CC BY
113
ПЛАЗМОВО-1ОНН1 МЕТОДИ ЗМ1НИ ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОВЕРХНЕВИХ ШАР1В ОБРОБЛЮВАНИХ ДЕТАЛЕЙ
Баранов О.О., Нацюнальний аерокосмпчиий ун1верситет ¡м. М.С. Жуковського, Горбенко С.С., Нацюнальний транспортний ушверситет
Анотаця. Робота присвячена виршенню задач1 тдвищення експлуатацтних характеристик деталей типу «вал» автомобыьног техники за рахунок зм1цнення поверхневих шар1в в установках плазмовочонног обробки поверхм з використанням планарних магнетронних систем з! структурою порожнистого катода.
Ключов1 слова: вал, поверхневий шар, ¡они, плазма, зм1цнення, ¡мпульс, магнетрон, м1крот-верд1сть, напруга.
Вступ
Через недосконалють та вщсутнють необ-хщного обладнання для проведення процесу яюсно! дефектаци деталей значна 1х частина замшюеться новими, що призводить до зрос-тання собiвартостi ремонту вузлiв, агрегата машин у порiвняннi iз собiвартiстю при !х виготовленш. Крiм величини витрат на при-дбання нових деталей, собiвартiсть ремонту також залежить вщ оптимiзацil вибраного способу вщновлення.
Для того щоб вирiб ефективно виконував свое функцюнальне призначення, вiн повинен володгги необхiдною для цього якiстю.
Щц якiстю виробу розумiеться сукупнiсть його властивостей, що визначають вщповщ-нють функцiональному призначенню i, отже, здатнють задовольняти встановленi й перед-бачуваш потреби. Якiсть виробiв характери-зуеться рядом показниюв (ГОСТ 15467-79), яю можна роздiлити на наступнi три групи:
1) техшчш, що визначають стутнь доско-налостi виробу: потужнють, ККД, продукти-внiсть, економiчнiсть та ш.;
2) виробничо-технологiчнi (або техноло-гiчностi конструкцiй), що фiксують ефектив-нiсть конструктивних рiшень з точки зору мiнiмiзацil виробничих витрат, кошив на експлуатацiю, технiчне обслуговування та утилiзацiю: трудомiсткiсть, матерiаломiст-кiсть, енергоемшсть, показники стандартиза-цп та ушфкацп;
3) експлуатацiйнi: надiйнiсть виробу; зру-чнiсть i простота обслуговування; ергономь чна характеристика або ступiнь врахування комплексу ппешчних, фiзiологiчних та ш-ших потреб людини в системi «людина-машина-середовище»; естетична оцiнка, тобто досконалють художньо! композици, зовнiшне оформлення виробу та ш.
Вiдновлення деталей е основним джере-лом ефективносп авторемонтного виробниц-тва. Бiльшiсть деталей мае залишковий ресурс i може бути використано повторно в результат проведення порiвняно невеликого об'ему робгг з 1х вiдновлення.
Витрати на вщновлення деталей в умовах сучасних авторемонтних тдприемств (АРП) складають залежно вiд конструктивно-технологiчних особливостей деталей i характеру 1х дефектiв 10-50 % вiд вартосп нових деталей.
Вдосконалення продукци е утрудненим без вживання нових прогресивних технолоп-чних процешв, що дозволяють тдвищити ресурс i надiйнiсть, забезпечити працездат-нiсть деталей i вузлiв у найтяжчих умовах експлуатацп, за високих температур i в агре-сивних середовищах, дп динамiчних i конта-ктних навантажень. Цим викликано вживання процешв змщнювально! технологи у про-вiдних галузях промисловостi, що розширю-еться, i широкi дослщження, що проводяться в цiй сферi в нашiй крш'ш й за кордоном.
Анал1з публжацш
Магнетронне розпилення е одним з най-бшьш часто використовуваних методiв оса-дження тонких плiвок та обробки матерiалiв [1]. Останнiм часом плазморозширюванi сис-теми магнетронного розпилення були устш-но використанi в рiзних передових сферах застосування, включаючи синтез та обробку мшроелеменив та наночасток, а також бю-сумiсних матерiалiв.
