Изменение физико-механических свойств материалов с помощью высокочастотной плазмы

А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, А. А. Башкирцев

ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЫ

Ключевые слова: электрофизические методы обработки, поверхность, диффузионные слои.

Проведены исследования изменения физико-механических свойств материалов различной физической природы с помощью высокочастотного разряда пониженного давления при ее взаимодействии с обрабатываемым изделием.

Keywords: electrophysical methods of processing, surface, diffusive layers.

Researches of change of physicomechanical properties of materials of the various physical natures by means of the high-frequency discharge of the lowered pressure at its interaction with a processed product are carried out.

Введение

Плазма высокочастотных (ВЧ) разрядов пониженного давления (р = 13,3 - 133 Па) является перспективным инструментом обработки материалов различной природы. Она позволяет эффективно обрабатывать органические и неорганические материалы с различным внутренним составом и структурой, а также поверхности изделий сложной конфигурации.

В результате ее воздействия возможно улучшение сразу нескольких параметров, например, повышение усталостной прочности одновременно с наведением в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений и уменьшением шероховатости.

Природа возникновения таких эффектов, очевидно, связана с одновременным разноплановым воздействием ВЧ плазмы на поверхность твердых материалов. Во-первых, при такой обработке удаляются поверхностные загрязнения, включая оксидные пленки, технологические смазки и т.д., которые неизбежно присутствуют на поверхности материалов. Во-вторых, в результате обработки снижается шероховатость поверхности материалов, т.к. ионная бомбардировка концентрирует ионное воздействие на вершинах микронеровностей. В-третьих, бомбардировкой ионов при ВЧ плазменной обработке достигается залечивание микротрещин поверхности материала. В-четвертых, бомбардировка позволяет улучшать внутреннюю структуру материалов за счет перераспределения дефектных слоев. Это, в свою очередь, снижает риск возникновения центров разрушения материалов, особенно при знакопеременных нагрузках.

Экспериментальные исследования показали, что в результате воздействия ВЧ плазмы пониженного давления на исследованные материалы изменяется цвет поверхности, что свидетельствует об образовании тонкой пленки.

С целью установления влияния воздействия высокочастотной (ВЧ) плазмы на свойства поверхности, проведена обработка различных металлов и их сплавов: стали коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и износостойкие типа 30Х13, 12Х18Н9Т, 08Х18Т1; стали конструкционные, углеродистые качественные типа сталь 50, сталь 40, сталь 30; титановые сплавы ВТ-

1, ВТ-3, ВТ-6, ВТ-8, ВТ-9; алюминиевые сплавы Д16Т, АМЦ, силумины [1-4].

Нанополировка поверхностей металлов потоком высокочастотной плазмы

С целью установления закономерностей взаимодействия ВЧ плазмы с поверхностью материалов проводилась обработка образцов при варьировании входных параметров установки в следующих диапазонах: внутренний диаметр разрядной камеры изменялся от 10 до 110 мм, потребляемая мощность - от 2,5 до 18 кВт, частота генератора -1,76 и 13,56 МГц [5,6].

В качестве рабочего газа при исследовании процессов финишной очистки и нанополировки поверхностей использовался технически чистый аргон. Предварительное давление в рабочей камере - от 1,33 до 13,3 Па, рабочее давление - от 13,3 до 133 Па, расход плазмообразующего газа - до 0,15 г/с. Образец устанавливался перпендикулярно потоку. Для цилиндрических образцов предусматривалось вращение в процессе модификации поверхностного слоя. Приспособление либо заземлялось, либо специально изолировалось от базовой плиты вакуумного поста. Для устранения побочных эффектов образцы перед плазменной обработкой при изучении состава и структуры обезжиривались и обезвоживались. Температура образца при установлении закономерностей изменения свойств поверхностного слоя от плазменных параметров выбиралась такой, чтобы, с одной стороны, максимально интенсифицировать плазменные процессы, а с другой - чтобы при этой температуре термообработка не была бы доминирующим фактором. Эффективность плазменной обработки определяли по величине изменению шероховатости 5Яа и виду поверхности.

Как видно из данных рис. 1 наибольшее изменение было получено при использовании смеси аргона и пропан-бутана (в=0.12 г/с) при напряжении на аноде 1,5 кВ.

Рис. 1 - Изменение шероховатости поверхности стали 40 в зависимости от состава плазмообразующего газа и напряжения на аноде

Рис. 2 - Изменение шероховатости поверхности сплава ВТ-1 в зависимости от состава плазмообразующего газа и напряжения на аноде

20 а 1й е 16 , £ н \ і з* о/ * г- 12 / Й £ / ю / "О й ґ/ - —1 - ""п ' * - #- Фартн+іриин-бртан

і с / 4-' і ( / /

г / * ¥ і / Ті 1 аргот-аэот

Гї іг'і #

и Мл і і П 10 2 П Зі П 10 5П 50 время обработки [мнн.]

Рис. 3 - Изменение шероховатости поверхности стали 12Х18Н10Т в зависимости от состава

плазмообразующего газа и напряжения на аноде

Представленные рисунки показывают возможность уменьшения шероховатости с помощью высокочастотной плазмы.

