Технология плазменного упрочнения отличается от других способов поверхностной термической обработки относительной простотой и невы­сокой стоимостью технологического оборудования, не требует дополни­тельных охлаждающих сред, легко поддается механизации и автомати­зации. Правильно выбранные режимы обработки обеспечивают высо­кие эксплуатационные характеристики и трещиностойкость изделий.

Плазменное упрочнение наиболее перспективно применять для сменного технологического инструмента, эксплуатирующегося в усло­виях интенсивного трения металла по металлу в масляной и масляно­абразивной средах (валки, штампы, матрицы из углеродистых и легиро­ванных сталей), металлорежущего инструмента из быстрорежущих ста­лей и твердых сплавов, а также инструмента для обработки неметалли­ческих материалов — продуктов пищевой, кормоперерабатывающей, деревообрабатывающей промышленностей [1].

Для плазменного упрочнения сверл из стали Р6М5 используют азотную плазменную струю. Режим обработки: I = 150...180 А, ид = 200 В, дополнительное спрейерное охлаждение водой [1]. В резуль­тате получают упрочненный слой глубиной 1,0-1,5 мм, в структуре по­верхностной части которого наблюдается не подвергающаяся травле­нию белая зона глубиной до 0,4 мм с микротвердостью до 12 000 МПа. За этой полосой расположена зона с мартенситно-аустенитной структу­рой и нерастворенными карбидами микротвердостью 8500-9700 МПа. Эксплуатационная стойкость таких сверл возрастает в 1,5-2 раза.

Плазменная закалка режущих кромок концевых фрез диаметром 35-40 мм из стали Р18 позволила увеличить их стойкость в 1,3-1,5 раза [17]. После упрочнения режущего и слесарного инструмента из различ­ных конструкционных материалов путем облучения плазмой тлеющего разряда в вакуумной камере при давлении остаточного воздуха 1,33-13,3 Па происходит увеличение плотности дислокаций до глубины

4 мм, износостойкости — в 1,5-5 раз, микротвердости — в 1,5-1,20 раз, уменьшение коэффициента трения в 1,5 раза [21].

В табл. 5 и 6 приведены результаты испытаний на долговечность различных типов инструмента из металлов, алмаза и абразива.

Таблица 5. Долговечность режущего инструмента

Долговечность Долговечность Относительное необлученного облученного увеличение инструмента инструмента долговечности

Сверление Общая длина сверления, мм: высокопрочного 525 1425, 2,71

титанового сплава после пере-

ВТ22 (d-25 мм) заточки 1650

Длина фрезерования, мм, при глубине срезания 1 и 2,5 мм: 1720 4800 2,79

___ 4600 ________ 2,56

Резцы из твердого сплава: Общая длина точения, мм:

Т15К6 Точение 1,5-106 2,3-106 1,53

ВК8 высокопрочного 2,5-106 4-Ю6 1,6

ВК8 (другой тип) сплава ВТ22 1,87-Ю6 2,9 -Ю6 1,55

Таблица 6. Относительная долговечность слесарного инструмента

Инструмент Относительная долговечность

__________________________________________________ (облученный/необпученный)

Метчик М10-М14 (инструментальная сталь У8А) 3,1

Развертка диаметром 10-16 мм 2,9

Напильник (инструментальная сталь У8А) 2,3

Дисковая алмазная пила диаметром 400 мм (для резки гранита) 1,6

Отрезной абразивный круг диаметром 300 мм (для резки стали) 1,26

Эти результаты показывают, что во всех случаях после плазменной обработки долговечность повысилась на 26-314%. При обработке шли­фовальными кругами из электрокорунда наблюдали увеличение коэф­фициента шлифования в 1,4-1,8 раза и снижение режущей способности в 1,14-1,17 раз (табл. 7).

Предложена комплексная технология упрочнения матриц и пуансо­нов штампов горячего деформирования, а также обрезных и проруб­ных пуансонов из стали ЗХЗМЗФ, включающая цементацию рабочей по­верхности инструмента, закалку, отпуск, а затем легирование поверх­ности вольфрамом и упрочнение импульсной плазмой [20].

