CC BY
19
УДК 537.525.7:621.762
А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В. И. Христолюбова, А. А. Гумиров
АНАЛИЗ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПИРАЛЬНЫХ НАСОСОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТОДАМИ АНОДИРОВАНИЯ, ЭПИЛАМИНИРОВАНИЯ, ВЧ ПЛАЗМОЙ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: ВЧ плазма, спиральный насос, пониженное давление.
Рассмотрены методы упрочнения металлов. Проведен анализ и сопоставление рассмотренных методов. Получено покрытие на поверхности адюминиевого сплава с помощью анодирования и эпиламинирования, ВЧ плазмы пониженного давления. В результате формирования покрытия на поверхности получено улучшение физико-механических свойств металлов и повышение твердости.
Keywords: RFplasma, spiral pump, low pressure.
Methods of hardening of metals are considered. The analysis and comparison of the considered methods is carried out. The covering on a surface of an aluminium alloy by means of anodic treatment and an apollinarian, RF plasma of lowered pressure is received. As a result of covering formation on a surface improvement ofphysical and mechanical properties of metals and hardness increase is received..
Введение
Тенденции развития промышленности в мире показывают, что увеличение ресурса металлических и материалосодержащих изделий позволяет получить экономико-экологические эффекты, что значительно снижает производственные затраты. Одним из эффективных способов увеличения срока службы изделий машиностроения является модификация свойств рабочих поверхностей, подвергающихся износу в процессе эксплуатации. Результаты 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].
Дюралюминий — основной
конструкционный материал в авиации и космонавтике, а также в других областях машиностроения с высокими требованиями к весовой отдаче. Широкое применение дюралюмины находят в вакуумной промышленности, в частности используются в спиральных насосах. Легкость, достаточная прочность, простота обработки, коррозионная стойкость - основные достоинства материала.
Для сопоставления и анализа влияния воздействия обработки на поверхность образца выбраны три способа обработки: анодирование, эпиламинирование, ВЧ плазма пониженного давления.
Эпиламирование - это процесс нанесения защитной многофункциональной пленки на трущиеся детали и узлы изделий. Речь идет не о смазывании или покраске. Речь идет о специальных фторсодержащих поверхностно-активных веществах (ПАВ), эпиламах, которые специальным образом наносятся на изделие, после чего на нем образуется тончайшая пленка. Обработка проводилась согласно ИСО ГОСТ Р 3001:2008. В качестве эпилама использовалась «фторсодержащая
многофункциональная композиция ЭПИЛАМ СФК-
05». Нанесение покрытия осуществлялось горячим методом в течении часа.
При анодировании алюминиевого сплава деталь погружали в кислый электролит (водный раствор И2804) и соединяли с положительным полюсом источника тока. Процесс протекает при плотностях тока 10—50 мА/см2 детали (требуемое напряжение источника до 50—100 V) [3,5]. Образование оксидного покрытия на поверхности сплава отмечено изменением цвета от привычного стального блеска до матового зеленого.
Перспективным методом обработки материалов является воздействие высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления, в результате которого происходит ионная имплантация атомов плазмообразующего газа в объем металла глубиной до 100 нм [6]. Отличительной особенностью технологии является использование «холодной» плазмы: газовая температура в плазменном потоке может регулироваться в диапазоне от 40 до 600 0С.
Принцип действия основан на формировании потока ионов, обладающих энергией 10 - 100 эВ, за счет образования слоя положительного заряда на границе между поверхностью тела и квазинейтральной плазмой.
Энергии ионов достаточно для залечивания микропор и микротрещин, ликвидации трещиноватого и рельефного слоев, формирования сжимающих остаточных напряжений в приповерхностном слое образца и др.
Использование газа в качестве рабочего тела - позволяет обрабатывать внутренние полости изделий.
Экспериментальная часть и результаты
Во всех случаях во избежание побочных эффектов детали обезжиривались и обезвоживались.
Исходные исследуемые характеристики образца: твердость 0,82 ГПа, модуль упругости 32 Гпа.
