RU2197556C2 - Method of applying hard coatings - Google Patents
Method of applying hard coatings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2197556C2 RU2197556C2 RU2000116949A RU2000116949A RU2197556C2 RU 2197556 C2 RU2197556 C2 RU 2197556C2 RU 2000116949 A RU2000116949 A RU 2000116949A RU 2000116949 A RU2000116949 A RU 2000116949A RU 2197556 C2 RU2197556 C2 RU 2197556C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- saturation
- working surface
- shock
- elements
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение является способом нанесения твердых покрытий и может быть применено в машиностроении при упрочнении инструмента и изнашиваемых поверхностей изделий путем синтеза и осаждения твердых покрытий.FIELD OF THE INVENTION
The invention is a method of applying hard coatings and can be used in mechanical engineering for hardening tools and wear surfaces of products by synthesis and deposition of hard coatings.
Уровень техники
Известен способ упрочнения инструмента из стали, содержащей карбидо- и нитридообразующие элементы [1], включающие цементацию и последующее охлаждение со скоростью меньшей критической, а также осуществление изотермической выдержки при температуре минимальной устойчивости аустенита с последующим ионным азотированием. Этот способ предназначен для повышения износостойкости, уменьшения деформации, коробления и склонности к образованию трещин.State of the art
A known method of hardening a tool made of steel containing carbide and nitride forming elements [1], including cementation and subsequent cooling at a speed less than critical, as well as the implementation of isothermal aging at a temperature of minimum stability of austenite followed by ion nitriding. This method is intended to increase wear resistance, reduce deformation, warpage and tendency to crack.
Недостатком этого известного способа упрочнения инструмента из стали является низкая производительность осаждения покрытий, обусловленная низкой плотностью диссоциированного газа и необходимостью осуществлять процесс ионного азотирования в вакууме. The disadvantage of this known method of hardening a steel tool is the low productivity of the deposition of coatings, due to the low density of the dissociated gas and the need to carry out the ion nitriding process in vacuum.
Кроме того, азотированные слои не обеспечивают достаточной теплостойкости рабочих поверхностей штампов для горячего прессования деталей. In addition, the nitrided layers do not provide sufficient heat resistance of the working surfaces of the dies for hot pressing of parts.
Известен также способ комбинированной химико-термической обработки стальных изделий [2], состоящий в предварительном насыщении поверхности углеродом и азотом до пересыщенного содержания в поверхностном слое легирующих элементов, а затем хромирования при температуре 850-900oС до формирования слоя карбонитридов хрома с нитроцементационным подслоем.There is also known a method of combined chemical-thermal treatment of steel products [2], which consists in preliminary saturation of the surface with carbon and nitrogen to a supersaturated content of alloying elements in the surface layer, and then chromium plating at a temperature of 850-900 o C to form a layer of chromium carbonitrides with a nitrocarburizing sublayer.
Этот известный способ комбинированной химико-термической обработки стальных изделий [2], так же как и предыдущий, осуществляется при низкой плотности диссоциированного газа, что обуславливает низкую производительность, а также повышенный расход элементов (составляющих покрытие), так как пары конденсируются не только на упрочняемой поверхности, но и на поверхностях устройства и технологической оснастки. Слой получаемого карбонитрида хрома не выше 0,01-0,02 мм, что недостаточно для упрочнения тяжело нагруженного инструмента. This known method of combined chemical-thermal treatment of steel products [2], as well as the previous one, is carried out at a low density of dissociated gas, which leads to low productivity and increased consumption of elements (constituting the coating), since the vapors condense not only on the hardened surfaces, but also on the surfaces of the device and tooling. The layer of chromium carbonitride obtained is not higher than 0.01-0.02 mm, which is not enough to strengthen a heavily loaded tool.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ обработки инструмента [3] . Этот способ включает в себя цементацию в среде твердого карбюризатора при 920-960oС в течении 7-8 ч, последующее диффузионное насыщение в титаносодержащей среде, которая имела следующий состав, мас.%: ферротитан - 70, оксид алюминия - 27, хлористый аммоний - 3. Технология насыщения осуществлялась при температуре 1050-1070oС в течение 5-6 ч. После этого изделия отжигались в среде твердого карбюризатора при 850oС с последующим охлаждением до 400oС в течение 4 ч. После отжига изделие греют до температуры 860-880oС, выдерживают 5 мин. Затем закаливают с охлаждением рабочей поверхности инструмента в воде, а корпуса - в масле.Closest to the proposed invention is a method of processing a tool [3]. This method includes cementing in a solid carburetor medium at 920-960 o C for 7-8 hours, subsequent diffusion saturation in a titanium-containing medium, which had the following composition, wt.%: Ferrotitanium - 70, alumina - 27, ammonium chloride - 3. The saturation technology was carried out at a temperature of 1050-1070 o C for 5-6 hours. After this, the products were annealed in a solid carburetor at 850 o C, followed by cooling to 400 o C for 4 hours. After annealing, the product is heated to a temperature 860-880 o C, incubated for 5 minutes Then quenched with cooling the working surface of the tool in water, and the body in oil.
