CC BY
13
УДК 621.763
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ И
ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ КОНДЕНСАЦИИ И ИОННОГО ОСАЖДЕНИЯ Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail: lavro7@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе выполнено исследование по определению теплового потока вакуумной камере установки «ЮНИОН», рассчитано температурное поле, позволяющее определять температуру изделия в любые точки камеры, необходимой для получения качественных покрытий.
Ключевые слова: вакуум, плазма, тепловой поток, нагрев, свойства покрытия
Широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом получил метод конденсации в вакууме на поверхности инструмента вещества из плазменной фазы с ионной бомбардировкой — метод КИБ. Этот метод дает возможность наносить высокопрочные износостойкие покрытия на рабочие грани инструмента, изготовленного из твердых сплавов, быстрорежущих, инструментальных и штамповых сталей. Метод реализуется на различных установках с плазмооптической системой управления плазменным потоком.
Анализ способов упрочнения режущего инструмента показывает, что при эксплуатации установок для нанесения покрытий методом КИБ часто сталкиваются с нестабильностью повышения стойкости инструмента с покрытием. Это может быть связано со следующими причинами:
- неудовлетворительной предварительной и внутрикамерной очистки инструмента,
- использование некачественного материала испарителя и реакционного газа,
- изменение технологических параметров при ионной очистке и конденсации покрытия в значительных пределах (из-за несовершенства систем управления технологическими параметрами в установках плазменного напыления),
- несоблюдение теплового режима ионно-плазменной технологии нанесения покрытий
- свойства получаемых покрытий не являются оптимальными для данного инструмента, так не учитываются свойства инструментального материала, его геометрия, эксплуатационные режимы резания и свойства обрабатываемого материала.
В каждом конкретном случае необходимо устранять причину, ведущую к нестабильности повышения стойкости инструментов с покрытием, свя-
занную с нарушением технологии нанесения покрытий или с условиями их рациональной эксплуатации.
Изучение причин нестабильного качества быстрорежущего инструмента с износостойкими покрытиями приводит к выводу о том, что температурное состояние напыляемого изделия (подложки) является одной из важнейших характеристик технологического процесса нанесения покрытия методом КИБ, оптимальное поддержание которой обеспечивает высокую работоспособность инструмента.
Наиболее сложно управляемым фактором, зависящим от большинства параметров технологического цикла, а также массы, формы и размеров инструмента, крепления на подложкодержателе, расположения относительно оси испарителя и т.д., является температура подложки, как на этапе ионной очистки, так и в процессе нанесения покрытия.
Таким образом, тепловой режим и температура подложки являются главными факторами, влияющими на свойства и качество покрытия.
Учет перечисленных условий позволяет получить математические модели, адекватные реальному процессу нагрева инструмента при нанесении покрытий.
Для определения температурных полей на математических моделях необходимы точные исходные данные, в частности, тепловой поток на поверхности нагреваемого изделия.
В данной работе определение плотности тепловых потоков плазменных струй на поверхности подложки выполняли путем измерения температур подложки и решения обратной задачи теплопроводности (03Т), т.е. температура Т(хД) в некоторой точке известна, а удельный тепловой поток q является искомым.
Для определения теплового потока, действующего на изделие в процессе нанесения покрытий, была разработана формализованная расчетно - экспериментальна методика.
Логический алгоритм методики включает следующие операции:
1.Получение экспериментальной информации по температуре в определенных объектах напыления,
2.Выбор вида математической модели задачи теплопроводности с учетом типа и размеров напыляемого изделия и условий воздействия теплового потока в камере установки для нанесения покрытий,
3.Идентификация условий теплообмена на границе напыляемого объекта по экспериментальной температурной информации.
В общем виде математическая формулировка краевой задачи выглядит следующим образом:
дТ(х,т)/дх2 = 1/а * дТ(х,т)/дт, т>0, 0<х <Ь, (1)
Поставленная задача решается при следующих допущениях: теплофизи-ческие свойства не изменяются по длине образца и не зависят от температуры, образец имеет постоянное поперечное сечение, условия теплообмена не изменяются по поверхности и не зависят от времени и температуры. На-
грев образца только в процессе ионной очистки. Поскольку в работе не исследуется зависимость температуры от технологических параметров, исследования проводятся при их фиксированных значениях, то удельный тепловой поток является постоянным в каждой конкретной точке и изменяется только в зависимости от расстояния от испарителя.
Рассмотрим аналитические методы решения обратной задачи теплопроводности при местном нагреве изделий плоской или цилиндрической формы.
