Газотермическое напыление (газопламенный, плазменный, детонационный методы)

 

Этими методами получают покрытия на основе металлических, кера­мических и металлокерамических материалов толщиной от десятков микрометров до нескольких миллиметров в процессе бомбардировки подложки ускоренными расплавленными или полурасплавленными час­тицами, переносимыми струей газа. Схема формирования таких покры­тий приведена на рис. 5.19. В качестве исходных материалов для газотермического напыления используются проволоки или порошки. Наносимый мате­риал может содержать один элемент, но чаще это сплавы или композиции с необхо­димым комплексом свойств, обеспечивающих работоспо­собность детали или узла в заданных условиях эксплуа­тации и прочность сцепле­ния с основным материалом. Таким образом, можно полу­чать металлические, керамические, пластиковые и композиционные многослойные и многокомпо­нентные покрытия.

 

 

Рис. 5.19. Схема формирования газотермического покрытия

 

Объекты напыления – рабочие и направляющие лопатки газовых турбин, камеры сгорания, патрубки, форсунки и фронтальные устройства камер сгорания, вкладыши подшипников скольжения, лабиринтные уп­лотнения, статорные части компрессора и турбины (срабатываемые уплотнительные материалы), контактные площадки опор и другие детали.

Достоинством термического напыления является сравнительно низкая стоимость при высоких производительности и качестве наносимых покрытии.

На практике используется множество способов газотермического напыления. Основными являются:

- газопламенное напыление,

- сверхзвуковое (высокоскоростное) газопламенное напыление (СГН);

- электродуговое напыление;

- плазменное напыление;

- детонационное напыление.

Газопламенное напыление позволяет наносить покрытия из различных материалов на детали различной формы. Исходным материалом покры­тия служит порошок или проволока, постоянно подаваемая в пламя го­релки; после расплавления разогретым газовым потоком она переносится на покрываемую поверхность.

Портативность оборудования и высокая производительность методов газопламенного напыления позволяют наносить покрытия на поверхности больших размеров даже в полевых условиях. В качестве топлива используются ацетилен, водород, пропан и другие горючие газы. Схема газопламенного напыления приведена на рис. 5.20.

При газопламенном напылении используются порошковые и прово­лочные материалы (рис. 5.21) как с низкой, так и высокой температурой плавления (до 2000 °С), т.е. большинство металлов и некоторые керами­ки. Толщина покрытий от 0,1 до 30 мм. Порошковое газопламенное на­пыление имеет определенные преимущества перед проволочным, по­скольку диапазон наносимых покрытий шире. Оно обладает следующими особенностями:

высокая экономичность, большой срок службы и надежность обору­дования;

- простота использования;

- сравнительно низкий шум;

- универсальность в применении;

- широкий диапазон материалов, используемых для формирования покрытии;

- высокая производительность;

- простота автоматизации;

- портативность оборудования.

Подложка

 

Рис. 5.20. Схема газопламенного напыления

 

 

Рис. 5.21. Трубчатые проволоки с наполнителями Ni46Crl3, NiCrBSi, FeNiB

 

Типичные применения:

- восстановление изношен­ных деталей;

- повышение сопротивления абразивному износу;

- улучшение антифрикцион­ных характеристик;

- увеличение жаростойкости и коррозионной стойкости;

- повышение сопротивления коррозии и эрозии.

Сравнительно низкая стоимость оборудования и его обслуживания делает газопла­менный способ наиболее рас­пространенным среди газотермических методов нанесе­ния покрытий.

Сверхзвуковое (высокоско­ростное) газопламенное напы­ление (СГН) (High Velocity Oxygen-Fuel (HVOF)) - одна из самых перспективных технологий газотермического напыления разработанных за последние 20 лет. В этой технологии используется прин­цип работы миниатюрного ракетного двигателя (рис. 5.22). В качестве топлива, подаваемого в камеру сгорания, могут использоваться керосин, водород, пропилен, пропан, ацетилен, природный газ. Из сопла головки вытекает сверхзвуковая струя, имеющая скорость порядка 2800 м/с и тем­пературу до 2800... 3000 °С. Порошок наносимого материала подается непосредственно в сопло. Наносимые покрытия выгодно отличаются по своим свойствам (твердости, пористости, прочности сцепления) от подобных покрытий, полученных другими способами газотермического напыления. Это обусловлено высокими скоростями и малым временем взаимодействия частиц порошка с поверхностью, невысокими темпера­турами частиц и пониженным окислением. Широкое применение в аэро­космической промышленности этот процесс получил в связи с разработ­кой нового поколения технологического оборудования. Он служит для нанесения покрытии из твердых сплавов системы W-Co, из карби­дов переходных металлов, спла­вов, керамико-металлических композиций, некоторых керамик с низкой температурой плавления и пластиков. Технологические возможности этого метода обу­словлены также использованием высокоскоростной и высокотем­пературной газовой струи для процессов поверхностного леги­рования (оплавление поверхностного слоя с предварительно нане­сенным покрытием). Процесс нанесения покрытия показан на рис. 5.23.

 

Рис. 5.22. Схема процесса СГН

 

 

 

Рис. 5.23. Процесс нанесения покрытий методом СГН

 

Технология высокоскоростного газопламенного напыления применя­ется в основном для получения покрытий системы WC-Co (рис. 5.24), и в первую очередь потому, что в этом случае не требуется расплавления порошка, достаточно раз­мягчить кобальтовую связ­ку.

 

 

а б

 

Рис. 5.24. Микроструктура покрытий, полученных способом СГН:

а – 83% WC, 7%Co (x150); б – WC в кобальтовой матрице (x1000)

 

 

Рис. 5.25. Процесс нанесения на лопатку покрытия

86 % WC – 10 % Со – 4 % Сг

Высокая скорость взаи­модействия частиц с по­верхностью без их перегре­ва обусловливает качество покрытий.

Для защиты от износа и коррозии эффективно ис­пользуют карбидные компо­зиции типа WC – 10 % Ni и WC - 10 % Со – 4 % Сг; в частности, покры­вают детали турбины (рис. 5.25).

Поскольку композиции с карбидом вольф­рама имеют значительные температурные ограничения, для защиты от температурного воздействия целесообразно использовать карбидные ком­позиции типа Сг₃С₂ - NiCr с содержанием NiCr порядка 20... 25 %, сплавы системы CoNiCrAlY, NiCoCrAlY, NiCrAlY и жаростойкие сплавы на ни­келевой основе.

Электродуговое напыление –простой, экономичный способ получе­ния покрытий, в основе которого лежит плавление материала электриче­ской дугой и его распыление сжатым воздухом. Две проволоки, подклю­ченные к электрическому источнику питания, с контролируемой скоро­стью подаются в рабочую головку. Современные устройства для дугово­го напыления обеспечивают автоматический контроль подачи проволок и условий дугообразования.

