Что такое финишное плазменное упрочнение

Финишное плазменное упрочнение инструмента, штампов и пресс-форм

Тополянский Павел Абрамович,
канд. техн. наук, Генеральный директор НПФ «Плазмацентр», Санкт-Петербург

Для повышения долговечности режущего инструмента и деталей технологической оснастки в промышленности применяются известные технологии нанесения износостойких покрытий: вакуумное ионно-плазменное напыление, электроискровое легирование, финишное плазменное упрочнение (ФПУ); технологии модифицирования поверхности: лазерная и плазменная закалка.

При лазерной и плазменной закалке, проводимой в воздушной среде, возможно окисление обрабатываемой поверхности. В процессе электроискрового легирования невозможно получение тонкопленочных покрытий толщиной порядка нескольких микрометров. При вакуумном ионно-плазменном напылении температура обрабатываемых изделий при нанесении покрытия составляет 250-500 о С, а толщина покрытия значительно зависит от разнотолщинности изделия и его расположения относительно испарителя.

В последнее время появилось много публикаций о применении алмазных и алмазоподобных пленок для упрочнения режущего инструмента и деталей технологической оснастки. В Германии выпущен даже специальный стандарт VOI 2840 на алмазоподобные покрытия. Реализации этих процессов основаны на использовании дорогостоящего вакуумного оборудования.

Финишное плазменное упрочнение (ФПУ) инструмента и технологической оснастки, обеспечивающее нанесение алмазоподобного тонкопленочного (до 3-х мкм) покрытия в безвакуумном пространстве при атмосферном давлении, относится к новым промышленным технологиям. Процесс упрочнения инструмента, оснастки и деталей машин происходит при интегральной температуре нагрева изделий порядка 100 о С без изменения исходной шероховатости рабочих поверхностей.

Основным принципом нанесения алмазоподобного тонкопленочного покрытия, взятым за основу данной технологии, является разложение паров жидких технологических препаратов, вводимых в дуговой плазмотрон, с последующим прохождением плазмохимических реакций и образованием покрытия на изделии.

В качестве исходных веществ для получения алмазоподобного покрытия на основе оксикарбонитрида кремния используются металлоорганические и органические соединения в жидком состоянии. Расход технологических препаратов при односменной работе установки не превышает 0,5 л/год. В качестве плазмообразующего газа, используемого в дуговом плазмотроне, выбран аргон, применение которого основывается на требовании долговечности и надежности элементов плазмотрона при длительном ведении процесса. При этом стойкость катодного и анодного узла плазмотрона при ФПУ достигает порядка 1000 часов непрерывной работы.

Одной из основных особенностей ФПУ, связанной с повышенными скоростями охлаждения осаждаемого покрытия и наличием элементов-аморфизаторов, является аморфное состояние наносимого покрытия, которое имеет повышенную твердость (до 53 ГПа), высокое удельное электрическое сопротивление (10 10 Ом”м), низкий коэффициент трения, обладает химической инертностью. Известно, что в аморфных материалах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллических тел. В них нет границ зерен, дислокаций, их структура гомогенна, диффузия по вакансиям более затруднительна, они изотропны. Аморфные покрытия применяются в качестве барьерных пленок, предотвращающих быструю диффузию, пассивирующих пленок, повышающих коррозионную стойкость материалов и препятствующих коррозионному растрескиванию под напряжением и водородному охрупчиванию.

Наносимое покрытие при ФПУ повторяет профиль подложки. На рис.1 показан поперечный шлиф, полученный с помощью многоцелевого


Рис.1. Поперечный шлиф образца с покрытием ФПУ (хЗООО)

сканирующего (растрового) микроскопа ISM-6460LV. В покрытии отсутствуют микротрещины, несплошности, поры и другие дефекты. Формируется упрочняющее покрытие в виде оптически прозрачной пленки, которая на полированной поверхности дает интерференционную картину с радужными оттенками от фиолетово-голубого до зелено-красного цветов.

Сравнительные характеристики адгезионных свойств алмазоподобного покрытия, наносимого методом ФПУ, и покрытия нитрида титана, наносимого ионно-плазменным напылением в вакууме на оптимальном режиме на установке ННВ-6,61/11 исследовались склерометрическим методом. Основой являлась термообработанная инструментальная сталь Р6М5. В качестве индентора применялся алмазный конус Роквелла с углом при вершине 120 о , передвигаемый по поверхности покрытий со скоростью 3 см/мин. Вертикальная нагрузка на индентор увеличивалась до тех пор, пока не достигалась её критическая величина, при которой покрытие полностью отделялось от подложки. Данную критическую нагрузку определяют, исследуя полученные царапины под металлографическим микроскопом. В результате проведенных исследований выявлено, что критическая нагрузка, при которой появлялись первые сколы и отслоения покрытия из нитрида титана, составляла 35 Н, а для покрытий, нанесенных методом ФПУ – 65 Н.

Субмикрорельеф рабочих поверхностей образцов (рис.2), исследовавшийся на просвечивающем электронном микроскопе


Рис.2. Микрорельеф поверхности до (слева) и после (справа) ФПУ (х5000)

ЭММА-2 методом углеродно-серебряных реплик, показал высокооднородную характерную шероховатость, присущую поверхностям после ФПУ (в то время как субмикрорельеф поверхностей до ФПУ имеет явно выраженные многообразные следы – риски и дефекты от предшествующей абразивной обработки). Изменение топографии поверхности после ФПУ является подтверждением того, что покрытие осаждается на микродефектах поверхности, залечивая тем самым дефектные зоны, образованные при предшествующей шлифовальной операции.

Наносимое алмазоподобное покрытие, являясь диэлектриком, образует пленочный барьер, препятствующий схватыванию контактируемых поверхностей. Кроме того, это покрытие обладает повышенной коррозионной стойкостью и жаростойкостью, что подтверждается длительными испытаниями образцов на воздушную коррозию при температурах до 1000-1200 о С.

