Следует выделить два направления использования плазменного нагрева. Первое связано с использованием нагрева, осуществляемого плазмой тлеющего разряда в вакуумной камере при давлении остаточ­ного воздуха 1,33-13,3 Па [7, 8]. Этот процесс получил распростране­ние для химико-термической обработки инструмента и других мало­габаритных деталей. К недостаткам способа следует отнести наличие вакуумной камеры и ограничение обрабатываемых деталей ее разме­рами. Кроме того, плотность мощности, передаваемая обрабатываемой детали, небольшая.

К этому же направлению следует отнести и технологию электролит­но-плазменного упрочнения [9]. Электролитный нагреватель, включен­ный в электрическую цепь в качестве анода, подводят к изделию, кото­рое является катодом. Замыкание электрической цепи между анодом - электронагревателем и поверхностью изделия происходит через элект­ролит (водный раствор соли). Преобразование электрической энергии в тепловую идет преимущественно в приграничном к изделию слое. В ре­зультате нагрева этот слой переходит в парогазовое состояние, в нем под воздействием приложенного напряжения возбуждаются микродуги. Плотность мощности достигает 2,4-Ю3 Вт/см2. Так как в качестве элект­ролита используют водный раствор соли, то этим же электролитом мож­но производить охлаждение и закалку нагретых участков поверхности.

Для повышения производительности обработку выполняют не­сколькими электролитными нагревателями. Технология позволяет в широких пределах изменять скорость нагрева и охлаждения (50-400 °С) и толщину закаленного слоя (1-10 мм). Твердость сталей после закалки составляет: 35ХГСА — 50-55 HRC3; 40Х — 55-60 HRC3; 65Г — 60-68 HRC3. После упрочнения переходников буровых штанг данным способом их работоспособность повысили в 2-3 раза.

Второе направление применения плазменного нагрева базируется на использовании сжатой дуги прямого или косвенного действия, гене­рируемой специальным плазмотроном [10]. Под воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующего газа столб дуги сжимается,

его поперечное сечение уменьшается, а температура в центральной части столба дуги повышается до 10 000-50 000 К. В результате внут­ренний слой, соприкасающийся со столбом дуги, превращается в плаз­му, а наружный слой, омывающий стенки канала сопла, остается срав­нительно холодным, образуя электрическую и тепловую изоляцию меж­ду потоком плазмы и каналом сопла. Этот охлажденный слой газа пре­пятствует отклонению столба дуги от заданного направления и замыка­нию его на стенку канала сопла. Напряжение сжатой дуги составляет 60-200 В, что в три-десять раз больше, чем в свободной дуге. Плот­ность тока сжатой дуги достигает 100 А/мм2, т. е. на порядок выше, чем у свободной, а удельная мощность достигает 2-Ю6 Вт/см2.

Упрочнение сталей с нагревом концентрированными потоками энер­гии (КПЭ) по аналогии с другими видами закалки заключается в форми­ровании на этапе нагрева аустенитной структуры и ее последующем превращении в мартенсит на этапе охлаждения. При этом подводимая тепловая энергия больше энергии, необходимой для перестройки крис­таллической решетки, а сама перестройка происходит с некоторой ко­нечной скоростью. Поэтому превращение осуществляется в интервале температур от Ас"ач до Ас“он, т. е. окончание аустенитного превраще­ния смещается в область высоких температур Т (рис. 1, область 1) [2].

Вследствие высокой скорости нагрева диффузионные процессы перестройки решетки объемно-цен­трированного куба избыточного феррита в решетку гранецентриро­ванного куба аустенита могут не заканчиваться на линии GS диа­граммы Fe-Fe3C и сдвигаться в область более высоких температур (область 2). Также может проис­ходить микроплавление границы цементита с аустенитом (область 3).