К недостаткам этого известного способа-прототипа относятся высокая энергоемкость и материалоемкость технологии, также низкая производительность, обусловленная рассеиванием материала карбюризатора, и тонкий слой карбидов титана. The disadvantages of this known prototype method include the high energy and material consumption of the technology, as well as low productivity due to dispersion of the material of the carburizer, and a thin layer of titanium carbides.
Основной задачей, решаемой заявляемым изобретением, является исправление указанных недостатков, а именно повышение толщины слоя, производительности формирования карбидных слоев, снижение расхода карбидообразующих элементов и энергии. The main task solved by the claimed invention is the correction of these disadvantages, namely increasing the layer thickness, the productivity of the formation of carbide layers, reducing the consumption of carbide-forming elements and energy.
Техническая сущность и принцип действия
Предлагаемое изобретение, способ обработки инструмента, включает в себя известные существенные признаки, включающие предварительное насыщение поверхности углеродом и последующее насыщение карбидообразующими элементами.Technical essence and principle of action
The present invention, a tool processing method, includes well-known essential features, including pre-saturation of the surface with carbon and subsequent saturation with carbide-forming elements.
Также предлагаемое изобретение включает в себя существенные признаки, не известные ранее: насыщение карбидообразующими элементами, отличающееся тем, что насыщение карбидообразующими элементами осуществляют импульсами плазмы, в которую вводят легирующие элементы при пропускании электрического тока плотностью 2000-8000 А/см2 через плазму и ударно-сжатый слой, который создают на рабочей поверхности изделия из, преимущественно, азота и углерода. Насыщение осуществляют 5-10 импульсами плазмы только рабочих поверхностей изделия, плазма содержит карбиды и металлы 4, 5 и 6 групп Периодической таблицы Менделеева и после каждого импульса насыщения рабочую поверхность обдувают охлаждающим газом, преимущественно состоящим из азота.The present invention also includes essential features not previously known: saturation with carbide-forming elements, characterized in that the saturation with carbide-forming elements is carried out by plasma pulses, into which alloying elements are introduced by passing an electric current with a density of 2000-8000 A / cm 2 through plasma and shock a compressed layer, which is created on the working surface of the product from mainly nitrogen and carbon. Saturation is carried out with 5-10 plasma pulses of only the working surfaces of the product, the plasma contains carbides and metals of
Ударно-сжатый слой формируют струей газа, которую подают перпендикулярно к рабочей поверхности со скоростью 3-8 км/с. The shock-compressed layer is formed by a gas jet, which is fed perpendicular to the working surface at a speed of 3-8 km / s.
Согласно способу насыщающие элементы металлов и карбидосодержащие частицы получают из мелкодисперсных порошков, которые подают в плазму, или в плазму вводят компактный электрод, содержащий легирующие элементы. Компактный электрод состоит из сплава на основе вольфрама, электрод включают в электрическую цепь анодом и через конец электрода и катода пропускают электрический разряд. According to the method, metal saturating elements and carbide-containing particles are obtained from fine powders that are supplied to the plasma, or a compact electrode containing alloying elements is introduced into the plasma. A compact electrode consists of a tungsten-based alloy, the electrode is included in the electric circuit by the anode, and an electric discharge is passed through the end of the electrode and cathode.
Кроме того, в плазму вводят углеводородные и азотосодержащие газы. In addition, hydrocarbon and nitrogen-containing gases are introduced into the plasma.
Пропускание через слой ударно-сжатой плазмы, локализованной на рабочей поверхности изделия, электрического тока и одновременного воздействия импульсных магнитного поля и упруго-пластического деформирования позволяют значительно интенсифицировать процессы легирования. The passage of a shock-compressed plasma localized on the product’s working surface through a layer of electric current and the simultaneous action of pulsed magnetic fields and elastic-plastic deformation can significantly intensify the doping processes.
Так коэффициенты массопереноса в твердом металле при импульсном магнитном воздействии или упруго-пластическом деформировании на два порядка превосходят коэффициенты термодиффузии. Thus, the mass transfer coefficients in a solid metal under pulsed magnetic action or elasto-plastic deformation are two orders of magnitude higher than the thermal diffusion coefficients.
Влияние одновременно нескольких видов импульсного воздействия приводит к значительному ускорению массопереноса, причем это увеличение носит неаддитивный характер. The influence of several types of pulsed action simultaneously leads to a significant acceleration of mass transfer, and this increase is non-additive.
В процессе импульсно-плазменной обработки материал испытывает комплексное воздействие, а именно: ударное, электромагнитное, термическое. Каждое из них в отдельности играет роль инициатора диффузионных процессов при модифицировании поверхности. В результате взаимовлияния факторов воздействия происходит ускорение массопереноса легирующих элементов с металлической поверхности изделия в глубь. In the process of pulse-plasma processing, the material experiences a complex effect, namely: shock, electromagnetic, thermal. Each of them individually plays the role of an initiator of diffusion processes during surface modification. As a result of the mutual influence of the influence factors, the mass transfer of alloying elements from the metal surface of the product to the surface is accelerated.
