологичных производствах. Наличие установок УДГЗ-200 восполняет отсутствие традиционного оборудования для закалки, делает закалку экологически чистой.

Общие сведения о свойствах закаленного слоя

Дуга оставляет на поверхности закаленные полосы шириной 7-12 мм, окрашенные «цветами побежалости», то есть покрытые тонкой пленкой окислов, которые не оказывают существенного влияния на шероховатость в диапазоне Rz 8-60 (рис. 2). Глубина закаленного слоя составляет ~ 1 мм, благодаря чему не происходит значительных деформаций закаливаемых деталей. Это в совокупности с минимальным изменением шероховатости позволяет многие детали отправлять в эксплуатацию без трудоемкой финишной механообработки твердого закаленного слоя, что снижает себестоимость их изготовления .

Рис. 2. Плазменная дуга и оставленная ею закаленная полоса

Расчетами и экспериментально установлено, что при закалке массивных тел на режимах, типичных для УДГЗ-200, скорости охлаждения превышают критические . При закалке пластин они уменьшаются, но возможность неполной закалки углеродистых сталей (на твердость ~ HV360) сохраняется для толщин > 4 мм. Это дает возможность выполнять закалку без подачи воды на место нагрева, что упрощает организацию рабочих мест и позволяет применять установку УДГЗ-200 на ремонтных площадках, по месту механообработки и эксплуатации деталей, а не только в термических цехах. Благодаря этому расширяется номенклатура упрочняемых деталей - закалке подлежит то, что ранее было ей недоступно.

Рис. 3. Распределение твердости в слое плазменной закалки на стали 40

Типичная структура закаленного слоя аналогична зоне термического влияния в основном металле сварных соединений . У поверхности возможно образование дендритной структуры

от ее оплавления; ниже идет участок перегрева с укрупненным зерном; затем - мелкозернистый участок нормализации; еще ниже - участок неполной перекристаллизации, за которым следует последний участок - отпуска. Таким образом, твердость закаленного слоя по мере удаления от поверхности снижается постепенно (рис. 3), что предупреждает образование отколов.

Износостойкость слоя плазменной закалки

Исследовалась износостойкость сталей с плазменной закалкой на машине трения по схеме «диск-колодка» без смазки. Частота вращения диска (d 40*10 мм) 425 об/мин. Предусматривалось пять этапов испытаний по 5 мин с нагрузкой 200Н на первых четырех и полуторным увеличением нагрузки до 300 Н на 5-м этапе со взвешиванием после каждого этапа для определения износа. На первом этапе происходит приработка пар, 2-4-й этапы характеризуют установившийся процесс изнашивания. Пятый этап показывает способность пар трения выдерживать перегрузку; во всех случаях применения плазменной закалки увеличения износа на пятом этапе не наблюдалось. В каждом сочетании материалов испытывались три пары образцов.

Рис. 4. Средний износ (г) дисков (Д) из конструкционных сталей с различной твердостью (НВ) на этапах 2-4-м установившегося изнашивания. Виды упрочнения дисков:

Норм - нормализация, 03 - объемная закалка с отпуском, ПЗ - плазменная закалка

Проведено сравнение износостойкости дисков из конструкционных сталей при трении о нормализованную колодку из стали 45. Из рис. 4 видно, что в нормализованном состоянии износ легированной стали 30ХГСА примерно втрое меньше, чем углеродистой стали 45. Объемная закалка с отпуском почти не отразилась на износе стали 30ХГСА. Плазменная закалка по сравнению с нормализованным состоянием существенно уменьшила износ обеих сталей: примерно в 10 раз стали 45и в 4 раза стали 30ХГСА.

Из табл. 2 видно, что плазменная закалка колодок из рельсовой стали снизила их износ в 126 раз; при этом неупрочненный диск из колесной стали не только не снизил износостойкости, но и увеличил ее в 2,1 раза. Существенное увеличение износостойкости в результате плазменной закалки объясняется сменой механизма изнашивания. Поверхности трения без упрочнения имели возможность «схватываться», то есть образовывать выступами микронеровностей точечные сварные соединения, которые создавали абразивный фактор, ускоряющий износ. Исключение явлений схватывания за счет упрочнения плазменной закалкой привело к более медленному изнашиванию по механизму усталостного диспергирования.

Таблица 2

Влияние плазменной закалки на износ* рельсовой стали в парах трения с колесной сталью

Колодка, рельсовая сталь Диск, колесная сталь 65Г

Состояние Износ, г Киз Состояние Износ, г Киз

Без закалки 1,507 1,0 Сорбитизация 2,125 1,0

С плазменной закалкой 0,012 126 Сорбитизация 1,021 2,1

* Суммарный за 1-4 циклы испытаний.

