Комбінована плазмово-іонна обробка з використанням ефекту локального підвищення густини струму магнетронним розрядом

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО

ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ

АВТОРЕФЕРАТ

КОМБІНОВАНА ПЛАЗМОВО-ІОННА ОБРОБКА З ВИКОРИСТАННЯМ ЕФЕКТУ ЛОКАЛЬНОГО ПІДВИЩЕННЯ ГУСТИНИ СТРУМУ МАГНЕТРОННИМ РОЗРЯДОМ



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Костюк Геннадій Ігорович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, завідувач кафедри робототехніки.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, с.н.с. Хороших Володимир Максимович, Національний науковий центр “ХФТІ”, м. Харків, завідуючий відділом;

кандидат технічних наук, професор Зубарь Володимир Петрович, Національний технічний університет “ХПІ”, м. Харків, професор кафедри.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, 61070, м. Харків, вул. Чкалова 17.

Автореферат розісланий “ 8 ” травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М. Застела



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Нині в світі проводять багато досліджень в області плазмово-іонних технологій. Багато фірм впровадили ці технології в виробництво. Фірми nixis, Bodycoat Grop з дочірними фірмами Ionbond Eifeler, Cen, Platit, Sandvik Coromant, Kennametal, Kyocera використовують традиційні технології нанесення карбідів, нітридів та оксидів, правда, починають використовувати і складні одно- і багатошарові покриття нітридів, карбідів, карбонітридів декількох металів, в результаті цієї обробки вони одержують підвищення стійкості, яке досягає 10-20 хвилин для чорнового і напівчорнового різання.

У країнах СНД займалися плазмово-іонними покриттями ХФТІ, ВНІ EТО, НВО Eлектротерм, Саратов, ЦНДТІ, НПП Ротор та інші. Процесами нанесення покриттів займалися такі дослідники, як Аксьонов І.І., Верещака О.С., Внуков Ю.І, Костюк Г.І., Кривобоков В.П., Андрєєв А.А., Мацевитий В.М., Мєсяц Г.А., Романов А.А., Толок В.Т., Хороших В.М. На цей час досягнуто такі результати: підвищення стійкості різального інструменту 3 - 3.5 рази; загальної зносостійкості 2.7 - 3.2 рази; корозійної стійкості до 2 разів. Ці результати отримані за допомогою плазмово-іонних технологій. Але ці технології мають ряд недоліків. Основний недолік цих технологій - це просторова нерівномірність обробляючого потоку, яка призводить до утворення покриттів з різною товщиною. Іншим недоліком плазмово-іонних технологій є залежність властивостей покриттів від температури підкладки під час їх формування. Тому, вдосконалення плазмово-іонних технологій - актуальна задача. Основні напрямки для вдосконалення цих технологій це можливість керування температурою та просторовою нерівномірністю обробляючого потоку. До того ж вдосконалення треба проводити на існуючому обладнанні для запобігання підвищення собівартості виробів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась за пріоритетним напрямком "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" секція 13 "Аерокосмічна техніка і транспорт", за науково-дослідною роботою "Створення фізико-технічних основ підвищення якості матеріалів покриттів аерокосмічних конструкцій", ДР 0103004034 та госпдоговірними темами і договорами про співдружність.

Мета і завдання дослідження. Розробити електрофізичний модифікований метод формування плазмово-іонних покриттів з використанням ефекту локального підвищення густини струму магнетронним розрядом для нанесення якісного рівнотовщинного покриття на ріжучому інструменті для ефективної чорнової токарної обробки високоміцного чавуна.

Об'єктом дослідження є комбінована система, яка поєднує у собі два різних джерела іонізації, та застосовується для керування розподілом густини іонного струму на підкладку.

Предмет дослідження - вплив системи схрещених електричного та магнітного полів на якість покриттів осаджених на різальний інструмент.

Методи дослідження. Для вирішення запропонованих задач в дисертаційній роботі використаний комплексний метод досліджень. Теоретичні дослідження фізичних характеристик поверхневих процесів виконувалися на базі основних положень фізичної хімії та теорії твердого тіла. При моделювання характеристик іонного потоку були використані основні положення фізики плазми. Дослідження теплових процесів на поверхні під час конденсації покриття виконувались на базі основних положень теорії теплопровідності. Під час дослідження розробленої математичної моделі формування структури та якісних характеристик широко використовувались методи обчислювального експерименту.

Експериментальні дослідження проводились у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» з використанням оригінальних пристроїв та стандартної контрольно-вимірювальної апаратури та мали кілька етапів:

вивчення параметрів іонного потоку на підкладку під час використання пристрою магнетронного типу;

вивчення параметрів іонного потоку на підкладку під час сумісної роботи дугового джерела та джерела магнетронного типу;

визначення ефекту від сканування системою схрещених електричного та магнітного полів вздовж підкладки з деталями;

аналіз зміни стійкості інструменту, під час чорнової токарної обробки високоміцного чавуна, в залежності від технології нанесення покриття.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вдосконалено математичну модель формування потоку плазми для утворення якісного покриття на деталях; теоретично доведена залежність мікротвердості та адгезії покриттів від температури підкладки; врахований наноструктурний фактор;

- розроблена модель розрахунку додаткового джерела іонізації; за допомогою цієї моделі (вперше) доведена можливість використання джерела магнетронного типу для додаткової іонізації реактивного газу та додаткового фокусування металевої плазми вакуумного дугового джерела, а також розраховані технологічні параметри комбінованої технології;

- досліджено взаємодію потоків плазми утворених різними за принципами джерелами та їх поведінку в умовах стаціонарних та рухливих магнітних полів;

- виявлено, що використання джерела магнетронного типу дозволяє керувати густиною іонного струму на підкладку, що в свою чергу дає змогу керувати ії температурою під час росту покриття;

- запропонована технологія зі скануванням магнітним полем дозволила вирівняти просторову нерівномірність потоків плазми з вакуумного дугового джерела, та забезпечити рівномірність густини струму на підкладку - це дало можливість отримати рівнотовщинні покриття.

