Комбінована плазмово-іонна обробка з використанням ефекту локального підвищення густини струму магнетронним розрядом - Автореферат

Нині в світі проводять багато досліджень в області плазмово-іонних технологій. Фірми nixis, Bodycoat Grop з дочірними фірмами Ionbond Eifeler, Cen, Platit, Sandvik Coromant, Kennametal, Kyocera використовують традиційні технології нанесення карбідів, нітридів та оксидів, правда, починають використовувати і складні одно-і багатошарові покриття нітридів, карбідів, карбонітридів декількох металів, в результаті цієї обробки вони одержують підвищення стійкості, яке досягає 10-20 хвилин для чорнового і напівчорнового різання. Процесами нанесення покриттів займалися такі дослідники, як Аксьонов І.І., Верещака О.С., Внуков Ю.І, Костюк Г.І., Кривобоков В.П., Андрєєв А.А., Мацевитий В.М., Мєсяц Г.А., Романов А.А., Толок В.Т., Хороших В.М. На цей час досягнуто такі результати: підвищення стійкості різального інструменту 3 - 3.5 рази; загальної зносостійкості 2.7 - 3.2 рази; корозійної стійкості до 2 разів. Розробити електрофізичний модифікований метод формування плазмово-іонних покриттів з використанням ефекту локального підвищення густини струму магнетронним розрядом для нанесення якісного рівнотовщинного покриття на ріжучому інструменті для ефективної чорнової токарної обробки високоміцного чавуна.Для оцінки мікротвердості покриття використовувалась формула: HBMB = PBMETBHBMMETB (1-PBMETB)HBMCEMB, (1) де PBMETB - ймовірність осадження на підкладку іона метала без утворення хімічної сполуки з атомами реактивного газу; HBMMETB - мікротвердість металевого покриття; HBMCEMB - мікротвердість хімічної сполуки, що утворюється на поверхні підкладки у разі реакції між іоном метала та атомом реактивного газу в обємі вакуумної камери. ; ; , (3) та залежать від відстані між катодом джерела плазми та підкладкою l; довжини вільного пробігу між зіткненнями з утворенням хімічного звязку LBCEMB; часу осадження покриття TBKONDB, товщини границі зерна , розміру зерна DB0B та швидкості хімічної реакції p: (4) де NB0B - частота коливання атомів кристалічної решітки (NB0B » 5?10P12P CP-1P); Для оцінки адгезії покриття використовувалася формула: , (5) де - відносний структурний параметр конденсації, - середній радіус дії адгезійних сил; с - коефіцієнт; ABL B-порядок кристалічної решітки матеріалу покриття; - енергія взаємодії іона метала з атомами матеріалу підкладки: EBIAB = PBFHYS ABEBA PHYSB PBCEM ABEBA CEB. Під час розрахунків адгезії покриття враховувався шар змішаних атомів підкладки та покриття, що формується під час іонного бомбардування підкладки на етапі іонного очищення. покриття яке дало змогу оцінити ефективність впливу схрещених Е?В полів на процес іонного очищення та осадження покриття на поверхні пластин; величина магнітного поля в усіх експериментах була 0,035 Т; схема та фотографія експериментальної установки; процес формування покриття за схемою “КІБ магнетрон” включав у себе наступні етапи: механічне очищення пластин, іонне очищення (очищення в магнетронному розряді), осадження покриття (параметри процесу були вибрані - за результатами математичного моделювання розділу другого цієї роботи), охолодження; повний струм на підкладку сягав 4 А (в подальшому цей режим формування покриття має назву “режим 2”); фотографії етапу очищення поверхні та осадження покриття на пластини та 10(а); залежності струму на підкладку з пластинами від потенціалу підкладки та тиску реактивного газу (етап очищення) та (етап осадження покриття).

Основний зміст роботи

Відповідно до поставленої мети і задач в дисертації отримано такі результати.

