Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Бєлов Микола Львович

УДК 621.9.02;593.121.804

СТВОРЕННЯ РІВНОТОВЩИННИХ МОНО- ТА БАГАТОШАРОВИХ
ПОКРИТЬ З ПІДВИЩЕНИМИ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ МЕТОДАМИ ЛАЗЕРНОЇ
ТА ІОННО-ПРОМЕНЕВОЇ ОБРОБКИ

Спеціальність: 05.03.07 – процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського, Міністерство освіти і науки України та на ДП “Завод ім. Малишева”, Міністерство промислової політики України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор
Костюк Геннадій Ігорович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, завідуючий кафедрою робототехніки

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Добротворський Сергій Семенович, Національний технічний університет “ХПІ”, професор кафедри технології машинобудування

кандидат технічних наук

Білоусов Олександр Олександрович, Виробниче об’єднання “Комунар”, завідуючий відділом

Провідна установа: | Національний технічний університет України „КПІ”, кафедра лазерної техніки та матеріалознавства

Захист відбудеться “25” березня 2005 р. о 14.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, 61070, м. Харків, вул. Чкалова 17.

Автореферат розісланий “15” лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Застела О.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасному машинобудуванні та інструментальному виробництві є висока потреба у деталях та різальному інструменті (РІ) з підвищеними якісними властивостями. Для цього застосовують одно- та багатошарові плазмово-іонні покриття, іонну імплантацію та іонне легування, лазерні гартування та модифікацію або комбіновану обробку, яка містить дві або три технології. Практично в усіх комбінованих технологіях присутні покриття, але при нанесенні плазмово-іонних покрить не вдається досягти рівнотовщинності покриття на більш-менш значній площі деталі, а товщина деталей, розміщених у різних місцях робочої зони установки, може змінюватися більше ніж в два рази. Все це стримує широке впровадження плазмово-іонної та комбінованої обробки з використанням покрить до широкого впровадження.

Як довели дослідження одношарових покрить, їх якісні характеристики також досягли рівня насичення. Так, наприклад, зносостійкість може підвищитися тільки у 3 – раза, стійкість різального інструменту у 3 – ,5 раз, тобто суттєвих змін властивостей не слід очікувати (дослідники В.М. Мацевитий, І.І. Аксьонов, А.С. Верещака, Д.П. Третьяков, Ю.М. Внуков, Г.І. Костюк, О.В. Пилінін, В.М. Хороших та послідовники їхніх шкіл).

У дослідженнях багатошарових покрить ще недостатньо результатів для визначення рівня насичення якісних характеристик, тому дослідження їх шарів, напруженого стану у зоні покриття – деталь та між шарами різних покрить є актуальною задачею.

У цей час використовують також такі методи зміцнення, як іонна імплантація та іонне легування, за допомогою яких можна досягти підвищення зносостійкості у 2,5 – раза, стійкості різального інструменту (РІ) у 2,4 – раза. Основними дослідниками цих технологій є А.М. Діденко, Г.А. Місяць, а також послідовники їхніх шкіл. Лазерні гартування та модифікація, які дозволяють підвищити зносостійкість у 2 – раза, досліджувались А.Г. Григорянцем, В.С. Коваленком та послідовниками їхніх шкіл. Ці технології можуть суттєво змінити характеристики покрить завдяки обробці покриття та шару поблизу нього. Все це вказує на раціональність перевірки цієї гіпотези.

Застосування у комбінованих технологіях плазмово-іонних покрить досліджувалось у роботах Г.І. Костюка, В.С. Мухіна та їхніх шкіл, де було доведено, що комбінована обробка покриття дає змогу суттєво підвищити якісні характеристики деталей та РІ. При цьому зносостійкість підвищується у 9 – раз, стійкість РІ – у 10 – раз. Незважаючи на очевидні перспективи впровадження плазмово-іонних покрить та комбінованої обробки, широке застосування цих технологій стримується через нестабільність характеристики поверхневих шарів, які насамперед пов'язані з нерівнотовщинністю покрить, а отже, відмінністю якісних характеристик шарів на поверхні деталі, а також різних деталей, розміщених у різних місцях робочого об'єму установки. Все це доводить, що досягнення рівнотовщинності покриттів є актуальною та важливою задачею для народного господарства.

Підвищення вимог до деталей спецтехніки та сучасного конкурентно-спроможного машинобудування дозволяє стверджувати, що застосування рівнотовщинних покриттів з підвищеними властивостями завдяки лазерному відпалу та модифікації, створенню перехідних шарів у зоні покриття – деталь завдяки іонному легуванню дозволяє, не застосовуючи дорогих матеріалів та методів обробки покриттів (тому що мікротвердість шару досягає 50 ГПа), одержати деталі з підвищеними експлуатаційними характеристиками та малою собівартістю (висококоштовні легуючі елементи входять до складу поверхневих шарів, а у основному матеріалі їх мало, а може зовсім не бути). Все це ще раз доводить, що задача дослідження - актуальна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладено матеріали, що узагальнюють дослідження, виконані автором у межах програми Міністерства освіти і науки “Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” (підсекція 13. Аерокосмічна техніка і транспорт): тема "Створення фізико-технічних основ підвищення якості матеріалів покрить космічних конструкцій" (№ Д/Р 0103U0004034), тема "Розробка теоретичних основ інтегрованих технологій плазмово-іонної обробки деталей аерокосмічної техніки (№ Д/Р U003432), а також ряд госпдоговірних тем з ДП ХМЗ ФЕД та договорів про співробітництво.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у розробці наукових основ процесів комбінованої фізико-технічної обробки на основі створення рівнотовщинних моно- та багатошарових покрить з підвищеними фізико-механічними характеристиками методами лазерних модифікації та відпалу покриття, іонного легування та імплантації, вибору послідовності шарів з урахуванням напруженого стану, умов експлуатації та поліпшення якості перехідних шарів поблизу покриття. Для цього вирішуються такі питання:

