CC BY
41
Н.В. Мартюшев
канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Научно исследовательский
Томский политехнический университет»
А. Г. Мельников
канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Научно исследовательский
Томский политехнический университет»
Т. В. Некрасова
инженер, ФГБОУ ВПО «Научно исследовательский Томский политехнический университет»
ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА СПЕЧЕННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы получения высокопрочной керамики на основе нанопорошков оксида алюминия и диоксида циркония. Так же изучены вопросы повышения прочностных свойств поверхности керамических образцов методами ионной имплантации.
Ключевые слова: инструментальная керамика, оксид алюминия, ионная имплантация, диоксид циркония.
N.V. Martyushev, Tomsk Polytechnic University
A.G. Melnikov, Tomsk Polytechnic University
T.V. Nekrasova, Tomsk Polytechnic University
ION-BEAM SURFACE TREATMENT OF THE CEMENTED CERAMIC COMPOSITE
Abstract. In article questions of high-strength ceramics reception on a nanopowder basis of oxide aluminum and a zirconium dioxide are considered. As increase questions strength properties of a ceramic samples surface are studied by methods of ionic implantation.
Keywords: tool ceramics, oxide aluminum, ion-beam surface treatment, zirconium dioxide.
В современном машиностроении большое количество инструмента изготавливается с применением инструментальной керамики на основе диоксида циркония и оксида алюминия. Несмотря на высокую твердость и прочность такого материала, работы в направлении повышения его эксплуатационных характеристик являются крайне актуальными. Авторы в этой работе совместили две технологии направленных на повышение эксплуатационных характеристик инструментальных керамик: спекание керамики под давлением со свободными торцевыми поверхностями из нанопорошков и ионная имплантация поверхности полученной керамики.
Первая часть работы посвящена подбору оптимального состава смеси нанопо-рошков для спекания и приводится технология получения плотного керамического композита ZrO2-Y2O3-Al2O3, в структуре которого имеют место многочисленные сферические включения размером порядка нескольких микрон с сильно различающейся по соотношению количества диоксида циркония и оксида алюминия наноструктурой.
Такой материал был получен в процессе горячей деформации предварительно спрессованной смеси порошков двух составов (80 вес. % ZrO2 (3 мол. % Y2O3) + 20 вес. % Al2O3 и 20 вес. % ZrO2 (3 мол. % Y2O3) + (80 вес. % Al2O3), полученных методом денитрации растворов солей в плазме ВЧ разряда. Такой метод получения хорошо зарекомендовал себя с точки зрения получения сильнонеравновесных порошков разной
морфологии.
Спекание под давлением, как метод компактирования описанного керамического композита, был выбран не случайно. Так, например, более традиционным спеканием без приложения давления подобный плотный материал, содержащий сферы с наноструктурой, получить невозможно. Причина этого лежит в сильной агломерации исходной смеси, которая ведет к неоднородной по размеру пористости при спекании. Ранее в работах Н.Л. Савченко, С.Н. Кулькова (ИФПМ СО РАН) было показано, что даже посредством высокотемпературного спекание (при температурах 1600-1750 °С) не удается полностью избавится от крупной межагломерационной пористости. Поэтому именно метод «спекание-ковка» (спекание образца под давлением со свободными боковыми поверхностями) был применен для получения плотного композита, используя присущий этому методу эффект максимально быстрого уплотнения (в сравнении со свободным спеканием) при минимальной температуре для сохранения ультрадисперсной неравновесной структуры исходной порошковой смеси. Спекание под давлением является эффективным способом для удаления именно крупной пористости. Быстрое (относительно спекания без приложения давления) исчезновение больших пор из объема образцов было вызвано процессами пластической деформации композита. С названных позиций вполне объяснима наблюдаемая на рис. 1.а зависимость скорости деформации в направлении оси Т от времени. По-видимому, при достижении плотностей порядка 90% от теоретической меняется механизм деформации пористого компакта. Если на начальной стадии процесса механизм деформации связан в основном с удалением пор за счет пластической деформации, что и обеспечивает высокую скорость деформации, то при достижении высокоплотного состояния, по-видимому, включаются диффузионные механизмы, характерные для деформации сплошных сред. Это приводит к снижению скорости деформации на два порядка.
