автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Теоретические и технологические основы направленного улучшения свойств поверхностных слоев изделий из инструментальных материалов посредством их ионно-вакуумной модификации

Санкт-Петербургский государственный технический университет

! О и На правах рукописи

СШИЛО ИГОРЬ АРКАДЬЕВИЧ

УДК 621.703.1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОШ НАПРАВЛЕННОГО УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТЯХ СЛОЕВ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ИНСТРУМЕЧТАЛЬШХ МАТЕРИАЛОВ посредством ИХ ИОННО-ВАКУУМНШ модишшш

Специальности 05.03.01 - Процессы механической и физико-

технической обработки, станки и инструмент 05.02.06 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических неук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

»

доктор технических наук, профессор Вейц В.Л.

доктор технических наук, профессор Верещака А.С.

доктор технических наук, профессор Розанов Л,Н.

Ведущая организация - Институт проблем машиноведения РАН.

Защита состоится "26" декабря 1&95 г. в 1С часов иа заседании диссертационного совета Д 063.36.16 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., дом 1-й учебный корпус, ауд.41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан ,•/•/, 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совете, д.т.н., проф.

И .11. Фаддеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Диссертация посвящена изысканию путей овышения эффективности использования технологических процессов ион-ю-вакуумной обработки инструментов на основе управления их эксплуа-ационными свойствами.

Повышение работоспособности инструментов, обеспечение их надергай и безотказней эксплуатации представляет собой крупную народно-:озяЙственную проблему. В связи с этим важным и актуальным является юиск, изучение и внедрение в практику новых высокоэффективных эко-, югически чистых методов улучшения эксплуатационных свойств инстру-(ентов, альтернативных традиционным термическим и механическим спо-:обам обработки. Решение указанной проблемы позволит широко,исполь-ювать высококачественный инструмент в условиях прессово-штампового * станочного металлообрабатывающего производств, в том числе и на автоматизированном оборудовании. Все перечисленное является важном эезервом роста'эффективности производства и повышения производитель-юсти процесса механической обработки.

Эксплуатационные свойства инструментов такие, как износо- и коррозионная стойкости, долговечность, безотказность в работе, в значительной степени определяются качеством их поверхностных слоев. ¡Нормирование высокого качества последних является одним из наиболее эффективных способов повышения работоспособности инструментов. В этой связи обобщение закономерностей поведения поверхностных слоев как в процессе их ионно-вакуумной обработки, так и в процессе эксплуатации в широких диапазонах изменения параметров с целью изучения физической природы взаимосвязи структуры, состава и строения с физико-механическими и химическими свойствами инструментальных материалов, и на этой базе разработка научных основ управления этими свойствами является решением крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Кроме того, актуальность работы подтверждается присуждением ее автору (в соавторстве) ГРАНГа 1993-94 гг. по исследованиям в области машиностроения по направлению "Режущие инструменты, штампы, прес-сформы", эа разработку и математическое моделирование метода модификации рабочих поверхностей режущих инструментов, штампов и пресс-форм.

Цель работы. Создание теоретических и технологических основ направленного улучшения свойств поверхности слоев изделий из инструментальных материалов посредством их ионно-вакуумной модификации, на базе которых решается важная народнохозяйственная проблема повышения работоспособности режущих, прессово-иггампових и других обрабатывающих инструментов.

Методы исследований. Работа выполнена на основе системного подхода к процессу ионно-вакуумной модификации (11ВМ) с использованием фундаментальных положений термодинамики, физк:<и твердого тела, квантовой механики, феном$логической теории конфигурационного строения вещества, многопараметрического регрессионного анализа, математических методов обработки экспериментальных данных. В работе использованы оригинальные методики оценки упрочнения поверхностного слоя и ед-' гезионной прочности покрытий, а также современные методы металло-фи-зических исследований - рентгеноструктурный анализ, сканирующая электронная и туннельная микроскопия. Обработка и анализ полученных данных производились с использованием ЭВМ.

Теоретические положения работы подтверждены экспериментальными исследованиями образцов и изделий с модифицированными поверхностями, использованы при разработке промышленных технологий ионно-вакуумной модификации инструментов и в учебном процессе.

Научная новизна состоит в:

- предложенной методологии направленного формирования свойств поверхностных слоев изделий из инструментальных материалов, основанной на анализе эволюции конфигурационной модели вещества при самоорганизации (организации) систеш "инструментальный материал - модифицирующие элементы" в твердом состоянии как непосредственно во время ионно-вакуумной модификации, так и при эксплуатации инструментов;

- разработанной эволюционной синергетической многофакторной модели систеш "инструментальный материал - модифицирующие элементы", позволяющей оценивать прочностные и пластические свойства модифицированных поверхностных слоев и управлять указанными свойствами;

- созданной математической модели процесса модификации инструментальных материалов,устанавливающей связь между параметрами решетки твердорастворного состояния системы и характеристиками элементов, ее составляющих,и позволяющей оценивать и управлять состоянием поверхностного слоя изделия;

- разработанное методе прогнозирования свойств поверхностных лоев инструментальных материалов, позволяющем оценить существова-;ие и свойства бинарных химических соединений, формируемых ионной 'бработкой;

- закономерностях, связывающих параметры способов ИВМ с техно-огическими характеристиками точности и качества модифицированных :лоев.