Испытания на трение и износ проводилось в соответствии с ГОСТ 23.224-86 на установке СМЦ-2. Для этой цели использовались образцы диаметром 38 мм, толщиной 12 мм из стали Р6М5, на которые наносилось алмазоподобное покрытие методом ФПУ и покрытие TiN методом ионно-плазменного напыления в вакууме. В качестве контртела использовались термообработанные до твердости HRC 63 образцы из стали ШХ15. Условия контакта – трение качения с 20%
проскальзыванием со смазкой. В качестве смазки применяли индустриальное масло И-20 (ГОСТ 20779-75). Испытания проводили при частоте вращения образца 1000 мин -1 при нагрузке 1650 Н. Дня сравнения также использовался образец из термообработапной стали Р6М5.

В процессе эксперимента регистрировались значения момента трения и массового износа образцов и рассчитывались коэффициенты трения и интенсивность изнашивания.

Коэффициент трения рассчитывается по формуле; ƒ=2M mp /D*P
где М тр – момент трения, Нм; D – диаметр образца, м; Р – нагрузка, Н.

Получены следующие результаты исследования триботехнических свойств пар трения:

Работает плазма: резка, упрочнение и нанесение покрытий

Оcущеcтвляя мoдернизацию прoмышленнoгo прoизвoдcтва, в бoльшинcтве cтран cейчаc пo пoнятным причинам делают cтавку на энергo- и реcурcocбережение. В Рoccии разрабoтки в этoм направлении ведутcя уже дocтатoчнo давнo. Одна из ведущих рoлей здеcь oтводитcя ионно-плазменным технологиям.

Игорь АНТИПОВ

Начнем c плазменной резки как наиболее раcпроcтраненной для такого вида технологий. Ее преимущества видны, как говорится, невооруженным глазом, и их трудно оспорить. Поэтому немного остановимся на деталях.

В источниках питания для ручной воздушно-плазменной резки используется принцип сварочных выпрямителей с падающими вольт-амперными характеристиками, но с напряжением холостого хода до 300 В. Агрегаты для механизированной резки построены уже по принципу управляемых тиристорных выпрямителей с обратными связями по току и напряжению дуги. Внешние вольт-амперные характеристики таких выпрямителей крутопадающие. Ввиду повышенных требований к качеству резки такие источники обладают высокими показателями статических и динамических характеристик (стабильность тока, быстродействие его управления, плавное регулирование и нарастание при включении дуги и пр.).


В плазматронах для резки в качестве рабочего газа используется в основном сжатый воздух, а в качестве материала катода – стойкий в кислородосодержащей среде циркониевый или гафниевый стержень, запрессованный в медный легкосменный катододержатель. Плотность тока в канале сопла, обуславливающая формирование жесткой интенсивно обжатой дуги с высокими режущими свойствами в плазмотронах для ручной резки, составляет 25–30 А/мм², а в плазмотронах для механизированной резки – 50–60 А/мм? на токах 200–300 А. По точности сборки и соосности катодного и соплового узлов к плазмотронам для резки предъявляют повышенные требования.

В практическом применении

Российская компания ООО «Традиция-К» решила улучшить качество собственного производства навесного оборудования для спецтехники. Для этого в декабре прошлого года предприятие приобрело установку для плазменной резки металла высокой точности MicroStep PLS 6001.15 PG.

Это современное оборудование благодаря двухприводной системе движения и стабильности плазменной дуги позволяет достигать высокого качества резки. Установка имеет систему рейчатых и шестеренчатых передач, управляется ЧПУ на базе Windows XP Proff SP2. Агрегат способен с максимальной точностью обрабатывать острые углы и сложные изгибы изделий, начинать резку металла в любой нужной точке, программировать резку по запланированной схеме под любым углом, проводить предварительное тестирование – имитацию резки, а также менять скорость резания при выполнении работ.

Помимо приведенных функций, автоматическое управление позволяет осуществлять выполнение заданной программы работы и после перерывов в подаче электроэнергии.

На сегодняшний день на производственных мощностях ООО «Традиция-К» освоен выпуск ковшей, катков, зубьев, адаптеров, а также инструментов и комплектующих к гидромолотам российского и зарубежного производства.


Напыление, алмазу подобное

На сегодняшний день разработано множество методик нанесения покрытий. Их можно разделить на две большие группы: методы химического и физического осаждения покрытий. Физические методы: ионно-плазменное напыление, генерация потока осаждаемого вещества термическим испарением (газотермическое напыление), лазерное и электроискровое упрочнение. К химическим методам относится, например, эпиламирование.

Остановим внимание наших читателей на газотермическом напылении, которое включает электродуговую металлизацию, газопламенное и плазменное напыление. Принцип прост: расплавленный электрической дугой или пламенем ацетиленовой горелки порошок или проволока распыляются по обрабатываемой поверхности. Обычно метод применяется для упрочнения и защиты деталей машин.

Финишное плазменное упрочнение (ФПУ) используется для изготовления инструмента с особыми свойствами поверхности: стойкостью к износу, коррозии, фреттинг-коррозии, высоким температурам, а также антифрикционностью и антисхватыванием. На поверхности основы образуется химически инертное диэлектрическое пленочное покрытие, обладающее низким коэффициентом теплопроводности и с низкой топографией поверхности. Плазменное упрочнение проводится при атмосферном давлении: между плазмотроном и изделием проходит разряд. В качестве плазмообразующего газа к дуге подается аргон, а материалом для покрытия, которое появляется в результате плазмохимических реакций, служит жидкий двухкомпонентный препарат «СЕТОЛ». Преимуществом метода являются низкие температуры процесса: заготовка нагревается всего на 100–120°С, что позволяет обрабатывать инструментальные стали с низкой температурой отпуска. А свойства покрытия из оксикарбонитрида кремния по микротвердости приближаются к алмазоподобным покрытиям и характеризуются высокой адгезионной прочностью, а также низким коэффициентом трения.