Плазменное напыление (Atmospheric Plasma Spray (APS)) является наиболее гибким из всех способов термического напыления, поскольку процесс происходит при температурах, достаточных для плавления лю­бых материалов. Плазмотрон (рис. 5.26) состоит из катода (электрод) и анода (водоохлаждаемое сопло), отделенных друг от друга небольшой камерой. При подаче постоянного тока между анодом и катодом образу­ется электрическая дуга. В это время через камеру подается поток газа. В результате ионизации газовой среды возникает плазменная струя. Ко­гда нестабильная плазма снова превращается в газовое состояние, выде­ляется тепловая энергия. Вследствие присущей плазме нестабильности ионы в плазме быстро рекомбинируются. В точке, где происходит рекомбинация ионов, температура может колебаться от 600 до 16 000 °С. Вво­димый покрывающий материал плавится и переносится струей на под­ложку.

Типичными плазмообразующими газами являются водород, азот, ар­гон и гелий. Обычно используют смеси этих газов (2... 4 газа), что по­зволяет, регулируя величину тока, управлять количеством энергии, выде­ляющейся в плазменной системе, с целью обеспечения повторяемости и наилучшего качества покрытия. Кроме того, могут изменяться место и угол, под которым материал вводится в плазмотрон, а также дистанция напыления. Это дает возможность управлять параметрами плазменной струи, условиями плавления и переноса материала. Расстояние от среза сопла плазмотрона до подложки устанавливается из условия поддержа­ния на поверхности необходимой температуры (обычно 40... 260 °С).

 

	Деталь

 

Рис. 5.26. Схема плазменного напыления

 

Плазмотроны позволяют наносить покрытия как на внешние, так и на внутренние поверхности; например, плазмотрон, приведенный на рис. 5.27, служит для нанесения покрытий в отверстиях диаметром от 40 мм. Такие плазмотроны имеют длину 250 и 450 мм. Они снабжены системой водяно­го охлаждения. В качестве плазмообразующего газа используется аргон или гелий. Предназначенные для нанесения покрытий из металлов, кера­мик и металлокерамик, плазмотроны обеспечивают прочность сцепления покрытий 60 МПа, расход порошка при этом составляет 20... 25 г/мин. Плазмотроны могут устанавливаться как на специальное, так и на универсальное станочное оборудование.

Плазменное нанесение покрытий имеет следующие особенности и преимущества:

- получение плотных и малоокисленных покрытий, обладающих высо­кой прочностью сцепления с основой;

- высокая производительность при нанесении как металлических, так и керамических материалов;

- высокий коэффициент использования материала: не менее 70 % для металлов и 50 % для оксидных керамик;

- сравнительно низкие эксплуатационные расходы, особенно при ис­пользовании сжатого воздуха вместо инертных газов;

- напыление производится в защитных кабинах фильтровентиляционной системой.

 

 

Рис. 5.27. Плазмотрон для нанесения покрытий в отверстиях и трубопроводах

 

Плазменное напыление при низком давлении (Low Pressure Plasma Spray (LPPS)) и вакуумное плазменное напыление (Vacuum Plasma Spray (VPS)) используются, в частности, для нанесения покрытий систем MCrAIY. Эти покрытия широко применяются для обеспечения жаростой­кости компонентов газовых турбин в авиационных двигателях и энергети­ческих установках (рис. 5.28). Процессы выполняются в вакуумных камерах при давлении 40... 60 мбар. Как все процессы термического напыления про­цесс LPPS является локальным. Нанесение производится с помощью ма­нипулятора, расположенного внутри камеры и перемещающего детали относительно плазменной струи. Детали предварительно нагреваются до температуры 800... 1000 °С. Перед плазменным напылением детали обычно обрабатывают электрическим дуговым разрядом с целью удале­ния окислов и загрязнений, которые могут присутствовать на поверхно­сти. Управление нанесением покрытия производится компьютерным контролем параметров плазменной струи и перемещением детали. Пре­имуществами способов LPPS и VPS перед другими способами плазмен­ного напыления являются:

- формирование плотных беспористых покрытий (плотность покрытий выше, чем 98 %);

- отсутствие окисления;

- высокая прочность сцепления с подложкой;

- экологическая чистота процесса.

Последние исследования показывают, что процесс LPPS может ис­пользоваться для получения отдельно расположенных на поверхности элементов и форм.

Покрытия, наносимые методами LPPS и VPS, близки по свойствам, однако циклы работы применяемого оборудования отличаются.

Метод VPS позволяет вручную загружать в вакуумную камеру пар­тию деталей, а 5-координатный робот и 2-координатное приспособление дают возможность наносить равномерное покрытие даже на очень слож­ные по форме детали.

 

Оборудование для LPPS имеет основную вакуумную камеру и две до­полнительные загрузочные камеры, которые используются для предвари­тельного нагрева деталей. Пока производится разгрузка и загрузка в од­ной из дополнительных камер, детали из другой камеры перемещаются в основную камеру для нанесения покрытия. Это существенно уменьшает время обработки.

 

 

Рис. 5.28. Плазменное нанесение жаростойкого

покрытия на лопатку турбины

 

 

Важной особенностью плазменного метода осаждения покрытий является возможность применения «прозрачного» экрана. Экран позволяет разделить и перемещать фронт наращивания покрытия. Технологически возможно в различные окна экрана подавать различные по природе вещества и материалы. Реализуется регуляризация структуры как по толщине покрытия, так и по поверхности. На рис. 5.29 в качестве примера схематично показана технология нанесения покрытия, когда осуществляется изменение направления потока осаждаемого вещества на поверхность детали. На рис. 5.29, а направление таково, что технологический экран полностью перекрывает поток; только при некотором угле возможно начало попадания осаждаемого вещества на поверхность детали (рис. 5.29, б). На этой стадии образуются первоначальные центры кристаллизации, от которых впоследствии при изменении направления потока осуществляется рост кристаллов (рис. 5.29, в). На рис. 5.29, г показана конечная стадия нанесения слоя покрытия. Видно, что при реализации такой технологии принципиально меняются условия формирования покрытия: кристаллы растут не перпендикулярно к поверхности, а как бы слоями и практически параллельно поверхности. Это, обусловливает более высокую адгезию, меньшие остаточные напряжения в покрытии и более высокую его пластичность. В этих условиях реализуется формирование ориентированной структуры в виде микрослойных композиций (рис. 5.30).

Целенаправленная подача конденсируемого вещества в заданном направлении обеспечивает формирование ориентированной структуры покрытия. Важным обстоятельством рассматриваемого метода является то, что становятся возможными подача в определенные окна экрана различных по природе веществ и, следовательно, получение композиционных покрытий.