На защиту выносятся:

- методология управления свойствами поверхностных слоев изделий, >снованная на допущении о способности системы "инструментальный ма-■ериал - модифицирующие элемента" к самоорганизации в твердом сос-•оянии как непосредственно во время ионно-вакуумной модификации, так

I после нее - при эксплуатации инструмента;

.- концепция комплексной оценки направления самоорганизации, замечающаяся в стремлении элементов диссипативной системы занять эне-¡гетически выгодные положения, определяпцие общий минимум энергы :истеш. Такими положениями являются стабильные электронные конфигурации на внешних валентных оболочках атомов, изменяя соотношения юлей которых за счет модифицирующих элементов, можно влиять на та-(ие свойства поверхностных слоев изделий, как прочность, твердость 1 пластичность;

- математический анализ равновесных конфигураций атомов модифицирующего элемента; математические закономерности, связывающие шраметр решетки и релаксационный объем внедренного атома с концентрацией модифицирующих элементов в твердом растворе;

- результаты моделирования поведения атомов модифицирующего злемента в мартенсите инструментальной стали, показывающие, что внесенным атомам энергетически выгодно объединяться в комплексы,которое могут являться зародышами новых фраз и соединений;

- разработанные методики и рекомендации по целенаправленному армированию свойств поверхностных слоев изделий из инструментальных материалов путем их модификации, а также по определению рациональных способов ионных воздействий и их режимов для обработки различных групп инструментальных материалов;

- результаты лабораторных и производственных испытаний физико-механических, химических и эксплуатационных свойств инструментов, прошедюих модификацию;

- рекомендации по разработке технологических процессов модификации поверхности изделий в вакууме.

Практическая ценность работы заключается в:

- созданных алгоритмах и программах расчетов для 1)ВМ выбора моду фицируюцих элементов, оценки существования и свойств их соединений;

- установленных областях рационального применения различных способов ионно-вакуумной модификации поверхности, и оценке возможности их последовательного и параллельного осуществления;

- технологических рекомендациях по проектированию типовых экологически чистых процессов финишной обработки прессово-штамповых и режущих инструментов, а также в рекомендациях по модернизации существующего промышленного оборудования для внедрения этих процессов.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке и внедрении технологических процессов ионно-вакуумной модификации инструментов на НПО "Бостокмашзавод" (г. Усть-Каменогорск, Казахстан). Полученные данные использованы также при разработке нового технологического оборудования для ионно-вакуумной модификации и нанесения покрытий на изделия. Внедрение технологических процессов ИВМ металлорежущих инструментов, штампов и технологической оснастки позволили повысить их стойкость в 3...4 рвза, что дало значительный экономический эффект (г. Полоцк, Беларусь). Типовой экологически чистый процесс финишной 11ВМ стальных прессформ принят для внедрения на машиностроительных предприятиях России Ассоциацией центров инжиниринге и автоматизации Российской Федерации. Испытания работоспособности прессово-штамповых и режущих инструментов, прошедших ионно-ваку-умную модификацию, были проведены в производственных условиях 10 предприятий России и стран СНГ. Положительные итоги этих апробаций подтверждены 14 актами испытаний 'и внедрений.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на 27 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на международных и всесоюзных (СНГ): АМО-89, АМО-91 (Болгария, Ботевград); йтяяндин (Лаплеенрвнга), 1689; I Всесоюзный сьеэд технологов СССР, Москва, 1989; П международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы фундаментальных наук", Москьа, 1994; "Технология-94", С.-Петербург, 1994; "Нелинейные явления в сложных системах", Белоруссия, Полоцк, 1994; "Новые технологии в матино-

¡■роении", Украина, Харьков-Рыбачье, 1994; "Износостойкость машин", )ссия, Брянск, ЫЛ)', I, П и Ш конференции "Модификация свойств кон-грукционных материалов пучками заряженных частиц", Россия, Томск, ¡ердловск, 1986, 1У91, 1УУ4; "Ионно-лучевая модификация материалов" ггва, Каунас, 1ЛЗУ; "Радиационная поврездаемость и работоспособ-)сть конструкционных материалов", Россия, Петрозаводск, Псков, 1990, 193; "Прикладные вопросы ионной имплантации", Белоруссия, Сморгонь, >92; "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения восстановления деталей малин", Белоруссия, Новополоцк, 1993; "Мо-фосация свойств поверхностных слоев неполупроводниковых материалов »средством воздействия пучками заряженных частиц", Украина, Сумы, >94.

В целом работа обсуздена в 1995 г. на совместном заседании кадр "Технология конструкционных материалов" и "Технология машино-роения" С.-Петербургского государственного технического университе-I с участием представителей кафедр "Материаловедение", "Гибкие вв-матические комплексы", "Физике металлов", "Оборудование и техноло-1Я сварочного производства", "Теоретическая механика", "Детали ма-н", "Турбиностроение" СПбГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 58 научных бот, в том числе I авторское свидетельство на изобретение, а также учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти ев, заключения и выводов, изложенным на страницах машинописно текста, содержит 52 рисунка, 20 таблиц , список литературы включающий 203 наименований я три приложения.