Практичне значення одержаних результатів:

- за рахунок розробленої моделі з'явилася можливість прогнозувати мікротвердість та адгезію покриттів в залежності від температури підкладки та винайти раціональні температури нанесення покриттів;

- модель розрахунку додаткового джерела іонізації дозволяє прогнозувати температуру підкладки під час нанесення покриттів, а також параметри та склад плазми біля підкладки;

- експериментальні дослідження довели можливість керувати потоками плазми з різних джерел за допомогою керування системою схрещених електричних та магнітних полів;

- на основі проведених досліджень розроблено технологічний процес «КІБ+магнетрон+сканування»; доведено, що використання сканування магнітним полем вздовж підкладки з деталями дозволяє вирівнювати просторову неоднорідність густини іонного струму; використання схрещених електричного та магнітного полів дає змогу керувати параметрами потоку плазми біля підкладки, для створення покриттів із заданими фізико-механічними властивостями, а також керувати температурою покриття під час росту;

- результати дослідження дозволяють запропонувати та реалізувати комбіновану схему нанесення рівнотовщинного покриття із заданими властивостями, завдяки застосуванню двох джерел іонів (дугового та магнетронного), а також скануванню магнітним полем вздовж підкладки;

- на основі досліджень рекомендовані раціональні режими різання для операції чорнової токарної обробки міцного чавуна, які забезпечують максимальний об'єм знімаємого матеріалу за термін стійкості ріжучого інструменту;

- за рахунок розробленої технології підвищена ефективність використання покриттів TiN на багатогранних твердосплавних пластинах із сплаву ВК8 для операції чорнової токарної обробки міцного чавуна. Ця технологія дозволяє підвищити стійкість ріжучого інструменту в 2,8 рази порівняно з пластинами без покриття та на 30% порівняно з пластинами обробленими за стандартною технологією конденсації в умовах іонного бомбардування;

- запропонована технологія дозволяє використовувати магнетронне джерело на етапі іонної очистки, що дозволяє економити матеріал катоду;

- запропонована технологія дозволяє розширити можливості керування процесом нанесення покриттів, без суттєвої зміни конструкції обладнання та отримати значний економічний ефект.

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертаційної роботи отримано особисто автором або за допомогою наукового керівника. В опублікованих роботах [3, 4, 5, 11] автору належать основні ідеї теоретичного дослідження, результати розрахунків адгезії та мікротвердості. При проведенні експериментальних і теоретичних досліджень [1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13] у дисертацію ввійшли тільки ті дослідження, що були проведені автором.

Апробація результатів дисертації. Основні положення розділів дисертації та ії практичні результати доповідались автором на X, XI, XII, XIV, XV та XVI міжнародних конференціях «Нові технології у машинобудуванні» Харків-Рибаче, 2001, 2002, 2003, 2004, 2006, 2007 рр. та на семінарах кафедри.

Публікації. Основні результати роботи опубліковані у 31 наукових виданнях: 18 статтях (з них 13 статей у фахових виданнях ВАК та 5 статей у закордонних виданнях) та 13 тезах міжнародних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел, викладена на 173 сторінках друкованого тексту, у т.ч. основний текст на 153 сторінках, містить 3 таблиці, 83 ілюстрації, перелік цитованої літератури зі 121найменування та 5 додатків.



Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та наукові задачі, сформульовано мету та задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, а також представлено інформацію щодо апробації, структури та обсягу роботи.

У першому розділі подано порівняльний аналіз існуючих технологій, що використовують потоки іонів та плазми, їх основні характеристики та технологічні можливості. Встановлено, що іонні технології мають ряд переваг: можливість створення поверхневих шарів при температурах, що дозволяють застосувати їх до деталей, які пройшли повну термічну обробку; можливість отримання метастабільних з'єднань, чистота процесу; в перспективі - великі можливості плазмохімії. Була відмічена ефективність нанесення покриттів, на поверхні деталей, які підлягають високим навантаженням, а також на поверхні, на які діє агресивне середовище. Відмічено, що зараз ці технології наблизились до найбільш можливих для них якісних характеристик, і подальше суттєве їх підвищення можливе тільки за умовою застосування комбінованих технологій.

Запропонована комбінована технологія є суттєвим синтезом технології осадження покриттів за методом конденсації з іонним бомбардуванням (КІБ) та технології магнетронної обробки. В основу дослідження було покладено припущення про можливість використання магнітного поля для додаткової іонізації газу в камері та управління потоками іонів.

Результати аналізу, проведеного в першому розділі, опубліковані в роботах [1, 2, 3, 6, 7, 8, 10, 12, 13, 22, 23, 28, 29, 31].

У другому розділі були розроблені та досліджені дві теоретичні моделі для визначення вимог до обробляючого іонного потоку.

