автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка технологии улучшения триботехнических свойств титановых сплавов методом ионной имплантации

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ШС511ЕЙ ШКОЛЫ И ТШИОДЖОЙ П0ЖП1КЙ Ffl> ТОМСКИЙ ПОЖГЕШИЕСКИИ УНИВЕРСИТЕТ

Pf 6 OD -1 "MAR 1993

На правах рукописи

ЫЙБАРАЦКАЯ МАРИНА ЮРЬЕВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УЛЛШЕЗИЯ ТРКБОТШИЧКЖЙХ СВОЙСТВ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ ИОШОЙ И.ШАКГАЦИИ

(на лршлерэ узлов трепля ¿азоянх криогенных каотш )

Специальности: 05.03.01 - Процесса мзгявячвскоЗ я физпко

— ¿вхюггвскоё oójaóoír.t, ставки

il шетрукгт?

01.03.06 -ДЕвамзка, прочность ï-ааин, прабороз н araispaijíjn

АВТОРЕ «5 SPAT

диссертация па соиокакга ywnoü сгепецл кандидата техначзска: изуг-

Томск - 1933

Работа выполнена в НПО "Сибкриотехника" и на кафедре "Технология машиностроения" Омского политехнического института.

Научнш руководитель : -

лаучвш консультант

кандидат технических наук, црофес-сор В.Л.Наумов

доктор технических наук, старший научный сотрудник Ь.К.Ыаяков

Офпциальнш олоненты : -

I - •

доктор технических наук, профессор М.й.Полесика

доктор технических наук, профессор

A.Е.Беляев

кандидат технических наук

B.Ц.Савостиков

Ведущая организация

Научно-исследовательский институт двигателей, Омский филиал

Защита состоится /*/Ссрта. Х993 г. в ¿Г" час

на заседании специализированного Совета К.063.80.04. при Томском политехнической университете по адресу : 634004, г.Томск, Пр.Аенина, 20 , ТПУ.

Ваши отзывы в двух экземплярах,заверенные гербовой печатью, просьба высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университе Автореферат разослан " /2- " г.

Ученый сехфетарь специализированного Совета, доктор технических наук, профессор

•ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АШШьвость дройдемц.Ускорение научно-технического прогресса неразрывно связано с разработкой и внедрением новых прогрессивных технологий для производства высокоэффективной техники нового поколении.

В связи с этим первостепенное значение приобретает решение проблема повышения износостойкости и долговечности узлов трения 1.!ешн и механизмов. Особое место занимает задача повышения износостойкости и эффективности несмазываешх мегаллололшерных узлов трепля, ипфоко применяемых в различных видах техники, в том числе н л шкрокрисгенной технике (1ЖТ), где они работают в гестких экстремальных условиях в среде осушенных газов л широком интервале температур. Типичным представителем таких узлов тре/'ия является металлополямерше уплотнения поршней шнроком-дресс^роа, от их износостойкости зависит надежность и ресурс микрокомпрессора наиболее загруженного элемента 1ЖТ. В настоящее время вследствие недостаточной износостойкости поршневых уплотнений гарантийный ресурс многих изделий ШСГ не удовлетворяет требованиям комплектуемых объектов и-оборудования.

В современной технологии машиностроения известно большое число методов повышения износостойкости деталей узлов трения, в том числе металлололимертос. Однако реализация их часто за-трудазна вследствие ограничения условий применения,избирательного действия. Опыт эксплуатации металлололимэрных лар трения доказал, что износостойкость композиционных материалов з значительной' степени зависит от физико-химических свойств и микрогеометрии поверхности трения малоиэнашиваеной металлической детали

яавд трешш (контртела).

Укесточегаю требований к структуре и свойствам поверхностных слоев трущихся деталей стимулировало развитие новых методов поверхностной модификации при различных видах технологической обработки. Поиск высокоэффективного и производительного метода модифицирования поверхностей трения привел к применению для этих целей ионной имплантации. .

3

Опубликованные к настоящему времени работы отечествэнгшзс и зьрубезвшх ученых демонстрирует возкоавость конно-лучоной кодификации игатерлалов, ис структуры а флзико-мехаккчесшо; свойств, в т.ч. износостойкости. Но предлагаете на сегодшгз-нкй день механизш, как правило, относятся к частным случала решения задачи и пе ь:огу? сдугэагь достаточно обоснованной каучно-мегодичесхой базой для решения многофакторцой дроблеыи иозклешвд износостойкости различных изделий. Поэтому дальнейшее накопление зкснаркментальных данных, изучение особенностей работ кодифицировавшее поверхностей в различна* условиях окснлу-отацаи изделий, имеет ваявое научное значение.

Лелтд настоящей работа является повшенив ¡гриботехничесмис свойств титановых сплавов на оспоаэ исследования воздействия ускоренных ионов на структуру и свойства новзрзшостного слоя.

