Kézi plazma keményítési módszer. HF öntöttvas plazma edzése Vágószerszámok plazma edzése u10

A plazma felületkeményítést, mint a nagy teljesítménysűrűségű fűtőforrásokkal történő edzés egyik módszerét, jelenleg kis- és egyedi, valamint nagy- és tömeggyártásban egyaránt alkalmazzák. Lényege a termikus fázis- és szerkezeti átalakulásokban rejlik, amelyek egy alkatrész munkafelületének plazmasugárral történő gyors koncentrált felmelegítése, majd az alkatrész mélyén történő hőelvezetése során következnek be.

Technológiai célokra alacsony hőmérsékletű plazmát használnak, amely részben ionizált gáz, hőmérséklete 10 3 ... 10 s K nagyságrendű. A plazmaképződés mechanizmusa, a plazmasugár tulajdonságai és paraméterei attól függenek, a plazmaképző közeg típusa és tulajdonságai, amely lehet egy- vagy többkomponensű. Egykomponensű plazmaképző közegként argont, héliumot, nitrogént és hidrogént használnak. Többkomponensű keverékként a következő keverékeket használják: argon és hidrogén, argon és hélium, nitrogén és hidrogén, levegő, víz, ammónia, nitrogén és oxigén.

A plazmaképző gáznak nagy fajlagos hőkapacitással és hővezető képességgel kell rendelkeznie. Ebből a szempontból az argon rosszabb elektromos és hőfizikai jellemzőkkel rendelkezik, mint más plazmaképző gázok, de jól védi a wolframelektródát, ívkisülés hatására könnyen ionizálódik, és nincs káros hatással a felületi rétegre. feldolgozás alatt álló fém. Az argon és más inert gázok azonban drágák. Ezenkívül nem tudnak disszociálni az ívkisülési oszlopban. Az aktív hűtőközegek két- és háromatomos gázok, ezért az argon adalékanyagaként használják őket. A hidrogén a legjobb termofizikai jellemzőkkel rendelkezik. A keverékben annak tartalma általában nem haladja meg a 15-20%-ot. A keverék hidrogéntartalmának további növekedése az ívfeszültség éles növekedéséhez vezet. .

Az anyagok plazmafeldolgozásának számos előnye van, amelyek meghatározzák annak széles körű alkalmazását az anyagok hőkezelésének összes ismert módszerének megvalósítására: a hőenergia magas koncentrációjának elérésére való képesség; alkalmasság szinte bármilyen, a természetben ismert anyag olvasztására vagy elpárologtatására; a plazmaív fokozott stabilitása az elektromos ívhez képest; nagy gázsebesség plazmasugárban.

A plazmaforrások 10 4 ~10 5 W/cm 2 teljesítménysűrűséget biztosítanak, azaz. kevesebb, mint egy elektron- és lézersugár, de egységteljesítményük elérheti a 160 kW-ot vagy azt is, az effektív fűtési hatásfoka pedig 0,85. A plazmaberendezések költsége és gyártási bonyolultsága meglehetősen összehasonlítható az elektromos ívberendezésekkel, és kis méretei és nagy manőverezhetősége jellemzi. Széles körben használják vágáshoz, felületkezeléshez, szóráshoz, hegesztéshez és még korlátozottabban keményítéshez.

2. Acélok felületi rétegeinek szerkezeti képződési mintái nagyenergiás hatás mellett

Az acélok felületi nagyenergiájú edzésének minden módszerét úgy alakították ki, hogy edzett rétegeket képezzenek, amelyek fokozott kopásállóságot biztosítanak a súlyos külső terhelésnek kitett alkatrészek munkafelületein. A felületkezeléshez használt berendezések alapvető különbségei ellenére az edzett réteg kialakításának mechanizmusa általában ugyanaz. Ez abból áll, hogy egy alkatrész helyi térfogatát gyorsan ausztenites állapotba melegítik, majd hőt távolítanak el a szomszédos térfogatokhoz, amelyeknek nem volt idejük felmelegedni a fűtőforrás bekapcsolásának időszakában. Tekintettel arra, hogy a felmelegített réteg tömege lényegesen kisebb, mint a munkadarab tömege, a felületi réteg hűtési sebessége általában nagyobb, mint a kritikus. Következésképpen a lehűlési szakaszban az ausztenit martenzites átalakuláson megy keresztül.

A felületi réteg mechanikai tulajdonságainak komplexét, elsősorban keménységi és szilárdsági mutatókat, az acél magas fűtési és hűtési sebessége biztosítja. Ez a körülmény magyarázza a kis ausztenitszemcsékben megjelenő martenzitkristályok kis méretét, valamint a túltelített szilárd oldat öntermelődésének nyilvánvaló jeleinek hiányát. Egy anyag feldolgozása során annak felületi rétegeiben fizikai-kémiai folyamatok alakulnak ki, amelyek jellegét a kémiai összetétel, a hőmérséklet, az idő, a melegítés és az azt követő hűtés sebessége határozza meg.

A magas hőmérsékletű fázis kialakulása erősen koncentrált energiaáramokkal történő hevítés következtében, ellentétben a lassú melegítéssel, amikor a perlit>ausztenit átalakulás közel izotermikus körülmények között, a bevitt energiatöbblet miatt megy végbe. folyamatosan növekvő hőmérséklet A c1-ről A c1 végére. A kritikus pont eltolódási grafikonja a 3. ábrán látható. Megjegyzendő, hogy a nagy sebességű hevítéssel nyert ausztenitet megnövekedett számú hiba jellemzi. A hibák nagy része a b-fázisból való öröklődésükből adódik, valamint a fáziskeményedés fokozott hatásának köszönhető a nagy fűtési sebesség melletti transzformációs körülmények között. A vas-szén ötvözet egy meghatározott összetételénél az ausztenitesítési folyamat befejeződési fokát a hevítési sebesség és hőmérséklet, a termikus expozíció ideje, pontosabban az az idő határozza meg, ameddig egy bizonyos térfogatú felmelegített fém a hőmérsékleten marad. az ausztenit létezésének tartománya.