0.006 0.005 0.004 0.003
со
0.002 0.001 0.000
¿е
а I
0.7
0.9
1.1
1.2
1.3
500
1000
1500 1, с
2000
2500
3000
а б
Рисунок 1 - (а) Изменение скорости деформации вдоль оси сжатия в течение времени 1; (б) Влияние величины полной пластической деформации р на конечную
плотность образцов £р2
На рис. 1.б, представлены данные о влиянии величины полной пластической деформации образцов на их конечную плотность. Видно, что при увеличении деформации в интервале значений 0,7-0,85 наблюдается быстрый прирост конечной плотно-
сти до 90-92 % от теоретической. При дальнейшем увеличении степени деформации прирост плотности снижается. Возможно, что именно смена механизма деформации оказывает влияние на снижение прироста конечной плотности при увеличении степени полной деформации, рис. 1 б.
Полученный композит имеет предел прочности на изгиб порядка 600 МПа, твердость НУ = 12644 МПа и вязкость разрушения (К1с=15-19 МПа*м1/2). Можно отметить выдающееся значение вязкости разрушения композита, не свойственное композитам подобных составов (по литературным данным обычно это значение не превышает величины 10-12 МПа*м1/2). По всей видимости, наличие в плотном образце областей с сильноразличающимися по составу структурами, которые в свою очередь распределены в микронных сферических включениях по всему объёму композита - всё это к новому набору эффективно действующих механизмов упрочнения, например таких, как отклонение трещины на сферических нанокомпозитах и возможных других.
Во второй части работы полученный нанокомпозит на основе диоксида циркония и оксида алюминия подвергали ионной имплантации. Технология ионной имплантации, как универсальный метод, основанный на введении легирующих примесей, в любой материал в строго контролируемом количестве, известен давно и является очень привлекательным, так как дает возможность управлять физико-механическими свойствами материалов согласно их целевому назначению, а значить прогнозировать и продлевать ресурс работы готового изделия.
Совместно с Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) нами были проведены комплексные исследования и выделены два основных недостатка качества имплантации, которые наиболее часто встречаются при использовании метода ионной имплантации и напрямую связанны с техническими возможностями самого оборудования предназначенного для проведения данного вида обработки:
1. Нестабильность полученных результатов, что не позволяет точно выявить структурные изменения, являющиеся необходимым условием процесса ионной имплантации, и как следствие, отсутствие явных положительных эксплуатационных свойств, ожидаемых от воздействия данной технологией.
2. Явный радиационный эффект, который выражается наличием различного рода микро лунками и кратерами на поверхности в местах торможения ионов, и массивная их концентрация приводит к трещинам и микровыкрашиваниям обработанной поверхности.
Недостаток имплантации, характеризующийся радиационным эффектом, возможно устранить подбором режимов имплантации для каждого вида материала, учитывая его физико-механические, технические и тепловые свойства [1; с. 35-39]. К режимам имплантации в первую очередь, следует отнести: материал мишени (Л, Т1В2, А1, А1В, ...), рабочий газ (азот, аргон, криптон, ...), ускоряющее напряжение ионов - до 30кВ, ток пучка ионов - до 25 мА, напряжение разряда - до 1 кВ, ток разряда - до 1,5 А, доза имплантации - до Ф = 5х1017ион/см2.
Выявив недостатки в оборудовании, предназначенного для проведения ионно-лучевой обработки и методы их устранения, совместно с Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) была разработана и собрана промышленная установка на базе вакуумной камеры «Мир», с использованием газоразрядного ис-
точника металлических ионов модификации «БИОН-2М» (разработка Томского политехнического института, кафедра автоматизации и роботизации машиностроения, автор - доцент Брюхов В. В) с постоянным ускоряющим напряжением до 40кВ, с управлением вакуумной системой и источниками питания программируемым логическим контроллером [2].
Технические испытания данного оборудования в промышленных условиях позволили доработать и устранить недостатки конструктивных элементов оборудования. Технологические же испытания оборудования на качество модификации поверхности при проведении процесса ионной имплантации, доказали достоверность нашего предположения, относительно регулярных пульсаций тока и напряжения в ионном пучке, которые позволяют повысить эффективность ионной имплантации инструментальных материалов, особенно, при упрочнении инструментальной керамики.
