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

"С о

На правах рукописи

БОБРОВСКИЙ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико - технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск - 1998

Работа выполнена на кафедре «Резание, станки и инструменты» Тольят-тинского политехнического института

Научные руководители - Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор

РЕЗНИКОВ А.Н. Кандидат физико-математических наук РЕЗНИКОВА Н.П.

Официальные оппоненты - Доктор технических наук, профессор

ПОЛЯНСКОВ Ю.В. Кандидат технических наук ШИРМАНОВ Н.А.

Ведущее предприятие - Управление лабораторно-исследовательских работ АО «АвтоВАЗ» (г.Тольятги).

Защита диссертации состоится 1 декабря 1998г. в 14.00 на заседании диссертационного совета К 064.21.02 в Первом корпусе Ульяновского государственного технического университета по адресу: г.Ульяновск, ул.Энгельса, 3 (почтовый адрес:432700, ГСП, г.Ульяновск, Северный Венец, 32).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УлГТУ.

Автореферат разослан 7» октября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., профессор

В.Ф.Гурьянихин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Повышение работоспособности режущего инструмента является важной задачей металлообработки, связанной с повышением производительности технологических операций и точности изделий. Одним из наиболее эффективных методов повышения работоспособности инструмента путем изменения свойств поверхностных слоев его контактных площадок является ионная имплантация.

Препятствием для широкого применения ионной имплантации в машиностроении служит ряд нерешенных вопросов, связанных с физической сущностью этого процесса и технологией его реализации: практически не изучены явления, происходящие при имплантации в твердосплавный режущий инструмент ионов инертных газов в плазме тлеющего разряда; не вскрыты особенности физических процессов, происходящих в материале инструмента при имплантации; не разработаны научно обоснованные рекомендации по конструкциям установок и режимам имплантации.

В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной изучению физических основ и оптимизации параметров технологического процесса ионной имплантации с целью повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента, является актуальной.

Целью работы является повышение стойкости режущего инструмента путем имплантации в его контактные поверхности ионов инертных газов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Разработаны математические модели, позволяющие оценить влияние режимов имплантации на глубину залегания и изменение концентрации примесных имплантированных атомов, вакансий и собственных межузельных атомов, на глубину залегания и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое имплантированного инструмента, на температурное поле в режущей пластине при имплантации.

2. Разработаны и реализованы оборудование и технологический процесс ионной имплантации инструмента.

3. Исследовано влияние ионной имплантации на механические свойства и работоспособность режущего инструмента.

4. Выявлены эффективные режимы имплантации инструмента.

5. Разработаны практические рекомендации по технологии имплантации режущего инструмента и использованию этой технологии в производстве.

Методика исследования. Теоретические исследования проводили путем анализа общих закономерностей процессов радиационно-стимулированной диффузии применительно к инструментальным материалам с использованием

аналитических и численных методов расчета температур и напряжений при ионной имплантации. Экспериментальные исследования выполняли по общепринятым и специально разработанным методикам.

Научная новизна.

1. Получены математические зависимости, позволяющие оценить:

• глубину залегания и изменение концентрации примесных имплантированных атомов, вакансий и собственных межузельных атомов;

• глубину залегания и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое имплантированного инструмента.

2. Разработана математическая модель температурного поля в режущей пластине при имплантации.

3. Выявлены закономерности влияния процесса ионной имплантации на механические свойства поверхностного слоя и работоспособность режущего инструмента.

4. Предложен механизм повышения режущих свойств твердосплавного инструмента в результате имплантации в его поверхностные слои ионов инертных газов, в частности, гелия, основанный на упрочнении инструмента и термодесорбции ионов гелия из его контактных поверхностей в процессе резания.

Автор защищает: 1. Математические модели, полученные на основе анализа процессов радиационно-стимулированной диффузии, описывающие распределение концентрации точечных дефектов различного типа по глубине поверхностного слоя имплантированного инструмента.

2. Математические модели и типичную картину распределения напряжений в поверхностном слое имплантированного инструмента.

3. Предложения по модернизации серийно выпускаемых установок с целью проведения на них ионной имплантации режущего инструмента.

4. Методику определения оптимальных параметров процесса имплантации и элементов режима резания, основанную на экономических соображениях.

Практическая ценность и промышленная реализация результатов работы. Разработаны предложения по модернизации оборудования и изготовления оснастки для ионной имплантации режущего инструмента. Разработаны методика определения оптимальных параметров процесса имплантации и практические рекомендации по технологии ионной имплантации режущего инструмента.

Основные теоретические положения диссертации сформулированы в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы "Разработка теоретических основ и исследование физики процесса модификации поверхностных слоев конструкционных и инструментальных материалов при облучении заряженными частицами", а также выполненной по заказу АО "АвтоВАЗ" научно-

исследовательской работы "Теоретико-экспериментальное исследование и разработка рекомендаций по применению метода ионной имплантации поверхностных слоев деталей автомобиля, как средства повышения их эксплуатационных характеристик". Проведены работы по теме "Интенсификация процесса резания конструкционных и нержавеющих сталей путем ионного легирования инструментальных материалов", результаты внедрены на АО "Азотреммаш" - крупном отраслевом предприятии химического машиностроения. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Резание, станки и инструменты» Толь-яттинского политехнического института.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены на международной научно-технической конференции (НТК) "Технология-96", Новгород, 1996; IX Российской НТК "Теплофизика технологических процессов", Рыбинск, 1996; юбилейной НТК, Тольятти, 1997 и других конференциях, на объединенных заседаниях технологических кафедр Тольяттинского политехнического института, 1996,1998.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций по работе, списка литературы (160 наименований) и приложений, включает 113 страниц машинописного текста, 1 таблицу и 49 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Дана характеристика ионной имплантации как одного из способов повышения эксплуатационных свойств

режущего инструмента.