- дослідження розподілу густини струму по підкладці модернізованої установки "Булат" залежно від струму фокусуючого магніту, струму дуги, потенціалу підкладки, тиску реакційного газу при роботі одного та двох випарників на відстанях 330 і 470 мм від верхнього випарника;

- визначення впливу фокусуючого магнітного поля на кутові характеристики іонних потоків;

- розроблення динамічної системи автоматизованого вимірювання товщини покриття і температури

- проведення повномасштабної експериментальної перевірки моделі розрахунку продуктивності нанесення покрить та іонної очистки

- визначення технічного вирішення для забезпечення рівномірного розподілу товщини по підкладці при роботі одного та двох взаємно перпендикулярно розташованих випарників

- розроблення системних основ методів підвищення якісних характеристик покрить

- проведення експериментальної перевірки можливості підвищення якісних характеристик покрить за допомогою лазерного зміцнення, іонного легування та імплантації

- дослідження напруженого стану деталей і РІ та визначення його впливу на одно- та багатошарові покриття

- впровадження результатів на підприємствах.

Об'єкт дослідження - рівнотовщинні одно- та багатошарові покриття з лазерним відпалом та модифікацією, іонною імплантацією та легуванням.

Предмет дослідження – встановлення закономірностей: між розподілом густини іонного струму та струму фокусуючого магніту, струму дуги, потенціалу підкладки та тиску реакційного газу при роботі одного та двох випарників; зміни густини струму від кута падіння потоку іонів; густиною струму та швидкістю зміни геометрії деталі і товщиною покриття.

Перевірка модифікованої моделі прогнозування продуктивності для широкого кола технологічних параметрів. Перевірка ефективності методів підвищення якісних характеристик, методу вибору багатошарових покрить з умов їх напруженого стану та розробка на цій базі фізико-технічних основ створення рівнотовщинних одно- та багатошарових покрить з підвищеними фізико-механічними характеристиками за допомогою лазерного відпалу та модифікації, іонного легування та імплантації, вибору режимів різання та умов експлуатації, поліпшення перехідних шарів поблизу покриття.

Методи дослідження. Методологічною основою є системний підхід щодо методів підвищення якісних характеристик покрить з використанням лазерного відпалу і модифікації, іонної імплантації та іонного легування перехідних шарів. Для вимірювання густини струму і товщини покриття та температури у динаміці використовують сучасні методи, вимірювальні прилади та ЕОМ.

Для розрахунку продуктивності обробки та напруженого стану РІ з покриттям та зміцненим шаром застосовують сучасні методи програмування. Так, для вирішення задачі теплопровідності (нестаціонарної тривимірної) та термопружності (задача Даниловської) застосовувався модифікований МКЕ. Результати експериментів оброблялись з використанням надійних статистичних методів.

Наукова новизна одержаних результатів. Запропоновано і науково обґрунтовано методи одержання рівномірного розподілу густини струму по деталях, близького до рівномірного розподілу швидкості зміни товщини деталі та практично рівномірного розподілу товщини покриття по деталях завдяки різним потенціалам на секціях підкладки та на екранах, а також струму фокусуючого магніту як при роботі одного, так і двох випарників (вперше).

Вперше розроблено системні основи комбінованих фізико-технічних методів підвищення якісних характеристик деталей і РІ з покриттям залежно від технологічних параметрів, фізико-механічних характеристик деталі і РІ перед зміцненням, геометричних параметрів розміщення деталей і РІ в установці, умов експлуатації та режимів різання.

У результаті експериментального дослідження показано можливість підвищення стійкості різального інструменту у 10 – раз, зносостійкості у 8 – разів, досягнення мікротвердості 45 ГПа для модифікованого покриття 0,2.Нf+0,8ZrN, зменшення коефіцієнта тертя у 1,2 – раза при високих температурах (до 1000?К), завдяки підвищенню якісних показників покрить лазерною модифікацією, іонною імплантацією та легуванням.

На основі дослідження напруженого стану РІ із застосуванням моделі теплофізичних і термомеханічних процесів у зоні переходу від одного покриття до іншого та від покриття до матеріалу деталі або РІ знайдено раціональні поєднання покрить для динамічного і статичного температурних режимів та для обох режимів, за яких на поверхні реалізуються стискальні напруги, а зміна напруг не перевищує 30 відсотків.