Для достшгавия доставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Изучить и проанализировать еависиыость величина и распределения пробегов ускоренны;: иоаов ицгшонтов s титановой сплава от энергии ври выбранном значении плотности ионного тока.

2. Разработать методику внбора вида иишшнгяруелга: ионов для данного гида сплава или металла.

3. Провасти эксперимента®,вув проверку и оценку ьатодкки выбора вида имплантируемых левов и внбратъ вид ионов дая им-шшпгацш в TumiwEUQ сшавн.

4. Экспериментально исследовать влияние дозы и энергии кмшшнтируешх ионов на механические и триботехцические свойства модифицированного слоя и износостойкость ыеталловозпалерг шх пар трети. •

5. Исследовать влияние угла падения конов на модифицируемую поверхность на химический состав к механические свойства -поверхностного слоя.

6. Исследовать закономерность совместного влияния энергии х-, дозы ионов па триботехничесхие свойства модифицируемой до-взохности с использованием математических методов планирования с-^зд&рямента и регрессионного анализа, получить,адекватную ш-таыатичесвув модель, ошенваюаув влияние, режимов ионной диилаа-

4

тации на трибогехнические свойства металлополпкарной лара трения.

7. Изучить влияние предварительной химической обработки и нанесения твордоюточшя материалов на трибогехнические свойства модифицируемой поверхности титанового сплава.

8. Разработать технологию поверхностного модифицирования внутренних цзшшщрических поверхностей гальз и цилиндров газовых микрокомпрессоров.

9. Исследовать влияние решшов ионной имплантации и вида предшествующей механической обработки на изменение напряженно -деформированного состояния (внутренние напряжения I и Л рода) и структуру поверхностного слоя.

10. Провести экспериментальную'оценку эффективности разработанной технологии поверхностного модифицирования титановшс сплавов методой триботехшгческвх испытаний . Автор аадиздает:.

1. Экспериментальные зависимости механических и триботех-нических свойств модифицированных поверхностей титановых сплавов от режимов ионной имплантации.

2. Результаты экспериментальных исследований влиянии ионной имплантации на элементный состав, структуру и напряженно -деформированное состояние поверхностного слоя.

3. Новуи технологию модифицирования внутренне-: Цилиндрических поверхностей титановых деталей узлов трения Ш5, позволяющую увеличить их износостойкость в 2-3 раза и уменьшить коэффициент трения в 1,5-2 раза.

4. Методику выбора материала имлланта.

Научная новизна характеризуется слодуьд-кми разработками

и результатам исследований.

Разработана методика и осуществи выбор вещестБа-вдллакта (меди) дая высокоэнергетической имплантации титановых сплавов; установлено, что в поверхностей слое сшав БГ-6 в условиях технического вакуума Ю-3 Па, яри змианют медью образуются метастабильнке твердые расгиоры "зашивши, с выходом карбидов, нитридов и иарйоплтрвдоя титана, что обусловлено наличием э

5

дарошслянно;.! вакууме остаточных углеводородов. Установлен характер изменения (релаксации) внутренних напряжений к деформаций фиоталлзческой решетка в иодзфицаруемом слое в зависимости от дозы облучения. Показано, что зысокознергетическая обработка понныык пучкаг.ш деталей из титановых сплавов вызывает различное упрочнение поверхностного слоя, степень упрочнения залп- ' сит от вида предварительной механической обработки. Наибольшее упрочнение характерно дая поверхностей обработанных лезвийным инструментом методом чистового точвния, меньшее упрочнение достигается у шипованных и доведениях поверхностей.

Установлена зависимость шкротвердости и концентрации имплантируемой ыоди в поверхностном слое цилиндрических деталей от угла падения ионов на обрабатываемую поверхность путем применения,в качестве технологической оснастки,конических преобразова телек потока ионов из вещества импланта;показано ,что эффективность обработки существенно повышается благодаря высокому коэффициенту сакорасшления меда. Экспериментально установлений, что конная имплантация обеспечивает повышение износостойкости полп-меных увлотнителъных манжет, работающих в паре с облученными деталями из титановых сплавов ВТ-6 и ОТ-4, в 2-2,5 раза,снижение коэффициента трения в 3,5-2 раза. Получена.математическая модель, адекватно отражающая влияние энергии ионов и дозы облучения на скорость изнашивания полимерных уплотнителышх манжет. .

Практическая ценность и -реализация результатов исследований Разработанная на основе теоретических и экспериментальных исследований новая технология модифицирования деталей кеталло-лолцыерннх узлов трения позволяет увеличить ресурс поршневых уплотнений мккрокомпрессоров, снизить трудоемкость изготовления цилиндров, обеспечить высокое качестово их рабочих поверхностей, Полученная математичская модель позволяет существенно совратить объем экпериментальных исследований при проектировании металлош лимерных пар трения и технологического процесса финишной обрабо: ки титановых деталей за счет использования теоретических оценок гриботехнических свойств лары трения с помощью математической модели.

