Исследование характеристик потока высокочастотного разряда пониженного давления в технологических процессах формирования диффузионных покрытий на изделиях сложной конфигурации

УДК 537.525.7:621.762

М. Ф. Шаехов, В. И. Христолюбова, А. А. Рушинцев, В. Е. Горелышева

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ФОРМИРОВАНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗДЕЛИЯХ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

Ключевые слова: скорость потока, диффузионные покрытия, ВЧразряд, пониженное давление, металлорежущий инструмент.

Представлены результаты исследований характеристик струйного высокочастотного разряда пониженного давления при модификации поверхности быстрорежущих и конструкционных сталей, вольфрамокобальтовых сплавов. В присутствии материалов изучены газодинамические, электрические и энергетические параметры потоков высокочастотного разряда пониженного давления в разрядной камере и в межэлектродном промежутке. Исследовано влияние входных параметров плазменной установки на характеристики разряда. Описаны процессы, ответственные за модификацию поверхности металлов и их сплавов при введении образца в плазменную струю и определено влияние образцов изделий сложной конфигурации на ее характеристики.

Key words: flow velocity, diffusion coatings, RF discharge, low pressure, machine tool.

The results of studies of characteristics of inkjet high-frequency discharge of low pressure in the surface modification of high-speed and structural steels, alloys wolframkarbid. In the presence of the materials was studied gasdynamic, electrical and energy parameters of the flows of high-frequency discharge of low pressure in the discharge chamber and the electrode gap. The influence of the input parameters of the plasma setup on the characteristics of the discharge.Describes the processes responsible for surface modification of metals and alloys with the introduction of the sample into the plasma jet and the influence of samples of articles of complex shape on its performance.

Введение

Технологии, применяемые в настоящее время в инструментальной промышленности и машиностроении, привели к освоению и широкому применению таких видов источников концентрированных потоков энергии, как плазменные технологии (разряды). Достоинствами данных методов при обработке материалов являются: высокая плотность потоков энергии; возможность регулирования давления и химической активности среды в зоне воздействия источника плазмы и в вакуумной разрядной камере; возможность ионизации инертных и реагирующих газов с целью направленной модификации поверхностных слоев.

Анализ исследований по модификации поверхности металлов и их сплавов показывает, что для формирования заданных физико-механических свойств наиболее целесообразно использовать частицы с энергией 50-100 эВ. Потоки ионов с такой энергией формируются в струйных высокочастотных (ВЧ) разрядах пониженного давления.

Однако в настоящее время газо- и плазмодина-мические процессы взаимодействия потока плазмы ВЧ емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления с металлами и их сплавами и влияние характеристик ВЧЕ-установок пониженного давления на процессы формирования диффузионных покрытий на изделиях исследованы недостаточно. Свойства струйного ВЧЕ разряда с плоскими электродами изучены очень слабо.

Экспериментальная часть

Экспериментально исследовались характеристики струйного ВЧ разряда пониженного давления в диапазоне стабильного его зажигания и горения в разрядной камере на частоте f=13,56 МГц.

Для обработки металлорежущего и обрабатывающего инструмента потоком ВЧ разряда пониженного давления использовалась плазменная установка с симметричными плоскопараллельными электродами.

Контроль генерируемого разряда внутри рабочей вакуумной камеры осуществляется при помощи оборудования, обеспечивающего бесконтактные методы диагностики.

Избыточное давление определяли ^образным манометром, соединенным с трубкой Пито. В качестве рабочей жидкости использовался дибутилфта-лат. Допустимое отклонение по ГОСТ 2405-88 составляет ±0,2%.

Для защиты оборудования диагностики от теплового воздействия плазмы предусмотрено охлаждение наиболее подверженных нагруженных элементов. С этой целью сконструированы системы водооборота, предусмотрены уплотнительные элементы соединительных деталей, охлаждающие линии внутри установки.

Параметры обработки металлорежущего инструмента струйным ВЧ разрядом пониженного давления в табл.1 В качестве рабочего газа при исследовании процессов финишной очистки и нанополировки поверхностей использовался технически чистый аргон. Для воздействия на структуру поверхности изделия использовалась смесь газов из аргона и метана.

