Metoda ručnog očvršćavanja plazmom. Kaljenje plazmom HF livenog gvožđa Očvršćavanje plazmom reznih alata u10

Površinsko stvrdnjavanje plazmom, kao jedna od metoda kaljenja izvorima grijanja velike gustine snage, trenutno se koristi kako u maloj i pojedinačnoj, tako iu velikoj i masovnoj proizvodnji. Njegova suština je u termalnoj fazi i strukturnim transformacijama koje nastaju prilikom brzog koncentriranog zagrijavanja radne površine dijela plazma mlazom i naknadnog odvođenja topline duboko u dio.

U tehnološke svrhe koristi se plazma niske temperature, koja je djelomično ionizirani plin i ima temperaturu reda 10 3 ... 10 s K. Mehanizam nastanka plazme, svojstva i parametri mlaza plazme zavise od tip i svojstva medija za formiranje plazme, koji može biti jednokomponentni ili višekomponentni. Argon, helijum, dušik i vodonik se koriste kao jednokomponentni medij za formiranje plazme. Kao višekomponentne mješavine koriste se sljedeće mješavine: argon i vodonik, argon i helij, dušik i vodonik, zrak, voda, amonijak, dušik i kisik.

Gas koji stvara plazmu mora imati visok specifični toplotni kapacitet i toplotnu provodljivost. U tom smislu, argon ima lošije električne i termofizičke karakteristike u odnosu na druge plinove koji stvaraju plazmu, ali dobro štiti volframovu elektrodu, lako se jonizuje pod djelovanjem lučnog pražnjenja i nema štetan utjecaj na površinski sloj. metal koji se obrađuje. Međutim, argon i drugi inertni gasovi su skupi. Osim toga, ne mogu se disocirati u stubu za lučno pražnjenje. Aktivna rashladna sredstva su dvo- i triatomski gasovi, pa se koriste kao aditiv argonu. Vodik ima najbolje termofizičke karakteristike. U mješavini njegov sadržaj obično ne prelazi 15-20%. Dalje povećanje sadržaja vodonika u smjesi dovodi do naglog povećanja napona luka. .

Plazma obrada materijala ima niz prednosti koje određuju njegovu široku upotrebu za implementaciju svih poznatih metoda termičke obrade materijala: sposobnost postizanja visokih koncentracija toplotne energije; pogodnost za topljenje ili isparavanje gotovo svih materijala poznatih u prirodi; povećana stabilnost plazma luka u odnosu na električni luk; velika brzina gasa u mlazu plazme.

Izvori plazme daju gustinu snage od 10 4 ~10 5 W/cm 2, tj. manje od snopa elektrona i lasera, ali njihova jedinična snaga može doseći 160 kW ili više, a efektivna efikasnost grijanja je 0,85. Plazma oprema je prilično usporediva po cijeni i složenosti proizvodnje sa opremom za električni luk, a karakteriziraju je male dimenzije i velika manevarska sposobnost. Široko se koristi za rezanje, navarivanje, prskanje, zavarivanje i još ograničenije za kaljenje.

2. Obrasci formiranja strukture površinskih slojeva čelika pri visokoenergetskom izlaganju

Sve metode površinskog visokoenergetskog kaljenja čelika dizajnirane su za formiranje kaljenih slojeva koji osiguravaju povećanu otpornost na habanje radnih površina dijelova izloženih teškim uvjetima vanjskog opterećenja. Uprkos fundamentalnim razlikama u opremi koja se koristi za površinsku obradu, mehanizam za formiranje očvrslog sloja je uglavnom isti. Sastoji se od brzog zagrijavanja lokalnog volumena dijela do austenitnog stanja i naknadnog odvođenja topline u susjedne zapremine koje nisu imale vremena da se zagriju u periodu kada je izvor grijanja bio uključen. Zbog činjenice da je masa zagrijanog sloja znatno manja od mase radnog komada, brzina hlađenja površinskog sloja je obično veća od kritične. Shodno tome, tokom faze hlađenja, austenit prolazi kroz martenzitnu transformaciju.

Kompleks mehaničkih svojstava površinskog sloja, prvenstveno pokazatelja tvrdoće i čvrstoće, osigurava se visokim brzinama zagrijavanja i hlađenja čelika. Ova okolnost objašnjava malu veličinu kristala martenzita koji se pojavljuju u malim zrnima austenita i odsustvo očiglednih znakova samokaljenja prezasićene čvrste otopine. Prilikom obrade materijala u njegovim površinskim slojevima razvijaju se fizičko-hemijski procesi, čija je priroda određena hemijskim sastavom, temperaturom, vremenom, brzinom zagrijavanja i naknadnog hlađenja.

Formiranje visokotemperaturne faze kao rezultat zagrijavanja sa visoko koncentriranim energetskim tokovima, za razliku od sporog zagrijavanja, kada se transformacija perlit > austenit odvija u uvjetima bliskim izotermnim, zbog viška dovedene energije, nastaje u uvjetima kontinuirano rastuća temperatura od A c1 do A c1 kraja. Grafikon pomaka kritične tačke prikazan je na slici 3. Treba napomenuti da austenit dobijen zagrijavanjem velikom brzinom karakterizira povećan broj defekata. Veliki broj defekata nastaje zbog njihovog nasljeđivanja iz b faze, kao i dodatnog formiranja zbog pojačanog efekta faznog stvrdnjavanja u uvjetima transformacije pri visokoj brzini zagrijavanja. Stepen završenosti procesa austenitizacije za određeni sastav legure željeza i ugljika određen je brzinom zagrijavanja i temperaturom, vremenom termičkog izlaganja, tačnije, vremenom u kojem određeni volumen zagrijanog metala ostaje na temperaturi. opseg postojanja austenita.

Slika 3 - Pomak kritične tačke Ac1 pri brzom zagrijavanju čelika.