3. ábra - Az Ac1 kritikus pont elmozdulása az acél gyors melegítése során.

Mivel koncentrált energiaáramokkal való kezelés során az anyag különböző rétegei különböző hőmérsékletekre hevítenek, a termikusan érintett zóna hagyományosan elképzelhető, hogy több rétegből áll, amelyek simán átmennek egymásba. A HAZ szerkezeti diagramja a 4. ábrán látható

Az első réteg az olvadási zóna, amely az olvadt állapotból történő keményedés során jön létre. Az olvadási zóna oszlopos szerkezetű, a hűtőborda irányában megnyúlt kristályokkal. A közepes széntartalmú acél fő szerkezeti alkotóeleme a martenzit. Megjegyzendő, hogy ahogy a keményítendő termék mélyebbre kerül a felületbe, a martenzitkristályok méretei simán változnak. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a gyorsan felmelegített réteg különböző zónáiban az anyag hőmérséklete jelentősen eltér (annak ellenére, hogy ezekben a zónákban a szerkezet a hűtés előtt azonos volt - ausztenit).

4. ábra - A HAZ szerkezetének diagramja plazma keményedés során: 1 - olvadási zóna; 2- keményedési zóna; 3 - átmeneti zóna

A főréteg martenzitjét azonban az alkotóelemek nagy diszperziója jellemzi. Ez annak köszönhető, hogy a martenzitkristály maximális hossza megfelel az ausztenitszemcse méretének. Az expozíció rövid időtartama miatt az ausztenitszemcséknek nincs ideje növekedni, ezért a benne képződő martenzit finoman eloszlik. Ezenkívül, amikor az ausztenitképződés folyamata a magas hőmérséklet tartományába tolódik el, a szénkoncentráció csökken, a mag stabilitása csökken, ezért a magképződési sebesség meredeken növekszik, ami korlátozza a szemcsék növekedését.

A második réteg a szilárd fázisból származó keményedési zóna, amely a Tmel › Tzak › TAs1 hőmérséklet-tartományban alakul ki. Mélységben a réteget erős szerkezeti heterogenitás jellemzi, mivel a teljes keményedés mellett hiányos keményedés következik be. A réteg felső határán, a felszínhez közelebb martenzit és visszatartott ausztenit figyelhető meg. A réteg alsó határán, közelebb az eredeti fémhez, a martenzittel együtt az eredeti szerkezet elemei figyelhetők meg: a hipoeutektoid acélokban a ferrit, a hipereutektoid acélokban a cementit.

A harmadik réteg az átmeneti zóna, amelyben a fémet az Ac1 pont alatti hőmérsékletre hevítik, amelyben a fő szerkezetek temperáló szerkezetek.

A munka szerzői által végzett metallográfiai vizsgálatok kimutatták, hogy az átmeneti zóna mikroszerkezete a megerősítendő anyag kezdeti állapotától függ. A feldolgozási módoktól, acélminőségtől és az előzetes hőkezeléstől függően az átmeneti zóna különböző méretű és szerkezetű lehet. A kezdeti ferrit-perlit szerkezetű hipoeutektoid acéloknál és a perlit-cementit szerkezetű hipereutektoid acéloknál a felületi keményedés után több fázis (ferrit és cementit) figyelhető meg. Ezen fázisok konglomerátumainak mérete a megkeményedett zónától az eredeti szerkezetű zónáig növekszik.

A megerősített zóna réteges szerkezete minden plazma keményedési módszerre jellemző. A plazmafűtési zóna geometriai paramétereit az edzett felületi réteg szélessége és mélysége jellemzi, ami a legtöbb módszernél az edzési mód paramétereitől függ (plazmasugár (ív) teljesítménye, keményedési távolság, feldolgozási sebesség).

Az edzett termék szerkezeti szilárdságának magas szintjének biztosítása érdekében nemcsak az edzett, hanem az átmeneti zóna szerkezetét is gondosan ellenőrizni kell. A feldolgozási módok megváltoztatásával a fő és átmeneti zónák szerkezeti paraméterei megbízhatóan szabályozhatók, miközben az anyag mechanikai tulajdonságainak kedvező szintjét alakítjuk ki.

Műszaki tudományok/ 8. Anyagfeldolgozás a gépészetben

Berger E.E., Larushka N.A.

Kherson Nemzeti Műszaki Egyetem

GÉPALKATRÉSZEK PLAZMAKESZTÉSE

Az alkatrészek felületi rétegének keménységének és kopásállóságának növelésének fő módszerei a karburálás, a nitridálás és a plazma keményedés. A plazma keményedés előnyösebb, mert lényegesen kevesebb időt igényel. Lényege a termikus fázis- és szerkezeti átalakulásokban rejlik, amelyek egy alkatrész munkafelületének plazmasugárral történő gyors koncentrált felmelegítése, majd az alkatrész mélyén történő hőelvezetése során következnek be.

1. ábra. 1 – olvadási zóna; 2- keményedési zóna; 3 – átmeneti zóna.

A vizsgálatok a következő szerkezeti acélokból készült lemezeken történtek:

1. számú minta – szerkezeti szénacél 45 (öntés)

2. számú minta – szerkezeti ötvözött acél 30ХНМА (öntvény)

3. számú minta – szerkezeti ötvözött acél 40ХН2МА (kovácsolás)

4. számú minta – szerkezeti ötvözött acél 40Х (öntvény)

A minták elkészítése után plazmaívvel felületkeményítést végeztünk. A plazmaív áramforrásaként egy VDU-504 soros hegesztő egyenirányítót használtak. Plazmaképző gázként argont használtak.

A hőkezelt felületi réteg szerkezetét és keménységét keresztirányú mikrometszeteken Neophot-2 mikroszkóp segítségével, 50-1000-szeres nagyítással vizsgáltuk. A keménységméréseket Duramin-2 mikrokeménységmérővel végeztük 4,9x103 H terhelés mellett. A keménységmérés, valamint a feldolgozott mintákból készült keresztirányú mikroszelvények fő és edzett szakaszainak szerkezetének vizsgálata a következő eredményeket adta:

1. számú minta: Acél 45

A mintát a felület megolvasztása nélkül lehűtöttük.

