CC BY
31
УДК 537.525.7:621.762 В. И. Христолюбова
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МОДИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ
ВЧ-ПЛАЗМОЙ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: ВЧплазма, пониженное давление, металлорежущий инструмент.
Приведен анализ наиболее распространенных методов модификации поверхности металлов. Рассмотрены современные технологии повышения ресурса работ металлорежущего и обрабатывающего инструмента. Приведена сравнительная оценка эффективности различных методов упрочнения металлорежущего и обрабатывающего инструмента.
Keywords: RFplasma, low pressure, metal cutting tool.
An analysis of the most common methods of metal surface modifying is spresented. The modern technologies of the resource work increase of cutting and machining tool is considered. A comparative assessment of the effectiveness of various methods of hardening of cutting and machining tools is worked out.
В машиностроении и других отраслях промышленности производительность труда, качество обработки и эффективность производства в значительной мере зависят от работоспособности применяемого металлорежущего инструмента. Требования к повышению работоспособности инструмента постоянно растут в связи с необходимостью повышения производительности и качества обработки.
В связи с этим вопрос износостойкости в настоящее время решается путем улучшения геометрической формы инструмента либо нанесением нанокомпозитных и других покрытий.
Современные методы поверхностного упрочнения материалов рабочих элементов по способу обработки можно классифицировать на следующие группы: методы механического воздействия на поверхностные свойства инструментальных сталей методом пластического деформирования; термообработка; обработка химико-термическим воздействием (ХТО), к которой можно отнести цементацию, оксидирование, карбонитрацию, азотирование, борирование; упрочнение инструментальных материалов поверхности путем физико-химического воздействия, которое можно осуществить электроискровым, магнитно-импульсным,
ультразвуковым способом; упрочнение физическим воздействием, к которой можно отнести лазерную обработку, ионную имплантацию; созданием на поверхности износостойких, упрочняющих покрытий [1].
Упрочнение методом термической обработки металлов это - технологические способы, основанные на обработке методом термического, химико-термического и термомеханического воздействия на обрабатываемую деталь с целью изменения свойств и структуры самого металлического материала. Например это классические методы как закалка, отжиг, и отпуск. Упрочняющая термическая обработка различных видов, позволяет увеличить следующие эксплуатационные характеристики изделий: прочность, твердость, стойкость к износу. Поверхностная закалка позволяет получать
твердость на ИЯС 3-6 единиц больше, чем объемная закалка нагревом. Например, зерно аустенита при поверхностной закалке значительно мельче (балл 10-12), чем при объемной закалке (балл 7-8). При поверхностной закалке возрастает предел выносливости по отношению к нормализованной стали на 200-300 %. У быстрорежущих сталей сталей типа Р18, Р6М5 твердость на поверхности после лазерной закалки возрастет в 8-10 раз, а износостойкость возрастает более чем в 5 раз [2].
Эффективным и перспективным способом следует считать применение различных комбинированных видов обработки без изменения состава используемых металлов, в том числе и сложнолегированных сталей.
Пластической деформацией можно создать термически обработанный сплав оптимальной структуры. Пластическая деформация повышает плотность кристаллического строения - дефектов упаковки, дислокаций. Термомеханическая обработка (ТМО) - это термическое воздействие, которая включает в себя пластическую деформацию и влияет на структуру при фазовых превращениях во время нагрева. В настоящее время используют разные схемы ТМО, включающие холодную и горячую пластическую деформацию. ТМО по сравнению с термообработкой позволяет увеличить прочность на 10-25 процентов при этом сохраняя пластичность, повышается ударная вязкость и трещиностойкость, хладостойкость.
Термообработки в магнитном поле (ТОМП) и ее разновидность - магнито-термическая обработка позволяют достичь более высокого уровня механических свойств инструментальных сталей по сравнению с другими видами комбинированных обработок. Действие магнитного поля значительное, если одна из структурных фаз ферромагнетик. Особенностью этого метода является влияние энергии магнитного поля на формирование фазовой структуры во время нагрева, так как фазы в сталях отличаются сильно по магнитным свойствам. Кроме того, легирующие элементы металлических сплавов Мп, V, Мо, Сг, так и их карбиды обладают различной магнитной восприимчивостью.
Среди методов химико-термической обработки наиболее применяемыми для инструментов по обработки высокомолекулярных материалов являются цементация, азотирование.