Budući da se, kada se tretiraju koncentrisanim tokovima energije, različiti slojevi materijala zagrijavaju na različite temperature, termički pogođena zona se može konvencionalno zamisliti kao sastavljena od niza slojeva koji glatko prelaze jedan u drugi. Strukturni dijagram ZUT prikazan je na slici 4

Prvi sloj je zona topljenja, koja nastaje pri otvrdnjavanju iz rastopljenog stanja. Zona topljenja ima stupastu strukturu sa kristalima izduženim u pravcu hladnjaka. Glavni strukturni sastojak srednjeg ugljičnog čelika je martenzit. Treba napomenuti da kako se proizvod koji se stvrdnjava pomiče dublje u površinu, dimenzije kristala martenzita se glatko mijenjaju. To je zbog činjenice da je temperatura materijala u različitim zonama brzo zagrijanog sloja značajno različita (uprkos činjenici da je struktura u tim zonama prije hlađenja bila ista - austenit).

Slika 4 - Dijagram strukture HAZ-a pri očvršćavanju plazmom: 1 - zona topljenja; 2- zona očvršćavanja; 3 - prelazna zona

Međutim, martenzit glavnog sloja karakterizira visoka disperzija njegovih sastavnih elemenata. To je zbog činjenice da maksimalna dužina kristala martenzita odgovara veličini zrna austenita. Zbog kratkog trajanja ekspozicije, zrno austenita nema vremena da naraste i stoga se formirani martenzit u njemu fino raspršuje. Osim toga, kada se proces formiranja austenita pomjeri u područje visokih temperatura, koncentracija ugljika se smanjuje, stabilnost jezgre se smanjuje, stoga se brzina nukleacije naglo povećava, što ograničava rast zrna.

Drugi sloj je zona očvršćavanja iz čvrste faze, formirana u temperaturnom opsegu Tmel › Tzak › TAs1. U dubini sloj karakterizira jaka strukturna heterogenost, jer uz potpuno otvrdnjavanje dolazi do nepotpunog stvrdnjavanja. Na gornjoj granici sloja, bliže površini, uočavaju se martenzit i zadržani austenit. Na donjoj granici sloja, bliže izvornom metalu, uz martenzit, uočavaju se elementi originalne strukture: ferit u hipoeutektoidnim čelicima i cementit u hipereutektoidnim čelicima.

Treći sloj je prijelazna zona u kojoj se metal zagrijava do temperature ispod Ac1 tačke, u kojoj su glavne strukture strukture za kaljenje.

Metalografske studije koje su proveli autori rada pokazale su da mikrostruktura prelazne zone zavisi od početnog stanja materijala koji se ojačava. U zavisnosti od načina obrade, vrste čelika i njegove preliminarne termičke obrade, prelazna zona može imati različite veličine i strukturu. U hipoeutektoidnim čelicima s početnom feritno-perlitnom strukturom i hipereutektoidnim čelicima sa perlit-cementitnom strukturom, nakon površinskog stvrdnjavanja uočavaju se područja viška faza (ferit i cementit). Veličine konglomerata ovih faza rastu u smjeru od očvrsnute zone prema zoni s izvornom strukturom.

Slojevita struktura ojačane zone karakteristična je za sve metode očvršćavanja plazmom. Geometrijski parametri zone grijanja plazme karakteriziraju širina i dubina očvrslog površinskog sloja, koji za većinu metoda zavise od parametara načina očvršćavanja (snaga plazma mlaza (luka), udaljenost stvrdnjavanja, brzina obrade).

Da bi se osigurao visok nivo strukturne čvrstoće očvrslog proizvoda, potrebno je pažljivo kontrolisati strukturu ne samo očvrslog, već i prelazne zone. Promjenom načina obrade moguće je pouzdano kontrolisati strukturne parametre glavne i prijelazne zone, uz formiranje povoljnog nivoa mehaničkih svojstava materijala.

Tehničke nauke/ 8. Obrada materijala u mašinstvu

Berger E.E., Larushka N.A.

Nacionalni tehnički univerzitet u Hersonu

PLAZMA KALJENJE MAŠINSKIH DELOVA

Glavne metode povećanja tvrdoće i otpornosti na habanje površinskog sloja dijelova su karburizacija, nitriranje i kaljenje plazmom. Očvršćavanje plazmom je poželjnije jer zahtijeva znatno manje vremena. Njegova suština je u termalnoj fazi i strukturnim transformacijama koje nastaju prilikom brzog koncentriranog zagrijavanja radne površine dijela plazma mlazom i naknadnog odvođenja topline duboko u dio.

Fig.1. 1 – zona topljenja; 2- zona očvršćavanja; 3 – prelazna zona.

Istraživanja su provedena na pločama izrađenim od sljedećih konstrukcijskih čelika:

Uzorak br. 1 – konstrukcijski ugljični čelik 45 (lijevanje)

Uzorak br. 2 – konstrukcijski legirani čelik 30HNMA (lijevanje)

Uzorak br. 3 – konstrukcijski legirani čelik 40HN2MA (kovanje)

Uzorak br. 4 – konstrukcijski legirani čelik 40H (lijevanje)

Nakon što su uzorci pripremljeni, izvršeno je površinsko kaljenje plazma lukom. Kao izvor napajanja za plazma luk korišten je serijski ispravljač za zavarivanje VDU-504. Argon je korišten kao plin koji stvara plazmu.

Struktura i tvrdoća termički obrađenog površinskog sloja proučavana je na poprečnim mikrosjekovima uz pomoć mikroskopa Neophot-2 pri uvećanjima od 50-1000x. Mjerenja tvrdoće vršena su Duramin-2 mikrotvrdoćom pod opterećenjem od 4,9x103 H. Mjerenje tvrdoće i proučavanje strukture glavnog i kaljenog presjeka poprečnih mikroprosjeka izrađenih od obrađenih uzoraka dalo je sljedeće rezultate:

Uzorak br. 1: Čelik 45

Uzorak je kaljen bez topljenja površine.