Было также установлено, что закаленные диски из низкоуглеродистой стали 20ГЛ снижают износ по сравнению с нормализованным состоянием в ~ 9 раз, а сопрягаемые с ним колодки из той же стали - в 1,8 раза. Отсюда следует целесообразность применения установки УДГЗ-200 для упрочнения контактных поверхностей корпусных частей оборудования, обычно изготавливающихся из низкоуглеродистых сталей и термическому упрочнению не подвергающихся из-за высоких затрат при минимальном упрочняющем эффекте.

Рис. 5. Износ чугунных колодок при трении о диски из стали ЗОХГСА

Были приготовлены колодки из чугуна: ВЧ120, ВЧ60, СЧ25, и диски из стали ЗОХГСА (НВ 330); результаты испытаний представлены на рис. 5. Чугун ВЧ60 без плазменной закалки сразу получил износ на глубину 3 мм, то есть больше обычного в 250 раз. Еще больше был износ серого чугуна СЧ25, поэтому эти результаты на графике не приведены. Наименьший износ получил чугун ВЧ60 с плазменной закалкой, который оказался меньше износа чугуна ВЧ120 на ~ 50 %. Износ серого чугуна СЧ25 с плазменной закалкой, хотя и больше износа ВЧ120 на ~ 80%, но не катастрофичен как износ СЧ25 без плазменной закалки. Отсюда можно сделать заключение о целесообразности применения плазменной закалки подшипниковых гнезд крупных редукторов, изготавливаемых из чугуна, и других изделий.

Примеры практического применения плазменной закалки

Корпуса конусов дробилок мелкого и среднего дробления (КСМД-2200, Sandvik-7800, FKB-2100 и др.) быстро изнашиваются по поясу контактирования со сменной броней. На Качканарском ГОКе ежегодно восстановлению наплавкой подлежало до 25 конусов. С конца 2011 г. приступили к упрочнению их плазменной закалкой (рис. 6), благодаря этому потребность в восстановлении изношенных конусов в 2013 г. снизилась до 5 шт., то есть в пять раз.

Рис. 6. Корпус конуса дробилки среднего дробления, контактный пояс которого упрочнен плазменной закалкой

Рис. 7. Технологический барабан с зубчатым венцом, упрочненным плазменной закалкой

Зубчатый венец (40ГЛ) крупногабаритного технологического барабана (рис. 7), работающий в зацеплении с приводной шестерней (34ХН1М), представляет собой дорогостоящее изделие. Наработка до предельного износа зубьев (30 %) составляла: венца - 2 месяца, приводной шестерни - один месяц. Плазменная закалка увеличила наработку до износа закаленного слоя толщиной 1 мм: у венца - до 4 месяцев, а у приводной шестерни - до 2,5 месяцев. Затем во время плановых профилактических ремонтов без демонтажа деталей была выполнена повторная закалка зубьев установкой УДГЗ-200. До предельного износа зубьев закалку повторяют 4 раза, что увеличило срок службы зубчатого венца до 12-16 месяцев, а приводной шестерни до 6-8 месяцев, то есть приблизительно в 7 раз. Экономия от применения плазменной закалки составила 38 млн руб. при эффективности вложений в плазменную закалку 5 руб. экономии на рубль затрат.

Быстро изнашиваемыми являются ручьи канатных блоков и барабанов. Малые размеры горелки установки УДГЗ-200 позволяют производить их закалку (рис. 8). На Качканарском ГОКе плазменная закалка двух витков, наиболее часто включающихся в работу, канатных барабанов узла «напора» карьерного экскаватора ЭКГ-8 и втрое увеличила их межремонтную наработку; одновременно замечено увеличение сроков службы канатов.

Рис. 8. Канатный барабан (слева) и шкивы, упрочненные плазменной закалкой

Половина рельсов (КР-100) кранового пути была упрочнена плазменной закалкой, а другая половина поставлена без упрочнения. Через год эксплуатации износ незакаленных рельсов составил 2 мм, а износ закаленных характеризовался как «потертость». Еще через год эксплуатации износ незакаленных рельсов составлял 4 мм, а закаленных достиг значения, доступного измерению - около 1 мм.

Заключение

Разработанная в 2002 г. установка УДГЗ-200 позволяет вручную закаливать то, что ранее закалке не подвергалось, быстро изнашивалось и становилось причиной частых и дорогостоящих ремонтов.

Ухудшение шероховатости поверхности и искажение размеров при закалке столь незначительные, что многие детали после нее не нуждаются в финишной механообработке, а сразу направляются в эксплуатацию, что снижает продолжительность и себестоимость их производства.

Слой плазменной закалки многократно превосходит в износостойкости металл в нормализованном или состоянии объемной закалки с отпуском, что делает применение плазменной закалки высокоэффективным.