Под воздействием импульсной струи плазмы на предварительно цементированной и закаленной поверхности изделия был получен слой толщиной 40-80 мкм, легированный вольфрамом, кобальтом и углеро­дом с микротвердостью 20 ГПа. Результаты контрольных испытаний промышленных партий инструмента приведены в табл. 8.

К комплексной технологии упрочнения относят и плазменную обра­ботку изделий после наплавки [1]. При этом обосновывают два подхода к выбору состава наплавленного металла. Первый из них предусматри­вает получение низко - или среднеуглеродистого низколегированного наплавленного металла (типа 18ХТС, ЗОХГСА и др.), износостойкость поверхности которого после плазменной закалки возрастает в несколь­ко раз. Таким образом, дорогую средне - и высоколегированную сталь заменяют более дешевой — низколегированной. При втором подходе используют низко-, среднеуглеродистый или среднелегированный наплавленный металл (типа 10Х5МТ, 12Х5МФ, 25Х5ФМС, 40Х7М2ФАТ и др.), который после плазменной обработки обладает значительно лучшими эксплуатационными характеристиками.

В качестве примера реализации комплексной технологии упрочнения применяют технологию упрочнения рабочих валков штрипсового стана металлургического комбината «Криворожсталь» [1]. Технология предус­матривает наплавку порошковой проволокой ПП-Нп-25Х5ФМС под флю­сом АН-20 (диаметр проволоки 5 мм, сила сварочного тока 450-530 А), механическую обработку и упрочнение аргоновой плазмой (сила свароч­ного тока 400 А, скорость 25 м/ч, расстояние от обрабатываемой поверх­ности до среза сопла 5 мм). Обработанные валки эксплуатируют без по­вторного упрочнения в течение двух-трех кампаний. После первой и вто­рой кампании осуществляют перешлифовку. Комплексная технология уп­рочнения позволяет прокатать до 100 тыс. т металла, что более чем в три раза превышает количество прокатанного металла при эксплуатации валков, наплавленных по той же технологии, но не упрочненных плазмой.

Особый интерес представляет плазменное поверхностное упроч­нение колесных пар. Колеса являются одними из наиболее ответствен­ных и тяжело нагруженных элементов ходовой части железнодорожно­го подвижного состава. Колесные пары испытывают высокие динами­ческие нагрузки, а колесо при взаимодействии с рельсом подвержено значительному изнашиванию. Доказано, что закалка гребней колес до твердости более 600 HV может стать эффективным способом борьбы с боковым изнашиванием гребней колес и головки рельса [16]. В качест­ве эффективного способа повышения износостойкости колесных пар НПП «ТОПАС» предложена технология плазменного упрочнения [16]. Структура исходного металла колеса, содержащего 0,56% С, 0,34% Сг, 0,77% Мп, 0,6% Si, остальное Fe, — ферритно-перлитная смесь, микро­твердость которой составляет 285 Н/мм2.

При оптимальных режимах локальной плазменной термообработки в поверхностном упрочненном слое колесных пар формируется структу­ра отпущенный мартенсит+сорбит микротвердостью 4,5 кН/мм2 с пере­ходом к полностью сорбитной структуре микротвердостью 3,5 кН/мм2 с размером зерна примерно 1 мкм. Эта микроструктура обладает опти­мальным комплексом прочностных и пластичных свойств с шириной уп­рочненной зоны от 25 до 30 мм и глубиной 3,5 мм. Установлено, что изна­шивание упрочненных плазмой колесных пар как тягового, так и подвиж­ного состава по сравнению с серийными снижается в 2,5-3,0 раза [16].

Одним из важнейших преимуществ поверхностной закалки от дру­гих способов поверхностного упрочнения является различие между трещиностойкостью поверхностного слоя и сердцевины. Проведенные исследования позволили установить, что трещины небольших глубин при умеренных рабочих напряжениях не могут катастрофически расти даже в поверхностном слое, так как минимальная глубина опасной тре­щины равна нескольким миллиметрам. Рост трещины прекращается при переходе ее из слоя в сердцевину. Детали с трещинами могут длительно и надежно работать.