При обработке сварочной дугой скорость нагрева достигает 1000-3000 °С/с. При таких скоро­стях нагрева смещение всех стадий аустенизации в сталях в область бо­лее высоких температур может до­стигать 100-300 °С. В результате на­грева КПЭ формируется структура, особенности которой обусловлены
степенью завершенности процесса аустенизации, определяемой ско­ростью и температурой нагрева, временем воздействия, исходной струк­турой и др. При достаточно высокой температуре нагрева или при отно­сительно большом времени воздействия возможно формирование одно­родного аустенита. Уменьшение температуры нагрева и времени воз­действия в результате повышения критических точек и замедления про­цесса гомогенизации приводит к большой неоднородности аустенита в стали, особенно по углероду. Кроме аустенита, в этих условиях при высо­кой температуре возможно существование нерастворившихся карбидов.

Степень неоднородности структуры, образовавшейся в результате нагрева КПЗ, зависит от дисперсности исходной структуры. Причем чем дисперснеє исходная структура, тем меньше неоднородность аустенита.

Процесс обработки КПЗ с целью термоупрочнения характеризует­ся высокими скоростями охлаждения, которые приводят к закалке по­верхностных участков. Для получения мартенсита в сплавах железо— углерод в интервале температур минимальной устойчивости аустенита (400-6QQ °С] необходимо обеспечить скорость охлаждения больше критической, которая для большинства сплавов железа находится в ин­тервале 50-200 °С/с. Охлаждение при нагреве КПЗ характеризуется значительно большими скоростями. Так, скорость охлаждения при плазменном упрочнении изменяется в пределах от 104 до 106 °С/с [1]. Плазменное упрочнение осуществляют без оплавления и с оплавле­нием поверхности детали.

Установлены энергетические пороги, определяющие режимы упроч­нения (рис. 2) [12]. Энергетический порог W1 соответствует нагреву металла до температуры начала аустенитного превращения. Даль­нейшее увеличение плотности мощ­ности приводит к возрастанию твер­дости обрабатываемой стали, кото­рая достигает наибольшей величи­ны при нагреве без оплавления при втором значении энергетического порога Wp - Затем увеличение плот­ности мощности приводит к незна­чительному повышению твердости, а третий порог W3 соответствует началу оплавления поверхности.

Плазменное упрочнение без оплавления поверхности наиболее распространено, так как позволяет
в широких пределах регулировать твердость, размеры и эксплуатаци­онные характеристики обрабатыва­емой зоны при сохранении высоко­го качества поверхности. Упрочне­ние с оплавлением поверхности обычно используют для достижения особых эксплуатационных свойств.

При плазменном термоупроч­нении отдельные слои обрабаты­ваемого участка прогреваются по глубине до различных температур, вследствие чего зона термического воздействия (ЗТВ) имеет слоистое строение. В зависимости от микроструктуры и микротвердости в сталях по глубине ЗТВ различают три слоя (рис. 3).

Зона оплавления 1 (первый слой) имеет место при закалке с оплавлением. Как правило, зона оплавления имеет столбчатое строе­ние с кристаллами, вытянутыми в направлении теплоотвода. Основная структурная составляющая — мартенсит, карбиды обычно растворяют­ся. При оптимальных режимах закалки с расплавлением обезуглеро­живание не происходит, нет пор и шлаковых включений. При плазмен­ной закалке без оплавления первый слой отсутствует.

Второй слой — зона закалки 2 из твердой фазы. Его нижняя гра­ница определяется температурой нагрева до Ас,. В этом случае наряду с полной закалкой происходит и неполная. По глубине данный слой характеризуется структурной неоднородностью. Ближе к поверхности имеются мартенсит и остаточный аустенит, полученные при охлаж­дении из гомогенного аустенита. Ближе к исходному металлу наряду с мартенситом имеются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидной стали и цементит в заэвтектоидной.

В переходной зоне 3 (третий слой) металл нагревается ниже точки Ас,. Если сталь имеет исходное состояние после закалки или отпуска, то в результате плазменной обработки в этом слое образуются структуры отпу­ска — троостит или сорбит, характеризуемые пониженной твердостью.

Зона термического влияния плазменной струи (дуги) имеет форму сегмента, по своему строению она аналогична ЗТВ электронного и лазерного лучей.