В первой главе представлен анализ современных методов повышения износостойкости контактных поверхностей режущих инструментов.

Рассмотрены условия работы режущего инструмента, которые способствуют образованию и развитию различных видов износа. Управление процессом износа может повысить эксплуатационные характеристики инструмента. Этим вопросам посвящен целый ряд работ отечественных и зарубежных исследователей - А.В.Верещаки, Н.Н.Зорева, В.П.Табакова, Ю.Г.Кабалдина, Т.Н.Лоладзе, М.Ф.Полетики, А.М.Розенберга, Дж. Хирвонена, Н.Хартли и др. Рассмотрены основные направления повышения износостойкости инструментальных материалов: создание и применение новых инструментальных материалов; улучшение физико - механических свойств существующих инструментальных материалов; совершенствование и разработка технологических процессов их изготовления; нанесение износостойких покрытий и поверхност-

ное упрочнение инструмента. Одним из прогрессивных путей является изменение свойств контактных поверхностей инструмента.

Методы воздействия на контактные поверхности инструмента подразделяют на две основные группы: методы защиты поверхностей тонким слоем материалов с особыми свойствами (метод покрытий) и методы насыщения поверхностных слоев различными элементами.

При сравнении различных методов второй группы сделан вывод о том, что широкими возможностями для модификации свойств и эксплуатационных характеристик режущего инструмента обладает обработка ионами с энергиями выше пороговых - так называемая ионная имплантация. Рассмотрены несколько разновидностей метода имплантации, в частности метод прямой имплантации и метод имплантации атомов отдачи. Наибольшее распространение получил метод прямой имплантации.

Рядом авторов отмечено, что при ионной имплантации наблюдается повышение микротвердости и упрочнение поверхности. Рассмотрены работы, посвященные модификации трибологических характеристик материалов после имплантации. В этих работах определялось влияние имплантации на коэффициент трения, твердость и износостойкость, коррозионную стойкость. Несмотря на разнородность условий и методики исследований, видно, что имплантация повышает износостойкость различных пар трения, влияет на интенсивность износа, в частности адгезионного.

Отмечено, что еще не выработаны единые рекомендации по выбору параметров имплантации металлорежущего инструмента, что обуславливает необходимость дальнейших исследований в этом направлении. Практически отсутствуют работы по имплантации режущего инструмента ионами инертных газов.

Недостаток научной информации в данной области не позволяет в полной мере использовать преимущества ионной имплантации для повышения эффективности обработки резанием. Необходимо решить комплексную задачу - на основе результатов научных исследований создать установку для ионной имплантации и разработать рекомендации по выбору режимных параметров.

В заключение сформулированы цель и задачи исследования, приведенные выше.

Во второй главе рассмотрены физические основы процесса имплантации в режущий инструмент ионов инертных газов, разработаны математические модели влияния ионной имплантации на распределение концентраций примесных имплантированных атомов, вакансий и собственных межузельных атомов, на глубину распространения и знак остаточных напряжений в поверхностном слое, на температурное поле в режущей пластине при имплантации.

Исследовано распределение имплантированных элементов и точечных дефектов в поверхностном слое материала. Отмечено, что в процессе ионной имплантации происходят изменения состава поверхностных слоев материала

вследствие торможения имплантируемых ионов. Дальнейшее проникновение частиц в материал идет за счет радиационно-стимулированной диффузии.

Процессы накопления и перераспределения в материале атомов имплантируемых элементов описываются дифференциальным уравнением диффузии. В результате его решения при заданных начальных и граничных условиях получена обобщенная зависимость изменения концентрации С имплантированного элемента от времени I и от глубины ъ поверхностного слоя:

со О. [Ш г2 г ,1Л

С(г-»=ехр(-5Б7} - "^т*'

где П -атомный объем; ср- поток ионов на единицу поверхности за единицу времени (плотность потока), Б - коэффициент диффузии.

Зависимость (1) описывает распределение имплантированных элементов в однокомпонентной матрице. Получены зависимости для описания распределения имплантированных элементов в матрицах сложного состава, какими являются твердые сплавы, а также для описания распределения концентрации собственных межузелышх атомов и вакансий. Разработаны программы соответствующих расчетов на ЭВМ. Результаты расчетов показаны на рис. 1.

а) б)

Рис.1. Влияние режимов имплантации на концентрацию примесных атомов (1, 4), вакансий (2, 5) и собственных межузельных атомов (3, 6) при температуре имплантации 600 °С (а) и 700 °С (б): имплантация Со ионами Не; 1, 2, 3 — ти = 0,5 ч; 4, 5, 6 —ти = 2ч

Расчеты показали, что диффузионные зоны простираются на глубину порядка 200-500 мкм и более, что свидетельствует о возможной технологической

применимости имплантированного режущего инструмента с подобными глубинами измененного слоя.

Рассмотрено распределение температур и напряжений, возникающих при ионной имплантации в контактных слоях режущего клина, с целью определения изменений, которые вносит этот процесс в физико - механические свойства поверхностных слоев инструментального материала.