Плазменная закалка установкой УДГЗ-200 производится без подачи воды на деталь, что позволяет выполнять ее не только в специализированных термических цехах, но также по месту обработки и эксплуатации деталей. Это в совокупности с тем, что закалку установкой УДГЗ-200 осваивают сварщики 2-3-го разрядов, упрощает внедрение ее в производство.

Список литературы

1. Хренов К. К. Дуговая поверхностная закалка / К. К. Хренов, Г. В. Васильев // Автогенное дело. - 1950. - № 10. - С. 1-5.

2. Кобяков О. С. Использование микроплазменного нагрева в процессах упрочняющей технологии / О. С. Кобяков, Е. Г. Гринзбург // Автоматическая сварка. - 1985. - № 5. - С. 65-67.

3. Лещинский Л. К. Структура и свойства наплавленного металла углеродистых сталей, упрочненных плазменной струей / Л.К Лещинский, И. И. Пирч, С. С. Самотугин [и др.] // Сварочное производство - 1985. - № 11. - С. 20-22.

4. Бердников А. А. Упрочнение чугунных валков методом плазменной закалки / А. А. Бердников, В. С. Демин, Е. Л. Серебрякова [и др.] // Сталь. - 1995. - № 1. - С. 56-59.

5. Сафонов Е. Н. Поверхностное упрочнение железоуглеродистых сплавов дуговой закалкой / Е. Н. Сафонов, В. И. Журавлев // Сварочное производство - 1997. - № 10. - С. 30-32.

6. Орлов П. И. Основы конструирования: справ.-метод. Пособие: в 2 кн. / П. И. Орлов; под ред. П. Н. Учаева. - М.: Машиностроение, 1988. - Кн. 1. - 560 с.

7. Korotkov V. A. Investigations into plasma quenching / V. A. Korotkov, A. V. Shekurov //Welding International. - 2008. - Vol. 22, № 7.

8. Korotkov V. A. Surfacing of plungers for high-pressure vessels / V. A. Korotkov, S. P. Anan’ev,

A. V. Shekurov II Welding International. - 2013. - T. 27, № 5.

9. Теория сварочных процессов / под ред. В.М. Неровного. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007.

структуры резко возрасает. Так в стали20микротвердостьмар-

тенсита составляет 6000 Мпа, а в

стали 45 - 8000 Мпа. Объясняется это тем, что твердость мартенсита растет с повышением содержанияуглерода и увеличением степени тетрагональности кристаллической решетки. При

закалке с оплавлением стали 45 в

зоне оплавления образуется мел-

кодисперсный реечный мартенсит

Зона закалки без оплавления состоит из верхней областис однородной структурой и нижней области с неоднородной структурой (мертенситотростит +мартенсит + троститная сетка).+ троститная сетка). В переходной зоне образуется троститоферритная структура, переходящая на границе с исходной структурой в ферритную. Микротвердость по глубине упрочненного слоя показана на рис.2.19.

При плазменном упрочнении без оплавления поверхности среднеуглеродистых сталей область более однородного мартенсита отсутствует и троститферритная сетка вокруг мартенсита может доходить до поверхности, что приводит к сниже­нию твердости. Это связанно с частичной гомогенизацией аустенита.

Инструментальные стали /эвтектоидные, заэвтектоидные/

По химическому составу инструментальная сталь разделяется на углероди­стую, легированную и высоколеги­рованную /быстрорежущую/. В особую группу можно выделить штамповые и валковые инструментальные стали.

Плазменному поверхностному

упрочнению подвергались

инструментальные углеродистые

сталиУ7, У8, У10, У12 с оплавлением и безоплавления

Рис. 2.20. Распределение микротвердости по глубине упрочнения

поверхностности. При закалке с оплавлением поверхности в зонезакалки из жидкой фазы, кроме мелкодисперсного мартенситазафиксировано большее количество остаточного аустенита /в стали У8 достигает 35%, в стали У12 – 50%.

В тоже время микротвердость Инструментальных сталей после плазменной закалки очень высокая, рис. 2.20.

В зоне закалки из твердой фазы закаленный слой имеет ярко выраженную неоднородность. Ближе к обрабатываемой поверхности твердый раствор насыщен углеродом, что способствует образованию повышенного количества аустенита. В нижней границе слоя остаточного Рис.2.21. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя стали У10 после плазменного упрочнения с различным исходным состоянием.

аустенита значительно меньше, вследствие чего достигается максимальная твердость. Кроме того, в нижней границе слоя наблюдается большее количество нерастворенных карбидов.

Большое значение для получения высокой твердости оказывает исходное со­стояние стали. Так, в стали У8, У10 (предварительно объемно закаленной) становит­ся возможным бездиффузионное обратное мартенситное превращение с наследова­нием аустенитной дефектной структуры мартенсита при полном торможении в про­цессе плазменного нагрева эффектов разупрочнения и рекристаллизации, рис. 2.21.

