Способ ручной плазменной закалки. Плазменная закалка чугуна хф Плазменная закалка режущего инструмента у10

Плазменное поверхностное упрочнение, как один из методов упрочнения источниками нагрева с высокой плотностью мощности, в настоящее время применяется в условиях как мелкосерийного и единичного, так и крупносерийного и массового производства. Сущность его заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей и последующем отводе тепла в глубь детали .

Для технологических целей используют низкотемпературную плазму, которая представляет собой частично ионизированный газ и имеет температуру порядка 10 3 ...10 s К. Механизм образования плазмы, свойства и параметры плазменной струи зависят от рода и свойств плазмообразующей среды, которая может быть однокомпонентной и многокомпонентной. В качестве однокомпонентной плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород. В качестве многокомпонентных используют смеси: аргон и водород, аргон и гелий, азот и водород, воздух, воду, аммиак, азот и кислород .

Плазмообразующий газ должен обладать высоким значением удельной теплоемкости и теплопроводности. В этом отношении аргон обладает худшими электрическими и теплофизическими характеристиками по сравнению с другими плазмообразующими газами, однако хорошо защищает вольфрамовый электрод, легко ионизируется под действием дугового разряда и не оказывает вредного воздействия на поверхностный слой обрабатываемого металла. Однако аргон и другие инертные газы дорогостоящи. Кроме того, они не могут диссоциировать в столбе дугового разряда. Активными теплоносителями являются двух- и трехатомные газы, поэтому их применяют в качестве добавки к аргону. Наилучшими теплофизическими характеристиками обладает водород. В смеси его содержание обычно не превышает 15-20%. Дальнейшее увеличение содержания водорода в смеси приводит к резкому возрастанию напряжения на дуге. .

Плазменная обработка материалов обладает рядом достоинств, обуславливающих ее широкое использование для реализации всех известных методов термического воздействия на материал: возможностью достижения высокой концентрации тепловой энергии; пригодностью для плавления или испарения практически любых известных в природе материалов; повышенной стабильностью плазменной дуги по сравнению с электрической; высокой скоростью газа в плазменной струе .

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 - 0,85. Плазменное оборудование по стоимости и сложности изготовления вполне сопоставимо с электродуговым, отличается малыми габаритами и высокой маневренностью. Его широко применяют для резки, наплавки, напыления, сварки и более ограниченно для упрочнения .

2. Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии

Все методы поверхностного высокоэнергетического упрочнения сталей предназначены для формирования закаленных слоев, обеспечивающих повышенный уровень износостойкости рабочих поверхностей деталей, находящихся в тяжелых условиях внешнего нагружения. Несмотря на принципиальные различия используемого для поверхностной обработки оборудования, механизм формирования упрочняемого слоя в общем случае одинаков . Он заключается в быстром нагреве локального объема детали до аустенитного состояния и последующем отводе тепла в соседние объемы, не успевшие нагреться в тот период, когда источник нагрева был включен. В связи с тем, что масса нагретого слоя значительно меньше, чем масса обрабатываемой детали, скорость охлаждения поверхностного слоя как правило выше критической . Следовательно, на стадии охлаждения аустенит претерпевает мартенситное превращение.

Комплекс механических свойств поверхностного слоя, в первую очередь твердости и показателей прочности, обеспечивается высокими значениями скоростей нагрева и охлаждения стали . Это обстоятельство объясняет малый размер мартенситных кристаллов, возникающих в мелких зернах аустенита и отсутствие явных признаков самоотпуска пересыщенного твердого раствора . При обработке материала в его поверхностных слоях развиваются физико-химические процессы, характер которых определяется химическим составом, температурой, временем, скоростью нагрева и последующего охлаждения .