Як розвиток юнуючих плазмово-iонних методiв змши експлуатацiйних властивостей поверхневих шарiв оброблюваних деталей виник метод, що також включае в себе знач-не число рiзновидiв [4] - метод конденсацп
плазмових потоюв з iонним бомбардуванням - К1Б, за кордоном найбшьш часто викорис-товуеться загальна назва Plasma Immersion Ion Implantation and Déposition - PIII & D (плазмо-занурена iмплантацiя й осадження) [5-7]. При реалiзацiï цього методу деталь розмщуеться («занурюеться») у плазму, яка генеруеться у вакуумнш камерi. У широкому сенс всi технологiï К1Б мають спiльним те, що деталь (тдкладка, мiшень) знаходиться у плазмц при цьому на деталь подаеться вщно-сно високий негативний потенщал змiщення. Хоча вiдомо, що процеси плазмо-зануреноï обробки е ефективними для обробки рiзних матерiалiв при подачi високого потенцiалу змiщення на деталь, поряд iз цим знайшли застосування процеси з подачею вщносно невеликого потенщалу змiщення (азотуван-ня, цементащя та карбонiтрацiя).
Мета i постановка завдання
Метою роботи е дослщження вщновлення поверхневого шару деталей типу «вал» авто-мобiльних двигунiв та шших агрегатiв методом К1Б.
Для обробки поверхнi найбiльш важливи-ми е процеси, якi вщбуваються в областi по-близу поверхш, тобто в областi катодного шару. Коли на деталь подаеться негативний потенщал змщення, це призводить до бом-бардування поверхнi iонами, якi витягуються iз плазми i прискорюються в шар^ При цьому властивосп електричного шару (область об'емного заряду), який утворюеться мiж оброблюваною тдкладкою i плазмою, зале-жать вщ способу подачi напруги [2, 9].
Товщина шару е важливим технолопчним параметром, оскiльки вона визначае розмiр геометричних нерiвностей на поверхнi деталей, яю можуть бути рiвномiрно обробленi -для рiвномiрноï обробки величина нерiвнос-тей повинна бути бшьше товщини шару. Очевидно, iмпульсна подача високоï напруги дозволяе обробити нерiвностi з характерни-ми розмiрами близько 50-100 мкм [3].
Шар, що оточуе деталь, е джерелом енер-riï iонiв. 1они, що вже знаходяться в шарi або тшьки що входять до нього, прискорюються електричним полем шару, тсля чого вони проникають (iмплантуються) в матерiал де-талi. Таким чином, основною перевагою методу К1Б перед рашше розглянутими методами плазмово-юнно1' обробки е виключення необхщносп вилучення iонного променя, фокусування, транспортування, сканування i т.д., при цьому можливе досягнення високих
значень адгези та когези при осадженн1 пок-ритпв або формування необхщного профшю 1мплантацп й легування при утворенш пове-рхневих шар1в. Можливий також перехщ на одному { тому ж обладнанш вщ 1мплантацп та змшення властивостей поверхневих шар1в до осадження покриття на поверхню оброб-лювано! детали
В основу технолопчного пристрою пок-ладений метод К1Б [8, 9]. Схема установки показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема експериментального пристрою для юнно! цементацн вал1в
Магнетронна система, що включае оброб-лювану деталь, два екрани I два електромаг-шти, була встановлена в центр1 цилшдрично! вакуумно! камери (500^500 мм). Два однако-вих екрани та електромагшти змонтоваш з обох боюв оброблювано! детали як показано на рисунку. Електромагшт е солено!дом у форм1 цилшдра 1з зовшшшм д1аметром 150 мм, внутршшм д1аметром 45 мм { висо-тою 106 мм (4100 витюв), який був встанов-лений на феромагштний диск д1аметром 220 мм { висотою 20 мм, який, у свою чергу, служив для посилення магштного потоку солено!да. На котушку солено!да встановлю-вався екран у форм1 диска, виготовленого з немагштно! нержавдачо! стал1 д1аметром 300 мм { товщиною 8 мм. Таким чином, конструкщя екрашв, електромагнтв та дета-л1 мала структуру порожнистого катода. Така конструкщя катода дозволяла замкнути си-лов1 лшп магштного поля на поверхню, куди
було подано вщ'емний потенцiал змщення вiдносно заземлених стiнок вакуумно! каме-ри. Це було необхiдно для забезпечення шь цiювання тлiючого розряду шляхом створен-ня конф^ураци магштно! системи iз замкну-тим дрейфом електрошв. Таким чином, розг-лянута система вщноситься до планарних магнетронних систем зi структурою порож-нистого катода [10].