При упрочнении, без оплавления предварительно закаленной стали (У 10) с исходной структурой мартенсита в зоне нагрева появляется третий слой - слой отпуска (высокодисперсная структура тростита). Микротвердость слоя отпуска со структурой тростита составляет 4000-4300 Мпа. Формирование зоны отпуска на границе закаленного слоя с исходной структурой может играть роль «мягкой» прослойки, способной тормозить развитие трещин, распространяющихся от поверхности.

Легированные инструментальные стали

Плазменному упрочнению подвергались стали 9ХФ, 9ХФМ, 9ХС, 9Х5ВФ, 6ХС, 55Х7ВСМФ, 7ХНМА, 8Н1А, ИХ, 13Х, ХВГ с оплавлением и без оплавления поверхности.

При упрочнении без оплавления поверхности в зоне оплавления возникает мелкодисперсная структура высокоуглеродистого мартенсита и остаточного аустенита. Вследствие высокой скорости плавления и кристаллизации, в зоне оплавления наблюдаются нерастворенные карбиды. Высокая легированность мартенсита в зоне оплавления обеспечивает большие значения микротвердости (12000-14000 Мпа). Однако, в большинстве случаев в зоне оплавления появляются микротрещины, что приводит к сколу и выкрашиванию упрочненного слоя.

Плазменное упрочнение без оплавления поверхности легированных инструментальных сталей приводит к формированию в упрочненной зоне сильно неодно­родной структуры. Вследствие незавершенности процессов аустенизации в упроч­ненном слое образуются мартенсит + нерастворенный цементит + остаточный аустенит. (Так в стали 9ХФ и 9ХФМ количество остаточного аустенита достигает 35 %, а в стали 55Х7ВСМФ до 40 %. Количество остаточного аустенита по глубине упрочненной зоны уменьшается и уже на глубине 80-100 мкм не превышает его со­держание в данной стали при обычной объемной закалке.

Табл. 2.8.

Твердость стали после обработки холодом /жидкий азот/

Для устранения остаточного аустенита после плазменной закалки была прове­дена обработка холодом.Известно, что в легированных инструментальных сталях точка конца мартенситного превращения лежит ниже комнатной температуры. При дальнейшем охлаждении в жидком азоте этих сталей происходит мартенситное превращение, и количество остаточного аустенита заметно снижается, табл. 2.8.

Проведенные исследования показали, что обработка холодом приближает легированные инструментальные стали по твердости к твердым сплавам (НRС Э 65- 80) и находится на одном уровне

с быстрорежущими инструмен­тальными сталями(НRС э 65-69).

Однако использование этой

Рис. 2.22. Распределение микротвердости по глубине упрочненной зоны на стали после плазменного упрочнения (без оплавления)

операции в практических целях очень затруднительно и требует дальнейших исследований.

При упрочнении легированных инструментальных сталей отмечается «эффект» максимальной твердости на некоторой глубине от поверхности, рис. 2.22.Призакалкелегированных инструментальных сталей

Требуются меньшие скорости охлаждения, чем для углеродистых, т.к. аустенит в них более 13Х(1), стали 9ХС(2), стали 9ХФМ(3) устойчив против распада. Легирующие элементы способны образовывать с углеродом соеди­нения (в виде карбидов, которые удерживают углерод в труднорастворимых соеди­нениях), препятствующие насыщению аустенита. Однако влияние легирующих элементов на микротвердость упрочненного слоя уменьшается с увеличением со­держания углерода. Стали, содержание хрома в которых превышает 2-3 %, упроч­няются менее эффективно в связи с сильным влиянием легирующих примесей на процесс закалки.

Быстрорежущие инструментальные стали

Плазменному упрочнению с оплавлением и без оплавления поверхности подвергается уже готовый инструмент, прошедший окончательную термическую обработку, изготовленный из различных марок стали Р18, Р6М5, РУМ4К8.

При упрочнении с оплавлением поверхности стали Р18 в зоне оплавления происходит растворение карбидов, повышается степень легирования и устойчи­вость аустенита. Как следствие этого твердость оказывается ниже, чем твердость стали после обычной термической обработки.