Будем считать, что в выбранных точках х = Xj , j=1, 2, ..., n температура Т(хД) измеряется экспериментально.
Рассмотрим случай, когда напыляемое изделие имеет форму пластины. Дана пластина определенной длины, толщиной 2R при комнатной температуре. Пластина нагревается с одной поверхности (х=0) источником с постоянным тепловым потоком, другая поверхность теплоизолирована fc=R). Имеем дифференциальное уравнение (1), (т > 0; 0< х <+R) при условиях:
Т(х,0) =To=const, (2)
ЭТ(ад/дх + qcA,, (з)
дТ(0,т)/дх =0, (4)
Решение задачи (1- 4) известно (18) и имеет вид:
Т(х,1)=Ш*(1едёх +a/X*jq(T)dT} + 2/R£cos(nnx/R)*exp(-n2nat/L2)* *Jf(x)*cos(nnx/R)dx +2a/LXX(-1)ncos(nnx/R)jq(t)exp(-n2an(t-T)/R2)dT, (5) Если принять, что начальное распределение температуры f(x)=0, а тепловой поток постоянный (qc=const), то выражение (4) целесообразно записать в виде:
T(x,t) = qc[aT/R-(R2-3x2)/6R+2RX(-1)n+1*cos(nnx/R)*exp(-n2n/F0)]/X, (6) где L- толщина пластины,
а- коэффициент температуропроводности, ^-коэффициент теплопроводности, х — координата, F0- число Фурье = aT/L . Теперь рассмотрим случай, когда напыляемое изделие представлено в виде цилиндра. Нагревание происходит равномерно по всей поверхности (симметричная задача), при постоянной плотности теплового потока qc=const. Начальная температура — комнатная.
Постановка задачи аналогична пластине (1), при следующих условиях:
dT(R,T)/dr + qc/X=0, (7)
dT(0,T)/dr =0, (8)
T(0,t) ф ю, (9)
Решение задачи в общем виде выглядит следующим образом: T(r,T) =2/R2*Jrf(r)dr + 2a/XRjq(u)d(u) + +ZJ0(^nr/R)/JQ2(^n)*exp(-^n2F0)*2/R2jrf(r)J0(^nr/R)dr + +a/XXJ02(^nr/R)/J02(^n)*exp(-^n2F0)*2/Rjq(u)exp(^nau/R2)du, (10) Аналогично положив, что qc = const и f(x) = 0 получаем выражение: T(r,T)=2a/XR*qcT + a/XXJ02(^r/R)/J02(^)*exp(-^n2F0)*
*2^ст/^па/К2ехр(-^пат/К2}, (11)
где Я-радиус цилиндра; г-координата; ^п-корни характеристического уравнения,
1о'(Я> =1^) =0, (12)
значения, которых приведены в таблице 1.
Таблица 1. Корни характеристического уравнения
n Корни n Корни
1 2,4 6 18,o
2 5,5 7 21,2
3 8,6 8 24,3
4 11,7 9 27,4
5 14,9 1o 3o,6
Таким образом, решая обратную задачу теплопроводности, приходим к выражениям, определяющих тепловой поток по известным значениям температуры и времени, соответственно для пластины и цилиндра:
qc =T*[aT/R-(R2-3x2)/6R+2RX(-1)n+1*cos(nnx/L*exp(-n2n/Fo)]/X, (13) qc =T(2a/XR* т+а/Х£ Jo2(|inr/R)/Jo2(M* *exp(-^n2Fo)*2/RT/^a/R2exp(-naT/R2)), (14)
Выполнены программы расчета тепловых потоков, на пластине (Program Plast) и для цилиндра (Program Termo) на ЭВМ, на языкеBorland Pascal. Расчет распределения теплового потока по объему камеры. Для определения теплового потока в зависимости от расстояния до катода выбрано три сечения.
По методике, рассматриваемой в предыдущих разделах, рассчитываются тепловые потоки на каждой пластине в точках, находящихся на оси катода (qo) и в точках, находящихся на расстоянии от осевой с определенным шагом (q¿), i=1,...,n. В результате получаем 3 пары значений q и L, где L-расстояние от катода.
q0(L) =a0+a1L+a2L q1(L)=ao1+anL+a21L q2(L)=ao2+a12L+a22L
2
qn(L)=aon+a1nL+a2nL (15)
где an- искомые коэффициенты.
Технологические параметры работы плазменного испарителя приведены в таблице 2.