Proučavanje mikrostrukture pokazalo je da se u blizini površine ojačani sloj sastoji od zrnaca sorbitola i perlita (do 0,84 mm). U prijelaznom sloju (0,84-1,04 mm), osim sorbitola i perlita, pojavljuju se feritne žile. Struktura osnovnog metala je perlitna i feritna mreža.

Uzorak br. 2: Čelik 30HNMA

Uzorak je kaljen bez površinskog topljenja vidljivog golim okom.

Mikrostruktura gornjeg sloja toplinski ojačane zone je sloj martenzita sa zrnatošću 6 (presjek do 0,2 mm). Zatim slijedi sloj martenzita sa zrnatošću 5 i 6 sa feritnim žilama (presjek 0,2-0,58 mm). Sljedeći sloj je martenzit sa zrnatošću 3 i 4 sa feritnim žilama (presjek 0,58-1,28 mm).

Slika 2 – Promjena tvrdoće po dubini ojačanog sloja uzorka br

U prelaznoj zoni uočavaju se zrna martenzita i sorbitola (površina 1,28-1,51 mm), u zoni osnovnog metala - zrna perlita i sorbitola.

Uzorak br. 2:Postaob30HN2MA

Uzorak je kaljen uz blago ravnomjerno topljenje površine.Rezultati mjerenja tvrdoće uzorka br.3 prikazani su u tabeli 1.

Tabela 1

Promjena tvrdoće po dubini toplinski ojačanog sloja uzorka br

Dubina, L, mm			0,35	0,64	0,89	1,14	1,47	1,77	2,08	2,35	2,79
Tvrdoća, HV

Mikrostrukturna analiza pokazala je prisustvo duboko ojačanog sloja (do 2,4 mm), čija je struktura martenzitna različitog zrnastog zrna.

U gornjem sloju (do 0,9 mm) je martenzit 7,8 razreda; zatim sloj kristala martenzita sa zrnatošću 6 (površina 0,9 - 1,5 mm). Slijedi sloj martenzita sa zrncima od 4 i 5 bodova, koji je u prijelaznoj zoni (do 2,5 mm) zamijenjen perlitom i sorbitolom.

Slika 3 – Promjena tvrdoće po dubini ojačanog sloja uzorka br. 2.

Uzorak br. 4: Čelik 40 X

Uzorak je kaljen bez topljenja površine. Rezultati mjerenja tvrdoće uzorka br. 4 prikazani su u tabeli 2.

tabela 2

Promena tvrdoće sa dubinom toplotno ojačanog sloja uzorka br

Dubina, mm		0,04	0,11	0,17	0,29	0,43	0,58
Tvrdoća, HV

Mikrostrukturna analiza pokazala je da se gornji sloj ZTV-a (do 0,11 mm) sastoji od martenzita 5b. Zatim se pretvara u strukturu koja se sastoji od martenzita 5b i sorbitola (presjek 0,11 - 0,17 mm). Zatim se uočava sloj martenzita, sorbita i perlita (na dubini od 0,17-0,29 mm), koji se pretvara u strukturu zrna sorbitola i perlita.U zoni osnovnog metala uočava se lamelarni perlit i feritna mreža.

zaključci

Nakon površinske obrade postojećih uzoraka, potvrđena je pretpostavka da se srednjeugljični čelici dobro podvrgavaju kaljenju plazma lukom. Približno je utvrđeno da se tvrdoća površinskog sloja uzoraka povećava dva ili više puta u odnosu na početne vrijednosti.

Također je pokazano da je promjenom načina obrade moguće kontrolisati strukturne parametre glavne i prijelazne zone, čime se postiže potrebna tvrdoća i dubina ojačanog sloja.

Povećanjem jačine struje pri konstantnoj brzini obrade na uzorcima od čelika 30HNMA došlo je do povećanja tvrdoće po cijeloj dubini kaljenog sloja. Takođe, dobre rezultate u pogledu tvrdoće pokazao je i uzorak od čelika 40HNMA, koji je obrađen na povišenim vrijednostima struje.

Uzorak br. 6 od čelika 30HN2MA, koji je također obrađen na povišenim vrijednostima struje, privukao je pažnju najvećom tvrdoćom i dubinom kaljenog sloja među svim uzorcima. Ovo se može objasniti činjenicom da ovaj čelik sadrži visok sadržaj nikla, koji zauzvrat spada u grupu legirajućih elemenata koji formiraju austenit, tj. proširuje opseg postojanja austenita. Dakle, proces austenitizacije teče sasvim potpuno čak i na dubini od oko dva milimetra od površine uzorka, što znači da je tu moguće formiranje martenzita.

Niske vrijednosti struje, prema očekivanjima, nisu nam omogućile da dobijemo značajno povećanje tvrdoće u zoni toplotnog uticaja (uzorci od čelika 45, 40HN2MA).

Eksperiment je također pokazao da se s povećanjem brzine gašenja (produktivnosti) smanjuje maksimalna dubina očvrslog sloja. To je zbog činjenice da je vrijeme širenja topline u tijelo očvrslog dijela smanjeno, zbog čega se duboki slojevi nemaju vremena zagrijati i podvrgnuti austenitizaciji, potrebnoj za kasniju martenzitnu transformaciju.

Suština kaljenja plazmom je brzo zagrijavanje površinskog sloja metala strujanjem plazme i njegovo brzo hlađenje kao rezultat prijenosa topline do dubokih slojeva materijala dijela.

Svrha kaljenja plazmom je proizvodnja dijelova i alata sa kaljenim površinskim slojem debljine do nekoliko milimetara uz održavanje nepromijenjenog ukupnog kemijskog sastava materijala i zadržavanje originalnih svojstava originalnog metala u unutrašnjim slojevima.

Materijali podvrgnuti kaljenju plazmom su alatni čelici, liveno gvožđe, tvrde legure, cementirani i nitrougljenični čelici, legure obojenih metala i drugi materijali.