Структура и фазовый состав сталей после плазменной закалки и печного отпуска

Марка стали	Способ обработки	Структура	Фазовые составляющие
Твердый раствор	Карбиды
Кол-во фаз,%	Состав по массе, %	Тип карбида и кол-во %	Суммарный состав по массе, %
α	γ	C	W	Mo	V	Cr	Co	Fe	C	W	Mo	V	Cr	Co	Fe
Р6М5* Р6М5**	Плазменная закалка	Мартенсит + остаточный аустенит + карбид	64. 1	26.8	0.4	3.35	3.1	1.1	4.2	-	87.85	МС-1,1, М 6 С-8,0	4.0	31.5	22.5	7.3	3.4	-	31.3
Плазменная закалка + отпуск при 570º С	86.2	-	0.2	2.4	1.6	0.6	4.2	-	91.0	МС-2,6, М 6 С-7, М 2 С-3,1 М 27 С-1,1 М 23 С6 , М 7 С 3 , М 3 С	6.1	26.3	30.5	9.1	6.5	-	21.5
Р9М4К8*	Плазменная закалка	62.0	29.0	0.6	5.0	3.0	1.7	3.7	8.9	77.1	МС-1,8, М 6 С-7,2 интериметаллид	4.4	4.03	19.5	8.1	3.3	2.2	22.2
Р9М4К8**	Плазменная закалка + отпуск при 580º С	86.2	-	0.2	3.2	1.8	1.2	2.9	9.2	81.5	МС-3,8, М 2 С-3,6 М 6 С-7,4 М 27 С 6 , М 7 С 3 ,	5.8	39.4	20.6	8.0	8.0	2.4	15.8
* Мартенсит + аустенит (твердый раствор) **Отпущенный мартенсит (твердый раствор), остаточный аустенит в пределах ошибки измерения

При упрочнении без оплавления поверхности, структура закаленного слоя состоит из мелкоиголъчатого мартенсита + остаточного аустенита + карбиды. Твердость стали (9500-12300 МПа) превосходит твердость после обычной термообра­ботки, рис.2.23.

Для быстроорежущих сталей также возможно использовать обработку холо­дом после плазменного упрочнения, что повышает твердость упрочненной зоны на стали Р6М5 с 10000 до 12000 Мпа, на стали Р18 до 11500 Мпа, Р9М4К8Ф до 13800 Мпа.

Для повышения твердости закаленной быстрорежущей стали после плазмен­ного упрочнения можно использовать отпуск, что благоприятно изменяет структуру и фазовый состав стали, табл. 2.9.

Рис. 2.23. Микротвердость стали Р18(1), Р6М5 (2) и Р9М4К8Ф (3) после плазменного упрочнения без плавления

При упрочнении быстрорежущих сталей наиболее эффективно упрочнение без оплавления поверхностности. Оптимальные значения плазменного упрочнения необходимо подбирать для каждого инструмента из той же стали. Кроме того, повышение твердости предварительно закаленной стали очень сильно зависит от длительности плазменного нагрева (зависимость для быст­рорежущих сталей НV=f(t)) имеет экстремум), т.к. длительность нагрева определя­ет скорость фазовых и структурных превращений в упрочненном слое.

Штампованные инструментальные стали

Поверхностное упрочнение стали Х17Ф1 осуществлялось с оплавлением и без оплавления поверхности. Использовалась сталь, прошедшая стандартную термообработку (закалка и отпуск) и без нее, рис. 2.24. Проведенные исследования показали, что присутствие в структуре этой стали большего количества карбидов (15-25 % по массе) требует высоких температур закалки для полного растворения карбидов и получения высокой твердости. После традицион­ней закалки в структуре остается значительное количество (12 %) избыточных карбидов и большое количество остаточного аустенита

(40-45%). При упрочнении с оплавлением поверхности карбиды хрома не успевают образовываться из-за высокой скорости охлаждения, а аустенит настолько обога­щен этим элементом, что при охлаждении до комнатной температуры мартенситное превращение не происходит.

Поэтому в оплавленной зоне твердость значительно ниже, чем в закаленном слое яз твердей фазы. Структура закаленного слоя из твердой фазы включает в себя мслкоигольчатый мартенсит + остаточный аустенит (до 30-40 %) +карбиды. Микротвердость этого слоя зависит от соотношения структурных составляющих.

Снижение скорости охлаждения при упрочнении с оплавлением поверхности позволяет получать высокую твердость в оплавленной зоне (HRC э 61-62).

Стали этого класса широко используются в машиностроении для изготовления различных деталей, работающих в сложных эксплуатационных условиях. Поэтому в практике плазменного упрочнения они занимают особое место, т.к. по ним автором собран большой материал эксплуатационных испытаний. К их числу относятся сталь ЗОХ, 40Х, 50Х, 20ХГР, ЗОХГТ, 15ХФ, 40ХФА, 40ХС, ЗОГ, 50Г, 40ХФА, 38ХС, ЗОХГСА, ЗОХМ, 40ХН, 50ХН, 20ХНЗА, 38ХГН, 45ХН2МФА, 38Х2МЮА, 38ХН1М, 18Х2Н4МА.

Основными легирующими элементами конструктивных сталей являются хром, никель, кремний, марганец. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и дру­гие вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем, марганцем для дополнительного улучшения свойств. Известно, что при введении в сталь легирующих элементов по­следние могут образовывать с железом различные фазы: твердые растворы, легиро­ванный цементит или специальные карбиды, интерметаллические соединения.

