автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных характеристик инструмента методом ионной имплантации азота

ВВЕДЕНИЕ

I. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

СВОЙСТВ

1.1. Место ионной имплантации в ряду упрочняющих технологий 7 1.2 Моделирование процессов взаимодействия имплантируемых ионов с обрабатываемыми материалами

1.2.1 Моделирование процесса имплантации

1.2.1.1 Механизмы потери энергии имплантируемыми ионами

1.2.1.2 Ядерное торможение иона в материале

1.2.1.3 Электронное торможение иона в материале

1.2.1.4 Распределение имплантируемых примесей в твердых телах

1.2.2 Радиационно-стимулированная диффузия примеси

1.2.3 Остаточные концентрационные напряжения

1.3. Требования к установкам для ионной имплантации в металлы и сплавы

1.4. Выводы по главе I. Цель и задачи исследования

II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ИОНОВ С ОБРАБАТЫВАЕМЫМИ МАТЕРИАЛАМИ 30 2.1 Модель для расчета пробегов ионов.под действием энергии имплантации

2.1.1 Расчет пробегов ионов методом Монте-Карло

2.1.2 Алгоритм расчета среднего проецированного пробега 35 2.1.3. Методика расчета распределения концентрации внедренных ионов по глубине материала

2.1.4. Расчет пробегов ионов азота для различных фаз инструментальных материалов

2.2 Моделирование распределения радиационных дефектов по глубине поверхностного слоя материала

2.2.1 Расчет среднего количества и распределения элементарных дефектов, создаваемых одним ионом

2.2.2 Методика расчета распределения радиационных дефектов по глубине поверхностного слоя материала

2.3 Моделирование распределения внедренных ионов с учетом радиационно-стимулированной диффузии

2.4. Расчет остаточных концентрационных напряжений

2.4.1. Методика расчета остаточных концентрационных напряжений

2.4.2. Программное обеспечение для расчета остаточных концентрационных напряжений

2.4.3 Результаты расчета остаточных концентрационных напряжений

2.5. Выводы по главе II

III. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Экспериментальное оборудование

3.1.1 Разработка установки для ионной имплантации азота в инструментальные материалы на базе вакуумной установки ВУ-1Б

3.1.2 Устройство и характеристики системы электропитания имплантационной установки

3.1.3 Разработка конструкции датчика ионного тока

3.2 Выводы по главе III

IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ИОНАМИ АЗОТА

4.1. Исследование технологических возможностей установки для ионной имплантации азота в инструментальные материалы

4.2. Выбор технологических режимов имплантации азота в инструментальные стали

4.3. Исследование зависимости микротвердости образцов из стали Р6М5 от технологических режимов имплантации

4.4. Исследование износостойкости торцевых фрез, имплантированных ионами азота

4.5. Выводы по главе IV

Для эффективного изготовления деталей резанием, необходимо обеспечить непрерывное совершенствование применяемых инструментов. Ужесточение требований к структуре и свойствам поверхностных слоев инструмента стимулировало развитие методов ионно-лучевой обработки, применение которых часто оказывается более целесообразным и экономически выгодным по сравнению с традиционными технологиями [7, 11,31].

На сегодняшний день, одним из перспективных направлений поверхностной модификации инструментальных материалов является ионная имплантация, то есть внедрение ускоренных ионов в твердые тела. Анализ литературы [37, 40., 58] показывает, что использование азота в качестве обрабатывающего вещества, . позволяет значительно воздействовать на эксплуатационные характеристики инструмента. Однако, трудность применения метода ионной имплантации для поверхностной модификации инструмента связана с отсутствием серийного специализированного оборудования и методик выбора технологических режимов обработки.

В диссертационной работе решаются следующие задачи:

- разработка комплексной модели модификации поверхностного слоя реального инструментального материала в результате ионной имплантации азота;

- разработка специализированной экспериментальной установки для ионной имплантации азота в инструментальные материалы;

- исследование возможности применения в целях улучшения физико-механических и эксплуатационных характеристик инструмента низкоэнергетической ионной имплантации (энергия ионов до 10 кэВ)

Цель данной работы заключается в создании технологического оснащения и исследовании процесса ионной имплантации азота в инструментальные материалы.