Еще одним известным способом упрочнения поверхностного слоя детали или ее элементов является электроискровое легирование, которое сопровождается различными физико-химическими превращениями поверхностного упрочненного слоя детали. Оно позволяет повысить износостойкость и твердость, жаростойкость, коррозионную стойкость поверхностей деталей и снизить их коэффициент трения, а также произвести ремонт и восстановить размеры изломанной детали, придав ее поверхностному слою новые свойства. Сущность процесса электроискрового легирования заключается в переносе материала, отвечающего определенным требованиям, на обрабатываемую поверхность детали искровым электрическим разрядом. Этот способ обеспечивает прочное сцепление вводимого легирующего материала с поверхностью детали.
Среди недостатков метода
электрофизических процессов, следует отметить энергоемкость; большие габариты используемых технологических оборудований; необходимость применения специальных источников
электрического питания.
Наиболее перспективным в этом отношении является метод повышения стойкости режущего инструмента за счет нанесения износостойких покрытий на основе карбидов, нитридов и карбонитридов, оксидов тугоплавких материалов и сверхтвердых алмазоподобных покрытий. Данное направление интенсивно развивается
применительно к режущему инструменту из быстрорежущих сталей и твердых сплавов во многих передовых странах.
Процесс формирования покрытий происходит также и за счет газоплазменного напыления защитных покрытий, сущность которого заключается в растекании жидких частиц по рабочей поверхности деталей с последующей кристаллизацией. По данным исследований авторов преимущество детонационных покрытий объясняют тем, что во время детонационного напыления появляется такие эффекты как ударное прессование, то есть повышается плотность покрытия во время роста. Еще одной особенностью детонационно-газового нанесения покрытия является большая концентрация ударяющих прессованием частиц во время формирований покрытий.
К основному недостатку газотермического напыления относится невозможность получения покрытий на закаленных сталях и необходимость механической заточки кромки с покрытием, а так же необходимость постройки блоков с противошумовой и полевой защиты.
Нанотехнологии позволяют наносить самые современные покрытия, например,
нанокомпозиционные, наноградиентные,
наноструктурированные, покрытия с монослоями, с нанослоиями, нанокристаллические, а так же
покрытия с упрочняющими наночастицами предназначенными для работы в различных областях техники. Среди перспективных и доступных методов получения
наноструктурированных износостойких покрытий известны методы физического (PVD) и химического осаждения из газовой фазы (CVD).
В Европе и Америке методы CVD используют для нанесения твердых металлических, керамических и алмозоподобных покрытий на многогранные неперетачиваемые твердосплавные пластины и цельные твердосплавные инструменты. По этой технологии выпускают режущие инструменты зарубежные инструментальные фирмы как: Sandvik Coromant (Швеция), Kennametal Hertel, ISCAR, Теледайн" (США) и "Планзее" (Австрия). Инструмент с покрытием толщиной до 1мм выпускается серийно.
Главными преимуществами метода химического осаждения являются широкий диапазон скоростей осаждения и возможность получения заданной кристаллической структуры пленки (вплоть до монокристаллов), а основным недостатком — высокая температура протекания процесса (порядка 1000 °С), не позволяющая применять данные методы для упрочнения режущих инструментов из стали.
В России разработан и в промышленности применяется метод MOCVD-покрытий (англ. Metalorganic chemical vapor deposition) - CVD-процесс, использующий в качестве прекурсоров металлоорганические соединения. Использование химически осажденных покрытий данным методом позволяет повысить стойкость режущих инструментов в 3 - 10 раз в широкой области применения.
Разработана еще одна разновидность метода CVD, позволившая снизить температуру нанесения покрытия практически до температур, используемых в PVD-методе, получившая название PCVD. Сравнение определяющих параметров основных методов нанесения покрытий представлено на рисунке 1.
1 вердые с ид-звы
200 40U «JU SUH 100U I2IHJ Темпера■ тр» нанссснии iiiik:j»miих. 'С
Рис. 1 - Параметры основных методов нанесения покрытия
РСУО методы позволяют значительно снизить температуру процессов синтеза до 300-600°С и повысить производительность нанесения. Это позволяет расширить применение СУО-процесса для более универсального назначения,
например, для конденсации на поверхность инструментов из быстрорежущей стали, кроме того, достигается более высокая прочность сцепления защитного покрытия на поверхность основы инструментальной стали. Для активации газореагентов используются быстрые электроны вместо тепловой энергии. Однако метод РСУВ пока не получил широкого распространения. Имеется сложности при контроле процесса РСУ"Э. Кроме того, конденсация чистых материалов данным методом практически невозможно (кроме полимеров), так как почти все газы, которые недесорбируются удерживаются конденсатами. Еще один недостаток - высокое взаимодействие плазменной фазы с растущей пленкой.
