3.3. Підвищення зносостійкості шляхом напилення порошкових покриттів

Плазмовий метод напилювання. Це один із газотермічних методів нанесення покриттів, який використовує енергію дугового або високочастотного розрядів. Газ при взаємодії з розрядом сприймає частину його енергії і нагрівається, переходячи тим самим у стан низькотемпературної плазми. Серед методів нанесення покриттів плазмове напилення завдяки своїм технологічним можливостям знаходить найбільш широке застосування. Застосовуючи плазму, можна наносити покриття практично з усіх відомих тугоплавких матеріалів, що у плазмовому струмені не сублімують і не зазнають інтенсивного розкладання. Порівнюючи усі методи напилення у даному випадку доцільніше застосувати плазмовий, так як він дозволяє наносити покриття на деталі складної форми з дрібними отворами та іншими особливостями. А також цей метод є менш шумним, ніж, наприклад, детонаційний, і має менший негативний вплив на персонал. Вагоме значення також має нижча вартість обладнання та економічність процесу напилення плазмового медоду порівняно з детонаційним та електроіскровим. Всі ці дані дають змогу впевнитись у правильному виборі методу. Якість покриття залежить від великого числа змінних факторів, таких як конструкція розпилювача, рід і витрата плазмоутворюючого газу, потужність і фізико-хімічні властивості напилюваного матеріалу, швидкість його подачі, відстань від розпилювача до поверхні виробу, відносна швидкість переміщення розпилювача та виробу, склад захисного середовища, спосіб підготовки поверхні виробу, температурний режим у процесі формування покриття і т. д. Тому важливим питанням є вибір способу напилення.

3.4. Підвищення зносостійкості за допомогою іонно-плазмової обробки

Іонно-плазмова технологія обробки і комплекс технологічних плазмових пристроїв для нанесення одношарових хромових, молібденових та інших металевих покриттів товщиною до 100мкм на внутрішні аксисиметричні поверхні феромагнітних і не феромагнітних деталей довжиною більш, ніж 5-10 калібрів. Можливе нанесення багатошарових і наноструктурованих покриттів. Нанесення покриття відбувається з іонним асистуванням. Температура конденсації покриття 250-400°С. Технологія являється екологічно чистою альтернативою гальванічної технології. Технологія спрямована на підвищення довговічності деталей, що експлуатуються в умовах корозійного і абразивного зносу. Розробка може бути використана в авіаційній, транспортній і гірничій галузі машинобудування.

Плазмове поверхневе зміцнення

Завданням розробки технології плазмового зміцнення є здобуття на деталі зміцненого шару із заданими експлуатаційними характеристиками (зносостійкість, міцність, тріщиностійкість, витривалість і ін.).

Виділяють два напрями використання плазмового нагріву. Перше зв'язане з використанням нагріву, здійснюваного плазмою тліючого розряду у вакуумній камері при тиску залишкового повітря 1,33-13,3 Па. Цей процес набув поширення для хіміко-термічної обробки інструменту і інших малогабаритних деталей. До недоліків способу слід віднести наявність вакуумної камери і обмеження оброблюваних деталей її розмірами. Крім того, щільність потужності, що передається оброблюваній деталі, невелика.

До цього ж напряму слід віднести і технологію електролітно-плазмового зміцнення. Електролітний нагрівач, включений в електричний ланцюг як анод, підводять до виробу, який є катодом. Замикання електричного ланцюга між анодом-електронагрівачем і поверхнею виробу відбувається через електроліт (водний розчин солі). Перетворення електричної енергії в теплову йде переважно в прикордонному до виробу шарі. В результаті нагріву цей шар переходить в парогазовий стан, в нім під впливом прикладеної напруги збуджуються мікродуги. Щільність потужності досягає 2,4-103 Вт/см². Оскільки як електроліт використовують водний розчин солі, то цим же електролітом можна виробляти охолоджування і гартування нагрітих ділянок поверхні.