Работа состоит из следующих основных частей: 1) обзора современных методов модификации поверхности инструмента в целях улучшения его эксплуатационных свойств; 2) моделирования процессов взаимодействия ионов с обрабатываемым материалом; 3) методики экспериментальных исследований; 4) экспериментальных исследований характеристик инструментальных материалов, имплантированных ионами азота.

Положениями, выносимыми на защиту, являются:

1) Методики и результаты расчетов распределений примесей, радиационных дефектов и полей остаточных концентрационных напряжений, создаваемых в поверхностном слое инструментального материала ионной имплантацией, с учетом радиационно-стимулированной диффузии;

2) Структура и элементы схем разработанной специализированной установки для ионной имплантации азота в металлы и сплавы с широкими диапазонами регулирования электрических параметров;

3) Результаты экспериментальных исследований физико-механических и эксплуатационных свойств инструментов, имплантированных ионами азота с энергиями до 10 кэВ.

Работа выполнена на кафедре "Физико-химические процессы и технологии" и в лаборатории "Электрофизических и электрохимических методов обработки" им. Ф.В. Седыкина Тульского государственного университета. Автор благодарен всем сотрудникам кафедры и лаборатории за поддержку и полезные замечания при выполнении работы.

I. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ состояния вопроса поверхностной модификации инструментальных сталей методом ионной имплантации азота позволил установить, что:

• в литературе не предложено комплексной модели модификации поверхностного слоя реального инструментального материала,

• промышленностью не выпускаются специализированные установки для имплантации газов в металлы и сплавы.

2. Разработана комплексная методика расчета остаточных концентрационных напряжений в поверхностном слое инструментального материала. При этом произведен отбор и усовершенствование методик расчета: пробегов ионов с учетом химического состава инструментальных сталей, первоначального распределения элементарных радиационных дефектов, диффузии примеси и элементарных дефектов, полей остаточных концентрационных напряжений.

3. Разработано программное обеспечение для расчета полей остаточных концентрационных напряжений, возникающих в результате внедрения ионов азота в инструментальные стали, в зависимости от технологических параметров имплантации.

4. Разработана экспериментальная установка для имплантации азота в инструментальные стали на базе вакуумной установки ВУ-1Б. Разработанная на современной элементной базе система электропитания имплантационной установки обеспечивает функционирование ионного источника и ускорение однозарядных ионов до энергий 50 кэВ. Широкие диапазоны регулирования электрических параметров позволяют проводить исследования с целью

-100оптимизации технологии ионного модифицирования поверхностных свойств металлических материалов.

5. Проведено исследование технологических возможностей разработанной установки для ионной имплантации азота в инструментальные стали.

6. Проведено экспериментальное исследование влияния технологических параметров ионной имплантации азота на микротвердость образцов из стали Р6М5. Получены регрессионные зависимости микротвердости от технологических режимов имплантации.

7. Проведено экспериментальное исследование влияния технологических параметров ионной имплантации азота на износостойкость фрез из стали Р6М5. Получены зависимости характеристик износостойкости фрез от технологических режимов имплантации. Установлено, что износ фрез уменьшается до 1,5 раз.

1. Калачев М.И. Деформационное упрочнение металлов. Мн., Наука и техника, 1980, 256с.

2. Технология термической обработки стали. Учебник для вузов. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. М.: Металлургия, 1986. 424 с.

3. Теория термической обработки. Учебник для вузов. Блантер М.Е. М.: Металлургия, 1984, 328с.

4. Вельский Е.И., Ситкевич М.В., Понкратин Е.И., Стефанович В.А. Химико-термическая обработка инструментальных материалов.-Мн.: Наука и техника, 1986.-247 с.

5. Теория и технология азотирования/ Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г.-И., Бемер 3. М.: Металлургия, 1991, 320с.

6. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.

7. Белый A.B. и др. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев/ A.B. Белый, Г.Д. Карпенко, Н.К. Мышкин. М.: Машиностроение, 1991.-208с.

8. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериша. М.: Мир, 1986. - 488 с.

9. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. -М.: Машиностроение, 1990.-384 с.

10. Оборудование ионной имплантации/ B.Bi Симонов, Л.А. Корнилов,

11. A.B. Шашелев, Е.В. Шокин. М.: Радио и связь, 1988. - 184с.

12. X. Риссел, И. Руге. Ионная имплантация: Пер. с нем. В.В. Климова,

13. B.Н. Пальянова./ Под ред. М.И. Гусевой. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 360с.

14. Кумахов М.А., Комаров Ф.Ф. Энергетические потери и пробеги ионов в твердых телах. Мн.: Изд-во БГУ, 1979.-320с.