Предлагаемый метод позволяет осуществить регуляризацию структуры (и свойств) покрытия, как по толщине, так и по поверхности детали. В качестве примера на рис. 5.31 показана турбинная охлаждаемая лопатка, на поверхности пера которой сформировано многокомпонентное покрытие системы Ni – Co – Cr – Al – Y, содержащее в свою очередь «блоки» из двуокиси циркония (керамики).

 

Рис. 5.29. Принципиальная схема формирования покрытия при перемещающемся дискретном потоке осаждаемого материала (пояснение в тексте)

Рис. 5.30. Микроструктура покрытия, полученная

при перемещающемся фронте наращивания ´ 400

 

 

Рис. 5.31. Внешний вид турбинной охлаждаемой лопатки с покрытием

Ni-Cr-Co-Al-Y, содержащим блоки из керамики

Принципиально новые результаты в конструировании и технологии нанесения покрытий дает интеграция рассмотренного варианта нанесения покрытия при дискретном перемещающемся фронте наращивания с другими процессами – ионной имплантацией, механической обработкой, сублимацией, высокотемпературной пайкой. Как пример такой интеграции на рис. 5.32 показано покрытие на лопатке турбины (в сечении детали), имеющее внутренние каналы для охлаждения детали и покрытия. Такие покрытия представляют собой силовую оболочку, которая существенно меняет прочность детали, температурную напряженность, вибрационные характеристики. Расчеты показали, что в статических условиях при температуре газового потока 1100 ¸ 1400^оС и различных расходах охлаждаемого воздуха температура лопатки с каналированными покрытиями на 60 ¸ 80^оС ниже по сравнению с лопатками, имеющими обычное покрытие той же системы – NiCrCoAlY.

 

Рис. 5.32. Конструкция (в сечении) покрытия толщиной а

с каналами охлаждения

 

Согласно отечественным и зарубежным данным широкое применение плазменной технологии в отраслях машиностроения дает большой экономический эффект не только на стадии изготовления деталей, но и на стадии эксплуатации и ремонта изделий.

Использование струи низкотемпературной плотной плазмы имеет большое значение для изменения структуры поверхностного слоя, синтеза новых химических соединений в поверхности.

Детонационное напыление (ДНП) - прогрессивная техно­логия, позволяющая получать твердые, жаропрочные, коррозионно-стойкие и износостойкие покрытия толщиной от 10 мкм до нескольких миллиметров на поверхностях из различных материалов, в том числе на тонкостенных изделиях из черных и цветных металлов, реактопластов, керамики, стекла и др. без их деформации и тер­мического разрушения. Нанесение покрытий производится с использова­нием специального оборудования - автоматического детонационного ком­плекса (АДК). Характерной особенностью детонационных покрытий явля­ется высокая плотность (пористость < 2 %) и прочность сцепления с материалом подложки (а_сц > 100... 150 МН/м).

Детонационным способом наносят покрытия из:

- металлов (Fe, Ni, Cr, Al, Mo, Co, Cu, Ti, W и др.); сплавов на их основе, в том числе самофлюсующихся (NiCrBSi, NiBSi, CoNiCrBSi);

- керамики (оксидов А1₂О₃, TiO₂, Cr₂O₃, ZrO₂ и их композиции);

- твердых сплавов (на основе карбидов W, Cr, Ti и др. с применением в качестве связки 8... 30 % кобальта, никеля или хрома);

- металлокерамики (карбиды, нитриды, бориды, силициды переходных металлов);

- сверхтвердых материалов, включая алмазосодержащие (плакирован­ные Ni и Си).

Эти материалы применяются исключительно в виде порошков, размер частиц которых составляет 2... 150 мкм.

Процесс ДНП можно представить следующим образом (рис. 5.33 и 5.34). Ствол детона­ционной установки заполняют взрывчатой газовой смесью. За­тем в него подают порцию напыляемого материала. У дульного среза ство­ла располагают подложку. После этого инициируют взрыв (детонацию) газовой смеси, например, электрическим разрядом. Детонация представля­ет собой процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождаемый распространением по нему зоны горения в виде детонационной волны. Последняя движется со скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе. Для ацетиленокислородных смесей скорость детонации находится в пределах 2000... 3000 м/с. Выделение тепла, которым сопро­вождается детонация, вызывает нагрев (до 3000... 3500 °С) и расширение газообразных продуктов, вследствие чего они под большим давлением (до 200 МПа) с большой скоростью истекают из ствола. В результате термического и ударного взаимодействия частиц с подложкой на ней за­крепляется основная масса порошка, т.е. формируется слой детонацион­ного покрытия.

	Запал

Ствол

Рис. 5.33. Конструктивная схема ствола детонационной установки

 

Особенностью процессов, протекающих при ДНП, является их чрезвычайно малая длительность. Так, детонация взрывчатой смеси, запол­няющей ствол, завершается примерно через 0,5 мс после ее инициирова­ния; продолжительность динамического и теплового воздействия газово­го потока на порошок обычно не превышает 3 мс.

Состав взрывчатой смеси и степень заполнения ствола существенно влияют на энергетические характеристики продуктов детонации. От про­центного соотношения горючего, окислителя и разбавителя, а также от их объема зависит:

- количество тепла, выделяющегося при детонации;

- степень термической диссоциации продуктов детонации;

- химическая активность продуктов детонации по отношению к нано­симому материалу;

- температура и скорость истечения из ствола газового потока, воздей­ствующего на порошок.

Покрытие представляет собой материал, полученный в результате по­следовательного настрела мелких деформированных частиц на подложку. Кроме межзеренных и межфазных границ, присущих компактному материалу, нанесенное покрытие имеет границы между де­формированными частицами, границы между слоями, по­лученными при отдельных выстрелах, и границу, разде­ляющую покрытие и подлож­ку. Схема нанесения по­крытия показана на рис. 5.34.

 

 

 

Рис. 5.34. Принципиальная схема нанесения детонационного покрытия

1– ацетилен; 2 – кислород; 3 – азот; 4 – напыляемый порошок;

5 – устройство поджига; 6 – выходная труба с водяным охлаждением;

7 – деталь.Термическая энергия: до 3500^о С; кинетическая энергия: до 3000 м/сек

 

ДНП дает возможность получать прочность сцепления покрытия с материалом основы, приближающуюся к прочности основного металла, что присуще лишь немногим способам нанесения покрытий.

За каждый цикл (выстрел) формируется слой покрытия толщиной 5... 20 мкм. Размер пятна и его форма определяются внутренним сечени­ем выходной части ствола и обычно копируют его. В случае круглого ствола, который используется наиболее часто, пятно имеет форму круга. Если придать выходной части ствола форму овала (это обычно делается с помощью насадок и необходимо при напылении покрытия на отдельные участки изделия), то пятно примет соответствующую размытую форму.