Формирование высокотемпературной фазы в результате нагрева высококонцентрированными потоками энергии, в отличие от медленного нагрева, когда превращение перлит > аустенит происходит в близких к изотермическим условиях, из-за избытка подводимой энергии идет в условиях непрерывно повышающейся от A с1 нач до A с1 кон температуры . График смещения критической точки изображен на рисунке 3.Следует отметить, что аустенит, полученный при высокоскоростном нагреве, отличается повышенным количеством дефектов. Большое число дефектов обусловлено наследованием их из б - фазы, а также дополнительным образованием вследствие усиления эффекта фазового наклепа в условиях превращения при высокой скорости нагрева. Степень завершенности процесса аустенитизации для конкретного состава железоуглеродного сплава определяется скоростью и температурой нагрева, временем теплового воздействия , точнее временем пребывания некоторого объема нагретого металла в диапазоне температур существования аустенита.

Рисунок 3 - Смещение критической точки Aс1 при быстром нагреве стали.

Поскольку при обработке концентрированными потоками энергии различные слои материала нагреваются до различных температур, зону термического воздействия условно можно представить состоящей из ряда слоев, плавно переходящих друг в друга. Схема строения ЗТВ показана на рисунке 4

Первый слой - зона оплавления, имеет место при закалке из расплавленного состояния. Зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая для среднеуглеродистой стали - мартенсит . Следует отметить, что по мере удаления от поверхности упрочняемого изделия в глубь размеры кристаллов мартенсита плавно изменяются. Обусловлено это тем, что температура материала в разных зонах быстро нагретого слоя существенно отличается (не смотря на то, что структура в этих зонах перед охлаждением была одинаковой - аустенит).

Рисунок 4 - Схема строения ЗТВ при плазменном упрочнении: 1 - зона оплавления; 2- зона закалки; 3 - переходная зона

Тем не менее, мартенсит основного слоя характеризуется высокой дисперсностью составляющих его элементов. Это обусловлено тем, что максимальная длина кристалла мартенсита соответствует размеру аустенитного зерна. Зерно аустенита из-за кратковременности выдержки не успевает вырасти и поэтому мартенсит, образующийся в его пределах, является мелкодисперсным. Кроме того, при смещении процесса образования аустенита в область высоких температур уменьшается концентрация углерода, снижается устойчивость зародыша, следовательно, скорость зарождения при этом резко увеличивается, что ограничивает рост зерен .

Второй слой - зона закалки из твердой фазы, образующийся в интервале температур Тпл › Тзак › ТАс1. По глубине слой характеризуется сильной структурной неоднородностью, так как наряду с полной закалкой происходит неполная закалка. В верхней границе слоя, ближе к поверхности, наблюдается мартенсит и остаточный аустенит. В нижней границе слоя, ближе к исходному металлу, наряду с мартенситом наблюдаются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидных сталях и цементит в заэвтектоидных .

Третий слой - переходная зона, в которой металл нагревается до температур ниже точки Ас1, в котором основными структурами являются структуры отпуска .

Металлографические исследования, проведенные авторами работы , показали, что микроструктура переходной зоны зависит от исходного состояния упрочняемого материала. В зависимости от режимов обработки, марки стали, ее предварительной термической обработки переходная зона может иметь различные размеры и строение. В доэвтектоидных сталях с исходной феррито-перлитной структурой и заэвтектоидных сталях с перлито-цементитной структурой после поверхностной закалки наблюдаются участки избыточных фаз (феррита и цементита). Размеры конгломератов этих фаз в направлении от закаленной зоны к зоне с исходной структурой возрастают.

Слоистое строение упрочненной зоны характерно для всех способов плазменного упрочнения. Геометрические параметры зоны плазменного нагрева характеризуются шириной и глубиной упрочненного поверхностного слоя, которые для большинства способов зависят от параметров режима упрочнения (мощности плазменной струи (дуги), дистанции упрочнения, скорости обработки) .

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

Технические науки/ 8.Обработка материалов в машиностроении

Бергер Е.Э., Ларушка Н.А.