15. Sommerfeld А. Rend. Acad. Lincei, 1935, 6,759.

16. Gaspar R.-Acta Phys. Hung., 1952,11,151.

17. TeitzT.-Ann. d. Phys., 1955, 15, 186.

18. Wedephol P. J. Phys., 1968, Bl, 307.

19. Лейман К. Взаимодействие излучения с твердым телом и образование элементарных дефектов: Пер. с англ.-М.: Атомиздат, 1979. 296 с.

20. Белый A.B., Ших С.К.//Трение и износ.-1981. Т.8. С. 330-343.

21. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981.

22. Shepard S.P., Suh N.P.// Trans of ASME. 1982. Vol. 109. P. 32-43.

23. Титов B.B. Роль механических напряжений при легировании материалов с помощью ионных пучков. М.: Препринт ИЛЭ им. И.В. Курчатова, 1983. 48с.

24. Al. Tamimi. Z., Grant W.A.; Cartere G. //Nucí. Instr. Meth. 1983. Vol. 209 -210. P. 363-369.

25. Greggi Y.// Ser. Metall. 1983. Vol. 17. P. 765-768.

26. Баркли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. М.: Машиностроение, 1986, 359с.

27. Dearnaley G. // Mater. Sei and Eng. 1985. Vol. 69. P. 139 -147.

28. Белый A.B., Симонов Л.В., Ших C.K. Применение ионного легирования для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин и оборудования. Минск: БЕЛНИЙТИ, 1985. 44с.

29. Dearnaley G., Minier F.Y., Roletal P.K. Nucl. Instr. and Meth. 1985. B. 178. P. 188-194.

30. Васильева E.B. Влияние имплантации ионов азота и углерода на стойкость подшипниковой стали/ «Физика и химия обработки материалов», N1, 1989.

31. Baumvol I.Y. R., Sautos С.A. In.: Ion Implantation Equipment and Techniques. Berlin. 1983. P 347.

32. Барвелл ФЛ Трение и износ, 1986. Т.7. №5. С. 780-790.

33. Модификация твердых тел с применением лазерных, ионных и электронных пучков/ Под. Ред. Дж. М. Поута, Ж. Фоти, Э.С. Якобсона. М.: Машиностроение, 1987. 424с.

34. Наумович. А.И. Модификация структуры и трибологических свойств приповерхностных слоев титана ионным перемешиванием. Минск, 1986.206с.

35. Белый A.B., Малышев В.Ф., Ших С.К. // Трение и износ. 1988. Т.9. с. 665-671, 1989. Т.10. №1. С. 338-340.

36. Белый A.B., Догодейко В.Г., Макушок Е.М., Миневич A.JI. Прогрессивные методы изготовления металлорежущего инструмента. Минск.: БЕЛНИИТИ, 1989. 56 с.

37. Зеленский В.Ф., Неклюдов И.М., Черняева Т.П. Радиационные дефекты и распухание металлов. Киев: Наукова думка, 1988. - 296 с.

38. Бобровский С.М. Повышение эксплуатационных свойств режущего инструмента методом ионной имплантации. Дис., к.т.н.; 05.03.01 -Тольятти , 1998. 245 с.

39. Криштал М.М. Механизм диффузии в железных сплавах. М.: Металлургия, 1972. - 187 с.

40. Конодеев Ю.В., Коровин Ю.А. Влияние облучения на материалы ядерной техники. Обнинск: Обнинский филиал МИФИ, 1981. - 178 с.

41. Черняева Т.П. Радиационные дефекты и распухание металлов. Киев: Наукова думка, 1988. - 296 с.

42. Бабад-Захряпин A.A., Кузнецов Т.Д. Радиационо-стимулированная химико-термическая обработка. М.: Энергоиздат, 1982. - 94 с.

43. Влияние никоэнергетической имплантации на механические свойства сплавов титана и железа. / В.О. Вальднер, В.П. Квядрас и др.// Физика и химия обработки материалов. 1987. - № 2 -с. 18-24.