За допомогою моделі формування плазмово-іонного покриття розраховано температурний режим підкладки, на якій формується покриття, структуру та хімічний склад покриття, що забезпечує необхідну мікротвердість та адгезію покриття. Модель також враховувала хімічний склад плазми. У залежності від начальних даних модель також дозволяла визначити розмір зерна формуючого покриття. Вона дозволяє прогнозувати мікротвердість та адгезію покриття.

Система рівнянь моделі дозволяє розрахувати функцію розподілу розмірів зерен покриття яке формується на поверхні підкладки під час конденсації з іонного потоку.

Для оцінки мікротвердості покриття використовувалась формула:

HB_B = PB_metBHB_metB + (1-PB_metB)HB_cemB, (1)

де PB_metB - ймовірність осадження на підкладку іона метала без утворення хімічної сполуки з атомами реактивного газу; HB_metB - мікротвердість металевого покриття; HB_cemB - мікротвердість хімічної сполуки, що утворюється на поверхні підкладки у разі реакції між іоном метала та атомом реактивного газу в об'ємі вакуумної камери.

Мікротвердість хімічної сполуки залежить від твердості самої сполуки HB_cem0B, ймовірності утворення сильних (хімічних) зв'язків між зернами покриття (спікання) PB_cem-csB та відносної товщини границь зерен покриття PB_strB:

. (2)

Ймовірності, в свою чергу, записуються у вигляді

; ; , (3)

та залежать від відстані між катодом джерела плазми та підкладкою l; довжини вільного пробігу між зіткненнями з утворенням хімічного зв'язку B_cemB; часу осадження покриття tB_kondB, товщини границі зерна , розміру зерна dB_0B та швидкості хімічної реакції p:

(4)

де B_0B - частота коливання атомів кристалічної решітки (B_0B 510P^12P сP^-1P);

T - температура конденсата, - енергія активації (енергія утворення хімічного зв'язку).

Для оцінки адгезії покриття використовувалася формула:

, (5)

де - відносний структурний параметр конденсації, _ середній радіус дії адгезійних сил; с - коефіцієнт; aB_{l B}- порядок кристалічної решітки матеріалу покриття; - енергія взаємодії іона метала з атомами матеріалу підкладки:

B_iaB = PB_{fhys aB}B_{a physB} + PB_{cem aB}B_{a ceB}. (6)

Енергія залежить від ймовірності утворення Ван-дер-ваальсового або хімічного зв'язку (PB_{fhys aB}, PB_{cem aB}) та енергій цих зв'язків (B_{a physB}, B_{a ceB}).B

Аналітичне рішення рівнянь системи та прогнозування мікротвердості та адгезії неможливо, тому був розроблений пакет прикладних програм, що дозволив виконати чисельний розрахунок.

На основі розрахунків структур росту розраховані мікротвердість та адгезія для осадження нітриду титану в продовж 25 хвилин. Розрахована залежність мікротвердості покриття нітриду титану від температури підкладки наведена на рис. 1(а).

З нього видно, що мікротвердість найбільш інтенсивно збільшується у діапазоні температур з 550 до 800 К. Далі мікротвердість зменшується , що зумовлено збільшенням розмірів зерна покриття та пов'язане з цим зменшення відносного об'єму границь між зернами.

Під час розрахунків адгезії покриття враховувався шар змішаних атомів підкладки та покриття, що формується під час іонного бомбардування підкладки на етапі іонного очищення. Враховувалось різне співвідношення енергії взаємодії атомів речовини покриття B_bB/B_iaB між собою та взаємодії атомів речовини покриття (B_bB) з атомами підкладки (B_iaB). Це співвідношення може змінюватися в залежності від ступеню взаємодії покриття з підкладкою (можливість формування хімічного, металічного або Ван-дер-ваальсового зв'язку).

Розрахунки, підтверджені експериментальними даними, вказують на необхідність підтримання температури формування покриття близько 800 К. Для цього необхідно підводити до підкладки тепловий потік потужністю 50000 Вт/мP^2P.

Оскільки існуючі методи формування плазмово-іонних покриттів не можуть забезпечити необхідну потужність іонного потоку, використовуються різні додаткові засоби: тривалий розігрів підкладки під час іонного очищення, резистивний підігрів тощо.

В роботі запропонований альтернативний метод - обробка підкладки на етапі осадження додатковим потоком іонів. Для цього використано магнетронне джерело плазми, розташоване під підкладкою. Потік плазми від дугового джерела плазми потрапляє в область схрещених електричного та магнітного полів, утворених магнетронним джерелом та підкладкою. Додаткове підвищення тиску реактивного газу та його іонізація в несамостійному магнетронному розряді за рахунок замагнічених електронів від дугового джерела плазми генерує додатковий потік іонів реактивного газу для підігріву підкладки.

Для перевірки цього припущення була розроблена модель формування потоку плазми під час взаємодії плазми дугового джерела з поперечним магнітним полем. В результаті моделювання були визначені режими, потенційно придатні для генерації додаткового потоку іонів з питомою потужністю 50000…80000 Вт/мP^2P та енергією іонів 200 эВ. При цьому розраховується густина струму додаткового джерела плазми 250…400 А/мP^2P, а щільність плазми (4…6)10P^16P мP^-3P. Розрахункова схема моделі наведена на рис. 2.

