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).

Владельцы патента RU 2313581:

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

Изобретение относиться к машиностроению и предназначено для поверхностного упрочнения деталей.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Практическое применение нового способа

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

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

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

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

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

Похожие патенты:

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

прогрессивный метод локального поверхностного упрочнения, многократно повышающий надежность и долговечность изделий

СУЩНОСТЬ ПЗ состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали.

ЦЕЛЬ ПЗ - 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 ПЗ - инструментальные стали, чугуны, твердые сплавы, цементированные и нитроцементированные стали, цветные сплавы и другие материалы.

ЭФФЕКТ ОТ ПЗ 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.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЗ состоит из источника питания дуги, малогабаритного плазмотрона и механизма для перемещения плазмотрона или детали. В качестве источника питания используются установки плазменной сварки и наплавки УПНС-304, плазменной обработки УПО-302, УПВ-301, плазменной резки УПРП-201, сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и другие. Плазмотрон изготавливается по оригинальным конструкторским разработкам. Механизмом для перемещения может служить серийное механическое, сварочное или наплавочное оборудование.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПЗ состоит из предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно ПЗ обрабатываемой поверхности путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот. Возможны следующие технологические варианты ПЗ - без оплавления и с оплавлением поверхности детали, с промежутками между упрочненными зонами или без них. Параметры процесса ПЗ - ток плазменной дуги (струи), расход плазмообразующего газа, расстояние между плазмотроном и изделием, скорость перемещения определяются алгоритмом, обеспечивающим получение оптимальных свойств в поверхностном слое упрочняемой детали. Интегральная температура нагрева в процессе ПЗ не превышает 150..200° С. В качестве плазмообразующего газа используются, как правило, аргон или его смеси с азотом, а также воздух. Средняя ширина закаленной зоны 6..13 мм.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПЗ обработанной поверхности осуществляется визуально по наличию и сравнению цветовой окраски с эталоном, а также по увеличению твердости образца-свидетеля после ПЗ.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПЗ определяются применением сварочных источников нагрева и требуют использования вытяжной вентиляционной системы и защиты органов зрения от излучения.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЗ: режущий и мерительный инструмент, штампы, напильники; контуры резьбы ходовых винтов, шестерен, зубчатых колес, реек; рабочие профили кулачков, копиров, а также разнообразных пазов, канавок, отверстий; направляющие, шпиндели, валы, оси, штоки; детали фотоаппаратов, текстильных машин, ножи для обработки дерева, бумаги, синтетических материалов; рамные и дисковые пилы, иглы, лезвия бритв, прокатные валки, коленчатые и распределительные валы, детали газораспределительных механизмов двигателей и т.д.

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЗ. По сравнению с аналогами - способами поверхностного упрочнения токами высокой частоты, газовым пламенем, химико-термической обработки, лазерным и электронно-лучевым упрочнением, данный процесс имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:

низкие интегральные температуры нагрева деталей;

большая глубина упрочненного слоя по сравнению, например, с лазерной закалкой;

высокий эффективный КПД нагрева плазменной дугой до (85%), для сравнения, при лазерном

упрочнении - 5%;

отсутствие применения специальных дополнительных химических препаратов или веществ;

возможность ведения процесса без применения охлаждающих сред, вакуума, специальных

покрытий для повышения поглощательной способности упрочняемых поверхностей;

в отличие от лазерного оборудования, отсутствие специальных хладоагентов для охлаждения;

простота, низкая стоимость, маневренность, малые габариты технологического оборудования;

возможность автоматизации и роботизации технологического процесса.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЗ определяется:

повышением работоспособности и износостойкости деталей и инструмента;

сокращением затрат на изготовление запасных деталей и дополнительного количества инструмента для выполнения заданной производственной программы;

уменьшения объема заточных операций, времени и средств, связанных с настройкой прессов и металлообрабатывающих станков для инструмента, подвергнутого ПЗ;

высвобождением работников, занятых на изготовлении запасных деталей и дополнительного количества инструмента;

интенсификацией режимов работы инструмента;

увеличением выпуска продукции на существующем оборудовании, вследствие сокращения простоев для замены изношенных деталей и аварийных ремонтов оборудования.

ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ЗАКАЛКИ

ДЛЯ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В сфере поверхностного упрочнения металлических изделий плазменное воздействие концентрированными источниками энергии находит всё более широкое применение. Но зачастую подходы конструкторов к проектированию деталей с износостойкой рабочей поверхностью по закалке ограничиваются требованиями по применению ТВЧ, цементации или азотирования. Накопленный опыт внедрения плазменной закалки свидетельствует о высокой экономической эффективности её использования. Особенно когда предприятие-заказчик является конечным потребителем и комплексно осуществляет упрочнение и эксплуатацию изделий. Технологически грамотное применение плазменной закалки может существенно расширить перечень упрочняемых деталей. Так, эта технология позволяет термообрабатывать детали различных типоразмеров, как с относительно простой геометрией (прокатные валки, валы, колёса, бандажи, шкивы и т.п.) в автоматическом режиме, так и поверхности с развитым профилем (шестерни, гравюры штампов, звёздочки, шлицевые соединения и т.п.) в ручном и автоматическом режимах. Плазменная закалка без оплавления не ухудшает параметров поверхности после механической обработки, поэтому эффективно встраивается в технологический процесс изготовления или ремонта деталей в качестве финишной операции. Широкая гамма упрочняемых плазменной закалкой железоуглеродистых сплавов – от низкоуглеродистых сталей до чугунов – требует внедрения установок, обеспечивающих широкий диапазон регулирования мощности, длины и сосредоточенности плазменной дуги. Последнее поколение установок, разработанных кафедрой, полностью отвечает этим требованиям. Эти установки более мощные, и позволяют закаливать детали на глубину более 2 мм. В качестве примера на рис.1 показаны данные по глубине, твердости и структуре зоны закалки на образце из стали 30ХН2МА.

Одна из таких установок, предназначенная для закалки ручным инструментом (УПЗР1) показана на рис. 2. Номинальный рабочий ток – 220 А. Масса установки – не более 160 кг, напряжение питающей сети – 380 В, мощность – не более 20 кВА, расход плазмообразующего газа (аргона) составляет не более 10 л/мин. Производительность УПЗР1 – 180…300 см 2 обрабатываемой поверхности в минуту.

Принцип действия УПЗР заключается в создании при помощи источника питания, осциллятора и плазмотрона плазменной (сжатой) дуги прямого действия. За счет теплового воздействия дуги при перемещении держателя с плазмотроном относительно обрабатываемой поверхности получается закаленная полоса, ширина которой регулируется расстоянием от торца плазмотрона до изделия и напряжением на электромагнитной катушке сканирующего устройства. В целях расширения технологических возможностей установки предусмотрена также обработка плазменной дугой комбинированного действия. При этом в плазмотроне горят одновременно две дуги (между катодом и соплом плазмотрона и между катодом и поверхностью детали), электрическая мощность каждой из них регулируется независимо, что позволяет в широких пределах варьировать тепловложение.

Согласно результатам производственных испытаний закаленных подобной установкой трефовых шеек (сталь 45) валков пильгерстана Северского трубного завода, износостойкость после плазменной закалки возросла в три раза, срок службы закалённых деталей увеличился на 30% (Рис. 3).

С помощью этой установки для ОАО «ПРОМКО» производится закалка вставок штампов пресса PKZe-800 для производства шаров стальных мелющих (Рис. 4). В результате поверхностного упрочнения гравюр стойкость штампов увеличилась в 2,7 раза.

В три раза возрос срок службы закаленных с помощью УПЗР-1 лопаток дробомета (сталь 45) в ОАО «Металлист» (г. Качканар) с увеличением твердости от 26..30 до 50 HRC (Рис 5.).

В ОАО «Северский трубный завод» с помощью УПЗР-1 проводилось упрочнение зубчатого колеса сталь 45Л непосредственно на кране цеха переработки металлолома (рис. 6). До закалки колесо было аварийно заменено на неупрочненное. Плазменная термообработка увеличила твёрдость с HB 200 до 51 HRC.

Для ООО «Уралпромтехсервис» (г. Екатеринбург) осуществлялась плазменная закалка плоскостей направляющих (сталь ШХ15) от HB 250 до 60 HRC (рис. 7)

Такая установка успешно работает на Бийском механическом заводе. В 2012 году установку УПЗР-1 приобрел Комбинат «Североникель» Кольской горно-металлургической компании (г. Мончегорск).

В 2011 году была создана установка УПЗР-2 с использованием инверторных источников питания дуги, она позволяет упрочнять ручным инструментом более мелкие детали, например, шестерни с модулем 3. Номинальный рабочий ток – 150 А. Масса УПЗР-2 – не более 80 кг, напряжение питающей сети – 220 В, потребляемая мощность – 12 кВА. Производительность – 30…120 см 2 обрабатываемой поверхности в минуту.

Успешно обрабатывались такой установкой шлицевые соединения эджерных валов из стали 5ХНМ для ОАО «ЕВРАЗ НТМК» от 37 до 58 HRC (Рис. 8,9).

Рис. 9. (х 2)

Установкой УПЗР-2 упрочнялись захваты из чугуна СЧ30 для ООО «Югсон-сервис» (г. Тюмень) от 40 до 60 HRC (рис.10).

Установки для плазменной закалки в ручном режиме позволяют упрочнять детали шлицевых соединений, шпоночные пазы, зубья шестерен, гравюры штампов и другие изделия с рабочими поверхностями сложной формы, но результаты закалки, особенно стабильность свойств обработанной поверхности, в значительной мере определяются квалификацией и опытом оператора.