Таблица 1 - Параметры обработки изделий струйным ВЧ разрядом пониженного давления

N, Q1, Q1, Q2, Q2, P, Time,

Вт см3/мин мг/с см3/мин мг/с Па мин

800 1400 43,4 - - 23 20

800 1400 43,4 150 1,7 20 20

С целью исследования газодинамических характеристик плазменных потоков внутри трубчатого изделия рассмотрена схема обработки изделия с соотношением диаметра к длине 1: 100.

Обрабатываемое изделие устанавливается и уплотняется между нижними и верхними вакуумными уплотнительными фланцами. Трубчатое изделие является частью колебательного контура и является аналогом индуктивности. К колебательному контуру подводится ВЧ напряжение (13,56 МГц) от высокочастотного генератора (ВЧГ) AECesar 1330. В непосредственной близости от электрода расположены вакуумные подстроечные конденсаторы, образующие с электродом колебательный контур и позволяющие для наилучшей передачи ВЧ энергии произвести точную настройку контура на рабочую частоту генератора. Для автоматического согласования генератора с нагрузкой используется согласующее устройство (СУ) AEVarioMatch 5000.

С целью определения физико-механических свойств проведены измерениянанотвердости, шероховатости, коэффициента упругого восстановления, модуля упругости, исследованаструктура поверхности и рельеф и на микронном и нанометровом масштабе при помощисканирующегонанотвердомера «НаноСкан- 3D». Реализованный метод измерения твердости, основанный на измерении и обработке данных зависимостей нагрузки при вдавливании индентора в поверхностные слои материала от глубины внедрения индентора, позволяет осуществлять комплексный подход измерения физико-механических характеристик за один цикл. Данный метод соответствует стандарту по измерению твердости ISO 14577. В испытаниях применялсяинден-тор типа Берковича.Индентор представляет собой трехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине около 142°. Измерительное динамическоеин-дентирование заключается в следующем: алмазная пирамида вдавливается в поверхностный слой образца с постоянной скоростью и заданной силой, достигаяопределенной нагрузки индентор отводится в противоположном направлении. В процессе ин-дентирования производится запись соответствующей силы и вызванное значение смещения инденто-ра. Особенностью метода является пьезорезонанс-ныйкантилевер камертонной конструкции с высокой изгибной жесткостью консоли (-2-104 Н/м).

С целью контроля качества выпуклых поверхностей использован прибор на базе сканирующего на-нотвердомера, который предназначен непосредственно для контроля качества при определении не-разрушающими методами физико-механических характеристик поверхности труб.

Результаты и обсуждение

Измерения скорости плазменного потока в разрядной вакуумной камере с плоскими электродами показали, что с увеличением расхода газа скорость растет примерно по линейному закону. Скорость плазмы в смеси газов в среднем на 5% меньше скорости аргоновой плазмы. С увеличением мощности разряда скорость потока растет (рис. 1а). Аналогичная закономерность имеет место и при уменьшении

давления в вакуумной камере.При введении изделия в плазменную струю скорость потока вблизи поверхности металла снижается. Это связано с тем, что при введении тела в плазменный поток в приповерхностном слое происходит частичное снижение температуры потока за счет возникающей разности температур плазменного столба и образца. При одной и той же вкладываемой в разряд мощности температура атомов и ионов в смеси газов меньше, чем в аргоновой плазме, что связано с кинетической энергией частиц в разряде, которая существенно влияет на скорость потока.

На рисунке 1б представлена зависимость скорости потока плазмы по длине изделия в диапазонах расходов газов GAГ=1,25-1,86мг/с в аргоне и в смеси инертного и реагирующего газов (аргон+азот). Скорость потока по длине изделия возрастает, т.к. давление в зоне откачки газа значительно ниже, чем в зоне напуска.

Исследования концентрации электронов в вакуумной камере с плоскими электродами позволили установить, что с ростом давления в диапазоне от 10 до 40 Па концентрация электронов в струйных ВЧ разрядах пониженного давления увеличивается (рис. 2). С ростом давления в вакуумной камере в межэлектродном промежуткеснижаются потери заряженных частиц вследствие диффузии и повышения частоты ионизирующих столкновений атомов и ионов с тяжелыми частицами.