Технолопчний процес включав таю операций
- юнне очищення у тлiючому розрядi в середовищi аргону, коли видаляються забру-дненi поверхневi шари;
- очищення i нагрiв у магнетронному роз-рядi в середовищi аргону;
- цементащя в магнетронному розрядi в середовищi метану, коли поверхневi шари насичуються вуглецем i здiйснюeться основ-ний пiдiгрiв пiдкладки (додатковий пщ^в за необхiдностi здiйснюeться резистивним на^вачем).
Поверхня деталi розташовувалася на вщс-танi R = 200 мм вщ стiнок вакуумно! камери. Розрахунок товщини розпиленого шару по-верхш деталi при очищеннi у тлдачому роз-рядi проводився за допомогою рiвнянь (4.2) i (4.4), в яю пiдставлялися такi параметри: I = 0,2 А (визначалося з експерименту), у.рШ = 2 (потенщал змщення Us = 1200 В), та = 98x1,67-10-27 кг; р. = 15800 кг/м3. Час обробки = 20 хвилин призначався вщпо-вщно до рекомендацш типового технолопч-ного процесу, розрахункова товщина розпо-рошеного шару становила 0,2 мкм.
При розрахунку температурних режимiв визначався час обробки, виходячи з необхщ-ностi дотримання температури близько 500 °С при цементаци. При iонному очищен-нi та на^ванш пiдтримувалася температура близько 600 °С.
Розрахунок проводився у два етапи: на першому розраховувався температурний режим оснащення, а на другому - детали роз-мiщеноl на оснащенш. На другому етапi ви-користовувалися результати розрахунку першого етапу, оскiльки для визначення змь нення температури деталi протягом певного промiжку часу At визначалася середня температура тдкладки на цьому часовому ште-рвалi, а поим розраховувалося рiвняння (4.11). Чисельний розрахунок температурних режимiв оснащення проводився за таких па-раметрiв: Т0 = 300 К; ds = 0,38 м; hs = 0,008 м; dt = 0,01 м; и = 0,25 м; К. = 47 Вт/(мК) (сталь); в = 0,25; с. = 462 Дж/(кг-К) (сталь
18ХГТ); р. = 7880 кг/м3 (сталь 18ХГТ). Зна-чення юнного струму i потенщалу змщення деталi тдставлялися вiдповiдно до техноло-гiчного етапу (див. вище). Чисельний розрахунок температурних режимiв детали закрш-лено! у пристосуваннi, проводився за таких параметрiв: Т0 = (середня температура пiдкладки на даному часовому iнтервалi At), К; Лр = 0,015x0,015 = 2,25-10"4 м2;
тр = 0,01 кг; dt = 0,003 м; А = 0,018 м; К. = 47 Вт/(мК) (сталь 18ХГТ); в = 0,25; с. = 462 Дж/(кг-К) (сталь 18ХГТ);
р.= 7880 кг/м3 (сталь 18ХГТ). Значення гус-тини юнного струму i потенщалу змщення деталi пiдставлялися вiдповiдно до техноло-пчно! операци. Результати розрахунку температурного режиму оснащення i детали ро-змiщеноl у пристосуванш при плазмово-iоннiй обробцi, наведет на рис. 2. Слщ за-значити, що цi результати отримаш при усе-редненнi густини обробного юнного потоку уздовж поверхш тдкладки. Температура цементаци - близько 750 К (~480 °С).