Наличие легирующих элементов и образование ими соединений с углеродом оказывает существенное влияние на высокотемпературные процессы на диаграмме Fе-Fе 3 С по сравнению с углеродистыми сталями. Одни элементы (никель, марганец, медь) понижают критическую точку Ас з и расширяют область γ- фазы. Другие (хром, вольфрам, молибден, кремний, алюминий, ванадий, бор и др.) при определенной концентрации повышают критическую точку Ас 3 . Наиболее резко превра­щения замедляются при легировании сталей (V,W,Мо) образующие устойчивые карбиды, а также при повышенном содержании хрома (более 2 %).

Легированные конструкционные стали обладают меньшей критической ско­ростью охлаждения* и как следствие этого лучше прокаливаются. Известно, что чем выше в стали легирующих элементов, тем выше ее прокаливаемость. На сталях, имеющих в своем составе марганец, хром, бор, никель, молибден после плазменно­го упрочнения глубина упрочненного слоя больше, по сравнению с углеродистыми сталями при одинаковых режимах упрочнения.

При сравнении степени упрочнения легированных и углеродистых конст­рукционных сталей, т.к. ЗОХ, 40Х, 5ОХ и стали 30, 45, 50 показывает, что даже при небольшом легировании хромом (0,8-1,1 %) происходит заметное увеличение микротвердости. Аналогичная картина и для сталей, легированных марганцем, табл. 2.10.

Микротвердость, НПО
Легированная	Конструкционная
ЗОХ 8800-9000 40Х 9500-10500 50Х11000-12000 45Г 9500-10500 50Г 11200-12500	30 7900-7400 45 7800-8600 508200-9500

В высокоуглеродистых сталях добавки легирующих элементов (0,5-1,5 %) приводят к усилению неоднородности структуры упрочненного слоя вследствие уменьшения коэффициента диффузии углерода и увеличения стойкости карбидов. Благодаря высокой легированности мартенсита микротвердость упрочненного слоя достигает больших значений. Основные структуры, образующиеся в упрочненном слое легированных сталей мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Анализ ле­гированных сталей затрудняется многообразием влияния легирующих элементов на фазовые структурные превращения при плазменном упрочнении и ограничивается только экспериментальными данными по микротвердости упрочненного слоя, табл. 2.11.

При использовании плазменного упрочнения для повышения твердости де­талей изготовленных из этих сталей рекомендуется использовать режимы упрочне­ния, позволяющие добиться неполного растворения карбидов (достаточного для насыщения мартенсита) и меньшего содержания остаточного аустенита. Это дости­гается при максимальных скоростях обработки.

Плазменному поверхностному упрочнению подвергались стали коррозионностойкие типа 20X13, 30X13, 40X13, 95X18, 25Х13Н2, рессорно-пружинные ста­ли типа 65Г, 60С2, 50ХФА, а также стали для отливок типа 35Л, 45Л, 20ФЛ.

Табл. 2.11

Микротвердость легированных сталей после плазменного упрочнения

Сталь	Микротвердость Н, Мпа	Глубина упрочненного слоя, мм
	Исходной структуры	В закаленной зоне
30Х 40Х 50Х 40ХН 50ХН 30Г 45Г 50Г 20ХГР 30ХГТ 15ХФ 40ХФА 40ХС 30ХГСА 35ХМ 20ХН3А 38ХГН 45ХН2МФА 38Х2МЮА 38ХН1М 18Х2Н4МА	1800-2000 1900-2300 2000-2100 2200-2250 2300-2400 2100-2200 2100-2200 2200-2300 1800-1900 1800-2000 1750-1900 2000-2100 1900-2000 1800-1950 1900-2100 1800-2100 2000-2100 2100-2200 2200-2300 2200-2300 2200-2100	8800-9000 9500-10500 11000-12000* 9200-10500 10700-11500 7900-8200 9500-10500 11200-12500* 7200-8600 8100-9500 7900-8500* 10500-11200 9800-11000 7500-7900 8300-9800 9000-10000* 10500-11000* 12200-13000 12100-13000 10000-11500* 13000-13800	0,1-3 0,1-3 0,1-3 0,1-4 0,1-4 0,1-2,5 0,1-4 0,1-5 0,1-2 0,1-3 0,1-3,5 0,1-3 0,1-3,5 0,1-4 0,1-3,5 0,1-3,5 0,1-4 0,1-4 0,1-4 0,1-4,5 0,1-4,5

* - Режим обработки с оплавлением поверхности

Плазменное упрочнение коррозийных сталей проводилось без оплавления и с оплавлением поверхностности. Микротвердость упрочненного слоя на этих сталях очень высокая, по сравнению с печной термообработкой, табл. 2.12.