- 0=29,5 ыг'с (аргон), без образца

(3=35,5 ыг'с (аргон), С3=8,5 ыг/с (метан), без образца -0=44,5 ыг/с (аргон), образецРбМ5

- 0=44,5 ыг/с (аргон), без образца

1.4 Мощность, кВт

а

» G-Q.94 мг/с

A G=l,25 мг/с

б

Рис. 1 - а) Зависимость скорости потока плазмы ВЧЕ разряда от мощности генератора в диапазоне расходов газа GAr=29,5-41,1 мг/с в аргоне и в смеси инертного и реагирующего газов (ар-гон+метан) в присутствии образца и без образца, б) Зависимость скорости потока плазмы по длине трубчатого изделия от расходов газов в аргоне и в смеси инертного и реагирующего газов (аргон+азот), 0 м - зона напуска газа, Р = 20 Па, N = 1 кВт

27,5 32,5 Давление, Па

Рис. 2 - Зависимость концентрации электронов ВЧЕ разряда от давления в разрядной камере ^ = 0,06 г/с, аргон)

Результаты экспериментовобработки металлорежущего инструмента струйным ВЧ разрядом пониженного давления представлены и табл. 2.

Таблица 2 - Результаты экспериментов обработки изделий струйным ВЧ разрядом пониженного давления

Изделие (Материал) Твердость необработанных образцов, ГПа Твердость обработанных образцов, ГПа

Торцевая фреза (Р18) 13,10 17,39

Дисковая фреза (Р18) 21,38 21,75

Сверло (Р6М5) 18,21 19,07

Сверло (Р6М5) 19,90 21,54

Дисковая фреза (Р18) 11,33 16,24

Торцевая фреза (Р18) 19,24 21,42

Заключение

Оптимальным диапазоном изменения входных параметров ВЧ плазменной установкиявляются: давление газа Р=10-30 Па, расход газа G=0,001-0,1 г/с, мощность N=0,5-3 кВт. В этом диапазоне параметры струйного ВЧ разряда пониженного давления изменяются в следующих пределах: концентрация электронов пе=1011-1013 1/м3.

Установлено, что физико-механические пара-метрыобработанных в плазме емкостного ВЧ разря-

да деталейвыше показателей образцов необработанных материалов. Таким образом, инструмент с модифицированной поверхностью обладает высокими эксплуатационнымитехнологическими характеристиками. Происходит процесс газонасыщения (кар-бидирования) поверхности металлов, сплавов и из-делийна глубину до 0,1 мкм за время обработки до 20 минут, в результате чего повышаются прочностные свойства, долговечность и срок службы изделий. Преимущество ионной имплантации в сравнении с другими методами ввода примеси в твердые тела -возможность вводить любой элемент в любой поверхностный слой материала в строгом контролируемом количестве, возможность задавать распределение элемента по глубине.

Исследования износостойкости проведены экспериментальным путем при испытаниях на ООО «Завод электрощитового оборудования». Результаты испытаний показывают, что у всех обработанных фрез и сверлсрок службыувеличился в 1,5-2 раза.

Работа выполнена на базе Казанского национального исследовательского технологического университета в рамках научно-исследовательской работы по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Литература

1. Христолюбова, В.И. Особенности экспериментальных исследований модификации материалов ВЧ-плазмой пониженного давления/В.И. Христолюбова // Вестник технологического ун-та. -2015. -Т.18. -№12.-С.114-117.

2. Хубатхузин, А.А. Особенности измерения физико-механических свойств нанопокрытий /А.А. Хубатхузин, И.Ш. Абдуллин, В.И. Христолюбова, С.В. Прокудин // Вестник Технологического Университета.-2014. Т.17. -№2.—С.39-42.

3. Симагина, Е.В. Повышение работоспособности режущего инструмента с наноструктурными покрытиями /Е.В. Симагина, Ю.В. Агабеков//Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.^ 10.-№ 2(81).-С.98-104.

© М. Ф. Шаехов - д.т.н., профессор кафедры плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ; В. И. Христолюбова - аспирант кафедры плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИ-ТУ, vaШerrтiya@maiLru; А. А. Рушинцев - магистр кафедры конструирования одежды и обуви, КНИТУ; В. Е. Горелышева -бакалавр кафедры плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, gorelyshevav@gmail.com.

© M. F. Shaekhov - Ph.D., professor of Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials Department, KNRTU; V. I. Khristoliubova - Ph.D. student, Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials Department, KNRTU, valllerrriya@mail.ru; A. A. Rushintsev - master of Garment and Footwear Design Department, KNRTU; V. E. Gorelisheva - bachelor of Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials Department, KNRTU, gorelyshevav@gmail.com.