Основная доля исследований была направлена на упрочнение режущего инструмента изготовленного из спеченного керамического композита. Это обусловлено тем, что поверхность режущего инструмента работает в наиболее тяжелых условиях и здесь собраны практически все виды разрушения: от абразивного и адгезионного износа до высокотемпературной ползучести. После установления основного вида износа строилась идеология упрочнения. В большинстве случаев это повышение микротвердости поверхностного слоя и уменьшения адгезионного взаимодействия инструмента и стружки. Хотя необходимо отметить, что круг решения проблем данной технологией очень велик, и успешность их решения целиком зависит от грамотно изложенного технического задания, а также заданных условий эксплуатации упрочняемых деталей или материалов. Прогнозирование адгезионного взаимодействия осуществлялось по данным о смачиваемости расплавом обрабатываемого материала тугоплавких соединений. После чего такое соединение либо синтезировалось в поверхностном слое, либо бралось готовым и, выполняя роль экстрактора в ионном источнике, вводилось в поверхность.
Особый интерес представляет процесс ионного перемешивания нанодисперс-ного порошка с атомами обрабатываемого материала путем ионной имплантации. Такой способ использования ионной имплантации, позволяет наряду с традиционным упрочнением поверхности производить ее легирование необходимым материалом, предварительно нанесенным на поверхность. Являясь на микроскопическом уровне активным и неравновесным процессом, ионная имплантация позволяет получать материалы с составом и структурой, недостижимыми обычными металлургическими способами. Сам процесс ионного перемешивания, когда падающий ион внедряется через поверхность раздела между тонкой пленкой нанесенного нанодисперсного порошка и самого обрабатываемого материала, перемешивание атомов под действием ионов может образовывать область возле поверхности раздела, где будут содержаться как атомы нанесенного порошка, так и атомы обрабатываемого материала.
Устранение недостатков в работе имплантационного оборудования позволило произвести обработку спеченных керамических композитов и повысить эксплуатационные свойства изделий. Так на обработанных поверхностях образцов коэффициент трения понизился на 15%, микротвердость возросла на 10-12%. На основании вышеизложенного, мы с уверенностью можем утверждать, что применение технологии ион-
ной имплантации наряду с технологией получения керамического нанокомпозита, способно снизить затраты на инструмент, за счет увеличения его стойкости. Реализация комплексного подхода в создании керамического инструмента позволяет в целом, решать различные нужды технологического процесса производства.
Список литературы:
1. Быковский Ю.А., Неволин В.Н., Фоминский В.Ю. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов. - М: Энергоатомиздат, 1991, 235 с.
2. Брюхов В. В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации. - Томск: Изд-во НТЛ, 2003, 120 с.
List of references:
1. Bykovsky Yu.A., Nevolin V.N., Fominsky V.Yu., Ionic and laser implantation of metal materials. -M: Energoatomizdat, 1991, 235 p.
2. Brukhov V.V., Increase of the firmness tool a method of ionic implantation. - Tomsk: Publishing house NTL, 2003, 120 p.
Ю.В. Снегирев
аспирант, кафедра вычислительной техники и прикладной математики,
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
В.Д. Тутарова
канд. техн. наук, доцент, кафедра вычислительной техники и прикладной математики, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный
технический университет им. Г. И. Носова»
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПЛАВЛЕНИЯ РЕАГЕНТОВ В СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ КОВШЕ ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ
Аннотация. В статье рассматривается проблема расплавления реагентов в жидкой стали при ее внепечной обработке. Обосновывается актуальность проблемы, определяется цель, ставятся задачи, приводятся способы и результаты их решения.
Ключевые слова: внепечная обработка стали, математическое моделирование, расплавление реагентов, сталеразливочный ковш, алгоритм.
Y.V. Snegirev, Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov
V.D. Tutarova, Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov
MODELLING OF REAGENTS MELTING IN STEEL LADLE IN SECONDARY METALLURGY
Abstract. The article describes the melting of reagents in steel ladle in secondary metallurgical production. Research problem was proved, the aims were set, the tasks were worked out, their solution and results are given in the article.
Keywords: secondary metallurgy, mathematical modeling, melting of reagents, steel ladle, algorithm.