Получены зависимости, разработаны программы и выполнен расчет остаточных напряжений в режущем инструменте при ионной имплантации. Построены суммарные поля напряжений, возникающих под действием ионов имплантируемых газов, вакансий и собственных межузельных атомов (СМА). Результаты расчетов приведены на рис.2. В слое глубиной порядка 1(Я мкм, когда концентрация примесных атомов превалирует над концентрациями точечных дефектов, суммарные напряжения оказываются сжимающими. На глубине от 1(Я до 10^ мкм в слое, пересыщенном вакансиями, напряжения меняют знак и становятся растягивающими. В более глубоких слоях, где концентрации примесных атомов и вакансий меньше концентрации СМА, напряжения вновь переходят в сжимающие.

ю

10

Д 10"

1-1

'1

10 икм 10

10 мкм 10

а) б)

Рис.2. Суммарные поля напряжений во время имплантации: условия имплантации см. в подписи к рис.1; 1,2 — соответственно ти = 0,5; 2 ч

Получены зависимости для расчета температурного поля при имплантации. По результатам расчетов сделан вывод, что процесс имплантации целесообразно вести при технологическом режиме, поддерживающем постоянную температуру, а не постоянную плотность теплового потока. Это облегчает контроль за термическим режимом и создает более равномерное распределение температур в имплантируемом инструменте. С помощью численных методов изучено влияние формы и размеров режущей пластины на температуры при имплантации.

В третьей главе приведена методика экспериментальных исследований процесса ионной имплантации режущего инструмента.------------------------------------------

Приведены основные требования к модернизация оборудования и изготовлению оснастки для ионной имплантации инструмента. Изложена методика подготовки и проведения ионной имплантации режущего инструмента. Имплантировали пластины из твердых сплавов Т15К6, ВК8, Т5К10. Твердосплавные пластины Т15К6 имплантировали ионами Не+, Аг+, а также смесью гелия и водорода; пластины ВК8 имплантировали ионами Не+; пластины Т5К10 имплантировали ионами гелия, аргона, а также смесью гелия с водородом.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований влияния процесса имплантации на эксплуатационные свойства режущего инструмента.

Приведены данные о результатах измерения микротвердости имплантированного инструмента (рис.3). Видно, что глубина упрочненной зоны составляет до 180 мкм и возрастает с увеличением температуры имплантации. Полученные экспериментально величины глубины упрочненного слоя согласуются с результатами теоретических расчетов.

Рис.3. Изменение микротвердости Н по глубине Ъ режущей пластины Т5К10, имплантированной ионами гелия при различной температуре имплантации: ти=0,5 ч; 1,2,3,4 - соответственно 0И= 600; 700; 800; 900 °С

Стойкостные испытания имплантированных пластин проводили при точении заготовок из нержавеющей стали 12X18Н9Т. В качестве режущего инструмента использовали резцы сборные с механическим креплением четырехгранных сменных пластин при ср, ф,= 45°, у = -8°, а = 8°. Определяли коэффициент стойкости К по отношению к периоду стойкости неимплантированного инструмента (рис.4).

Результаты испытаний пластин Т15К6, имплантированных ионами гелия, показали повышение стойкости пластин (К = 2 - 3,5).

Результаты стойкостных испытаний пластин ВК8 свидетельствуют о большой чувствительности этого сплава к режимам имплантации. Область оптимальных температур имплантации лежит в интервале 800 - 900 °С. Наиболее стабильный процесс с максимальным эффектом роста стойкости К ~ 4...5 и оптимальной температурой имплантации 900 °С получен при времени имплантации 5 часов. Но производительность самого процесса имплантации в этом случае низка. Сокращение времени имплантации до 2,5 часов дает меньшее повышение стойкости (К = 2...3,5), но повышает производительность процесса имплантации вдвое.

Результаты стойкостных испытаний пластин Т5К10 на большинстве применявшихся режимов имплантации показали повышение стойкости (К=1,5 -3,5). Для всех материалов увеличение температуры имплантации свыше 1000 °С отрицательно сказывалось на стойкости инструмента.

Исследован характер износа пластин, прошедших имплантацию. Износ равномерный, нет выкрашивания и вырывания материала пластин. Это связано, с одной стороны, с радиационным упрочнением поверхностных слоев пластины, с другой стороны, с механизмом термодесорбции гелия на контактных поверхностях инструмента. Поступая из нагретых контактных поверхностей непосредственно в зону контакта, гелий препятствует адгезионному схватыванию трущейся пары и, тем самым, перегреву кромки, размягчению кобальтовой матрицы, выкрашиванию карбидных частиц. Кроме того, десорбирующий гелий изменяет характер трения на контактных поверхностях.

Обобщение результатов экспериментов показало, что, поскольку стойкость пластин существенно зависит от режимов имплантации, необходимо решить задачу оптимизации этих режимов.

В пятой главе даны результаты производственных испытаний имплантированного инструмента, а также приведена методика экономической оценки оптимальных условий процесса имплантации.

Преимущества, обеспечиваемые имплантацией, могут быть использованы в двух направлениях. Можно, не меняя режим резания, добиться снижения себестоимости за счет уменьшения расхода режущего инструмента. Или, ориентируясь на поддержание стойкости, повысить скорость резания и за счет этого повысить производительность труда и снизить себестоимость операции.