Učinak stvrdnjavanja plazmom određen je povećanjem operativnih svojstava dijela, zbog promjene fizičkih i mehaničkih karakteristika površinskog sloja, zbog formiranja specifične strukture i faznog sastava metala visoke tvrdoće. i disperzije, kao i stvaranje tlačnih zaostalih napona na površini.

Kaljenje plazmom niskougljičnih čelika, koji obično nisu podložni volumetrijskom kaljenju, omogućava dobijanje niskougljičnog paketnog martenzita tvrdoće od 32...38 HRC. Kada se obrađuju u režimima koji obezbeđuju grejanje u Ac1...Ac3 regionu, pojedinačne površine na mestu zrna perlita ukupne površine 10...30% imaju strukturu visokougljičnog čelika - martenzita i zadržanog austenita sa tvrdoća od 750...820 HV. Ova kombinovana struktura (ferit, perlit, martenzit i zadržani austenit) kombinuje visoku otpornost na habanje i duktilnost, što omogućava proširenje opsega primene niskougljičnih čelika. Kaljenje plazmom srednjeugljičnih livenih i konstrukcijskih čelika daje martenzitno-austenitnu strukturu i tvrdoću u zoni očvršćavanja koja je za 2...4 HRC jedinice veća u odnosu na volumetrijsko kaljenje i visokofrekventno kaljenje. Nakon stvrdnjavanja plazmom, do 50% zadržanog austenita se fiksira u površinskom sloju, što omogućava implementaciju procesa apsorpcije energije martenzitne transformacije izazvane deformacijom tokom rada. Otpornost dijelova na habanje, posebno pri interakciji kontakt-udar i abrazivnom habanju, u ovom slučaju se višestruko povećava. Visokom efikasnošću kaljeni su ugljenični alatni čelici tipa U8, U10, čelici za alate za hladno deformisanje tipova 5HV2S, 9HS, H12, čelici za alate za vruće deformisanje tipa 5HNM, 60HN itd. u površinskom radnom sloju formira se tvrdoća do 65. HRC ima povećanu čvrstoću i otpornost na habanje. Regulacija odnosa strukturnih komponenti u zoni otvrdnjavanja alatnih čelika vrši se termičkom stabilizacijom austenita u području martenzitne transformacije, izborom predtoplinske obrade i režima kaljenja plazmom. Tokom plazma kaljenja livenog gvožđa (sa pahuljastim grafitom tipa SCH 15-32, SPKHN-45, SPKHN-49; sa sferičnim grafitom - SShKhNM-42, SShKhN-49, itd.) struktura visoke tvrdoće (do 60 HRC) formira se u površinskom sloju i otpornost na habanje. Ledeburit nastaje u zoni mikrotaljenja, austenit sa visokim udjelom ugljika uočava se oko inkluzija grafita, u kojima se hlađenjem formiraju martenzitna područja. U zoni stvrdnjavanja plazmom perlitnih lijeva nastaje martenzitno-austenitna struktura, dok se kod feritnih lijeva formira sorbitno-trostitna struktura. Važne prednosti valjka za valjanje od lijevanog željeza plazmom kaljenog su visoka tvrdoća i, istovremeno, otpornost na stvaranje toplinskih pukotina zbog prisustva austenitne komponente, što povećava njihovu otpornost na habanje za 40. ..60%. Tehnološki proces stvrdnjavanja uključuje mehaničku obradu (po potrebi) ili čišćenje površine koja se očvršćava, te plazma termičku obradu, koja je u pravilu završna operacija. Važna karakteristika kaljenja plazmom je mogućnost njegove efikasne upotrebe za dodatno očvršćavanje površine delova koji su prošli konvencionalnu volumetrijsku termičku obradu. Rasprostranjeno uvođenje procesa očvršćavanja plazmom u proizvodnju nemoguće je bez uopštavanja rezultata istraživanja i proizvodnog iskustva, naučnog utemeljenja obrazaca formiranja faznog sastava, strukture i svojstava površinskog sloja modificiranog termičkom obradom, osiguravajući zagarantovan prijem potrebnih karakteristike performansi delova u zavisnosti od tehnoloških parametara režima obrade. Suština termičkog stvrdnjavanja u plazmi legura željeza i ugljika je zagrijavanje lokalnog područja površine dijela iznad kritičnih temperatura faznih prijelaza (Ac1, Ac3, Acm) i naknadno hlađenje velikom brzinom, jamčeći stvaranje očvršćavajuće strukture. Kao i kod konvencionalne termičke obrade, karakteristike strukturnog stanja dobijenog kao rezultat očvršćavanja u plazmi su određene stepenom homogenizacije austenita tokom zagrijavanja, njegovim trajanjem, kao i početnim sastavom i strukturom legure. Konačno strukturno stanje i svojstva koja se formiraju u zoni toplotnog uticaja nakon površinskog zagrevanja zavise od brzine hlađenja u temperaturnom opsegu najmanje stabilnosti austenita, sastava i veličine njegovog zrna i niza drugih faktora određenih parametrima. termičkog ciklusa u HAZ. Za generiranje koncentriranog toka energije tijekom stvrdnjavanja plazmom koriste se posebni uređaji - plazmatroni. U poređenju sa konvencionalnim lukom slobodnog sagorevanja koji generira baklja sa elektrodom koja se ne troši u zaštitnoj atmosferi argona, plazma luk sa uporedivom električnom snagom ima povećanu (15.000...20.000 K) temperaturu i koncentrisaniji protok toplote . To se postiže smanjenjem vodljivog poprečnog presjeka luka, komprimiranog u kanalu mlaznice strujom plina koji stvara plazmu, čiji se molekuli, zauzvrat, joniziraju u stupu lučnog pražnjenja, čime se povećava udio jonska struja. Većina plazmatrona radi na jednosmjernoj struji direktnog polariteta (negativni potencijal na elektrodi), budući da je stvaranje topline u anodnoj tački luka veće nego u katodnoj tački. Ovakva raspodjela potencijala povećava toplinsku efikasnost zagrijavanja dijela i smanjuje toplinsko opterećenje na elektrodi. U plazma gorionicima koji stvaraju komprimirani direktni luk koji gori između elektrode i površine dijela, prijenos topline na dio se vrši zbog toplinske provodljivosti, konvekcije, zračenja i kinetičke energije nabijenih čestica pohranjenih u električnom polju.

