CC BY
114
УДК 537.525.7:621.762
А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, В. И. Христолюбова
ПОВЫШЕНИЕ ТВЕРДОСТИ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ С ПОМОЩЬЮ ВЧ-ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: ВЧплазма, сплав, пониженное давление.
Получено покрытие на поверхности твердого сплава с помощью высокочастотного разряда пониженного давления при ее взаимодействии с обрабатываемым изделием. В результате формирования покрытия на поверхности металлов получено улучшение физико-механических свойств металлов и повышение твердости.
Keywords: RFplasma, alloy, low pressure.
A coating on the surface of solid alloy with the help of high-frequency discharge of low pressure due to its interaction with the workpiece was formed. As a result offorming of a coating on the surface of the metal increasing of hardness and physical and mechanical properties of metals was produced.
Вопрос повышения качества, надежности и долговечности узлов и деталей оборудования является одним из основополагающих в промышленности машиностроения России. Уплотнительные устройства, часто в виде колец для установки между неподвижной частью и поворотной частью элемента, используемые во вращающемся оборудовании, предназначены разделить две среды и обеспечить герметизацию вала, передающего механическую энергию к рабочему органу механизма, типа насосов, компрессоров, с целью предотвращения утечки текучей среды. При воздействии экстремальных условий, например агрессивных сред, неблагоприятных моментов при пуске и останове компрессоров они могут легко разрушаться [1]. Кроме того, уплотнители подвержены значительному износу и могут ломаться внутри оборудования, особенно из-за большого трения, и поэтому часто требуют замены. Уплотнители изготавливаются из твердых сплавов, выполненных на основе карбидов вольфрама, титана и тантала методом порошковой металлургии. В качестве связки используется кобальт. В настоящее время в России выпускаются три группы твердых сплавов: однокарбидные - вольфрамовые, двухкарбидные -титановольфрамовые и трехкарбидные -титанотанталовольфрамовые.
В настоящее время в отечественной твердосплавной промышленности проводятся глубокие исследования, связанные с расширением сферы применения и возможностью повышения эксплуатационных свойств твердых сплавов. Одним из эффективных способов увеличения срока службы изделий машиностроения является модификация свойств рабочих поверхностей, подвергающихся износу в процессе эксплуатации. Результаты экспериментальных 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 [2, 3].
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 [4].
К преимуществам воздействия
высокочастотной плазмы пониженного давления можно отнести: практически неограниченный ресурс работы; простое аппаратурное оформление; малая продолжительность процессов обработки; возможность совмещения нескольких
технологических операций; высокая плотность покрытий, равные плотности исходного материала и др. Использование в качестве рабочего тела различных плазмообразующих газов позволяет обрабатывать детали сложной конфигурации, в т.ч. и внутренние поверхности. При воздействии ВЧ плазмы пониженного давления на металлы и сплавы происходит изменение фазового состава и структуры материала, что приводит к улучшению сразу нескольких, порой противоположно направленных, свойств. Например, возможно одновременное повышение микротвердости и усталостной прочности и долговечности. Отличительной особенностью предлагаемой технологии является использование «холодной» плазмы: газовая температура в плазменном потоке может регулироваться в диапазоне от 40 до 600 0С. Энергии ионов достаточно для залечивания микропор и микротрещин, ликвидации трещиноватого и рельефного слоев, формирования сжимающих остаточных напряжений в приповерхностном слое образца и др. В результате воздействия ВЧ плазмы пониженного давления происходит насыщение поверхностных слоев атомами плазмообразующих газов (Аг, N О, С), образуется нанодиффузное покрытие на поверхности детали, изменяющее химический состав поверхностного слоя, структуру поверхностного слоя, микрогеометрию поверхности (шероховатость); энергетический запас
поверхностного слоя.
Поскольку износу подвергается
поверхность уплотнительных колец необходимо провести упрочнение материала путем его газонасыщения атомами углерода и образования карбидов металлов, входящих в состав изделия. С
целью повышения механических свойств деталей компрессоров обработаны образцы из уплотнительных колец, изготовленных из твердого сплава ВК8. Образец, введенный в плазму ВЧ разряда, подвергается бомбардировке ионами
плазмообразующего газа и происходит рекомбинация ионов, очистка поверхности от различных загрязнений, распыление и оплавление микровыступов,
залечивание микротрещин, что в свою очередь приводит к уменьшению шероховатости поверхности, к изменению состава и структуры приповерхностного слоя, что обеспечивает повышение износостойкости. Образцы были помещены в вакуумную установку, схема, которой представлена на рис. 1.
Рис. 1 - Установка ПУ-ВЧЕ для полировки и очистки: 1 - ВЧ-генератор, 2 - электроды, 3 -водоохлаждаемая РК, 4 - устройство очистки аргона, 5 - карусельное устройство, 6 -обрабатываемая деталь, 7 - вакуумная камера, 8 -система откачки, 9 - система контроля-управления, 10 - термопары, 11 - система газоснабжения
Экспериментальные исследования показали, что изменения в поверхностном слое материалов приводят к изменению твердости и шероховатости.