Плазменное упрочнение доэвтектоидных сталей ЗОХГСА, 45Х, 50ХН и 65ХЗМФ в зоне закалки формирует мартенсит с твердостью 7500-8800 МПа [1]. В переходной зоне по глубине увеличивается неоднородность структуры в такой последовательности: мартенсито-

троостит, мартенсит и трооститная сетка, которая переходит в троости - тоферритную неоднородность, а на границе с исходной — в ферритную.

В зоне закалки из твердой фазы эвтектоидных и заэвтектоидных сталей М76, 9ХФ, 150ХНМ и др. следует выделить верхнюю область, расположенную ближе к обрабатываемой поверхности, характеризуе­мую растворенными карбидами, и нижнюю, характеризуемую нерас - творенными карбидами. В верхней области твердый раствор насыщен углеродом, что способствует образованию повышенного количества остаточного аустенита. В нижней области остаточного аустенита значи­тельно меньше, вследствие чего достигается максимальная твердость 10 000-11 000 МПа.

При плазменном нагреве не всегда удается избежать накопления теплоты в обрабатываемом изделии. С целью устранения накопления теплоты в изделии используют плазменное упрочнение в жидких сре­дах [12]. Обрабатываемое изделие погружают в жидкость таким об­разом, чтобы над его поверхностью была жидкая прослойка опреде­ленной толщины (рис. 4). Последняя зависит от параметров плазменной струи и свойств жидкости. Благодаря газодинамическому напору плазменной струи в жидкой прослойке создается воронка, через кото­рую происходит термическое воздействие плазмы на обрабатываемую поверхность. Обработку осуществляют в полузамкнутом объеме, огра­ниченном со всех сторон жидкостью. При движении плазменной струи относительно детали нагретая до температуры структурных превраще­ний поверхность сразу закрывается жидкостью, которая охлаждает ее. Если использовать не воду, а активные жидкие среды типа растворов

различных солей, на поверхность можно дополнительно химически воздействовать.

Установлено, что коэффициент сосредоточенности и максимальный тепловой поток в центре пятна нагрева при обработке в воде возраста­ют примерно на 20% [12]. Площадь пятна нагрева уменьшается на та­кую же величину по сравнению с плазменной закалкой на воздухе. При плазменном упрочнении в жидкой среде скорость охлаждения повы­шается в пять-шесть раз, вследствие чего максимальная твердость сталей возрастает до 20% по сравнению с упрочнением на воздухе.

Преимуществом рассматриваемого способа является практически полное отсутствие деформаций обрабатываемого изделия. Выше отме­чалось, что повышение скорости нагрева сокращает температурно­временный интервал роста зерна и гомогенизации аустенита. Однако в ряде случаев этого недостаточно для эффективного управления форми­рованием структуры, так как при плазменном упрочнении одновремен­но со скоростями нагрева увеличиваются и скорости охлаждения. Это тормозит распад аустенита, смещая его в мартенситную область. Решить поставленную задачу позволяет сочетание высоких скоростей нагрева и термоциклирования [13, 15].

С увеличением числа циклов мартенситная структура упрочнен­ного слоя характеризуется более высокой степенью дисперсности по сравнению с дисперсностью при обычной закалке, что способствует повышению трещиностойкости упрочненных слоев [13].

При плазменном нагреве могут быть реализованы не только за­калка, но и способы скоростной химико-термической обработки с насы­щением поверхности углеродом (цементация), азотом (азотирование), цианированием (углеродом и азотом) и др. [7, 11].

Все способы химико-термической обработки можно разделить на две группы, приняв за основную характеристику состояние вещества, содержащего диффундирующий (насыщающий) элемент. Источниками диффундирующего элемента могут быть вещества, находящиеся в твердом, жидком, парообразном и плазменном состояниях.