Основні рівняння моделі:

- концентрація плазми та атомів нейтрального газу розраховувались згідно з рівнянням неперервності:

; , (7)

з граничними умовами на аноді:

; , (8)

де n, nB_aB - концентрації плазми та атомів газу, VB_iB, VB_0B - швидкості іонів та атомів;

kB_iB - швидкість іонізації; PB_aB - тиск газу в камері; TB_aB - темература газу;

- енергія та рухомість електронів:

; , (9)

де E - електричне поле; - енергія іонізації атома; ()B_netralsB - частота іонізації; - циклотронна частота електрона; - частота зіткнень електронів: пружних зіткнень з атомами (B_mB)B_netralsB та зіткнень з турбуленціями поля (B_mB)B_flctationsB:

B_mB = (B_mB)B_netralsB + (B_mB)B_flctationsB = (B_mB)B_netralsB + B_BB. (10)

електричне поле знаходилось за допомогою рівнянь неперервності (7)

(11)

додаванням граничної умови

, (12)

де B_CMB - потенціал підкладки відносно катоду; d - відстань між анодом та катодом.

Також розраховувались параметри електромагніту магнетронного джерела плазми. Подача реактивного газу з тиском 0,04 Па та подача негативного потенціалу 250 В та включення дугового джерела плазми, що подає на вхід системи (анод) плазму з густиною потоку 90 А/мP^2P, генерує потік плазми до 300 А/мP^2P у проміжку між анодом та катодом. У порівнянні з типовою технологією КІБ підвищення щільності іонного струму складає 200 А/мP^2P. Залежності щільності атомів реактивного газу та щільності плазми в залежності від відстані до аноду наведені на рис. 3(б) та 3(в). На рисунках нуль осі абсцис відповідає аноду.

За результатом чисельного моделювання підібрані параметри технологічного обладнання для реалізації процесу осадження покриття в присутності додаткового магнітного поля:

тиск реактивного газу 0,04 Па;

напруга негативного зміщення на підкладку 250 В;

магнітне поле біля підкладки 0.035 Т.

Підібрані параметри дозволяють отримати потужність теплового потоку 75000 Вт/мP^2P, що підводиться до підкладки, та були опорною точкою для експериментальної перевірки режиму обробки.

Дані, що приведені в другому розділі, опубліковані в роботах [2, 5, 10, 11, 16, 21, 30].

У третьому розділі були проведені експериментальні дослідження плазми в схрещених електричному та магнітному полях.

Для етапу іонного очищення досліджувався самостійний стаціонарний розряд циліндричного магнетрону.

Схема експериментального обладнання наведена на рис. 4. Використовувалась комбінація вакуумно-дугового джерела плазми та аксіальної магнітної системи з електромагнітом. Вісь циліндричного катоду співпадала з віссю магнітного поля. Катод (колектор іонного струму) являв собою трубу немагнітної сталі, діаметр якої був 120 мм, довжина - 600 мм. Магнітне поле створювалось за допомогою електромагніта. Під час подання негативного зміщення на підкладку виникає система схрещених полів - радіального електричного та продольного магнітного, що забезпечує азимутальний дрейф електронів. Зміна току електромагніта дозволяла підбирати необхідну величину магнітного поля для досягнення максимального іонного струму для даного тиску газу в камері. В експерименті використовувалась циліндрична вакуумна камера з ємністю 0,25 мP^3P (внутрішній діаметр - 0,55 м, довжина - 1,0 м). Відкачка системи включала до себе один механічний форвакуумний насос та один високо вакуумний паромасляний насос з максимальною швидкістю відкачки 1500 л/с, автоматична система напуску газу забезпечувала тиск в камері в діапазоні 0,01-10 Па. покриття магнетронний інструмент

Система живлення дозволяла змінювати напругу на підкладці в діапазоні 0-2 кВ при максимальному струмі до 20 А. Розподіл струму вздовж поверхні підкладки вимірювався за допомогою вузького (3 мм шириною) кільця-колектора, закріпленого на поверхні підкладки та ізольованого від поверхні підкладки за допомогою високотемпературного ізолятора.

Подача негативного потенціалу на підкладку по відношенню до заземлених стінок камери, та подача живлення на електромагніт ініціює магнетронний розряд біля стінок підкладки. При цьому формується яскравий плазмовий тор, що є областю інтенсивної іонізації. При цьому іонний струм на поверхню підкладки локалізується у вузькій зоні шириною 0,03-0,05 м.

Збільшення магнітного поля спричиняє збільшення іонного струму, при цьому розподіл іонного струму вздовж підкладки має більш виражений пік.

При включенні вакуумно-дугового джерела плазми структура плазми змінюється. Навкруги плазмового тору формується шар металевої плазми, утвореної дуговим джерелом.

Плазмовий шар з'єднується з поверхнею підкладки двома плазмовими струменями. В цьому разі розподіл іонного струму вздовж поверхні підкладки має два додаткових піка під плазмовими струменями, густина іонного струму в цих точках досягає 80 А/мP^2P. Основна частина іонного потоку, що утворюється дуговим джерелом, потрапляє в центральний плазмовий тор. Як результат, покриття формується насамперед під плазмовим тором. Додаткові піки іонного струму також забезпечують осадження покриття, але швидкість осадження значно нижче, ніж у центральній зоні, де густина іонного струму досягає 300 А/мP^2P при потенціалі підкладки 300 В та 500 А/мP^2P при потенціалі підкладки 450 В.

Було запропоновано вирішити проблему нерівномірності осадження покриття шляхом сканування поверхні підкладки магнітною системою. Частота сканування дорівнювалась 0,5 Гц та визначалась необхідністю прогріву підкладки.