Результаты работы внедрены в НПО "Сибкриотехника" и используются при заполнении научно-исследовательских работ в ви-• да типового технологическох'о процесса ионной имплантации цилиндров зга титановых сплавов.

Апосбация работа. Основные результаты диссертационной работы докладывалась'и обсуздались не. областной научно-технической конференции "Повышение конструкторской прочности деталей маашн и рекущего инструмента электрофизическими и электрохимическими методами обработки"(Омск, 1950), международных , научно-практических семинарах "Гриболог - Тй" и "Триболог - 8ЛГ (Ростов, 1951), зональной научно-практической конференции "По-вшеш-.з износостойкости режущего инструмента и деталей машин путем'нанесения упрочняющих и антикоррозионных покрытий (Оренбург, 1991).

Работа докладывалась на научном семинаре кафедры "Технология машиностроения" Томского политехнического университета.

По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Работа излокена на 160_страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 14 таблиц. Список лигературы включает 116 наименований. _

ОСНОВНОЕ СОДШШЗЕ РАБОТЫ -

Во введении обоснованы актуальность и цель работы, определен объект исследования, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ конструкций и условия работы металлодолижзрных узлов трения МКТ, структуры и свойств титановых сплавов, способов повышения износостойкости ме.таллопо-лкмерных трибосистем, влияния ионной имплантации на физияо-ме-ханичеекке и тркботехнические свойства материалов.

Отмечается, что металлододимеркые узлы трения нашли широкое применение а современных маашнах и приборах. Для металло-долимеркпх узлов трения, также как для металлических, валное значение имеют физико-мехагшческш свойства, ■ структура, энерге-

7

тическое состояние и микрогеометрия поверхности металлического контртела. Они озиэывают существенное влияние на тработехш-ческие характеристики дары трения и, в первую очередь, на износостойкость полимерной детали. Изучению этой проблемы посвязе-!ш работы С.Б. Айбиндера, U.il. Дьяченко, Б.И. Костецкого, И.В. Крагедьсхого, A.A. Маркова, Ю.К. Пашкова, Н.М. i.imuma, Г. Польдера, Г.А. Сиренко. Это направление требует дальнейшего обобщения результатов исследований с целью определения техни-чес£сих требований к материалу конгртела и качеству его поверхности. ;

Несиазываеша узлы трения машин MKT являются типичным представителем магадлоаоишерннх трибосистем, проблема повышения износостойкости которых наиболее актуальна вследствие особо жестких условий эксплуатации. Ото дослужило основанием для выбора весгягзызаешх узлов треяия калин iffiT в качестве объекта исследования.

Применение в качестве металлического коатртела титановых сплавов является актуальным, поэтому.в первой главе проанализирована: их физкко-механкчеекке свойства и существующие способы улучшения трибогехнических характеристик.титановых сплавов.

■ Применяемые в машиностроении методы финишной обработки и кодифицирования металлических поверхностей трения нувдаются в дальнейшем совершенствовании с целью повышения качества контр-тел и прадашш им триботехннческих свойств, обвепечшшщих повышение износостойкости и снижения трения в несмазываемых мо-таллополшорннх парах трения.

Широкие перспективы повышения износостойкости узлов трения, в том числе металлополимерннх, отбывает способ модафицяро шаия металлических поверхностей методом ионной имплантации (ИИ В большинстве работ по Ш рассматриваются общие вопросы энерге-«¡гееского взаимодействия частиц и его влияния на структуру тонкого поверхностного слоя, исследованию влияния имплантируемых ч;ютвд на физико-механические свойства поверхностного слоя (работы И.А. Абрсяна, М.И. Гусевой, Е.И. Зорина, Е.С. Майковой, Д.Д. йолчанова, Q.B. Павлова, Д. Палмера, X. Рисела, И. Руге,

В

А.И. Рябчикова, Д.и. Гетельбаума и др.). Значительно меньшее число работ посвящено разработке технологии ионной имплантации деталей узлов трения л исследованию влияния режимов имплантации триботехнические свойства трибосопрлкений. К ним относятся работы БД. Баранника, Р. Валори, М.Д. Габовича, Б.Т. Грязно-ва, Ю.К. Машкова, А.И. Рябчикова, В.М. Савостикова и некоторые другие.

Практическое применение ионной имплантации дая решения задач триботехники требует дальнейшего развития этого способа с целью разработки методик внбора имплантируемого вещества, ре-немов имплантации ц т.н. применительно и конкретным материалам и конструкция!.! на основе теоретических представлений о процессах взаимодействия ускоренных частиц с твердом телом.