Научно-производственная фирма «Плазмацентр» ведет исследования и проектирование в области производства инструмента и технологической оснастки с повышенным ресурсом работы. Ее создавали ученые факультета технологий и исследования материалов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, за плечами которых – четверть века работы по проблематике нанесения защитных покрытий, упрочнения и сварки.

Среди крупнейших заказчиков фирмы – ОАО «КАМАЗ», ОАО «Ижевский машиностроительный завод», ОАО «Уралмаш, Ракетно-космический завод ФГУП «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева», ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут» и др. Одна из важнейших разработок компании – установка для финишного плазменного упрочнения УФПУ-111, предназначенная для безвакуумного нанесения износостойкого нанопокрытия на инструмент, – имеет соответствующие технологическую оснастку и детали машин (без изменения шероховатости поверхности при нагреве изделия не более 100°С).

В составе установки: плазмотрон с плазмохимическим генератором, блок аппаратуры с жидкостным дозатором, прибор контроля нанесения покрытия, источник питания, передвижной и настольный манипуляторы. Потребляемая мощность – не более 5кВА, номинальный ток – 100А, номинальное рабочее напряжение – не свыше 40В.

Запрягли вакуумно-дуговой разряд

Довольно активно в последние годы развивается ионно-плазменная обработка поверхности в вакууме плазмой вакуумно-дугового разряда (ВИПО). В частности, благодаря многим исследованиям, проведенным в первую очередь в Санкт-Петербургском институте проблем машиностроения, разработан ряд высокоэффективных, ресурсосберегающих, противокоррозионных и экологически чистых технологий.

Применение ВИПО характеризуется большими технологическими возможностями по изменению физико-химических и механических свойств поверхности деталей из конструкционных материалов за счет их комплексной обработки: получения оптимальной структуры, фазового состава и степени легирования фаз. Как обеспечивается качество формируемого модифицированного слоя или покрытия при ВИПО? Все зависит от структурного состояния исходного материала, способа и вида финишной обработки поверхности детали, технологических возможностей применяемого оборудования и эффективности воздействия плазмы на поверхность детали на всех технологических этапах обработки.


Прежде всего, изменение поверхностной структуры и свойств достигается при одновременном воздействии на деталь газовой и металлической плазмы. При этом могут формироваться структуры различных видов: как градиентные соединения, состоящие из твердых и химических соединений, так и интерметаллидные соединения. Наилучшее сочетание свойств при такой обработке наблюдается тогда, когда формирование структуры поверхностного слоя начинается с образования твердых растворов, плавно переходящих в химические соединения.

Так, при ионном азотировании титанового сплава ВТ6 наилучшее сочетание поверхностной твердости с глубиной диффузионного слоя и триботехническими свойствами наблюдается при формировании фазового состава модифицированного слоя, т.е. вначале происходит образование твердого раствора внедрения азота в α- и β-фазах титана, затем протекает инициированное азотом ? → ? – превращение на поверхности слоя нитридов необходимого состава.

Читайте также:  Как купить квартиру у застройщика в Новокузнецке?

Изменение свойств поверхности при ВИПО может быть достигнуто за счет нанесения на деталь покрытия из чистого металла и его нитридных, карбидных и оксидных соединений. При этом могут формироваться как монослойные покрытия, так и многослойные многокомпонентные с нанометрической структурой в промежуточных и основных слоях.

В одном процессе

Дальнейшие работы по развитию в России вакуумно-ионных технологий позволили отечественным разработчикам перейти на качественно новую ступень – создание комплексной системы обработки материалов. Ее основой является вакуумное оборудование с встраиваемыми блоками ионного травления, активирующего нагрева, источниками активной металлической плазмы и источником импульсного опорного напряжения, которое позволяет производить поверхностную обработку всех конструкционных материалов, применяемых в машиностроении. При этом реализуется больше технологических возможностей, связанных с получением защитных слоев, формированием необходимой многослойности и структуры – и все это теперь в одном технологическом процессе!


Главным этапом в новом методе ВИПО, обеспечивающем качество защитного слоя детали, является ионное травление исходной поверхности ускоренной газовой плазмой. Благодаря этому достигается полное удаление с поверхности загрязнений и оксидов и ее активация. В качестве источника ускоренной газовой плазмы используется модуль «Плагус», образующий ионный газовый поток энергии 200 эВ.

Вновь обратимся к примеру с титановым сплавом ВТ6. В результате применения ионного травления после вакуумного отжига у него почти полностью восстанавливается поверхностный потенциал. В области машиностроения в большинстве используют именно этот новейший метод вакуумной ионно-плазменной обработки деталей.

Самым полным техническим модулем, включающем блоки ионного травления, нагрева и активации поверхности, а также два источника активной металлической плазмы, является установка «Радуга» отечественного производства. Она имеет боковые технологические модули, позволяющие изменять конфигурацию плазменных потоков в рабочем объеме камеры, а конструкция самой камеры и технологические модули позволяют обрабатывать детали как из металлических материалов, так и неметаллов, включая детали основного производства, штамповую оснастку и инструмент.