Для периодического охлаждения легированного слоя применяют обдувку рабочей поверхности инструмента после каждого импульса насыщения охлаждающим газом, преимущественно состоящим из азота. Это определяет режим маятникового термоциклирования поверхностного слоя, который также интенсифицирует массоперенос легирующих элементов. For periodic cooling of the doped layer, blowing of the working surface of the tool is applied after each saturation pulse with a cooling gas, mainly consisting of nitrogen. This determines the regime of pendulum thermal cycling of the surface layer, which also intensifies the mass transfer of alloying elements.
Такие существенные признаки, как насыщение только рабочих поверхностей инструмента, карбидами и металлами 4, 5 и 6 групп Периодической таблицы Менделеева, в слое ударно-сжатой плазмы, который формируют импульсной скоростной струей, имеющей скорость до 8 км/с, перпендикулярно к рабочей поверхности, и пропускание через этот слой электрического тока плотностью до 8000 А/см2 позволяют интенсифицировать процесс и довести энергию и легирующие элементы до обрабатываемой поверхности, исключив потери.Essential features such as saturation of only the tool’s working surfaces with carbides and metals of
Получение насыщающих элементов, металлов и карбидосодержащих частиц из мелкодисперсных порошков и за счет перегрева конца компактного электрода посредством электрического разряда обуславливает возможность точного дозирования расхода материала и ввода его в высокоэнергетическую струю плазмы. Применение компактных электродов, которые состоят из сплава на основе карбидов вольфрама и углеводородных и азотосодержащих газов, обеспечивает ввод в поверхность инструмента карбидов и нитридов тугоплавких металлов. The preparation of saturating elements, metals, and carbide-containing particles from finely divided powders and by overheating the end of the compact electrode by means of an electric discharge makes it possible to accurately dose the material consumption and introduce it into a high-energy plasma jet. The use of compact electrodes, which consist of an alloy based on tungsten carbides and hydrocarbon and nitrogen-containing gases, ensures the introduction of carbides and nitrides of refractory metals into the surface of the instrument.
Синтез и осаждения легирующих элементов и соединений в слое ударно-сжатой плазмы непосредственно на упрочняемой поверхности посредством подачи этих элементов с высокой скоростью перпендикулярно поверхности и пропускания по ним электрического тока ведет к образованию нового технического эффекта при обработки инструмента - направленное перемещение необходимых для синтеза элементов в одном импульсном цикле. The synthesis and deposition of alloying elements and compounds in a shock-compressed plasma layer directly on the hardened surface by supplying these elements at a high speed perpendicular to the surface and passing electric current through them leads to the formation of a new technical effect when processing the tool - directed movement of the elements necessary for the synthesis in one pulse cycle.
Это в свою очередь обуславливает высокое качество покрытия и экономное расходование элементов, а также направленное перемещение синтезируемых элементов и высокую плотность газового слоя, сформированного вдоль упрочняемой поверхности, что обуславливает также высокую производительность синтеза и осаждения синтезируемых твердых покрытий. This, in turn, determines the high quality of the coating and the economical consumption of elements, as well as the directed movement of the synthesized elements and the high density of the gas layer formed along the hardened surface, which also leads to high productivity of synthesis and deposition of the synthesized hard coatings.
Согласно способу нанесения твердых покрытий широко используют обработку поверхности пучками энергии высокой плотности. Известно, что в процессе высокоэнергетического воздействия происходит быстрый нагрев (время нагрева 10-3...10-6 с) поверхностного слоя с последующим интенсивным охлаждением его путем отвода тепла как в объем металла, так и в окружающую среду. Высокая скорость нагрева и охлаждения поверхностного слоя металла (104...108 К/с) способствует формированию дисперсной структуры с высокими плотностью дислокации и концентрацией легирующих элементов.According to the method of applying hard coatings, surface treatment with high-density energy beams is widely used. It is known that in the process of high-energy exposure, fast heating (heating time 10 -3 ... 10 -6 s) of the surface layer occurs, followed by intensive cooling by removing heat both in the metal volume and in the environment. The high heating and cooling rate of the surface layer of the metal (10 4 ... 10 8 K / s) contributes to the formation of a dispersed structure with a high dislocation density and concentration of alloying elements.
Термическое воздействие совмещают с процессами легирования поверхности изделия путем плавления предварительно нанесенного покрытия или обработкой плазмой, которая содержит легирующие добавки: азот, углерод и металлы. Эффективность импульсного воздействия на поверхность изделия обусловлена более высокими скоростями нагрева и охлаждения, упругопластической деформацией поверхности и, как следствие, интенсификацией практически всех известных механизмов диффузии. The thermal effect is combined with the processes of alloying the surface of the product by melting a previously applied coating or by treating with a plasma that contains alloying additives: nitrogen, carbon and metals. The effectiveness of the pulsed action on the surface of the product is due to higher heating and cooling rates, elastoplastic deformation of the surface and, as a consequence, the intensification of almost all known diffusion mechanisms.