Во второй главе описаны методики, являющиеся основой для создания нового, технологического способа снижения трения п износа в металлопояшершсс парах трения, включающие в себя комплекс экспериментальных исследований по следующим направлениям:

- исследование топографии'и механических свойств яоверхност-ного слоя;

- исследование триботехнических свойств модифицированных поверхностей;

- исследование нацряжеяно-деформкровакного состояния и структурно-фазовых изменений в поверхностной слое;

- исследование химического состава поверхностного слоя; Дано описание установки дал ионной шплантации.. Приво.дпгся основные характеристики сильноточного чаотогно-ядпульсного ионного источника. г

Для выполнения поставленных в работе задач используются

следующие методы:

I. Исследования элементного состава тонкого поверхностного моя, равномерности распределения элементов по поверхности пооведени ядерво-фгаичесшш метода® анализа: метод Розор-ф'ордовского обратного рассеяния • (POP), метод вторичной коиьои масс-спектрометрш (BKáG).

2. Оценка концентрации и распределены ьлемайта-яшшан-та на внутренних цилиндрических поверхностях проводилась методом рентгеноспектралыюго микроанализа на установке "САМЗ-ВАХ" и методом атомной абсорбции с использованием атомно-аб-сорбционного спектрофотометра,

3. Для регистрации структурно-фазовшс изменений в резуль-' тата нонно-лучевой обработки, расчетов ыэацлоскостных расстояний, параметров элементарной ячейки, расчетов внутренних напряжений тонкого поверхностного сдоя использован метод рент-геноструктурного анализа на дкфрактометре ДРОН-З.

4. Ыикрсгеометрия поверхности: исследовалась с до^ющыо лрофилографа-дрофилометра модели 201; исследования включали изучение влияния имплантации на шхфотвердость- поверхности с помощью микротвердомера ПМТ-3..

Триботехнические испытания проводились на испытательных стендах по известным методикам на машине трения со схемой' трения "палец-диск" и на стенде-имитаторе работы уплотнения поршня шкрокоыцре ссора.

Ввиду того, что технологический процесс содержит большое число факторов, влияющих на качество обрабатываемой поверхности, для нахскдения близкого к оптимальному сочетания технологических факторов использован математический метод планирования эксперимента. При разработке плана факторного эксперимента использовалась априорная информация о том, что долговечность узлов трения зависит от совокупности физико-механических свойств материала, которые в свою очередь зависят от технологических параметров ионно-лучевой обработки - дозы и энергии ионов. В качестве параметра оптимизации била выбрана скорость изнашивания.

Третья глава посвящена теоретически расчетам и оценкам основных характеристик процессов, протекающих при ионной имплантации - энергетических потерь ионов, их пробегов, коэффициентов распыления, а такне составлению на этой основе методических рекомендаций по выбору вида импланта, его энергии и дозы. Теоретические оценки и сравнительный анализ уровней упругих 4 и неупру^их потерь и проективных пробегов ионов Мо+, Ск , 2-г

10

показал, что среди указанных ионов по величине энергетических потерь д траекториях пробегов применение ионов Си в качестве импланта наиболее целесообразно, средний траекторный пробег ионов меди в интервале 50-80 кэВ на би% больше, чем пробег попов молибдена в идентичных условиях взаимодействия с титаном. Сравнительный анализ кривых распределения внедренных ионов Ыо , Сч,?-г по лроективнш пробегам в поверхностном слое титана, расчитанных .по теории Лижарда-йарфа Шиотта такке показат, что при имвлаитацаи иоваш меди дрииесгше ионы распределяются на значительно большую глубину, охватывая слои толцаной ди 90 нм и на превышая максимальную глубину проникновения ионов Мо и при энергии конов 30 кэВ.

При анализе результатов названных теоретических расчетов и оценок параметров взаимодействия ускоренных ионов с гллпенью сделан вывод о благоприятном влиянии симметричного (по закону Гауса) распределения пробегов ионов, т.к. максимум концентрации атомов находится на некотором расстоянии от поверхности, что обеспечивает полсшиелышй градиент механических свойств модифицируемого слоя, наличие которого является необходимым условием для нормальной без заедания работы пари трения.

Результаты расчетов в совокупности с данными ранее выполненных исследований в области трибологии ы метода модификации металлов и сплавов могут служить основой для разработки метода поверхностного модифицирования титановых сплавов.