Все методы физического осаждения покрытий (Р'УВ-метод) основаны на осаждении в вакууме в среде пара конденсируемого материала воздействием на изготовленный из него мишень или катод разнообразных источников энергии - ионных и электронных пучков, высокотемпературных электронагревателей, лазерного луча, импульса сильноточного, вакуумной катодной дуги. С помощью этих методов можно получить плазму, пар почти любого твердого вещества. Синтез этого вещества или его соединений (оксидов, нитридов, или карбидов) на поверхности подложки используются газы, такие как азот, кислород, ацетилен и другие, которые не представляют опасность для окружающей среды. Кроме того, при реализации процесса Р'УГЭ исключается необходимость в нагреве подложки до высоких температур. Все выше указанные характеристики процесса расширяет диапазон использования Р'УГЭ-методов и они являются более универсальными, чем С^-методы.
Как показывает анализ источников, среди методов физического осаждения Р'УГЭ очень большая доля научных работ, приходящихся на публикацию, посвящена исследованиям
наноструктурных материалов с уникальными физико-механическими свойствами получаемые методами электродугового испарения и магнетронного распыления. Методом Р'УГЭ можно наносить защитные покрытия в широком диапазоне температур (200-800 градусов Цельсия), поэтому с их помощью наносят покрытие не только на быстрорежущий инструмент, но и на инструменты из углеродистых легированных сталей с низкой теплостойкостью. Мировые ведущие производители покрытий для режущего инструмента, получаемых методами физического осаждения Р'УГЭ, а именно, магнетронным распылением и дуговым испарением (Вакеге, Сешюоп, МйаркБ, ЬеуЪоИ, Р1аШ), разработали гамму наноструктурированных покрытий для нанесения на режущие инструменты, которые предлагаются потребителям для широкого применения.
Работа магнетронного метода распыления основан на принципе осаждения на рабочую поверхности инструмента, атомов, распыляемые из мишени бомбардировкой ионами инертного газа ее поверхности в вакууме. Распыляемая мишень в
камере находится на против обрабатываемого инструмента. Направление потока ионов инертного газа задается в результате образования между стенками камеры и мишенью тлеющего разряда. Под действием электромагнитного поля ионами инертного газа выбивают атомы из мишени, которые в дальнейшем они осаждаются на поверхности подложки.
У магнетронных устройств имеются специфические особенности, главный из которых является отсутствие высокоэнергетичной бомбардировки подложки электронами,
являющимися причиной нагрева поверхности подложек. Поэтому данный метод можно использовать для нанесения покрытий на поверхность нетеплостойкой подложки.
Существует недостатки метода, они связанны со скачкообразным плакированием на поверхности мишени слоями разными соединениями тугоплавких металлов, которые используются для конденсации покрытия. Данный недостаток приводит к недостаточной адгезионной прочности покрытия и ограничениям возможностей конденсация многослойных покрытий.
Для устранения указанных недостатков на практике и в научных разработках существует большое число разнообразных конструкций магнетронов и дополнительных блоков способствующих повышению эффективности получаемых покрытий.
Известны работы по конденсацию защитных покрытий ассистированием пучков ускоренных частиц. Методы осаждения покрытий в сопровождении пучками ускоренных частиц, которая за рубежом получили название «Ion beam assisted deposition», являются перспективным и бурно развивающимся направлением осаждения покрытий магнетронным способом. Использование пучка при осаждении покрытия поддержает высокой подвижности атомов поверхности, что способствует образования покрытий более плотной структуры.
Разработаны и серийно выпускаются множество конструкции ионного источника для ассистирования ионным пучком при конденсации покрытия и очистки поверхности подложки. Тем не менее, в России метод магнетронного распыления в производстве режущих инструментов не получил широкого применения. Одним из недостатков остается сложность реализации получения сверхтвердых покрытий из тугоплавких металлов и их соединений.
В практике производства режущего инструмента с покрытием наибольшее применение нашли устройства сильноточного дугового испарения в вакууме, получившие название «конденсация из паро-плазменной фазы с ионной бомбардировкой» или сокращенно КИБ. В мире разновидности технологии КИБ - Ion Bond используется такими фирмами, как МАВС (США), "Хаузер" (Голландия), Теквак" (Великобритания), "Интератои" (ФРГ) и технология МИР фирмой "Бальцерс" (Швейцария).
В отечественной промышленностью в 70-80 годах был освоен серийный выпуск оборудований, предназначенных для конденсации защитных покрытий с электродугового испарения типа «Юнион», ННВ, «Булат», «ПускВУ» и другие. Наиболее распространенными из них были ННВ6.6-И1 и «Булат-6». Установки КИБ, в основном отличаются размерами камер, количеством испарителей, схемой размещения подложки в камере. На сегодняшний день отечественные предприятия различных отраслей изготавливают эти установки различной модификации по заказу.