Проведені дослідження системи схрещених електричного та магнітного полів дозволяють констатувати наступне:

- використання схрещених ЕВ полів біля підкладки забезпечує ефективну іонізацію реактивного газу біля поверхні підкладки та значний приріст іонного струму;

- розподіл іонного струму вздовж поверхні підкладки суттєво нерівномірний, густина струму під областю іонізації досягає 300 А/мP^2P, що забезпечує інтенсивний нагрів та бомбардування покриття;

- за допомогою сканування магнітним полем вздовж підкладки можливо вирівняти густину іонного струму на підкладку.

Дані, що приведені в третьому розділі, опубліковані в роботах [2, 4, 9,10, 13, 14, 17, 18, 19, 25, 26, 27].

У четвертому розділі було проведене дослідження етапів технологічного процесу осадження плазмово-іонного зносостійкого покриття на багатогранні твердосплавні пластини у схрещених електричному та магнітному полях.

Для практичної перевірки результатів технологічного процесу осадження покриття був вибраний процес токарної обробки високоміцного чавуна НВ 209 різцями зі змінними багатогранними твердосплавними пластинами ВК8. При цьому вирішувалась задача підбору такого режиму осадження зносостійкого покриття на твердосплавні пластини, при якому досягався найбільший об'єм видаленого матеріалу (стружки) за період експлуатації інструменту.

Нанесення покриттів. Для дослідження залежності стійкості інструменту від розподілу щільності іонного струму в об'ємі камери було виготовлено технологічну оснастку, яка дозволила розташувати інструмент в трьох рівнях.

На пластини було нанесено два типи покриття:

- контрольне покриття отримане за типовою технологією КІБ без застосування магнітного поля; процес формування покриття включав у себе наступні етапи: механічне очищення пластин, іонне очищення, осадження покриття, охолодження; під час осадження покриття струм на підкладку сягав 3 А (в подальшому цей режим має назву “режим 1”);

- покриття яке дало змогу оцінити ефективність впливу схрещених ЕВ полів на процес іонного очищення та осадження покриття на поверхні пластин; величина магнітного поля в усіх експериментах була 0,035 Т; схема та фотографія експериментальної установки; процес формування покриття за схемою “КІБ + магнетрон” включав у себе наступні етапи: механічне очищення пластин, іонне очищення (очищення в магнетронному розряді), осадження покриття (параметри процесу були вибрані - за результатами математичного моделювання розділу другого цієї роботи), охолодження; повний струм на підкладку сягав 4 А (в подальшому цей режим формування покриття має назву “режим 2”); фотографії етапу очищення поверхні та осадження покриття на пластини та 10(а); залежності струму на підкладку з пластинами від потенціалу підкладки та тиску реактивного газу (етап очищення) та (етап осадження покриття).

Визначення раціональних режимів різання.

Другим етапом дослідження було визначення раціональних режимів різання. При цьому визначався період стійкості змінних багатогранних твердосплавних пластин та маса знімає мого матеріалу за період стійкості.

Було досліджено три групи пластин: без покриття, з покриттям КІБ (режим 1) та з покриттям КІБ + магнетрон (режим 2). Маса знятої стружки визначалася згідно з формулою:

(13)

де густина матеріалу деталі, що обробляється, кг/мP^3P; VB_pB швидкість різання, м/хв.; S подача, мм/об; tB_pB глибина різання, мм; T строк експлуатації інструмента, хв.

В якості критерію зносу по задній поверхні було прийнято значення hB_зB = 0,4 мм.

Було відмічено принципову різницю у характері зносу пластин з покриттям та без нього. У відсутності покриття знос можна характеризувати як поступове збільшення радіуса округлення ріжучої кромки. При цьому пластина виходить з ладу при досягненні критичного зносу, коли сили різання значно зростають. Основним чинником виходу з ладу пластин з покриттям є розвиток лунки зносу та її прорив, що супроводжується сколом ріжучої кромки. До моменту прориву лунки ріжуча кромка залишається у відносній цілості.

Результати вимірів та обчислень наведено в таблиці 1. В чисельнику вказаний строк експлуатації T, хв., в знаменнику маса знятої стружки G, кг.

Таблиця 1. Строк експлуатації інструменту, хв (с), і маса стружки, кг для центрального ряду пластин

Стан поверхні	Подача S, мм/об
	0,39	0,61	0,78
Без покриття	4,33 хв./1,30 кг (260 с)	3,17 хв./1,44 кг (190 с)	2,50 хв./1,48 кг (150 с)
Покриття, КІБ (режим 1)	8,00 хв./2,32 кг (480 с)	6,00 хв./2,82 кг (360 с)	5,25 хв./3,09 кг (315 с)
Покриття, КІБ + магнетрон (режим 2)	10,00 хв./2,95 кг (600 с)	7,67 хв./3,58 кг (460 с)	6,70 хв./3,71 кг (400 с)

Стійкість інструменту та маса знімаємого матеріалу визначалася для кожного з трьох рівнів інструментальних пластин.

За результатами третього розділу для уникнення нерівномірності зносостійкості пластин, що знаходяться на різних рівнях підкладки, було вирішено застосувати сканування підкладки системою схрещених полів шляхом переміщення електромагніту вздовж вісі підкладки. Ця технологія отримала назву «КІБ+магнетрон+сканування».