1. За рахунок розробленої моделі зявилася можливість прогнозувати мікротвердість та адгезію покриттів в залежності від температури підкладки та винайти раціональні температури нанесення покриттів;

2. Модель розрахунку додаткового джерела іонізації дозволяє прогнозувати температуру підкладки під час нанесення покриттів, а також параметри та склад плазми біля підкладки;

3. Експериментальні дослідження довели можливість керувати потоками плазми з різних джерел за допомогою керування системою схрещених електричних та магнітних полів;

4. На основі проведених досліджень розроблено технологічний процес. Доведено, що використання сканування магнітним полем вздовж підкладки з деталями дозволяє вирівнювати просторову неоднорідність густини іонного струму. Використання схрещених електричного та магнітного полів дає змогу керувати параметрами потоку плазми біля підкладки, для створення покриттів із заданими фізико-механічними властивостями, а також керувати температурою покриття під час росту (вперше);

5. Результати дослідження дозволяють запропонувати та реалізувати комбіновану схему нанесення рівнотовщинного покриття із заданими властивостями, завдяки застосуванню двох джерел іонів (дугового та магнетронного), а також скануванню магнітним полем вздовж підкладки;

6. На основі досліджень рекомендовані раціональні режими різання для операції чорнової токарної обробки високоміцного чавуна, які забезпечують максимальний обєм знімаємого матеріалу за термін стійкості ріжучого інструменту;

7. За рахунок розробленої технології підвищена ефективність використання покриттів TIN на багатогранних твердосплавних пластинах із сплаву ВК8 для операції чорнової токарної обробки високоміцного чавуну. Ця технологія дозволяє підвищити стійкість ріжучого інструменту в 2,8 рази порівняно з пластинами без покриття та на 30% порівняно з пластинами обробленими за стандартною технологією конденсації в умовах іонного бомбардування;

8. Запропонована технологія дозволяє використовувати магнетронне джерело на етапі іонної очистки, що дозволяє економити матеріал катоду;

9. Запропонована технологія дозволяє розширити можливості керування процесом нанесення покриттів, без суттєвої зміни конструкції обладнання та отримати значний економічний ефект.

1. Эффективность покрытия TIN на резцах со сменными твердосплавными пластинами при черновой обработке высокопрочных чугунов на токарных станках с ЧПУ (метод КИБ)./М.С. Романов, Г.В. Горбенко, О.О. Баранов, А.А. Бучака. // Вісті Академії інженерних наук України. - Київ,2006. - вип.3(30). - С. 126-131.

2. Осаждение покрытия TIN в скрещенных E?B полях с вакуумно-дуговым источником плазмы./М.С. Романов, О.О. Баранов, А.А. Бучака.//Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2006. - вип. 3 (26). - С. 198-205.

3. Перспективы и реальность применения стационарного ВЧ-разряда для формирования покрытий, наносимых методом КИБ. / Костюк Г.И., Волошко А.Ю., Гулый С.В., Левченко И.Г., Романов М.С.//«Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ».- Харьков, 2001.- №.24.-С. 282- 293.

4. Автоматизированная система снятия зондовых характеристик на базе микроконтроллера семейства AVR. / М.Ю. Коробов, М.С. Романов. //Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2004. - вип. 4 (24). - С. 51-54.

5. Nonlinear effects in film formation. /G. Kostyk, I. Levchenko, M. Romanov, A. Voloshenko. // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Харьков, 2002. - вып.33. - С. 317-321.

6. Faceted coatings. / M. Romanov, I. Levchenko. // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Харьков, 2002. - вып.32. - С. 180-182.

7. Movement of nipolar arcs in magnetic field. / I. Levchenko, M. Romanov, A. Voloshko, S. Glyi. //Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2005. - вип. 3 (26). - С. 185-188.

8. Униполярные дуги в плазме высокочастотного разряда. / Костюк Г.И., Волошко А.Ю., Гулый С.В., Левченко И.Г., Романов М.С.//Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2005. - вип. 3 (26). - С. 189-197.

9. Ion crrent instability in a crossed field system for plasma immersion treatment. /M. Romanov, I. Levchenko, K. Mstafin, and M. Korobov. // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Харьков, 2003. - вып.39/4. - С. 158-164.

10. Characteristics of a crossed field system with vacm arc plasma sorces. /M. Romanov, O. Baranov, K. Mstafin,I. Levchenko. // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ».- Харьков, 2003. - вып.38/3. - С. 72-78.

11. Модель формирования износостойкого вакуумно-плазменного покрытия на основе расчета структур роста. /Романов М.С., Бучака А.А., Баранов О.О. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов, спец. выпуск «НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ». - Харьков, 2007. - Вып. 2(49) - С. 54-67.