Херсонский национальный технический университет

ПЛАЗМЕННАЯ ЗАКАЛКА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

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

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

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

Образец №1 – конструкционная углеродистая сталь 45 (отливка)

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

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

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

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

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

Образец №1: Сталь 45

Закалка образца была проведена без оплавления поверхности.

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

Образец №2: Сталь 30ХНМА

Закалка образца была выполнена без видимого невооруженным глазом оплавления поверхности.

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

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

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

Образец №2: Cтал ь 30ХН2МА

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

Таблица 1

Изменение.твердости по глубине термоупрочненного слоя образца №3

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

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

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

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

Образец №4: Cталь 40 Х

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

Таблица 2

Изменение твердости по глубине термоупрочненного слоя образца №4

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

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

Выводы

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

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

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

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

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

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

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.

СВАРКА. РЕНОВАЦИЯ. ТРИБОТЕХНИКА: тезисы докладов / Отв. ред. ; М-во образования и науки РФ; ФГАОУ ВПО “УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина”, Нижнетагил. технол. ин-т (фил.). – Нижний Тагил: НТИ (филиал) УрФУ, 2013. – 76 с.

Сведения о плазменной закалке появились в 80-х годах XX века [ , ]. Наличие в промышленности различных плазменных аппаратов (для резки, сварки, напыления) подталкивало новаторов приспосабливать их для поверхностной закалки. Установку микроплазменной сварки использовали для поверхностной закалки деталей шахтного оборудования и автомобильных распределительных валов . Установку для напыления с мощной дугой косвенного действия применили для закалки прокатных валков .

Большую работу по адаптации сварочных аппаратов для поверхностной закалки провели в Нижнетагильском филиале Уральского политехнического института, ныне – Уральского федерального университета. Модернизация плазмотрона позволила использовать установку плазменной сварки УПС-501 для поверхностной закалки дугой прямого действия. Внедрение в производство было сделано на Нижнетагильском металлургическом комбинате (НТМК) в 1985 г. Успех был замечательный, стойкость бандажей рельсоправильных машин с плазменной закалкой увеличилась в 2-4 раза [ , ]. Впоследствии разработанная технология с усовершенствованиями стала применяться для поверхностной закалки ручьёв (калибров) валков горячей прокатки . Таким же образом для плазменной закалки была адаптирована установка плазменной резки УПР-404 . Она получила применение для упрочнения наплавленных роликов рольгангов, транспортирующих закалённые рельсы. За счёт её срок службы роликов увеличился более чем в три раза. Для исключения трещин установили оптимальное соотношение толщин закалённого и наплавленного слоёв, а для увеличения глубины закалки – способ сканировании дуги [ , ].

В отличие от плазменных установок, оборудование для сварки вольфрамовым (W) неплавящимся электродом в аргоне более распространённое. Поэтому была выполнена его адаптация к поверхностной закалке. Чтобы увеличить ширину закалённых полос к дуге подвели магнитное поле, которое придало ей веерообразную форму и равномерно распределило тепловую энергию на ширину до 15 мм [ , ]. Плазменные установки с дугой косвенного действия, адаптированные к закалке, применялись для упрочнения валков, железнодорожных колёс и прокатных валков [ , ].

Несмотря на перечисленные успехи, плазменная закалка в 90-х гг. не обрела самостоятельной жизни. Её промышленное применение в основном поддерживалось разработчиками технологий. Плазменные установки для поверхностной закалки как самостоятельный вид товара не выпускались.

Установка ручной плазменной закалки УДГЗ-200

Разработанные технологии плазменной закалки имели существенный недостаток – их ручное применение было не возможно или затруднительно. Дуга косвенного действия работает при напряжениях более 250 В, которые не допустимы в ручном процессе. Дуга прямого действия чувствительна к настройке режима. Отклонения от оптимального, которые неизбежны при ручной закалке, сопровождаются или оплавлением закаливаемой поверхности, или исчезновением закалённого слоя. Поэтому выше описанные технологии плазменной закалки применялись только в автоматическом режиме, когда параметры настройки легко поддерживаются неизменными.