A mikroszerkezet vizsgálata kimutatta, hogy a felszín közelében a megerősített réteg szorbit- és perlitszemcsékből áll (0,84 mm-ig). Az átmeneti rétegben (0,84-1,04 mm) a szorbit és a perlit mellett ferritvénák jelennek meg. Az alapfém szerkezete perlit és ferrit háló.

2. számú minta: Acél 30ХНМА

A mintát a felület szabad szemmel látható olvadása nélkül lehűtöttük.

A hővel megerősített zóna felső rétegének mikroszerkezete 6-os szemcsepontszámú martenzitréteg (szelvény 0,2 mm-ig). Ezt követi egy martenzitréteg 5 és 6 szemcsepontszámmal ferritérekkel (0,2-0,58 mm metszet). A következő réteg martenzit 3-as és 4-es szemcsepontszámmal, ferritvénákkal (0,58-1,28 mm-es metszet).

2. ábra – A keménység változása az 1. számú minta megerősített rétegének mélysége mentén

Az átmeneti zónában martenzit és szorbit szemcsék figyelhetők meg (1,28-1,51 mm terület), az alapfém zónájában - perlit és szorbit szemcsék.

2. számú minta:lettb30ХН2МА

A mintát a felület enyhe egyenletes olvadásával leoltottuk A 3. számú minta keménységének mérési eredményeit az 1. táblázat tartalmazza.

Asztal 1

Keménységváltozás a 3. számú minta hővel megerősített rétegének mélysége mentén

Mélység, L, mm			0,35	0,64	0,89	1,14	1,47	1,77	2,08	2,35	2,79
Keménység, HV

A mikroszerkezeti elemzés egy mélyen megerősített réteg jelenlétét mutatta ki (2,4 mm-ig), amelynek szerkezete martenzit, különböző szemcsepontszámokkal.

A felső rétegben (0,9 mm-ig) 7., 8. fokozatú martenzit; majd 6-os szemcsepontszámú martenzitkristályréteg (felülete 0,9-1,5 mm). Ezután egy martenzitréteg következik 4 és 5 pontos szemcsékkel, amelyet az átmeneti zónában (legfeljebb 2,5 mm-ig) perlit és szorbit helyettesít.

3. ábra – Keménységváltozás a 2. számú minta megerősített rétegének mélysége mentén.

4. számú minta: Acél 40 x

A mintát a felület megolvasztása nélkül lehűtöttük. A 4. számú minta keménységének mérési eredményeit a 2. táblázat tartalmazza.

2. táblázat

Keménységváltozás a 4. számú minta hővel megerősített rétegének mélységével

Mélység, mm		0,04	0,11	0,17	0,29	0,43	0,58
Keménység, HV

A mikroszerkezeti elemzés kimutatta, hogy a HAZ felső rétege (0,11 mm-ig) 5b martenzitből áll. Ezután martenzit 5b-ből és szorbitból álló szerkezetté alakul (0,11-0,17 mm-es metszet). Ezután martenzit, szorbit és perlit réteg figyelhető meg (0,17-0,29 mm mélységben), amely szorbit és perlit szemcsékből álló szerkezetté alakul át, az alapfém zónájában lamellás perlit és ferritháló figyelhető meg.

következtetéseket

A meglévő minták felületkezelése után beigazolódott az a feltételezés, hogy a közepes széntartalmú acélok jól alkalmasak plazmaívedzésre. Körülbelül megállapítottam, hogy a minták felületi rétegének keménysége kétszeresére vagy többszörösére nő a kezdeti értékekhez képest.

Kimutatták azt is, hogy a feldolgozási módok változtatásával lehetőség nyílik a fő- és átmeneti zóna szerkezeti paramétereinek szabályozására, így a megerősített réteg kívánt keménysége és mélysége érhető el.

A 30ХНМА acélból készült minták áramerősségének állandó feldolgozási sebesség melletti növekedésével a keménység növekedése következett be az edzett réteg teljes mélységében. A keménység tekintetében is jó eredményeket mutatott a 40ХНМА acélból készült minta, amelyet megnövelt áramértékeken dolgoztak fel.

A szintén megnövelt áramértéken feldolgozott 30ХН2МА acélból készült 6. számú minta az összes minta közül a legnagyobb keménységgel és az edzett réteg mélységével hívta fel magára a figyelmet. Ez azzal magyarázható, hogy ez az acél magas nikkeltartalmú, ami viszont az ausztenitképző ötvözőelemek csoportjába tartozik, i.e. kiterjeszti az ausztenit létezési körét. Így az ausztenitesítési folyamat a minta felületétől körülbelül két milliméteres mélységben is teljesen lezajlik, ami azt jelenti, hogy ott martenzit képződése lehetséges.

Az alacsony áramértékek a várakozásoknak megfelelően nem tették lehetővé a keménység jelentős növekedését a hőhatászónában (45, 40ХН2МА acélból készült minták).

A kísérlet azt is kimutatta, hogy az oltási sebesség (termelékenység) növelésével az edzett réteg maximális mélysége csökken. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az edzett rész testébe történő hőterjedés ideje lecsökken, aminek következtében a mély rétegeknek nincs idejük felmelegedni és ausztenitizálódni, ami a későbbi martenzites átalakuláshoz szükséges.

A plazma keményedés lényege a fém felületi rétegének plazmaáramlással történő nagysebességű felmelegítése és gyors lehűlése az alkatrészanyag mélyrétegeibe történő hőátadás következtében.

A plazmaedzés célja akár több milliméter vastagságú edzett felületi réteggel rendelkező alkatrészek és szerszámok előállítása, miközben az anyag általános kémiai összetétele változatlan marad, és a belső rétegekben megőrzi az eredeti fém eredeti tulajdonságait.