Для экономической оценки параметров процесса имплантации рассмотрено их влияние на себестоимость операции

г„ .. , , Тт[аНт.1рХЕг+УГ+М)] ________________

------- -----С---Л!г0 у: Я ' К~>

Ч

где Е, - минутная зарплата станочника; т0 - основное время; Ти - стойкость одной грани имплантированного инструмента; / - число граней; Тмаш - время обработки 1 шт. изделия на данной операции; 0 - стоимость инструмента; р - количество одновременно имплантируемых пластин; ти - время имплантации партии пластин; Е2 - зарплата оператора установки имплантации; W - расход электроэнергии в минуту на установке по имплантации; М - стоимость минутного расхода газа, идущего на имплантацию; г\" - коэффициент случайной убыли для имплантированного инструмента.

Получена зависимость для коэффициента р, характеризующего влияние параметров имплантации на величину расходов на инструмент в структуре себестоимости операции:

„ [е+(г./р)(д2+у+м)1 ту т

б 'ту

где Т - стойкость одной грани неимплантированного инструмента; т|' - коэффициент случайной убыли для неимплантированного инструмента.

Видно, что на экономическую эффективность процесса имплантации влияют: время имплантации т„; количество одновременно имплантируемых пластин р; другие расходы, связанные с установкой, стоимостью газа и т.д. Пример результатов расчета величины р приведен на рис.4. Зависимость Р(тн) имеет минимум, что позволяет оптимизировать время имплантации ти. Аналогично с помощью коэффициента Р может быть оптимизировано количество одновременно имплантируемых пластин р и другие параметры этого процесса.

Отмечено, что имплантация становится экономически выгодной с точки зрения расходов на инструмент (Р<1), начиная с определенных значений количества одновременно имплантируемых пластин р. Это позволяет выделить в каждом случае некоторую область значений р, снизу ограниченную условием Р(р) < 1, а сверху соображениями незначительного уменьшения р(р) с ростом р, и получить исходные данные для проектировании технологической оснастки и самого процесса имплантации пластин.

Другое направление состоит в определении параметров подготовки и эксплуатации инструмента, обеспечивающих повышение производительности операции при сохранении оптимальной стойкости.

Введен коэффициент относительного изменения стойкости инструмента ц =Т/Г. Получено выражение (4) для значения ц, при котором операция имеет минимум себестоимости:

Рис.4 Зависимость коэффициента повышения стойкости К и величины коэффициента изменения расходов на инструмент (3 от времени имплантации ти : Т5К10; 0И=9ОО°С; имплантация Не; 1 — К(ти); 2, 3, 4 — Р(ти), соответственно для р=5, 10, 50 шт.

„ _т ш

щ 1 — т О, Т] где т и т/ - показатели степени в зависимости "Т-У' соответственно для обычного и имплантированного инструмента; <3, - суммарные затраты на имплантированный инструмент.

Рассмотрен коэффициент повышения производительности операции 5 при переходе от неимплантированного к имплантированному инструменту

ВТт

где В и В, - постоянные, зависящие от режимов резания. Таким образом коэффициенты Р, ц и 5 характеризуют, соответственно, снижение расходов на инструмент, желательное повышение стойкости для сохранения минимума себестоимости и повышение производительности операции.

Были проведены производственные испытания имплантированного инструмента в механосборочном производстве АО"АвтоВАЗ" на расточных, кана-вочных и проходных пластинах, применяемых в технологическом процессе изготовления втулки системы снижения токсичности автомобиля ВАЗ, а также на пластинах, применяемых в технологическом процессе изготовления коленчатого вала на операции фрезерования.

Из результатов испытаний следует, что для расточных пластин средняя стойкость по сравнению с контрольными увеличилась в 2,57 раза; канавочных имплантированных пластин - в 1,58 раза. Обработка методом ионной имплантации пластин, используемых при фрезеровании, позволила повысить их износостойкость в 1,2...3,0 раза. Производственные испытания подтвердили результаты лабораторных исследований в отношении особенностей износа имплантированных пластин.

В приложении приведены тексты программ для расчета и обработки экспериментальных данных, исходные данные и примеры расчетов, акт производственных испытаний, расчет экономической эффективности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В результате теоретических исследований физических основ процесса ионной имплантации установлено, что при постоянной температуре имплантации увеличение времени имплантации ведет к увеличению глубины диффузионной зоны. Концентрация имплантированных ионов на поверхности инструмента при этом возрастает на 30-40 %. Увеличение температуры с 600 °С до 900 °С ведет к увеличению глубины диффузионного слоя до 9-10 раз, однако при этом уровень концентрации имплантированных ионов снижается на 40-50 %.

Распределение имплантированных ионов для карбидов характеризуется меньшими величинами глубины диффузионного проникновения атомов по сравнению с имплантацией в кобальте (до 60-70 раз) и в десятки раз большей концентрацией ионов на поверхности.

Концентрация собственных межузельных атомов очень мала и составляет величину порядка 10"1 -10"8. Вакансии по сравнению с собственными межузель-ными атомами распространяются на меньшую глубину при большей величине концентрации (примерно в 100 и более раз). Характер полученных зависимостей от температуры и времени имплантации для вакансий аналогичен зависимостям для ионов.

2. Анализ разработанных математических моделей, позволяющих прогнозировать глубину распространения и знак остаточных напряжений в поверхностном слое в зависимости от времени и температуры имплантации, показал, что картина напряжений соответствует распределению концентраций ионов. В слое, лежащем непосредственно у поверхности, суммарные напряжения являются сжимающими. В более глубоких слоях напряжения меняют знак и становятся растягивающими и постепенно уменьшаются до нуля.