Импульсно-плазменная технология упрочняющей обработки инструмента включает следующие методы воздействия на поверхность изделия: упругопластическое деформирование, воздействие звуком и импульсным магнитным полем, тепловую и электроимпульсную обработку, а также деформирование металлов и сплавов в процессе обратимых (α←→γ) превращений. The pulse-plasma technology of hardening processing of the tool includes the following methods of influencing the surface of the product: elastoplastic deformation, exposure to sound and a pulsed magnetic field, heat and electric pulse treatment, as well as the deformation of metals and alloys during reversible (α ← → γ) transformations.
Пример осуществления способа нанесения твердых покрытий. An example implementation of the method of applying hard coatings.
Способ осуществляется плазматроном (чертеж), который состоит из детонационной камеры 1, центрального электрода-анода 2, конического электрода-катода 3, расходуемого электрода 4, межэлектродного зазора 8, источника питания электрическим током 9. The method is carried out by a plasmatron (drawing), which consists of a
В детонационную камеру 1 подают компоненты горючей газовой смеси. После их смешивания осуществляют инициирование детонации смеси. Затем продукты сгорания поступают из детонационной камеры 1 в межэлектродный зазор 8 и замыкают электрическую цепь источника 9. In the
Образуется электропроводный слой продуктов сгорания 7. Газовый слой 7 под влиянием газодинамической и электромагнитной силы ускоряется. По оси центрального электрода 2 закреплен электрод - расходуемый стержень 4 из специального сплава. Конец стержня при нагреве испаряется и обеспечивает ввод в плазменную струю легирующих элементов. При выбросе импульсной плазменной струи 6 из плазматрона она замыкает электрическую цепь между электродом-анодом и поверхностью изделия - катодом 5. В результате прохождения по этой струе электрического тока образуется импульсное магнитное поле, а плазма нагревается также и за счет Джоулева тепловыделения. An electrically conductive layer of combustion products is formed 7. The
Энергетические характеристики плазменных струй на выходе из плазматрона имеют линейную зависимость от напряженности электрического поля и длины межэлектродного зазора. При длине межэлектродного зазора L=300 мм и напряженности электрического поля 400...500 кВ/м плазменная струя может иметь температуру 30000 К, а скорость до 8 км/с. The energy characteristics of plasma jets at the exit of the plasmatron have a linear dependence on the electric field strength and the length of the interelectrode gap. With an interelectrode gap length of L = 300 mm and an electric field strength of 400 ... 500 kV / m, the plasma jet can have a temperature of 30,000 K and a speed of up to 8 km / s.
Обработка поверхности изделия импульсной плазмой в первый момент сопровождается упругодеформационным взаимодействием с ударной волной и импульсной струей плазмы, затем поверхность подвергается воздействию электрического тока. Амплитудное значение тока до 8 кА. В результате образуется импульсное магнитное поле напряженностью до 2000 Э. В дальнейшем, в течение 3...5 мс, на поверхность натекают продукты сгорания и эрозии электродов, которые содержат легирующие элементы. The surface treatment of the product by pulsed plasma at the first moment is accompanied by elastic-deformation interaction with the shock wave and the pulsed plasma jet, then the surface is exposed to electric current. The amplitude value of the current is up to 8 kA. As a result, a pulsed magnetic field with a strength of up to 2000 Oe is formed. Subsequently, within 3 ... 5 ms, the products of combustion and erosion of the electrodes, which contain alloying elements, flow onto the surface.
В результате импульсно-плазменной обработки на поверхности изделий из сплава на основе железа формируется микрокристаллический легированный слой. Состав этого слоя зависит от количества легирующих элементов в плазме и количества импульсов обработки. Упрочненный слой имеет большую толщину и равномерность после многократной (>5 имп.) импульсно-плазменной обработки. As a result of pulse-plasma processing, a microcrystalline alloyed layer is formed on the surface of products made of an alloy based on iron. The composition of this layer depends on the number of alloying elements in the plasma and the number of processing pulses. The hardened layer has a large thickness and uniformity after repeated (> 5 pulses) pulsed-plasma treatment.
Наибольшая твердость упрочненного слоя были достигнуты при использовании электродов из карбида вольфрама (образцы стали У-8, прошедших закалку+отпуск). Обработка осуществлялась без плавления поверхности, удельная мощность струи составляла 106 Вт/см2. Микротвердость измеряли на поперечных шлифах при помощи твердомера ПМТ-3. Для измерений использовали алмазную пирамидку Кнупа. Нагрузка на пирамидку составляла Р=0,1 Н. Рентгенофазовый анализ слоев, упрочненных импульсной плазмой, фиксирует уширение линий α-Fe и появление линий остаточного аустенита Fe.The highest hardness of the hardened layer was achieved using tungsten carbide electrodes (samples of U-8 steel, quenched + tempered). The processing was carried out without surface melting, the specific power of the jet was 10 6 W / cm 2 . Microhardness was measured on transverse sections using a PMT-3 hardness tester. For measurements, the Knoop diamond pyramid was used. The load on the pyramid was P = 0.1 N. The X-ray phase analysis of the layers strengthened by pulsed plasma records the broadening of the α-Fe lines and the appearance of lines of residual Fe austenite.