A plazma edzésnek kitett anyagok a szerszámacélok, öntöttvasak, keményötvözetek, cementált és nitro-karburált acélok, színesfém ötvözetek és egyéb anyagok.

A plazma keményedés hatását az alkatrész működési tulajdonságainak növekedése határozza meg, a felületi réteg fizikai és mechanikai jellemzőinek megváltozása miatt, a nagy keménységű fém sajátos szerkezetének és fázisösszetételének kialakulása miatt. és diszperzió, valamint nyomómaradék feszültségek kialakulása a felületen.

Az alacsony széntartalmú acélok plazmaedzése, amelyek általában nem tartoznak térfogati edzésnek, lehetővé teszik 32...38 HRC keménységű alacsony széntartalmú martenzit előállítását. Az Ac1...Ac3 régióban melegítést biztosító üzemmódokban történő feldolgozás esetén a perlitszemcsék helyett 10...30% összterületű egyes területek magas széntartalmú acél - martenzit és visszatartott ausztenit szerkezetűek. 750...820 HV keménységű. Ez a kombinált szerkezet (ferrit, perlit, martenzit és megtartott ausztenit) ötvözi a nagy kopásállóságot és a rugalmasságot, ami lehetővé teszi az alacsony széntartalmú acélok alkalmazási körének bővítését. A közepes széntartalmú öntött és szerkezeti acélok plazmaedzése az edzési zónában 2...4 HRC egységgel magasabb martenzites-ausztenites szerkezetet és keménységet biztosít a térfogati edzéshez és a nagyfrekvenciás edzéshez képest. A plazma keményedést követően a visszatartott ausztenit akár 50%-a a felületi rétegben rögzül, ami lehetővé teszi az alakváltozás okozta martenzites átalakulás energiaelnyelő folyamatának megvalósítását a működés során. Az alkatrészek kopásállósága, különösen az érintés-ütközések és a kopásos kopás során, ebben az esetben többszörösére nő. Az U8, U10 típusú szén szerszámacélok, az 5ХВ2С, 9ХС, Х12 típusú hidegalakító szerszámok acéljai, az 5ХНМ, 60ХН stb. típusú melegalakító szerszámok acéljai nagy hatásfokkal edzettek Finomszemcsés martenzites-ausztenites szerkezet 65-ig terjedő keménység alakul ki a felületi munkarétegben A HRC fokozott szilárdsággal és kopásállósággal rendelkezik. A szerkezeti elemek arányának szabályozása a szerszámacélok edzési zónájában az ausztenit termikus stabilizálásával a martenzites átalakulás tartományában, az előhőkezelés és a plazma edzési módok kiválasztásával történik. Öntöttvasak plazma keményítése során (SCh 15-32, SPKHN-45, SPKHN-49 pelyhes grafitokkal; gömbgrafittal - SShKhNM-42, SShKhN-49 stb.) nagy keménységű szerkezet (akár 60 HRC) a felületi rétegben és kopásállóságban képződik. A mikroolvadási zónában ledeburit képződik, a grafitzárványok körül magas széntartalmú ausztenit figyelhető meg, amelyben lehűléskor martenzit területek képződnek. A perlites öntöttvasak plazma keményedési zónájában martenzites-ausztenites szerkezet, míg a ferrites öntöttvasaknál szorbit-trosztit szerkezet alakul ki. A plazma-edzett öntöttvas hengerek fontos előnyei a nagy keménység és egyben az ausztenites komponens jelenléte miatti repedések kialakulásával szembeni ellenállás, ami 40-rel növeli a kopásállóságukat. ..60%. Az edzés technológiai folyamata magában foglalja az edzendő felület mechanikai kezelését (szükség esetén) vagy tisztítását, valamint a plazma hőkezelést, amely általában a befejező művelet. A plazma edzés fontos jellemzője, hogy hatékonyan felhasználható a hagyományos térfogati hőkezelésen átesett részek felületének további keményítésére. A plazma keményedési eljárások széles körben történő bevezetése a gyártásba nem lehetséges a kutatási és gyártási tapasztalatok eredményeinek általánosítása, a hőkezeléssel módosított felületi réteg fázisösszetételének, szerkezetének és tulajdonságainak kialakulási mintázatainak tudományos alátámasztása, a szükséges garantált átvétel biztosítása nélkül. az alkatrészek teljesítményjellemzői a feldolgozási mód technológiai paramétereitől függően. A vas-szén ötvözetek plazma hőkeményítésének lényege az alkatrész felületének helyi területének felmelegítése a fázisátalakulások kritikus hőmérséklete (Ac1, Ac3, Acm) fölé, majd ezt követő nagy sebességű hűtés, amely garantálja az alkatrész képződését. keményedő szerkezetek. A hagyományos hőkezeléshez hasonlóan a plazma keményedés eredményeként kapott szerkezeti állapot jellemzőit az ausztenit melegítés közbeni homogenizációs foka, időtartama, valamint az ötvözet kezdeti összetétele és szerkezete határozza meg. A felületmelegítés után a hőhatászónában kialakuló végső szerkezeti állapot és tulajdonságok az ausztenit legkevésbé stabilitási hőmérsékleti tartományában a hűtési sebességtől, szemcse összetételétől és méretétől, valamint számos egyéb, a paraméterek által meghatározott tényezőtől függenek. a hőciklus HAZ-ban. A plazma keményedés során koncentrált energiaáramlás létrehozásához speciális eszközöket - plazmatronokat - használnak. Összehasonlítva a hagyományos, szabadon égő ívvel, amelyet egy nem fogyasztható elektródával ellátott fáklya hoz létre argon védőatmoszférában, a hasonló elektromos teljesítménnyel rendelkező plazmaív hőmérséklete megnövekedett (15 000...20 000 K) és koncentráltabb a hőáram. . Ezt úgy érik el, hogy csökkentik az ív vezető keresztmetszetét, amelyet a fúvóka csatornában összenyom a plazmaképző gáz áramlása, amelynek molekulái viszont ionizálódnak az ívkisülési oszlopban, ezzel növelve az ívkisülés arányát. ionáram. A legtöbb plazmatron közvetlen polaritású egyenárammal működik (negatív potenciál az elektródán), mivel az ív anódfoltjában a hőképződés nagyobb, mint a katódfoltban. Ez a potenciáleloszlás növeli az alkatrész melegítésének termikus hatásfokát és csökkenti az elektróda hőterhelését. Az elektróda és az alkatrész felülete között sűrített közvetlen ívégést generáló plazmafáklyákban a hővezetés, a konvekció, a sugárzás és az elektromos térben tárolt töltött részecskék mozgási energiája következtében hőátadás történik az alkatrésznek.