Величина и характер расположения полей напряжений существенно зависят от температуры и времени имплантации, а также от вида имплантируемых ионов. Глубина слоя сжимающих напряжений пропорциональна глубине концентрации примесных атомов.

3. На основании анализа температурного поля в режущей пластине при имплантации установлено, что процесс имплантации целесообразно вести при технологическом режиме, поддерживающем постоянную температуру на поверхности, а не постоянную плотность теплового потока. Это облегчает контроль за термическим режимом имплантации и обеспечивает более равномерное распределение температуры в имплантируемом инструменте.

4. Имплантацию можно выполнять на модернизированных серийно выпускаемых установках для нанесения покрытий в вакууме, причем при модернизации должны быть соблюдены следующие основные требования:

• возможность размещения и быстрой переналадки внутри вакуумной камеры оснастки для базирования имплантируемых пластин;

• возможность создания и поддержания с помощью вакуумной системы необходимого рабочего давления в камере;

• возможность подачи в камеру плазмообразующего газа или смеси газов в определенной пропорции;

• возможность регулирования величины разности потенциалов на электродах и силы тока, подаваемого в рабочую зону в процессе имплантации, а также управления и контроля технологического цикла процесса ионной имплантации режущего инструмента;

• оснащение установки системами блокировки при нарушениях в режиме работы и отказе отдельных узлов.

5. Исследования показали, что время и температура имплантации оказывают существенное влияние на микротвердость имплантированного инструмента.

Для сплава Т5К10 с ростом температуры имплантации от 600 °С до 900 °С глубина упрочненного слоя возрастает примерно от 80 до 180 мкм, при этом прирост микротвердости уменьшается в 2 и более раза. При увеличении времени имплантации наблюдается увеличение глубины упрочненного слоя и уменьшение прироста микротвердости примерно на 15 - 50 %.

Для сплава Т15К6 рост температуры от 700 °С до 900 °С приводит к увеличению глубины упрочненного слоя примерно от 120 до 170 мкм, при этом прирост микротвердости уменьшается в 2 раза и более.

6. Экспериментальные исследования влияния параметров имплантации на работоспособность инструмента позволили установить целесообразные диапазоны значений этих параметров.

Для сплава Т15К6 при имплантации гелия диапазон температур 800 - 900 °С , диапазон времени имплантации 1 - 2 ч, наибольший коэффициент повышения стойкости К = 2 - 3,5 при времени имплантации около 2 ч.

Для сплава ВК8 диапазон температур имплантации 850-900 °С, время имплантации 2,5-5 ч, максимальный коэффициент стойкости К = 2 - 3,5.

Для сплава Т5К10 при имплантации гелия, диапазон температур имплантации 800 - 900 °С, время имплантации - 0,5 - 1 ч (К=1,5 - 3,5).

7. Термодесорбция вносит существенный вклад в повышение работоспособности инструмента за счет:

• изменения характера трения в зоне непосредственного контакта инструмента с обрабатываемым материалом;

• снижения интенсивности процесса адгезионного схватывания стружки с инструментом в зоне контакта.

8. Целесообразные технологические параметры операции имплантации -температуру, время имплантации, количество одновременно имплантируемых пластин - следует определять, обеспечивая минимум себестоимости операции при работе имплантированным инструментом. При этом возможны два направления решения задачи о применении имплантированных инструментов. При первом направлении параметры процесса имплантации устанавливают, исходя из необходимости повысить стойкость инструмента при постоянных режимах резания. Второе направление состоит в определении параметров подготовки и эксплуатации инструмента, обеспечивающих повышение производительности операции при сохранении оптимальной стойкости.

9. Результаты производственных испытаний свидетельствуют о повышении стойкости инструментов в 1,5 и более раз по сравнению со стойкостью неим-плантированного инструмента.

10. Результаты исследований внедрены на АО "Азотреммаш" (г.Тольятти), а также в учебный процесс кафедры «Резание, станки и инструменты» Тольят-тинского политехнического института.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Резников А.Н., Бобровский С.М. Оценка оптимальных параметров процесса имплантации режущего инструмента ионами инертных газов // Инстру-ментообеспечение и современные технологии в технике: Сб. науч. трудов. -Краснодар: Сев.-Кавказ, отдел. Академии проблем качества РФ, ДГТУ, 1997. -С. 57-60.

2. Резникова Н.П., Бобровский С.М. Теплофизика процесса ионной имплантации и резания имплантированным инструментом // Теплофизика технологических процессов: Тезисы докладов IX Российской научно-технической конференции . - Рыбинск: РГАТА, 1996. - ч.1. - С. 49-50.

3. Резникова Н.П., Бобровский С.М. Теоретические и экспериментальные исследования процесса ионной имплантации режущего инструмента // Научные труды Международной конференции "Технология-96". - Новгород: НвГУ, 1996. - С. 146.

4. Резникова Н.П., Бобровский С.М. Исследование теплофизики процесса ионной имплантации режущего инструмента // Юбилейная научно-техническая конференция: Тезисы докладов. - Тольятти: ТолПИ, 1997. - С. 69-70.

5. Резникова Н.П., Бобровский С.М. Повышение эксплуатационных свойств режущего инструмента методом ионной имплантации // Современная

электротехнология в машиностроении: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Тула: ТулГУ, 1997. - С. 67-68.