Завдяки динамічній системі автоматизованого виміру зміни товщини покриття і температури у процесі нанесення покриття у вакуумній камері у реальному часі вдалось провести повномасштабний експеримент по перевірці модифікованої моделі розрахунку продуктивності обробки, що довело її працездатність у режимах нанесення покрить та очистки (точність 3ј7 %).

При дослідженні розподілу густини струму по підкладці модифікованої установки "Булат" на різних відстанях від випарника та при роботі одного і двох випарників виявлено фактори, що впливають на збільшення густини струму: струм фокусуючого магніту (у два рази), струм дуги (у 1,7 раза), потенціал деталей і тиск реакційного газу (у 1,4 раза). На більших відстанях (470 мм) у центрі підкладки густина струму зменшується у два рази, а на периферії підвищується у два рази порівняно з відстанню 340 мм.

Виявлено найбільш вірогідні кути падіння іонів при відстанях до випарника 330 та 470 мм, які лежать у діапазоні від 0 до 20?, а варіювання напруженості фокусуючого магнітного поля від 50 до 150 Е призводить до зміни кута падіння іонів від 1,5? (L = 330 мм) до 3? – є (L = 470 ?м).

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено наукові основи комбінованої фізико-технічної обробки на основі створення рівнотовщинних покриттів з підвищеними якісними характеристиками завдяки лазерному відпалу і модифікації, а також вибору послідовності шарів з урахуванням їх напруженого стану та поліпшення перехідних шарів поблизу покриття завдяки іонному легуванню та імплантації, що дозволяють суттєво підвищити якісні характеристики покрить.

Технічне рішення, яке завдяки надання різних потенціалів секціям секціонованої підкладки, різних потенціалів на екранах, різної величини, струму фокусуючого магніту та варіюванню основних параметрів, дозволило знайти режими, які забезпечують одержання рівнотовщинних покрить на деталях (вперше).

Модифікована теоретична модель розрахунку продуктивності (порівняння якої з результатами експерименту довело її високу точність) дозволяє з великою достовірністю прогнозувати час нанесення покриття.

Впровадження багатошарових і модифікованих покрить (лазерна та іонно-променева обробка покрить) дозволяє підвищити зносостійкість поверхонь деталей у 8 – раз, стійкість різального інструменту у 10 – раз, досягти мікротвердості до 45 ГПа (модифіковане покриття 0,2 ,8

Визначено раціональні поєднання шарів багатошарових покрить, які дають можливість зробити ефективною роботу деталей та РІ у динамічному та статичному тепловому режимах, за яких на поверхні реалізуються напруги стиску, різниця величин яких у шарах не перевищує 30%.

Системні основи методів підвищення якісних характеристик покрить за допомогою лазерної модифікації, іонної імплантації та легування, які залежать від технологічних параметрів, фізико-механічних характеристик деталей і РІ до обробки, геометричних параметрів розміщення деталей та РІ в установці, умов експлуатації та режимів різання для РІ – все це на практиці дозволяє з наукових позицій вибирати технологічні параметри, фізико-механічні характеристики деталей та РІ перед обробкою, геометричні характеристики розміщення деталей в установці, умови експлуатації деталей і режими різання для інструменту.

Результати роботи, а також фізико-технічні основи створення рівнотовщинних покрить з підвищеними фізико-механічними характеристиками впроваджені для зміцнення РІ і деталей основного виробництва ДП “Завод ім. Малишева” з річним економічним ефектом 97 тисяч гривень.

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних розробок і експеримен-тальних досліджень належать особисто автору.

У працях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: постановка, проведення більшої частини експериментів, аналіз цих експериментів, розробка методики розрахунку напруженого стану у зоні покриття – покриття та покриття – деталь (РІ), розробка системних карт для плазмово-іонної обробки і частково для лазерного зміцнення та іонно-променевої обробки, а також ряд пропозицій з розробки системних основ прогнозування якісних характеристик та вибору технологічних параметрів, фізико-механічних характеристик деталей (РІ) перед обробкою, умов експлуатації та режимів обробки; розроблено ряд схемних вирішень і проведено налагодження динамічної системи виміру товщини покриття та температури у зоні обробки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, розділи і результати дисертації доповідались автором на одинадцятій, дванадцятій та чотирнадцятій міжнародних конференціях "Нові технології у машинобудуванні", Харків – Рибаче, вересень 2002, 2003 та 2004 років, на Міжнародній конференції “Поверхнева модифікація матеріалів іонними потоками”, вересень 2003 р., Сан-Антоніо, Техас, США і Азіатсько-Європейській Міжнародній конференції "Поверхнева плазмова інженерія", листопад 2003 р., Джей Сіті, Корея.

Робота повністю та її розділи доповідались на семінарі кафедри робототехніки Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” "Сучасні електрофізичні технології", березень 2002 р., квітень 2003 р. та вересень 2004 р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у дев’яти статтях (вісім у збірниках наукових праць Переліку ВАК України), восьми доповідях і тезах доповідей на міжнародних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 272 сторінок, з них 66 ілюстрації по тексту, 136 ілюстрацій на 73 сторінках, 1 таблиця по тексту, 21 таблиця на 28 сторінках, 3 додатки на 24 сторінках, 98 використаних літературних джерел на 19 сторінках.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко викладено сучасний стан проблеми й обґрунтовано актуальність дослідження, показано наукову новизну, практичну цінність роботи, особистий внесок здобувача, наведено відомості з апробації роботи, структуру і обсяг дисертації.

