Фізико-технологічні основи дуплексного вакуумно-дугового зміцнювання поверхонь

6. Пат. 4554201 США, МКИ В23Р 15/28; В32В 15/04; В32В 33/00; Mutilayer coatings of metal-cutting tools: Пат. 4554201 США, МКИ МКИ В23Р 15/28; В32В 15/04; В32В 33/00; А.А.Аndreev, I.V.Gavrilko, A.G.Gavrilov, A.S.Vereschaka, V.P.Zhed, V.G.Padalka, A.K.Sinelschikov, V.T.Tolok; Заявл. 01.05.84; Опубл. 19.11 85.- 4 с.

7. АндреевА.А. О движении катодного пятна вакуумной дуги / А.А.Андреев // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Плазменная электроника и новые методы ускорения». - 2000. - №1. - С.63-66.

8. АндреевА.А. Электронно-магнитная модель катодного пятна вакуумной дуги / А.А.Андреев // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Плазменная электроника и новые методы ускорения». - 2003. - №4 (3). - С.203-207.

9. АндреевА.А. Ускорение ионов, электронов и рентгеновское излучение в катодном пятне вакуумной дуги / А.А.Андреев // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Плазменная электроника и новые методы ускорения». - 2006. - №5 (5). - С.69-71.

10. АндреевА.А. Физическая электронно-магнитная модель катодного пятна вакуумной дуги / А.А.Андреев // Вісник Харківського національного університету. Сер. фізична «Ядра, частинки, поля». - 2007. - №763, В.1 /33/. - С.32-40.

11. КунченкоВ.В. Карбонитриды титана, полученные вакуумно-дуговым осаждением / В.В.Кунченко, А.А.Андреев // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений радиационное материаловедение». - 2001. - № 2 (79). - С.116-120.

12. АндреевА.А. Азотирование стали в плазме модифицированного вакуумно-дугового разряда / А.А.Андреев, В.В.Кунченко, Л.П.Саблев, Р.И.Ступак, В.М.Шулаев // Технология машиностроения. - 2002. - №5. - С.27-30.

13. АндреевА.А. Азотирование сталей в газовом дуговом разряде низкого давления / А.А.Андреев, В.М.Шулаев, Л.П.Саблев // Физическая инженерия поверхности. - 2006. - Т.4, №3-4. - С.191-197.

14. АндреевА.А. Дуплексная обработка поверхностей стальных изделий / А.А.Андреев, В.В.Кунченко, Л.П.Саблев, В.М.Шулаев // Технология машиностроения (Россия). - 2002. - №3. - С.36-38.

15. КунченкоВ.В. CrNx-покрытия, полученные вакуумно-дуговым методом / В.В.Кунченко, А.А.Андреев, Ю.В.Кунченко, Г.Н.Картмазов // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». - 2004. - №3 (85). - С.87-95.

16. КунченкоЮ.В. Слоистые Ti-Cr-N покрытия, получаемые методом вакуумно-дугового осаждения / Ю.В.Кунченко, В.В.Кунченко, И.М.Неклюдов, Г.Н.Картмазов, А.А.Андреев // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». - 2007. - №2 (90).- С.203-214.

17. АндреевА.А. Получение и термообработка вакуумно-дуговых многослойных покрытий CrxN-TiN на подложках из чугуна и стали / А.А.Андреев, В.В.Кунченко, В.М.Шулаев, К.М.Китаевский, А.Н.Челомбитько // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники». - 2003. - №5 (13). - С.136-138.

18. АндреевА.А. Субмикрослоистые композиционные покрытия на стали / А.А.Андреев, В.М.Шулаев // Физическая инженерия поверхности. - 2005. - Т.4, №1-2. - С.41-43.

19. ГригорьевС.Н. Наноструктурные покрытия, полученные методом физического осаждения вещества в вакууме / С.Н.Григорьев, А.А.Андреев, В.М.Шулаев // Упрочняющие Технологии и Покрытия (Россия). - 2005. - №9. - С.14-19.

20. ГригорьевС.Н. Технические особенности получения наноструктурных покрытий вакуумно-плазменными методами / С.Н.Григорьев, А.А.Андреев, В.М.Шулаев // Технология Машиностроения (Россия). - 2005. - №7. - С.47-52.