Увеличение числа импульсов влечет за собой дальнейшее уширение линий α-Fe при уменьшении их интенсивности, а также увеличение относительной интенсивности линий γ-Fe. Количество аустенита при одном и том же режиме обработки наибольшее в случае использования электрода из карбидов вольфрама. Рентгеноспектральное исследование показало, что материал расходуемого электрода проникает в упрочненный слой изделия. Например, при использовании расходуемого электрода из карбидов вольфрама он обнаружен в упрочненном слое на глубине до 20 мкм. An increase in the number of pulses entails a further broadening of the α-Fe lines with a decrease in their intensity, as well as an increase in the relative intensity of the γ-Fe lines. The amount of austenite in the same treatment mode is greatest when using an electrode of tungsten carbides. An X-ray spectral study showed that the material of the consumable electrode penetrates into the hardened layer of the product. For example, when using a consumable tungsten carbide electrode, it is found in the hardened layer at a depth of up to 20 μm.
Обработке подвергался металлообрабатывающий инструмент: матрицы и пуансоны штампов холодного и горячего деформирования металла, обрезные и прорубные пуансоны, метчики, плашки, фрезы, пилы, протяжки и другой инструмент. A metalworking tool was subjected to processing: dies and punches of dies for cold and hot deformation of metal, cut and hole punches, taps, dies, mills, saws, broaches and other tools.
Перед обработкой изделия проходили стандартную механическую, термическую и химико-термическую обработку. Импульсную плазменную обработку применяли в качестве конечной операции. Упрочнению подвергали только поверхности рабочих кромок инструмента. Технологические режимы обработки для различного вида пуансонов, матриц, штампов подбирались с минимальной плотностью мощности, достаточной для нагрева поверхности до плавления. Такой режим обеспечивал легирование расплавленной поверхности изделия элементами, составляющими плазменную струю. При упрочнении использовали расходуемый электрод из молибдена, титана, вольфрама или карбидов вольфрама, плазмообразующий газ содержал избыток пропана. Обработка осуществлялась с многократным воздействием импульсной плазмы на упрочняемую поверхность. Перед упрочнением поверхность инструмента не требует очистки или какой-либо другой подготовительной операции. Before processing the product underwent standard mechanical, thermal and chemical-thermal treatment. Pulse plasma treatment was used as the final operation. Only the surfaces of the working edges of the tool were hardened. Technological processing modes for various types of punches, dies, dies were selected with a minimum power density sufficient to heat the surface before melting. This mode provided alloying of the molten surface of the product with elements constituting a plasma jet. When hardening, a consumable electrode of molybdenum, titanium, tungsten or tungsten carbides was used, the plasma-forming gas contained an excess of propane. Processing was carried out with repeated exposure to pulsed plasma on the hardened surface. Before hardening, the surface of the tool does not require cleaning or any other preparatory operation.
Способ осуществляется с использованием импульсного источника плазмы. Струя плазмы направляется на упрочняемую поверхность. В плазменную струю вводят элементы, участвующие в синтезе в виде порошкообразного материала или стержня. В плазменную струю вводят также электрод, который включают в электрическую цепь конденсаторного накопителя и изделия. При замыкании электрической цепи по плазменной струе к упрочняемой поверхности течет электрический ток. The method is carried out using a pulsed plasma source. The plasma jet is directed to a hardened surface. Elements participating in the synthesis in the form of a powdery material or rod are introduced into the plasma jet. An electrode is also introduced into the plasma jet, which is included in the electric circuit of the capacitor bank and the article. When an electric circuit is closed along a plasma jet, an electric current flows to the hardened surface.
В зависимости от технологических требований плазменная струя может быть окислительной, нейтральной и восстановительной. Ее состав может содержать азот, углерод, бор и другие элементы, необходимые для синтеза. Температура и скорость плазменной струи достаточные для образования слоя ударно-сжатой плазмы, имеющей давление до 30 МПа и температуру до 30000 К. В плазменную струю подаются также такие элементы, как титан, молибден, вольфрам, цирконий, гафний и другие, которые с высокой скоростью (3...8 км/с) бомбардируют упрочняемую поверхность через ударно-сжатый слой. Элементы вводятся в плазму в виде порошков или в виде стержня. Depending on the technological requirements, the plasma jet can be oxidizing, neutral and reducing. Its composition may contain nitrogen, carbon, boron and other elements necessary for synthesis. The temperature and velocity of the plasma jet are sufficient for the formation of a shock-compressed plasma layer having a pressure of up to 30 MPa and a temperature of up to 30,000 K. Elements such as titanium, molybdenum, tungsten, zirconium, hafnium and others that are supplied with high speed are also fed into the plasma jet (3 ... 8 km / s) bombard the hardened surface through a shock-compressed layer. Elements are introduced into the plasma in the form of powders or in the form of a rod.
