Введение к работе
Актуальность темы Одним из перспективных направлений поверхностной модификации деталей машин и инструментов является ионная имплантация, то есть внедрение ускоренных ионов в твердые тела Под модификацией поверхностей методом ионной имплантации азота подразумевается процессы распыления поверхностного слоя и его насыщения имплантируемыми ионами азота
Важнейшими особенностями ионной имплантации, в отличие от других методов ионно-вакуумной обработки, являются минимальное изменение геометрических размеров изделия и возможность обработки при низкой (до 100 С) температуре, что обеспечивает исключение коробления изделия Перечисленные характеристики особенно важны для решения задачи поверхностного упрочнения маложестких деталей, мелкоразмерного инструмента В качестве результата ионной имплантации отмечено значительное повышение эксплуатационных характеристик изделий, таких как механические свойства, износостойкость, коррозионная стойкость, циклическая прочность и т д Использование азота в качестве обрабатывающего вещества, позволяет значительно воздействовать на эксплуатационные характеристики деталей, в том числе инструментов различного назначения Однако трудность применения метода ионной имплантации для поверхностной модификации связана с недостаточной изученностью процесса, связи энергии имплантируемых ионов с пробегом и их концентрации в твердом теле, а также с отсутствием методик выбора технологических режимов обработки Решение данных проблем позволит в плотную подойти к вопросу управляемости процесса формирования профиля имплантируемых ионов
Цель работы Определение и обоснование выбора рациональных условий проведения модификации поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин и инструментов при ионной имплантации азота в металлы
Задачи исследований
Моделирование физического процесса ионной имплантации азота и рассеивания материала матрицы путем разработки компьютерной динамической модели процесса, применимой к различным материалам
Теоретическая оценка проникновения азота в различные материалы
Экспериментальные исследования процесса ионной модификации эксплуатационных свойств (износостойкость, микротвердость) поверхностей образцов из материалов различных групп
Модернизация установки для комбинированного применения метода ионной имплантации азота (ИИА) с ионно-плазменным упрочнением (ИПУ), а так же системы электропитания для обеспечения стабильных параметров проведения процесса
Разработка рекомендаций по осуществлению процесса ионной имплантации азота в различные материалы деталей машин и инструмента для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств
Опытная апробация метода ионной имплантации азота
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы многофакторного эксперимента направленного на установление зависимостей
между параметрами ионной имплантации и трибологическими характеристиками материала, методы математического моделирования парного взаимодействия молекул в классической постановке задачи многих тел, компьютерного численного анализа
Научная новизна заключается в обосновании процессов удаления материала матрицы и имплантации ионов азота на основе компьютерного динамического моделирования названных процессов, с учетом отталкивания и притяжения для модельной потенциальной функции при столкновениях частиц и распределения концентрации имплантируемых атомов, в зависимости от типов материалов
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем
разработка рекомендаций по выбору режимов имплантации конструкционных и инструментальных материалов,
результаты исследований износостойкости свидетельствуют об увеличении износостойкости поверхностей конструкционных и инструментальных материалов,
модернизация установки позволяет реализовать возможность проведения комбинированного процесса «имплантация азота - формирование ионно-плазменных упрочненных слоев»,
модернизация системы электропитания установки обеспечивает стабильность параметров ионной имплантации, повышает устойчивость протекания процесса.
Апробация работы:
Диссертация и ее основные положения докладывались и обсуждались на региональных научно-технических конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2004 - 2006 гг), Всероссийских научно-технических конференциях «Современная электротехнология в промышленности России» (Тула-2005 г )
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 статей, общим объемом 2,9 п л В том числе 3 работы в ведущих рецензируемых изданиях
На защиту выносятся: математическая модель ионной имплантации азота, результаты расчетов проникновения азота в различные материалы, результаты трибологических исследований, комплекс методик исследования процесса ионного модифицирования поверхности
Объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы Объем диссертации составляет 137 страниц машинописного текста, 24 таблиц, 64 рисунка, библиографию из 117 наименований