6. Бобровский С.М., Заславский И.Я. Повышение стойкости осевого инструмента из быстрорежущих сталей методом ионной имплантации // Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Тезисы докладов межреспубликанской научно-технической конференции. - Волгоград: Дом науки и техники, 1989. - С. 168-169.

7. Бобровский С.М. Напряженное состояние поверхностного слоя режущего инструмента при ионной имплантации // Прогрессивная техника и технология машиностроения, приборостроения и сварочного производства: Сб. научн. трудов Международной научно-технической конференции. - Киев: НТУУ, 1998. -Т.1.-С. 339-342.

Тольяттинский политехнический институт

На правах рукописи

БОБРОВСКИМ Сергей Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико - технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

д.т.н., профессор А.Н.РЕЗНИКОВ к.ф.-м.н. Н.П.РЕЗНИКОВА

Тольятти - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ , 5

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ 9

1.1. Методы изменения свойств контактных поверхностей

режущего инструмента 10

1.1.1. Метод покрытий 12

1.1.2. Методы насыщения поверхностных слоев различными элементами 18

1.2. Методы воздействия потоками частиц 19

1.3. Метод ионной имплантации (ИИ) 22

1.3.1. Преимущества и недостатки метода ионной имплантации 26

1.3.2. Механизмы упрочнения поверхности материалов при

ионной имплантации 30

1.3.3. Влияние ионной имплантации на трибологические характеристики поверхности 32

1.3.4. Влияние ионной имплантации на повышение

коррозионной стойкости 34

1.3.5. Влияние ионной имплантации на повышение эксплуатационных свойств инструмента 35

1.4. Выводы. Цель и задачи исследований 37

2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР И НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЖУЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ 41

2.1. Распределение имплантированных элементов и точечных

дефектов в поверхностном слое материала 41

2.1.1. Определение коэффициентов диффузии для атомов гелия и аргона 47

2.1.1. Расчет распределения имплантированных элементов 49

2.1.2. Распределение собственных межузельных атомов и вакансий 67

2.2. Расчет концентрационных напряжений в режущем

инструменте при ионной имплантации 70

2.3. Температурное поле в процессе имплантации 82

2.3.1. Расчет температур при имплантации 82

2.3.2. Расчет температур при имплантации с учетом формы и

размеров режущей пластины 94

2.3.3. Термоупругие напряжения при имплантации 97

2.4. Выводы 99

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 104

3.1. Оборудование для ионной имплантации режущего инструмента 104

3.1.1. Установка для ионной имплантации 104

3.1.2. Оснастка для ионной имплантации режущего инструмента 106

3.2. Режущие инструменты, подвергавшиеся имплантации 108

3.3. Методика сортировки пластин 109

3.4. Подготовка и проведение процесса имплантации пластин 110

3.4.1. Методика и проведение процесса имплантации 110

3.4.2. Режимы имплантации режущего инструмента 111

3.5. Методика стойкостных испытаний имплантированных пластин 112

3.6. Методика обработки экспериментальных данных 114

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИМПЛАНТАЦИИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА 116

4.1. Исследование микротвердости имплантированных пластин 116

4.2. Стойкостные испытания имплантированных пластин 121

4.2.1. Пластины Т15К6 122

4.2.2. Пластины ВК8 126

4.2.3. Пластины Т5К10 126

4.3. Выводы 136

5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА 138

5.1. Производственные испытания имплантированных пластин 138

5.1.1. Производственные испытания токарных

имплантированных пластин 138

5.1.2. Производственные испытания имплантированных

пластин на операции фрезерования 142

5.2. Экономическая оценка и расчет рекомендуемых параметров операции имплантации 145

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 157

ЛИТЕРАТУРА 161

ПРИЛОЖЕНИЯ 176

ВВЕДЕНИЕ

Повышение работоспособности режущего инструмента является важной задачей металлообработки, связанной с повышением производительности операций и точности изделий. Применение высокопроизводительного, износостойкого и экономичного режущего инструмента является одним из определяющих условий надежной и производительной работы современного автоматизированного машиностроительного производства.

Существует ряд способов повышения эксплуатационных свойств режущего инструмента. Среди них - создание новых инструментальных материалов, разработка новых рецептур смазочных и охлаждающих сред, нанесение износостойких покрытий и др. В последние годы получил развитие способ изменения прочностных и трибологических характеристик изнашивающихся поверхностей путем имплантации в них ионов различных элементов (ионная имплантация).

Этот способ обладает определенной универсальностью, поскольку в зависимости от вида имплантируемых в материал ионов, их энергии и дозы облучения могут быть получены различные эффекты: повышение пластичности инструментального материала или ее снижение; изменение напряженного состояния приповерхностных слоев; создание в этих слоях химических соединений, не свойственных исходной матрице; насыщение поверхностных слоев элементами, не вступившими в химическую реакцию с материалом матрицы, но влияющими на ее поведение в процессе эксплуатации, и т.д.

Ионная имплантация обладает рядом определенных преимуществ по сравнению с традиционными способами повышения эксплуатационных характеристик инструмента. При ионном облучении может быть получено повышение твердости поверхностных слоев режущего инструмента при сохранении исходной твердости сердцевины. Ионная имплантация изменяет

характер трения на контактных поверхностях инструмента, в том числе за счет десорбции из поверхностных слоев элементов или соединений, предварительно имплантированных в материал. При ионной имплантации невозможно отслаивание измененного поверхностного слоя, как это иногда случается при нанесении износостойких покрытий.

