Применение высокочастотной плазмы для модификации внутренних поверхностей изделий

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 537.525.7:621.762

А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В. И. Христолюбова, А. В. Лосев

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ВНУТРЕННИХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ

Ключевые слова: высокочастотная плазма, модифицирование поверхности, внутренняя поверхность.

В работе приведен выбор и исследование технологии для повышения коррозионной стойкости внутренних поверхностей труб с соотношением внутреннего диаметра к длине 1 к 100, которые используются при перекачке агрессивных жидкостей в химических реакторах.

Ключевые слова: высокочастотная плазма, модифицирование поверхности, внутренняя поверхность.

The article presents a procedure for choosing a technology enhancing the wear resistance of the cutting edges of manicure nippers, and research on it. Such nippers are analogous to medical tools.

Повышение качества, надежности и долговечности изделий является одной из основных задач промышленности России, особенно в условиях обострения международной конкуренции, вызванной глобализацией экономики. Одним из эффективных способов повышения качества изделий машиностроения является модификация свойств рабочих поверхностей, подвергающихся действию различных сред в процессе эксплуатации. Результаты экспериментальных исследований процессов износа и разрушения различных изделий при их эксплуатации показали, что надежность изделия и срок службы зависят, а нередко и полностью определяются состоянием поверхностного слоя [1, 2]. Струйный высокочастотный (ВЧ) разряд пониженного давления (р = 13,3-133 Па) обладает уникальными возможностями модификации различных материалов. Он позволяет эффективно обрабатывать органические и неорганические материалы с различным внутренним составом и структурой, а также поверхности изделий сложной конфигурации. В связи с этим в последние годы наметились новые перспективные направления его использования, такие как модификация поверхности конструкционных материалов на уровне нанослоев изделий сложной конфигурации. Воздействием плазмы такого типа разряда 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 связана с одновременным разноплановым воздействием ВЧ плазмы пониженного давления на поверхность твердых материалов. При такой обработке удаляются поверхностные загрязнения, включая оксидные пленки, технологические смазки и т.д., которые неизбежно присутствуют на поверхности материалов. В результате обработки снижается шероховатость поверхности материалов, т.к. ионная бомбардировка концентрирует ионное воздействие на вершинах микронеровностей, т. е. реализуется

избирательная обработка, удаляется трещиноватый и рельефные слои. Бомбардировкой ионов при ВЧ плазменной обработке достигается залечивание микротрещин поверхности материала. Особенно это относится к обработке внутренних поверхностей труб, с целью одновременного повышения твердости и коррозионной стойкости для трубок, используемых в хим. реакторах.

Получение емкостного ВЧ разряда в коаксиальной структуре с изолированным внутренним проводником соответственно схеме, представлено на рис. 1.

Рис. 1 - Получение емкостного ВЧ разряда в коаксиальной структуре с изолированным внутренним проводником

Для проведения измерений в соответствии с требованиями настоящей методики используется система контроля качества (СКК), предназначенная для измерения физико-механических свойств материала внутренних поверхностей труб [3,4]. В основе работы СКК лежат методы неразрушающего контроля: профилометрия и наноиндентирование.

Для измерения шероховатости применяется метод полуконтактной профилометрии. Для измерения твердости внутренних поверхностей труб наиболее целесообразно в качестве базового использовать метод измерительного индентирования. В основе данного метода лежит вдавливание острого алмазного наконечника в поверхность материала. При этом производится регистрация приложенной к наконечнику нагрузки и соответствующего ей внедрения наконечника в материал. По полученным данным рассчитывается твердость, модуль упругости и ряд других механических характеристик материала. Данный метод лежит в основе международного стандарта на наномеханические испытания.

Для определения физико-механических свойств проведены измерения микротвердости и шероховатости, исследовался рельеф и структура поверхности на субмикронном и нанометровом масштабе с помощью сканирующего нанотвердоме-ра «НаноСкан - 3D». На базе «НаноСкан» реализован метод измерения твердости, основанный на измерении и анализе зависимости нагрузки при вдавливании индентора в поверхность материала от глубины внедрения индентора. Данный метод лежит в основе стандарта на измерение твердости ISO 14577. Для механических испытаний применяется инден-тор типа Берковича, который представляет из себя трехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине около 142°. Метод измерительного динамического индентирования заключается в следующем: индентор вдавливается в поверхность образца с постоянной скоростью, при достижении заданной нагрузки индентор отводится в обратном направлении. В процессе такого испытания производится запись значений нагрузки и соответствующего ей смещения индентора [5].