Что такое финишное плазменное упрочнение

Выход из строя подавляющего большинства деталей машин, механизмов и оборудования связан с износом и разрушением их поверхностных слоев, проявляющимся в постепенном изменении размеров и формы. Традиционно борьба с износом основывается на конструировании деталей из объемно-легированных материалов с последующей термической обработкой, на использовании методов химико-термической обработки (цементация, азотирование) или нанесения электрохимических покрытий (хромирование). Такой подход осложняется дефицитностью и сокращением номенклатуры материалов выпускаемых металлоизделий, их высокой стоимостью, большими энергозатратами на термическую или химико-термическую обработку, экологическими проблемами. В настоящее время постоянно выдвигаются новые требования к надежности, долговечности, конкурентоспособности изделий, к специфическим условиям эксплуатации машин и механизмов, которые принципиально не могут быть решены при использовании какого-либо одного сложнолегированного сплава.
Важно отметить, что резервы свойств исходных материалов и общеизвестных технологий, используемых при изготовлении изнашиваемых деталей, с точки зрения повышения долговечности, практически выбраны полностью.
Одним из перспективных направлений на пути создания высоконадежных и конкурентоспособных деталей является применение современных технологий нанесения функциональных покрытий, к которым, в основном, относятся процессы наплавки, напыления и осаждения. Основным отличительным признаком данных методов является толщина покрытия: для процессов наплавки — это более 1 мм, для напыления — менее 1 мм, для осаждения — менее 10 мкм.
Наиболее часто используются износостойкие покрытия, наносимые методами наплавки (ГОСТ 2601) или газотермического напыления (ГОСТ 28076). Их применение, в основном, связано с использованием дорогостоящих присадочных материалов (проволочных или порошковых), с повышенным температурным воздействием и самое главное, с проведением последующей механической обработки (чаще всего абразивной). Это приводит не только к значительному увеличению себестоимости упрочняемых деталей, но и не решает проблемы негативных характеристик поверхности, связанных с окончательной механической обработкой (наклепом, растягивающими остаточными напряжениями, неэффективными параметрами шероховатости и др.).
Общемировая тенденция миниатюризации изготавливаемых изделий привела к разработке и созданию функциональных покрытий микронной толщины, наносимых на финишной стадии изготовления изделий с использованием физических и химических методов осаждения из паровой фазы. При этом они способны заменять покрытия толщиной один и более миллиметр (получаемые методами наплавки и напыления) по эффекту повышения долговечности. Это подтверждается публикациями последних лет, в которых приводятся результаты использования тонкопленочных покрытий применительно к деталям и инструменту, работающему в условиях даже наиболее агрессивного абразивного изнашивания [1–3].
В России технологии нанесения нанопокрытий также активно разрабатываются. В последнее время активизируется коммерциализация мультислойных нанопокрытий, наносимых с использованием технологии финишного плазменного упрочнения [4]. Процесс реализуется при обычных атмосферных условиях на финишной стадии изготовления изделий. При этом покрытия на подложке формируется из атомов и молекул, образуемых при разложении паров органических и неорганических жидких летучих соединений, в основном на основе соединений бора, кремния и некоторых других элементов. Наносимые покрытия являются мультислойными с нанометровым диапазоном монослоев. Толщина контролируемого монослоя может составлять — 2–20 нм. Для нанесения износостойких покрытий оптимальным является 50–250 монослоев. Монослои могут иметь как одинаковый, так и разный элементный состав. Наносимые покрытия могут быть аморфными, аморфно-кристаллическими, композиционными, алмазоподобными. К наиболее распространенным покрытиям, наносимым методом финишного плазменного упрочнения, относятся покрытия Pateks, MultiPateks, TriboPateks, SuperPateks, DLCPateks, имеющие различные химический состав и физико-механические характеристики.
Рассмотрим применение технологии финишного плазменного упрочнения с нанесением вышеперечисленных покрытий для повышения ресурса некоторых изнашиваемых деталей нефтегазового комплекса.

Направляющие аппараты и рабочие колеса установок электроприводных центробежных насосов (УЭЦН)
УЭЦН представляет собой набор большого числа ступеней, состоящих из вращающихся рабочих колес и неподвижных направляющих аппаратов. Для снижения износа опорных поверхностей в ступенях насоса между нижней поверхностью рабочего колеса и опорной поверхностью направляющего аппарата устанавливаются антифрикционные шайбы (в основном, из текстолита). Шайбы в процессе работы подвергаются значительному износу, особенно при условии повышенного содержания механических примесей и увеличенной частоты вращения вала насоса. Поверхности шайб смазываются и охлаждаются добываемой жидкостью. При разборке насосов видно, что примерно 80% шайб практически полностью изношены и требуют замены. Значительному износу подвержены также и опорные поверхности (буртики) направляющих аппаратов, контактирующих с шайбами.
Использование твердосплавных и керамических шайб приводит к увеличению габаритов насоса, повышает стоимость и снижает его надежность за счет различия коэффициентов линейного термического расширения материала шайб по сравнению с материалом рабочих колес и направляющих аппаратов. Вследствие этого наблюдается перегрев трибосопряжения, который приводит к выпадению шайб из мест запрессовки.
Одной из дополнительных причин выхода из строя насосов является износ от электрохимической коррозии. Поэтому при их конструировании целесообразно не применять материалы, образующие гальванические пары. Для этого материалы контактирующих деталей должны иметь минимальную разность потенциалов, а в идеале являться диэлектрическими.

Рис. 1. Процесс нанесения нанопокрытия Pateks на внутреннюю поверхность направляющего аппарата УЭЦН и вид деталей с покрытием опорных поверхностей.
С целью повышения ресурса направляющих аппаратов и рабочих колес УЭЦН на их опорные поверхности наносится износостойкое диэлектрическое нанопокрытие Pateks (рис. 1). Процесс нанесения нанопокрытия осуществляется при атмосферном давлении и температуре нагрева изделия не более 200 °C при применении роботизированного комплекса. Данное нанопокрытие, наносимое на финишной стадии при изготовлении направляющих аппаратов и рабочих колес или перед непосредственной их установкой (в условиях ремонта и замены), обеспечивает снижение износа в условиях повышенных нагрузок, противостоит микроабразивному, усталостному, водородному, окислительному изнашиванию и обеспечивает улучшение параметров шероховатости.
Стендовые испытания пары трения рабочее колесо — направляющий аппарат с нанопокрытием Pateks подтвердили их повышенную долговечность.
Эффективность повышения ресурса работы направляющих аппаратов и рабочих колес за счет наличия нанопокрытия ведет к минимизации подъемов насосной установки из скважины для замены антифрикционных шайб (колец), к снижению межремонтного периода насосной установки, обеспечивает отсутствие снижения напорных характеристик насоса, КПД, повышенную надежность и эффективность насосной установки в целом.