Дані, що приведені в четвертому розділі, опубліковані в роботах [1, 2, 4, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 19, 20, 24, 25, 26].

У п'ятому розділі для технології «КІБ+магнетрон+сканування» був розроблений технологічний процес.

Переміщення електромагніту зумовлює переміщення області схрещених полів, що супроводжується зміщенням плазмового тору. На етапі іонного очищення не використовується вакуумно-дугове джерело плазми. Очищення пластин виконується за допомогою самостійного магнетронного розряду, що поступово обробляє всі ряди інструментальних пластин за період сканування. На етапі осадження покриття включається вакуумно-дугове джерело плазми зі збереженням сканування магнітним полем. При цьому обробка здійснюється плазмою дугового джерела та плазмою несамостійного магнетронного розряду. Всі етапи здійснюються в середовищі реактивного газу - азоту (NB_2B). В подальшому на цей режим посилається як на “режим 3”.

Після формування покриття пластини проходили випробування аналогічні випробуванням проведеним у розділі четвертому. При цьому визначався період стійкості змінних багатогранних твердосплавних пластин, та маса знімаємого матеріалу за період стійкості інструмента. Результати вимірів та обчислень наведено в таблиці 2.

На базі обчислювань даних наведених в таблиці 2 була побудована діаграма стійкості твердосплавних пластин та густини іонного току вздовж циліндричної підкладки для схеми процесу КІБ + магнетрон + сканування.

Таблиця 2. Строк експлуатації інструменту, хв (с), та маса стружки, кг для центрального ряду пластин

Стан поверхні	Подача S, мм/об
	0,39	0,61	0,78
Покриття, КІБ + магнетрон + сканування (режим 3)	11,5 хв./3,40 кг (690 с)	8,5 хв./3,81 кг (490 с)	7,0 хв./3,9 кг (420 с)

Для описання ефекту від сканування схрещеними полями вздовж підкладки був використаний коефіцієнт нерівномірності покриття:

, (14)

де TB_срB - стійкість твердосплавних пластин центрального ряду, ТB_крB - стійкість пластин крайніх рядів, ТB_0B - стійкість пластин без покриття.

Для типової технології КІБ нерівномірність покриття КB_{неравнB} = 35 %, тоді як для запропонованої технології зі скануванням схрещеними полями КB_{неравнB} = 7 %. Таким чином, технологія дозволяє отримати практично рівномірні покриття.



Висновки

Відповідно до поставленої мети і задач в дисертації отримано такі результати.

1. За рахунок розробленої моделі з'явилася можливість прогнозувати мікротвердість та адгезію покриттів в залежності від температури підкладки та винайти раціональні температури нанесення покриттів;

2. Модель розрахунку додаткового джерела іонізації дозволяє прогнозувати температуру підкладки під час нанесення покриттів, а також параметри та склад плазми біля підкладки;

3. Експериментальні дослідження довели можливість керувати потоками плазми з різних джерел за допомогою керування системою схрещених електричних та магнітних полів;

4. На основі проведених досліджень розроблено технологічний процес. Доведено, що використання сканування магнітним полем вздовж підкладки з деталями дозволяє вирівнювати просторову неоднорідність густини іонного струму. Використання схрещених електричного та магнітного полів дає змогу керувати параметрами потоку плазми біля підкладки, для створення покриттів із заданими фізико-механічними властивостями, а також керувати температурою покриття під час росту (вперше);

5. Результати дослідження дозволяють запропонувати та реалізувати комбіновану схему нанесення рівнотовщинного покриття із заданими властивостями, завдяки застосуванню двох джерел іонів (дугового та магнетронного), а також скануванню магнітним полем вздовж підкладки;

6. На основі досліджень рекомендовані раціональні режими різання для операції чорнової токарної обробки високоміцного чавуна, які забезпечують максимальний об'єм знімаємого матеріалу за термін стійкості ріжучого інструменту;

7. За рахунок розробленої технології підвищена ефективність використання покриттів TiN на багатогранних твердосплавних пластинах із сплаву ВК8 для операції чорнової токарної обробки високоміцного чавуну. Ця технологія дозволяє підвищити стійкість ріжучого інструменту в 2,8 рази порівняно з пластинами без покриття та на 30% порівняно з пластинами обробленими за стандартною технологією конденсації в умовах іонного бомбардування;

8. Запропонована технологія дозволяє використовувати магнетронне джерело на етапі іонної очистки, що дозволяє економити матеріал катоду;

9. Запропонована технологія дозволяє розширити можливості керування процесом нанесення покриттів, без суттєвої зміни конструкції обладнання та отримати значний економічний ефект.



Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Эффективность покрытия TiN на резцах со сменными твердосплавными пластинами при черновой обработке высокопрочных чугунов на токарных станках с ЧПУ (метод КИБ)./М.С. Романов, Г.В. Горбенко, О.О. Баранов, А.А. Бучака. // Вісті Академії інженерних наук України. - Київ,2006. - вип.3(30). - С. 126-131.

2. Осаждение покрытия TIN в скрещенных EB полях с вакуумно-дуговым источником плазмы./М.С. Романов, О.О. Баранов, А.А. Бучака.//Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2006. - вип. 3 (26). - С. 198-205.

3. Перспективы и реальность применения стационарного ВЧ-разряда для формирования покрытий, наносимых методом КИБ. / Костюк Г.И., Волошко А.Ю., Гулый С.В., Левченко И.Г., Романов М.С.//«Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ».- Харьков, 2001.- №.24.-С. 282- 293.

