Введение к работе
Актуальность проблемы. Реализация основных тенденций современного машиностроения - интенсификация производственных процессов, повышение производительности и экономичности, переход к ресурсосберегающим технологиям - ставит задачи по созданию новых материалов с определенным комплексом физико-механических, химических, технологических характеристик и свойств, технологий поверхностного упрочнения. Монно-плазменные технологии нанесения износостойких слоев химических соединений титана, среди которых шазменно-вакуумная технология выделяется простотой аппаратурного оформления, уникальными энергетическими потоками конденсирующихся частиц и высоким качеством наносимых покрытий, получили широкое распространение у нас в стране и за рубежом благодаря экономичности, экологической чистоте, возможности упрочнения изделий без последующей термической и механической обработки. Все возрастающим требованиям, предъявляемым к упрочняемому слою, могут удовлетворить покрытия, сочетающие в себе, наряду с высокой твердостью (не менее 20 ГПа). пластичностью, лучшие физико-химические характеристики карбидов и нитридов. Такой комплекс свойств возможно создать как нанесением карбонитридтитано-вых покрытий с заданным стехиометрическим составом, так и совершенствованием технологий получения карбидов и нитридов титана. Однако широкое их применение сдерживается недостаточной изученностью как процессов распыления материалов, так и процессов формирования структуры и физико-механических свойств упрочняющих слоев в зависимости от технологических параметров, отсутствием надежных способов и процессов их нанесения. Поэтому проведение исследований в области нанесения карбидных, нитрвдных и карбонитридных покрытий, создание оригинальных методик и оборудования для нанесения покрытий вакуумно- плазменными способами, разработка технологических процессов упрочнения изделий машиностроения, направляющих аппаратов ГТД, металлорежущего инструмента, подшипников скольжения является весьма актуальным.
Диссертационная работа является частью исследований, которые предусмотрены:
- научно-технической программой "Исследование, разработка и применение альтернативных технологий и создание новых материалов, устройств и технических решений специального назначения" (Перспектива), приказ Госкомитета РШСР по делам науки и высшей школы N 187 ЯСП от 12.03.91 г.
- межвузовской научно-технической программы "Исследование і
области порошковой технологии, 1992-1994 гг. Шифр программы - 13.5.
Приказ комитета по высшей школе Министерства науки, высшей школы v.
технической политики Российской Федерации (Миннауки РФ) от 30.06.92
г. N 390.
Цель работы. Цель работы состоит в разработке физико-химических основ и проведения исследований по получению новых плазмен-но-вакуумных процессов нанесения покрытии; изучении физики процессе распыления порошковых и компактных катодов и формирования структурь покрытий на основе карбидов, нитридов и карбонитридов титана длї создания износостойких покрытий на направляющих аппаратах ГТД, металлорежущем инструменте, подшипниках скольжения разработке технологических процессов и внедрения их в производство.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
разработать испаритель для нанесения износостойких покрытие методом злектродугового распыления порошковых катодов, выполненных из титана;
исследовать рабочие характеристики электродугового испарителя и процессы распыления порошковых катодов;
изучить влияние основных технологических параметров напыления на структуру, состав и свойства покрытий на основе нитридов, карбидов, карбонитридов титана;
исследовать процессы формирования структуры покрытий и разработать способы получения их с заданной структурой и фазовой однородностью;
разработать технологические процессы получения износостойких покрытий при распылении порошковых катодов из титана и внедрить их б производство.