12. Повышение эффективности обработки высокопрочного чугуна на токарных станках с ЧПУ. / Баранов О.О., Горбенко Г.В., Постельник Т.А., Романов М.С. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов, спец. выпуск «НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ». - Харьков. 2007. - Вып. 3(50). - С. 97-100.

13. Использование планарного магнетрона на этапе очистки при осаждении покрытии методом КИБ. / Баранов О.О., Бучака А.А., Романов М.С. // Вісті Академії інженерних наук України. - Київ, 2007. - спец.вип. 3 (33). - С. 21-25.

14. Investigation of a steady-state cylindrical magnetron discharge for plasma immersion treatment. / I. Levchenko., M. Romanov, M. Keidar. // Jornal of Applied Physic.- 2003.- v. 94 № 3. - pp. 1408-1413.

15. Ion crrent distribtion on a sbstrate dring nanostrctre formation. / I. Levchenko, M. Korobov, M. Romanov and M. Keidar // Jornal of Physics D: Applied Physics. - 2004. - №37. - рр. 1690-1695.

16. Stable plasma configrations in a cylindrical magnetron discharge. / I. Levchenko, M. Romanov, M. Keidar, I.I. Beilis. // Applied physics letters. - 2004. - vol. 85. - рр. 2202-2204.

17. Plasma jet interaction with a spherical target in magnetic field. / I. Levchenko, M. Romanov, M. Korobov. // IEEE transactions on plasma science. - 2004. - vol. 32. no. 5, - рр. 2139 - 2143.

18. Crrent-voltage characteristics of a sbstrate in a crossed E?B field system exposed to plasma flx from vacm arc plasma sorces. / I. Levchenko, M. Romanov, M. Korobov. // Srface and coating technology. - 2004. - 184/2-3. - рр. 356-360.

19. Использование планарного магнетрона на этапе очистки при осаждении покрытий методом КИБ: матеріали XVI міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2007)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2007.-11с.

20. Модель формирования износостойкого вакуумно-плазменного покрытия на основе расчета структур роста: матеріали XVI міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2007)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2007.-14с.

21. Движение униполярных дуг в магнитном поле: матеріали XV міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2005)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2005.-24с.

22. Физика возникновения униполярных дуг в плазме высокочастотного разряда: матеріали XV міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2005)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2005.-24с.

23. Plasma immersed treatment with moving plasma pinches: матеріали XV міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2002)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2002.-3с.

24. Technological system with vacm arc plasma sorces: Міжнародна науково-технічна конференція [«інтегровані компютерні технології в машинобудуванні»], (Харків, 25-26 листопада 2003р.)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2003.-7с.

25. Characteristics of a crossed field system with vacm arc plasma sorces: матеріали ХІІ міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2003)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2003.-11с.

26. Система зондовых измерений на базе микроконтроллера семейства AVR: матеріали XIV міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2004)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2004.-10с.

27. Применение вакуумных технологий для повышения ресурса деталей топливной аппаратуры: матеріали X міжнародної конференції [«New leading technologies in machine bilding»], (Kharkov-Rybachie, 3-8 september 2001)/МОН, Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ»-Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім.М.Є.Жуковського «ХАІ», 2001.-57с.

28. Three-dimension srface strctres created by PVD method: srface engineering [«AVS 49th international symposim»], (Denver, Colorado, 3-8 november 2002)/Colorado convention center, 2002.-92р.

29. Modeling film formation in plasma immersed process: 8th international conference on [«plasma srface engineering»], (Garmisch-Partenkirchen, Germany, 9-13 september 2002)/Eropean joint committee on plasma and ion srface engineering: EJC/PISE, 2002-72р.

30. Faced anti-friction PVD film: 8th international conference on [«plasma srface engineering»], (Garmisch-Partenkirchen, Germany, 9-13 september 2002)/Eropean joint committee on plasma and ion srface engineering: EJC/PISE, 2002-45р.

31. Faced PVD film with metallic separator: International symposim [«on discharges and electrical inslation in vacm»], (Tors, France, jne 30-jly 5, 2002)/eit de Tors-France: ISDEIV, 2002.-7р.