Широкое использование в промышленности метода ионной имплантации тормозится недостаточной изученностью физики процессов, происходящих в материале при ионной имплантации, после ее окончания и в ходе эксплуатации режущего инструмента. Между тем оптимизация таких параметров процесса ионной имплантации, как вид имплантируемого элемента (металл, инертный газ и т. п.), масса иона, его энергия, температура и продолжительность имплантации, возможна только на основе физических и технологических исследований.

Приведенные в диссертации материалы представляют собой результат исследования физики процесса ионной имплантации режущего инструмента, механизмов образования имплантированного слоя, механизмов образования остаточных напряжений, технологии процесса имплантации, влияния ионной имплантации на работоспособность инструмента.

Научная новизна работы состоит в разработке вопросов теории и технологии процесса ионной имплантации, обеспечивающих повышение стойкости твердосплавного режущего инструмента. В диссертации:

1. Получены математические зависимости, позволяющие оценить:

• глубину залегания и изменение концентрации примесных имплантированных атомов, вакансий и собственных межузельных атомов;

• глубину залегания и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое имплантированного инструмента.

2. Разработана математическая модель температурного поля в режущей пластине при имплантации.

3. Выявлены закономерности влияния процесса ионной имплантации на

механические свойства поверхностного слоя и работоспособность режущего инструмента.

4. Предложен механизм повышения режущих свойств твердосплавного инструмента в результате имплантации в его поверхностные слои ионов инертных газов, в частности, гелия, основанный на упрочнении инструмента и термодесорбции ионов гелия из его контактных поверхностей в процессе резания.

Работа состоит из 5 глав:

• современные методы повышения износостойкости контактных поверхностей режущих инструментов;

• теоретические исследования распределения температур и напряжений в режущем инструменте при ионной имплантации;

• методики экспериментальных исследований;

• результаты экспериментального исследования влияния процесса имплантации на работоспособность режущего инструмента;

• результаты производственных испытаний и экономическая оценка оптимальных характеристик операции имплантации.

Работа завершается общими выводами и рекомендациями.

Работа выполнена в лаборатории ионной имплантации кафедры "Резание, станки и инструменты" Тольяттинского политехнического института.

Основные положения работы выполнены в рамках госбюджетной научно-исследовательской программы "Разработка теоретических основ и исследования физики процесса модификации поверхностных слоев конструкционных и инструментальных материалов при облучении заряженными частицами", а также научно-исследовательской работы "Теоретико-экспериментальное исследование и разработка рекомендаций по применению метода ионной имплантации поверхностных слоев деталей автомобиля как средства повышения их эксплуатационных характеристик", выполненной по заказу АО "АВТОВАЗ". Результаты исследований внедрены

в промышленность, а также в учебный процесс кафедры «Резание, станки и инструменты» Тольяттинского политехнического института.

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Механическая обработка резанием остается главным технологическим методом окончательного формирования размеров детали, развитие которого будет происходить по пути применения сложных автоматизированных станочных комплексов, а также интенсификации режимов обработки [15]. В этих условиях к режущему инструменту предъявляются все более жесткие требования.

В целом ряде случаев условия работы режущего инструмента не позволяют достичь требуемых параметров стойкости, производительности обработки и т.д. Повысить эксплуатационные характеристики инструментального материала возможно путем воздействия на контактные процессы на рабочих поверхностях инструмента, чему посвящен ряд работ [13, 15, 16, 31, 40, 41, 54, 77, 90, 95].

Основными направлениями повышения работоспособности инструмента являются:

1) создание и применение новых инструментальных материалов [2, 56, 57, 106];

2) создание и совершенствование конструкции режущего инструмента и оптимизация геометрических параметров режущей части инструмента;

3) применение смазочно-охлаждающих жидкостей;

4) повышение качества контактных площадок режущего инструмента:

• упрочнение поверхностного слоя инструмента путем изменения его состава и структуры (химико-термические методы, азотирование и

т.д.);

• упрочнение инструмента путем нанесения износостойких покрытий [13,15,91].

Для изготовления режущих инструментов используется несколько групп инструментальных материалов, существенно отличающихся по свойствам и областям применения (рис. 1.1) [13, 15]. Кнструментальные материалы совершенствуются в пределах каждой группы, при этом очевидна общая тенденция - стремление к устранению наиболее выраженных слабостей группы. В результате появляются новые подгруппы и виды материалов: твердые сплавы группы ТТК, керметы, оксидно - карбидная керамика [1], нитридная керамика [10], поликристаллический материал из нитрида бора и т.д.

Попытки улучшить одно из свойств материала зачастую приводят к ухудшению других его свойств. Например, при увеличении твердости усиливается склонность материала к хрупкому разрушению. Этого недостатка лишен путь совершенствования инструментальных материалов за счет изменения свойств контактных поверхностей инструмента. При этом совершенно очевидно, что воздействием на контактные поверхности нельзя создать универсальный режущий инструмент, но, вероятно, можно рациональнее, чем позволяют другие методы, использовать сочетание присущих инструментальному материалу свойств (например, твердости и вязкости).

В соответствии с направлением данной работы в дальнейшем будем рассматривать главным образом проблему улучшения свойств контактных поверхностей путем нанесения покрытий и насыщения поверхностных слоев различными элементами.

1.1. Методы изменения свойств контактных поверхностей режущего инструмента

Известные методы изменения свойств контактных поверхностей деталей машин и режущих инструментов можно разделить на две основные группы:

„Идеальный.