Последовательными выстрелами наращивается покрытие нужной толщины, которая может быть и более 1 мм, но обычно колеблется в интервале 50... 150 мкм.

ДНП позволяет добиться шероховатости 0,8... 1,6 мкм, что дает воз­можность в ряде случаев обойтись без механической обработки нанесен­ных покрытий.

Коэффициент использования порошкового материала составляет 40... 60 %, скорострельность достигает 50 Гц (пропан-бутановые газо­вые смеси).

Характеристики некоторых наиболее часто используемых покрытий, наносимых способом ДНП, приведены в табл. 5.1.

Следует отметить, что после нанесения покрытий методом ДНП, так же как и другими высокотемпературными методами, при остывании в системе «покрытие-основа» возникают внутренние напряжения, часть которых снимается за счет разрыва некоторых из этих связей и частично­го о слабления прочности сцепления. При толщинах до 100 мкм проч­ность сцепления обычно в 1,5 … 2,0 раза выше, чем приведенные в таб­лице данные.

Таблица 5.1

Характеристики покрытий	Составы покрытий
	Ni	WC + + Co(Ni)	А12О3	А12О3+ + ТiО2	Сг3С + Ni(NiCr)	ZrO2 + + Ni(Cr)
Твердость, HRC		60...70	60... 68	50...60	40... 80	55...60
Прочность сцепления с основой, МПа
Пористость, %	0,5	0,5	1,5	1,0	1,0	1,5
Максимальная темпера­тура эксплуатации,°С
Рекомендуемая толщина покрытия, мкм	50...200	15...500	50... 500	50... 500	100... 300	100... 300

Современное технологическое оборудование (рис. 5.35), оснащенное компьютерными системами управления и несколькими дозаторами, по­зволяет наносить многослойные покрытия и градиентные структуры с требуемыми характеристиками по теплостойкости, твердости, износо­стойкости, коэффициенту трения.

Детонационное напыление широко применяется в производстве и ре­монте (восстановлении) деталей газотурбинных двигателей. Этим спосо­бом упрочняют и восстанавливают:

антивибрационные пол­ки лопаток компрессоров и турбин, входной конфузор (материал покрытия: WC + 15... 20 % Со, КХН-30; интенсивность износа уменьшается в 5... 10 раз по сравнению с неупрочненным спла­вом);

рычаги поворота лопа­ток, упоры, стопоры (ма­териал покрытия: WC + + 15... 20 % Со, Сг₃С₂-10... 15 % Ni; повышение ресурса работы в 3...4 раза);

 

 

Рис. 5.35. Детонационный комплекс «Обь»

 

 

 

Рис. 5.36. Детали авиационных двигателей с ДНП

форсунки (материал покрытия: Ni-Al; стойкость и ресурс работы повышается в 5... 6 раз);

корпуса ступеней газовых тур­бин авиадвигателей, проставки КВД, крышки опор, ведущие шес­терни свободной турбины, сопло­вой аппарат II ступени турбины вертолетных двигателей (материал покрытия: WC + 15... 20 % Со; КХН-30; срок службы повысился в 3... 4 раза, возможно многократное восстановление);

пресс-формы литья под давлением (материал покрытия: СГ3О2; ресурс работы увеличился в 5 раз);

уплотнительные поверхности запорной арматуры (материал покры­тия: А1₂О₃ + TiO₂; срок службы увеличился в 2... 3 раза).

На рис. 5.36 показаны детали, покрытые детонационным способом.

5.3.4. Химико-термическая обработка деталей. Химико-термическая обработка (ХТО), являющаяся одним из наибо­лее широко применяемых способов поверхностного легирования, осно­вана на диффузии легирующих элементов в поверхностный слой изделий из внешней (насыщающей) среды при повышенных и высоких темпера­турах.

Целью ХТО является обеспечение требуемых свойств поверхностного слоя (твердость, износостойкость, антифрикционность, сопротивление эрозии и коррозии, усталостная прочность, жаростойкость и др.).

Процесс насыщения поверхностного слоя весьма сложен, поэтому от­сутствуют математические зависимости, которые позволяли бы рассчи­тывать выходные параметры сформированного легированного слоя (глу­бина упрочнения, распределение легирующих элементов и т.д.). Его эф­фективность определяется:

- свойствами насыщающего элемента (элементов) (размеры атомов, химический потенциал, растворимость в насыщаемом материале и др.);

- концентрацией активных элементов (атомов) в насыщающей среде;

- интенсивностью адсорбции молекул и атомов насыщающей среды на поверхности и химическими реакциями, протекающими на поверхности;

 

 

- интенсивностью диффузионных процессов на поверхности и внутри материала, зависящих от свойств насыщаемого материала, механизма диффузии, температуры, образующихся в процессе насыщения фаз и др.;

- градиентом концентрации легирующего элемента по глубине слоя.

Некоторые значения коэффициента диффузии в железо приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Диффундирующий элемент	Температура, оС	Коэффициент диффузии × 1014, м2/с
Углерод Азот Алюминий Алюминий Кремний Сера		0,8

 

 

Рис. 5.37. Влияние потоков вещества на формирование

упрочненного слоя при ХТО

При анализе процесса насыщения поверхностного слоя можно выделить совокупность потоков насыщающего вещества (рис. 5.37): J₁ - поток активных атомов и молекул, адсорбируемый поверхностью; J₂ - поток вещества, диффундирующего в глубь металла; J ₃ - поток вещества, де-сорбируемый с поверхности. Характер распределения концентрации диффундирующего элемента определяется соотношением величин этих потоков (кривые 1, 2, 3). Если величина потока активных атомов, адсор­бируемых поверхностью, значительно превышает величину потока ато­мов, диффундирующих в глубь металла, распределение концентрации представлено кривой 1. Кривая 2 соответствует условиям стабильного протекания процесса ХТО, когда потоки J₁ и J₂ приблизительно равны. Если по каким-либо причинам поступление атомов на поверхность резко уменьшилось или увеличился десорбционный поток, то формируется распределение концентрации, характеризуемое кривой 3.

На насыщаемой поверхности всегда образуется пограничный слой, состоящий из адсорбированных молекул среды и продуктов химических реакций (химических соединений исходного металла с элементами насыщающей среды). Этот слой в определенных условиях может в значи­тельной степени тормозить процесс насыщения (пассивирующий слой), препятствуя подводу активного диффундирующего элемента, а в некоторых случаях, напротив, вследствие высокой концентрации насыщающего элемента способствовать ускорению диффузионных процессов.

На практике для управления процессами ХТО используют изменение параметров процесса (температуры, давления, концентрации насыщаю­щего элемента, времени).

Для интенсификации ХТО применяют скоростные методы электронагрева, высокочастотный нагрев, тлеющий разряд (ионная (плазменная) ХТО), механическое воздействие на насыщаемую поверхность и др.