Для підвищення продуктивності обробку виконують декількома електролітними нагрівачами. Технологія дозволяє в широких межах змінювати швидкість нагріву і охолоджування (50-400 °С) і товщину загартованого шару (1-10 мм). Твердість сталей після гарту складає: 35ХГСА - 50-55 HRC_э; 40X - 55-60 HRC_э; 65Г - 60-68 HRC_э. Після зміцнення перехідників бурових штанг даним способом їх працездатність підвищили в 2-3 рази [7 Лащенко, с.5].

Другий напрям вживання плазмового нагріву базується на використанні стислої дуги прямої або непрямої дії, що генерується спеціальним плазмотроном. Під впливом стінок каналу сопла і струменя плазмо утворюючого газу стовп дуги стискується, його поперечний перетин зменшується, а температура в центральній частині стовпа дуги підвищується до 10000-50000 К. В результаті внутрішній шар, дотичний із стовпом дуги, перетворюється на плазму, а зовнішній шар, що омиває стінки каналу сопла, залишається порівняно холодним, утворюючи електричну і теплову ізоляцію між потоком плазми і каналом сопла. Цей охолоджений шар газу перешкоджає відхиленню стовпа дуги від заданого напряму і замиканню його на стінку каналу сопла. Напруга стислої дуги складає 60-200 В, що в 3-10 разів більше, ніж у вільній дузі. Щільність струму стислої дуги досягає 100 А/мм², тобто на порядок вище, ніж у вільної, а питома потужність досягає 2·10⁶ Вт/см² [7 Лащенко, с.6].

Плазмове зміцнення без оплавлення поверхні найбільш поширене, оскільки дозволяє в широких межах регулювати твердість, розміри і експлуатаційні характеристики оброблюваної зони при збереженні високої якості поверхні.

Зміцнення з оплавленням поверхні зазвичай використовують для досягнення особливих експлуатаційних властивостей.

При плазмовому термозміцненні окремі шари оброблюваної ділянки прогріваються по глибині до різних температур, унаслідок чого зона термічної дії (ЗТД) має шарувату будову.

3.5. Підвищення зносостійкості за допомогою механічного зміцнення

Відомо, що вуглець утворює із залізом тверді розчини впровадження і є ефективним зміцнювачем. Проте його розчинність у фериті невелика, що призводить до зниження зміцнюючого ефекту. Висока міцність мартенсіту сталі супроводиться зниженням пластичності і в'язкості, що обумовлює необхідність проведення відпустки. При відпустці утворюються карбіди, мартенсіт обідняється вуглецем і знижується дія твердорозчинного механізму зміцнення.

Досить крупні частки цементітного типа, що утворюються, у ферритній матриці твердіші і крихкіші, чим матриця. Тому при вантаженні на поверхні розділу створюється об'ємно-напружений стан, який може наводити до утворення мікротріщин.

Згідно сучасним уявам, деформація визначається рухом дислокацій. Отже, підвищення опору деформації і відповідно високоміцний стан можуть бути досягнуте створенням ланцюга перешкод руху дислокацій.

До основних механізмів зміцнення сталей відносяться: подрібнення зерна, утворення твердих розчинів, виділення часток другої фази, перетворення при термообробці і збільшення щільності дислокацій. Експериментальні дослідження показали, що для більшості сталей діє принцип лінійної аддитивності окремих механізмів зміцнення, тобто вклади окремих механізмів в загальне зміцнення підсумовуються:

σ_т = σ₀ + Δσ _{т. р.} + Δσ_д + Δσ_д. у. + Δσ_з,

де σ₀ - опір кристалічної решітки руху дислокацій (напруга тертя грат, або напруга Пайерлса-Набарро);

Δσ _{т. р. -} зміцнення твердого розчину розчиненими легуючими елементами, або твердорозчинне зміцнення;

Δσ_д - зміцнення за рахунок опору переміщенню дислокацій, або дислокаційне зміцнення;

Δσ_{д. у. -} зміцнення дисперсними частками другої фази, що утворилися при розпаді пересиченого твердого розчину, або дисперсійне зміцнення;

Δσ_з - зміцнення кордонами зерен і субзерен, або зернограничне зміцнення