У першому розділі проведено огляд і аналіз проблеми утворення рівнотовщинних одно- та багатошарових покрить з підвищеними якісними характеристиками завдяки лазерному відпалу та модифікації, формуванню перехідного шару між покриттям і деталлю за допомогою іонної імплантації та іонного легування і вибору послідовності шарів у багатошарових покриттях. Наведено ряд методів зміцнення поверхневого шару, їх можливості та результати аналізу проблем, що виникають при зміцненні. Розглянуто методи оцінки та розрахунку продуктивності нанесення покрить та комбінованого зміцнення.

Для вирішення цих проблем у дисертації сформульовано мету дослідження.

Другий розділ присвячено дослідженню розподілу густини струму (вимірювалась циліндром Фарадея) у робочому об’ємі промислової установки “Булат-6” з пристроями для переміщення датчика іонного струму. Було досліджено вплив струму фокусуючого магніту, струму основного розряду, потенціалу на підкладці та тиску реакційного газу на розподіл густини струму на підкладці на відстані від верхнього випарника 330 і 470 мм при роботі одного та двох взаємно перпендикулярно розташованих випарників. Так, наприклад, розподіл густини іонного струму по радіусу підкладки при зміні струму у фокусуючому магніті (робота одного випарника) наведено на рис. .

Рисунок не наведено. |

Ці дослідження показали, що на зміну густини іонного струму найбільше впливає струм фокусуючого магніту (до двох разів), струм дуги (до 1,7 раза), тоді як потенціал підкладки (до 1,4 раза) та тиск реакційного газу (до 1,4 раза) впливають значно менше як при роботі одного, так і двох випарників. Порівняння розподілу густини струму на відстанях 330 і 470 мм довело, що у першому випадку (330 мм) на осі симетрії підкладки густина струму у два рази вища, тоді як на її периферії вона у два рази менша, що пояснюється характером розштовхування частинок, пов’язаним з кулонівським розштовхуванням частинок. При роботі двох випарників азимутальна симетрія розподілу струму не зберігається, а густина струму стає більшою з протилежного боку розташування випарника.

Кутові характеристики розподілу густини струму досліджувалися за допомогою гребінки циліндрів Фарадея, розміщених під різними кутами:
-10, 0, 20, 30, 40, які переміщувалися по підкладці. Дослідження довели, що найбільш ймовірні кути падіння іонів лежать у діапазоні від 0 до 20, а варіювання напруженості магнітного поля від 50 до

Рис. 1. Розподіл густини іонного струму по радіусу підкладки при зміні струму у фокусуючому магніті (робота одного випарника): а – І = 0; б – І = 0,45 А; в – І = = ,7 А

150 Е (струм 0,2 та 0,6 А) викликає зміну кута розльоту іонів від 1,5? (L = 330 мм) до 3...5? (L  мм).

Проведені дослідження густини іонного струму доводять, що при визначених умовах (струмі фокусуючого магніту, струмі дуги, потенціалі підкладки та тиску реакційного газу) досягти рівномірного розподілу густини струму неможливо, тому сподіватись на отримання рівнотовщинних покрить для промислової установки “Булат-6” сенсу немає.

Третій розділ присвячено опису експериментальної динамічної системи вимірювання товщини покриття (швидкості зміни геометрії деталі) та температури деталі. Ця система дозволяє вимірювати у реальному часі швидкість зміни геометрії (товщини) і при досягненні потрібної товщини припиняти нанесення покрить у автоматичному режимі, а також відстежувати температуру нанесення покрить, при досягненні граничної температури вимикати установку на деякий час для остигання деталі, або при досягненні потрібної товщини.

Далі наведено модель розрахунку продуктивності плазмово-іонної обробки з урахуванням лазерної модифікації, іонної імплантації та іонного легування, яка дозволяє урахувати розпилення іонами, атомами перезарядки, електронами, виділення зміщених атомів завдяки радіаційно-стимульованій дифузії, занурення іонів і атомів перезарядки, випарювання, викид маси у рідкій фазі за допомогою потоків іонів, електронів та лазерного випромінювання, конденсацію у паровій фазі, масовикид завдяки термопружному руйнуванню у зоні дії іона, електрона та -квантів, термоутомне відшарування при досягненні критичної дози випромінювання від дії іонів, електронів, плазми та іонізуючого випромінювання, масопереніс за рахунок термостимульованих плазмохімічних реакцій у зоні дії іонів та електронів, масопереніс матеріалу у рідкій фазі та масопереніс порошку.

Для широкого впровадження моделі розрахунку продуктивності була проведена повномасштабна перевірка моделі продуктивності на великій кількості покрить та оброблюваних матеріалів. Ця перевірка довела, що розбіжність результатів розрахунків та експериментів лежить у діапазоні 3ј7,5 відсотка.

Так, наприклад, залежність продуктивності від енергії іонів та густини іонного струму при нанесенні покриття TiN, розмірної обробки та очистки сталі 45 наведено на рис. 2.