Упрочнение поверхности металлов и их сплавов

Выполненные экспериментальные исследования позволили установить, что в диапазоне энергии ионной бомбардировки 10-100 эВ и плотности ионного тока на поверхность 0,1-5 А/м2 происходит модификация поверхностного слоя исследованных материалов

толщиной 70-420 нм, в том числе изменение состава приповерхностного нанослоя.

Результаты экспериментальных

исследований показали, что при добавлении в плазмообразующий газ реагирующих газов (^, O2, ТО2, СТ4, ^^+0^1^ состав образцов из металлов и сплавов изменяется в большей степени, чем при обработке в среде чистого аргона.

В целом проведенное исследование показывает, что при воздействии ВЧ плазмы на поверхности сплава ВТ1, также как и на стали 30Х13, образуется очень тонкая защитная поверхностная пленка. Образцы сплава ВТ8 обрабатывались в ВЧ плазме в тех же режимах, что и ВТ1 после отжига и предварительной электрохимической полировки. При

рентгеноструктурных исследованиях не

выявлено появления новых фаз. Параметры решетки изменяются довольно сильно в сторону увеличения как параметра а, так и с. При измерении твердости, также как и для сплава ВТ1, обнаружена тенденция повышения твердости поверхности после обработки в кислородосодержащей плазме.

На рис. 4 приведено изменение ширины линий (213)а и (302)а для сплава ВТ8. Из рисунка видно, что после ВЧ плазменной обработки возникает слой с повышенным уровнем микроискажений довольно

значительной глубины (50 мкм).

Рис. 4 - Изменение ширины линии (302)а (а) и (213)а (б) по глубине в сплаве ВТ8: 1 -исходный образец, 2 - образец, обработанный по режиму Аг+^, вг=0,06 г/с, 3 - по режиму Аг+^, вг=0,08 г/с, 4- по режиму Аг+О2, вг=0,06 г/с, 5- по режиму Аг+О2, вг=0,08 г/с

Образцы из стали 30Х13 обрабатывались ВЧ плазмой в тех же режимах. После обработки сталь покрывается тонкой пленкой желтого цвета.

Аналогичные результаты получены при обработке стали 12Х18Н9Т, титанового сплава ВТ6 и алюминиевых образцов.

Сопоставление полученных данных свидетельствует о следующем. Ни в одном образце не обнаружено образования новых фаз. Фазовый состав после всех режимов обработки аналогичен исходному. Обнаружено повышение твердости после обработки.

Для стали 12Х18Н9Т увеличение параметра «а» после воздействия плазмой

связано со сжимающими макронапряжениями и с изменением химического состава поверхностного слоя. Увеличение ширины линий на дифрактограмме является следствием более высокого уровня микроискажений поверхностного слоя, связанного с наклепом, упрочнившим поверхность после воздействия неравновесной плазмой.

Изменение параметров кристаллической решетки приводит к изменениям физико-механических свойств поверхностных слоев. Металлографические исследования показали, что глубина

модифицированного слоя составляет до 200 мкм. Результаты измерения микротвердости Нд, образцов металлов с различной предварительной обработкой поверхности (после шлифовки, полировки, поверхностного пластического деформирования) показывают заметное увеличение ее для всех исследованных материалов.

время, мин

Рис. 5 - Зависимость увеличения микротвердости титанового сплава ВТ-1 от времени обработки

Совокупность результатов по модификации поверхности сталей, титановых сплавов в потоке ВЧ плазмы свидетельствует о том, что на поверхности образуются нанодиффузные покрытия [7-9].

Микроструктура сталей и титановых сплавов после обработки в ВЧ плазмы изменяется. Характер изменения зависит от режима обработки.

Работа выполнена при финансовой поддержки Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследование и

разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы » по гос. контракту 16.552.11.7060

Литература

1. Полевой С.Н., Евдокимов В. Д. Упрочнение металлов. М., Машиностроение, 1986, 320 с.

2. Зуев В.М. Термическая обработка металлов. М., Высшая школа, 1981, 296 с.

3. D.F. Ollis, H. Al-Ekabi (Eds.). Photocatalytic Purification of Water and Air. Elsevier, Amsterdam, 1993. 432 p.

4. M. Xu, N. Huang, Z. Xiao, Z. Lu, Supramol. Sci., 5, 449 - 451 (1998).

5. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 625 - 627 (2010).

6. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 628 - 629 (2010).

7. Абдуллин И.Ш., Канарская З.А., Хубатхузин А.А., Калашников Д.И., Гатина Э.Б., Вестник Казанского технологического университета, 10, 15; 158 - 166 (2012).

8. Хубатхузин А.А., Абдуллин И.Ш., Гатина Э.Б., Желтухин В.С., Шемахин А.Ю., Вестник Казанского технологического университета, 14, 15; 37 - 41 (2012).

9. Хубатхузин А.А., Абдуллин И.Ш., Гатина Э.Б., Желтухин В.С., Шемахин А.Ю., Вестник Казанского технологического университета, 14, 15; 43 - 48 (2012).

© А. А. Хубатхузин - канд. техн. наук, доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, а1 kstu@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdu11in_i@kstu.ru; А. А. Башкирцев - асп. той же кафедры, a1_kstu@mai1.ru.