Качество упрочнения после ХТО должно соответствовать основным показателям, в число которых входит отсутствие дефектов структуры слоя, дисперсность мартенсита, твердость поверхности и эффективная толщина слоя.

Эффективной толщиной упрочненного слоя называют часть диффузи­онного слоя до глубины, на которой достигается требуемое значение ба­зового параметра (концентрации насыщающего элемента или твердости). Эффективная толщина упрочненного слоя назначается в зависимости от действующих контактных нагрузок.

Значение эффективной толщины диффузионного слоя х ₀ обычно под­чиняется параболической зависимости (рис. 5.38, а)

где к – коэффициент, зависящий от конкретных условий проведения ХТО, насыщаемого материала и среды, в частности ее химического по­тенциала (концентрации активных атомов на поверхности); τ – время обработки.

Существует множество способов химико-термической обработки, од­нако в современном производстве деталей двигателей, агрегатов, техно­логической оснастки и инструмента в основном используют цементацию, азотирование, нитроцементацию и алитирование.

Цементацией называют насыщение поверхностного слоя углеродом. Обычно цементации подвергают детали из сталей, содержащих не более 0,3 % углерода. В авиастроении цементируют детали из сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 12Х2НВФА, 20ХЗМВФ-Ш и др. При такой кон­центрации углерода после закалки и низкого отпуска сердцевина сохра­няет высокую пластичность и вязкость, что позволяет избежать хрупкого разрушения. Как правило, цементацией обрабатывают только рабочие поверхности деталей. Остальные поверхности защищают от насыщения, используя специальные обмазки, нанося слой меди гальваническим способом либо предусматривая припуски на нерабочих поверхностях, кото­рые удаляются после цементации механической обработкой.

 

 

Рис. 5.38. Влияние на эффективную глубину упрочненного

слоя факторов ХТО: а – времени ХТО; б – химического потенциала среды на поверхности; в - температуры

 

Насыщающую среду при цементации называют карбюризатором. Цементация может производиться из твердой фазы в газовой среде или с использованием специальных обмазок.

Цементация конструкционных сталей производится при температуре 900... 950 °С, а высоколегированных - 900... 1050 °С. Продолжительность процесса при глубине цементации 1,5 мм составляет 10... 15 ч.

Поскольку при температуре цементации стали имеют аустенитную структуру, они способны в значительных количествах растворять углерод. Максимальное содержание углерода в слое определяется его пре­дельной растворимостью в аустените и может достигать 2 %.

Для интенсификации процесса цементации используется, в частно­сти, технология ионной цементации. Главная отличительная особенность этой техно­логии заключается в том, что цементующая газовая среда в рабочей ка­мере ионизируется тлеющим разрядом. Это приводит к интенсификации процесса - процесс может быть сокращен в 2... 10 раз, что объясняется активизацией газовой среды, улучшением адсорбции атомов углерода поверхностью стали и ускорением диффузии углерода.

Для придания поверхностному слою необходимой твердости детали после цементации закаливают.

За эффективную толщину цементированного слоя обычно принимают зону с содержанием углерода более 0,4 %, что соответствует твердости HRC 50 или HV 5000... 6000 МПа в зависимости от марки стали. Для зубчатых колес эффективная толщина цементированного слоя выбирает­ся исходя из значения модуля зубчатого зацепления:

 

Модуль зубчатых колес, мм 1,5 3,0 4,0 5,0 7,0 10,0 Эффективная толщина слоя, мм 0,4 0,8 0,95 1,1 1,4 1,8

 

Максимальное сопротивление контактной усталости обеспечивает концентрация углерода на поверхности 1,1... 1,2 %. При больших значе­ниях концентрации происходит ухудшение механических свойств цемен­тируемой детали. При цементации высоколегированных сталей концен­трация углерода на поверхности 1,5... 2,0%.

Азотирование представляет собой процесс диффузионного насыще­ния поверхностного слоя азотом. Оно используется для обеспечения твердости и износостойкости деталей. Одновременно повышается усталостная прочность и сопротивление электрохимической коррозии. Твер­дость азотированного слоя выше, чем цементированного; она сохраняет­ся при нагреве до температур 450... 550 °С (пока нитриды не теряют твердость), тогда как твердость цементированного слоя только до 200... 225 °С (далее происходит отпуск).

В отличие от цементации, когда необходимая твердость поверхностно­го слоя достигается закалкой, выполняемой после процесса насыщения углеродом, при азотировании требуемых свойств поверхностного слоя до­биваются непосредственно в процессе насыщения. В связи с этим последо­вательность операций технологического процесса, изготовления деталей с азотированными рабочими поверхностями имеет свои особенности. Сна­чала, чтобы получить требуемые механические свойства, выполняют тер­мическую обработку (закалку и высокий отпуск), затем - механическую обработку, включая операции шлифования. Далее, после защиты участков детали, не подлежащих упрочнению, следуют операции азотирования и окончательной доводки рабочих поверхностей в соответствии с заданными допусками и требованиями по шероховатости. Защиту поверхностей от азотирования обычно осуществляют гальваническим нанесением олова, никеля или хрома, оксидированием или пленкой жидкого стекла.

Азотирование выполняют в газовых средах (аммиаке, смесях аммиака и азота, аммиака и водорода, аммиака и кислорода и др.) при температу­рах 500... 550 °С. Процесс насыщения азотом при таких температурах протекает очень медленно. Для получения упрочненного слоя глубиной 0,5 мм требуется не менее 50... 100 ч. Азотирование при высоких темпе­ратурах нарушает когерентность фаз, вызывает коагуляцию и сфероидизацию нитридов, что приводит к резкому снижению прочностных свойств.

Атомарный азот образуется в результате диссоциации аммиака по ре­акции

 

При азотировании углеродистых сталей структура диффузионного слоя находится в полном соответствии с диаграммой состояния Fe-N. Азот образует с железом ряд фаз: азотистый феррит (твердый раствор азота в a-железе), азотистый аустенит (твердый раствор азота в у-железе), у'-фазу (Fe₄N), ε-фазу (Fe₂N) и др. Он образует также систему фаз с легирующими элементами (хромом, молибденом, алюминием и некоторыми другими), соз­давая дополнительное упрочнение. Поскольку нитриды железа не обеспечи­вают необходимую твердость и прочность, азотированию подвергают в ос­новном легированные стали, содержащие нитридообразующие элементы (45Х14Н14В2М, 1Х12Н2ВМФ, 38Х2МЮА, 15Х12Н2МВФАБ и др.).

На рис. 5.39 показано рас­пределение твердости по глу­бине слоя после ионного азо­тирования для разных спла­вов. Видно, что низколегированные стали имеют боль­шую глубину упрочненного слоя, однако значительно меньшую поверхностную твердость. У высоколегиро­ванных сталей, содержащих нитридообразующие элемен­ты, напротив, при высокой твердости поверхности наблюдается меньшая глубина упрочнения.

