УралТехноСтрой
E-mail: 007@utse.ru

Финишное плазменное упрочнение инструмента, штампов и пресс-форм

Тополянский Павел Абрамович,
канд. техн. наук, Генеральный директор НПФ «Плазмацентр», Санкт-Петербург

Для повышения долговечности режущего инструмента и деталей технологической оснастки в промышленности применяются известные технологии нанесения износостойких покрытий: вакуумное ионно-плазменное напыление, электроискровое легирование, финишное плазменное упрочнение (ФПУ); технологии модифицирования поверхности: лазерная и плазменная закалка.

При лазерной и плазменной закалке, проводимой в воздушной среде, возможно окисление обрабатываемой поверхности. В процессе электроискрового легирования невозможно получение тонкопленочных покрытий толщиной порядка нескольких микрометров. При вакуумном ионно-плазменном напылении температура обрабатываемых изделий при нанесении покрытия составляет 250-500оС, а толщина покрытия значительно зависит от разнотолщинности изделия и его расположения относительно испарителя.

В последнее время появилось много публикаций о применении алмазных и алмазоподобных пленок для упрочнения режущего инструмента и деталей технологической оснастки. В Германии выпущен даже специальный стандарт VOI 2840 на алмазоподобные покрытия. Реализации этих процессов основаны на использовании дорогостоящего вакуумного оборудования.

Финишное плазменное упрочнение (ФПУ) инструмента и технологической оснастки, обеспечивающее нанесение алмазоподобного тонкопленочного (до 3-х мкм) покрытия в безвакуумном пространстве при атмосферном давлении, относится к новым промышленным технологиям. Процесс упрочнения инструмента, оснастки и деталей машин происходит при интегральной температуре нагрева изделий порядка 100оС без изменения исходной шероховатости рабочих поверхностей.

Основным принципом нанесения алмазоподобного тонкопленочного покрытия, взятым за основу данной технологии, является разложение паров жидких технологических препаратов, вводимых в дуговой плазмотрон, с последующим прохождением плазмохимических реакций и образованием покрытия на изделии.

В качестве исходных веществ для получения алмазоподобного покрытия на основе оксикарбонитрида кремния используются металлоорганические и органические соединения в жидком состоянии. Расход технологических препаратов при односменной работе установки не превышает 0,5 л/год. В качестве плазмообразующего газа, используемого в дуговом плазмотроне, выбран аргон, применение которого основывается на требовании долговечности и надежности элементов плазмотрона при длительном ведении процесса. При этом стойкость катодного и анодного узла плазмотрона при ФПУ достигает порядка 1000 часов непрерывной работы.

Одной из основных особенностей ФПУ, связанной с повышенными скоростями охлаждения осаждаемого покрытия и наличием элементов-аморфизаторов, является аморфное состояние наносимого покрытия, которое имеет повышенную твердость (до 53 ГПа), высокое удельное электрическое сопротивление (1010 Ом"м), низкий коэффициент трения, обладает химической инертностью. Известно, что в аморфных материалах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллических тел. В них нет границ зерен, дислокаций, их структура гомогенна, диффузия по вакансиям более затруднительна, они изотропны. Аморфные покрытия применяются в качестве барьерных пленок, предотвращающих быструю диффузию, пассивирующих пленок, повышающих коррозионную стойкость материалов и препятствующих коррозионному растрескиванию под напряжением и водородному охрупчиванию.

Наносимое покрытие при ФПУ повторяет профиль подложки. На рис.1 показан поперечный шлиф, полученный с помощью многоцелевого

Поперечный  шлиф образца с покрытием ФПУ
Рис.1. Поперечный шлиф образца с покрытием ФПУ (хЗООО)

сканирующего (растрового) микроскопа ISM-6460LV. В покрытии отсутствуют микротрещины, несплошности, поры и другие дефекты. Формируется упрочняющее покрытие в виде оптически прозрачной пленки, которая на полированной поверхности дает интерференционную картину с радужными оттенками от фиолетово-голубого до зелено-красного цветов.

Сравнительные характеристики адгезионных свойств алмазоподобного покрытия, наносимого методом ФПУ, и покрытия нитрида титана, наносимого ионно-плазменным напылением в вакууме на оптимальном режиме на установке ННВ-6,61/11 исследовались склерометрическим методом. Основой являлась термообработанная инструментальная сталь Р6М5. В качестве индентора применялся алмазный конус Роквелла с углом при вершине 120о, передвигаемый по поверхности покрытий со скоростью 3 см/мин. Вертикальная нагрузка на индентор увеличивалась до тех пор, пока не достигалась её критическая величина, при которой покрытие полностью отделялось от подложки. Данную критическую нагрузку определяют, исследуя полученные царапины под металлографическим микроскопом. В результате проведенных исследований выявлено, что критическая нагрузка, при которой появлялись первые сколы и отслоения покрытия из нитрида титана, составляла 35 Н, а для покрытий, нанесенных методом ФПУ - 65 Н.

