Среди значительного многообразия упрочняющих технологий, используемых во всём мире, особое место занимают плазменные методы нанесения функциональных покрытий, проводимые при атмосферном   давлении   без   использования сложного вакуумного оборудования, различных ванн и камер. Это в основном связано с  применением   простого  и  доступного оборудования, близкого по своей сущности к сварочному, которое практически может использоваться на любых предприятиях малого, среднего и крупного бизнеса.  Ведь  известно, что   сварочное   оборудование выпускается в большом количестве и имеется почти на каждом промышленном     предприятии. Альтернативное   дорогостоящее и сложное оборудование для вакуумного нанесения износостойких покрытий, лазерное оборудование для упрочнения и восстановления    геометрических размеров используется, в основном, специализированными фирмами, предоставляющими услуги по нанесению упрочняющих покрытий или восстановлению изношенных деталей.

При изготовлении деталей формообразующей оснастки применяются традиционные технологические операции получения заготовки, механической, термической, абразивной обработки, в отдельных случаях - химико-термической обработки или электролитического хромирования. В соответствии с чертежом, контролируемыми параметрами являются геометрические размеры, шероховатость поверхности и твёрдость, характеризующая получаемое фазовое и структурное состояние поверхностного слоя и сердцевины деталей.

Резервы свойств исходных материалов и общеизвестных технологий, используемые при изготовлении деталей формообразующей оснастки, с точки зрения повышения износостойкости, практически выбраны полностью. Одним из новых направлений на этом пути является применение современных технологий нанесения нанопокрытий.

Повышение долговечности деталей пресс-форм и другой технологической оснастки за счёт нанесения алмазоподобного тонкоплёночного (до 3 мкм) нанопокрытия в безвакуумном пространстве относится к ново¬му направлению промышленных технологий. Отличительными особенностями данного метода является минимальный нагрев изделий при обработке, составляющий порядка 100°С, использование малогабаритного и манёвренного     оборудования,  не требующего вакуума. Данный процесс упрочнения изделий, изготавливаемых с помощью традиционных методов, используется на заключительной стадии их изготовления, поэтому он назван финишным плазменным упрочнением (ФПУ).

Основным принципом нанесения алмазоподобного нанопокрытия, взятым за основу технологии ФПУ, является разложение паров жидких технологических препаратов, вводимых в плазмохимический генератор дугового плазмотрона, с последующим прохождением плазмохимических реакций и образованием покрытия на изделии.

Близким аналогом данного процесса являются физические методы осаждения покрытий из паровой фазы в вакууме (методы PVD). Но в отличие от них в процессе ФПУ покрытие образуется при температуре и давлении окружающей среды без использования вакуумных камер. Кроме того, износостойкие покрытия, наносимые в вакууме методами PVD на подложку с температурой поверхности менее 400°С, обычно имеют низкую адгезию.

В качестве источника тепловой энергии для нанесения алмазоподобного нанопокрытия при ФПУ используется плазменная струя, истекающая при атмосферном давлении из малогабаритного дугового плазмотрона, оснащённого плазмохимическим генератором. Использование такой плазменной струи предопределяет локальность воздействия, возможность упрочнения изделий любых габаритов и во всех пространственных положениях, а также гибкость в управлении.

В качестве плазмообразующего газа, используемого в оборудовании для ФПУ, выбран аргон, применение которого основывается на требовании долговечности и надёжности элементов плазмотрона и генератора при длительном ведении процесса. При этом стойкость катодного и анодного узла достигает порядка 1000 часов непрерывной работы.
Конструктивно плазмотрон имеет две автономные части. Первая часть состоит из катодного и соплового узлов, вторая часть - плазмохимический генератор, содержит анодный узел с межэлектродными вставками, узел ввода паров технологических препаратов и формирователь потока. На основе анализа свойств перспективных материалов было предложено реализовать при ФПУ нанесение покрытия на основе оптимизированного состава карбидов, нитридов и оксидов кремния. Характеристики такого покрытия близки к свойствам алмаза (высокая твёрдость порядка 52 ГПа, низкий коэффициент трения - 0,07 по стали ШХ15, химическая стойкость к кислотам и щелочам, высокое удельное электрическое сопротивление - 1010 Ом-м, прозрачность и др.)

Для условий плазмохимического осаждения такого покрытия требуется наличие в плазменной струе компонентов в ионизированном или атомарном состоянии. С целью сохранения малых габаритов и манёвренности выбранного источника тепловой энергии - дугового плазмотрона следует ориентироваться на способ подачи исходных веществ в дуговой канал в газообразном виде. Однако подача такого элемента как кремний в плазменную струю в газообразном состоянии затруднена. Его можно получать путём разложения химических соединений непосредственно в реакционной камере плазмохимического генератора с инертной атмосферой и при высокой температуре, поддерживаемой дуговым разрядом.

