CC BY
93
УДК 537.525.7:621.762
А.А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, Д. И. Калашников ВЧ-ПЛАЗМЕННАЯ НАНОПОЛИРОВКА И ФИНИШНАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ
И ИХ СПЛАВОВ
Ключевые слова: струя, ВЧплазма, температура, пониженное давление.
Получено покрытие на поверхности твердого сплава с помощью высокочастотного индукционного разряда пониженного давления при ее взаимодействии с обрабатываемым изделием. По своим свойствам и структуре нанодиффузионный слой близок к алмазоподобному покрытию
Keywords: RFplasma, stream, temperature, low pressure.
A coating on the surface of solid alloy with high-frequency inductive discharge of low pressure in its interaction with the workpiece. The properties and structure nanodiffusive layer close to the diamond-like coatings...
С целью установления влияния воздействия ВЧ плазмы на свойства поверхности, проведена обработка различных металлов и их сплавов. Необходимость плазменной модификации перечисленных материалов вызвана потребностями развития науки и техники, связанными с переходом на качественно новый уровень управления свойствами изделий за счет создания и модификации нанослоев [1].
Известно, что традиционные процессы полировки создают на поверхности дефектный слой, что может привести к ухудшению усталостных и прочностных свойств изделий. В связи с этим проведены сравнительные исследования физических свойств поверхности конструкционных материалов до и после процесса ВЧ плазменной полировки и нанополировки.
Для комплексной оценки влияния ВЧ плазменной струи на эксплуатационные свойства изделий из металлов проводился фрактографический анализ изломов образцов после усталостных испытаний. Установлено, что разрушение начинается с широкой грани поперечного сечения образца. Усталостные очаги разрушения для неупрочненных образцов располагаются с двух противоположных сторон. После упрочнения методом поверхностной пластической деформации и плазменной обработкой у изделий разрушение начинается с одной стороны (рис.1 - 2). Строение изломов образцов характерно для усталостного разрушения. Очаги усталости обозначены радиально расходящимися элементами структуры.
а б
Рис. 1 - Внешний вид излома образца после шлифовки, полировки (а) и ВЧИ плазменной обработки (б) (Рр= 2,8 кВт, Gг=0,08 г/с , ^бр=300 с)
а б
Рис. 2 - Внешний вид излома образца в
усталостной зоне после шлифовки, полировки и ВЧ плазменной обработки, х 12
Установлены режимы плазменной обработки, при которых остаточные напряжения в поверхностном слое являются сжимающими. На рис. 3 представлены эпюры остаточных напряжений образцов с плазменным воз-действием в сравнении с изделиями, подвергнутыми ручной полировке, а также поверхностному пластическому
деформированию.
°ост ■ МПа
- 1
550 МПа,х 12
к, мкм
Рис. 3 - Эпюры остаточных напряжений в поверхностном слое металла после различных видов обработки: 1 - ручная полировка; 2 -гидродробеструйная обработка и виброгалтовка; 3 - обработка ВЧ плазмой аргона в режиме Wi=63 эВ, ji =1,5 А/м2
Видно, что после упрочнения в потоке ВЧППД в поверхностном слое образуются сжимающие остаточные напряжения от 50 до 650 МПа. В зависимости от режима плазменной обработки имеется подслойный максимум 350 ... 800 МПа на глубине до 20 мкм с изменением знака на глубине 140 ... 270 мкм. Эпюры остаточных напряжений после упрочнения методом поверхностной пластической деформацией и струей ВЧЕ разряда более плавные, чем после ручной
s
полировки. До глубины 40...80 мкм величина сжимающих остаточных напряжений снижается в меньшей степени, чем у полированных образцов без упрочнения.
Максимальные значения остаточных напряжений у образцов после плазменного воздействия залегают ближе к поверхности, чем после упрочнения поверхностным пластическим
деформированием, и их распределение по глубине более плавное. Кроме того, изменение знака остаточных напряжений у этих образцов происходит на большей глубине.
В результате ионной бомбардировки и термического воздействия плазмы на изделии устанавливается температура 150 - 400°С в
зависимости от вида металла. В основном на поверхности происходит локальное оплавление микровыступов, приводящее к залечиванию микропор и микротрещин, и удаление примесных дефектов. Это подтверждается фотографиями поверхности, полученными с помощью электронного микроскопа, а также данными оже-спектроскопии.