Ionska implantacija (ionska implantacija, ionsko dopiranje) je uvođenje atoma nečistoća u čvrstu supstancu bombardiranjem njene površine ubrzanim ionima. Kada dođe do ionskog bombardiranja mete, ioni prodiru duboko u metu. Uvođenje jona postaje značajno pri energijama jona E>1 keV.

Formalno, ionsku implantaciju treba nazvati zračenjem površine čvrstog tijela atomima ili atomskim ionima s energijom od najmanje 5-10 energija vezivanja atoma u rešetki ozračene mete (tada će ion ili atom putovati najmanje 2-3 međuatomske udaljenosti prije zaustavljanja, tj. implantiraće se, „usađivati” u ciljni volumen). Međutim, tradicionalno koristimo izraz „ionska implantacija“ da se ovdje odnosi na uži energetski raspon - od 5-10 keV do 50-100 keV. Kao rezultat ponovljenih sudara, čestice koje se kreću postepeno gube energiju, raspršuju se i na kraju se ili odbijaju ili zaustavljaju, raspoređene po dubini. Gubici energije su uzrokovani kako interakcijom s ciljnim elektronima (neelastičnim sudarima), tako i uparenim nuklearnim (elastičnim) sudarima, u kojima se energija prenosi na ciljne atome u cjelini i smjer kretanja čestica se naglo mijenja. Pri visokim energijama i malim udarnim parametrima, jezgra sudarajućih čestica se približavaju na udaljenostima manjim od radijusa elektronskih orbita, a njihova interakcija se opisuje Kulonovskim potencijalom. Pri niskim energijama, zaštita jezgara elektronima je neophodna. Obično se interakcija pokretnog jona s elektronima (slobodnim i na vanjskim omotačima atoma) i interakcija između jezgri jona i ciljnog atoma razmatraju odvojeno, smatrajući da su oba mehanizma gubitka aditivna, a medij kao homogena i izotropna (Lindhard-Scharff-IIIott teorija, LSH). Teorija predviđa da sa povećanjem energije jona u zoni elastičnih sudara, specifični gubici energije prolaze kroz maksimum, a zatim se smanjuju. Specifični gubici u neelastičnim sudarima rastu sa povećanjem energije prema radikalnom zakonu. Pri vrlo velikim energetskim brzinama, ion se kreće u meti kao golo jezgro i specifični gubitak energije se smanjuje njegovim daljim povećanjem. Putanja jona je složena isprekidana linija koja se sastoji od segmenata puta između elementarnih činova raspršenja pod velikim uglovima. Funkcija raspodjele stabiliziranih jona po dubini uzorka ima maksimum (udaljenost tačke maksimuma od površine određena je prosječnom putanjom jona date energije.

Važne karakteristike procesa ionske implantacije su tzv. projektivna putanja jona Rpr - projekcija putanje putanje u smjeru originala. kretanje čestica, kao i raspodjela implantiranih atoma duž Rpr, odnosno na dubini x (kada su bombardirani normalno na površinu mete). x raspodjela čestica implantiranih u amorfnu metu karakterizira av. run Ravg, srednja kvadratna širina krugova?R i parametar Sk, koji određuje asimetriju Pearsonove distribucije. Ove vrijednosti zavise od M1 M2 i e0. Kod Sk = 0, Pirsonova raspodjela postaje Gausova. Tokom implantacije jona u monokristale, distribucija po dubini ugrađenih čestica može se promijeniti zbog kanalisanja nabijenih čestica. Promjenom energije jona tokom ionske implantacije moguće je dobiti raspodjelu unesene nečistoće po dubini željenog oblika. Ukupan broj atoma nečistoće N koji se može implantirati u čvrstu metu kroz jediničnu površinu ograničen je raspršivanjem ako je koeficijent raspršivanja S (broj ciljnih atoma koje je izbacio jedan ion) veći od udjela implantiranih čestica b = 1-k (k je koeficijent refleksije). Zanemarivanje difuzije

gdje je nS=bn0/S koncentracija nečistoća na površini u stacionarnom stanju. Ako je S >6 koncentracija implantiranih atoma će se monotono povećavati sa povećanjem doze jona. Ionska implantacija se najčešće koristi za dopiranje poluvodiča za stvaranje p-n spojeva, heterospojnica i kontakata niske otpornosti. Ionska implantacija omogućava unošenje nečistoća na niskim temperaturama, uključujući nečistoće s niskim koeficijentom difuzije, te stvaranje prezasićenih čvrstih otopina. Ionska implantacija omogućava precizno doziranje unesene nečistoće, visoku čistoću (razdvajanje jonskog snopa po masi), lokalizaciju i mogućnost upravljanja procesom pomoću električnih i magnetnih polja. Da bi se eliminisali radijacijski defekti nastali tokom ionske implantacije i prebacili implantirani atomi u pravilne položaje, koristi se visokotemperaturno zagrijavanje. Implantacija jona u metale služi za povećanje njihove tvrdoće, otpornosti na habanje, otpornost na koroziju, stvaranje katalizatora, promjenu koeficijenta trenja itd. Pri velikim dozama, kada je koncentracija unesene nečistoće uporediva sa n0, dolazi do stvaranja novih jedinjenja. moguće. Jonsko bombardiranje omogućava unošenje nečistoće ne samo iz snopa, već i iz filma prethodno nanesenog na površinu mete (implantacija povratnih atoma i miješanje jona). Bombardovanje jonima može biti praćeno povećanjem implantiranog materijala. Filmovi dobiveni ionskim taloženjem imaju veliku gustoću i dobro prianjanje na podlogu.