Субмикрорельеф рабочих поверхностей образцов (рис.2), исследовавшийся на просвечивающем электронном микроскопе

Микрорельеф поверхности до (слева) и после (справа) ФПУ (х5000)
Рис.2. Микрорельеф поверхности до (слева) и после (справа) ФПУ (х5000)

ЭММА-2 методом углеродно-серебряных реплик, показал высокооднородную характерную шероховатость, присущую поверхностям после ФПУ (в то время как субмикрорельеф поверхностей до ФПУ имеет явно выраженные многообразные следы - риски и дефекты от предшествующей абразивной обработки). Изменение топографии поверхности после ФПУ является подтверждением того, что покрытие осаждается на микродефектах поверхности, залечивая тем самым дефектные зоны, образованные при предшествующей шлифовальной операции.

Наносимое алмазоподобное покрытие, являясь диэлектриком, образует пленочный барьер, препятствующий схватыванию контактируемых поверхностей. Кроме того, это покрытие обладает повышенной коррозионной стойкостью и жаростойкостью, что подтверждается длительными испытаниями образцов на воздушную коррозию при температурах до 1000-1200оС.

Испытания на трение и износ проводилось в соответствии с ГОСТ 23.224-86 на установке СМЦ-2. Для этой цели использовались образцы диаметром 38 мм, толщиной 12 мм из стали Р6М5, на которые наносилось алмазоподобное покрытие методом ФПУ и покрытие TiN методом ионно-плазменного напыления в вакууме. В качестве контртела использовались термообработанные до твердости HRC 63 образцы из стали ШХ15. Условия контакта - трение качения с 20%
проскальзыванием со смазкой. В качестве смазки применяли индустриальное масло И-20 (ГОСТ 20779-75). Испытания проводили при частоте вращения образца 1000 мин-1 при нагрузке 1650 Н. Дня сравнения также использовался образец из термообработапной стали Р6М5.

В процессе эксперимента регистрировались значения момента трения и массового износа образцов и рассчитывались коэффициенты трения и интенсивность изнашивания.

Коэффициент трения рассчитывается по формуле; ƒ=2Mmp/D*P
где Мтр - момент трения, Нм; D - диаметр образца, м; Р - нагрузка, Н.

Получены следующие результаты исследования триботехнических свойств пар трения:

Обработка поверхности

Без покрытия

Ионио-плазменное напыление TiN

ФПУ с нанесением алмазоподобного покрытия

Интенсивность изнашивания J, 10-9 кг/м 3

6,40

4,13

3,45

Коэффициент трения f, 10-3

14.50

8,43

7.03

Таким образом, на основании испытаний на трение и износ было определено, что коэффициент трения и интенсивность изнашивания поверхностей с алмазоподобным покрытием уменьшается практически в 2 раза по сравнению с исходной поверхностью стали Р6М5 и меньше на 20%, чем покрытие TiN, нанесенное в вакууме.

Для определения качества нанесения покрытия разработан прибор контроля роста толщины покрытия в процессе ФПУ (рис.3) с использованием в качестве датчика самой плазменной струи. Прибор обеспечивает цифровую индикацию сигнала по одному или двум параллельно включенным входным каналам, вывод его текущего значения на жидкокристаллический графический экран в координатах ток-время, сохранение графического изображения значений измерительного микротока и времени в энергонезависимой памяти. Результаты измерений архивируются в энергонезависимой памяти прибора емкостью 4 Мб (более 1 млн. измерений) и могут быть перенесены на персональный компьютер.

Прибор контроля нанесения алмазоподобного покрытия
Рис.3. Прибор контроля нанесения алмазоподобного покрытия

Отдельные примеры использования процесса ФПУ.

1. Многократное повышение стойкости оснастки для стеклоформующих машин (рис.4). Оснастка для стеклоформующих машин (черновая и чистовая форма, горловое кольцо, поддон чистой формы, плунжер, коронка, донный затор, плунжерное кольцо) предназначена для формования стеклоизделий и работает в непосредственном контакте с жидким стеклом. Формование производится в интервале температур 700-1000оС, а формовая оснастка эксплуатируется в тяжелых условиях термоциклических нагрузок. Основными материалами для литейного изготовления формовой оснастки являются серые и высокопрочные чугуны.