Поэтому в указанных режимах обнаружены внедренные на глубину до 20 нм атомы аргона, что способствует искажению кристаллической решетки и создает наклеп в поверхностном слое.
Результаты металлографических исследований показали, что глубина модифицированного ВЧ плазмой слоя составляет 20-30 мкм. Прочность образцов с плазменной обработкой близка к прочности образцов после поверхностно-пластического деформирования.
Как показано в [2, 3], частицы инертного плазмообразующего газа проникают в приповерхностный слой металла на глубину до 100 нм. Однако свойства обрабатываемых материалов модифицируются также и в более глубоко лежащих слоях материала, что проявляется в изменении физикомеханических и эксплуатационных характеристиках образцов.
Исследовалась зависимость результатов ВЧ плазменной модификации поверхности материалов от входных параметров плазмотрона (расход
плазмообразующего газа, давление, мощность разряда), основных параметров обработки - энергии ионов и плотности ионного тока на поверхность образца.
Физико-механические свойства
поверхностных слоев зависят от параметров кристаллической решетки [4]. Металлографические исследования показали, что общая глубина модифицированного слоя составляет 0,02 - 0,03 мм. Результаты измерения микротвердости образцов металлов с различной предварительной обработкой поверхности (шлифовка, полировка, поверхностное пластическое деформирование) показывают увеличение ее не более, чем на 10%. Так, у меди Н увеличивалась с 588 до 650 МПа, у стали 30 - с 1127 до 1240 МПа, у титанового сплава ВТ-9 - с 3136 до 3500 МПа.
На рис. 6 представлены зависимости
относительного изменения предела выносливости деталей из сплава ВТ9.
а) б)
Рис. 4 - Зависимость относительного изменения предела выносливости деталей из сплава ВТ9 от энергии ионов (а) и плотности ионного тока на поверхность образца (б) при обработке в потоке ВЧ плазмы аргона
Как видно из рис. 6, увеличение
усталостной прочности, характеризующейся повышением предела выносливости и долговечности, происходит при ^ = 5 - 13 А/м2, Wi = 30 - 50 эВ. Это соответствует обработке в струе ВЧЕ плазмы пониженного давления. Кривые носят немонотонный характер. При малых значениях ^ и Wi происходит незначительная термообработка, что приводит, например на сталях типа Х13, к низкотемпературному отпуску. При высоких значениях ^ и Wi происходит интенсивная термообработка с рекристаллизационными процессами. Продолжительность обработки с целью достижения наибольшего повышения предела выносливости (на 5 - 35%) составляет 8 - 9 минут (рис. 7).
£ мин
Рис. 5 - Обобщенная зависимость относительного изменения предела выносливости металлов от продолжительности обработки в оптимальном режиме ВЧЕ плазмой аргона
Исследования угла загиба (динамический и статический углы) показали, что результаты обработки образцов, с точки зрения охрупчивания материала, достаточно критичны к режиму плазменной обработки. В оптимальных режимах значения угла загиба те же, что и после поверхностного пластического деформирования.
Зависимости изменения предела выносливости от основных обобщенных параметров обработки аналогичны зависимостям остаточных напряжений. При тех значениях ^ и Wi, при которых происходит наибольшее увеличение сжимающих остаточных напряжений, наблюдается
максимальное повышение предела выносливости. Как видно из рис. 7, продолжительность обработки с целью достижения а-1шах составляет 8 - 9 мин. При малых значениях ^ и Wi плазменное воздействие, как следует из физической модели, практически не приводит к изменению остаточных напряжений в
поверхностном слое. При больших значениях ^ и Wi происходит перегрев поверхности и, как следствие, снятие остаточных напряжений.
Исследование влияния скорости охлаждения образцов после плазменного воздействия на предел выносливости показало, что обдув холодным аргоном дополнительно повышает усталостную прочность.
В результате исследований разработаны процессы плазменного упрочнения, заключающиеся в том, что на изделие воздействуют потоком ВЧ плазмы аргона со следующими входными характеристиками: скорость потока 100 - 500 м/с, давление 75 - 200 Па, концентрация электронов 1018 - 1019 1/м3, при этом Wi = 30 - 50 эВ, ^ = 5 - 15 А/м2. С целью повышения эффективности обработки плазменную струю направляют так, чтобы ось потока проходила через центр зоны наиболее вероятного возникновения усталостных трещин в изделии. После окончания обработки поверхность обдувают потоком аргона.