В современный век роботов и “безлюдных” производств разработка ручной технологии может показаться ошибочной. Однако ручные технологии, благодаря универсальности, демонстрируют живучесть. В мире основной объём сварки (более 80%) выполняются электродами или полуавтоматами, то есть вручную. По аналогии ожидалось, что с разработкой ручного способа плазменной закалки объёмы её применения возрастут, и произойдёт это за счёт изделий, которые ранее по тем или иным причинам закалить было не возможно.

При ручной закалке плазменная дуга должна обеспечивать равномерный прогрев независимо от естественных и неизбежных при этом колебаний длины дуги и скорости её перемещения. Критерием оценки служит отсутствие внезапных оплавлений поверхности и исчезновений закалённого слоя. Направление в исследованиях было выбрано с учётом работы . В ней установлено, что обжатие сварочной дуги возможно не только в сопле, но и за счёт газового потока, истекающего через контролируемый зазор между соплом и электродом. В результате был разработан способ ручной плазменной закалки, горелка для его осуществления и на их основе – закалочная установка УДГЗ-200 () [ , , ]. Закалка выполняется горелкой, небольшие размеры которой делают её удобной для ручного манипулирования, позволяют добираться ею до труднодоступных мест и упрочнять то, что ранее было невозможно .

Рисунок 1 – Установка УДГЗ-200

При закалке сварщик перемещает дугу () по поверхности со скоростью, обеспечивающей легкое “вспотевание” металла под дугой. Это состояние контролируется не труднее, чем плавление при сварке, но оно позволяет поддерживать необходимый для закалки нагрев и одновременно не допускает грубого повреждения поверхности. Дуга оставляет на поверхности закалённые полосы шириной 8-12 мм, которые сварщик располагает с некоторым перекрытием. Они окрашены “цветами побежалости”, то есть покрыты тонкой плёнкой окислов, которые не оказывают существенного влияния на шероховатость поверхности (). Плазменная закалка не даёт деформаций, благодаря чему закалённым деталям не требуются финишная шлифовка.

Рисунок 2 – Плазменная дуга во время закалки

Рисунок 3 – Пальцы ковша экскаватора с плазменной закалкой

Закалка происходит за счёт отвода тепла в тело детали без подачи воды на место нагрева. Поэтому установка УДГЗ-200 применяется на ремонтных площадках, по месту механообработки и эксплуатации деталей, а не только в термических цехах и на специализированных участках.

Твёрдый (HRC 45-65) слой закалки (0,5-1,5 мм) многократно увеличивает срок службы крановых рельс и колёс, зубчатых и шлицевых соединений, канатных блоков, вырубных, формовочных, вытяжных штампов и других ответственных деталей. Наличие установки УДГЗ-200 восполняет отсутствие печей для закалки, цементации, установок ТВЧ; делает закалку экологически чистой. Работу на ней легко осваивают сварщики 2-3 разрядов. Закалка установкой УДГЗ-200 может быть механизирована, автоматизирована и роботизирована. Благодаря установке УДГЗ-200 увеличена номенклатура закаливаемых изделий и решён ряд важных проблем на ведущих предприятиях Урала: ОАО “ЧМК”, ОАО “НТМК”, ОАО “ВСМПО-АВИСМА”, ОАО “ЧТПЗ”, ОАО “КГОК” и других. Через пять лет после разработки установка УДГЗ-200 прошла сертификацию, и по ТУ 3862-001-47681378-2007 было начато её промышленное производство. К концу 2012 г. выпущено более 40 установок, которые поставлены на предприятия России, Украины, Казахстана.