Износостойкость азотированных поверхностей значительно выше, чем цементированных. В азотированном слое возникают остаточные напряже­ния сжатия величиной 600... 800 МПа. Это способствует увеличению ус­талостной прочности. Предел выносливости увеличивается на 30... 40 %.

Ионное азотирование - наиболее современная технология азотирова­ния - выполняется в условиях бомбардировки поверхности ионами газов насыщающей среды. В настоящее время в развитых странах доля ионного азотирования составляет 35 %. Остальные 65 % приходятся на процессы газового и жидкостного азотирования, причем доля процессов ионного азотирования постоянно увеличивается.

 

Рис. 5.39. Распределение твердости по глубине упрочненного слоя для различных сталей:

1 – инструментальная сталь; 2 – нержавеющая сталь аустенитного класса (12Х18Н10Т);

3 – сталь для штампов горячей штамповки; 4 – высоко­легированная сталь;

5 – низколегированная сталь

 

Основными достоинствами ионного азотирования являются:

- использование нетоксичных газовых сред (смесей азота, водорода и инертного газа), что делает процесс насыщения экологически чистым, не требующим специальных устройств для обеззараживания среды;

- уменьшение времени азотирования;

- дополнительный нагрев насыщаемых поверхностей плазмой тлеюще­го разряда и электрическими нагревателями позволяет экономить элек­троэнергию и реализовывать на поверхности более высокий уровень тем­ператур, чем в сердцевине материала;

- малый расход насыщающего газа и практически полное отсутствие окисления поверхностей (процесс выполняется с предварительным вакуумированием), что позволяет обойтись без последующей механической обработки;

- регулируя состав газовой среды и условия азотирования, можно ак­тивно управлять структурой упрочненного слоя и его фазовым составом, обеспечивая те или иные эксплуатационные свойства деталей.

Для ионного азотирования наиболее подходящими условиями газово­го разряда являются области, соответствующие верхней части нормаль­ного тлеющего разряда и аномальному тлеющему разряду, где тлеющий разряд максимально равномерно распределен по поверхностям деталей. Однако при работе в этой области имеется опасность возникновения ис­кровых и дуговых разрядов, которые могут вызвать повреждение поверх­ностей упрочняемых деталей. С целью устранения дугообразования и упрощения управления газовым разрядом в современных установках для ионного азотирования используются импульсные источники питания.

Тлеющий разряд создает условия для протекания плазмохимических реакций, в частности образования атомарного водорода:

Н₂ → 2Н.

Эта реакция в обычных условиях имеет место только при температу­рах более 3000 °С. Атомарный водород восстанавливает окисные пленки, присутствующие на деталях, тем самым активизируя их поверхности. В условиях тлеющего разряда образуются ионы азота N⁺, комплексные ионы азота и водорода (NH⁺, NH²⁺), а также аммиака NH₃. Согласно по­следним исследованиям, основной причиной ускорения процесса азоти­рования является не бомбардировка поверхности ионами насыщающей среды, как это считалось ранее, а стимулируемые тлеющим разрядом плазмохимические реакции с переносом азота на поверхность ионами и нейтральными частицами, в частности вибрирующими молекулами N₂, атомами и комплексами атомов Fe, присутствующими в плазме электри­ческого разряда. Следует отметить, что железо является активным ката­лизатором реакций взаимодействия азота и водорода и его присутствие в газовом разряде способствует образованию активных частиц насыщаю­щей среды. Важную роль играют также химические процессы на поверх­ностях деталей, которые сопровождаются образованием атомарного азота и его взаимодействием с металлом.

Основными проблемами, которые приходится решать при разработке оборудования и технологий ионного азотирования, являются:

- обеспечение равномерности упрочнения путем оптимизации условий формирования плазмы тлеющего разряда и доставки активной насы­щающей среды к упрочняемым поверхностям деталей;

- поддержание требуемой температуры и равномерности теплового по­ля в зоне садки с деталями;

- активный контроль и автоматизированное управление процессом ионного азотирования;

- использование эффективных экологически чистых газовых сред и многостадийных процессов азотирования с изменением температуры и концентрации насыщающей среды;

- использование многокамерного оборудования для ускорения вспомо­гательных операций по загрузке и выгрузке деталей, уменьшения време­ни, необходимого для создания вакуума и ионной очистки.

 

 

Рис. 5.40. Схема установки для ионного азотирования:

1 – упрочняемое изделие; 2 – водоохлаждаемая камера; 3 – активный экран; 4 – нагревательный элемент; 5 – стол; 6 – подвод высокого напряжения к экрану; 7 – вентилятор; 8 – подвод насыщающей газовой среды; 9 – подвод высокого напряжения к упрочняемому изделию;

10 – к вакуумному насосу

 

Современные установ­ки для ионного азотиро­вания (рис. 5.40) имеют достаточно сложную сис­тему нагрева. Требуемые температурные условия создаются нагреватель­ными элементами сопро­тивления, плазмой тлею­щего разряда, возникаю­щей у поверхности дета­лей, и дополнительным радиационным нагревом от активного экрана в ви­де металлической сетки, устанавливаемого вокруг садки с деталями. Им­пульсное напряжение од­новременно и независимо подается на активный экран и детали, подвергаемые азотирова­нию. Это устраняет прак­тически все недостатки традиционных схем ион­ного азотирования, свя­занные со сложностью поддержания требуемых температур, низкой рав­номерностью теплового поля, дугообразованием и др. При этом резко уменьшается время очи­стки поверхностей и нагрева до рабочих температур. Формирование тлеющего разряда на активном экране имеет две основные функции: нагрев деталей радиационным путем и генерация активных частиц с большим временем существования, которые пе­ремещаются от экрана к упрочняемым деталям потоком газа. Генерации ак­тивных частиц способствуют специальные газовые смеси. Равномерность тем­пературного поля и поступление к азотируемым поверхностям насыщающей газовой среды обеспечивает система принудительной вентиляции. Как следст­вие повышается гомогенность насыщения и повторяемость результатов азоти­рования. Те же конструктивные элементы характерны для реакторов ионной цементации. Такие особенности конструкции говорят о том, что плазмы тлеющего разряда недостаточно для качественного насыщения стали азотом.

Описанные усовершенствования дают возможность выполнять ион­ное азотирование больших садок деталей с равномерным упрочнением и минимальным изменением размеров и короблением деталей.

Современное оборудование для ионного азотирования, например JIN3S&1OS фирмы NDK (рис. 5.41), ELTROPULS, Metaplas Ionon, HZIW 600/1000 и др., обеспечивает экологическую чистоту процесса и эконо­мию энергии, имеет системы полной автоматизации и компьютерного управления процессом насыщения.