Нанесение покрытия методом КИБ на металлические изделия производится путем испарения наносимого материала в катодных пятнах электродугового разряда, имитированным с кольцевого катода, и ионизации потока возбужденных атомов в вакууме электронами. За счет высокой степени ионизации и большой энергии частиц, соударяющихся с подложкой, метод КИБ в сравнении с методом магнетронного распыления обеспечивает лучшую адгезию покрытия с основой из инструментального материала. Технологический процесс на основе указанного метода позволяет в едином цикле осуществлять сразу три технологические операции - нагрев, очистку (путем бомбардировки поверхности изделия ионами металла) и нанесение покрытия при достаточно высокой производительности.
Однако имеется сильная зависимость свойств покрытий от технологических режимов, что требует практически для каждой детали проведения отдельных работ по оптимизации режима. По этой причине загрузка в вакуумную камеру производится только однотипных деталей.
Наличие микрокапельной фазы в покрытии -является недостатком метода. Если необходимо избавиться от металлических капель в объеме покрытия, то на практике пользуются различными технологическими приемами фильтрации потока плазмы из ионов металла катода - например, используют криволинейный плазмовод. Данный фильтр содержит катушки магнитного поля, которые дают направление плазменному потоку отклоняя его на 90 градусов, при этом не оказывает воздействие на капли в виде макрочастиц, которые движутся прямо и осаждающиеся на поверхности стенки плазмовода.
В последнее время, в связи с развитием неравновесной плазмохимии и потребностями ряда отраслей промышленности в изделиях, к эксплуатационным характеристикам которых предъявляются повышенные требования (износо- и коррозионная стойкость, высокая твердость, однородность микроструктуры поверхности), все большее практическое применение находит плазма
ВЧ-разрядов пониженного давления [3,4]. Последняя, обладая всеми преимуществами ВЧ-разрядов, имеет ряд специфических свойств, присущих. разрядам при низких давлениях: существенный отрыв электронной температуры от ионной, повышенная стерильность окружающей среды, возможность получения сверхзвуковых высокотемпературных потоков.
Важным применением ВЧ-разрядов пониженного давления является обработка материалов с целью придания их поверхности заданных свойств [5-7]. В неравновесной плазме можно получить самые экзотические продукты (например, различные соединения инертных газов).
Как правило, неравновесная плазма получается при низких давлениях плазмообра-зующей среды (Р < 100 мм рт. ст.) и небольших токах, а квазиравновесная - при высоких давлениях (Р > 1 атм).
Для получения газоразрядной плазмы используют все виды электромагнитных полей: постоянное, переменное, высокочастотное (ВЧ), сверхвысокочастотное (СВЧ), оптическое излучение и т. д [6,7].
Сравнение различных методов
модификации поверхностного слоя в машиностроении показало, что такие широко распространенные методы модификации, как лазерный, газотермическое напыление,
электроискровое легирование, наплавка и т.п., не позволяют реализовать ряд видов модификации, достигнутых ВЧ-плазменной обработкой.
Литература
1. В.В. Савич, Конструкции из композиционных материалов, 4, 114 - 119 (2006).
2. А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В.И. Христолюбова // Вестник Казанского Технологического Университета, 16, 23, 25-28 (1998)
3. А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В.И. Христолюбова, С. В. Прокудин, Вестник Казанского Технологического Университета, 17, 2, 39-42 (1998)
4. А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В. И. Христолю-бова, А. А. Гумиров, Вестник Казанского Технологического Университета, 17; 10, 177-178 (1998)
5. В. И. Христолюбова, А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдул-лин, Вестник Казанского Технологического Университета, 17; №7, 187-189 (1998)
6. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В. И. Христолюбова, Н. Р. Христолюбов, Вестник Казанского Технологического Университета, 17, 12, 30-33 (1998)
7. В. И. Христолюбова, А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдул-лин, Н. Р. Христолюбов, Вестник Казанского Технологического Университета, 17, 11, 185-187 (1998)
8. V. КЪп81;о1шЬоуа, I. АЬ(Ш1т, А. КЪиЬа1кЪщт, Вестник Казанского Технологического Университета, 18, 8, 191-193(1998)
© В. И. Христолюбова - аспирант кафедры плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ, valllerrriya@mail.ru.
© V. I Khristoliubova - Ph.D. student, Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials Department, KNRTU, valllerrriya@mail.ru.