Рисунок не наведено. |

Проведене порівняння експериментальних та теоретичних значень (рис. 3) продуктивності обробки дає можливість стверджувати, що модель розрахунку продуктивності має право на існування та за наявності достовірних даних про густину іонного струму та енергії іонів вона може з високою точністю бути застосована для розрахунку часу нанесення покрить або розмірної обробки потоками іонів.

Рис. 2. Залежність продуктивності нанесення покриття TiN, розмірної обробки та очистки іонами від енергії іонів Ei, густини іонного струму ji та результатів повномасштабного експерименту ( – експеримен-тальні значення)

Четвертий розділ присвячено розробці фізичних принципів і створенню реальних технологічних систем для одержання рівнотовщинних покрить. В основу цього покладено такі фізичні принципи:

Рисунок не наведено. |

- треба досягти близького до рівномірного розподілу густини іонного струму;

- енергія іонів має бути такою, щоб забезпечувати потрібну адгезію та нанесення покрить.

Отже, потенціал секцій (U1, U2, U3) секціонованої підкладки змінювали від 50 до 250 В, а додаткові екрани знаходились під потенціалами U4, U5, U6, які варіювалися від -50 до +50 В, а струм фокусуючого магніту (рис. 3) – від 0,2 до 0,6 А.

Рис. 3. Установка для нанесення рівнотовщинних покрить з секціонованою підкладкою (секції 1, 2, 3 з потенціалами U1, U2, U3) та циліндричними екранами 4, 5, 6 (з потенціалами U4, U5, U6)

Досліджувалися такі режими: U1 = -50 В, U2 = -100 В, U3 = -250 В, варіювалися U4 = 0;
- 50 В, U5 = 0; - 50 В, U6 = 0; 50 В; Ім = 0; 0,4; 0,6 А при дії одного верхнього випарника та двох взаємно перпендикулярно розташованих випарників (підкладка обертається). Так, наприклад, на рис. 4 показано розподіли густини іонного струму для режиму з рівномірним розподілом густини струму, коли подавалися потенціали U4 = -50 В, U5 = -50 В, U6 = 50 В, коли реалізувалась велика густина струму –395 А/м2 та невисока відмінність її величини 45 А/м2.

Рисунок не наведено.

а |

Рисунок не наведено.

б |

Рисунок не наведено.

в

Рис. 4. Залежність густини іонного струму (а), швидкості нанесення покриття (б) та його товщини (в) на секціонованій підкладці при різних потенціалах на секціях U1 = -50 В, U2 = -100 В, U3 = -250 В та екранах U4 = -50 В, U5 = -50 В, U6 = 50 В при роботі двох взаємно перпендикулярних випарників

Більшої рівномірності розподілу густини іонного струму можна досягти при потенціалах на екранах U4 = -50 В, U5 = -50 В, U6 = 50 В, коли розбіжність густини струму складатиме 32 А/м2 при максимальній густині 300 А/м2. На рис. 4 наведено також залежності густини струму від струму фокусуючого магніту.

За модифікованою методикою розрахунку була визначена продуктивність обробки з урахуванням експериментальних даних по густині струму та енергії іонів, але частина потоку нейтральних атомів не враховувалась. Так, наприклад, на рис. 4, б наведено залежність розподілу теоретичної швидкості зміни геометрії для найбільш рівномірного розподілу швидкості нанесення покрить по підкладці при роботі одного випарника
(U4 = -50 В, U5 = -50 В, U6 = 50 В).

При роботі двох випарників найперспективнішим режимом обробки є U4  В,
U5  В, U6  В.

Проведено дослідження теоретичного та експериментального розподілів товщини покриття по радіусу підкладки та порівняння експериментальних (точки) і теоретичних (криві) результатів. Так, на рис. 4, в наведено дані про розподіл товщини по радіусу підкладки при роботі двох випарників (потенціали на екранах U4  В, U5  В, U6  В) та струм фокусуючого магніту: 13 – І = 0; 14 – І = 0,4; 15 – І = 0,6 А, tн = 16 хв).

П'ятий розділ присвячено систематизації методів прогнозування підвищення якісних характеристик деталей та РІ з покриттям залежно від технологічних параметрів, фізико-механічних характеристик деталей до зміцнення, геометричних параметрів розміщення деталі та РІ в установці, умов експлуатації та режимів різання. Наведено системні картки на яких зображено залежність якісних характеристик і коефіцієнтів впливу технології від технологічних параметрів, фізико-механічних характеристик деталей до зміцнення, геометричних характеристик розміщення деталі в установці та умов експлуатації і режимів різання для РІ.

Наведені дослідження дають можливість створити автоматизовану систему підтримки роботи технолога-зміцнювальника та експлуатаційника.

Також цей розділ присвячено дослідженню якісних характеристик покрить після додаткового іонного легування та лазерної модифікації. Проведено дослідження мікротвердості швидкорізальної сталі Р6М5 з покриттям ZrN та HfN у різних співвідношеннях. Показано, що для всіх видів зміцнення найбільше значення мікротвердості має покриття 0,8ZrN+0,2HfN за винятком високих робочих температур, коли комбіновано зміцнене покриття 0,9ZrN+0,1HfN має більшу мікротвердість. Вплив струму за різних значень тиску реакційного газу не однозначний. Найбільша мікротвердість реалізується при тисках реакційного газу 10-3310-3 мм рт.ст. при струмах дуги 110120 А.