В качестве рабочего газа при исследовании процессов финишной очистки и нанополировки поверхностей использовался технически чистый аргон. Для воздействия на структуру поверхности изделия использовалась смесь газов из аргона и пропан-бутана в следующих режимах (табл. 1).
Во всех экспериментах осуществлялась подача отрицательного потенциала на изделие порядка
-20 В с целью увеличения концентрации электрического поля вблизи деталей.
Образцы устанавливались перпендикулярно потоку. Для устранения побочных эффектов образцы перед плазменной обработкой при изучении состава и структуры обезжиривались и обезвоживались. Температура образца при установлении закономерностей изменения свойств поверхностного слоя от плазменных параметров выбиралась такой, чтобы, с одной стороны, максимально интенсифицировать плазменные процессы, а с другой - чтобы при этой температуре термообработка не была доминирующим фактором. Экспериментально установлено, что время достижения рабочей температуры и получения равномерного распределения температуры по всему объёму материала составляет 15 - 20 минут, поэтому все изделия обрабатывались в плазме чистого аргона в течении 25 минут., затем 20 минут в смеси аргона с пропан-бутаном.
Для определения физико-механических свойств применялось измерение микротвердости и шероховатости, 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. Типичная для этого метода экспериментальная кривая в виде графика зависимости нагрузки (P) от глубины вдавливания (h) представлена на рис. 2. Она состоит из двух частей, соответствующих процессу нагружения и разгрузки. В рамках данного метода твердость H образца определяется уравнением:
Здесь Ас - это площадь проекции отпечатка при максимальном значении приложенной нагрузки Pmax.
Построение изображения рельефа поверхности проводится в режиме полуконтактной сканирующей зондовой микросопии. В результате сканирования строится растровое трехмерное изображение.
Таблица 1
№ Газ Давление, Напряжение Ток
Па анода, кВ анода, А
1 Ar 22 7 0,5
Ar+C3H8 21 7 0,5
2 Ar 26 7 0,5
3 Ar 26 5 0,5
АГ+СзН8 26 5 0,35
смещение
Рис. 2 - Общий вид кривой нагружения, и схема контакта с обозначениями величин, используемых в методике расчета модуля упругости и твердости
а б
Рис. 3 - Рельеф третьего образца до обработки (а) и после обработки (б)
С помощью метода измерительного динамического индентирования получены
экспериментальные точки, через которые можно провести линию, описывающую характер изменения свойства. На рис. 1, 2 и 3 представлены графики изменения твердости в зависимости от глубины проникновения плазмохимического газа для твердого сплава ВК8, полученные в результате проведенных испытаний.
Установлено, что для первого образца произошел низкотемпературный отпуск. Значение твердости уменьшилось в среднем на 56%. Для объяснения этого эффекта проведен второй эксперимент в среде чистого аргона, результаты которого показали, что твердость увеличивается на 30%, при этом шероховатость также увеличивается на 25%. Это свидетельствует о распылении кобальта, входящего в состав сплава, при этом на поверхности проступает чистый вольфрам, поэтому происходит увеличение его твердости и шероховатости. Для исключения этих факторов уменьшено напряжение анода. Это привело (см. рис.6) к увеличению твердости на 60% и уменьшению шероховатости на 40%. Цвет изделия изменился от характерного металлического блеска к желтовато-бирюзовому цвету. Это также свидетельствует о формировании пленки на поверхности сплава.
Исследование шероховатости поверхности проводилось также на нанотвердомере «НаноСкан-3Б».
Глубина индентирования, нпл
Рис. 4 - Изменение микротвердости поверхности сплава ВК8: а - образец до обработки, б -образец, обработанный по режиму Аг+С3Н8, 0^1500 см3/мин, д2=1300 см3/мин, и=-20 В
га 40 С
£ 35
| 30
I 25 •
5 * А А А
0 I Л.........Л.............
■>Г т Й 2 г-о СП Д 31 О" т~ £2 и~> 71 щ СО со <л
Глубина индентирования, нпл
Рис. 5 - Изменение микротвердости поверхности сплава ВК8: а - образец до обработки, б -образец, обработанный в ВЧЕ плазме аргона, 0=2000 см3/мин, и=-20 В
¿2 35
Глубина индентирования, им
Рис. 6 - Изменение микротвердости поверхности сплава ВК8: а - образец до обработки, б -образец, обработанный по режиму Аг+С3Н8, 01=2000 см3/мин, 02=1400 см3/мин, и=-20 В
Анализ характеристик уплотнителей, обработанных в плазме ВЧ разряда, показал, что физико-механические значения опытных образцов обладают улучшенными технологическими, эксплуатационными показателями по сравнению с
контрольными при обработке изделия в смеси газов из аргона и пропан-бутана в соотношении 80% на 20%.
Литература
1. Патент. Уплотнительное устройство (ЯИ 2467237)
2. В.В. Савич, Конструкции из композиционных материалов, 4, 114 - 119 (2006).
3. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 625 - 627 (2010).
4. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 628 - 629 (2010).
© А. А. Хубатхузин - к. т. н., доц. каф. вакуумная техника 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 - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, valllerrriya@mail.ru.