Пролетая через ударно-сжатый слой, легирующие металлы взаимодействуют с активными составляющими этого слоя, затем продукты плазменно-химического синтеза конденсируются на нагретой поверхности изделия. Синтез и осаждение твердых соединений на очищенную и нагретую поверхность обеспечивает высокое качество покрытия, а направленное перемещение элементов, участвующих в синтезе, и локализация их на упрочняемой поверхности обеспечивает высокую производительность 5...10 мкм за 1 импульс. Пропускание электрического тока способствует направленному току электронов ионов и атомов в ударно-сжатом слое, а также сжатию слоя за счет пондеромоторных сил и задержке разлета плазмы. Flying through a shock-compressed layer, alloying metals interact with the active components of this layer, then the products of plasma-chemical synthesis condense on the heated surface of the product. The synthesis and deposition of solid compounds on a cleaned and heated surface provides a high quality coating, and the directional movement of the elements involved in the synthesis, and their localization on a hardened surface, provides high performance 5 ... 10 microns per 1 pulse. The transmission of an electric current promotes the directed current of electrons of ions and atoms in the shock-compressed layer, as well as the compression of the layer due to ponderomotive forces and a delay in the expansion of the plasma.
Для апробации способа нанесения твердых покрытий плазменную струю формировали совмещенным взрывом предварительно сжатой горючей газовой смеси и электрическим разрядом через продукты сгорания, что обеспечивало высокие температуру 20000. . . 30000 К и скорость до 8 км/с плазменной струи. В качестве компонентов горючей газовой смеси использовали пропан-бутан+кислород. Плазменная струя подавалась к упрочняемой поверхности, замыкая при этом электрическую цепь между электродом и поверхностью детали. To test the method of applying hard coatings, a plasma jet was formed by a combined explosion of a pre-compressed combustible gas mixture and an electric discharge through the combustion products, which provided a high temperature of 20,000. . 30000 K and a speed of up to 8 km / s plasma jet. Propane-butane + oxygen was used as components of a combustible gas mixture. The plasma jet was supplied to the hardened surface, closing the electric circuit between the electrode and the surface of the part.
Электрический ток от электрода-анода идет к поверхности детали катода. При этом электрический ток активизирует процессы синтеза твердых соединений, нагрева поверхности детали и диффузии. Процесс активации идет при плотностях электрического тока до 8000 А/см2. Большая плотность тока обуславливает перегрев поверхности, оплавление ее и разрушение.The electric current from the anode electrode goes to the surface of the cathode part. In this case, the electric current activates the synthesis of solid compounds, heating the surface of the part and diffusion. The activation process is carried out at electric current densities of up to 8000 A / cm 2 . High current density causes surface overheating, its fusion and destruction.
Предлагается пример использования способа обработки инструмента - матриц и пуансонов штампов горячего деформирования металла, а также обрезных и прорубных пуансонов из сплава 3Х3М3Ф (ГОСТ 5950-73), который содержит, %: С 0,27-0,34; Si 0,1-0,4; Mn 0,2-0,5; Cr 2,8-3,5; V 0,4-0,6; Мо 2,5-3; Ni 0,35; Сu 0,3. An example of using a tool processing method — dies and punches of dies of hot deformation of a metal, as well as edging and hole-cutting punches from an alloy 3X3M3F (GOST 5950-73), which contains,%: C 0.27-0.34; Si 0.1-0.4; Mn 0.2-0.5; Cr 2.8-3.5; V 0.4-0.6; Mo 2.5-3; Ni 0.35; Cu 0.3.
Пример использования способа включает цементацию рабочих поверхностей инструмента, закалку, отпуск, а затем легирование поверхности вольфрамом и упрочнение импульсной плазмой. Цементацию производят в печи типа Ц-60. Режим цементации можно проследить на примере обработки отрезной матрицы 07-55-26. Температура печи при загрузке составляет 600-700oС, затем после нагрева печи до 850oС подают карбюризатор (керосин) в количестве 60 кап/мин. При достижении температуры 950oС увеличивают количество карбюризатора до 120 кап/мин. Процесс насыщения идет 8 ч, процесс диффузии - 1-2 ч. После процесса цементации изделия подвергают стандартной термообработке, включающей: подогрев 700-750oС; закалка 1030-1050oС; отпуск 580-560oС; отпуск 540-560oС. В результате изделие имеет низкую твердость основы, которая равна 49-50 HRC, высокую поверхностную твердость, которая равна 60-62 HRC и высокую ударную вязкость материала, которая в зависимости от сечения может иметь следующие величины: 10 мм - 24 КСИ Дж/см2, 120-200 мм - 7 КСИ Дж/см2. Теплостойкость сплава 3Х3М3Ф невысока и при температуре 590oС составляет всего 2 ч (при 47 HRC).An example of the use of the method includes cementing the working surfaces of the tool, hardening, tempering, and then alloying the surface with tungsten and hardening by pulsed plasma. Cementation is carried out in a furnace of type C-60. The cementation mode can be traced on the example of processing the cutting matrix 07-55-26. The temperature of the furnace when loading is 600-700 o With, then after heating the oven to 850 o With serves carburetor (kerosene) in the amount of 60 drops / min. Upon reaching a temperature of 950 o With increase the amount of carburetor to 120 drops / min. The saturation process takes 8 hours, the diffusion process takes 1-2 hours. After the cementation process, the products are subjected to standard heat treatment, including: heating 700-750 o С; quenching 1030-1050 o C; vacation 580-560 o C; tempering 540-560 o C. As a result, the product has a low base hardness, which is equal to 49-50 HRC, high surface hardness, which is 60-62 HRC and high impact strength of the material, which, depending on the cross section, can have the following values: 10 mm - 24 CSI J / cm 2 , 120-200 mm - 7 CSI J / cm 2 . The heat resistance of the 3X3M3F alloy is low and at a temperature of 590 o C is only 2 hours (at 47 HRC).