Prednosti jonske implantacije:

1. Sposobnost uvođenja (usađivanja) bilo koje nečistoće, bilo kojeg elementa periodnog sistema.
2. Mogućnost legiranja bilo kojeg materijala.
3. Sposobnost uvođenja nečistoće u bilo kojoj koncentraciji, bez obzira na njenu rastvorljivost u materijalu supstrata.
4. Sposobnost uvođenja nečistoće na bilo kojoj temperaturi supstrata, od temperature helijuma do temperature topljenja uključujući.
5. Sposobnost rada sa legirajućim supstancama tehničke čistoće, pa čak i sa njihovim hemijskim jedinjenjima (također bilo koje čistoće).
6. Izotopska čistoća dopirajućeg snopa jona (tj. sposobnost dopiranja ne samo isključivo datim elementom, već i isključivo datim izotopom ovog elementa).
7. Lakoća lokalnog legiranja (koristeći barem osnovno mehaničko maskiranje).
8. Mala debljina sloja legure (manje od mikrona).
9. Veliki gradijenti koncentracije nečistoća po dubini sloja, nedostižni tradicionalnim metodama uz neizbježno difuzijsko zamućenje granice.
10. Lakoća upravljanja i potpuna automatizacija tehnološkog procesa.
11. Kompatibilan sa planarnom mikroelektronskom tehnologijom.

Ograničenja koja ograničavaju mogućnosti ionske implantacije:

1. Sposobnost unošenja bilo koje nečistoće je ponekad ograničena svojstvima radne supstance izvora jona: a) previsoka radna temperatura b) hemijska ili temperaturna nestabilnost, c) prekomerna toksičnost, d) korozivnost.
2. Sposobnost dopiranja bilo kojeg materijala u stvarnosti znači samo sposobnost uvođenja, uvođenja atoma dopanta u ciljni volumen. Ako koncept “dopinga” znači i vrlo specifičnu poziciju u kristalnoj rešetki mete, onda ovdje mogućnosti implantacije jona u mnogim slučajevima nisu mnogo veće od, na primjer, difuzije. Drugo ograničenje je otpornost na zračenje ciljnog materijala. Uslovi zračenja su takvi da do raspada složenih materijala skoro uvek dolazi tokom implantacije (zbog isparavanja ili raspršivanja bilo koje komponente hemijskog jedinjenja).
3. Sposobnost uvođenja nečistoće u bilo kojoj koncentraciji je ograničena iznad koeficijentom raspršivanja sloja. Osim toga, nečistoća unesena iznad granice rastvorljivosti tokom žarenja defekata, po pravilu se oslobađa u obliku precipitata druge faze.
4. Niske temperature dopinga su tipične samo za sisteme u kojima je stanje kristalne rešetke nevažno. Ako oštećenu rešetku treba obnoviti nakon implantacije, tada povećanje temperature u usporedbi, na primjer, s difuzijskim dopingom postaje znatno skromnije.
5. Prednost tehničke čistoće legirajućih supstanci ponekad je zasjenjena potrebom da se supstanca osuši ili eliminiše lako jonizujuće strane nečistoće iz nje
6. Izotopska čistoća jonskog snopa uopće ne znači izotopsku čistoću dopinga. Prekomjerno prskanje dijelova implantacijske jedinice brzim ionima i nekontrolirano ubijanje ove raspršene tvari u legirani sloj može značajno oštetiti svojstva sloja, pa su potrebni trikovi kako bi se spriječilo da strane tvari dođu na legiranu površinu.
7. Lokalni doping tokom implantacije je osiguran mehaničkim maskiranjem ili nanesenim šablonskim maskama. Ovdje je problem povezan sa ubijanjem materijala maske u dopirani sloj.
8. Mala debljina sloja legure je dobra u mikroelektronici, ali nikako nije prednost u metalurškim primjenama.
9. Veliki gradijenti koncentracije nečistoća preko dubine. Izračunati gradijenti (bazirani na distribuciji jonskih puteva) se zapravo nikada ne dobijaju zbog zamućenja profila uzrokovanog radijacijskom stimulacijom difuzije nečistoća.
10. Lakoća kontrole i automatizacije procesa se koristi u mnogim instalacijama, ali ideal - potpuno automatizovana proizvodna linija - je još daleko.

Također je važno zapamtiti da je jonska implantacija trenutno jedna od najskupljih. Ionska implantacija sa odvajanjem mase je metoda proučavanja i modifikacije površinskih slojeva koja je jedinstvena po svojim mogućnostima. Jedinstvena kako u rasponu legirajućih nečistoća, tako iu rasponu obrađenih materijala, iu rasponu koncentracija nečistoća u legiranom sloju. Međutim, ova jedinstvenost je dobra samo za potrebe istraživanja i pretraživanja. Čim se utvrde izgledi za praktičnu upotrebu pronađenih nečistoća, koncentracija i debljina dopiranog sloja, odmah je potrebno tražiti, testirati i razvijati alternativne tehnologije koje daju iste ili slične rezultate.

WELDING. RENOVIRANJE. TRIBOTEHANIKA: sažeci izvještaja / Odgovorni. ed. ; Ministarstvo obrazovanja i nauke Ruske Federacije; Federalna državna autonomna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja „Uralski federalni univerzitet im. prvi predsednik Rusije B.N. Jeljcin”, Nižnji Tagil. technol. Institut (fil.). – Nižnji Tagil: NTI (ogranak) UrFU, 2013. – 76 str.

Podaci o stvrdnjavanju plazmom pojavili su se 80-ih godina 20. stoljeća [,]. Prisutnost u industriji raznih plazma uređaja (za rezanje, zavarivanje, prskanje) podstakla je inovatore da ih prilagode za površinsko očvršćavanje. Za površinsko kaljenje dijelova rudarske opreme i bregastih vratila automobila korištena je instalacija za mikroplazma zavarivanje. Za očvršćivanje valjaka korištena je instalacija za prskanje sa snažnim indirektnim lukom.