Классической газовой смесью, используемой для ионного азотирования с целью создания на поверхности структуры γ, является смесь 30 % N₂ -70 % Н₂. Для получения ε-структур рекомендуется смесь ~80 % N₂ —18 % Н₂-СН₄. Для упрочнения ответственных деталей из сложнолегированных сталей разрабатываются специальные многокомпо­нентные составы газовых смесей, обеспечивающие оп­тимальные условия генерации активных частиц и равномер­ность упрочнения участков поверхностей различной кри­визны, включая поверхности глухих отверстий малого диаметра. Составы этих смесеи являются ноу-хау разработчиков.

 

 

Рис. 5.41.Установка для ионного азотирования модели JIN-3SC-C

с ускоренным вентиляторным охлаждением деталей и системой компьютерного контроля и управления параметрами процесса

Ионное азотирование используется для упрочнения режущего инструмента, рабочих поверхностей штамповой оснастки, зубчатых колес, валов и других деталей. При азотировании в поверхностном слое формируются напряжения сжатия, что увеличивает усталостную прочность деталей. Кроме того, повышается коррозионная стойкость. Современные установ­ки позволяют за один цикл упрочнять до 600 кг деталей.

Нитроцементация обеспечивает более высокую твердость и износостойкость, чем цементация. По данным ММПП «САЛЮТ», износостой­кость после нитроцементации в 4 раза превышает износостойкость це­ментированной поверхности. Нитроцеметация, как и цементация, произ­водится в основном в газовых смесях.

Установлено, что при одновременном насыщении углеродом и азотом значительно ускоряется диффузия углерода.

5.3.5. Физико-химическое модифицирование поверхностей деталей. Под физико-химическим модифицированием понимают целенаправ­ленное изменение свойств поверхности в результате технологического внешнего воздействия. При этом имеется в виду изменение структуры материала в тонких поверхностных слоях вследствие физического воз­действия (ионными и электронными пучками, низкотемпературной и вы­сокотемпературной плазмы, электрического разряда и др.) или химиче­ского воздействия, приводящего к образованию на поверхности слоев химических соединений на основе базового материала (химическое, электрохимическое и термическое оксидирование, фосфатирование, сульфидирование, плазменное нитрирование и т.д.).

Очевидно, что отсутствует выраженная классификационная граница между процессами физико-химического модифицирования и поверхно­стного упрочнения.

Среди множества способов физико-химического модифицирования наиболее перспективными представляются ионная имплантация, аноди­рование, в частности импульсное (обработка в электролитной плазме), лазерное упрочнение.

Ионная имплантация является сравнительно новым способом физико-химического модифицирования, основанным на внедрении ускоренных ионов легирующих элементов в поверхностный слой. Имплантируемые ионы имеют малую глубину проникновения, однако их влияние распро­страняется намного дальше от поверхности.

Можно выделить следующие особенности ионной имплантации:

- возможность формирования на поверхности сплавов, которые нельзя получить в обычных условиях из-за ограниченной растворимости или диффузии компонентов. В ряде случаев равновесные пределы раствори­мости превышены на несколько порядков;

- легирование не связано с диффузионными процессами, за исключени­ем модифицирования материалов ионной имплантации при большой плотности тока, когда наблюдается радиационно-стимулированная диф­фузия компонентов;

- процесс протекает при низких температурах (менее 150 °С), без изме­нения механических свойств материала. Метод позволяет обрабатывать термочувствительные материалы;

- отсутствует заметное изменение размеров деталей после имплантации;

- модифицированные поверхности не требуют дальнейшей финишной обработки;

- процесс хорошо контролируется и воспроизводится;

- экологическая чистота процессов;

- упрочняются только открытые поверхности, непосредственно находящиеся под воздействием облучения ионами;

- малая глубина модифицированного слоя;

- относительно высокая стоимость оборудования.

Ионная имплантация может выполняться ионами газов и металличе­скими ионами, причем с различными уровнями энергии:

- высокой энергии (30... 100 кэВ, 65 мА);

- средней энергии (1... 10 кэВ, 100 мА);

- низкой энергии (0,1... 1,5 кэВ, 200 мА)

- с диаметром луча 300... 450 мм.

Различают имплантации ионным лучом (рис. 5.42, а) и ионами плазмы (рис. 5.42, б).

Установка для имплантации ионным лучом содержит источник ионов 1, систему «вытягивания» ионов 2, сепаратор ионов 3, магнитные фокуси­рующие линзы 4, линейный ускоритель 5, электростатическую отклоняющую систему 6. На практике используются различные по конструк­ции источники ионов непрерывного и импульсного действия, генери­рующие ионы газов (от водорода до криптона) и металлов (с

горячим и холодным катодом, магнетронный, диаплазмотрон и др.). Выходящие из источника ионы неоднородны по составу. Для отделения посторонних ионов используется магнитный масс-сепаратор, который отклоняет от основной оси ионы, имеющие другую массу и заряд. «Очищенный» ион­ный луч фокусируется и ускоряется в линейном ускорителе. Сканирова­ние ионного луча по поверхности упрочняемой детали производится от­клоняющей системой 6. Для обеспечения равномерности упрочнения деталь вращается и поворачивается относительно луча.

 

Рис. 5.42. Схема установки для ионной имплантации

с линейным ускорителем (а) и 3D-имплантация (б):

1 – источник ионов; 2 – система вытягивания ионов; 3 – сепаратор; 4 – фокусирующие магниты; 5 – линейный ускоритель; 6 – электростатическая отклоняющая система;

7 – поток ионов; 8 – упрочняемые детали

 

Ионная имплантация ионами плазмы - иногда ее называют 3D-имплантация - выполняется в вакуумных камерах, где тлеющим или дуго­вым разрядом создают ионизированную среду, а на деталь подается им­пульсное высокое напряжение, обеспечивающее ускорение ионов в на­правлении бомбардируемых поверхностей. Высокоэнергетический ион­ный поток может формироваться непосредственно в процессе горения импульсного самостоятельного разряда между заземленной вакуумной камерой и изделием, являющимся катодом. Ионы, ускоренные в поле прикатодного падения малой толщины, эффективно модифицируют поверхность изделия, которое может иметь сложную объемную форму. Па­дающие ионы генерируют электронный пучок с поверхности изделия, который, взаимодействуя с плазмой, обеспечивает самоподдержание разряда. Этот метод имеет определенные преимущества перед лучевыми методами за счет простоты и относительно низкой цены реализации технологических процессов. Он может сочетаться с другими ионно-плазменными методами обработки, такими, как магнетронное, вакуумно-дуговое и плазменно-термическое напыление, ионное азотирование и др.

При высокоэнергетической ионной имплантации для упрочнения ме­таллов и сплавов, керамик, полимеров используются ионы газов с энергиеи до 100 кэВ.