Показано, що максимум мікротвердості від тиску реакційного газу для більших струмів дуги зміщується у бік більших тисків. Це пов’язано з тим, що більший струм потребує більшої кількості атомів газу для досягнення стехіометричного співвідношення азоту та металу (рис. ). Досягнута мікротвердість покриття 0,8ZrN +0,2Hr у два рази вища, ніж ZrN та HfN.

Рисунок не наведено.

Рис. 5. Залежність зміни зносостійкості зміцненої швидкорізальної сталі Р6М5 від відстані від випарювача |

Досліджувалась зносостійкість твердих сплавів ВК6 і Т15К6 з покриттями Мо2N, Мо2Nта покриттями після їх комбінованого зміцнення. Досягнуто підвищення зносостійкості покриттів у 2 – ,7 раза, тоді як для покриття з комбінованим зміцненням – у 14 разів. Досліджувався вплив швидкості ковзання, товщини покриття та мікротвердості на зносостійкість. Знайдені швидкості ковзання, для яких може бути досягнутий максимум або мінімум зносостійкості. Визначено товщину покрить та відстань до випаровника, для якої можна досягти максимуму зносостійкості

(рис. 5). Для комбіновано зміцнених покриттів таких умов майже немає, крім покриття NiN+AlN+Mo2N+CrN+SiN+TiN, для якого є такий режим. Залежність зносостійкості від мікротвердості поверхневого шару велика. Мале її змінення (підвищення до двох ГПа для Mo2N та від 6 до 45 ГПа для 0,8ZrN+0,2HfN) може суттєво змінити зносостійкість. Наведено також дані коефіцієнта впливу типу обробки на зносостійкість залежно від швидкості ковзання та товщини покриття.

Досліджено стійкість різального інструменту з ВК6, ВК6 ОМ та Т5К10 з покриттям і комбінованим зміцненням при обробці сплаву ЕІ654, ВТ-14, сталей 38ХС і 35ХГСА від швидкості різання та глибини різання. Можна підвищити стійкість від двох до 20 раз при обробці ВТ-14 до 115 хв, 38Х до 160 хв, ЕІ654 до 180 хв.

Проведено дослідження коефіцієнта тертя ковзання для пар: конструкційні матеріали ЕІ598, сплав ВТ-14, сталь 38ХС, сплав ЕІ702 та матеріали РІ ВК6 і Т5К10.

Вимірювання проводились на розробленій установці (тиск 7,5108 Па, відносна швидкість 0,005 м/с, варіювання температури від 600? до 1000? К). Доведено, що для сплавів ЕІ598, ЕІ702, покрить та покрить з комбінованим зміцненням коефіцієнт тертя зменшується з підвищенням температури, тоді як для ВТ14, 38ХС він підвищується, досягає максимуму, а потім зменшується. Найменші значення досягаються для комбінованого зміцнення покриття. Досліджувалися також залежності коефіцієнта тертя від сили нормального тиску. Доведено, що підвищення сили тиску в основному призводить до зниження коефіцієнта тертя, він завдяки комбінованому зміцненню покрить може зменшитись до двох раз.

Шостий розділ присвячено теоретичному дослідженню напруженого стану матеріалу деталей і РІ у зоні покриттів на основі моделі теплового і напруженого станів деталі та РІ з одно- та багаторазовим покриттям. Вирішується тривимірна нестаціонарна нелінійна задача теплопровідності (задача Даниловської), де в балансі тепла у тілі деталі або РІ з покриттям та зміцненим шаром ураховані теплопровідність, деформування через температурні напруження, знос поверхні. У граничних умовах враховані теплопідведення завдяки тертю, взаємовипромінювання поверхневих шарів, конвективний теплообмін, тепловідведення із зношеним матеріалом РІ або деталі.

Все це дозволило знайти величину та знак напруг. Тоді, виходячи з умов роботи деталі або РІ, слід вибирати послідовність покрить та покриття і матеріал деталі або РІ за таких принципів: зміна величин напружень не перевищує 30 відсотків, на поверхневому шарі реалізуються тільки стискальні напруги.

Наведено таблиці раціональних поєднань покрить для стаціонарної роботи деталі або РІ (яких від 1 до 23) та для динамічного режиму роботи деталі або РІ (яких від 1 до 10), а також таблиці поєднань покрить, які ефективно можна використовувати в обох випадках.

Доведено, що найбільш раціональним є карбід цирконію, який сполучається з чотирма покриттями, нітрид ванадію та нітрид танталу - з трьома.

