СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
HARD-FACING OF STEEL PARTS

Предлагаемое изобретение относится к инструментальному производству, а именно к технологиям упрочнения формообразующих поверхностей стальных матриц и пуансонов чеканочных прессов, и может быть также применено для упрочнения других стальных деталей.
Известен способ упрочнения деталей на примере стали 38ХМЮА [а.с. 1766970 СССР, C21D 1/06. Способ упрочнения деталей / А.В. Петухов и В.П. Токмаков, №484588 2/02; заявл. 02.07.1990; опубл. 07.10.1992, бюл. №37. - 2 с.], включающий обработку поверхности изделия плазменной струей с целью повышения износостойкости деталей за счет создания упрочненного пористого слоя на их поверхности.
Недостатком способа является создание на стальных деталях, обрабатываемых плазменной струей, упрочненного поверхностного пористого слоя, который, именно по причине наличия пористости, не допускает возможности применения таких деталей при воздействии на их поверхность ударно-срезающих нагрузок, например, при их применении в качестве штампового инструмента, так как при этом пористый слой будет разрушаться.
Наиболее близким по технической сущности является способ создания на поверхности конструкционных материалов покрытий с защитными и другими функциями методом плазменного напыления порошков, описанным в книге: «Нанесение покрытий плазмой» / В.В. Кудинов, П.Ю. Пекшев, В.Е. Белащенко, О.П. Солоненко, В.А. Сафиуллин. - М.: Наука, 1990. - 408 с.
Недостатки способа связаны с применением в технологии плазменного напыления поверхности именно порошков, что выражается:
1) в неоднородном распределении частиц порошка в потоке транспортирующего газа вследствие отличающихся размеров (стр.27-28);
2) в нестационарности потока порошкового материала, причинами которой может являться импульсная работа дозатора порошка, подающего порошки в порошковый провод дискретными порциями (стр.28);
3) в неоднородном распределении частиц порошка по скоростям и концентрациям при движении газодисперсного потока в порошковом проводе и инжекторе, что приводит к неоднородности условий инжекции частиц в плазму, что, в конечном счете, сказывается на структуре материала, формируемого на поверхности изделия (стр.30);
4) в том, что при образовании покрытия последовательной укладкой множества деформирующихся порошковых частиц, обладающих разной температурой, скоростью, агрегатным состоянием и массой, происходит формирование чешуйчатого напыленного слоя с зернистыми включениями и порами (стр.273-302).
Перечисленные недостатки не способствуют надежной эксплуатации изделий, обработанных плазменно-порошковой технологий, особенно при ее применении для обработки рабочих поверхностей штампового инструмента.
Задачей изобретения является упрочнение поверхности стальных изделий с целью повышения их эксплуатационных характеристик с использованием плазменной технологии, но без применения порошков.
3
Поставленная цель достигается тем, что упрочнение поверхности стальных изделий производится с помощью плазменной струи, в которую вводятся пары кремнийорганического соединения тетраметоксилана кремния Si(OCH)4.
Пример. Технологию упрочнения отрабатывали при обработке рабочих поверхностей матриц и пуансонов чеканочных прессов, изготовляемых из инструментальной углеродистой стали У8, которые применяются при производстве из конструкционных легированных сталей хромистой 40Х и хромованадиевой 40ХФА «ключей гаечных двусторонних» с размером открытого зева в диапазоне от 10×12 до 22×24 мм.
При изготовлении «ключей гаечных двусторонних» применяются чеканочные кривошипно-коленные прессы с усилием 400…1000 тс, с помощью которых доводится конфигурация ключей.
При этом стали, из которых изготовляют ключи (40Х и 40ХФА), обладают высокими прочностными характеристиками, в связи с чем поверхности формообразующих вставок, устанавливаемых в матрице и пуансоне чеканочного пресса, подвергаются повышенному износу, проявляющемуся в виде возникновения на первом этапе поверхностных микротрещин, что какое-то время еще допускает возможность работы, однако затем при дальнейшей эксплуатации они превращаются в макротрещины, что приводит к их преждевременному выходу из строя.
3
С целью упрочнения рабочих поверхностей формообразующих вставок была использована одна из упрочняющих технологий - плазменное силицирование. В основе разработанной производственной технологии лежит процесс плазмохимического осаждения на поверхности изделия и внедрения в нее атомов (наночастиц, кластеров), кремния из газовой фазы. В качестве источника тепловой энергии и транспортного средства для переноса продуктов диссоциации паров кремнийорганического соединения тетраметоксилана кремния Si(OCH)4 к подложке (т.е. к поверхности формообразующих вставок) использовалась струя аргоновой плазмы, генерируемая ВЧИ-плазмотроном.
3
3
Установка для выполнения технологии упрочнения состоит (Рис.1) из: питателя аргона 1; термостата 2; емкости 3, содержащей кремнийорганическую жидкость; трубки 4, предназначенной для подачи смеси плазмообразующего газа (аргон) с парами кремнийорганического соединения тетраметоксилана кремния Si(OCH)4; газооформителя 5; высокочастотного индуктора 7; обрабатываемого изделия 9 и стола-манипулятора 10. В процессе работы в центральном объеме устройства формируется плазмоид 6 и струя 8 низкотемпературной плазмы, содержащая пары тетраметоксилана кремния Si(OCH)4.
3
В качестве плазмообразующего газа использовали аргон. Источником упрочняющего материала - кремния - служило кремнийорганическое соединение - тетраметоксилан кремния Si(OCH)4.
Рабочая частота, создаваемая ВЧИ-генератором, составляла 1 МГц при потребляемой мощности в пределах 35…40 кВт. Скорость плазменного потока (ламинарный), имеющего температуру 8773 К, находилась в пределах 25…30 м/с. Диаметр пятна прижога в области контакта плазменной струи с обрабатываемой поверхностью на расстоянии 45…60 мм от среза сопла плазмотрона до поверхности составлял около 60 мм.
3
3
3
Смесь газа-носителя аргона с парами тетраметоксилана кремния Si(OCH)4 готовилась в герметически закрытой металлической термостатированной (-363 К) емкости, в которой находился жидкий тетраметоксилан кремния Si(OCH)4 и через которую с помощью заглубленной трубки барботировал аргон. Эта газообразная смесь подавалась в газооформитель плазмотрона, и дальше в образующийся внутри него плазмоид, где и происходило разложение тетраметоксилана кремния Si(OCH)4 с выделением атомарного кремния. Поток плазмы, несущий атомы кремния, на высокой скорости соударялся с поверхностью обрабатываемого изделия, в результате чего и происходило ее упрочнение.
Обрабатываемые матрицы и пуансоны устанавливались в тиски стола-манипулятора, который в процессе обработки совершает в автоматическом режиме возвратно-поступательные перемещения в горизонтальной плоскости с заданной скоростью. Перед упрочняющей обработкой поверхность деталей обезжиривали ацетоном, а в случае необходимости с нее предварительно удаляли окисную пленку.
В результате плазменного силицирования (в течение 40…50 с за 3…4 прохода) полированных рабочих поверхностей матриц и пуансонов, изготовленных из инструментальной стали У8 и применяющихся для чеканки стальных деталей, срок их службы увеличился в 2,8 раза (с 6000 до 17000 ударов) по сравнению с неупрочненными этим способом матрицами и пуансонами.