4. Автоматизированная система снятия зондовых характеристик на базе микроконтроллера семейства AVR. / М.Ю. Коробов, М.С. Романов. //Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2004. - вип. 4 (24). - С. 51-54.

5. Non-linear effects in film formation. /G. Kostyk, I. Levchenko, M. Romanov, A. Voloshenko. // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Харьков, 2002. - вып.33. - С. 317-321.

6. Faceted coatings. / M. Romanov, I. Levchenko. // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Харьков, 2002. - вып.32. - С. 180-182.

7. Movement of nipolar arcs in magnetic field. / I. Levchenko, M. Romanov, A. Voloshko, S. Glyi. //Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2005. - вип. 3 (26). - С. 185-188.

8. Униполярные дуги в плазме высокочастотного разряда. / Костюк Г.И., Волошко А.Ю., Гулый С.В., Левченко И.Г., Романов М.С.//Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2005. - вип. 3 (26). - С. 189-197.

9. Ion crrent instability in a crossed field system for plasma immersion treatment. /M. Romanov, I. Levchenko, K. Mstafin, and M. Korobov. // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Харьков, 2003. - вып.39/4. - С. 158-164.

10. Characteristics of a crossed field system with vacm arc plasma sorces. /M. Romanov, O. Baranov, K. Mstafin,I. Levchenko. // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ».- Харьков, 2003. - вып.38/3. - С. 72-78.

11. Модель формирования износостойкого вакуумно-плазменного покрытия на основе расчета структур роста. /Романов М.С., Бучака А.А., Баранов О.О. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов, спец. выпуск «НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ». - Харьков, 2007. - Вып. 2(49) - С. 54-67.

12. Повышение эффективности обработки высокопрочного чугуна на токарных станках с ЧПУ. / Баранов О.О., Горбенко Г.В., Постельник Т.А., Романов М.С. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов, спец. выпуск «НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ». - Харьков. 2007. - Вып. 3(50). - С. 97-100.

13. Использование планарного магнетрона на этапе очистки при осаждении покрытии методом КИБ. / Баранов О.О., Бучака А.А., Романов М.С. // Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2007. - спец.вип. 3 (33). - С. 21-25.

14. Investigation of a steady-state cylindrical magnetron discharge for plasma immersion treatment. / I. Levchenko., M. Romanov, M. Keidar. // Jornal of Applied Physic.- 2003.- v. 94 № 3. - pp. 1408-1413.

15. Ion crrent distribtion on a sbstrate dring nanostrctre formation. / I. Levchenko, M. Korobov, M. Romanov and M. Keidar // Jornal of Physics D: Applied Physics. - 2004. - №37. - рр. 1690-1695.

16. Stable plasma configrations in a cylindrical magnetron discharge. / I. Levchenko, M. Romanov, M. Keidar, I.I. Beilis. // Applied physics letters. - 2004. - vol. 85. - рр. 2202-2204.

17. Plasma jet interaction with a spherical target in magnetic field. / I. Levchenko, M. Romanov, M. Korobov. // IEEE transactions on plasma science. - 2004. - vol. 32. no. 5, - рр. 2139 - 2143.

18. Crrent-voltage characteristics of a sbstrate in a crossed EB field system exposed to plasma flx from vacm arc plasma sorces. / I. Levchenko, M. Romanov, M. Korobov. // Srface and coating technology. - 2004. - 184/2-3. - рр. 356-360.

19. Использование планарного магнетрона на этапе очистки при осаждении покрытий методом КИБ: матеріали XVI міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2007)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2007.-11с.

20. Модель формирования износостойкого вакуумно-плазменного покрытия на основе расчета структур роста: матеріали XVI міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2007)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2007.-14с.

21. Движение униполярных дуг в магнитном поле: матеріали XV міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2005)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2005.-24с.

22. Физика возникновения униполярных дуг в плазме высокочастотного разряда: матеріали XV міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2005)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2005.-24с.

23. Plasma immersed treatment with moving plasma pinches: матеріали XV міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2002)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2002.-3с.

24. Technological system with vacm arc plasma sorces: Мiжнародна науково-технiчна конференцiя [«інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні»], (Харків, 25-26 листопада 2003р.)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2003.-7с.

25. Characteristics of a crossed field system with vacm arc plasma sorces: матеріали XІІ міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2003)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2003.-11с.

26. Система зондовых измерений на базе микроконтроллера семейства AVR: матеріали XІV міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2004)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2004.-10с.

27. Применение вакуумных технологий для повышения ресурса деталей топливной аппаратуры: матеріали X міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2001)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2001.-57с.

28. Three-dimension srface strctres created by PVD method: srface engineering [«AVS 49^th international symposim»], (Denver, Colorado, 3-8 november 2002)/Colorado convention center, 2002.-92р.

29. Modeling film formation in plasma immersed process: 8^th international conference on [«plasma srface engineering»], (Garmisch-Partenkirchen, Germany, 9-13 september 2002)/Eropean joint committee on plasma and ion srface engineering: EJC/PISE, 2002-72р.

30. Faced anti-friction PVD film: 8^th international conference on [«plasma srface engineering»], (Garmisch-Partenkirchen, Germany, 9-13 september 2002)/Eropean joint committee on plasma and ion srface engineering: EJC/PISE, 2002-45р.