Перечень ссылок

Селиванов М.В., Шепелев Н.С. Применение плазмы для упрочнения за рубежом. – М.: ЦНИИ информ. и техн.-эконом. исслед. чёрной металлургии, 1985. – Вып. 2. – 23 с.
Поверхностное упрочнение сталей плазменной закалкой / В.А. Линник, А.К. Онегина, А.И. Андреев и др. // МиТОМ, 1983. – № 4. – С. 2-4.
Использование микроплазменного нагрева в процессах упрочняющей технологии / Кобяков О.С., Гринзбург Е.Г. // Автоматическая сварка, 1985. – № 5. – С. 65-67.
Структура и свойства сталей, упрочнённых плазменной струёй / Л.К. Лещинский, И.И. Пирч, С.С. Самотугин и др. // Сварочное производство, 1985. – № 11. – С. 20-22.
Плазменная закалка деталей технологического оборудования / А.А. Бердников, М.А. Филиппов, Р.И. Силин, И.Н. Веселов // Тез. докл. научн.-технич. конф. “Прогрессивные технологии упрочнения”. – Пенза: ПДН-ТП, 1986. – С. 69-70.
Коротков В.А., Бердников А.А., Толстов И.А. Восстановление и упрочнение деталей и инструмента плазменными технологиями. – Челябинск: Металла, 1993. – 144 с.
Упрочнение чугунных валков методом плазменной закалки / А.А. Бердников, В.С. Демин, Е.Л. Серебрякова и др. // Сталь, 1995. – № 1. – С. 56-59.
Восстановление и упрочнение роликов рольгангов / В.А. Коротков, Л.В. Баскаков, И.А. Толстов, А.А. Бердников // Сварочное производство, 1991. – № 3. – С. 31-33.
Способ восстановления стальных деталей. А.с. 1671706 (СССР). – Бюл. 31, 1991.
Плазменная закалка сканируемой дугой без оплавления / В.А. Коротков, О.В. Трошин, А.А. Бердников // Физика и химия обработки материалов, 1995. – № 2. – С. 106-111.
Сафонов Е.Н., Журавлев В.И. Поверхностное упрочнение железоуглеродистых сплавов дуговой закалкой // Сварочное производство, 1997. – № 10. – С. 30-32.

	Проведение упрочнения зубъев методом плазменной закалки стали установкой УДГЗ-200 ликвидировало серьезную проблему их выкрашивания во время эксплуатации. Работы проводились на ОАО Качканарский ГОК
	ОАО НТМК (Евраз холдинг) заказывал плазменную закалку зубчатого колеса изготовленного из стали 35ГЛ, используемого на сталеразливочном кране грузоподъемностью 220 тонн. В результате была повышено твердость по шкале НВ с 200 до 500 едениц, и как следствие увеличился срок эксплуатации более чем в 3 раза.
	3-х кратное увеличение срока службы канатного барабана напора на экскаваторе ЭКГ-10 привела плазменная поверхностная закалка зубьев и канатных ручев выполненная установкой УДГЗ-200.
	На ОАО ЧМК провели плазменную закалку опорных поверхностей и несущих роликов на зубчатом венце усреднительной машины. Работы проводили без разбора агрегата прямо на шихтовом дворе заказчика. Достигли отличного результата - увеличение межремонтного срока в два раза.
	Производим плазменное упрочнение металла разнообразных сложнопрофильных зубчатых деталей, как пример на фотографии, проводилась закалка внутреннего профиля.
	Плазменная закалка крупного нажимного винта по технологии проводится при закреплении его на токарный станок и вращением с небольшой скоростью. Данные процесс можно автоматизировать, подобрав на оборудовании нужную скорость вращения и подачи плазменной горелки.
	Закалка шевронного зуба и шлицов выполняемая на установке УДГЗ-200.

Закалка штампов

Плазменная закалка штампов дает весьма значительный экономический эффект. Наш заказчик ОАО ЧТПЗ снизил расход штампов из дорогостоящего модифицированного чугуна (использовались при формовке труб большого диаметра).