21. АндреевА.А. Износостойкие вакуумно-плазменные покрытия на основе титана в инструментальном производстве / А.А.Андреев, С.Н.Григорьев // Станки и инструмент (Россия). - 2006. - №2. - С.19-24.

22. ШулаевВ.М. Модернизация вакуумно-дуговых установок для синтеза покрытий и азотирования методом ионной имплантации и осаждения / В.М.Шулаев, А.А.Андреев, В.П.Руденко // Физическая инженерия поверхности. - 2006. - Т.4, №3-4. - С.136-142.

23. АндреевА.А. Осаждение сверхтвёрдых вакуумно-дуговых TiN покрытий / А.А.Андреев, В.М.Шулаев, В.Ф.Горбань, В.А.Столбовой // Физическая инженерия поверхности. - 2006. - Т.4, №3-4. - С.179-183.

24. ШулаевВ.М. Сопоставление характеристик вакуумно-дуговых наноструктурных TiN покрытий, осаждаемых при подаче на подложку высоковольтных импульсов / В.М.Шулаев, В.Ф.Горбань, А.А.Андреев, В.А.Столбовой // Физическая инженерия поверхности. - 2007. - Т.5, №1-2. - С.94-97.

25. АндреевА.А. Влияние давления азота при осаждении сверхтвёрдых TiN покрытий на их свойства / А.А.Андреев, В.М.Шулаев, В.Ф.Горбань, В.А.Столбовой // Физическая инженерия поверхности. - 2007. - Т.5, №3-4. - С.150-159.

26. АндреевА.А. Вакуумно-дуговое модифицирование поверхности стальных изделий // А.А.Андреев // Физическая инженерия поверхности. - 2007. - Т.5, №3-4.- С.250-258.

27. ШулаевВ.М. Вакуумно-дуговое осаждение наноструктурных Ti-Si-N покрытий из многокомпонентной плазмы / В.М.Шулаев А.А.Андреев, В.А.Столбовой, Г.А.Прибытков, А.В.Гурских, Е.Н.Коростелева, В.В.Коржова // Физическая инженерия поверхности. - 2008. - Т.6, №1-2. - С.105-113.

28. ШулаевВ.М. Исследование макрочастиц, эмитируемых вакуумно-дуговым источником плазмы на основе титан-кремниевых катодов / В.М.Шулаев, А.А.Андреев // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2008. - №4/4 (34). - С.4-9.

29. ШулаевВ.М. О стабильности структуры вакуумно-дуговых многослойных покрытий на основе нитридов титана и хрома / В.М.Шулаев, А.А.Андреев // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2008. - №2. - С.18-21.

30. В.М.Шулаев «Структура и свойства нанокристаллических многослойных покрытий на основе нитридов титана и хрома» / В.М.Шулаев, А.ААндреев, В.Ф.Горбань, В.А.Столбовой // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2008. - № 4/4 (34). - С.47-52.

31. ШулаевВ.М. Сверхтвёрдые наноструктурные покрытия в ННЦ ХФТИ / В.М.Шулаев, А.А.Андреев // Физическая инженерия поверхности. - 2008. - Т.6, №1-2. - С.4-19.

32. Пат. 5503725 США, МКИ С23С 14/34; С23С 14/32; Method and device for treatment of products in gas-discharge plasma: Пат. 5503725 США, МКИ С23С 14/34; С23С 14/32; L.P.Sablev, A.A.Andreev, S.N.Grigoriev, A.S.Metel; заявл. 23.04.92; опубл. 02.04.96. - 9 с.

33. Пат. 4512867 США, МКИ С23С 15/00; Method and apparatus for controlling plasma generation in vapor deposition: Пат. 4512867 США, МКИ С23С 15/00; A.A.Andreev, A.A.Romanov; заявл. 29.08.83; опубл. 23.04.85. - 5 с.

34. Пат. №4436830 США, МКИ С04В 35/3; Coating for metal-cutting tools: Пат. 4436830 США, МКИ С04В 35/3 А.А.Аndreev, I.V.Gavrilko, A.G.Gavrilov, A.S.Vereschaka, V.P.Zhed, V.G.Padalka, A.K.Sinelschikov. Заявл. 02.03.81; Опубл. 13.03.84. -4 с.

35. Пат. №4466991 США, МКИ С23С 11/08; Cutting tool hardening method: Пат. №4466991 США, МКИ С23С 11/08; А.А.Аndreev, A.G.Gavrilov, G.K. Galitskaja, V.P.Zhed, V.G.Padalka, A.K.Sinelschikov. Заявл. 01.02.83; Опубл. 21.09.84. -4 с.