Структура упрочненного слоя при оплавлении поверхности состоит из мартенсита, остаточного аустенита и карбидов. Количество остаточного аустенита дос­тигает у поверхности 35-45 %.

Максимальная микротвердость приходится на слой закалки из твердой фазы, где частично сохраняются нерастворившиеся карбиды и небольшое содержание ос­таточного аустенита (по сравнению с оплавленной зоной).

Микротвердость коррозионностойких сталей после

плазменного упрочнения

При плазменном упрочнении без оплавления максимальная твердость по глубине также находится на некотором расстоянии от поверхностности. В поверхно­стном слое фиксируется небольшое количество (5-10 %) остаточного аустенита.

Обработка рессорно-пружинных сталей 65Г,80С2, 50ХФА с оплавлением и без оплавления поверхности не отличается от обработки углеродистых и легированных сталей, рис. 2.25.

Структура упрочненной зоны представляет собой высоко - дисперсный мартенсит + остаточный аустенит + карбиды.

Рис. 2.25. Распределение микротвердости по глубине

упрочненного слоя на стали 65Г при плазменном

упрочнении без оплавления (1) и с оплавлением (2).

Углеродистые литейные стали отличаются от деформируемой стали меньшей пластичностью и ударной вязкостью. По другим физико-химическим свойствам различий практически нет. Плазменное упрочнение проводилось как с оплавлением, так и без оплавления поверхностности. Микротвердость упрочненного слоя находится примерно на одинаковом уровне с деформируемыми углеродистыми сталями, табл. 2.12. При плазменном упрочнении этих сталей желательно проводить предварительную общую печную термообработку (нормализацию, закалку, высокий отпуск).

Табл.2.13

Микротвердость упрочненного слоя на углеродистых литейных сталях после плазменного упрочнения

* Режим обработки с оплавлением поверхности

Твердые сплавы

Твердые сплавы не относятся к числу железоуглероди­стых сплавов, однако они широко используются в инструментальном производстве. Сведений об упрочнении твердых сплавов при помощи плазменного нагрева в ли­тературе (см. статью Самотугина С.С. в журнале 1997 №4, с45,-51)очень мало. Имеются данные по упрочнению твердых сплавов при помощи лазера . Лазерное упрочнение твердых сплавов ВЗК (стеллит), ВК8, ВК6М, В15 повышает твердость

сплавов в зоне упрочнения на 30-50 %, глубина упрочнения составляет 100-150 мкм (разупрочненные области отсутствуют). Повышение твердости твердых сплавов по мнению связано со структурными и фазовыми превращениями: обра­зованием карбидов WC гек, WC куб, W 2 С и насыщение кобальтовой связки вольфрамом, уменьшением карбидных частиц и т.д. Увеличение содержания кобальта в сплаве повышает степень упрочнения сплавов (с оплавлением и без оплавления поверхно­сти), химический состав и исходная твердость которых представлены в табл. 2.14.

Табл. 2.14.

Закалка душевная. Наставление о терпении напраслин. Благословения и проч

Значение санкции при назначении наказания. Исходная мера наказания и способы её определения

Типовая задача. Дана исходная таблица. Используя ее, мы определяем коэффициенты сжимаемости (z) и объемный коэффициент газа (b)

PLASMA HARDENING HIGH-CHROMIUM CAST IRON

Kirill Vaskin

PhD, assistant professor of Togliatti State University,

Russia , Togliatti

Artur Blinov

undergraduate of Togliatti State University,

Russia, Togliatti

Andrey Blinov

head of "Technological Department of die tooling " PJSC AVTOVAZ,

Russia, Togliatti

АННОТАЦИЯ

В работе было исследовано влияние плазменной закалки на физико-механические свойства чугуна ХФ. Были определены значения микротвердости и глубины упрочненного слоя. В результате проведенных исследований было получено, что использование плазменного поверхностного термоупрочнения позволило повысить микротвердость поверхностного слоя образца более чем в 2 раза.

ABSTRACT

Effect of plasma hardening physical and mechanical properties of high-chromium cast iron in article are investigated. Values of hardness and depth of the hardened layer are determined. The use of highly concentrated energy sources makes it possible to increase the hardness of the surface layer more 2 times, as a result of our research.

Ключевые слова: плазменная закалка; термоупрочнение.

Keywords: plasma hardening; thermal hardening.

Кратковременное действие температурного фактора при закалке приводит к диспергированию структуры. Это характерно при плазменной и лазерной закалке . Однако, при лазерной закалке пятно контакта лазерного луча и обрабатываемого материала меньше пятна контакта плазменной дуги с обрабатываемой поверхностью. Поэтому при больших областях закалки более производительным является метод плазменной закалки. Таким образом, при закалке штамповой оснастки предпочтительным является способ плазменного термоупрочнения.

