CC BY
25
УДК 621.762
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗДЕЛИЯ НА УСТАНОВКАХ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ
ПОКРЫТИЙ Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail: lavro7@mail.ru) Самарский государственный технический университет, Самара, Россия
В работе предложен новый высокоточный метод контроля и измерения температуры на всех этапах нанесения покрытий (установки ННВ-6.6 и ЮНИОН, др.), позволяющий получать покрытия с заданными физико-механическими свойствами.
Ключевые слова: плазма, температура, покрытие, метод, оборудование, сталь
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 технологий 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,
связанную 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.
На рис.1 показана схема влияния основных технологических параметров процесса КИБ на качественные характеристики напыляемого инструмента [1]. Из схемы видно, что большинство технологических параметров оказывает как прямое, так и косвенное влияние — через изменение температуры поверхности напыляемого инструмента на свойства системы «инструментальный материал — покрытие».
Рисунок 1. Схема влияния технологических параметров процесса ионной очистки и конденсации ионно-плазменных покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали
Несмотря на очевидность необходимости поддержания температурных условий на уровне, приведенном на рисунке, осуществлять технологический процесс по этой схеме достаточно трудно. В первую очередь это связано с тем, что при одинаковых условиях работы плазменного испарителя температура напыляемого инструмента будет зависеть от его формы и размеров, а также расположения в плазменном потоке.
Таким образом, тепловой режим и температура подложки являются главными факторами, влияющими на свойства и качество покрытия.
Исходя из выше изложенного в данной работе предложена методика тарировки пирометра частичного излучения типа «Смотрич», повышающая точность измерения температур изделия на всех стадиях технологического процесса.
При градуировке преобразователей по модели абсолютно черного тела устанавливается однозначная зависимость термоЭДС преобразователей от температуры излучателя. При измерении температуры реальных тел, имеющих суммарный коэффициент излучения отличный от единицы, действительную температуру объекта можно определить с достаточной точностью по формуле:
Т = ТР (1),
где Т - действительная температура нечерного тела;
Тр - радиационная температура в К, определенная по градуированной характеристике;
s - суммарный коэффициент черноты объекта;
Во вторичном измерительном преобразователе ПВ-1 пирометра
«Смотрич-1» имеется ручная корректировка на излучательную способность для Е от 0,1 до 1,0 при помощи, которой при любом значении Е устанавливается выходной сигнал ПВ-1, соответствующий условиям полного излучения. Значение суммарного коэффициента черноты объекта для каждого конкретного объекта необходимо определить экспериментально.
Определение величины Е для объектов, которые разогреваются металлической плазмой в вакууме и находятся под высоким электрическим потенциалом (1200-2500 В) является довольно сложной процедурой. Коэффициент черноты объекта (Е) зависит от материала и температуры излучаемого объекта, а также от структурно-фазового состояния поверхности и ее шероховатости.
Поэтому тарировка пирометров частичного излучения, не учитывающая всех факторов, влияющих на величину Е, приводит к значительной погрешности на 50-100 0С замера истинной температуры, что недопустимо.
Нами предлагается проводить тарировку пирометра, с целью определения величины Е в условиях, идентичных рабочим, т.е. в условиях ионной бомбардировки и конденсации покрытия на объект.
Для имитации объекта (быстрорежущего инструмента), подвергаемого ионно-плазменному нагреву, был изготовлен образец-свидетель из стали
Р6М5 размером 12х12х150 мм, которому на глубину 0,3-0,5 мм приварены аргонно-дуговой сваркой две разобщенные термопары из хромели и алю-мели d=0,3 мм. Конструкция образца-свидетеля с термопарами для установки Юнион приведена на рис. 2. Выводы термопар осуществлены через технологическое отверстие в вакуумной камере и подключены к измерительному прибору Ш4500.
Принципиальная схема тарировки пирометра приведена на рис. 3. Температура поверхности образца-свидетеля, разогреваемая металлической плазмой, контролировалась с помощью термопары прибором Ш4500 и пирометром «Смотрич-1», потенциометром КСП-2 в диапазоне 300-600 0С. Результаты тарировки пирометра при температуре 300, 400, 500, 600 0С приведены в таблице 1.
Таблица 1 - результаты тарировки пирометра «Смотрич -1»
№ уровня Температура, измеряемая Х/А термопарой (прибор Ш4500);Т0С Положение ручки корректировки на излучательную способность, блок ПВ-1 (Смотрич) Температура, измеренная КСП-2 (Смотрич) Т0С
0,1 380
1 300 0,2 350
0,3 325
0,4 315
0,1 460
2 400 0,2 420
0,3 395
0,4 380
0,1 550
3 500 0,2 510
0,3 480
0,4 460
0,1 630
4 600 0,2 575
0,3 535
0,4 510
Анализ полученных результатов, приведенных в таблице 1 показывает, что степень черноты зависит от температуры.