После анодирования установлено, что твердость материала возросла до 0,98 Гпа, однако упругие свойства (модуль упругости, коэффициент
упругого восстановления) упали в два раза. Это может быть связано со структурой анодного оксида, который получается пористым. Соответственно очень сильно возросла шероховатость, в 3,5 раза. Поэтому после анодирования следует применять дополнительные меры с целью закупорить поры. Обычно деталь длительно обрабатывают паром или кипятят в воде.
Проведенные исследования по влиянию эпилама показали, что твердость увеличилась аналогичным образом до 0,98 ГПа. Модуль упругости в сравнении с предыдущим методом увеличился на 40% до 45 ГПа, коэффициент упругого восстановления, однако, как и при анодировании остался равным 12%. Шероховатость после данного вида обработки не изменилась.
Для исследования влияния взаимодействия ВЧ плазмы пониженного давления с поверхностью материала проведен третий эксперимент в плазме инертного газа, аргона, 0,06 г/с и в среде смеси плазмохимического газа, метана, 0,004 г/с и аргона 0,06 г/с. Рабочее давление в камере 24-26 Па.
Характеристики плазменного ВЧ генератора: потребляемая мощность 0,5-10 кВт, частота на выходе 13,56 МГц, ток анода 0,6-0,75 А, напряжение анода 7 кВ. С целью концентрации электрического поля вблизи поверхности на изделие подавался дополнительный отрицательный потенциал в размере -20 В. Время обработке в общей сложности составило ~40 минут: 20 минут в аргоне, 20 минут в смеси газов, инертного и плахимоческого. В результате воздействия емкостного ВЧ разряда на поверхность изделия удалось повысить твердость с 3,05±0,17 ГПа до 3,30±0,29 ГПа. При этом увеличился как модуль упругости, с 74,16±10,66 Гпа до 124,07±17,95 ГПа, так и коэффициент упругого восстановления, с 17,94±0,78% до 29,89±5,61. Шероховатость понизилась с 302,37 нм до 76,65 нм.
Для определения физико-механических свойств применялось измерение микротвердости, шероховатости, модуля упругости и коэффициента упругого восстановления, исследовался рельеф и структура поверхности на субмикронном и нанометровом масштабе с помощью сканирующего нанотвердомера «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 индентор 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 [7]. Особенность: пьезорезонанстный кантилевер камертонной конструкции с высокой изгибной жесткостью консоли (~2-104 Н/м).
Выводы
Таким образом, выявлено, что физико-механические показатели деталей спирального насоса, обработанных в плазме емкостного ВЧ разряда, обладают более высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками в сравнении с приведенными методами, анодирование и эпиламинирование. 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. Преимуществом ионной имплантации перед другими методами введения примеси в твердые тела является универсальность процесса, позволяющего ввести любой элемент в любой материал в строго контролируемом количестве, а также задавать его распределение по глубине.
Изучен и освоен комплексный подход к изучению покрытий с применением методов измерения рельефа, шероховатости, твердости, износостойкости, модуля упругости, коэффициента упругого восстановления и толщины модифицированного слоя в рамках одного измерительного прибора.
Литература
1. В.В. Савич, Конструкции из композиционных материалов, 4, 114 - 119 (2006).
2. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 625 - 627 (2010).
3. Шрейдер А. В. Оксидирование алюминия и его сплавов. — М.: Металлургиздат, 1960. — 198 с.
4. Голубев А. И. Анодное окисление алюминиевых сплавов. — М.: Изд-во АН СССР, 1961. — 221 с.
5. Юнг Л. Анодные оксидные пленки. — Л.: Энергия, 1967. — 232 с.
6. Хубатхузин А. А. Повышение твердости физико-механических свойств металлов и их сплавов с помощью ВЧ-плазмы пониженного давления / А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В. И. Христолюбова // Вестник Казанского Технологического Университета. - 2013. - Т. 16; №23. - С. 25-28.
7. Хубатхузин А. А. Особенности измерения физико-механических свойств нанопокрытий / А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В. И. Христолюбова, С. В. Прокудин // Вестн. Каз. Технологического Университета. - 2014. - Т. 17; №2. - С. 39-42.
© А. А. Хубатхузин - к. т. н., доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, al_kstu@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; В. И. Христолюбова - аспирант той же кафедры, valllerrriya@mail.ru; А. А. Гумиров - магистр каф. конструирования одежды и обуви КНИТУ.
