Применение высокочастотной плазмы пониженного давления для модификации внутренних поверхностей изделий

Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №12 УДК 537.525.7:621.762

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

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ

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

В статье приведено описание исследования и выбор технологии с целью повышения коррозионной стойкости и повышения физико-механических характеристик внутренних поверхностей труб с соотношением внутреннего диаметра к длине 1 к 100, использующихся для перекачки различных агрессивных жидкостей в реакторах химической промышленности. Описан технологический процесс защиты материалов за счет модификации их поверхностных слоев воздействием на структуру потоком высокочастотной плазмы пониженного давления с обеспечением требований по износостойкости и долговечности деталей и стабильность их физико-механических и прочностных характеристик в процессе всего срока эксплуатации.

Ключевые слова: radio-frequency plasma, surface modifying, inner surface.

The article describes a procedure for research and choosing a technology for improvement for the wear resistance of the inner surfaces. Technological process of material protection due to surface layers modifying by the influence of low pressure radio-frequency discharge plasma on the structure of the detail with the ensuring of wear resistance and durability requirements for details and physical and mechanical properties stability during the whole process of its exploitation.

Анализ экспериментальных и теоретических исследований показывает, что повышение ресурса внутренних поверхностей можно достичь путем изменения физико-механических свойств

приповерхностного слоя и уменьшения шероховатости на поверхности в пределах допусков, необходимых для изготовления деталей, с сохранением тактико-технических характеристик изделия. Внутренняя поверхность изделий - очень важная, особая область со специфическими характеристиками, которые отличаются от его объемных свойств. Кроме того, исследования показывают, что даже объемные свойства, такие как усталость и прочность металлов во многом определяются свойствами поверхностного слоя.

Повышение надежности, качества и долговечности изделий - одна из основных задач промышленности Российской Федерации, находящейся в условиях острой международной конкуренции, связанной с глобализацией экономики. Эффективным способом повышения качества деталей машиностроения является модификация свойств рабочих поверхностей, которые подвергаются действию агрессивных сред в процессе эксплуатации. Результаты проведенных экспериментальных исследований процессов разрушения и износа деталей при их эксплуатации показывают, что срок службы изделия и надежность определяются состоянием приповерхностного слоя [1]. Высокочастотная (ВЧ) плазма пониженного давления (р = 13,3-133 Па) обладает рядом уникальных возможностей модификации материалов различной природы. Она позволяет качественно обрабатывать неорганические и органические материалы с различной внутренней структурой и составом, а также изделия сложной конфигурации. В следствие этого в настоящее время разрабатываются новые направления ее использования, например, модификация поверхностных нанослоев

конструкционных материалов и деталей сложной

конфигурации. С помощью воздействия плазмы возможно улучшение одновременно нескольких свойств, таких как повышение усталостной прочности с наведением в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений и увеличением твердости.

Возникновение таких эффектов связано с одновременным воздействием высокочастотной плазмы пониженного давления на поверхность материалов. При данной обработке устраняются приповерхностные загрязнения, в том числе технологические смазки, оксидные пленки и т. д., которые неизбежно присутствуют на поверхности изделия. В результате обработки шероховатость поверхности материалов снижается, т. к. ионная бомбардировка концентрирует ионное воздействие на вершинах микронеровностей, т.е. реализуется избирательная обработка, удаляются рельефные и трещиноватые слои. При бомбардировкой ионами при высокочастотной плазменной обработке возможно залечивание микротрещин поверхности металла. Особенно это относится к обработке внутренних поверхностей труб для одновременного повышения твердости и коррозионной стойкости для трубок, используемых в химических реакторах.

Генерация емкостного высокочастотного разряда в коаксиальной структуре с изолированным внутренним проводником, соответствующей схеме, приведено на рисунке 1.

Для измерения в соответствии с требованиями существующей методики применяется система контроля качества (СКК), сконструированная для изучения физико-механических свойств металлических внутренних поверхностей труб [2-4]. В основе работы СКК используются методы неразрушающего контроля: наноиндентирование и профилометрия.