Az ionimplantáció (ionimplantáció, iondopping) szennyező atomok bevitele szilárd anyagba úgy, hogy annak felületét felgyorsított ionokkal bombázzák. Amikor egy célpont ionos bombázása történik, az ionok mélyen behatolnak a célpontba. Az ionok bevezetése E>1 keV ionenergiáknál válik jelentőssé.

Formálisan ionbeültetésnek kell nevezni egy szilárd test felületének atomokkal vagy atomi ionokkal történő besugárzását, amelynek energiája legalább 5-10 kötési energiájú atom a besugárzott célpont rácsában (akkor az ion vagy az atom utazni fog legalább 2-3 atomközi távolságra a megállás előtt, azaz behatol, „beültetett” a céltérfogatba). Hagyományosan azonban az „ionimplantáció” kifejezést itt egy szűkebb energiatartományra használjuk - 5-10 keV-tól 50-100 keV-ig. Az ismétlődő ütközések következtében a mozgó részecskék fokozatosan veszítenek energiájukból, szétszóródnak, és végül vagy visszaverődnek, vagy megállnak, eloszlanak a mélységben. Az energiaveszteséget mind a célelektronokkal való kölcsönhatás (rugalmatlan ütközések), mind a páros nukleáris (rugalmas) ütközések okozzák, amelyek során az energia a célatomok egészére kerül át, és a részecskék mozgásának iránya élesen megváltozik. Nagy energiák és kis becsapódási paraméterek mellett az ütköző részecskék magjai az elektronpályák sugaránál kisebb távolságra közelednek, kölcsönhatásukat a Coulomb-potenciál írja le. Alacsony energiáknál elengedhetetlen az atommagok elektronok általi árnyékolása. Általában a mozgó ion elektronokkal való kölcsönhatását (szabad és az atomok külső héjain) és az ion magjai és a célatom közötti kölcsönhatást külön vizsgálják, mindkét veszteségi mechanizmust additívnak tekintve, és a közeget is. homogén és izotróp (Lindhard-Scharff-IIIott elmélet, LSH). Az elmélet azt jósolja, hogy az ionenergiának növekedésével a rugalmas ütközések zónájában a fajlagos energiaveszteségek maximumon haladnak át, majd csökkennek. A rugalmatlan ütközések fajlagos veszteségei a radikális törvény szerint az energia növekedésével nőnek. Nagyon nagy energiasebességnél az ion csupasz magként mozog a célpontban, és további növekedésével csökken a fajlagos energiaveszteség. Az ionpálya egy összetett szaggatott vonal, amely útszakaszokból áll az elemi szórási aktusok között, nagy szögekben. A stabilizált ionok eloszlásfüggvénye a minta mélységében maximummal rendelkezik (a maximum pont távolságát a felszíntől az adott energiájú ionok átlagos útja határozza meg.

Az ionbeültetési folyamat fontos jellemzői az ún. az ion projektív útja Rpr - a pálya útvonalának vetítése az eredeti irányába. a részecskék mozgása, valamint a beültetett atomok eloszlása az Rpr mentén, azaz x mélységben (a célfelületre merőlegesen bombázva). Az amorf célpontba beültetett részecskék x eloszlását av. run Ravg, a futások átlagos négyzetes terjedése?R és Sk paraméter, amely meghatározza a Pearson-eloszlás aszimmetriáját. Ezek az értékek M1 M2-től és e0-tól függenek. Sk = 0 esetén a Pearson-eloszlás Gauss-féle lesz. Az egykristályokba történő ionimplantáció során a beágyazott részecskék mélységi eloszlása megváltozhat a töltött részecskék csatornázása miatt. Az ionbeültetés során az ionok energiájának megváltoztatásával a bejuttatott szennyeződés a kívánt alakzat mélysége mentén eloszlik. Az egységnyi felületen keresztül szilárd céltárgyba beültethető N szennyező atomok teljes számát a porlasztás korlátozza, ha az S porlasztási együttható (az egy ion által kiütött célatomok száma) nagyobb, mint a beültetett részecskék aránya b = 1-k (k a reflexiós együttható). A diffúzió elhanyagolása

ahol nS=bn0/S a szennyeződés koncentrációja a felületen állandósult állapotban. Ha S >6, a beültetett atomok koncentrációja az iondózis növekedésével monoton módon növekszik. Az ionimplantációt legszélesebb körben használják félvezetők adalékolására p-n átmenetek, heterojunkciók és kis ellenállású érintkezők létrehozására. Az ionbeültetés lehetővé teszi a szennyeződések alacsony hőmérsékleten történő bejuttatását, beleértve az alacsony diffúziós együtthatójú szennyeződéseket, valamint túltelített szilárd oldatok létrehozását. Az ionbeültetés biztosítja a bejuttatott szennyeződés pontos adagolását, nagy tisztaságot (az ionnyaláb tömeg szerinti szétválasztását), lokalitást, valamint a folyamat elektromos és mágneses mezők segítségével történő vezérlését. Az ionbeültetés során kialakuló sugárzási hibák kiküszöbölésére és a beültetett atomok szabályos helyzetbe helyezésére magas hőmérsékletű fűtést alkalmaznak. A fémekbe történő ionimplantációt keménységük, kopásállóságuk, korrózióállóságuk növelésére, katalizátorok létrehozására, súrlódási együttható megváltoztatására stb. lehetséges. Az ionos bombázás nemcsak a nyalábból, hanem a célfelületre korábban lerakott filmből is lehetővé teszi szennyeződés bejuttatását (visszapattanó atomok beültetése és ionkeverés). Az ionokkal történő bombázás a beültetett anyag mennyiségének növekedésével járhat. Az ionos leválasztással nyert filmek nagy sűrűségűek és jó tapadásúak az aljzathoz.