Научная новизна:
разработана новая конструкция электродугового испарителя металлов, позволяющая увеличить скорость нанесения покрытии до 10 pas с высокой равномерностью, составляющей ± 7 Z ;
впервые предложена модель распыления спеченных порошковых материалов с использованием низковольтной сильноточной дуги, функционирующей в быстроперемещающихся микропятнах в условиях газодинамического ускорения плазменного потока в основании катодного пятна;
исследован процесс нанесения покрытии и определены основные параметры состояния плазменного потока (количества капельной фазы,
масеоперенос, скорость, физико-механические характеристики покрытий) ;
установлено, что покрытия из нитрида титана имеют аксиальную текстуру [1113, которая уменьшается в карбонитридтитановых покрытиях с увеличением содержания углерода и характеризуются образованием новой текстуры [1003 в покрытиях карбида титана;
получены экспериментальные зависимости изменения параметра кристаллической решетки, уровня микродеформаций, областей когерентного рассеяния от технологических параметров напыления;
установлено, что параметры кристаллической решетки в нитрид-титановых и карбидтитановых покрытиях соответствуют стехиометричес-ким составам компактных материалов, в ПСМ данный параметр лежит в пределах 0.424...0,433, который изменяется соответственно от количества содержания азота и углерода;
установлено наличие значительных микродєформацйй в покрытиях, величина которых 1.1% в Т1С. что превышает в 1,5 раза уровень микродеформаций в TIN;
осуществлен комплексный подход б решении вопроса получения износостойких покрытий, заключающийся в разработке испарителя, изготовлении порошковых катодов, процесса напыления, подготовке поверхности под напыление с целью получения материалов с заданными служебными характеристиками.
Практическая значимость работы. На основании предложенного устройства для нанесения покрытий С a.c.N 1478952) разработан технологический процесс нанесения износостойких покрытий на направляющие аппараты, металлорежущий инструмент, подшипники скольжения.
Разработаны злек-тродуговые источники плазмы, позволяющие с максимальной эффективностью и высоким качеством реализовывать результаты работы за счет расширения технологических возможностей серийного оборудования, позволяющего повысить его производительность. Новизна предложенных конструкций подтверждена авторскими свидетельствами СССР N 1367527. 1579079, 1658981, 1605576.
Эксплуатационные испытания направляющих аппаратов ГТД с нанесенными микрослойными покрытиями, состоящими из шести микрослоев нитридов и карбидов титана общей толщиной 20 мкм, на АО "Пермские моторы" показали увеличение стойкости изделий в 1,5- 2 раза по сравнению с направляющими аппаратами без покрытий. Технологический процесс нанесения износостойких антифрикционных покрытий на вкладыши подшипников скольжения внедрен на АО "МотоБшшхинские заводы".
На защиту выносятся: конструкция электродугового испарителя.
позволяющего генерировать высококонцентрированный поток плазмы и наносить покрытия с высокой скоростью и однородностью по фазовому составу"; механизм распыления спеченных порошковых материалов низковольтной сильноточной дугой, функционирующей в быстроперемещащихся микропятнах, и влияние газов на скорость распыления, рабочие характеристики злектродугового испарителя, распределение конного потока в плазме в зависимости от конфигурации торцевой поверхности катода; формирование структуры: фазовый состав, текстура, микродеформации в покрытиях из нитридов, карбидов, карбонитридов титана от технологических параметров напыления, особенности формирования аксиальной текстуры, которая зависит от напряжения смещения на подложке и содержания углерода в покрытии; особенности эрозионного изнашивания покрытий на направляющих аппаратах ГТД из карбидов и нитридов титана при различных углах атаки абразивных частиц и антифрикционных свойств нитрида титана на подшипниках скольжения; технология напыления покрытий.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Xi'l Всесоюзной научно-технической конференции по порошковой металлургии (г.Свердловск. 1989 г.). Республиканской научно-технической конференции "Электрофизические технологии в порошковой металлургии" (г.Киев, 1988 г.), Межреспубликанской научно-технической конференции "Совершенствование средств и методов расчета изделий машиностроения" (г.Волгоград, 1988 г.).
«іелду парудтла лист^ерекхрш лвлшя иверДши тЄл«а (.Г. идеСьсі, Іази
г.). Международной конференции "Упрочнение и защита поверхности газотермическим и вакуумным напылением" (г.Киев. 1990 г.). Межреспубликанской научно-технической конференции "Поверхность и новые материалы " (г.Ижевск, 1988 г.). Научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники" (г. Пермь, 1995 г.), Научно- технической конференции "Проблемы современных материалов и технологий" (Пермь. 1996 г.), Научно-технической конференции "Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хо-
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 5 авторских свидетельств.
Структура и объем работ. Диссертация наложена ка 187 страницах машинописного текста, содержит 4 табл., 51 рис. и состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 93 наименований.