Нанесение нанопокрытия на резьбовую часть насосно-компрессорных труб (НКТ) и соединительных муфт к ним
Повышение ресурса насосно-компрессорных труб (НКТ), используемых в нефтегазодобывающей промышленности при проведении буровых работ и эксплуатации скважин, является актуальной проблемой. Основной причиной, приводящей к отказу работоспособности НКТ и остановке скважин, является износ резьбовых соединений и нарушение герметичности НКТ. С целью повышения долговечности НКТ на их резьбовую часть, а также на резьбу соединительных муфт, работающие в условиях трения металл по металлу со смазкой, наносится трибологическое нанопокрытие TriboPateks c одновременной плазменной закалкой подпленочной зоны.
По сравнению с аналогами данной технологии, а именно электрохимическим и термохимическим процессами (цинкование, фосфатирование, кадмирование), химико-термической обработкой (карбонитрация), холодным газодинамическим напылением, газотермическим напылением (плазменным, детонационным), новизна процесса состоит в использовании технологии нанесения специального трибологического покрытия и одновременного изменения свойств исходного материала резьбовой части труб под покрытием. Применение данной технологии обеспечивает нанесение покрытия только на резьбу, испытывающую максимальные контактные нагрузки и износ. Данное износостойкое и антифрикционное нанопокрытие, осаждаемое на финишной стадии изготовления НКТ (или перед непосредственным использованием), обеспечивает снижение трения и износа в условиях повышенных контактных давлений за счет уменьшения коэффициента трения, а также противостоит микроабразивному изнашиванию.
Преимущества данной технологии связаны с минимизацией экологических проблем (в отличие от электрохимических и термохимических методов), простотой встраивания необходимого оборудования в существующие линии изготовления НКТ, использованием малогабаритного оборудования с минимальным энергопотреблением.

Рис. 2. Процесс нанесения трибологического нанопокрытия TriboPateks на резьбовую часть НКТ.
Стендовые испытания резьбовых частей НКТ и муфт к ним подтвердили эффективность данной технологии повышения долговечности резьбовых частей НКТ за счет снижения удельных давлений на контактные площадки и уменьшения сопротивления сдвигу.
Достигаемый экономический эффект, в том числе на стадии эксплуатации, определяется уменьшением сроков ремонта, повышением производительности добычи, сокращением потребления НКТ и муфт к ним минимум в 2 раза.

Втулки подшипника и втулки защитные подшипников скольжения погружных установок электроприводных центробежных насосов (УЭЦН)
УЭЦН предназначены для откачки из нефтяных скважин пластовой жидкости (выполняющей роль смазочного материала), содержащей помимо нефти попутную воду, газ, песок и другие коррозионно-активные элементы. По статистике около 40% отказов УЭЦН происходит вследствие износа втулок подшипника и защитных втулок подшипников скольжения, приводящего к повышенным динамическим нагрузкам и вибрации корпуса УЭЦН и изменению расходно-напорных характеристик. Основные причины износа деталей подшипников скольжения связаны с усталостным и микроабразивным изнашиванием.
Втулки подшипников и защитные втулки УЭЦН, в основном, изготавливаются методами порошковой металлургии путем спекания материалов на основе карбида кремния, карбидов вольфрама, силицированного графита, а также с использованием газотермического напыления порошковых покрытий. Основной недостаток аналогов — высокая цена, в отдельных случаях низкая трещиностойкость.

Рис. 3. Процесс нанесения алмазоподобного нанопокрытия DLCPateks на наружные поверхности втулок подшипников скольжения УЭЦН.
С целью создания более дешевых и экономичных втулок в качестве исходного материала используется специальный чугун, на рабочие поверхности втулок наносится алмазоподобное кремний — углеродное нанопокрытие DLCPateks с использованием технологии финишного плазменного упрочнения. Обеспечивается нанесение нанопокрытия как на наружные, так и внутренние поверхности втулок, испытывающие максимальные нагрузки и износ. Преимущества данной технологии — достаточная долговечность при уменьшении стоимости втулок.

Рис. 4. Процесс нанесения нанопокрытия MultiPateks на посадочные поверхности вала.
Стендовые испытания подтвердили высокую долговечность и практически одинаковый ресурс втулок изделий, полученных с помощью технологии финишного плазменного упрочнения по сравнению с серийными, изготовленными серийной технологиией методами порошковой металлургии из материала на основе ВК8. Предлагаемые втулки подшипников скольжения могут заменить применяемые в настоящий момент серийные дорогостоящие втулки из различных порошковых материалов.

Валы насосно-компрессорного оборудования нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических производств
Анализ причин преждевременного выхода из строя деталей насосно-компрессорного оборудования нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических производств показал низкий ресурс посадочных поверхностей на валу под подшипники качения, узлы уплотнения, крыльчатки насоса и т. д. Износ этих поверхностей приводит к усложнению процесса разборки и преждевременной выбраковке вала. Нанесение методом финишного плазменного упрочнения износостойкого покрытия MultiPateks на посадочные поверхности валов не только предохраняет их от износа, но и продлевает срок службы, повышая ресурс до 3 раз за счет увеличения циклов сборки-разборки. Это стало возможно благодаря кардинальному изменению физико-механических свойств поверхностного слоя вала с нанопокрытием по сравнению с исходным материалом без покрытия.
Данное износостойкое нанопокрытие, осаждаемое на финишной стадии изготовления вала или после его ремонта непосредственно перед установкой подшипниковых и уплотнительных узлов, крыльчаток и других деталей, обеспечивает также длительное хранение валов для предотвращения коррозии металла.

Читайте также:  Чем можно резать керамическую плитку?

Поверхности опор и присоединительной резьбы шарошечных долот
Одним из важных узлов бурового шарошечного долота, определяющим его долговечность при сплошном бурении, является опора шарошки, которая работает при высоких статических и динамических нагрузках циклического характера. Основной причиной выхода из строя опор является появление люфта в подшипниках вследствие истирания тел качения и беговых дорожек и усталостного разрушения их под воздействием больших переменных контактных напряжений.