36. Патент України № 8688, МКИ С23С 14/48, Спосіб хіміко-термічної обробки виробів / С.Н.Григор'єв, А.А.Андреєв, А.С.Верещака, Л.П.Саблєв, Р.І.Ступак.- №432003/SU; Заявл. 05.10.87; опубл. 30.09.96. Бюл.№3.

37. АндреевА.А. Нанокристаллические вакуумно-дуговые многослойные покрытия на основе нитридов титана и хрома / В.М.Шулаев, А.А.Андреев, И.М.Неклюдов, В.Ф.Горбань, В.А.Столбовой // Сб. докл. 9-го Межд. научно-техн. конгресса термистов и металловедов. Харьков, 2008, С. 6-10.

38. Андреев А.А. Вакуумно-дуговые технологии модифицирования поверхности металлоизделий / А.А. Андреев, В.М. Шулаев, И.М. Неклюдов, Л.П. Саблев // Сб. докл. 8-го Межд. Конгресса « Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов», Харьков, 2007, т. 2, с. 6 - 18.

АНОТАЦІЯ

АндреєвА.О. Фізико-технологічні основи дуплексного вакуумно-дугового зміцнювання поверхонь. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут електрофізики й радіаційних технологій НАН України, Харків, 2009.

Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми - розробці фізико-технологічних основ зміцнювання поверхонь з використанням плазми (металевої, газо-металевої й газової) вакуумно-дугового розряду, що включає їх хіміко-термічну обробку, нанесення надтвердих покриттів з підвищеним опором деформуванню в єдиному технологічному процесі. Запропоновано новий механізм азотування заліза, відповідно до якого цей процес залежить тільки від концентрації атомарного азоту й температури підкладки, тобто азотування має місце при бомбуванні як іонами, так і електронами. Одержані вакуумно-дугові надтверді TіN покриття шляхом використання іонної імплантації в процесі їх осадження, у тому числі при температурі підкладки 100…200С. Вони мають твердість 40…68ГПа і збільшений опір деформуванню (Н3/Е*2 до 1,364ГПа) у порівнянні зі звичайними вакуумно-дуговими TіN покриттями (Н3/Е*2=0,197…0,27). Одержано і досліджено багатошарові покриття TіN-CrN із твердістю до 60ГПа. Одержано і досліджено надтверді Tі-Sі-N покриття шляхом вакуумно-дугової ерозії порошкових катодів. Розроблено принципи модернізації існуючих вакуумно-дугових установок і створення нових, що забезпечують дуплексне зміцнювання сталевих виробів.

Створено наукові основи вакуумно-дугового модифікування поверхонь у єдиному технологічному процесі.

Ключові слова: вакуумно-дуговий розряд, катодна пляма, азотування, надтверді покриття, багатошарові покриття, нітрид титану, нітрид хрому.

АндреевА.А. Физико-технологические основы дуплексного вакуумно-дугового упрочнения поверхностей.- Рукопись. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела.- Институт электрофизики и радиационных технологий НАНУкраины, Харьков, 2009.

Диссертация посвящена решению научно-прикладной проблемы - разработке физико-технологических основ дуплексного упрочнения поверхностей с использованием плазмы (металлической, газо-металлической и газовой) вакуумно-дугового разряда, включающую химико-термическую обработку и нанесение сверхтвёрдых покрытий в едином технологическом процессе.

Предложен новый механизм азотирования железа, в соответствии с которым этот процесс зависит только от концентрации атомарного азота и температуры подложки, то есть азотирование имеет место при бомбардировке как ионами, так и электронами. Показано, что скорость азотирования одинакова в обоих случаях. Шероховатость поверхности после азотирования при положительном потенциале не изменяется, что обеспечивает возможность последующего нанесения покрытий единым технологическим процессом в той же самой вакуумной камере.

Разработаны процессы азотирования стальных изделий в вакуумно-дуговом двухступенчатом разряде низкого давления с электронной бомбардировкой. Твердость азотированных слоёв составляет 11…14ГПа, содержание е-Fe2-3N4 в азотированных слоях существенно ниже, чем при азотировании в тлеющем разряде.