31. Faced PVD film with metallic separator: International symposim [«on discharges and electrical inslation in vacm»], (Tors, France, jne 30-jly 5, 2002)/eit de Tors-France: ISDEIV, 2002.-7р.



Анотація

Романов М.С. Комбінована плазмово-іонна обробка з використанням ефекту локального підвищення густини струму магнетронним розрядом для отримання рівнотовщинних покриттів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” - м. Харків, 2008.

Дисертація присвячена розробці нового методу утворення плазмово-іонного зносостійкого покриття на поверхні ріжучого інструменту. В основі методу полягає ідея створення додаткового джерела потоку іонів та плазми за рахунок застосування системи схрещених електричного та магнітного полів біля підкладки, на яку осаджується покриття. Така система дозволяє не тільки ефективно керувати тепловим режимом утворення покриття та продуктивністю процесу осадження, але й допомагає вирішити проблему осадження покриттів з однаковою товщиною на достатньо великих підкладках (до 30 см).

Під час розробки методу створено моделі формування якісного покриття в залежності від параметрів його утворення, створення та управління потоками плазми в системі схрещених полів. Експеримент, що проведений на основі результатів розрахунку моделей, дозволив підібрати раціональні режими формування якісного покриття.

Технологічний процес осадження зносостійкого покриття нітриду титану, розроблений на основі випробувань на знос, дозволив підвищити стійкість багатогранних твердосплавних пластин ВК8 у 2,8 рази в порівнянні з пластинами без покриття при чорновій токарній обробці високоміцного чавуну.

Аннотация

Романов М.С. Комбинированная пламенно-ионная обработка с использованием эффекта локального повышения плотности тока магнетронным разрядом для получения равнотолщинных покрытий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - процессы физико-технической обработки. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт" - г. Харьков, 2008.

Диссертация посвящена разработке нового метода формирования плазменно-ионного износостойкого покрытия на поверхности режущего инструмента. В основе метода лежит идея создания дополнительного источника потока ионов и плазмы за счет использования системы скрещенных электрических и магнитных полей возле подложки, на которую предполагается осаждать покрытие. В режиме ионной очистки система производит эффективную ионную очистку и разогрев подложки самостоятельным магнетронным разрядом. В режиме осаждения покрытия система скрещенных полей позволяет дополнительно подогревать подложку несамостоятельным магнетронным разрядом за счет дополнительной ионизации атомов реактивного газа в области скрещенных полей. Сканирование системой полей позволяет эффективно управлять распределением плотности ионного тока вдоль поверхности подложки, за счет чего достигается усредненный во времени однородный обрабатывающий поток ионов на подложку и формирование покрытия с одинаковой толщиной на достаточно больших поверхностях (до 30 см).

При разработке метода разработаны и исследованы модель формирования качественного покрытия с заданными характеристиками микротвердости и адгезии, а также модель формирования потока ионов и плазмы в скрещенных электрических и магнитных полях. В основы модели формирования покрытия лежит модель расчета структур роста, дополненная возможностью формирования многокомпонентного покрытия. В основе модели формирования потока плазмы лежит модель планарного цилиндрического магнетрона, на который подается поток плазмы от вакуумно-дугового источника плазмы.

Модели позволили определить параметры системы: потенциал подложки, напряженность магнитного поля, давление атомов реактивного газа. Экспериментальная проверка результатов численного моделирования позволила определить рациональные режимы осаждения износостойкого покрытия нитрида титана на многогранные твердосплавные пластины ВК8. Испытания на износ позволили определить рациональные режимы резания высокопрочного чугуна на операции черновой токарной обработки с помощью твердосплавных пластин с покрытием.

Технологический процесс осаждения покрытия нитрида титана на твердосплавные пластины, разработанный на основе предложенного метода, позволил получать покрытия с одинаковой толщиной для пластин, расположенных в разных местах вакуумной камеры в процессе осаждения (неоднородность толщины 7 % вместо 35 % для традиционной технологии КИБ). При этом повышение стойкости пластин достигает 2,8 раза по сравнению с необработанными пластинами, и 1,3 раза по сравнению с традиционной технологией КИБ.

Результаты внедрены в учебный процесс Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского "ХАИ".



Abstract

M.S. Romanov. Combined plasma-ion treatment with effect of local crrent increasing by magnetron discharge for niform coating deposition. - Manscript.

The dissertation is prepared for gradate degree competition of candidate of engineering sciences on speciality 05.03.07 - processes of physical-technical treatment. National Aerospace niversity “Kharkiv Aviation Institte” - Kharkov, 2007.

New method of creation of ion-plasma wear-proof coating on ctting tools srface is developed in the dissertation. The main idea of the method is generation of additional plasma sorce near sbstrate by applying a system of crossed electrical and magnetic fields. The system allows not only controlling effectively a heat mode of the coating creation and prodctivity of the treatment, bt solving a problem of niform coating deposition (p to 30 cm).

When developing the method, new models were created: a model of deposition of qalitative coating depending on the deposition mode, and a model of generation and controlling of plasma flxes in the setp with crossed electrical and magnetic field. Experiments based on the models, were performed to determine efficient deposition modes.

Manfactring method was developed to deposit a titanim nitride coating on indexable inserts made of alloy of ВК8. The indexable inserts wear-resistance was increased p to 2.8 times in comparison with non-treated indexable inserts at trning the high-strength cast iron.

Reslts of research are applied in edcational process of National Aerospace niversity “Kharkiv Aviation Institte”.

Размещено на Allbest.ru

...