44. Никитин A.A., Травина Н.Г. Ионная имплантация металлов и сплавов. // Бюллетень ЦНИИЧ. 1986.-№ 23.

45. Повышение эксплуатационных характеристик сплавов под действием мощных ионных пучков. /А.Д. Погребняк, В.А. Пирогов и др.// Физика и химия обработки материалов. 1987. - № 6. - с. 4-10.

46. Полетика М.Ф., Падков К.Н., Лозинский Ю.Н. Поверхностное ионное легирование режущего инструмента.// Тез. конф. «Прогрессивные технологии процессов изготовления и рациональной эксплуатации режущего инструмента». Харьков: ХПИ, 1979.

47. Структура и свойства железа, облученного ионами кобальта и вольфрама./ А.Е. Кузьмин, А.Д. Лигачев и др. //ФММ. 1986. - Вып. 6, т. 61.-с. 207.

48. Влияние ионной бомбардировки на дислокационную структуру монокристаллов корунда./ Э.Ф. Чайковский., З.Б. Батуричева и др. // Физика и химия обработки материалов. 1984. - № 3. - с. 133- 135.

49. Таран А. А., Батуричева З.Б., Чайковский Э.Ф. Изменение дислокационной структуры в монокристаллах вольфрама, облученных ионами аргона.// Поверхность. 1988. - №2. с. 146-149.

50. Tuheux D., Fauenlly S. Modifications super filme lies par implantation d'ions application a la tribologie // Vide coueches minees. 1987. - V. 42. -# 328.-p. 415-418.

51. Сулима A.M., Шулов B.A. Ионное легирование конструкционных материалов.// Поверхностный слой, точность, эксплуатационные свойства и надежность деталей машин и приборов. М.: МДНТП, 1989. -с. 73 -78.

52. Хирвонен Дж. К. Ионная имплантация. М.: Металлургия, 1985. - 285 с.

53. Ионное облучение инструмента из быстрорежущей стали./ Н.В. Плешивцев, Д.В. Бондарев, П.П. Сидоров, С.Е. Дукачев, Г.Л. Давыдов // СТИН. 1994. - № 6. - с. 21-23.

54. Хает Л.Г. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975.- 168 с.

55. Каминский М.А. Атомные и ионные столкновения на поверхности металлов. М.: Мир, 1967. 506 с.

56. Полетика М.Ф., Весковский О.И., Полещенко К.И. Повышение надежности режущего инструмента ионной имплантацией.// «Повышение эффективности применения твердосплавных инструментальных материалов и пути их экономии». Л.: 1989. - с. 7074.

57. Ионно-лучевая модификация материалов. Аналитический обзор. М.: МЦНТИ, 1987.284 с.

58. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990. 134 с.

59. Пранявичус А., Дудонис Ю. Модификация свойств твердых тел ионными пучками.- Вильнюс: Мокслас, 1980. 191 с.

60. Иолфи Ф.В. Фазовые превращения при облучении. Челябинск: Металлургия, 1989. 312 с.

61. Искандерова З.А., Раджабов Т.Д., Рахимова Г.Р. Формирование упрочненного приповерхностного слоя с выделениями новой фазы на объемных дефектах при ионной имплантации. Поверхность. 1985. - № 10. с. 115-126.

62. Poate J.M., Journ. Vac. Sci. and Tech., 15, 1636 (1978).

63. Хансен M., Андерко К. Структуры двойных сплавов. В 2-х томах. М.: Металлургиздат, 1962.

64. Методы анализа поверхности. Под ред. А. Задерны. М.: Мир, 1979.

65. Townsend P.D., Kelly J.C., Hartley N.E.W. Ion Implantation, Sputtering and Their Application. Academic Press, London, 1976.

66. Лариков Л.Н., Исайчев В.И. // Диффузия в металлах и сплавах: Справочник. Киев: Наукова думка, 1986. 565 с.

67. Константы взаимодействия металлов с газами: Справ, изд. Коган Я.Д., Колачев Б.А., Левинский Ю.В. и др. М.: Металлургия, 1987. - 368 с.

68. Valori R. Popgoshev D., Hubler G.K. Ion Implanting Bearing Surfaces for Corrosion Résistance // J Lubrication Technology Trans of the ASME. 1983. V. 105. p. 534-541.