В качестве исходных веществ для получения покрытия на основе оптимизированного состава карбидов, нитридов и оксидов кремния целесообразно использовать металлоорганические и органические соединения в жидком состоянии, которые и применяются для ФПУ. Расход технологических препаратов при односменной работе установки не превышает 0,5 л/го д. Одной из основных особенностей ФПУ, связанных с повышенными скоростями охлаждения осаждаемого покрытия и наличием элементов - аморфизаторов, является аморфное состояние наносимого покрытия. Известно, что в аморфных материалах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллических тел. В них нет границ зёрен, дислокаций, их структура гомогенна, диффузия по вакансиям более затруднительна, они изотропны. Аморфные покрытия применяются в качестве барьерных плёнок, предотвращающих быструю диффузию, пассивирующих плёнок, повышающих коррозионную стойкость материалов и препятствующих коррозионному растрескиванию под напряжением и водородному охрупчиванию.

Наносимое покрытие при ФПУ повторяет профиль подложки и формируется в виде оптически прозрачной плёнки, которая на полированной поверхности даёт интерференционную картину с радужными оттенками от фиолетово-голубого до зелено-красного цвета в зависимости от толщины покрытия. Повышенная адгезионная прочность покрытия при ФПУ, исследованная с использованием метода вдавливания алмазного конического индентора в тело образца и оценки характера разрушения вокруг отпечатка, основана на образовании химической связи с граничным активированным слоем поверхности подложки, который в случае нанесения покрытия на инструментальные материалы состоит из оксидов железа.

Субмикрорельеф рабочих поверхностей образцов, исследовавшийся на просвечивающем   электронном   микроскопе ЭММА-2 методом углеродно-серебряных реплик, показал высокооднородную характерную топографию, 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 покрытие, являясь диэлектриком и химически инертным материалом, образует плёночный 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 1000-1200°С. Изделия с нанесённым покрытием имеют уменьшенные значения радиуса закругления выступов, высотных и шаговых параметров шероховатости поверхности. Анализ влияния наносимого алмазоподобного покрытия при ФПУ на изменение параметров шероховатости поверхностей по международному стандарту EN ISO 13565-2:1996 доказал, что процесс ФПУ ведёт к повышению несущей площади поверхности и её износостойксти по критерию Rpk+Rk.

Максимальная надёжность оборудования для ФПУ обеспечивается использованием систем диагностирования в реальном масштабе времени динамических параметров процесса, определяющих качество получаемых покрытий. Другой активно применяемой плазменной технологией является процесс заварки дефектов пресс-форм и другой технологической оснастки, реализуемый с использованием установок для микроплазменной сварки. При этом данный класс оборудования может применяться как в режиме наплавки с присадочным материалом в виде проволоки или прутка, так и в режиме оплавления заранее нанесённого покрытия. Данными методами могут устраняться поверхностный износ, брак за счёт занижения размеров и различные дефекты (сколы, трещины, вмятины, выкрашивания, задиры, царапины, забоины, запилы, поры, раковины и др.).

Процесс микроплазменной заварки дефектов может осуществляться непрерывной или импульсной дугой или плазменной струёй. В качестве присадочного материала используется проволока диаметром от 0,5 мм различных составов. Перед процессом наплавки необходимо произвести очистку зоны наплавляемой поверхности от загрязнений. Для хромированных поверхностей эти зоны необходимо зачистить, например, шлифовальным кругом. В случае поверхностных дефектов требуется произвести разделку кромок дефектных зон под наплавку.

При использовании микроплазменной установки в режиме оплавления первоначально обеспечивается нанесение порошкового покрытия любым газотермическим методом. Локальность нанесения порошкового материала обеспечивается за счёт использования специальных масок. Процесс оплавления для защиты от окисления поверхности осуществляется с использованием смеси аргона с парами жидкого специального препарата. Такая газовая смесь уменьшает пористость покрытия, обеспечивает сохранение содержания углерода в наплавленном металле, улучшает внешний вид поверхности, делая её чистой, гладкой, с плавными переходами. После оплавления порошкового покрытия материал, расплавляясь, заполняет места дефектов. Микроплазменное оплавление поверхности не требует предварительного нагрева всего изделия. Нанесённое покрытие после оплавления может иметь твёрдость от 40 до 60 HRC. Преимущество использования такой технологии обеспечивается за счёт отсутствия оплавления поверхности основного материала и локальности оплавления только нанесённого покрытия. При этом обеспечиваются минимальные зоны термического влияния и деформации основного металла. Данная технология заварки обеспечивает минимальный припуск для последующей абразивной обработки.

Поверхности, на которых после восстановления геометрических размеров отсутствует хромовое покрытие, могут быть упрочнены с использованием процесса ФПУ. Использование рассмотренных ресурсосберегающих плазменных технологий способствует снижению количества покупаемых и изготавливаемых деталей, увеличению производительности труда за счёт уменьшения времени простоев оборудования для переналадки и настройки, уменьшению количества брака при производстве изделий.

Тополянский П.А., к.т.н., ген. Директор НПФ «Плазмацентр», Санкт-Петербург

Мир Пластмасс