Изучив результаты можно сделать вывод, что оптимальная степень черноты, которой соответствует наименьшая погрешность измерения равна, при температуре, измеренной Х/А термопарой
300 0С - (при излучательной способности 0,4), погрешность измерения составляет 5%;
400 0С - (при излучательной способности 0,3), погрешность измерения составляет 1,25%;
500 0С - (при излучательной способности 0,2), погрешность измерения составляет 2%;
590 0С - (при излучательной способности 0,2), погрешность измерения составляет 2,5%;
Данную тарировку необходимо повторять при смене материала контролируемого объекта, а также после ремонта и профилактики пирометра частичного излучения.
12x12
а
' <1 ■ II
\ [
I. = 900
ЙЙ
4/
Ж
Ж
7Г7
1
"И
Рисунок 2 - Конструкция образца-свидетеля с термопарами
1. термопара;
2. образец;
3. изолятор;
4. вакуумное уплотнение;
5. фланец;
6. вакуумное утепление;
7. вывод термопар.
Рисунок 3 - Принципиальная схема тарировки пирометра
«Смотрич-1»
1. поворотный стол;
2. вакуумная камера;
3. образец;
4. испаритель;
5. первичный пирометрический преобразователь ПЧР-141;
6. промежуточный преобразователь ППЧ-1;
7. измерительный преобразователь ПВ-1;
8. электронный самопишущий потенциометр КСП-2;
9. измерительный прибор Ш4500;
10. смотровое окно;
11. крышка камеры;
12. термопара Х/А.
Для каждого уровня температур определяется величина корректировки на излучательную способность. Для режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей, стали, оптимальная температура нагрева при конденсации покрытий равна 500 0С и экспериментальная величина корректировки для этой температуры равна 0,23. Данную тарировку необходимо повторять при смене материала контролируемого объекта, а также после ремонта и профилактики пирометра частичного излучения.
Однако, при использовании оборудования ионно-плазменного напыления для широкой гаммы покрытий на изделиях из различных материалов предлагаемая тарировка экономически неоправданна (т.к. при смене изделия и катода необходима тарировка пирометра).
Поэтому нами предлагается способ измерения температуры изделия в процессе всего технологического цикла (ионной очистки и конденсации покрытия) совмещенной с процедурой тарировки пирометра.
На рис. 4 представлен общий вид устройства в положении измерения температуры образца-свидетеля и в положении измерения температуры изделия.
а) б)
Рисунок 4 - Общий вид устройства а - в положении измерения температуры образца-свидетеля. б - в положении измерения температуры изделия
1 - вал подложкодержателя; 2 - вакуумная камера; 3 - подложкодержа-тель вращающийся; 4 - изделие; 5 - контактный датчик температуры; 6 -образец свидетель; 7 - первичный пирометрический преобразователь; 8 -катод плазменного испарителя и его блок питания; 9 - преобразователь электрических сигналов напряжения, чистот; 10 - ультразвуковой излучатель; 11 - стакан с жидкой эпоксидной смолой для осуществления акустического контакта вращающегося вала с приемником 12; 12 - приемник ультразвукового сигнала; 13 - датчик положения вала.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в предлагаемом устройстве образец свидетель (6) с контактным датчиком температуры (5) соединен с ультразвуковым излучателем, выполненного с возможностью контактирования с валом привода вращения подложкодержателя (1) внутри камеры установки, а приемник ультразвуковых сигналов (12) выполнен с возможностью контакта с валом вне камеры. Полученные сигналы с образца свидетеля сравниваются с сигналами, полученными с усилителя пирометра (блок сравнения) и передаются в цифроаналоговой преобразователь, который вырабатывает сигнал корректировки усилителя пи-
рометра. Таким образом, за один оборот подложкодержатель происходит тарировка пирометра частичного излучения.
Данный способ получения ионно-плазменных покрытий позволяет контролировать и измерять температуру изделия на всех стадиях технологического процесса с минимальной погрешностью независимо от формы, размеров, геометрии изделия, шероховатости поверхности, материала, а также свойств наносимого покрытия (многослойного, однослойного, композиционного) из различных тугоплавких материалов, а плазменный испаритель работает в автоматическом режиме по заданной программе исключающей изменения технологических режимов как в процессе ионной очистки, так и на этапе конденсации покрытия. Исходя из выше изложенного используя предлагаемый способ можно получать прогнозируемые по свойствам покрытия, применяемые как для упрочнения режущего и штампового инструмента, так и для повышения служебных свойств деталей машин, механизмов.
Список литературы
1. Ю.Н. Внуков, А.А. Марков, Л.В. Лаврова, Н.Ю. Бердышев, Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент, К.: Техника, 1992,-143 с.
Lavro Victor Nikolayevich, associate professor
Samara state technical University, Samara, Russia
(e-mail: lavro7@mail.ru)
DEVELOPMENT OF A METHOD FOR MEASURING THE TEMPERATURE OF THE PRODUCT AT THE VACUUM-PLASMA DEPOSITION OF COATINGS
Abstract. In the paper we propose a new method of precision control and temperature measurement at all stages of the coating (installation NNV-6.6 and UNION, etc.), allowing to obtain coatings with desired physical and mechanical properties.
Keywords: plasma, temperature, coverage, method, equipment, steel