1оннв очищення а тптчому разряд1
Очищения та нзгр1е у магнетронному розряд!
| Цвмвнтац1я & магнетронному разряд/
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Час обробки (, хв. ~
Рис. 2. Залежнiсть температури вiд часу обробки: Td - температура деталц Т. -температура оснащення
Отже, плазмово-юнна цементацiя прово-дилася за наступним алгоритмом. Пюля того, як очищений зразок (мехашчна обробка, бензин та етиловий спирт) завантажений в робо-чу камеру та закршлений на тримачi, тдк-лючасться система утворення вакууму в ка-мерi з використанням механiчного форваку-умного та дифузiйного насосiв - до базового тиску 1,5 х 10-3 Па. Пiсля дегазацil зразка в камеру подасться аргон - до тиску 2,6 Па. Пюля того, як тиск став стабшьним, в атмос-ферi аргону генеруеться тлдачий розряд шляхом iмпульсноl подачi на закршлений вал вщ'емного потенцiалу змщення 1,2 кВ з частотою повторення 100 Гц i довжиною
2 мс. 1они прискорювалися вщ'емиим потен-щалом електричного шару бия поверхш детали що призводило до розпилювання мате-р1алу поверхш й, передуам, забруднених шар1в. Час юииого очищения у тлшчому ро-зряд1 - 20 хв.
Шсля цього застосовувалася перехщиа фаза оброблеиия - очищения I иагр1в у маг-иетроииому розрядг Причиною цього е не-достатне очищения на попередиш операцн, виаслщок чого пщ час переходу на цемеита-цш в магиетроииому розряд1 можливе утво-реиия уишоляриих дуг иа поверхню вала, що призводить до ушкоджеиия ще! поверхш та збшьшеиия 11 шорсткостг Струм електромаг-итв е вщиосио невеликим - 1 А, виаслщок чого магштие поле також е вщносно невеликим, у пор1вияиш з магштним полем пщ час цемеитацн. Водиочас тиск аргоиу знижуеть-ся - до 1,1 Па, а густииа юнного струму зна-чио пщвищуеться - з 1,6 А/м2 до 50 А/м2.
^^ Операщя Параметри 1онне очищения в тл1ючому розряд1 Очищения i Harpie у магнетронному розряд1 Цементацт у магнетронному розряд1
Час обробки хв. 20 6 360
Тиск аргону Р, Па
2,6
1,1
Тиск метану Р, Па
1,3
М1желектродний потен щал и5, в
1200
500
Температура детая1 7"* К
900
400 750
Густина юнного струму У, А/м2
50
40
1,6
Струм електромагшту /,„, А
2,2
1,0
Рис. 3. Параметри процесу формування це-ментованого шару на поверхш сталей 18ХГ i 18ХГТ
Наступна операцiя - iонна цементацiя в атмосферi метану. 1они метану генеруються у плазмi магнетронного розряду, для чого магштне поле значно пщсилюеться - струм
електромагнiтiв 2,2 А; тиск метану - 1,3 Па, мiжелектродний потенщал знижуеться до 500 В; середня густина юнного струму також знижуеться до 40 А/м2. 1они вуглецю iмплан-туються в матерiал деталi i, нарештi, дифун-дують у матерiал за температури процесу протягом часу навуглецювання близько 6 годин. Типовi робочi параметри, що засто-совуються пiд час процесу цементацн, також перерахованi на рис. 3.
Висновки
Мiкротвердiсть поверхневих шарiв вала визначали за допомогою твердомiрiв Бршел-ля та Вжкерса, структуру поверхнi було дос-лщжено за допомогою iнструментального мiкроскопу БМ1-1Ц з цiною подiлки 5 мкм.
Згщно з результатами вимiрювання мш-ротвердостi, для iонно-iмплантованих шарiв е можливим досягнення твердостi близько HVo,i = 380, що означае, що твердють навуг-лецьовано! поверхнi може бути збшьшена у 1,8 разiв.
Для бiльшостi технологiй змiцнення пове-рхневого шару, яким i е юнно-плазмова це-ментацiя, необхiдною умовою е автоматиза-цiя технологiчного процесу формування змь цненого поверхневого шару за можливосл вiдтворення отриманих результат у пода-льшому.