69. Суворов А.Л. Автоионная микроскопия радиационных дефектов в металлах. М.: Энергоиздат, 1982. 167 с.

70. Климович Б.В., Нелаев B.B. Моделирование радиационных дефектов методом молекулярной динамики.// Физика и химия обработки материалов № 2 1991. с. 34-38.

71. Бойко В.И., Кадлубович Б.Е., Шаманин И.В. Влияние дефектности структуры металлов на профиль расперделения внедренных ионов.// Физика и химия обработки материалов М 3 1991. с. 56-61.

72. Ноздрин В.Ф., Умеренко С.М., Губенко С.И. О механизме упрочнения металлов при сверхглубоком проникновении высокоскоростных частиц.// Физика и химия обработки материалов № 6 1991. с. 73-79.

73. Соловьева А.Е., Диасалидзе Э.М., Марков B.JI. Структурные изменения в поликристаллическом оксиде скандия при ионном облучении.// Физика и химия обработки материалов № 6 1991. с. 80-86.

74. Углов A.A., Константинов С.Г. Численное моделирование тепловых процессов при обработке концентрированными потоками энергии покрытий и состыкованных материалов.// Физика и химия обработки материалов № 3 1995. с. 37-42.

75. Пучкарева Л.Н., Ладыженский О.Б., Дураков В.Г. Исследование особенностей многоэлементной ионной имплантации с использованием композиционных катодов системы .// Физика и химия обработки материалов № 6 1995. с. 32-37.

76. Пучкарева Л.Н., Ерохин Г.П. Ладыженский О.Б. Модификация поверхности металлов многокомпонентными пучками ионов.// Физика и химия обработки материалов № 6 1995. с. 37-49.

77. Костерин K.B. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: адатомные механизмы и возможная роль фононов.// Физика и химия обработки материалов № 3 1995. с. 43-48.

78. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта. М.: Радио и связь, 1985. - 576 е., ил.

79. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2-х т. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.-598 е., ил.

80. Попов А.И. Повышение работоспособности минерало-керамических режущих пластин путем ионной модификации их трущихся поверхностей. Дис., к.т.н.; 05.03.01 С.-Пб., 1996. - 233 с.

81. McCenna С.М. Farady Cup Design for Ion Implantation.//Springer Sériés in Electrophysics. № 10. Ion Implantation techniques. Berlin: SpringerVerlag, 1982. - P. 73-103.

82. McCenna C.M. High Current Dosimetry Techniques// Radiation Effects. -1979.-Vol. 44.-P. 47.

83. Иванников B.A. Разработка процесса плазменного напыления покрытий на внутренние поверхности деталей машин, дисс. к.т.н. Воронеж, 2000. -157с., ил.

84. Парфенов В.Д. Повышение эффективности процессов резания совершенствованием условий получения и эксплуатации инструмента с покрытиями: дисс. к.т.н. Тюмень, 2000. 184 е., ил.

85. Смирнов М.Ю. Повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования конструкций износостойких покрытий: дисс. к.т.н. Ульяновск, 2000. 232 е., ил.

86. Стариков A.B. Повышение работоспособности инструмента из быстрорежущей стали с предварительным упрочнением на основе исследования эволюции субструктуры его контактных поверхностей: дисс. к.т.н. Иваново, 1999. - 168 е., ил.-109

87. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. М.: Машиностроение, 1987. - 304 с.

88. Тушинский Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. Новосибирск: Наука, 1990. 306 с.

89. Ким В.А. Повышение эффективности упрочняющих технологий за счет резервов структурной приспосабливаемости режущего инструмента: дисс. д.т.н. Благовещенск, 1994. - 441 с.

90. Табаков В.П. Повышение эффективности режущего инструмента путем направленного изменения параметров структуры и свойств материала износостойкого покрытия: дисс. д.т.н. Ульяновск, 1995. - 532 с.

91. Бельский С.Е., Тофпенец Р.Л. Структурные факторы эксплуатационной стойкости инструмента. Минск: Наука и техника, 1984. - 128 с.

92. Геринг Г.П., Калистратова Н.П., Полещенко К.Н., Овчар З.Н. //Современная электротехнология в машиностроении.: Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции. Тула: ТулГУ. 1997. с. 221-223.- 110

93. ПРЙЛОЖЕНИЕ 1. Принципиальная электрическая схема источника питания плазмотрона.