Б четвертой главе рассмотрены результаты исследования влияния конной имплантации на свойства к напрякенно-деформиро-ванное состояние поверхностного слоя образцов сплава ВТ-6.Принимая во внимание большое влияние шероховатости поверхности металлической детали на износостойкость металлополимерной пары трения исследовали влияние режимов ионной имплантация. ка параметр шероховатости Еа образцов, предварительно обработанных различными способами (чистовое точение, шлифование, притирка), имеющих различное значение параметра Еа. Установлений, что вэлн-чиаа_изменекпя йЭВАметра Еа зависит от,дозы облучения и вида предварительной обработке : параметр шероховатости точеншс образцов уменьшается на 24,52, шлифованных - ка 8,5$, у образцов

П

подвергнутых притирке, практически "не изменяется.

Значительное различие в изменении параметра шероховатости нэльзя'объяснить только различием абсолютных значений На в исходном состоянии образцов. Необходимых учитывать, что. любые метода механической обработки связаны с пластической деформацией и в результате взаимодействия обработанных поверхностей со срег-дой образуется области зарождения дефектов, будущих очагов разрушения, наблюдается разная степень упрочнения л изменения структуры поверхностных слоев. По этим соображениям для объяснения физических причин полученного результата логично было использовать такой сгрукгурно-чувствигелышй яара'лет^ как величина работы выхода элэктрона (Р£Э), связь которого с параметрами шероховатости, природой и динамикой дефектов поверхностного слоя убедительно показана в работах Г.П.Шпенькова. В нашем .случае при ионной имплантации ускоренный поток ионов вызывает эмиссии электронов, атомов, ионов, удаление которых с поверхности характеризуется определенной работой. Следовательно,интенсивность удаления шшрочаскщ вещества с поверхности металлов связана с величиной РВЗ п полученное в наших исследованиях значительное сшшение параметра Еа на обработанных точением поверхностях (Еа = 0,68-0,73 мкм ) образцов можно объяснить относительно не высоким значением РВЗ по сравнению с величиной РВЭ у образцов с меньшим параметром шероховатости (Еа = 0,20 - О,23 мил), которая в свою очередь определяется типом и количеством дефектов, а также условиями выхода и разрядки скоплений дислокаций в зависимости от вида механической обработки.

Установлено, что ионная имплантация вызывает повышение механических свойств поверхностного слоя при различных способах предварительной механической обработки. Толщина упрочненного слоя в зависимости от вида сплава находится в интервале 3,5 - 6,5 мкм. Степень упрочнения зависит от вида предварительной механической обработки, наибольшее ;упрочнение ыикротвердостз характерно для поверхностей обработанных методом чистового точения , наименьшее упрочнение наблюдается после притирки поверхностей абразивной ластой ( рис.1 )..

Рис. 2. Зависимость напряжений I рода от глубины рассеивающего слоя в образцах сплава ВТ-6 обработанных; I - точением; 2, 3, 4 - облученные Сн.+ соответственно в течение 15, 45, 60 глин.

Рис. I. Изменение микротвердости по глубине внедрения индентора для образцов из сплава ВТ-6 обработанных: I - точением;

2 - точением, имплантацией;

3 - шлифованием; 4 - шлифованием, имплантацией.

Определяющее влияние на механические свойства поверхностного слоя оказывает изменение напряженно-деформированного состояния слоя при ионной имплантации. Исследования поверхностных слоев имплантированных образцов методом рентгеноструктурного анализа и расчеты внутренних напряжений показывают, что во всех исследованных образцах на глубине более 2 мкм действуют сжимающие напряжения. С приближением к поверхности характер зависимостей напряжений от глубины резко меняется, й вызывает релаксацию внутренних напряжений от механической обработки в слоях менее I мкм, (рис. 2), степень релаксации и глубина слоя, на который распространяется релаксация, зависят от дозы облучения. Уровень внутренних напряжений и искажений кристаллической решетки а'

13

тонном поверхностном слое до I мкгл сшшаются с увеличением дозы имплантации.

Вывод о физико-химических процессах инициируемых в поверхностных слоях при ионной имплантации сделан на основе анализа методами (POP) обратного резерфор-довского рассеяния и вторичной ионной масс-спектромет-рии (ВШС). Атомы импланта и сопутствующих примесей ( С , , О) проникают па глубины, значительно превышышщие теоретические оценки (Рис.3) что указывает на диффузионный характер их распределения.-Происходит образование твердого раствора с выделением карбидов, нитридов и карбонитридов титана -и ванадия, комплексных вторяных ионов Tid£ . Тг О ,TczOA/, Ti20C Пятая глава посвящена разработке способа поверхностного модифицирования титановых сплавов.

Состояние и качество металлической поверхности имеет особенно ванное значение для деталей ыеталлодолимерных узлов трения. Поэтому, выполнено исследование влияния предварительной (перед имплантацией) химической обработки поверхностей на триботехни-ческие свойства образцов титановых сплавов. Образцы подвергали травлению в растворе //¡SO^c добавлением I г A/ci F на IUO мл раствора с целью удаления тонких окисных пленок и придания микропористости поверхности, а затем методом натирания наносили порошки дисульфида молибдена или карбофторида для улучшения триботех-нкческих свойств поверхности. Отдельную серию образцов -готовили натиранием порошков без химического травления. Все образцы имплантировали ионами Си* с энергией 60 кэВ, затем оценивали их трпботехнические свойства (интенсивность изнашивания, коэффициент трения) при трении с полимерными образцами.