Однiею з характеристик е початкова вар-тiсть вала без змщненого поверхневого шару. Формування змщненого дифузшного шару на поверхш деталi завжди збiльшуе ii вар-тiсть, для отримання економiчноl ефективно-стi це повинно компенсуватися пщвищенням експлуатацiйних якостей деталi, тобто збь льшенням ресурсу li роботи. Ресурс роботи деталi зi змiцненим поверхневим шаром ви-ступае експлуатацiйною характеристикою, яка об'еднуе можливостi конкретного техно-логiчного процесу створення змщнено! детали Економiчна ефективнiсть валу зi змщне-ним поверхневим шаром може бути отрима-на у процесi його експлуатацп, а основний ефект саме i проявляеться в результатi збь льшення строку експлуатацп.
Лiтература
1. Anders A. From plasma immersion ion implantation to deposition: a historical perspective on principles and trends / A. Anders // Surface and coatings technology. - 2002. - №156. - P. 3 - 12.
2. Lieberman M.A. Principles of plasma discharges for materials processing / M.A. Lieberman,
A.J. Lichtenberg. // New York: Wiley Interscience, 1994. - 572 p.
3. Комаров Ф.Ф., Новиков А.П., Буренков А.Ф. Ионная имплантация. - Минск: Ушвер-спэцкае, 1994. - 303 с.
4. Аксенов И.И., Андреев А.А., Брень В.Г. Покрытия, полученные конденсацией плазменных потоков в вакууме (способ конденсации с ионной бомбардировкой) // УФЖ. - 1979. -Т. 24, №4, - C. 515 - 525.
5. Anders A. Fundamentals of pulsed plasmas for materials processing / A. Anders // Surface and coatings technology. - 2004. - V.183. -P. 301-311.
6. Metel A. Plasma immersion ion implantation based on glow discharge with electrostatic confinement of electrons / A. Metel // Surface and coatings technology. - 2002. - V.156. - P. 38-43.
7. Ide-Ektessabi A. Characteristics of an ion beam modification system with a linear ion source / A. Ide-Ektessabi, N.Y. Okuyama, D. Okuyama. // Review of scientific instruments. - 2002. - V.73, №2. - P. 873-876.
8. Magnetic control of breakdown: Toward energy-efficient hollow-cathode magnetron discharges [Текст] / O. Baranov, M. Romanov, S. Kumar, X. Zhong, K. Ostrikov // Journal of applied physics. - 2011. - V. 109, № 6. - P. 063304-1063304-8.
9. Баранов О. О. Теоретическая модель разряда магнетронного распылительного устройства // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н. Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 64. - 2014. - C. 102-119.
10. Wang Z. Geometrical aspects of a hollow-cathode planar magnetron / Z. Wang, S.A. Cohen // Physics of plasmas. - 1999. - V.6. - P. 16551666.
Reference
1. Anders A. From plasma immersion ion implantation to deposition: a historical perspective on principles and trends / A. Anders // Surface and coatings technology. - 2002, No. 156. P. 3-12.
2. Lieberman M.A. Principles of plasma discharges for materials processing / M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg // New York: Wiley Interscience, 1994. - 572 p.
3. Komarov F.F., Novikov A.P., Burenkov A.F. (1994). Ionnaya implantatsiya [Ion implantation]. Minsk: Universitetskae, 303.
4. Aksenov I.I., Andreev A.A., Bren V.G. (1979). Pokryitiya, poluchennyie kondensatsiey plazmennyih potokov v vakuume (sposob kondensatsii s ionnoy bombardirovkoy) [Coatings obtained by condensation of plasma streams in a vacuum (ion bombardment condensation method)]. UFZh - Ukrainian Journal of Physics, 24, 4, 515-525.
5. Anders A. Fundamentals of pulsed plasma for materials processing / A. Anders // Surface and coatings technology. 2004. 183. 301 311.