Az ionimplantáció előnyei:

1. Bármilyen szennyeződés, a periódusos rendszer bármely elemének bejuttatásának (beültetésének) képessége.
2. Lehetőség bármilyen anyag ötvözésére.
3. A szennyeződés bármilyen koncentrációban történő bejuttatásának képessége, függetlenül annak a szubsztrátum anyagában való oldhatóságától.
4. Szennyeződés bejuttatásának képessége bármilyen szubsztrátum-hőmérsékleten, a hélium hőmérsékletétől az olvadáspontig.
5. Műszaki tisztaságú ötvöző anyagokkal, sőt azok kémiai vegyületeivel (szintén bármilyen tisztaságú) való munkavégzés képessége.
6. Az adalékoló ionsugár izotópos tisztasága (azaz az a képesség, hogy ne csak egy adott elemmel, hanem kizárólag ennek az elemnek egy adott izotópjával is adalékoljon).
7. Könnyű helyi ötvözés (legalább alapvető mechanikai maszkolás használatával).
8. Az ötvözetréteg kis vastagsága (kevesebb, mint egy mikron).
9. A szennyezőanyag koncentráció nagy gradiense a réteg mélysége mentén, amely hagyományos módszerekkel elérhetetlen, elkerülhetetlen diffúziós határelmosódással.
10. Könnyű irányíthatóság és a technológiai folyamat teljes automatizálása.
11. Kompatibilis a planáris mikroelektronikai technológiával.

Az ionbeültetés lehetőségeit korlátozó korlátozások:

1. Bármilyen szennyeződés bejuttatásának képességét néha korlátozzák az ionforrás munkaanyagának tulajdonságai: a) túl magas üzemi hőmérséklet b) kémiai vagy hőmérsékleti instabilitás, c) túlzott toxicitás, d) korrozivitás.
2. Bármilyen anyag adalékolásának képessége a valóságban csak azt a képességet jelenti, hogy az adalékanyag atomjait bejuttatjuk a céltérfogatba. Ha a „dopping” fogalma egy nagyon sajátos pozíciót is jelent a céltárgy kristályrácsában, akkor itt az ionbeültetés lehetőségei sok esetben nem sokkal nagyobbak, mint például a diffúzió. Egy másik korlátozás a célanyag sugárzásállósága. A besugárzási körülmények olyanok, hogy a komplex anyagok lebomlása szinte mindig megtörténik a beültetés során (a kémiai vegyület bármely komponensének párolgása vagy porlasztása miatt).
3. A szennyeződés bármilyen koncentrációban történő bejuttatásának képességét a rétegporlasztási együttható korlátozza. Ezenkívül a defektusok lágyítása során az oldhatósági határ felett bejuttatott szennyeződés rendszerint egy másik fázis csapadékaként szabadul fel.
4. Az alacsony adalékolási hőmérséklet csak olyan rendszerekre jellemző, ahol a kristályrács állapota nem fontos. Ha a sérült rácsot a beültetés után helyre kell állítani, akkor a hőmérsékletnövekedés például a diffúziós adalékoláshoz képest lényegesen szerényebbé válik.
5. Az ötvözőanyagok műszaki tisztaságának előnyét néha beárnyékolja az anyag szárításának vagy a könnyen ionizálódó idegen szennyeződések eltávolításának szükségessége.
6. Az ionnyaláb izotóp tisztasága egyáltalán nem jelenti a dopping izotóp tisztaságát. Az implantációs egység alkatrészeinek gyors ionokkal történő túlpermetezése és ennek a porlasztott anyagnak az ötvözött rétegbe való ellenőrizetlen behajtása jelentősen ronthatja a réteg tulajdonságait, ezért trükkökre van szükség, hogy az ötvözött felületre idegen anyagok ne kerülhessenek.
7. A beültetés során a helyi adalékolást mechanikus maszkolás vagy alkalmazott stencilmaszkok biztosítják. Itt a baj azzal jár, hogy a maszkanyagot az adalékolt rétegbe vezetik.
8. Az ötvözetréteg kis vastagsága jó a mikroelektronikában, de semmiképpen sem előny a kohászati alkalmazásokban.
9. A szennyeződéskoncentráció nagy gradiense a mélységhez képest. A számított gradienseket (az ionutak eloszlása alapján) valójában soha nem kapjuk meg a profil elmosódása miatt, amelyet a szennyeződések diffúziójának sugárzási stimulációja okoz.
10. A folyamat könnyű irányíthatóságát és automatizálását számos telepítésnél alkalmazzák, de az ideális – egy teljesen automatizált gyártósor – még messze van.

Azt is fontos megjegyezni, hogy az ionbeültetés jelenleg az egyik legdrágább. Az ionimplantáció tömegleválasztással a felületi rétegek vizsgálatának és módosításának egy olyan módszere, amely egyedülálló képességeiben. Egyedülálló mind az ötvöző szennyeződések tartományában, mind a feldolgozott anyagok tartományában, mind az ötvözött réteg szennyeződés-koncentrációinak tartományában. Ez az egyediség azonban csak kutatási és keresési célokra jó. Amint a talált szennyeződések gyakorlati felhasználásának kilátásai, az adalékolt réteg koncentrációja és vastagsága beazonosíthatók, azonnal szükség van az azonos vagy hasonló eredményeket biztosító alternatív technológiák felkutatására, tesztelésére és fejlesztésére.

HEGESZTÉS. FELÚJÍTÁS. TRIBOTECHANIKA: riportok kivonata / Felelős. szerk. ; az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Minisztériuma; Szövetségi Állami Autonóm Oktatási Intézmény Szakmai Felsőoktatási Intézmény „Az Uráli Szövetségi Egyetem névadója. Oroszország első elnöke B.N. Jelcin”, Nyizsnyij Tagil. technol. Intézet (phil.). – Nyizsnyij Tagil: NTI (ág) UrFU, 2013. – 76 p.