Способ нанесения твердых покрытий применяют в качестве второй операции упрочнения. Технологические режимы обработки подбирают из условия обеспечения минимальной плотности мощности импульсной плазмы, достаточной для нагрева поверхности до плавления. Такой режим обеспечивает легирование расплавленной поверхности изделия элементами, составляющими плазменную струю. Для ввода легирующих элементов используют расходуемый электрод из карбидов вольфрама+кобальт и плазмообразующий газ, содержащий избыток углерода. Обработку осуществляют с трех- и пятикратным воздействием импульсной плазмы на упрочняемую поверхность. The method of applying hard coatings is used as a second hardening operation. Technological processing modes are selected from the condition of ensuring a minimum power density of pulsed plasma sufficient to heat the surface before melting. This mode provides alloying of the molten surface of the product with the elements making up the plasma jet. To introduce alloying elements, a consumable tungsten carbide + cobalt electrode and a plasma-forming gas containing excess carbon are used. Processing is carried out with a three- and five-fold exposure to pulsed plasma on the hardened surface.
При этом диаметр пятна обработки составляет 15 мм. Частота следования импульсов - 1,5 Гц. Furthermore, the diameter of the treatment spot is 15 mm. The pulse repetition rate is 1.5 Hz.
В результате воздействия импульсной струи плазмы на цементированную и закаленную рабочую поверхность изделия был получен слой, легированный вольфрамом, кобальтом и углеродом. Толщина слоя 40...80 мкм. Этот слой имеет микротвердость до 20 ГПа и содержит тугоплавкие элементы 15....20 атом. %. As a result of the action of a pulsed plasma jet on the cemented and hardened working surface of the product, a layer doped with tungsten, cobalt and carbon was obtained. Layer thickness 40 ... 80 microns. This layer has a microhardness of up to 20 GPa and contains refractory elements 15 .... 20 atom. %
На ОАО "Череповецкий сталепрокатный завод" были изготовлены и упрочнены по "дуплекс"-технологии детали штампов для горячего деформирования металла. Эти детали использовали в калибровочном цехе завода. Результаты контрольных испытаний промышленных партий инструмента обобщены и представлены в таблице. At the Cherepovets Steel-Rolling Plant OJSC, parts of dies for hot deformation of metal were manufactured and hardened according to the "duplex" technology. These parts were used in the calibration workshop of the plant. The results of control tests of industrial batches of the instrument are summarized and presented in the table.
Анализ результатов испытаний показал, что инструмент, обработанный по предлагаемому способу, не имел отказов по причине хрупкого разрушения или излома. Причиной отказа инструмента служил только разгар рабочих поверхностей. Обработка изделия импульсной плазмой повысила содержание тугоплавких легирующих элементов в поверхности изделий, что увеличило срок службы поверхности инструмента до разгара, а применение сплава с высокой ударной вязкостью исключило отказы по причине хрупких разрушений. Опыт промышленной эксплуатации показал, что после импульсно-плазменной обработки работоспособность инструмента повысилась в 2...5 раза. Analysis of the test results showed that the tool processed by the proposed method did not fail due to brittle fracture or kink. The cause of tool failure was only the height of the work surfaces. Processing the product with pulsed plasma increased the content of refractory alloying elements in the surface of the product, which increased the life of the tool surface before the peak, and the use of an alloy with high impact strength eliminated failures due to brittle fractures. The experience of industrial operation showed that after pulse-plasma processing the tool performance increased by 2 ... 5 times.
Способ обработки позволяет разрешить противоречие между высокими требованиями к рабочей поверхности (стойкость к разгару, твердость) и не менее жесткими требованиями к прочности (ударная вязкость) деталей штампов горячего деформирования металла. Применение к одному изделию двух эффективных технологий существенно повысило работоспособность изделий (см. таблицу). The processing method allows to resolve the contradiction between high requirements for the working surface (resistance to swing, hardness) and no less stringent requirements for strength (toughness) of parts of hot deformation stamps of metal. Application of two effective technologies to one product significantly increased the performance of products (see table).
Кроме того, детали штамповой оснастки, как правило, отличаются большой массой и замена легированных сплавов с высоким содержанием вольфрама на низколегированные сплавы весьма актуальна и с позиции экономии легирующих элементов. In addition, the details of die tooling, as a rule, are large in weight and the replacement of alloys with a high tungsten content by low alloy alloys is also very relevant from the standpoint of saving alloying elements.
Предложенный способ нанесения твердых покрытий наряду с высокой производительностью обладает и такими преимуществами, как возможность автоматизации технологического процесса, снижение требований к подготовке упрочняемой поверхности. Высокоэнергетическая плазменная струя очищает и нагревает поверхность, что также снижает трудоемкость получения покрытия, повышает производительность и качество покрытия. The proposed method of applying hard coatings, along with high performance, also has such advantages as the ability to automate the process and reduce the requirements for preparing a hardened surface. The high-energy plasma jet cleans and heats the surface, which also reduces the complexity of obtaining the coating, increases the productivity and quality of the coating.