Этот недостаток позволяют преодолеть установки плазменной закалки в автоматическом режиме. Например, установка УПЗА-1 (Рис. 11) для обработки поверхности деталей, представляющих собой тела вращения, с использованием стандартного механического оборудования (станков, манипуляторов, вращателей и т.п.) для позиционирования детали и (или) плазмотрона.

В качестве генераторов дуги используются плазмотроны прямого действия, т.е. плазменная дуга горит между катодом плазмотрона и упрочняемым изделием. Номинальное напряжение питающей сети – 380 В, номинальный рабочий ток – 300 А, потребляемая мощность не более 40 кВА, масса не более 300 кг. Установка снабжена блокировками и предохранительными устройствами, исключающими дефекты закалки и выход плазмотрона из строя при неполадках с водо и газоснабжением, а также при сбоях в работе станка, перемещающего обрабатываемую деталь.

На производственной площадке ООО «ТУР-1» (г. Пермь) посредством УПЗА-1 упрочнялись ребристые ролики (сталь 50) раскатного поля стана 5000 для Магнитогорского металлургического комбината с увеличением твердости от 27 HRC до 59 HRC (Рис.12).

С помощью такой установки упрочнялись многие детали в ОАО «Северский трубный завод» (г. Полевской). В том числе шаблоны технологические, (сталь 32Г2), срок эксплуатации которых после плазменного упрочнения повысился на 40% (Рис. 13). Плазменная закалка увеличила твердость рабочей поверхности от HB 180 до 50 HRC.

Такие установки нашли своё применение при закалке дистанционных колец для ОАО «Уралмашзавод», (сталь 34ХН1М) с повышением твердости от 33..35 до 59 HRC, при упрочнении ручьев шкивов (сталь 45), для ЗАО «Уралмаш Буровое Оборудование» с увеличением твёрдости от 27 до 52 HRC, валов сталь 40Х с повышением твердости от HB 236 до 52 HRC для ОАО «СПЕЦНЕФТЕХИММАШ» (г. Краснокамск) и др.

Из наиболее примечательных вариантов технологических решений по упрочнению установкой УПЗА следует отметить закалку штоков толкателя пресс-ножниц (производства Франции) на ОАО «Трубная металлургическая компания» г. Полевской (рис. 14). Длина штока более 9 метров, диаметр – 180мм. Он был изготовлен для аварийной замены из стали 21ХМФА. Плазменной закалкой удалось увеличить твердость поверхностного слоя с HB 130 до 40 HRC без продольной деформации штока, и пресс-ножницы продолжают бесперебойную работу вот уже более двух лет.

Установки УПЗА были изготовлены и поставлены для Полтавского Горно-обогатительного комбината (г. Комсомольск, Украина), ООО НПО Техногрупп (г. Волгоград), Механический завод (г. Бийск). Такие установки эффективно работают при закалке гребней бандажей локомотивов на Лебединском и Качканарском горно-обогатительных комбинатах.

Конструкция установок для плазменной закалки основана на использовании узлов и блоков современного серийного сварочного оборудования, что обеспечивает малые габариты, мобильность, высокую эксплуатационную надежность, простоту эксплуатации и обслуживания.

В 2012 году сотрудниками лаборатории плазменных процессов Нижнетагильского технологического института была создана и успешно испытана универсальная установка плазменной закалки в ручном и автоматическом режиме УУПЗ-1 (Рис. 15). С помощью этого оборудования появилась возможность упрочнять практически любые детали как с относительно простой геометрией, так и поверхности с развитым профилем. В качестве источника плазменной дуги в УрФУ был разработан и изготовлен инверторный выпрямитель. Напряжение питающей сети – 380 В, номинальный рабочий ток — 350 А, КПД установки – 0,9; масса – не более 40 кг.

Мобильность УУПЗ-1 позволяет проводить закалку с выездом на производственную площадку заказчика. Так, например, в ООО «Уралтехпромсервис» (г. Екатеринбург) проводилась термообработка валов (сталь 40Х) с увеличением твердости от 27 до 62 HRC (рис. 16). Диаметр вала 170 мм, длина 3500 мм.

Для ОАО «СПЕЦНЕФТЕХИММАШ» (г. Краснокамск) упрочнялись шлицы и шейки валов (сталь 40Х) от 25 до 52 HRC (Рис. 17).

Все перечисленные установки удовлетворяют условиям промышленной эксплуатации и отвечают требованиям по экологии и безопасности к проведению работ по аргонодуговой сварке.

Внедрение таких установок не требует существенных капитальных затрат. Необходима организация одного или нескольких рабочих мест (в зависимости от желаемых объемов внедрения), подобных рабочим местам для аргонодуговой сварки, Рабочее место должно быть обеспечено источником и сливом водопроводной воды для охлаждения плазмотрона.

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.