С целью многократного повышения долговечности формовой оснастки на её рабочие поверхности наносится алмазоподобное тонкопленочное покрытие методом ФПУ. Покрытие имеет твердость порядка 52 ГПа, является термостойким и химически инертным. При этом отпадает необходимость наплавки на рабочие поверхности износостойких порошковых материалов на основе никеля.


Использование данной технологии на ООО «ТД «АзовСтекло» показало повышение стойкости формовой оснастки более чем в 5 раз.

ФПУ формы для прессования стеклянной тары
Рис.4. ФПУ формы для прессования стеклянной тары

2. Упрочнение технологической оснастки, используемой и массовом патронном производстве (рис.5)

При массовом изготовлении патронов используется большое многообразие специализированного режущего инструмента, штамповой оснастки, мерительного инструмента, изготавливаемых из инструментальных сталей и твердого сплава. Одним из основных расходуемых инструментов является формообразующая оснастка, которая испытывает высокие динамические ударные нагрузки и интенсивное трение рабочих поверхностей с обрабатываемой деталью. С целью повышения твердости поверхности инструмента, уменьшения коэффициента трения между инструментом и обрабатываемой деталью, получения на инструменте химически инертного покрытия, противодействующего образованию задиров и налипания, уменьшения параметров шероховатости рабочих поверхностей инструмента, применяется технология ФПУ.

ФПУ   вытяжной   матрицы,   используемой   в   патронном производстве
Рис.5. ФПУ вытяжной матрицы, используемой в патронном производстве

Промышленные испытания упрочненной оснастки на ОАО «Тульский патронный завод» показали повышение её стойкости более чем в 3 раза.

3. Повышение долговечности инструмента, используемого при изготовлении подшипников качения

При массовом изготовлении подшипников качения используется многообразный инструмент: режущий, кузнечный (к автомобильным линиям) инструмент полугорячей калибровки раскаткой, штамповый, высадочный, мерительный и др. Применительно к широкой номенклатуре данного инструмента предлагается использовать технологию ФПУ. С использованием этой технологии обеспечивается локальное упрочнение изнашиваемых поверхностей различного инструмента за счет нанесения
тонкопленочного (до 3 мкм) алмазоподобного покрытия. Покрытие имеет следующие свойства: твердость 52 ГПа (в большинстве случаев твердость основы инструмента составляет порядка 8-14 ГПа); низкий коэффициент трения (при испытаниях на трение и износ с контртелом из материала ШХ15 коэффициент трения составляет 0,007, при тех же условиях без покрытия коэффициент трения равен 0,015); покрытие уменьшает параметр шероховатости поверхности Rа (в зависимости от исходной шероховатости) более чем в 2 раза; сохранение твердости и внешнего вида при повышенных температурах до I000оC; отсутствие взаимодействия с любыми веществами (кроме плавиковой кислоты) за счет химической инертности.

Промышленные испытания упрочненного инструмента (высадочного и штампового) на ОАО «Волжский подшипниковый завод» показали повышение его стойкости в 4-6 раз.

4. Многоразовое повышение стойкости холодновысадочного инструмента (рис.6)

Холодной высадкой и выдавливанием из сталей и цветных металлов изготавливают метизы (болты, гайки, шурупы), различные детали универсального назначения (звездочки, шестерни и т.п.), разнообразные формообразующие детали, испытывающие значительные динамические ударные нагрузки, абразивное изнашивающее воздействие.

С целью повышения твердости поверхности инструмента, уменьшения коэффициента трения между инструментом и обрабатываемой деталью, получения на инструменте химически инертного покрытия, противодействующего образованию задиров и налипанию, для уменьшения параметров шероховатости поверхностей инструмента, применяется технология ФПУ. Промышленные испытания холодновысадочного инструмента после ФПУ на промышленных предприятиях показали повышение его стойкости в 4-6 раз.

ФПУ   холодновысадочного   инструмента
Рис.6. ФПУ холодновысадочного инструмента

Использование установок для ФПУ на промышленных предприятиях позволяет уменьшать количество изготавливаемого и закупаемого инструмента и оснастки; экономить инструментальную сталь (в связи с уменьшением количества изготавливаемого инструмента и оснастки); уменьшать объем заточных операций и количество приобретаемого шлифовального инструмента (в связи с использованием упрочненного инструмента и оснастки); уменьшать затраты, связанные с настройкой и переналадкой прессов, станков и другого оборудования, в связи с использованием более долговечного инструмента и оснастки; интенсифицировать режимы обработки и, соответственно, увеличивать производительность труда при использовании упрочненного инструмента и оснастки.

Здесь Вы можете получить подробные технические рекомендации по выбору товара