Введение к работе
Актуальность темы. Повышение эффективности производства и качества продукции в машиностроении неразрывно связаны с внедрением ресурсосберегающих, малоотходных технологий. В этом аспекте, принимая во внимание дефицит высококачественных вольфрамсодержащих инструментальных материалов, а также трудности технологического плана, возникающие при его изготовлении, большое значение приобретают методы создания поверхностных слоев с улучшенными эксплутационными характеристиками. К настоящему времени разработано большое количество методов модифицирования поверхности. Однако, ни один из них не позволяет решить всю совокупность проблем, которые ставит современное машиностроение. Поэтому разработка новых технолошческш процессов получения утгрочняющігх покрытий, по-прежнему, остается актуальной задачей.
Успехи, достигнутые в конструировании генераторов низкотемпературной плазмы и в том числе высокочастотных индукционных (ВЧИ) плазмотронов, создали предпосылки для использования плазменных потоков в различных технологических процессах. Работами Дресвина СВ., Полака Л.Д. и др. была показана возможность получения различных покрытий в плазме при атмосферном давлении. Плазмохшшческий синтез при атмосферном давлении и напыление слоев заданного состава позволяет ожидать приобретение ими свойств, недостижимых при нанесении покрытий традиционными дуговыми или вакуумными методами. Вместе с тем, благодаря наличию большого числа факторов, влияющих на плазменные процессы, пока не существует общепринятых рекомендаций по выбору оптимальных конструкций реакционных камер или параметров технологий нанесения покрытий. Кроме того, определение наиболее перспективных для плазмохимической обработки групп инструментов невозможно без выяснения влияния плазменного воздействия на прочностные характеристики инструментальных материалов и свойства получаемых пленок.
Цель работы и задачи исследования.
Цель работы - разработка технологии нанесения крем-нийсодержащнх покрытий в потоке низкотемпературной плазмы атмосферного давления, генерируемой высокочастотным индукционным плазмотроном, для упрочнения инструментальных материалов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Разработать оптимальную конструкцию реакционно-разрядной камеры ВЧ-плазмотрона, применимую для воспроизводимого нанесения кремнийсодержащих покрытий.
-
Выявить кинетику получения покрытий с преимущественным содержанием карбида кремния для выяснения механизмов образования покрытий и оптимизации технологических процессов.
-
Установить физико-химические свойства получаемых слоев в зависимости от режимов напыления.
-
Определить зависимость прочностных характеристик и структуры инструментальных материалов от режимов плазменного воздействия.
-
Провести стойкостные испытания инструмента с покрытием и разработать рекомендации по внедрению плазмо-химического упрочнения в производство.
Методы исследования. Применяемые в работе методы исследований включали: ИК-спсктроскопию с использованием спектрометра UR-20; ультрамягкую рентгеновскую эмиссионную спектроскопию на приборе РСМ-500; Оже-электронную спектроскопию на Оже-спектрометре Auger chart 07400; метод дифракции электронов высоких энергий на элсктронографе ЭМР-100. Рентгсноструктурный анализ проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3; дюромстрические исследования - с использованием твердометра ПМТ-ЗМ; шероховатость поверхности определялась по стандартным методикам с помощью профилографа-профиломстра модели 201 и профи-лометра с унифицированной электронной системой модели 283.
Использование современных приборов, оборудования, методик исследований и анализа для решения поставленных в дис-
ссртации задач позволило обеспечить достоверность полученных результатов.
Научная новизна. Проведено комплексное изучение процессов плазмохимического синтеза кремнийсодержащих соединений в высокочастотной плазме газового разряда.
Изучено влияние физико-химігческих факторов на качество и воспроизводимость процесса нанесения покрытий SiC в плазменном потоке при атмосферном давлении.
Разработана технология и конструкция реакционно-разрядной камеры (РРК) плазмотрона, позволяющая получать пленки SiC и их композиции с воспроизводимостью, обеспечивающей перспективность промышленного освоения процесса.
Практическая значимость работы. Полученные результаты имеют научное и практическое значение:
разработаны физико-химические основы взаимодействия потоков низкотемпературной плазмы с поверхностью металлов с целью создания упрочняющих кремнийсодержащих покрытий;
предложено 3 принципиально новых способа сіштеза карбида кремния, а также технологические регламенты их получения.
Реализация результатов работы. Разработанный технологический процесс улучшения эксплуатационных характеристик поверхности нанесением пленок SixO N.C получил применение на ряде предприятий її удостоен серебряной медали ВДНХ СССР. Технологические приемы, материалы, предложенные на основе проведенных исследований, защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретения и патентом РФ.
Основные положения, выносимые на зашиту:
новая конструкция реакционно-разрядной камеры плазмотрона для нанесения пленок SiC;
кинетические закономерности процессов нанесения кремнийсодержащих покрытии и влияние на них дополнительно вводимых в плазму графита и паров Н20;
результаты исследований состава и структуры получаемых покрытий, их зависимости от параметров процесса;
закономерности плазменного воздействия на состояние поверхностных слоев металлической подложки;
технология получения кремнийсодержащих пленок, позволяющая улучшить качество инструмента и его режущие свойства;
результаты технологических и конструкторских разработок, выполненных на основе проведенных исследований и используемых в производстве.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: III Всесоюзной конференцій! "Неорганические стекловидные материалы и пленки на их основе" (г.Москва, 1983 г.), республиканской конференции "Повышение эффективности внедрения новых технологических процессов в металлообработке (г.Курск, 1984 г.); Всесоюзной конференции "Интснсифюсация технологических процессов механической обработки"(гЛснгшград, 1985 г.); VIII Тамбове кой областной научно-технической конференции по спектроскопии (г.Тамбов, 1987 г.); научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии-89" (г.Курск, 1989 г.); VII Международной конференции по инструменту (г. Miskolc, Hungry, 1989 г.); седьмой отраслевой научно-технической конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (г.Махачкала, 1990 г.); республиканской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии" (г.Курск, 1991, 1997 г.г.); Всероссийской научно-технической конференции "Современная электротехнология в машиностроении" (г.Тула, 1997 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники. Сварка-97" (г.Воронеж, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения СССР, 1 патент РФ; результаты исследований отражены также в 3-х отчетах по научным темам, прошедшим государственную ре-гастрацию.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 158 страниц машинописного текста, рисунков - 54, таблиц - 37, список литературы содержит 126 наименований, приложения на 5 страницах.