С целью обеспечения повышенной надёжности и долговечности опор шарошечных долот за счёт изменения их рабочих характеристик на опоры шарошек наносится методом финишного плазменного упрочнения нанопокрытие TriboPateks толщиной до 2 мкм. Это позволяет достичь: увеличения быстроходности, уменьшения момента трения («момента трогания»), снижения длительности приработки, расхода смазочных материалов, повышения фреттинго — и коррозионностойкости, возможности эксплуатации в экстремальных ситуациях без подвода смазки, надёжности против заедания, лёгкости хода, обеспечения диэлектрических характеристик.
С учетом характера износа повышение долговечности опор долота достигается за счет снижения микрошероховатости, создания структурно-однородного поверхностного слоя с оптимальными физико-механическими характеристиками, обладающими повышенным сопротивлением пластической и упругой деформации. Все это противодействует усталостному разрушению, затрудняет проникновение поверхностно-активных веществ внутрь металла, снижает микроабразивный износ.
Покрытие TriboPateks может быть также использовано для повышения долговечности присоединительной резьбы долота в условиях свинчивания — развинчи-
вания.
Испытания шарошечных долот с нанопокрытием опор подтвердили эффективность предлагаемой технологии повышения их долговечности.

Цилиндровые втулки буровых насосов
Одним из ответственных элементов гидравлической части буровых насосов является поршневая группа. Этот узел, создающий необходимое давление при перекачке жидкости, работает в среде слабоагрессивной и высокоабразивной жидкости при температуре до 85°С. Выход из строя буровых насосов происходит, в основном, из-за износа трибосопряжения пары — цилиндровая втулка-манжета поршня, поэтому увеличение срока эксплуатации этой пары является актуальной задачей. Уменьшение ресурса работы цилиндровых втулок приводит к необходимости замены вышедших из строя деталей, требует наличия резервного насоса и значительных материальных и трудовых затрат.

Технология финишного плазменного упрочнения

Технология финишного плазменного упрочнения (ФПУ) состоит в повышении долговечности деталей и инструмента за счет нанесения при атмосферном давлении тонкопленочных покрытий при бескамерном химическом осаждении из паровой фазы (PECVD процесс) с применением жидких элементоорганических соединений и активации электродуговой плазмой. Покрытие является продуктом реакций паров реагентов, прошедших через малогабаритный плазмохимический реактор.

Цель ФПУ – изготовление деталей, инструмента, штампов, прессформ, ножей, фильер, подшипников и др. изделий со специальными свойствами поверхности: износостойкостью, антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, разгаростойкостью, антисхватыванием, стойкостью против фреттинг – коррозии и др.

Примеры применения финишного
плазменного упрочнения на практике

Эффект от ФПУ достигается за счет изменения физико-механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.

Оборудование для ФПУ включает в себя специализированный источник тока, блок аппаратуры с жидкостным дозатором, плазмотрон с плазмохимическим реактором. Дополнительно данное оборудование может комплектоваться роботом, позиционером. манипулятором, блоком автономного охлаждения, мобильной вытяжной системой, прибором контроля нанесения покрытия, прибором измерения толщины покрытия, оборудованием для подготовки поверхности перед нанесением покрытия.

Технологический процесс ФПУ проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона с плазмохимическим реактором. Скорость перемещения – 1-10 мм/с, расстояние между плазмотроном и изделием – 5-15 мм, диаметр пятна упрочнения – 12-15 мм, толщина покрытия – 0,5-3 мкм. Температура нагрева деталей при ФПУ не превышает 100-150°С. Параметры шероховатости поверхности после ФПУ не изменяются. В качестве газов используется аргон, азот, исходным материалом для прохождения плазмохимических реакций и образования покрытий являются жидкие технологические препараты семейства СЕТОЛ. Общий расход препаратов не превышает 0,5 г/ч (не более 0,5 литра в год).

Примеры применения ФПУ: упрочнение режущего инструмента, штампов, ножей, пил, пресс-форм, калибров, фильер, шестерен, подшипников, деталей машин типа валиков, кулачков, направляющих, фиксаторов, прижимов, толкателей и т.д.

Внедрение ФПУ на предприятиях России, стран СНГ и зарубежья показывает повышение стойкости упрочненных изделий в 2-10 раз.

Отличительные особенности ФПУ по сравнению с аналогами – ионно-плазменным напылением (PVD-процессами), CVD-процессами, лазерным и электроискровым упрочнением, эпиламированием и другими:

  • проведение процесса упрочнения на воздухе при температуре окружающей среды не требует применения вакуумных или других камер и ванн;
  • вследствие нанесения тонкоплёночного покрытия (толщиной не более 3 микрометров), укладывающегося в допуски на размеры деталей, процесс упрочнения используется в качестве окончательной финишной операции;
  • отсутствие изменений параметров шероховатости поверхности после процесса упрочнения;
  • минимальный нагрев в процессе обработки (не более 200°С) не вызывает деформаций деталей, а также – позволяет упрочнять инструментальные стали с низкой температурой отпуска;
  • возможность упрочнения локальных (по глубине и площади) объемов деталей в местах износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объёме; тонкоплёночное покрытие по аморфности, низкому коэффициенту трения, повышенной микротвёрдости, диэлектрическим свойствам, химической стойкости к кислотам и щелочам, прозрачности в ИК диапазоне, близко к алмазоподобным покрытиям;
  • образующиеся на поверхности упрочненных изделий сжимающие остаточные напряжения при циклической нагрузке повышают их усталостную прочность (для сравнения: после операции шлифования возникают растягивающие напряжения, ведущие к снижению усталостной прочности);
  • высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой обеспечивает максимальную сопротивляемость истиранию (в том числе – при взаимодействии инструмента с обрабатываемым материалом);
  • низкий коэффициент трения способствует подавлению процессов наростообразования при резании или налипания при штамповке и прессовании;
  • формирование специфического микрорельефа поверхности способствует эффективному его заполнению смазочно-охлаждающей жидкостью при эксплуатации инструмента и деталей машин;
  • образующееся на поверхности тонкоплёночное аморфное (стеклообразное) покрытие защищает изделие от воздействия высокой температуры (испытания на высокотемпературную воздушную коррозию в течение 100 часов при температуре 800°С);
  • высокая производительность упрочнения (время обработки, например, кромок вырубного штампа средних размеров может составлять несколько минут);
  • простота операций по очистке и обезжириванию перед упрочнением (отсутствие специальной предварительной подготовки);
  • возможность упрочнения поверхностей деталей любых габаритов в ручном или автоматическом режимах;
  • минимальное потребление и низкая стоимость расходных материалов;
  • низкая потребляемая мощность установки для упрочнения – менее 5 кВт;
  • незначительная площадь, занимаемая оборудованием – 1-2 м2;
  • малогабаритный плазмотрон с плазмохимическим реактором для упрочнения (массой около 1,5 кг) может быть легко закреплён на манипуляторе, в руке робота, а также – позволяет вести обработку вручную;
  • транспортабельность и маневренность оборудования (масса блока аппаратуры – менее 15 кг, источника питания – менее 50 кг);
  • экологическая чистота процесса в связи с отсутствием отходов при упрочнении;
  • минимальный уровень шума, не требующий специальных мер защиты;
  • в отличие от методов упрочнения с использованием поверхностно-активных веществ – в данной технологии отсутствуют особые требования к помещению, нет контактирования с токсичными материалами, не требуется затрат времени на выдержку в растворах и сушку обработанных деталей.

При ФПУ применяются следующие типы покрытий:

ПокрытиеМатериалПрименение
PateksХ-SiOCNИнструмент, штампы, пресс-формы, ножи, пилы, калибры, фильеры. Резьбонакатной и гайконарезной инструмент, ножи бесцентрошлифовальных станков, детали трубопроводной арматуры, оборудование табачного, швейного и консервного производств. Отличные антиадгезионные свойства, смазывающая способность, диэлектрические характеристики.
SuperPateksB-SiOCNВырубные, гибочные, чеканочные, вытяжные штампы, инструмент для холодной высадки, клеймения, упаковки, тиснения, таблеточных машин, холодновысадочный инструмент, ножи для резки бумаги, картона, кожи, хлеборезательных машин, зубчатые колеса и шестерни, детали экструдеров, винтовых насосов. Повышенная твердость и стойкость к окислению.
MultiPateksH-SiOCNЛитейные формы для прессования, оснастка для стеклоформующих машин, инструмент для нарезания резьбы, горячей высадки, обработки труднообрабатываемых материалов, гильзы цилиндров, поршневые кольца, чехлы термопар. Высокая жаростойкость, теплостойкость, износостойкость.
TriboPateksY-SiOCNЗолотниковые и плунжерные пары, подшипники качения, детали типа валиков, кулачков, направляющих, фиксаторов, прижимов, толкателей, штифтов, работающие в условиях смазки. Покрытие с низким коэффициентом трения, минимальной длительностью приработки, обеспечивающее уменьшение температуры в зоне трения.
BioPateksAgX-SiOCNМедицинские инструменты, детали имплантационного назначения ортопедии, травматологии и стоматологии. Высокая биосовместимость, бактерицидность, стойкость к коррозионно-электрохимическому воздействию биожидкостей.
DLCPateksa-C:H-SiOCNПодшипники качения, детали торцовых уплотнений, червячных редукторов, лабиринтные уплотнения, защитные втулки подшипников скольжения, направляющие аппараты и рабочие колеса погружных насосов, резьба насосно-компрессорных труб и соединительных муфт. Отличные трибологические характеристики.
SilcoPateksa-Si:H-SiOCNЭлементы хроматографов, системы отбора, хранения и переноса проб природного газа (баллоны, сосуды, пробоотборники), детали, работающие в условиях горения топлива и высокотемпературного и окислительного воздействия компонентов масла, технологические приспособления вакуумных систем с целью защиты от воздействия химически активных соединений (серы и серосодержащих соединений, ртути, аммиака, спиртов, ацетатов, гидридов, соляной, азотной, серной кислот и других веществ), пассивации и повышения коррозионной стойкости, уменьшения образования углеродистых отложений (нагара, лака, шлама), минимизации загрязненности газовых сред в вакуумных технологиях.
TermoPateksNiCr-SiOCNЗащитное покрытие рабочих поверхностей кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок.

Экономическая эффективность ФПУ деталей, инструмента, технологической оснастки и других изделий определяется повышением их ресурса, сокращением необходимого количества для заданной производственной программы, экономией инструментальной стали, уменьшением объёма заточных операций, сокращением времени и средств, связанных с настройкой прессов и металлообрабатывающих станков, возможностью интенсификации режимов работы.

Свяжитесь с нами по телефонам +7 (812) 679-46-74, +7 (921) 973-46-74, или напишите нам на почту office@plasmacentre.ru

Наши менеджеры подробно расскажут о имеющихся у нас технологиях нанесения покрытий, упрочнения, восстановления, придания свойств поверхности, а также о стоимости услуг компании.

Что такое финишное плазменное упрочнение

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 Екр, выше которой происходит оплавление поверхности. Для различных сталей значение Екр 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.

Читайте также:  Такелажные работы – это что такое

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.

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

Импульсно-плазменное упрочнение

Способ разработан в Институте электросварки им. О. Е. Патона НАН Украины. Повышение мощности импульса осуществляется за счет детонации горючей газовой смеси в реакционной камере (РК) 1 (рис. 8), в которой между двумя коаксиальными электродами наведено электрическое поле Е. По оси РК закреплен металлический электрод 2, конец которого при перегреве эродирует и обеспечивает ввод в плазменную струю паров металла. Инициирование детонации в РК осуществляется малогабаритным детонационным устройством 3. Через это же устройство осуществляют заполнение РК компонентами горючей газовой смеси.