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 пропан-бутана.

Во всех экспериментах осуществлялась подача отрицательного потенциала на изделие порядка -20 В с целью увеличения концентрации электрического поля вблизи деталей [6].

Экспериментально установлено, что время достижения рабочей температуры и получения равномерного распределения температуры по всему объёму материала составляет 15 - 20 минут, поэтому все изделия обрабатывались в плазме чистого аргона в течение 25 минут, затем 20 минут в смеси аргона с пропан-бутаном.

Установлено, что в поверхностном слое материалов происходит изменение твердости и шероховатости. Образование диффузионных нанослоев

приводит к повышению износостойкости конечных изделий, повышению эксплуатационных характеристик оборудования

Экспериментальные исследования показали, что изменения в поверхностном слое материалов приводят к изменению коррозионной стойкости. После обработки плазмой чистого аргона стационарный потенциал смещается вправо. Наиболее значительное смещение отмечено в образце, обработанном при расходе плазмообразующего газа 0,08 г/с. Коррозионная стойкость обработанных по всем режимам образцов выше, чем у исходного.

Проведен анализ толщины легированного слоя внутренней поверхности образца трубного изделия. Материал образца - сталь 30ХН2МФА ГОСТ В 5160-89 ( табл. 1).

Таблица 1 - Химический состав в % материала 30ХН2МФА

Химический элемент %

C 0,27 - 0,34

Si 0,17 - 0,37

Mn 0,3 - 0,6

Ni 2 - 2,4

S до 0,025

P до 0,025

Cr 0,6 - 0,9

Mo 0,2 - 0,3

V 0,1 - 0,18

Cu до 0,3

Fe ~95

Таким образом, выявлено, что физико-механические показатели деталей, обработанных в плазме емкостного ВЧ разряда, обладают более высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками. Происходит газонасыщение (карбидирование) поверхностных слоев металлов и сплавов на глубину до 1 мкм за время обработки до 40 минут, результатом чего является повышение прочностных свойств, долговечности и срока службы изделий.

Литература

1. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951.

2. Шоек П.А. Исследование баланса энергии на аноде сильноточных дуг, горяшдх в атмосфере аргона. В сб. «Современные проблемы теплоообмена». Энергия. М.-Л. 1966.

3. Хубатхузин А. А. Повышение твердости физико-механических свойств металлов и их сплавов с помощью ВЧ-плазмы пониженного давления / А. А. Хубат-хузин, И. Ш. Абдуллин, В.И. Христолюбова // Вестник

Казанского Технологического Университета. - 2013. -Т. 16; №23. - С. 25-28.

4. Хубатхузин А. А. Особенности измерения физико-механических свойств нанопокрытий / А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В.И. Христолюбова, С. В. Про-кудин // Вестн. Каз. Технологического Университета. -2014. - Т. 17; №2. - С. 39-42.

5. Христолюбова В. И. Анализ физико-механических свойств металлорежущего и обрабатывающего инструмента при обработке ВЧ плазмой пониженного дав-

ления / В. И. Христолюбова, А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, Н. Р. Христолюбов // Вестн. Каз. Технологического Университета. - 2014.; №11. - С. 185-187.

6. Хубатхузин А. А. Анализ физико-механических свойств спиральных насосов при обработке методами анодирования, эпиламинирования, ВЧ плазмой пониженного давления / А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдул-лин, В. И. Христолюбова, А. А. Гумиров // Вестн. Каз. Технологического Университета. - 2014. - Т. ?; №10. -С. 177-178.

© А. А. Хубатхузин - к. т. н., доцент каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ, al_kstu@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., профессор кафедры плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; В. И. Христолюбова - аспирант кафедры плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ, valllerrriya@mail.ru; А. В. Лосев - ст. научный сотрудник кафедры плазмохимиче-ских и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ.

© A. A. Khubatkhuzin - Ph.D., Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials Department, KNRTU, al_kstu@mail.ru; 1 Sh. Abdullin - Ph.D., Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials Department, KNRTU, abdullin_i@kstu.ru; V. I. Khristoliubova - Ph.D. student, Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials Department, KNRTU, valllerrriya@mail.ru; A. V. Losev - scientific officer, Plasma Technology and Nanotechnolo-gy of High Molecular Weight Materials Department, KNRTU.