Исследования по изучению влияния плазменной закалки проводили на чугуне ХФ, который применяют при изготовлении пуансонов и матриц формообразующих штампов холодной штамповки на ПАО «АВТОВАЗ» .

Плазменная закалка образца (рис. 1) была проведена на установке УГДЗ-200 .

Рисунок 1. Геометрические размеры образца для плазменной закалки

Из-за того что образец имел небольшие размеры, а его способность к отведению тепла не столь велика, то некоторые участки упрочняемой поверхности оплавлялись. Чтобы устранить возникшие неровности, образец шлифовали, при этом глубина резания составила порядка 0,3…0,4 мм, а шероховатость Ra0,8. После этого на электроэрозионном станке был вырезан фрагмент поверхности для того чтобы провести дальнейшие металлографические исследования.

Замеры микротвердости были проведены с помощью микротвердомера Micromet-II, структура образца изучалась на микроскопе AxioObserver.

Плазменная закалка образцов из чугуна ХФ

Внешний вид упрочненного плазменной закалкой образца из чугуна ХФ приведен на рисунке 2. На данном образце была проведена операция шлифования упрочненной цилиндрической поверхности со съемом материала толщиной 0,4 мм, затем электроэрозионным способом вырезан фрагмент поверхности для проведения металлографических исследований.

Основные параметры процесса упрочнения:

• рабочий ток дуги 150А;
• рабочее давление аргона 0,3 МПа;
• ширина закаленной зоны 10-12 мм;
• длина дуги - 20 мм;
• скорость прохода по поверхности - 0,5 м/мин.

Рисунок 2. Образец из чугуна ХФ после проведения плазменной закалки, шлифования, вырезки фрагмента упрочненной поверхности

Микроструктура упрочненной зоны образца из чугуна ХФ приведена на рисунке 3(а). Распределение микроструктуры от поверхности внутрь материала следующее: ледебурит, мартенсит, остаточный аустенит, троостомартенсит, цементит, графит пластинчатый по всему сечению упрочненного слоя.

а б

Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя образца из чугуна ХФ. (а) - структура упрочненного слоя, (б) - структура сердцевины.

Микроструктура сердцевины образца из чугуна ХФ представлена на рисунке 3б: перлит пластинчатый, цементит, графит пластинчатый.

Параметры упрочненного методом плазменной закалки слоя чугуна ХФ:

глубина упрочненного слоя – 0,8…1,0 мм;

твердость упрочненного слоя – HRC 55…58;

структура упрочненного слоя – ледебурит, мартенсит, остаточный аустенит, троостомартенсит, цементит, графит пластинчатый;

твердость сердцевины – HRC 26;

структура сердцевины – перлит пластинчатый, цементит, графит пластинчатый.

Список литературы:

1. Васькин К.Я., Блинов А.А., Блинов А.В. Плазменная закалка стали Х12МФ. Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. LXVIII междунар. науч.-практ. конф. № 3(63). – Новосибирск: СибАК, 2017. – С. 58-62.
2. Зубанов И.Ю., Блинов А.В. Новая технология изготовления штампов ОАО «ВАЗ». Материалы региональной научной конференции. Т. 2. 2014 - С. 122.
3. Коротков В.А. Опыт применения установки плазменной закалки УДГЗ-200 на предприятиях уральского региона. Автоматическая сварка. 2012. №5 (709). - С. 55-58.
4. Коротков В.А. Свойства и промышленное применение ручной плазменной закалки. Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. №8 (734). - С. 3-9.
5. Огин П.А., Васькин К.Я. Повышение ресурса мелкоразмерного инструмента за счет модификации изнашиваемых поверхностей при помощи оптоволоконного лазера. IV Резниковские чтения: труды междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Тольятти: ТГУ, 2015. - С. 143–145.
6. Огин П.А., Мерсон Д.Л., Кондрашина Л.А., Васькин К.Я. Влияние режимов лазерной модификации на структуру, свойства и износостойкость мелкоразмерного инструмента из быстрорежущей стали Р6М5. Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 4 (34). - С. 83-88.
7. Xiang Y., Yu D., Li Q., Peng H., Cao X., Yao J. Effects of thermal plasma jet heat flux characteristics on surface hardening. Journal of Materials. 2015. P. 238-246.

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.

Марка сплава	Химический состав, %	HRC
C	Si	Cr	Co	W	WC	TiC	TaC
Cтеллит 1 Стеллит 2 Релит Т15К6 Т30К ВК3 ВК6 ВК8 ВК15	2,1 - - - - - -	1,8 2,5 - - - - - - -	- - - - - - -	59,1 -	4,5 - - - - - -	- - -	- - - - - - -	- - - - - - - - -