14

Рис. 3. Распределение агентов и соединений в поверхностном слое образца ВТ-6, имплантированном ионами меди дозой 1017см-2

Установлений, что минимальный износ к коэффициент трения свойственны для образцов , покрытых перед имплантацией порошком твердосмазочных материалов без применения химического травления я термической обработки, поскольку и а таких образцах формируог-ся тонкая и плотная пленка фрикционного переноса с полимерных образцов в процессе их приработки.

методика выбора имплантируемого вещества включает следующие этапы:

1. Выборы ограниченного количества элементов, которые согласно правилу Ьм-Розери и общей теории твердых растворов могут при ионной имплантации образовывать метастабгльные твердые раствора;

2. Теоретическую оценку глубины проникновения ионов и распределения примесных атомов при определенных значениях величины энергии ионов;

Анализ триботехничзсквх свойств будущего импланта ;

4. Оценку теплошизическлх свойств выбираемых веществ •

5. Экспериментальную проверку группы отобранных материалов и окончательный выбор импланта.

Расчеты показали, что максимальная глубина проникновения ионов меда на ЗС$ древышаетглубииу поникновения ионов молибдена к циркония, медь способствует повышению теплопроводности тонкого поверхностного слоя титанового оплат. Наконец, - экспериментально триботехническими испытаниями установленно преимущество имплантации медью.

Для повышения эффективности имплантации звутрешгзх цилиндрических поверхностей необхода со кзаенягь направление потока ионов, увеличивая угол падения ионов на повархноать, т.к. л; и ионно-лучевой обработке этих поверхностей направление потока конов близко к направлению образующей поеэхкь'остп.С этой целью применен конический преобразователь потока изготовленный иь меди и устанавливаем внутрь обрабатываемого цилиндра или втулки. Экспериментально, катодом атогао-абсорбционкого анализа, показано, что с увеличением угла падения ионов от 52 до 74 градусов, поверхностная концентрация имплантированных ионов возрастает на 19-22$(рис.4). Ьто подтверждено тайка рекггенослегг -

15

ральным ыиг-фоаншшзсш, максимальная интенсивность спектральных линий такие наблюдалась при угле 74°, что соответствует углу 32° при вершине конического преобразователя потока ионов. Установлено, что повышение концентрации имплантированного вещества увеличивает млкротвердость поверхности и она становится практически одинаковой по всей длине детали.(Рис. 5). Ьффект увеличения концентрации имплантированного вещества и микротвер-досги облучаемых цилиндрических образцов с применением конического преобразователя из вещества имлланта и зависимость их от угла падения ионов можно объяснить высоким коэффициентом самораспыления меди при облучении ионами Ск.+ медного преобразователя. Эмиссия ионов меда с поверхности медного преобразователя и отракение ионов от его поверхности существенно увеличивают плотность потока ионов и изменяют его направление, при этом угол падения ионов на цилиндрическую поверхность увеличивается.

я МГ

4ро

зр гро

5

\ \ ч V

—— ,--' ✓ у

е ,— » >

4оо 300

200

г

\ У Г-

у

ю

лг 20 ¿5 ¿а м

5 Ю /5 20 25 е,м1

Рис. 4. Изменение зависимости поверхностной концентрации имплантированной меда вдоль образующей цилиндрического образца при различных углах падения ионов на поверхность преобразователя: 1-52"; '¿-67,5°; 3 - 74е.

Рис. 5. Изменение микротвердости по длине образцов:

1 - имплантирован без конического преобразователя;

2 - имплантирован при угле падения ионов 74 *

Оценку влияния дозы и энергии исноз на тркботехническке свойства образцов из сплавов БГ-6 и ОТ-4, подвергнутых ионному модифпццрованиэ по предложенной технологии, проводил:! на испытательных стендах по схеме трения "палец-диск". На рис. 6 показаны зависимости коэффициента треши я скорости изнашивания полимерных образцов, работающих в ларе с контртатами облученными в частотно-импульсном резиме ионами меди с энергией 40 кэВ. При увеличении дозы от 2*10 до 3-Ю1'' ион/сь^ скорость изнашивания уменьшатся почти в три раза. Аналогичный характер изменения свойств наблюдается при увеличении энергии ионов до 40-60 кэВ при постоянной дозе 10 пон/сг.^, скорость изнашивания и коэффициент трения снижаются в 2,0-2,5 раза. Проверку эффективности разработанного метода модифиицрованкя проводами ис-шгаа^лем уплоткительных маняет на стенде имитаторе поршневых уплотнений компрессора с гильзами из сплава ВТ-6 имплантированными ионами Са.+ с энергией 50 кэБ и дозой 3*1017 ион/сг.^. Полученные зависимости скорости изнашивания ыангет при трепни по им-плантлроэаннш цилиндрам подтвердили высокую эффективность разработанного способа поверхностного модифицирования титановых гильз. Скорость изнашивания ».анде? снизилась почти в 2,5 раза,

при этил уменьшились перетечки рабочего газа, что свидетельствует о снижении дефектности уплотняющей поверхности манжет.