Для изучения шероховатости используется полуконтактная профилометрия, сканирующая зондовая микроскопия. СКК представляет собой

стационарную полуавтоматизированную

измерительную систему. Включает в себя раму, измерительную головку управляющей электроники, набор датчиков-кантилеверов, персональный компьютер. Для исследования твердости внутренних поверхностей труб целесообразно в качестве базового использовать метод измерительного индентирования. В основе такого метода лежит вдавливание острого алмазного наконечника в виде пирамиды с вершиной в 142о в поверхность материала. При этом производится запись зависимости приложенной к наконечнику нагрузки от соответствующего ей внедрения наконечника в металл. По этим результатам рассчитывается модуль упругости, твердость и ряд других механических характеристик материала. Данный метод лежит в основе международного стандарта на наномеханические испытания.

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

достижении определенной нагрузки наконечник отводится в противоположном направлении. В процессе данного эксперимента производится запись значений нагрузки и соответствующего ей смещения индентора [5,6].

Рабочим газом при исследовании финишной очистки и нанополировки поверхностей изделий использовался технически чистый аргон. Для установления зависимости изменения механических характеристик от воздействия на микроструктуру поверхности изделия использовалась смесь газов из аргона и азота.

Во всех проведенных экспериментах осуществлялась подача отрицательного потенциала на изделие порядка -30 В с целью увеличения слоя положительного заряда вблизи деталей [7].

Экспериментально доказано, что время достижения рабочей температуры для ее равномерного распределения по всему объёму материала составляет 80 - 100 минут, поэтому все изделия обрабатывались в плазме технического аргона в течение 80 минут, затем 80 минут в смеси аргона с азотом.

Установлено, что в приповерхностном слое материалов происходит изменение шероховатости и твердости. Образование диффузионных нанослоев приводит к повышению износостойкости конечных изделий, повышению эксплуатационных

характеристик оборудования

Проведенные экспериментальные

исследования свидетельствуют о том, что структурные изменения в поверхностном слое материалов приводят к изменению коррозионной стойкости. После обработки плазмой технического аргона стационарный потенциал смещается вправо. Наиболее значительное смещение потенциала наблюдается в образце, обработанном при расходе плазмообразующего газа 0,1 г/с. Коррозионная стойкость обработанных по всем режимам образцов в плазме пониженного давления выше, чем у исходного. Базовые режимы обработки приведены в таблице 1.

Таблица 1 Характеристики базового режима обработки

Для исследования физико-механических характеристик проведены измерения микротвердости и шероховатости, исследовался структура поверхности и рельеф на нанометровом и субмикронном уровне на сканирующем нанотвердомере «НаноСкан - 3D». На базе «НаноСкан» используется метод измерения твердости, основанный на измерении и сопоставлении 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 используется индентор типа Берковича, представляющий собой трехгранную алмазную пирамиду. Метод измерительного динамического индентирования реализуется в следующем: индентор движется к поверхности образца с одинаковой скоростью, при

мощность разряда 1,2 кВт

плазмообразующий газ - расход 1400 см3/мин

аргон

плазмохимический газ - расход 600 см3/мин

азот

рабочее давление 100 Па

температура обработки 3000С

суммарное время обработки 40 мин

Проведено исследование толщины легированного слоя внутренней поверхности трубного изделия после обработки в плазме пониженного давления при базовых режимах. Установлено изменение структуры поверхности материала, связанное с рекристаллизацией в связи с укрупнением зерен, что негативно сказывается на

эксплуатационные характеристики изделия. Исследования проведены на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss EVO LS-10. Напряжение ускоряющего электронного пучка устанавливалось равным 20кВ. Угол съемки составлял 10о.

Рис. 3 - Микроскопическое изображение поверхности образца стали 30ХН2МФА

Проведены исследования состояния внутренней поверхности труб после изменения параметров обработки, представленных в таблице 2.

