ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ И УПРОЧНЕНИЯ
Плазмохимическое упрочнение (PCH)  многократно повышает долговечность изделий и инструмента и является экономическим стимулом для его применения.

Микротвердость практически любых материалов используемых в производстве изнашиваемых деталей после закалки составляет порядка 5 ГПа, после азотирования - до 8 ГПа, после хромирования - до 11 ГПа, после нанесения нитрида титана - до 24 ГПа. Микротвердость алмаза - порядка 72 ГПа. Микротвердость упрочняющего нанопокрытия, наносимого при PCH, достигает порядка 52 ГПа.
Увеличение долговечности деталей связано с уменьшением коэффициента трения между трущимися поверхностями. Для пар трения он составляет: бронза по бронзе - 0,2; чугун по чугуну - 0,16; фторопласт по фторопласту - 0,05 Коэффициент трения, наносимого нанопокрытия при PCH, по стали Р6М5 составляет 0,07

Изнашиваемые детали эксплуатируются в различных агрессивных средах, поэтому химическая стойкость материала поверхности трения очень важна. Наносимое методом PCH нанопокрытие является химически инертным и взаимодействует только с плавиковой кислотой.
Поверхности после финишной абразивной обработки имеют значительное количество микродефектов. Большинство изнашиваемых деталей подвержены усталостному разрушению, которое напрямую зависит от концентраторов напряжений в поверхностном слое. После PCH кардинально изменяется топография поверхности, и залечиваются ее микродефекты, благодаря нанесению упрочняющего нанопокрытия.

Высотные параметры шероховатости Ra влияют на износостойкость поверхностей трения. После PCH высотные параметры уменьшаются, что сказывается на уменьшении количества выкрашиваемых выступов профиля, приработочного и установившегося износа.
Электромеханический износ при трении и резании негативно сказывается на долговечности деталей и инструмента.После PCH на поверхности образуется диэлектрическое нанопокрытие с удельным электрическим сопротивлением 106 Ом∙м.
В большинстве случаев после окончательной операции шлифования на поверхности создаются растягивающие остаточные напряжения, которые стремятся раскрыть существующие микротрещины и приводят к выкрашиванию отдельных частиц поверхности. После PCH в поверхностном слое металла наводятся сжимающие остаточные напряжения, которые обеспечивают условия залечивания микротрещин и тем самым противодействуют усталостному разрушению.
Адгезионный износ характеризуется схватыванием материала поверхностей в процессе трения. Наносимое нанопокрытие при PCH препятствует образованию мостиков сварки, схватыванию, налипанию материала контртела.

Известно, что маслоудерживающая способность поверхности трения является интегральным показателем, прогнозирующим сопротивляемость деталей изнашиванию и коррозии. Краевой угол смачивания индустриальным маслом поверхности термообработанной стали 45 составляет 60˚. Краевой угол смачивания маслом поверхности с нанопокрытием, нанесенным при PCH, составляет 45˚
Многие детали, работающие в условиях трения и износа, испытывают дополнительно высокие температурные нагрузки, которые сказываются на интенсификации процессов износа. Испытания на высокотемпературную воздушную коррозию в течение 10 часов при температуре 900 ˚С не выявили заметных изменений в свойствах нанопокрытия, нанесенного при PCH.
С точки зрения физики прочности с целью упрочнения поверхности целесообразно создавать условия обеспечивающие отсутствие выхода дислокаций на поверхность. Наносимое при PCH нанопокрытие является барьерным, препятствующим выходу дислокаций на поверхность.
Фреттинг-коррозия является одним из известных видов износа. Исследования нанопокрытия, наносимого методом PCH на фреттингостойкость, показало его перспективность для промышленного использования.
Выделяющийся из материалов пар трения и из окружающей среды водород вызывает ускоренное изнашивание. Масла и смазки также являются источником атомарного водорода. Нанопокрытие, наносимое при PCH, является эффективным средством борьбы против водородного изнашивания.
Материал покрытия - оксикарбид кремния в аморфном состоянии сохраняет свойства при температурах возникающих в процессах резания и штамповки (200-1
100 С) и имеет диэлектрические свойства;
Покрытие имеет высокую твердость, превышающую твердость материала инструмента при температурах резания (микротвердость порядка 3380 кгс/мм 2);
Покрытие является барьерным слоем, препятствующим схватыванию при адгезионном износе во всем диапазоне температур резания и штамповки покрытие инертно к растворению в обрабатываемом материале при высоких температурах;
Покрытие устойчиво к разрушению при значительных колебаниях температур и напряжений (выдерживает максимальные контактные напряжения до 4000 МПа возникающие при резании);
Покрытие имеет химическое сродство к материалу инструмента, определяющее высокую прочность его адгезии;
Покрытие имеет с материалом инструмента оптимальное соотношение по модулю упругости, коэффициентам Пуассона, линейного расширения, тепло - и температуропроводности;
Покрытие является инертной твердой смазкой, изменяющей масштаб и механизм разрушения при адгезионно-усталостном износе, имеет низкий коэффициент трения 0,04-0,08 (по стали ШХ15), благодаря чему обеспечивается подавление процессам наростообразования при резании и налипания при штамповке и прессовании.

Для повышения долговечности режущего инструмента и деталей технологической оснастки в промышленности применяются известные технологии нанесения износостойких покрытий: вакуумное ионно-плазменное напыление,азотирование , борирование,электроискровое легирование, плазмохимическое упрочнение (Plasma Chemical Hardening);  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.

Плазмохимическое упрочнение (PCH), как альтернатива азотированию, 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 PCH достигает порядка 1000 часов непрерывной работы.

Одной из основных особенностей PCH , 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.

Сравнительные характеристики адгезионных свойств алмазоподобного покрытия, наносимого методом PCH , 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 PCH  - 65 Н.

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. Для этой цели использовались образцы диаметром 38 мм, толщиной 12 мм из стали Р6М5, на которые наносилось алмазоподобное покрытие методом PCH 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.
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 PCH (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.

Отдельные примеры использования процесса PCH

1. Многократное повышение стойкости оснастки для стеклоформующих машин. 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 PCH . 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.

2. Упрочнение технологической оснастки, используемой и массовом патронном производстве
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 PCH.
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 PCH . 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

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 PCH . Промышленные испытания холодновысадочного инструмента после PCH  на промышленных предприятиях показали повышение его стойкости в 4-6 раз.

Использование установок для PCH  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.
Поверхность металла
до обработки
После обработки