A plazma keményedésére vonatkozó információk a 20. század 80-as éveiben jelentek meg [,]. A különféle plazmaeszközök (vágáshoz, hegesztéshez, szóráshoz) jelenléte az iparban arra késztette az újítókat, hogy ezeket a felületkeményítéshez alkalmazzák. Mikroplazma hegesztő berendezést használtak a bányászati berendezések alkatrészeinek és gépjárművek vezérműtengelyeinek felületkeményítésére. A hengerhengerek keményítésére erőteljes közvetett ívű permetező berendezést használtak.

Sok munkát végeztek a hegesztőgépek felületkeményítéshez történő adaptálásával az Uráli Politechnikai Intézet Nyizsnyij Tagil fiókjában, amely jelenleg az Uráli Szövetségi Egyetem. A plazmapisztoly korszerűsítése lehetővé tette az UPS-501 plazmahegesztő berendezés használatát közvetlen íves felületedzésre. A gyártásba való bevezetés a Nyizsnyij Tagil Kohászati Üzemben (NTMK) 1985-ben történt. A siker figyelemre méltó, a plazma edzésű sínegyenesítő gépek abroncsainak tartóssága 2-4-szeresére nőtt [,]. Ezt követően a továbbfejlesztett technológiát a meleghengerlési hengerek szálainak (kalibereinek) felületi keményítésére kezdték használni. Ugyanígy az UPR-404 plazmavágó berendezést is plazma edzésre alakították át. Edzett síneket szállító görgős asztalok lerakódott görgőinek edzésére szolgál. Ennek köszönhetően a hengerek élettartama több mint háromszorosára nőtt. A repedések kiküszöbölésére a kikeményedett és a lerakódott rétegek vastagságának optimális arányát, a keményedés mélységének növelésére pedig az ívszkennelés módszerét alakították ki [,].

A plazmagépekkel ellentétben az argonban használt wolfram (W) nem fogyó elektródával való hegesztésre szolgáló berendezések gyakoribbak. Ezért alkalmazkodott a felületi keményedéshez. Az edzett szalagok szélességének növelésére mágneses mezőt alkalmaztak az ívre, amely legyező alakú formát és egyenletes hőenergia-elosztást adott 15 mm szélességig [,]. A hengerek, vasúti kerekek és hengerhengerek keményítésére az edzéshez igazított, indirekt ívű plazmaberendezéseket alkalmazták [,].

A fenti sikerek ellenére a plazma keményedés a 90-es években. nem talált önálló életet. Ipari alkalmazását nagymértékben támogatták a technológiai fejlesztők. A plazma felületkeményítő egységeket nem gyártották önálló terméktípusként.

Kézi plazma edzés UDGZ-200 beszerelése

A kifejlesztett plazma keményedési technológiáknak volt egy jelentős hátulütője - kézi használatuk lehetetlen vagy nehézkes volt. A közvetett ív 250 V feletti feszültségen működik, ami kézi eljárásban nem megengedett. A közvetlen ív érzékeny az üzemmód beállítására. Az optimálistól való eltérések, amelyek a kézi edzés során elkerülhetetlenek, vagy az edzett felület megolvadásával, vagy az edzett réteg eltűnésével járnak. Ezért a fent leírt plazma keményedési technológiákat csak automata üzemmódban használták, amikor a beállítások könnyen változatlanul tarthatók.

A robotok és a „pilóta nélküli” iparágak modern korában a manuális technológia fejlesztése tévesnek tűnhet. A kézi technológiák azonban sokoldalúságuk miatt túlélőképességet mutatnak. A világon a hegesztések nagy részét (több mint 80%) elektródákkal vagy félautomata gépekkel, azaz manuálisan végzik. Analógia alapján várható volt, hogy a plazma keményítés kézi módszerének kifejlesztésével annak felhasználási volumene megnő, és ez olyan termékek miatt következne be, amelyeket korábban ilyen vagy olyan okból nem lehetett keményíteni.

A kézi edzés során a plazmaívnek egyenletes melegítést kell biztosítania, függetlenül az ív hosszának és mozgási sebességének természetes és elkerülhetetlen ingadozásaitól. Az értékelési kritérium a felület hirtelen megolvadásának és a megkeményedett réteg eltűnésének hiánya. A kutatás irányát a munka figyelembevételével választottuk meg. Megállapította, hogy a hegesztési ív összenyomása nemcsak a fúvókában lehetséges, hanem a fúvóka és az elektróda közötti szabályozott résen átáramló gázáram miatt is. Ennek eredményeként kidolgozásra került a kézi plazmaedzés módszere, ennek megvalósításához egy égő és ezek alapján az UDGZ-200 () [, ,] keményítő installáció. A keményítés egy fáklyával történik, amelynek kis mérete kényelmessé teszi a kézi kezelést, lehetővé téve a nehezen elérhető helyek elérését és megerősíteni azt, ami korábban lehetetlen volt.

1. ábra – UDGZ-200 telepítése

Edzéskor a hegesztő olyan sebességgel mozgatja az ívet () a felület mentén, amely biztosítja a fém enyhe „izzadását” az ív alatt. Ezt az állapotot nem nehezebb ellenőrizni, mint a hegesztés közbeni olvadást, de lehetővé teszi az edzéshez szükséges hő fenntartását, és egyben megakadályozza a felület durva károsodását. Az ív 8-12 mm széles edzett csíkokat hagy a felületen, amelyeket a hegesztő némi átfedéssel helyez el. „Elhomályosult színekkel” vannak festve, vagyis vékony oxidréteggel borítják őket, amelyek nem befolyásolják jelentős mértékben a felület érdességét (). A plazma keményedés nem okoz deformációt, így az edzett részek nem igényelnek utócsiszolást.