Mnogo radova na prilagođavanju aparata za zavarivanje za površinsko očvršćavanje obavljeno je u Nižnjem Tagilskom ogranku Uralskog politehničkog instituta, sadašnjem Uralskom federalnom univerzitetu. Modernizacija plazma gorionika omogućila je korištenje instalacije za plazma zavarivanje UPS-501 za površinsko očvršćavanje direktnim lukom. Uvođenje u proizvodnju obavljeno je u metalurškoj fabrici Nižnji Tagil (NTMK) 1985. godine. Uspjeh je bio izvanredan, izdržljivost guma mašina za ravnanje šina sa kaljenjem plazmom povećana je za 2-4 puta [,]. Kasnije je razvijena tehnologija sa poboljšanjima počela da se koristi za površinsko kaljenje pramenova (kalibara) vrućih valjanih valjaka. Na isti način je instalacija za plazma rezanje UPR-404 prilagođena za očvršćavanje plazmom. Koristi se za učvršćivanje deponovanih valjaka valjkastih stolova koji transportuju kaljene šine. Zbog toga se vijek trajanja valjaka povećao više od tri puta. Za otklanjanje pukotina uspostavljen je optimalan omjer debljina očvrslog i nanesenog sloja, a za povećanje dubine stvrdnjavanja uspostavljena je metoda lučnog skeniranja [,].

Za razliku od plazma mašina, češća je oprema za zavarivanje volframom (W) nepotrošnom elektrodom u argonu. Stoga je prilagođen površinskom očvršćavanju. Da bi se povećala širina kaljenih traka, na luk je primijenjeno magnetsko polje koje mu je dalo lepezasti oblik i ravnomjerno raspoređenu toplinsku energiju u širini do 15 mm [,]. Plazma instalacije s indirektnim lukom, prilagođene za kaljenje, korištene su za kaljenje valjaka, željezničkih kotača i kotrljajućih valjaka [,].

Uprkos gore navedenim uspjesima, stvrdnjavanje plazmom 90-ih godina. nije našao samostalan život. Njegovu industrijsku primjenu uvelike su podržali tehnološki programeri. Jedinice za površinsko stvrdnjavanje plazma nisu proizvedene kao samostalna vrsta proizvoda.

Ugradnja ručnog plazma očvršćavanja UDGZ-200

Razvijene tehnologije očvršćavanja plazmom imale su značajan nedostatak - njihova ručna upotreba je bila nemoguća ili otežana. Indirektni luk radi na naponima iznad 250 V, koji nisu dozvoljeni u ručnom procesu. Direktni luk je osjetljiv na postavku načina rada. Odstupanja od optimalnog, koja su neizbežna prilikom ručnog očvršćavanja, praćena su ili topljenjem očvrsle površine ili nestankom očvrslog sloja. Stoga su gore opisane tehnologije očvršćavanja plazmom korištene samo u automatskom načinu rada, kada se postavke lako održavaju nepromijenjenim.

U modernom dobu robota i industrija bez posade, razvoj ručne tehnologije može izgledati pogrešno. Međutim, ručne tehnologije, zbog svoje svestranosti, pokazuju mogućnost preživljavanja. U svijetu se najveći dio zavarivanja (više od 80%) izvodi elektrodama ili poluautomatskim mašinama, odnosno ručno. Analogno, očekivalo se da će se razvojem ručne metode očvršćavanja plazmom povećati obim njene upotrebe, a to će se dogoditi zbog proizvoda koje je ranije bilo nemoguće očvrsnuti iz ovih ili onih razloga.

Prilikom ručnog stvrdnjavanja, plazma luk mora osigurati ravnomjerno zagrijavanje, bez obzira na prirodne i neizbježne fluktuacije u dužini luka i brzini njegovog kretanja. Kriterij procjene je odsustvo naglog topljenja površine i nestanak očvrslog sloja. Smjer istraživanja odabran je uzimajući u obzir rad. Utvrđeno je da je kompresija luka za zavarivanje moguća ne samo u mlaznici, već i zbog strujanja plina koji teče kroz kontrolirani zazor između mlaznice i elektrode. Kao rezultat toga, razvijena je metoda ručnog očvršćavanja plazmom, gorionik za njegovu implementaciju i, na temelju njih, instalacija za kaljenje UDGZ-200 () [, ,]. Stvrdnjavanje se vrši pomoću baklje, čija mala veličina ga čini pogodnim za ručnu manipulaciju, omogućavajući mu da dođe do teško dostupnih mjesta i ojačati ono što je ranije bilo nemoguće.

Slika 1 – Instalacija UDGZ-200

Prilikom stvrdnjavanja, zavarivač pomiče luk () duž površine brzinom koja osigurava lagano "znojenje" metala ispod luka. Ovo stanje nije ništa teže kontrolisati od topljenja tokom zavarivanja, ali vam omogućava da održite toplinu potrebnu za stvrdnjavanje i istovremeno sprječavaju velika oštećenja površine. Luk ostavlja na površini očvrsnute trake širine 8-12 mm, koje zavarivač postavlja uz malo preklapanja. Obojeni su "mrljavim bojama", odnosno prekriveni tankim filmom oksida koji nemaju značajan utjecaj na hrapavost površine (). Stvrdnjavanje plazmom ne uzrokuje deformacije, tako da kaljeni dijelovi ne zahtijevaju završno brušenje.

Slika 2 – Plazma luk tokom očvršćavanja

Slika 3 – Igle kašike bagera sa kaljenjem plazmom

Stvrdnjavanje nastaje zbog odvođenja topline u tijelo dijela bez dovoda vode do mjesta grijanja. Stoga se instalacija UDGZ-200 koristi na mjestima popravke, na mjestu obrade i rada dijelova, a ne samo u radionicama za toplinsku obradu i specijaliziranim područjima.

