Введение к работе
Актуальность работы.
Технологии, применяемые в настоящее время в инструментальной промышленности и машиностроении, привели к освоению и широкому применению таких видов источников концентрированных потоков энергии, как плазменные технологии (разряды). Достоинствами данных методов при обработке материалов являются: высокая плотность потоков энергии; возможность регулирования давления и химической активности среды в зоне воздействия источника плазмы и в вакуумной разрядной камере; возможность ионизации инертных и реагирующих газов с целью направленной модификации поверхностных слоев.
Анализ исследований по модификации поверхности металлов и их сплавов показывает, что для формирования заданных физико-механических свойств наиболее целесообразно использовать частицы с энергией 50-100 эВ. Потоки ионов с такой энергией формируются в струйных высокочастотных (ВЧ) разрядах пониженного давления. В работе в качестве ВЧ разряда пониженного давления выбран емкостной разряд.
В настоящее время газо- и плазмодинамические процессы
взаимодействия потока плазмы ВЧ емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления с металлами и их сплавами и влияние характеристик ВЧЕ-установок пониженного давления на процессы модификации поверхности исследованы недостаточно. Свойства струйного ВЧЕ разряда с плоскими электродами изучены слабо.
Работа направлена на решение актуальной проблемы инструментальной промышленности – повышение качества, долговечности и надежности изделий с помощью одновременного улучшения основных свойств материала за счет диффузионного газонасыщения поверхностных нанослоев металлов и их сплавов воздействием струйного ВЧ разряда пониженного давления.
Работа выполнена на базе Казанского национального исследовательского
технологического университета в рамках научно-исследовательской работы по
Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2014 – 2020 годы» (Соглашение о предоставлении субсидии от 27
октября 2015 года №14.577.21.0166 по теме «Разработка технологии
получения нанодиффузионных покрытий на металлорежущем инструменте с
помощью плазмы высокочастотного разряда»), а также по плану аспирантской
подготовки на оборудовании центра коллективного пользования
«Нанотехнологии и наноматериалы».
Целью работы является исследование газо- и плазмодинамических процессов взаимодействия струйного ВЧ разряда пониженного давления при направленном формировании диффузионных покрытий с металлами, сплавами и изделиями сложной конфигурации.
Для достижения поставленной цели, в ходе работы решались следующие задачи:
1) Анализ современного состояния диагностики ВЧ разрядов пониженного
давления и анализ современных методов модификации поверхности металлов
и их сплавов;
2) Выбор и обоснование методик проведения экспериментов по
исследованию параметров струйного ВЧ разряда пониженного давления при
взаимодействии с поверхностью металлов, их сплавов и изделий из них;
3) Экспериментальные и теоретические исследования газодинамических,
энергетических и электрических параметров струйного ВЧ разряда
пониженного давления в процессах модификации поверхностных слоев
металлов и их сплавов в зависимости от параметров установки;
4) Изучение и установление закономерностей изменения свойств
поверхностных нанослоев конструкционных материалов в результате
воздействия струйного ВЧ разряда пониженного давления. Разработка
основных схем и принципиальных конструктивных решений струйных ВЧ
плазменных установок для реализации процессов формирования
диффузионных покрытий на металлах, их сплавах и изделиях сложной
конфигурации.
Методы исследований.
Исследования газо- и плазмодинамических параметров ВЧ емкостного (ВЧЕ) разряда проводились с помощью трубки Пито, калориметрирования, анализатора энергии ионов сеточной конструкции, квадроупольного масс-спектрометра, зонда Ленгмюра, магнитного зонд, СВЧ зондирование, оптоволоконных спектрометров и миниатюрного пояса Роговского.
Обработка поверхности металлов и их сплавов проводилась в плазменной ВЧЕ установке в среде инертного газа (аргон) и смеси инертного (аргон) и реагирующих газов (метан, азот) при пониженных давлениях.
В качестве объектов исследований для изучения взаимодействия струйного ВЧ разряда пониженного давления с поверхностью материала выбраны следующие металлы и сплавы: вольфрамокобальтовый сплав ВК8, быстрорежущая сталь Р6М5, конструкционная сталь 30ХН2МФА. Для решения поставленных задач в диссертационной работе применены современные методы и методики исследований.
Для определения влияния плазменной обработки на характеристики
поверхности металлов и сплавов использовались современные методы
исследований: сканирующее наноиндентирование, конфокальная лазерная
сканирующая микроскопия, оже-спектроскопия, рентгеновская
фотоэлектронная спектроскопия, рентгеновская дифракция. С помощью системы контроля качества внутренних поверхностей проведены исследования трубчатых изделий.
Проведены испытания стойкости осевого (сверла, концевые фрезы) и цилиндрического (дисковые фрезы) инструмента из быстрорежущей стали, токарных резцов на основе вольфрамокобальтового сплава.
Научная новизна работы.
1) Установлены зависимости газо- и плазмодинамических характеристик ВЧ разряда от энергетических параметров ВЧЕ-установки пониженного давления в диапазоне давлений от 10 Па до 30 Па при расходе смеси инертного и реагирующего газов от 0 до 0,1 г/ сек в процессах модификации поверхностных слоев металлов и их сплавов. Скорость потока с увеличением мощности растет, в смеси газов скорость потока плазмы уменьшается.