2. ábra – Plazmaív edzés közben

3. ábra – Kotrókanál csapok plazma edzéssel

A keményedés a hőnek az alkatrész testébe történő eltávolítása miatt következik be, anélkül, hogy a fűtési helyre vizet juttatna. Ezért az UDGZ-200 telepítést javítási helyeken, az alkatrészek megmunkálásának és üzemeltetésének helyén használják, nem csak a hőkezelő műhelyekben és speciális területeken.

A kemény (HRC 45-65) keményedő réteg (0,5-1,5 mm) nagymértékben megnöveli a darusínek és -kerekek, fogaskerekek és orsós csatlakozások, kötéltömbök, vágó-, alakító-, húzószerszámok és egyéb kritikus alkatrészek élettartamát. Az UDGZ-200 telepítés jelenléte pótolja a keményítő, karburáló és nagyfrekvenciás tisztítóberendezések kemencéinek hiányát; környezetbaráttá teszi a keményedést. A 2-3 kategóriás hegesztők könnyedén elsajátítják a munkát. Az edzés az UDGZ-200 telepítéssel gépesíthető, automatizálható és robotizált. Az UDGZ-200 telepítésének köszönhetően az edzett termékek köre bővült, és számos fontos probléma megoldódott az uráli vezető vállalkozásoknál: ChMK OJSC, NTMK OJSC, VSMPO-AVISMA OJSC, ChTPZ OJSC, KGOK OJSC és mások. Öt évvel a fejlesztés után az UDGZ-200 telepítést tanúsították, és megkezdődött az ipari gyártás a TU 3862-001-47681378-2007 szabvány szerint. 2012 végéig több mint 40 darabot gyártottak és szállítottak le oroszországi, ukrajnai és kazahsztáni vállalatoknak.

Linkek listája

Selivanov M.V., Shepelev N.S. Plazma alkalmazása külföldön történő keményítéshez. – M.: Központi Információs Kutatóintézet. és műszaki-gazdasági kutatás vaskohászat, 1985. – 1. évf. 2. – 23 s.
Acélok felületi edzése plazma edzéssel / V.A. Linnik, A.K. Onegina, A.I. Andreev és társai // MiTOM, 1983. – 4. sz. – 2-4.
A mikroplazma melegítés alkalmazása a keményedési technológiai folyamatokban / Kobyakov O.S., Grinzburg E.G. // Automatikus hegesztés, 1985. – 5. sz. – P. 65-67.
Plazmasugárral erősített acélok szerkezete és tulajdonságai / L.K. Leschinsky, I.I. Pirch, S.S. Samotugin et al. // Hegesztési gyártás, 1985. – 11. sz. – 20-22.o.
Technológiai berendezések alkatrészeinek plazma keményítése / A.A. Berdnikov, M.A. Filippov, R.I. Silin, I.N. Veselov // Absztrakt. jelentés tudományos és műszaki konf. „Progresszív erősítő technológiák.” – Penza: PDN-TP, 1986. – P. 69-70.
Korotkov V.A., Berdnyikov A.A., Tolsztov I.A. Alkatrészek, szerszámok helyreállítása, megerősítése plazmatechnológiával. – Cseljabinszk: Metalla, 1993. – 144 p.
Öntöttvas hengerek edzése plazma edzéssel / A.A. Berdnikov, V.S. Demin, E.L. Serebryakova és mások // Acél, 1995. – 1. sz. – 56-59.
Görgős asztalgörgők helyreállítása, megerősítése / V.A. Korotkov, L.V. Baskakov, I.A. Tolsztov, A.A. Berdnikov // Hegesztési gyártás, 1991. – 3. sz. – P. 31-33.
Acél alkatrészek helyreállításának módja. Mint. 1671706 (Szovjetunió). - Bika. 1991. 31.
Plazma edzés pásztázott ívvel olvasztás nélkül / V.A. Korotkov, O.V. Troshin, A.A. Berdnikov // Anyagfeldolgozás fizika és kémiája, 1995. – 2. sz. – P. 106-111.
Safonov E.N., Zhuravlev V.I. Vas-szén ötvözetek felületi keményítése ívedzéssel // Hegesztési gyártás, 1997. – 10. sz. – 30-32.o.

	Az UDGZ-200 telepítéssel az acél plazma edzésével a fogak edzése kiküszöbölte a működés közbeni forgácsolás súlyos problémáját. A munkát az OJSC Kachkanarsky GOK-nál végezték
	Az OJSC NTMK (Evraz Holding) 220 tonnás teherbírású acélöntő darukon használt 35GL acélból készült fogaskerék plazma edzését rendelte el. Ennek eredményeként a HB skálán a keménység 200-ról 500 egységre nőtt, és ennek eredményeként az élettartam több mint háromszorosára nőtt.
	Az EKG-10 kotrógép kötélnyomódobjának élettartamának 3-szoros növekedését a fogak és a kötélszálak plazma felületi keményítésével, az UDGZ-200 telepítéssel érte el.
	A ChMK OJSC elvégezte a homogenizáló gép gyűrűs fogaskerekén a tartófelületek és a csapágygörgők plazma edzését. A munkát az egység szétszerelése nélkül végezték közvetlenül az ügyfél töltőállomásán. Kiváló eredményt értünk el - megdupláztuk az átfutási időt.
	Különböző összetett profilú hajtóműalkatrészek fémének plazma edzését végezzük, a képen látható példaként a belső profil edzését végeztük el.
	A nagy nyomócsavar technológia szerinti plazmaedzése esztergagépre való rögzítéssel és kis fordulatszámon történő forgatással történik. Ez a folyamat automatizálható a szükséges forgási sebesség és a berendezésen lévő plazmafáklya előtolásának kiválasztásával.
	A chevron fog és a bordák keményítése az UDGZ-200 telepítésen történik.

A szerszámok keményedése

A matricák plazma keményítése igen jelentős gazdasági hatást biztosít. Ügyfelünk, a JSC ChTPZ csökkentette a drága, módosított öntöttvasból (nagy átmérőjű csövek öntésére használt) szerszámok fogyasztását.