Tvrdi (HRC 45-65) sloj za otvrdnjavanje (0,5-1,5 mm) uvelike produžava vijek trajanja kranskih šina i kotača, zupčanika i klinastih spojeva, blokova užadi, rezača, oblikovanja, kalupa za izvlačenje i drugih kritičnih dijelova. Prisustvo instalacije UDGZ-200 nadoknađuje nedostatak peći za kaljenje, karburizaciju i postrojenja za visokofrekventnu obradu; čini otvrdnjavanje ekološki prihvatljivim. Zavarivači 2-3 kategorije lako mogu savladati rad na njemu. Kaljenje sa instalacijom UDGZ-200 može biti mehanizirano, automatizirano i robotizirano. Zahvaljujući instalaciji UDGZ-200, povećan je asortiman kaljenih proizvoda i riješeni su brojni važni problemi u vodećim preduzećima Urala: ChMK OJSC, NTMK OJSC, VSMPO-AVISMA OJSC, ChTPZ OJSC, KGOK OJSC i drugi. Pet godina nakon razvoja, instalacija UDGZ-200 je certificirana, a započela je njena industrijska proizvodnja prema TU 3862-001-47681378-2007. Do kraja 2012. godine proizvedeno je više od 40 jedinica i isporučeno preduzećima u Rusiji, Ukrajini i Kazahstanu.

Lista linkova

Selivanov M.V., Šepelev N.S. Primena plazme za kaljenje u inostranstvu. – M.: Centralni istraživački institut za informacije. i tehničko-ekonomski istraživanja crna metalurgija, 1985. – Vol. 2. – 23 s.
Površinsko kaljenje čelika kaljenjem plazmom / V.A. Linnik, A.K. Onjegina, A.I. Andreev i dr. // MiTOM, 1983. – br. 4. – str. 2-4.
Upotreba grijanja mikroplazme u procesima tehnologije očvršćavanja / Kobyakov O.S., Grinzburg E.G. // Automatsko zavarivanje, 1985. – br. 5. – str. 65-67.
Struktura i svojstva čelika ojačanih plazma mlazom / L.K. Leshchinsky, I.I. Pirch, S.S. Samotugin i dr. // Proizvodnja zavarivanja, 1985. – br. 11. – str. 20-22.
Očvršćavanje plazmom dijelova procesne opreme / A.A. Berdnikov, M.A. Filippov, R.I. Silin, I.N. Veselov // Sažetak. izvještaj naučne i tehničke konf. “Progresivne tehnologije jačanja.” – Penza: PDN-TP, 1986. – P. 69-70.
Korotkov V.A., Berdnikov A.A., Tolstov I.A. Restauracija i jačanje dijelova i alata plazma tehnologijama. – Čeljabinsk: Metalla, 1993. – 144 str.
Kaljenje valjaka od livenog gvožđa plazma kaljenjem / A.A. Berdnikov, V.S. Demin, E.L. Serebryakova i drugi // Čelik, 1995. – br. 1. – str. 56-59.
Restauracija i učvršćivanje valjaka rolo stolova / V.A. Korotkov, L.V. Baskakov, I.A. Tolstov, A.A. Berdnikov // Proizvodnja zavarivanja, 1991. – br. 3. – str. 31-33.
Metoda obnavljanja čeličnih dijelova. A.s. 1671706 (SSSR). - Bik. 31, 1991.
Stvrdnjavanje plazmom skeniranim lukom bez topljenja / V.A. Korotkov, O.V. Trošin, A.A. Berdnikov // Fizika i hemija obrade materijala, 1995. – br. 2. – str. 106-111.
Safonov E.N., Žuravlev V.I. Površinsko stvrdnjavanje legura željeza i ugljika lučnim kaljenjem // Proizvodnja zavarivanja, 1997. – br. 10. – str. 30-32.

	Provođenje kaljenja zuba plazma kaljenjem čelika pomoću instalacije UDGZ-200 otklonilo je ozbiljan problem njihovog lomljenja tokom rada. Radovi su izvedeni u OJSC Kachkanarsky GOK
	OJSC NTMK (Evraz Holding) naručio je plazma kaljenje zupčanika od čelika 35GL koji se koristi na dizalici za izlivanje čelika nosivosti 220 tona. Kao rezultat toga, tvrdoća na HB skali povećana je sa 200 na 500 jedinica, a kao rezultat toga, vijek trajanja je povećan za više od 3 puta.
	Trostruko povećanje radnog vijeka bubnja za pritisak užadi na bageru EKG-10 postignuto je plazma površinskim otvrdnjavanjem zubaca i niti užeta izvedenim instalacijom UDGZ-200.
	ChMK OJSC je izvršio plazma kaljenje nosećih površina i ležajnih valjaka na zupčaniku mašine za homogenizaciju. Radovi su obavljeni bez demontaže jedinice direktno na pungonu kupca. Ostvarili smo odličan rezultat - udvostručili smo vrijeme obrade.
	Izvodimo plazma kaljenje metala različitih zupčanika složenog profila, kao primjer na fotografiji, izvršeno je kaljenje unutrašnjeg profila.
	Plazma stvrdnjavanje velikog potisnog vijka po tehnologiji se vrši pričvršćivanjem na strug i rotacijom malom brzinom. Ovaj proces se može automatizirati odabirom potrebne brzine rotacije i dovoda plazma gorionika na opremu.
	Stvrdnjavanje zupca i utora ševrona vrši se na instalaciji UDGZ-200.

Stvrdnjavanje matrica

Plazma stvrdnjavanje kalupa daje veoma značajan ekonomski efekat. Naš kupac JSC ChTPZ smanjio je potrošnju kalupa od skupog modificiranog lijevanog željeza (koji se koriste za oblikovanje cijevi velikog promjera).