Таблица 2 - Измененные параметры обработки материала 30ХН2МФА

Исследования поверхности после обработки проведены в межрегиональном наноцентре на оже-электронном спектрометре ЖМР - 9510Б («ШОЬ», Япония) (рис.4). Глубина модифицированного слоя -

25-30 нм. Повышение содержания азота с фонового значения 1,52 % до 6,3 % (на глубине 25 нм).

Рис. 4 - Микроскопическое многослойной изображение поверхности образца стали 30ХН2МФА EDS2.

Модификация поверхности металла подтверждается исследованиями поверхности минералов методом рентгеновской дифракции.

Фазовая идентификация образцов минералов проводилась с помощью программного модуля для обработки дифракционных данных DIFFRAC.EVA, входящего в программный пакет DIFFRAC.SUITE.

Выполнен рентгеноструктурный анализ на дифрактометре BRUKER D8 ADVANCE, Mo-излучение, глубина анализа - 7-15 мкм.

Исследования элементного состава проводилось на растровом электронном микроскопе Philips SEM-515 с системой рентгеновского микроанализа EDAX Genesis-2000 XMS. Глубина анализа составляет ~1-2 мкм.

Результаты показывают, что на внутренней стороне ствола в 1,5-2 раза увеличено содержание углерода (от 1,01 до 1,39-2,2 вес.%). Количественное содержанием этим методом определять нельзя, так как этот метод поверхностный - можно говорить только о качественном увеличении углерода.

На дифрактограмме (рис. 5) наблюдается несущественное уширение в области, соответствующей карбиду Fe3C (на рис. выделено

мощность разряда 0,5 кВт

плазмообразующий газ - расход 800 см3/мин

аргон

плазмохимический газ - расход 400 см3/мин

азот

рабочее давление 15 Па

температура обработки 1800С

суммарное время обработки 40 мин

н

i _У Л 1 Л

1 1 и Ü Wh , ., , -.,—>------------- L. к

2 Theta

Рис. 4 - Дифракционные спектры 30Х2НМФА

овалом). Синяя штрих-диаграмма соответствует a-Fe, красным - Fe3C. Параметр решетки a-Fe. Глубина анализа - до 15 мкм. Таким образом, разработана и изготовлена плазменная установка для модификации внутренней поверхности труб. Участок оснащен необходимым технологическим оборудованием и оснасткой. Смоделирована и разработана методика для определения физико-механических свойств внутренней поверхности труб диаметром до 13 мм. Изготовлен прибор для контроля твердости и шероховатости внутренней поверхности стволов неразрушающим контролем. Установлено, что физико-механические характеристики деталей, обработанных в потоке плазмы высокочастотного разряда, обладают улучшенными показателями по сравнению с исходными. Происходит газонасыщение (карбидирование) поверхностных слоев

металлической внутренней поверхности на глубину до 80 нм за время протекания процесса до 100 минут, в результате чего повышаются прочностные свойства, срок службы и долговечность деталей машиностроения.

Литература

1. А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В.И. Христолюбова, Вестник Казанского Технологического Университета, 16, 23, 25-28

2. А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В.И. Христолюбова, С. В. Прокудин, Вестник Казанского Технологического Университета, 17, 39-42

3. В. И. Христолюбова, А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдул-лин, Я. О. Желонкин, Техника и технологии: Межд. науч.-прак. конф., Брянск, 23-25 июня 2014 г., С. 77-80.

4. В. И. Христолюбова, А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдул-лин, Вестник Казанского Технологического Университета, 17, 7, 187-189

5. А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В. И. Христолюбо-ва, Н. Р. Христолюбов, Вестник Казанского Технологического Университета, 17, 12, 30-33

6. В. И. Христолюбова, А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдул-лин, Н. Р. Христолюбов Вестник Казанского Технологического Университета, 17, 11, 185-187

7. А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В. И. Христолюбова, А. А. Гумиров, Вестник Казанского Технологического Университета, 17, 10, 177-178

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

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