Приведенные результаты дозволили предложить последовательность операций, ^оставляющих основу новой технологии поверхностного модифицирования цилиндров метал-лополимерных узлов трения. С целью выявления всех возможностей метода ИИ для улучшения триботехнических свойств титановых сплавов, выбора каиболее эффективного соче-

РА

01

ч

\ я л

/

002

2Ж

б-Ю" НО" * 2,"%-

Рис. 6. Зависимость скорости изнашивания и коэффициента трения от дозы облучения образцов из сплава ОТ-4

танкя дозы и энергии ионов и получения адекватной математической модели процесса использовали математические методы планирования эксперимента. Принимая во внимание нелинейный характер зависимости скорости изнашивания от энергии ионов и дозы облучения в качестве модели был выбран полином второго порядка. Испытания проводили согласно сииплексно-суммируемому плану при двух варьируемых параметрах: энергия ионов - li, доза - D .

Согласно матрице планирования эксперимента ионной имплантации ионами Си+ подвергали сменные гильзы из сплава ВТ-6 в количестве 21 шт. Полученные при испытании на стенде-имитаторе значения скорости изнашивания полимерных уплотнктельных машв? обрабатывали методами регрессионного анализа с проверкой однородности дисперсий до афигерхш Кохрена и статической значимости коэффициентов регрессии по критерию Стыодента. Получено уравнение регрессии в натуральном щраг.ешш факторов:

■J* JOSS +/ш enZ>-JA(lnuf~ 05

Проверка уравнения по р - Нигерию (критерию Фишера) показала, что оно как математическая модель адекватно (при уровне значимости 0,05) отражает зависимость скорости изнашивания 3 доли-мерных манжет от дозы и энергии ионов импланта к при разработке технологического процесса обработки гильз и втулок может быть использовано дая выбора оптимальных значений режимов ионной имплантации.

Комплекс теоретических и экспериментальных исследований дозволили определить наиболее рациональные дриеш способа поверхностного модифицирования и разработать конкретные технологии обработки плоская и цилиндрических поверхностей титановых деталей методом псиной -имплантации, в том числе типовой технологический процесс кодифицирования втулок и гильз г.икрокомпрессоров. Заключительную проверку эффективности разработанной техноологии проводили сравнительными испытаниями уплотнителышх манжет с гильзами стенда-ж.с'.татсра, ::зготовленными из сплава 3-95 по серийной технологи! с анодным оксидированием рабочей поверхности :.з сплава ВТ-6 с исцной пжлантациек медью и с предварительным каиосеиио:.'. харбофторида.

18

Испытания в течение Ни часов при перепаде давленая рабочего газа 5,0 Ы1з доказали, что скорость изнашивания шшаи, ра -ботаВших в паре с имплантированными гпльзамк почти в 2,Ь раза меньше, при этом значительно снизились леретечки рабочего газа, что свидетельствует о меньшей шероховатости и дефектности имплантированной поверхности и скикенаа повреждаемости. ушютняЕщы: поверхностей манжет.

Об:аие выводи и результаты

1. lía основе закономерностей форг.сгрования структуры материалов (твердых растворов), взаимодействия ускоренных конов со структурными элементами твердого тела и результатов экспериментальных исследовании разработана методика и осуществлен выбор вещества пм-планта для поверхностного модифицирования титановых сплавов.

2. ¡¿¡зтедамл рентгеносгруктурного анализа установлен характер изменения внутренних напряжений по глубине модифицируемого слоя связанный с релаксацией последних в зависимости от режимов ионной имплантации.

3. :Дотода:£: рентгеновского микроанализа и атомной абсорбции изучена закономерность изменения содержания имплантируемого вещества в поверхностном слое внутренней цилиндрической поверхности л зависимости от угла конического преобразователя потока исноа и коэффициента самораспнления материала преобразователя.

4. Методами обратного резерфгардовского рассеяния л вторичной ионной масс-спектрометрип установлений, что при ионной имплантации благодаря активизации диффузионных процессов атомы импланта - меди и сопутствующих примесей азота, углерода, хделорода проникают на •■глубины значительно лревншающие теоретические оценки проективных пробегов ; формируются новые структурные составляющие э виде карбидов, нитридов и карбонитридов титана к ванадия.