ВИСНОВКИ

Розроблено наукові основи процесів комбінованої фізико-технічної обробки на основі створення рівнотовщинних одно- та багатошарових покриттів з підвищеними властивостями завдяки лазерному відпалу покрить і модифікації матеріалу деталі, а також іонному легуванню, вибору послідовності шарів з урахуванням їх напруженого стану:

- досліджено розподіл густини струму по підкладці модернізованої установки “Булат” у різних режимах; доведено найбільший вплив на величину густини струму струму фокусуючого магніту (у два раза) і струму дуги (1,7 раза), тоді як потенціал підкладки (до 1,4 раза) і тиск реакційного газу (до 1,4 раз) впливають значно менше;

- доведено, що густина струму більша (у два раз) на осі підкладки при відстані від випарника 330 мм, тоді як на її периферії густина струму більша (приблизно у два раз) при відстані 470 мм;

- визначено найбільш вірогідний діапазон кутів падіння іонів (L = 330 і 470 мм), який становить від 0 до 20, а варіювання напруженості магнітного поля від 50 до 150 Е змінює кут розльоту іонів від 1,5 (330 мм) до 3...5 (470 мм);

- створено динамічну систему автоматизованого вимірювання товщини покриття і температури при нанесенні покрить у реальному часі;

- проведено порівняння результатів розрахунків за модернізованою моделлю розрахунку продуктивності плазмово-іонної та комбінованої обробки з результатами повномасштабного експерименту, що дає можливість стверджувати про адекватність моделі (точність розрахунків становить 37,5 %); експериментальні, теоретичні залежності швидкості напилення та іонної чистки від технологічних і геометричних параметрів розміщення деталей свідчать про суттєву нерівнотовщинність покриттів на деталях для промислової установки „Булат”;

- запропоновано нове технічне вирішення, яке дозволяє завдяки різним потенціалам секцій секціонованої підкладки, різним потенціалам на екранах та різним струмам фокусуючого магніту визначити режими рівномірного розподілу густини струму, швидкості зміни геометрії та рівномірного розподілу товщини покриття по підкладці як при роботі одного, так і двох взаємно перпендикулярно розташованих випарників;

- розроблено системні основи методів підвищення якісних характеристик покриттів на деталях та РІ залежно від технологічних параметрів, фізико-механічних характеристик деталей і РІ перед зміцненням, геометричних параметрів розміщення деталей та режимів різання для РІ;

- доведено можливість підвищення якісних характеристик покрить на деталях та РІ за допомогою додаткового лазерного відпалу та модифікації, утворення перехідних шарів завдяки іонної імплантації та іонному легуванню: підвищення стійкості РІ у 10 – разів, зносостійкості у 8 – разів, досягнуто мікротвердість 45 ГПа для модифікованого покриття 0,2 HfN+0,8 ZrN, зниження коефіцієнта тертя у 1,2 – раза при високих температурах (до 1000? К);

- на основі дослідження напруженого стану одержано температурні напруження у зоні переходу від одного покриття до іншого та від покриття до матеріалу деталі або РІ (із застосуванням моделі теплофізичних та термопружних процесів у матеріалі деталі та РІ з покриттям та зміцненим шаром), визначено раціональні поєднання покрить для динамічного та стаціонарного температурних режимів, за яких на поверхні покриття реалізуються стискальні напруги, а величини напруг при переході від одного шару до іншого не перевищуватимуть 30 %;

- результати роботи впроваджено для зміцнення РІ та деталей основного виробництва на ДП “Завод ім. Малишева”. Річний економічний ефект – у розмірі 97 000 грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ ПРАЦЯХ

1. Костюк Г.И., Белов Н.Л, Пылинин О.В. Исследование коэффициента трения при скольжении различных конструкционных материалов для АТ и твердых сплавов с упрочненным слоем при высоких температурах // Авиационно-космическая техника и технология: Труды ХАИ. – Харьков, 2002. – Вып. 32. – С.155-165.

2. Костюк Г.И., Белов Н.Л., Синь Юаньдун. Исследование износостойкости твердого сплава ВК6 с различными видами упрочения при скольжении по стали 38ХС // Авиационно-космическая техника и технология: Труды Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. – Харьков, 2002. – Вып.33, – С. 45-54.

3. Теоретические методы прогнозирования качественных характеристик деталей и ри от технологиеских параметров, физико-механических характеристик деталей и РИ до упрочнения, геометрических параметров размещения РИ в установке, условий эксплуатации и режимов резания, выбора вида упрочнения или покрытия / Костюк Г.И., Воляк Е.А., Белов Н.Л., Решетников В.И., Широкий Ю.В.// Авиационно-космическая техника и технология: Труды Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. – Харьков, 2003. – Вып. 39/4. – С. 6-21.

4. Костюк Г.И., Белов Н.Л., Романенко С.А. Изучение закономерностей распределения плотности ионного тока в рабочем объеме технологической плазменно-ионной установки в различных режимах нанесения покрытия // Авиационно-космическая техника и технология: Труды Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. – Харьков, 2003. – Вып.3(38). – С. 29-41.

5. Костюк Г.И., Белов Н.Л., Романенко С.А., Решетников В.И. Исследование влияния места размещения детали на плоской подложке на плотность тока при различных углах падения ионов для плазменно-ионной обработки // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Науково-технічний журнал. – Харків, 2003. Вип. 7(42). – С. 168-173.

6. Костюк Г.И., Белов Н.Л. Температурные напряжения в многослойных и однослойных покрытиях и работоспособность деталей и режущего инструмента // Авіаційно-космічна техніка і технологія: Науково-технічний журнал. – Харків, 2003. – Вип.2(37) –
С. 23-31.