инструментальный

материал

Быстрорежущая сталь

Прочность

Рис. 1.1.Классификация инструментальных материалов по их прочности и твердости [13, 15]

1. Методы защиты поверхностей тонким слоем материалов с особыми свойствами (метод покрытий);

X я __ _________

1У1С1 иды ийшщспил нивсрлииъ 1 пшл 1/лисв рси>лутх1г>1тл Л1сгаш1атп,

1.1.1. Метод покрытий

Метод покрытий начал широко применяться с 70-х годов. Для получения режущего инструмента с покрытием наибольшее распространение получили два класса методов: химическое осаждение покрытий из парогазовой фазы (ХОП) и физическое осаждение покрытий (ФОП) [9, 15].

В промышленности используются несколько технологий, основанных на методе ХОП, в частности, разработанная ВНИИТС технология ГТ [9]. Все большее распространение получают многослойные покрытия, где каждый из слоев предназначен для определенной цели. Так, например, Московским комбинатом твердых сплавов освоен выпуск нового ассортимента сменных многогранных пластин с многослойными покрытиями [91]. Толщина покрытий от 5 до 8 — 10 мкм.

Среди методов ФОП большое распространение получил метод КИБ (конденсация при ионной бомбардировке) [15], реализуемый на установках типа "Булат". Отмечается [9], что методы ФОП целесообразно использовать для режущих пластин из безвольфрамовых твердых сплавов, имеющих относительно низкую прочность, и для твердосплавных инструментов с малым радиусом скругления режущей кромки.

Существенное развитие метод покрытий получил в работах А.С.Верещаки [13, 14, 15, 16]. Им разработана подробная классификация методов нанесения покрытий и упрочнения режущего инструмента по характеру формирования покрытия и упрочняющего слоя (рис. 1.2). Сформулированы основные требования, предъявляемые к покрытиям для режущих инструментов. Среди них такие общие требования, как:

•высокая плотность и сплошность;

Методы нанесения покрытая на режущие инструменты

Химико-термические методы образования покрытий (методы ХТМ)

Методы химического осажде ния из парогазовой фазы (методы ХОП)

Методы физического осаждения покрытой из пароплазменной фазы (методы ФОП)

X

Плазменные и детонационные методы нанесения покрытой

ш

£ я

га ц;

о 5

о. £■

■г о)

Н Я

о о.

13 е

<В й

о а

X 2

о 9!

5- т

¡в к

£ О-

0 га 5 о. £ о

к ®

го 3

1 2 1 ё

л

со С1

о,

А) о

к ч о

л о (0 X

р X (0

ш (1) С5

ц о X

с с]

> X X

о *

СО

Цч >>

•И* <=г

X о ■В- О. ф £0 Н

о.

(0

(И

Л с;

и

го с;

X о

о о

■=1

ш

со 1-

-в-

-вО о о X X

Л

о.

(1) о

1- с

О а>

2 5 < 3

ар

о <

Я о

° £ Ф О ^ О

ш

о ^

сг

К

ф

П О >

О.

Ьй

го О

-е- ^ ю

-I о

X

с!

т Я)

СП

сг

X го >

о ц О

с ю

0 § 1

1 „ л

I к в

° £ Я

? &

<2-

<1> ь; О

с; о х

О С X ^

0) . «с

0 ® Е О

1 | "О ш 5 га ^ х с ч: Ь Э с ° =£ ж о

га га о. 0}

Ф о га 5

I

ш

а: <

X 2

ф

о

т

га

^

<п

(1>

о.

п>

о

т

т

Ф

о

(!)

со с;

X

Характер взаимодействия конденсата с материалом инструмента

Формирование покрытая преимущественно за счет диффузионных реакций между насыщающими элементами и структурами материала инструмента при сильном влиянии последних на характер диффузионных реакции-

Формирование покрытий за счет химических реакций между элементами парогазовых смесей интердиффузионных реакций между компонентами парогразо-вой смеси и структурами материала инструмента

Формирование покрытий за счет плазмохимических реакций при слабом взаимодействии со структурами материала инструмента

Формирование покрытая за счет взаимодействия материала инструмента с высокоэнергетаческим потоком механических частац или плазмы

Сильное изменение прочностных свойстъ материала инструмента (прочность на изгиб, ударная вязкость, ударноциклическая прочность)

Среднее изменение прочностных свойств материала инструмента (прочность на изгиб, ударная вязкость, ударноциклическая прочность)

I

Слабое изменение прочностных свойств материала инструмента (прочность на изгиб, ударная вязкость, ударноциклическая прочность)

Возможности методов нанесения покрытий на режущие инструменты

Инструменты из углеродистых, легированных углеродистых и быстрорежущих инструментальных сталей с любой формой режущей части

о <и 3

£ Ё--&

Твердосплавные пластанк любой формы, монолитно-твердосплавный инструмент с любой формой режущей часта (кроме мелкоразмерного инструмента ограниченной прочности)

Твердосплавные пластинки любой формы, монолитно-твердосплавный инструмент, инструменты и; быстрорежу-щей стали, напайные твердо-сплавные инструменты (для инструментов со сложной формрй режущей часта требуются перемещения в рабочих камерах установок

Твердосплавные пластинки любой формы, монолитно-твердосплавный инструмент, инструменты из быстрорежу-щей и углеродистой стали, напайный твердосплавный инструмент (рабочие поверх-носта инструмента распола-гаются под углом 60-90 гра-дусов к мошку

Р