5. Полученные зависимости изменения микротвердости локаь.-за-ют, что поверхностный слой титановых сплавов при ПИ упрочняется до трех раз на глубине 3-4 мкм в зависимости от вида предшествующей механической обработки, наибольший эффзкт упрочнения наблюдается при чистовом точении.

6. Экспериментальные зависимости изменения микротвердости

19

Ii распределения содержания имплантируемого вещества в поверхностном слое цилиндрических образцов подтверждают теоретические зависимости коэффициента расдьиекия и самораспкяения от угла падения-ускоренных ионов на поверхность.

7. Трлбогехничэсккмк испытаниями шолангдрованных образ -цов титановых сплавов в ларе с композиционными материалами иа полимерной основе установление, что износостойкость пары трения возрастает в 2-2,5 раза, а коэффициент трения снижается в 2,52 раза, при этом зависимость скорости изнашивания от режимов имплантации (энергия, доза) тлеет минимум.

8. Уравнение регрессии; полученное по результатам много -факторного эксперимента; как функция отклика, позволяет определить область оптимального сочетания дозы и энергии-ионов, обеспечивающих минимальное значение параметра оптимизации - скорости изнашивания.

9. Сравнительными испытаниями манжетных уплотнений микрокомпрессора с гильзами, изготовленными по серийной технологии поверхностного модифицирования, показано, что технология модифицирования методом ионной имплантации обеспечивает повкаение износостойкости мегалдополиморвых пар трения в 2-2,5 раза.

Основная литература

1. Поверхностное модифицирование титановых-деталей узлов трения/ Ьайбарацкая ivi.ij. .Блесман А.И.,Иоворозюок O.K..Чулкова A.C. Повышение конструкционной прочности деталей машин и режущего инструмента электрофизическими и электрохимическими методами обработки/Дез. дом.облает.науч.конф.:0мск, 1990.-С 5.

2. Применение сильноточных конных источников при изготовлении деталей металлополкмерных пар трения/ Байбарацкая Ь.Ь. .Блескан A.Ji. .iieeepe Б.Б. .Доворозшж С.И. Повышение конструкционной прочности деталей ыешпн к режущего инструмен~а электрофизическими и электрохимическими методами обработки// Тез.докл.област.науч. конф.:0mck,ISSü.- С. 6-7.

3. Байбарацкая .Иссерс В.В. ,11оворознюк С.Н. йодифицирование поверхностей титановых деталей узлов трения/ Направления и результаты работы трг.ботехкпчеекпх центров, .предприятий, фирм// Тез. дом-. мездукар. иауч. -лракткч. семин. "Триболог-7»" :Ро стов,

1991.- С.9-13.

4. Байбарацкая М.Ю., Зубарев B.C., Наумов В.А. Повышение износостойкости титановых деталей узлов трения методом ионной имплантация/ Повышение износостойкости ролсущего инструмента и деталей машин путем нанесения упрочняющих и антикоррозионных пощитий// Тез.додл. паучн.-дракгич.конф.: Оренбург,. 1991.-С.56.

5.Повышение тркботехнических характеристик титановых сплавов/ Байбарацкая M.Ü., Зубарез B.C., Поворознюк С.Н., Тайлашев A.C. Теоретические л прикладные разработки молодых трибологов// Тез.докл.семинара - смотра "Триболог-ffi": Ростов,1991.-С.25-2?.

6.Исследование влияния ионной имплантации на напряженно-деформированное состояние,'хи-аческий состав и триботехиическке характеристики поверхностного слоя титановых сплавов в металлоподя-ме/яых парах трэкия/ Байбарацкая М.Ю., Зубарев B.C., Машков Ю.К. Наум, а В.А.: 0mcic.I992.-9c. Деп. в ВИНИТИ 20.07.92, J&36I-B92.

7.Байбарацкая М.Ю., Геринг'Г.И., Майков Ю.К., Полещеико К.Н. Разработка экологически чистых технологий, основанных на взаимодействии высокоэпергетичесгшх потоков плазмы и зарягашшх частиц с веществом. Отчет до НИР 23.14 ОмГУ, Омск, 1991.

8.Байбарацкая M.Ü., Иссерс В.В., Машков Ю.К., Тайлашев A.C. Исследование напрягенно-деформированного состояния и структурно -фазовых изменений в алюминиевом сплаве при поверхностном модифицировании и трении.// Трение и износ.1992. T.I3.J&4.0,707-715.

•9.Байбарацкая М.Ю., Наумов В.А. Повышение износостойкости титановых сплавов методом конной шлплантации.-Сб.: Проблемы машиностроения и металлообработки.-Омск; 1992.С.86-90.