Обработка высокоэнергетическими ионами азота эффективно повышает стойкость режущего и штампового инструмента, усталостную прочность деталей.

Имплантация атомов внедрения (азот, углерод и бор) способствует повышению износостойкости и сопротивления усталости сталей. Эти элемен­ты обладают свойством сегрегации к дислокациям даже при комнатной температуре, что блокирует их движение и упрочняет поверхностный слой, а это в свою очередь препятствует развитию усталостных трещин. На рис. 5.43 приведены результаты исследований влияния ионной импланта­ции на усталостную прочность лопаток из сплава ВТ18У, выполненных в Уфимском авиационном университете.

Установлено, что увеличение усталостной прочности обусловлено не действием остаточных напряжений сжатия, возникающих при ионной имплантации, как считалось раньше, а торможением развития усталост­ных трещин вследствие снижения подвижности дислокаций.

Для повышения антифрикционных свойств может выполняться имплантация ионов молибдена и двойного количества ионов серы. Совме­стная имплантация может стать новым методом формирования анти­фрикционных и других специальных легированных слоев.

Имплантируя титан, получают на поверхности аморфную фазу Ti-C-Fe, что приводит к снижению трения и износа.

Ионная имплантация широко используется для повышения коррозионной стойкости стальных деталей. С этой целью имплантируют ионы Сг, Mo, Ti, Сг-Р, Сг-Мо, Та-Cr-P и др. при энергиях 50... 150 кэВ доза­ми 5• 10¹⁶... 2• 10¹⁷ см^-2. Увеличение сопротивления коррозии объясняет­ся формированием на поверхности пассивирующих пленок, в частности фосфатных.

 

 

Рис. 5.43. Изменение усталостной прочности лопаток IV ступени КВД из сплава ВТ18У после ионной имплантации в поверхность (Т = 20^оС, f = 1000 Гц):

1 – виброполирование; 2, 3, 4 – имплантация ионов N⁺, C⁺, B⁺; 5 – обработка без виброшлифования + имплантация ионов N⁺; 6 – ионная имплантация N⁺ + отжиг

в контролируемой атмосфере

 

а

Рис. 5.44. Микрофотографии структуры поверхностей до (а)

и после (б) ионной имплантации азота в титановый сплав

На рис. 5.44 приведены фотографии микроструктуры поверхностей до и после ионной имплантации азота в титановый сплав.

Лазерное упрочнение основано на изменении физико-химических свойств материалов при воздействии лазерного луча. Лазерным упрочне­нием выполняют:

- лазерную термическую обработку (закалка, отжиг, отпуск);

- глазурирование (оплавление для получения остеклованной поверхности);

- поверхностное легирование;

- наплавку (восстановление изношенных деталей);

- плакирование.

Локальная термическая обработка осуществляет модифицирование структуры поверхностного слоя. При этом обеспечиваются такие температурно-временные режимы и результаты упрочнения, которые сложно или невозможно получить традиционными способами термической обра­ботки, а именно:

• высокие скорости нагрева и охлаждения (скорости нагрева достигают величин 10⁴... 10⁸ К/с, а скорости охлаждения - 10³... 10⁴ К/с в зависи­мости от времени воздействия и энергии излучения, а также от режимов работы лазера). Такие режимы нагрева и охлаждения приводят к нерав­новесному протеканию фазовых превращений, к смещению критических точек Ас и А, образованию пересыщенных твердых растворов с мелко­дисперсными структурами вплоть до аморфных. В результате формиру­ется слой с повышенной твердостью (превышает на 15... 20 % твердость после закалки существующими способами), с хорошим сопротивлением износу и схватыванию при трении;

• возможность упрочнения поверхностей в труднодоступных местах (полости, углубления), куда луч лазера может быть введен с помощью оптических устройств;

• использование лазера позволяет резко уменьшить глубину закаленно­го слоя и эффективно управлять его величиной.

Лазерное закаливание используется для упрочнения режущего и ме­рительного инструмента, рабочих кромок матриц и пуансонов на глубину до 0,15 мм (импульсное излучение) и до 1,5 мм (непрерывное излучение). На инструментальных сталях твердость составляет 63... 67 HRC. Шеро­ховатость обрабатываемой поверхности при этом не изменяется.

При лазерном воздействии на вольфрамокобальтовые твердые сплавы происходит дополнительное растворение периферии зерен WC в кобальте, диффузия кобальта к поверхности и увеличение степени микроис­кажений кристаллической решетки карбид­ной фазы сплавов, что благоприятно сказы­вается на их износостойкости.

Дополнительному упрочнению способствует увеличение плотности дислокаций за счет действия термических и фазовых на­пряжений, возникающих при локальном ла­зерном нагреве.

Установлено, что использование лазерного излучения в качестве источника нагрева при термопластическом упрочнении никелевых сплавов позволяет получать в поверхностном слое остаточные напряжения сжа­тия величиной до 10 ГПа.

При лазерной термической обработке можно создать условия избирательного испарения выступов неровностей, которые приводят к снижению шероховатости поверхности.

Глазурирование заключается в создании тонкого слоя расплава на поверхности, который, остывая, образует слой глазури – остеклованной (аморфной) поверхности. Этот вид обработки в отличие от предыдущего связан с проплавлением части материала. Сверхбыстрая кристаллизация расплава, обусловливающая получение сверхмелкозернистых структур или структур, обладающих сверхвысокой дисперсностью упрочняющих фаз с высокой однородностью химического состава, определяет более высокие эксплуатационные свойства поверхностных слоев. Чистые металлы трудно перевести в аморфное состояние методом закалки из рас­плава. Аморфное состояние возможно у сплавов переходных металлов (Ti, Zr, Nb, Та) с Сu, Fe, Co, Ni. Для стабилизации аморфного состояния в сплавы вводят элементы-стабилизаторы (углерод, бор, кремний). Износо­стойкость аморфизированных поверхностей с бором в качестве стабили­затора превышает износостойкость твердых сплавов на основе WC-Co.

Лазерное легирование в последние годы получает все более широкое распространение. Для ввода в расплав легирующих компонентов используют намазывание поверхностей пастами определенного состава, предварительное нанесение покрытий из легирующего материала, электроис­кровую металлизацию, накатывание фольг и проволоки.

С помощью лазера сравнительно легко осуществляется процесс азотирования и науглероживания поверхности изделий. Образующиеся но­вые фазы и соединения (карбиды, нитриды) обладают свойствами, позво­ляющими резко повысить твердость, а также износостойкость материа­лов. В результате такого легирования удается повысить твердость и изно­состойкость в 2... 3 раза. Перспективным является легирование деталей из углеродистых сталей металлокерамической смесью или твердыми вольфрамокобальтовыми сплавами. Достоинством способа лазерного легирования, несомненно, является возможность управления его пара­метрами: энергией, частотой следования импульсов и их длительностью. Из