Рис. 8. Детонационное устройство с электромагнитным принципом ввода дополнительной энергии

Энергию для поддержания напряженности электрического поля обеспечивает электрический преобразователь 4. При инициировании детонации в РК по слою продуктов сгорания за детонационной волной (ДВ) течет электрический ток. Возникает добавочный приток энергии к газу. После выхода ДВ из РК 1, электрический ток течет от анода-электрода 2 к поверхности напыляемого изделия (катоду) по плазменной струе (ПС) и напыляемому материалу, который подается транспортирующим газом через трубку 5.

При прохождении электрического тока возникают пондеромоторные силы, которые стягивают плазму к оси РК, что увеличивает плотность ее энергии и снижает эрозию стенок РК. Высокоэнергетическая струя газа формирует на поверхности изделия ударно-сжатый слой (УСС), что обеспечивает термоактивацию. Прохождение электрического тока по ПС вызывает дополнительный нагрев порошкового материала и поверхности.

При импульсно-плазменной обработке (ИПО) поверхность испытывает комплексное воздействие, а именно: ударное, электромагнитное, термическое, обратимые мартенситные превращения. Каждое из них в отдельности играет роль инициатора диффузионных процессов, что резко ускоряет массоперенос и оказывает на поверхностный слой изделия термохимическое воздействие, стимулируя протекание химических реакций .

Обработка поверхности изделия импульсной плазмой, содержащей легирующие элементы, обеспечивает легирование поверхности составляющими плазмы и ее упрочнение. Ввод легирующих элементов в плазму осуществляется в виде продуктов эрозии металлического электрода (стержня) и в виде газа (пропан, азот).

При модифицировании поверхности повышается: усталостная прочность (до 40 %), коррозионная стойкость (до 200 %), износостойкость (до 1000 %) и теплостойкость (до 200 %).

Импульсно-плазменное модифицирование обеспечивает возможность вести бесконтактную обработку поверхности рельефа и может быть использовано для обработки изделий имеющих сложную конфигурацию и изготовленных из различных сплавов. Например, обработка сплава на основе титана позволяет получить модифицированный слой, который имеет толщину до 60 мкм и твердость до 9 ГПа. На поверхности изделий из углеродистых сплавов на основе железа можно получить слой толщиной до 100 мкм и твердостью до 20 ГПа. На поверхности изделий из чугунов или железа можно получить слой твердостью 9…14 ГПа.

Использование углеводородных газов в качестве образующих плазму позволяет создать углеродные импульсные потоки плазмы. Пары углерода конденсируются на поверхности образца. После 20 импульсов обработки на поверхности была получена углеродная пленка, толщиной до 20 мкм. Рентгенографический анализ показал, что эта пленка состоит из углерода, преимущественно аморфного.

Импульсно-плазменное оборудование позволяет наносить покрытия из порошков или электродов.

Наибольшая твердость упрочненного слоя на образцах из стали У8, предварительно прошедших закалку и высокий отпуск, была достигнута при использовании электродов из вольфрама и молибдена (рис. 9).

Рис. 9. Изменение твердости модифицированного слоя в зависимости от количества импульсов и ввода в плазму металлов

При нанесении покрытия из порошка α-Al2O3 расход компонентов горючей смеси составляет 2 м 3 /ч при частоте инициирования детонации 4 Гц. Расход электрической энергии на каждый плазменный импульс составляет 500…3500 Дж. Длина порошковой струи, ограниченная цилиндрическим стволом, составляет 0,350 м, а дистанция – 0,040 м, диаметр пятна покрытия, нанесенного за 1 импульс, составляет 0,033 м.

Покрытие имеет толщину до 0,8 мм и содержит до 8 % γ-фазы Al2O3, аморфные фазы и остальное α-фазу. Микротвердость слоя составляет 9000…13000 Н/мм 2 .

При напылении твердого сплава (WC 98 %, Co 12 %) формируется плотное покрытие толщиной 0,1…1,0 мм и твердостью 8000…12800 Н/мм 2 .

Покрытия имеют высокую сцепляемость с подложкой. Исследования показали, что сцепляемость покрытия из порошка Al2O3 с подложкой из сплава на основе титана (ВТ-23) составляет 30…50 МПа, со стальной подложкой – 30…60 МПа, с подложкой из сплава на основе алюминия – 25…35 МПа. Сцепляемость покрытия из порошка твердого сплава (WC 98 %, Co 12 %) с медной подложкой составляет 200…250 МПа.

Производительность установки при нанесении покрытия из Al2O3 составляет 6…8 кг/ч, а при нанесение покрытия из порошков на основе металлов производительность составляет 8…10 кг/ч при установленной мощности установки 15 кВт. Подача компонентов горючей смеси и порошкового материала в плазмотрон осуществляется непрерывно, что удешевляет технологии нанесения покрытий и технологические устройства.

Импульсно-плазменная установка смонтирована на базе горизонтально фрезерного станка 1 (рис. 10) и используется для упрочнения инструмента и нанесения высококачественных покрытий из металлов, твердых сплавов и оксида алюминия на детали машин в ОАО «Череповецкий сталепрокатный завод». Вместо вертикального шпинделя станка закреплена траверса с импульсным плазмотроном 2 и малогабаритной детонационной пушкой 3. Установка оснащена стандартным порошковым питателем 4. К реакционной камере плазмотрона присоединен цилиндрический ствол 5, который предназначен для ограничения газопорошковой струи при ее ускорении и нагреве. Порошок вводится через штуцер 6 в боковой стенке цилиндрического ствола. Модифицируемое (напыляемое) изделие 7 закрепляется на столе фрезерного станка.

Рис. 10. Универсальная импульсно-плазменная установка

Опыт промышленной эксплуатации показал, что ресурс упрочненного инструмента повышается в 3…5 раз.

Ссылка на основную публикацию