Результаты исследований показывают, что плазменное воздействие в определенных режимах позволяет повышать усталостную прочность с одновременным наведением в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений и уменьшением параметра шероховатости в 2 раза, с Яа=1,25-0,8 мкм до Яа=0,63-0,32 мкм. Данный способ более производителен, чем применяемый в настоящее время метод поверхностного пластического деформирования, экологически чистый, позволяет не только сохранить полученный после полировки класс шероховатости, но и увеличить его. При этом не изменяются существенно состав и структура поверхностных нанослоев. Процесс позволяет регулировать характеристики
поверхностного слоя в широких пределах. Так, например, если необходимо уменьшить параметр шероховатости более чем в 2 раза, то этого можно достигнуть за счет некоторого уменьшения усталостной прочности. В традиционных методах упрочнения такая гибкость процесса невозможна. Это связано с принципиально разной физической сутью протекающих процессов, ответственных за повышение ус-талостной прочности.
Исходя из физической модели взаимодействия ВЧ плазмы с поверхностями твердых тел, при значениях основных параметров обработки Wi = 30 -50 эВ, _^= 0,5 - 1,5 А/м2 основной вклад в
модификацию поверхностного слоя вносит передача поверхностным атомам кинетической энергии ионов, ускоренных в слое положительного заряда. Рекомбинация ионов при этом играет значительно меньшую роль. Передача энергии рекомбинации ионов поверхностным атомам образца, в случае плазменной полировки, приводит к уменьшению параметра шероховатости, но не более чем в 2 раза.
Интенсивная бомбардировка поверхности ионами низкой энергии приводит к ускоренной диффузии дефектов наноструктуры в более глубокие слои материала. Результатом этого является
модификация физических свойств материала в слоях микронной толщины, что приводит к изменению эксплуатационных характеристик изделий машиностроения. Величина упрочнения, получаемая при воздействии ВЧ плазмы, более высокая, чем достигаемая при использовании традиционных методов.
При значениях j = 5 - 15 А/м2 происходит взаимодействие с поверхностью значительно большего числа ионов в единицу времени, чем при плазменной полировке (j = 0,5 - 3 А/м2). Это приводит к тому, что кристаллическая решетка твердого тела непрерывно получает порции дополнительной энергии и в металлах с внедренными атомами плазмообразующего газа происходит дефектообразование. При этом дефекты, например дислокации, распространяются в глубь твердого тела за счет передачи энергии атомов и ионов плазмы поверхностному слою. Полученная атомами твердого тела энергия достаточна для нарушения связей в кристаллической решетке (выше энергии связи). За счет этого происходят процессы разупорядочения структуры и развития дефектов, которые ведут к перераспределению остаточных напряжений на значительной глубине (рис. 5).
Таким образом, вследствие модификации нанослоя, перераспределения на глубине до 200 мкм сжимающих напряжений, усталостная прочность возрастает на 25 - 30% по сравнению с образцами, упрочненными традиционным методом -гидродробеструйной обработкой и виброгалтовкой. Найденные режимы реализуются в струях ВЧЕ плазмы пониженного давления. При этом расход плазмообразующего газа аргона находится в пределах от 0,06 до 0,1 г/с, р = 75 - 200 Па, Pp изменяется от 2,2 до 3 кВт.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы» по госконтракту 16.552.11.7060.
Литература
1. В.В. Савич, Конструкции из композиционных материалов, 4, 114 - 119 (2006).
8. M. Xu, N. Huang, Z. Xiao, Z. Lu, Supramol. Sci., 5, 449 -451 (1998).
2. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 625 - 627 (2010).
3. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 628 - 629 (2010).
4. Желтухин В.С., Шемахин А.Ю. Расчет газодинамики струй ВЧ-плазмы пониженного давления // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. - 2011. - Е. 153, кн.4. — С. 135-142.
© А. А. Хубатхузин - к. т. н., доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, [email protected]; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; Д.И. Калашников - асп. той же кафедры.