Таблица 2. Технологические параметры работы плазменного испарителя
Стадии процесса Ток дуги, I, А Стаби-лиз. ток ^ть А Фоку-сир.ток 1ф, а ток иони-за-ции , А Напряжение на подложке и, А Давление Р, мм.рт.с т. Время т, с
Ионная Очистка 75 3 0,3 1-2 1000 4*10-5 213
Конденса- 5*10-3
ция 75 3 0,3 0,5 80 300
покрытия
Рисунок 1. Схема расположения образцов в вакуумной камере для определения мощности теплового источника 1-зона 1 - 250 мм. от испарителя; 2-зона 2 - 342,5 мм. от испарителя; 3-зона 3 - 435 мм. от испарителя
После нанесения покрытия образцы остывали в камере до температуры 50-600С. Затем на боковых поверхностях пластины измерялась твердость ИЯС от верхнего торца с шагом 10 мм. Затем рассчитывалась температурах в этих точках.
Расстояние от оси катода, мм
-Т1
-Т2
-Т3
Рисунок 2 Температурное поле в камере установки Т1 - 1 зона; Т1 - 2 зона; Т3 - 3 зона
Распределение теплового потока в камере установки По формуле (13) при значении времени т =3,5 мин находились расчетные значения тепловых потоков на боковой поверхности пластины, которые приведены в таблице 3.
На рис.2 представлена диаграмма распределения теплового потока плазменных струй по объему камеры в зависимости от расстояния от катода и от оси катода. Для каждой кривой по известным точкам проведена аппроксимация по методу наименьших квадратов и получено 10 зависимостей:
qo = 563,346-407,615Ь+102,527Ь2 ^о = 540,046-387,263Ь+96,31Ь2 q20 =498,489-345,915Ь+85,44Ь2 qзo = 447,181-280,037Ь+62,691Ь2 q40 =430,919-250,536Ь+55,439Ь2 q5o =355,432-198,389Ь+40,439Ь2 q60 = 310,752-154,797Ь-27,962Ь2
q70 =266,644-101,694Ь+10,896Ь2, (16)
По формуле Q =а0 находим мощность испарителя. Q =563,346 кВт. Результаты распределения теплового потока в трех сечениях при Ь =250,330 и 410 мм приведены на рис. 3.
Таблица 3. Зависимость теплового потока плазменных струй _от расстояния до катода_
Расст. от катода,мм Q0 Q10 Q20 Q30 Q40 Q50 Q60 Q70
250 475 467 449 417 318 344 308 273
330 228 226 217 210 186 186 178 167
410 164 159 151 148 122 122 116 108
Для определения теплового потока плазменных струй на поверхности вращающихся цилиндрических образцов воспользуемся формулой: Q =ао, использовав значения таблицы 3.
Рис. 3. Распределение теплового потока по камере установки послойно
^о - а80)
Рис.4 Значение тепловых потоков на центральном образце и располагающимся от него на расстоянии г при вращении, а также коэффициент корреляции между ними.
Значения тепловых потоков на центральном образце и образце, вращающемся вокруг центра, а также коэффициенты корреляции между ними представлены на рис. 4.
По полученным результатам построена гистограмма, показывающая высокую степень корреляции, между потоками на разных образцах.
Выводы
Показано, что получения покрытий высокого качества необходимо проводить процесс нанесения покрытий при жестких температурных условиях.
Разработана методика, позволяющая получить математическую модель распределения теплового потока в камере установки плазменного напыления «Юнион».
Определять температуру изделия на всех этапах нанесения покрытий методом КИБ: ионной очистке, конденсации покрытия и охлаждения с высокой точностью, необходимой для получения качественных покрытий.
Определено распределение теплового потока по всему объему камеры и, как следствие, рассчитано температурное поле, позволяющее определить температуру изделия в любой точке камеры.
Получены экспериментальные данные, которые показали высокую степень корреляции между опытными и расчетными данными. Можно использовать при разработке новых технологии нанесения износостойких ионно-плазменных покрытий.
Lavro V.N., Assistant Professor
(e-mail: lavro7@mail.ru) Samara state technical university, Samara, Russia THE STUDY OF HEAT GENERATION AND HEAT TRANSFER DURING COATING METHOD CONDENSATION AND ION DEPOSITION
Abstract. In the study of heat flow a vacuum chamber installation "UNION" calculated temperature field to determine the temperature of the product at any point of the camera necessary to obtain high-quality coatings.
Keywords: vacuum, plasma, heat flow, heat, properties of coating