6. Metel A. Plasma immersion ion implantation based on glow discharge with electrostatic confinement of electrons / A. Metel // Surface and coatings technology. 2002. 156. 38-43
7. Ide-eqsaba A. Characteristics of an ion beam modification system with a linear ion source / A. Ide-Ektessabi, N.Y. Okuyama, D. Okuyama. Review of scientific instruments. 2002. 73, 2. 873-876.
8. Magnetic control of breakdown: Toward energy-efficient hollow-cathode magnetron discharges [Text] / O. Baranov, M. Romanov, S. Kumar, X. Zhong, K. Ostrikov. Journal of Applied Physics. 2011. - Vol. 109, No. 6. - P. 063304-1-063304-8.
9. Baranov, O. O. (2014). Teoreticheskaya model razryada magnetronnogo raspyilitelnogo ustroystva [Theoretical model of discharge of magnetron spray device] // Otkryityie informatsionnyie i kompyuternyie integrirovannyie tehnologii: sb. nauch. tr. Nats. aerokosm. un-ta im. N. E. Zhukovskogo «HAI» -Open information and computer integrated technologies: scientific journal of National aerospace university. N. E. Zhukovsky "KhAI", 64, 102-119.
10. Wang Z. Geometrical aspects of a hollow-cathode planar magnetron / Z. Wang, S.A. Cohen // Physics of Plasma. 1999. 6. 1655-1666.
Баранов Олег Олегович - доктор техшчних наук, Нацюнальний аерокосмiчний ушверситет iм. М. £. Жуковського, доцент кафедри машино-ведення i роботомехашчних систем тел.: (067) 605 - 50 - 55; e-mail: [email protected]
Горбенко Сергш Сергшович - Нацюнальний транспортний ушверситет, астрант кафедри ви-робництва, ремонту та матерiалознавства, тел.: (093) 816 - 84 - 54; e-mail: [email protected]
PLASMA-ION METHODS OF CHANGING OPERATIONAL PROPERTIES OF SURFACE LAYERS OF THE MACHINED PARTS
Baranov O.O., National Aerospace University "Kharkiv Aviation Institute", Horbenko S.S., National Transport University
Abstract. Problem. Improvement of production is difficult without the use of new progressive technological processes that can increase the resource and reliability, ensure the performance of parts and components in the most difficult operating conditions, at high temperatures and in aggressive environments, the effects of dynamic and contact loads. Goal. The purpose of the work is to study the restoration of the surface layer of the "shaft" type parts of automobile
engines and other aggregates by the Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition - PIII & D method. Methodology. The system under consideration refers to planar magnetron systems with the structure of a hollow cathode. The technological process involved the following operations: ion purification in a glow discharge in an argon medium when contaminated surface layers are removed; purification and heating in magnetron discharge in argon medium; cementation in a magnetron discharge in a medium of methane when the surface is saturated with carbon and the main heating of the substrate is carried out (additional heating is carried out, if necessary, by a resistive heater). Results. According to the results of the measurement of mica-hardness, for ion-implanted layers it is possible to achieve a hardness of about HV0.1 = 380, which means that the hardness of the coagulated surface can be increased by 1.8 times. Originality. The construction of the considered cathode allowed the magnetic field lines to come close to the surface where negative displacement potential was applied to the grounded walls of the vacuum chamber. This was necessary to ensure the initiation of a glow discharge by creating a configuration of a magnetic system with closed drift of electrons.
Key words: shaft, surface layer, ion, plasma, strengthening, pulse, magnetron, microhardness, voltage.
ПЛАЗМЕННО-ИОННЫЕ МЕТОДЫ
ИЗМЕНЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ
Баранов О.О., Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского «Харьковский авиационный институт», Горбенко С.С., Национальный транспортный университет
Аннотация. Работа посвящена решению задачи повышения эксплуатационных характеристик деталей типа «вал» автомобильной техники за счет упрочнения поверхностных слоев в установках плазменно-ионной обработки поверхности с использованием планарных магнетронных систем со структурой полого катода.
Ключевые слова: вал, поверхностный слой, ионы, плазма, укрепления, импульс, магнетрон, микротвердость, напряжение.