7. Костюк Г.И., Белов Н.Л., Син Юаньдун. Система адаптивного управления плазменно-ионной обработкой, изменения толщины покрытия и температуры детали в процессе нанесения покрытий // Вестник двигателестроения. – Харьков, 2003. – Вып. . –С.168-175.

8. Kostyuk G.I., Belov N.I. Investigation of Friction Coefficients on Cutting Tool Material after Combined Treatment Based of Ion Implantation and Plasma Coating. VIIth Workshop on Plasma-Based Ion Implantation (PBII2003); Proceeding XIIth International Conference on Surface Modification of Materials by Iion Beams (SMMIB) September 17-19, 2003, San-Antonio, Texas, USA. P. 592.

9. Теоретические методы прогнозирования качественных характеристик деталей и РИ от технологических параметров, физико-механических характеристик деталей и РИ до упрочнения, геометрических параметров размещения РИ в установке, условий эксплуатации и режимов резания выбора вида упрочнения или покрытия / Костюк Г.И., Воляк Е.А., Белов Н.А., Решетников В.И., Широкий Ю.В. // Труды Двенадцатой международной конференции “Новые технологии в машиностроении”. – Сharkov – Rybachie, 2003. – С. 12.

10. Костюк Г.И., Белов Н.Л., Романенко С.А. Изучение закономерностей распределения плотности ионного тока в рабочем объеме технологической плазменно-ионной установки в различных режимах нанесения покрытия // Труды Двенадцатой международной конференции “Новые технологии в машиностроении”. – Сharkov – Rybachie, 2003. – С. 9.

11. Костюк Г.И., Белов Н.Л., Костюк Е.Г. Исследование распределения плотности ионного тока в рабочем объеме установки для плазменно-ионной обработки. Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве // Труды 6-й Международной научно-технической конференции. – Харьков, 2002. – С. 36-38.

12. Г.И. Костюк, Н.Л. Белов, Син Юаньдун. Исследование износостойкости твердых сплавов при различных видах упрочнения // Труды Одиннадцатой международной конференции “Новые технологии в машиностроении”. – Сharkov – Rybachie, 2002. – С.21.

13. Костюк Г.И., Белов Н.Л., Пылинин О.В. Влияние условий скольжения и комбинированной обработки на коэффициент трения при эксплуатации деталей АТ при высоких температурах // Труды Одиннадцатой международной конференции “Новые технологии в машиностроении”. – Сharkov – Rybachie. – 2002. – С.18.

14. Kostyuk G.I., Belov H.L. Investigation of friction and cutting tool durability after combined treatment based on ion implantation and plasma coating. Submitted to 4th Asia-European International Conference on Plasma Surface Engineering (AEPSE 2003), September 28 to October 2, 2003, Jeju City, Korea, p. 127.

15. Костюк Г.И., Белов Н.Л.Костюк Е.Г. Костюк А.Н. Создание равнотолщинных плазменно-ионных покрытий для тяжелонагруженных пар трения // Вісті АІНУ. – Київ. – 2004. – Вип. 4(24). – С. 27-38.

16. Белов Н.Л. Использование стекол с оптическими покрытиями с целью улучшения теплоизоляции помещений // Матеріали VII Всеукраїнської студентської наукової конференції “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”. – Донецьк. – 1997. – С.179-180.

17. Костюк Г.И., Белов Н.Л., Костюк Е.Г., Костюк А.Н. Научные основы создания равнотолщинных плазменно-ионных покрытий для тяжелонагруженных пар трения // Материалы XIV Международной конференции “Новые технологии в машиностроении”. – Харьков – Рыбачье. – 2004. – С.9-10.

[1, 2, 4, 5.8, 11-17)] – авторові належить значна частина експериментальних досліджень;

[3, 9] – автором проведено доробку системних карт плазмово-іонної обробки і частково лазерного зміцнення та іонно-променевої обробки, а також ряд пропозицій з розробки системних основ прогнозування якісних характеристик та вибору технологічних параметрів, фізико-механічних характеристик деталі до обробки й умов експлуатації та режимів різання;

[6] – виконання розрахунків температурних напружень та обробка результатів;

[7] – розробка ряду схемних вирішень і налагодження системи вимірювання товщини покриття та температури поверхні у зоні обробки.

АНОТАЦІЯ

Бєлов М.Л. Створення рівнотовщинних моно- та багатошарових покрить з підвищеними фізико-механічними характеристиками методами лазерної та іонно-променевої обробки. Дисертацією є рукопис, представлений на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Харків, 2004.

Дисертація присвячена вирішенню важливої народно-господарчої задачі розробки фізико-технічних основ створення рівнотовщинних моно- та багатошарових покрить з підвищеними фізико-механічними характеристиками за допомогою лазерного відпалу та модифікації, поліпшення перехідних шарів у зоні покриття завдяки іонному легуванню та імплантації, а також вибору послідовності шарів у багатошарових покриттях з урахуванням їх напруженого стану.

У роботі проведено аналіз можливостей отримання рівнотовщинних моно- та багатошарових покрить, наведено методи підвищення їх фізико-механічних характеристик, а також напруженого стану у покриттях.

Досліджено просторові та кутові характеристики розподілу густини струму на підкладках на відстані 330 та 470 мм при роботі одного та