Предлагаемая обработка инструмента является ресурсосберегающей, что обусловлено низким расходом легирующих элементов и электрической энергии в сочетании с высокой производительностью до 0,5 м2/ч. Способ позволяет обрабатывать (нагревать) только рабочие (режущие) поверхности, что решает проблемы повышения износостойкости без изменения структурного состояния всего изделия.The proposed tool processing is resource-saving, which is due to the low consumption of alloying elements and electric energy in combination with high performance up to 0.5 m 2 / h. The method allows to process (heat) only working (cutting) surfaces, which solves the problems of increasing wear resistance without changing the structural state of the entire product.
Источники информации
1. А.С. СССР 1542965 МКИ С 23 С 8/78. Способ упрочнения инструмента.Sources of information
1. A.S. USSR 1542965 MKI C 23
А. С. СССР 176152 МКИ С 23 С. Способ комбинированной химико-термической обработки стальных деталей. A. S. USSR 176152 MKI S 23 C. The method of combined chemical-thermal treatment of steel parts.
А.С. СССР 1516507 МКИ С 23 С 12/00. Способ обработки инструмента. A.S. USSR 1516507 MKI S 23 S 12/00. Tool processing method.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000116949A RU2197556C2 (en) | 2000-06-26 | 2000-06-26 | Method of applying hard coatings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000116949A RU2197556C2 (en) | 2000-06-26 | 2000-06-26 | Method of applying hard coatings |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000116949A RU2000116949A (en) | 2002-06-10 |
| RU2197556C2 true RU2197556C2 (en) | 2003-01-27 |
Family
ID=20236972
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000116949A RU2197556C2 (en) | 2000-06-26 | 2000-06-26 | Method of applying hard coatings |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2197556C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2470090C1 (en) * | 2011-04-07 | 2012-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method of applying titanium carbide-based coats on titanium alloys |
| RU2518856C2 (en) * | 2010-01-20 | 2014-06-10 | АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН | Cutting tool coating composed by cutting edge and cutting tool including such coating |
| RU2806199C1 (en) * | 2022-12-27 | 2023-10-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Method for producing reactive composite coating based on titanium and aluminum |
-
2000
- 2000-06-26 RU RU2000116949A patent/RU2197556C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2518856C2 (en) * | 2010-01-20 | 2014-06-10 | АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН | Cutting tool coating composed by cutting edge and cutting tool including such coating |
| RU2470090C1 (en) * | 2011-04-07 | 2012-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method of applying titanium carbide-based coats on titanium alloys |
| RU2806199C1 (en) * | 2022-12-27 | 2023-10-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Method for producing reactive composite coating based on titanium and aluminum |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Proskurovsky et al. | Use of low-energy, high-current electron beams for surface treatment of materials | |
| US7897204B2 (en) | Method of strengthening tool material by penetration of reinforcing particles | |
| Zhang | Research on microstructure and property of Fe-VC composite material made by laser cladding | |
| US3834947A (en) | Two-stage process of surface-hardening workpieces of hardenable ferrous alloys | |
| Yu et al. | Surface finishing of die and tool steels via plasma-based electron beam irradiation | |
| Meyer et al. | Interstitial diffusion of carbon and nitrogen into heat-affected zones of 11-12% chromium steel welds | |
| RU2197556C2 (en) | Method of applying hard coatings | |
| RU2688009C1 (en) | Surface hardening method of steel part | |
| JP4989146B2 (en) | Layered Fe-based alloy and method for producing the same | |
| RU2349432C2 (en) | Cyanidation method of steel or titanic products | |
| Jumbad et al. | Application of electrolytic plasma process in surface improvement of metals: a review | |
| Barényi et al. | Material and Technological Aspects while Processing of Selected Ultra High Strength Steel | |
| Ageev et al. | Of combined electric arc coatings | |
| JP2008138223A (en) | Method for improving durability of die alloy tool steel | |
| RU2541325C1 (en) | Method of hard facing of metal items | |
| Yoshikawa et al. | Surface Treatment of Tool Steel in Controlled Plasma Nitriding Environment | |
| Skakov et al. | The formation of modified layers at high-speed steels after electrolytic-plasma nitriding | |
| SU1411102A1 (en) | Method of applying pulverulent coatings on the surface of parts | |
| CN117604460A (en) | Pulse plasma processing device and method suitable for metal material | |
| Safonov et al. | Surface hardening of iron-carbon alloys by arc quenching | |
| RU2041286C1 (en) | Method for working tool of low-carbon high-speed steels | |
| WEI et al. | Microstructure and hardness of W alloy on 45 steel by electron beam scanning | |
| JPS62188771A (en) | Surface hardening method for structural steel | |
| Heidarshenas | TiC/Cr23C6 Composite Coating on 304 Stainless Steel and Its Tribological/deteriorative Properties Investigation | |
| CN117660866A (en) | Metal surface plasma detonation treatment device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130627 |