-
Показано, что степень модификации поверхности материалов в потоке струйного ВЧ разряда пониженного давления определяют следующие параметры плазменного потока: а) давление в разрядной камере, расход газов; б) энергия рекомбинации и энергия ионов, бомбардирующих поверхность; в) плотность ионного тока на поверхность; г) тепловой поток; д) потенциал, образующийся на изделии.
-
Установлено, что основной вклад в модификацию поверхности потоком ВЧЕ-разряда пониженного давления вносится бомбардировкой ионами, обладающими энергией от 20 до 60 эВ. После плазменной обработки метаном, азотом обнаружены высокие концентрации углерода, азота на глубине до 200 нм, что связано с формированием диффузионных покрытий на поверхности металлов и их сплавов, газонасыщением приповерхностных слоев. Дальнейшее упрочнение по глубине происходит за счет диффузии ионов газа внутрь металла. Обработка металлов и их сплавов в потоке струйного ВЧ разряда пониженного давления позволяет уменьшить шероховатость в 1,3-2,5 раза, и повысить износостойкость в 1,5-2 раза.
4) Проведенные расчеты и экспериментальные исследования
распределений скоростей, давлений и температур газа в трубчатом изделии
показали, что вследствие эффекта термофореза и скольжения за счет малой
плотности газа скорость потока в приосевой области меньше, чем у стенок.
Практическая значимость работы.
-
На основе проведенных экспериментальных исследований газодинамических характеристик потока плазмы ВЧ разряда пониженного давления установлен диапазон входных параметров ВЧ установки для проведения модификации поверхности металлов и их сплавов и параметров плазменной обработки: P=10-50 Па, G=0,02-0,06 г/с, N=0,5-1,6 кВт, t=40 мин.
-
Разработаны рекомендации по применению плазменной обработки металлорежущего инструмента в инструментальном производстве и обработки внутренней поверхности трубчатых изделий, применяемых в качестве гидроприводов в машиностроении.
-
На базе проведенных экспериментальных исследований взаимодействия потока ВЧЕ-разряда с металлами и их сплавами разработаны газодинамические процессы направленной модификации диффузионных нанослоев на поверхности металлов, их сплавов и изделий из них, позволяющие проводить полировку, газонасыщение поверхностных нанослоев с одновременным упрочнением металлических изделий, в том числе
внутренних поверхностей. При этом срок службы изделий и износостойкость увеличивается в 1,5 - 2 раза.
4. Результаты исследований использованы при выборе режимов работы опытно-промышленной установки струйного ВЧ разряда пониженного давления для обработки металлорежущего и обрабатывающего инструмента.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты исследований газо- и плазмодинамических, энергетических и электрических параметров струйного ВЧ разряда пониженного давления, ответственных за процесс модификации поверхностных слоев металлов и их сплавов: давление в разрядной камере, расход газов, потенциал на изделии, энергия рекомбинации и энергия, бомбардирующая поверхность изделия, плотность ионного тока.
-
Результаты исследований влияния ВЧ разряда пониженного давления на формирование диффузионных покрытий на поверхности металлов и их сплавов, изменение физико-механических свойств в поверхностном слое металлов, их сплавов и изделий из них, анализ изменения структурно-фазового состояния поверхности материалов, анализ глубины проникновения атомов легирующих элементов внутрь металла.
-
Результаты расчетов распределений скоростей, давлений и температур газа в ВЧ разряде пониженного давления внутри трубчатого изделия.
4) Рекомендации по применению плазменных технологий в обработке
металлорежущего и обрабатывающего инструмента и внутренних
поверхностей трубчатых изделий с целью формирования диффузионных
покрытий на их поверхности.
Личный вклад автора заключается в получении результатов, изложенных
в диссертации, выборе объектов исследования, обосновании методик
экспериментов, непосредственном участии в проведении экспериментов,
анализе, обобщении полученных экспериментальных данных и в
опубликованных в соавторстве работах.
Апробация результатов работы и публикации.
Основные результаты работы докладывались на научных сессиях КНИТУ
(Казань 2014, 2015, 2016), конференциях: Международной научной
конференции «Плазменные технологии исследования, модификации и
получения материалов различной физической природы» (Казань, 2013),
Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика
низкотемпературной плазмы» (ФНТП-2014), XLI Международная
звенигородская конференция по физике плазмы и управляющему
термоядерному синтезу (Звенигород, 2014), State-of-the-art Trends of Scientific Research of Artificial and Natural Nanoobjects: abstracts for 4th International Scientific conference (Санкт-Петербург, 2014).
Публикации. Основные результаты работы, представленные в
диссертации, изложены в 17 печатных источниках, из них 10 в реферируемых научных журналах, включенных в список ВАК; 7 в других научных журналах и в материалах конференций.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка и приложений. В тексте приведены ссылки на 168 литературных источников. Работа изложена на 191 стр. машинописного текста, содержит 64 рисунка, 17 таблиц.
Выражаю глубокую благодарность научным консультантам д.т.н., профессору Абдуллину Ильдару Шаукатовичу, к.т.н., доценту Хубатхузину Альберту Анасовичу за помощь в определении направления исследования и обсуждении результатов работы.