Первая группа способов — диффузионное насыщение металлов из твердой, жидкой или паровой сред. При этом диффузионному проник­новению предшествует установление физического контакта между насыщаемой поверхностью и источником диффундирующего элемента. Сюда относятся традиционные способы химико-термической обработки стальных деталей:

• цементация, которую производят в твердом и газовом карбю­ризаторах при температуре 800-950 °С с выдержкой в течение нескольких часов;

ю

« цианирование, заключающееся в одновременном насыщении по­верхности изделий углеродом и азотом при температуре 540-960 °С с выдержкой в течение нескольких часов. Широкое распространение получило жидкостное и газовое цианирование;

• азотирование, которое осуществляют при температуре 500-700 °С с использованием жидкого аммиака.

Вторая группа — диффузионное насыщение металлов из активных жидких и паровых газовых сред. При этом сначала происходит физико­химическое превращение в исходной среде. Активизация осуществля­ется в результате химических реакций в жидких или газовых средах, а также на насыщаемой поверхности металлов. В большинстве случаев исходную газовую или жидкую среду активизируют ионизацией с помо­щью электрических разрядов или электролиза. К этой группе способов относят ионную цементацию, ионное азотирование, электроискровое поверхностное легирование, плазменное упрочнение с использовани­ем активных жидких сред, плазмообразующих газов и др.

В отличие от ионных процессов, реализуемых с помощью тлею­щего разряда при пониженном давлении газа, плазменную химико­термическую обработку осуществляют при атмосферном давлении с использованием более простой аппаратуры. Процесс цементации стали состоит из трех накладывающихся друг на друга стадий. Первая — это образование в цементирующем газе активных атомов углерода, насы­щающих сталь. Высокая температура плазменной дуги способствует быстрому протеканию этой стадии. Вторая — поглощение активных атомов углерода поверхностью стали. Для этого сталь должна нахо­диться в аустенитной стадии, чтобы атомарный углерод мог внедряться в ее кристаллическую решетку. Если поглощение идет эффективно и продолжительное время, то на поверхности после достижения пре­дельной растворимости углерода в аустените может образоваться цементит. При плазменном нагреве из-за его непродолжительного времени образование цементита маловероятно. Третья стадия — диф­фузия атомов углерода внутри стали, которая происходит в результате разного содержания углерода по глубине изделия, снижающегося по мере удаления от поверхности.

Цементации главным образом подвергают стали с низким содер­жанием углерода (0,1-0,25%). Цементация всегда сопровождается за­калкой и низким отпуском. После этого поверхность стальных деталей приобретает высокую твердость и износостойкость, сердцевина же остается вязкой вследствие низкого содержания в ней углерода.

При плазменном нагреве процесс цементации и закалки совмещен во времени. В качестве плазмообразующих газов в этом случае

применяют углекислый газ или углеводородные газы (метан, пропан) и их смеси с воздухом.

В результате использования углекислотной плазмы для цементации и закалки удается достигнуть твердости 650-720 HV — для стали 45, 720-800 HV — для стали 65Г и 200-220 HV — для СтЗ [14J. При этом на поверхности стальных деталей образуются напряжения сжатия, увели­чивающие предел выносливости и долговечности деталей.

Азотирование применяют для создания очень твердого, износостой­кого и хорошо сопротивляющегося коррозии тонкого слоя. Простая уг­леродистая сталь малопригодна для азотирования: ее поверхность по­лучается недостаточно твердой и вместе с тем хрупкой. Для азотирова­ния чаще применяют легированную сталь, содержащую 0,30-0,40% С;

1,35-1,65% Сг; 0,2-0,3% Мо; 0,7-1,2% AI.

Хорошие результаты дает азотирование нержавеющих и жаро­прочных сталей. В легированных сталях при азотировании образуются нитриды алюминия, титана, ванадия, хрома, молибдена, вольфрама, которые придают азотированному слою очень высокую твердость.

Детали, подлежащие азотированию традиционными способами, предварительно подвергают закалке и отпуску. Это делается для того, чтобы тонкий и хрупкий слой, получаемый при азотировании, опирался на прочную и однородную подкладку (сердцевину детали) и не продав­ливался в процессе эксплуатации. При плазменном упрочнении азоти­рование совмещено с закалкой. При азотировании стали 40 с исполь­зованием в качестве плазмообразующего газа смеси аргона с азотом получают поверхностную твердость 9500-9800 МПа [14].