Получены вакуумно-дуговые сверхтвёрдые TіN покрытия путём применения ионной имплантации в процессе их осаждения. Они имеют твердость 40…68ГПа и увеличенное по сравнению с обычными вакуумно-дуговыми TіN покрытиями сопротивление деформированию (Н3/Е*2 до 1,364ГПа).

Анализ интенсивности дифракционных линий сверхтвёрдых покрытий указывает на наличие аксиальной текстуры преимущественно [200] при низких значениях постоянного потенциала смещения (-5…-20В), а при значениях более -200В присутствуют только линии [111].

Температура подложки зависит от уровня постоянного потенциала и составляет 105…145С при «плавающем» потенциале и потенциале -20В и с его увеличением до -200…-230В увеличивалась до 270…450°С и зависит от давления азота и тока дуги. Это даёт возможность нанесения покрытий на алюминиевые и медные сплавы, а также закалённые конструкционные стали.

Получены многослойные покрытия TiN-CrN с твёрдостью до 60ГПа, в том числе с ионной имплантацией в процессе осаждения. Установлено, что при нагревании до 1000С твердость вакуумно-дуговых покрытий TіN-CrN существенно не уменьшается и сохраняется фазовый состав слоёв TiN и CrN. Покрытия TіN-CrN выдерживают термоудары при закалке изделия в расплаве щёлочи после нагрева в соляной ванне без заметного снижения физико-механических характеристик.

Получены сверхтвёрдые Ti-Si-N покрытия путём вакуумно-дуговой эрозии спеченных порошковых катодов. Установлено, что катодные пятна на этих катодах локализуются главным образом на Ti-Si эвтектике, образующейся на поверхности катода в процессе его эрозии. Исследованы особенности эрозии порошковых катодов, химический состав покрытий и макрочастиц и его влияние на физико-механические свойства покрытий. Определены пути снижения капельной фазы в покрытиях Ti-Si-N.

Показано, что упрочнение поверхностей режущих инструментов, которое включает их азотирование и последующее нанесение износостойкого покрытия в едином технологическом процессе существенным образом увеличивает их работоспособность, сокращает время и стоимость обработки. Производственные испытания инструментов и узлов трения из конструкционной стали 9ХС, Х12М и быстрорежущей стали Р6М5 со сверхтвёрдыми TіN покрытиями подтвердили их высокую работоспособность. Разработаны принципы модернизации существующих вакуумно-дуговых установок и создания новых, обеспечивающих предлагаемое упрочнение поверхностей стальных изделий. Созданы научные основы вакуумно-дугового модифицирования стальных поверхностей в едином технологическом процессе.

Ключевые слова: вакуумно-дуговой разряд, катодное пятно, азотирование, сверхтвёрдые покрытия, многослойные покрытия, нитрид титана, нитрид хрома.

AndreevА.A. Physical-technological fundamentals for vacuum-arc modification of surfaces.- Manuscript.- Thesis for a Doctor's degree in technical sciences, specialty 01.04.07 - solid state physics. - Institute of electrical physics and radiation technologies, NAS of Ukraine, Kharkov, 2009.

The dissertation is aimed to the solution of a applied research problem - the development of physical-technological fundamentals of surface modification with the use of plasma (metal-, gas-metal and gas plasma) vacuum-arc discharge, including the thermochemical treatment of surfaces, deposition of superhard coatings having an increased deformation resistance in a common technological process. A new model of iron nitriding is offered, according to which this process depends only on the atomic nitrogen concentration and on the substrate temperature, i.e. nitriding takes place under bombardment with both ions or electrons. The vacuum-arc superhard TiN coatings were obtained by ion implantation in the process of their deposition at a substrate temperature including also interval from 100 to 200С. They have hardness of 40…68GPa and increased deformation resistance (Н3/Е*2 about 1,364GPa), as compared to the usual vacuum-arc TiN coatings (Н3/Е*2=0,197…0,27). The multilayer TіN-CrN coatings of a hardness up to 60 GPa were developed and investigated. The superhard Ti-Si-N coatings obtained using the vacuum-arc erosion of powder cathodes were also investigated. There proposed are the schemes for upgrading the existing vacuum-arc installations and for developing new ones that can provide a combined modification of steelworks.

The scientific fundamentals of vacuum-arc surface modification in a common technological process are developed.

Key words: vacuum-arc discharge, cathode spot, nitriding, superhard coatings, multilayer coatings, titanium nitride, chromium nitride.

Размещено на Allbest.ru