В работе приняты обозначения: ИВД - «окно-вакуумная модифика-л, ИМ - инструментальный материал, УЭ - модифицирующий элемент.

СОДЕРХАМЕ РАБОТЫ

I. АНАЛИЗ СОСТОЯЛИ ВШРОСА ПО ПРОБЛЕМЕ ПОВШЕЖЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИНСТРУМЕНТОВ посредством УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ ПОВ2РХНОСТШХ СЛОЕВ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССВДОВАНИЯ

Решению крупной народнохозяйственной пробтеш повышения работо-особности инструментов путем улучшения иг эксплуатационных характе-

ристик посвящено большое число работ отечественных и зарубежных ученых: Ю..М.Барона, В.Ф.Безъязычного, М.С.Бнккер, А.И.Бетпнели, А.П.Бабичева, А.С.Верецаки, Г.И.Грановского, Д.Г.Евсеева, Н.И.Зоре ва, В.Ц.Зориктуева, Ю.Г.Кабалдина, Т.Н.Лоледзе, Л.С.Мураикина, С.Л.Мурашкин'а, А.Д.Макарова, В.С.Мухина, В.Н.Подураева, М.Ф.Полет* ни, В.Б.Протасьева, А.Н.Резникова, С.С.Силина, В.К.Старкова, A.M.С; лимы, В.П.Табакова, Н.В.Талантова, (1.А.Шатёрина, Г.Опитца и др. Результаты этих работ позволили изучить физико-химические механизм! процессов, происходящих как при эксплуатации инструментов, так и при упрочняющих обработках последних, приводящих к улучшению эксплуатационных свойств.

Представленная в работе систематизация научных подходов к управлению свойствами рабочих поверхностей инструментов позволила сд лать вывод о том, что чаще всего применяемое теоретико-экспериментальные метода изучения закономерностей, связывающих эксплуатациоН' ные свойства изделий с физико-химико-механическими характеристикам] инструментальных материалов и с технологическими параметрами процв( сов их обработки, во многих случаях дает достаточно приближенные и упрощенные решения поставленных задач. № отрицая традиционных под ходов, в данной работе использована синергетическья оценка эволюци: системы "инструментальный материал - модифицирующие элементы".

Сравнительшй анализ способов воздействий на инструменты, поз воляпцих улучшать их эксплуатационные свойства, показал предпочтительность применения относительно новых высокопроизводительных физ ко-технкческих методов.обработки. Одним из них является обработка инструментов в вакууме с использовением потоков ионов высоких энер гий. Характерными чертами »того метода является: возможность в шир< ких диапазонах надоменно изменять физико-механические свойства м териалов; хоровме управляемость параметрами процессов обработки и повторяемость результатов; вкологкческая чистота способов.

Исследованию еловых процессов, происходящих при взаимодейств заряженных частиц с веществом, посвяцеш фундаментальные работы та ких физиков, как И.А.Аброян, А.В.Белый, Ы.И.Гусева, А.Н.Дцденко, З.А.Искацдероаа, •.А.Комаров, А.Д.Коротаев, И.Б.Куракин, А.Б.Лигачев, А.Д.Погребняк, Л.И.Оронявичус, Д.И.Проскуровский, Т.Д.Раджабо Г.Л.Саксоганский, Д.К.Тетельбаум, В.А.Вулов, Ю.М.Ягодкин и др. Кор ректное использование фюичесш теорий для изучения процессов, пр исходящих при иснно-вакуутой модификации инструментальных материа

в, является наиболее верным путем разработки на основе изученной ирода явлений рациональных технологических процессов ИВМ инстру-итов.

В работе предложена классификация методов ионно-вакуумных воз-йствий, используем« в машиностроении, которая была взята за ссно-при разработке технологических процессов ионно-вакуумной модифи-ции инструментов. В основу классификации положен технологический юнак - изменение размера поверхностного слоя по нормали к обраба-ваемой рабочей поверхности изделия. Согласно зт?лу признаку спосо-ИВМ разделе»«на три группа:

1. Способы, приводящие к съэму материала и к уменьшению указанно размера (ионко-лучевое, иокно-ллазмекное и плазменно-химическое [Спыления поверхностных слоев тструментов).

2. Способы, не изменяйте размера поверхностного слоя (ионная плантация и диффузионное касирние).

3. Способы, увеличивающие указанный размер (нанесение покрытий).

До настоящего времени отсутствует комплексный подход к исследо-

:нию общих закономерностей технологических процессов ИВМ. Отсутст-•ют денные, в полной мере вскрнваюр» механизмы явлений, возникаю-ос при реализации различи« способов яонно-важуужой обработки. Нет ¡щепризнанной научной методики выбора »ламвнтов и соединений, испо->эуемых при ИВМ, и не иэучеш в достаточной с те if?«* процессы взаимо-¡йствия различных ИИ с 1С, (фкаадлщхе к изменению физик о-химико-ме шических и эксплуатационных свойств жструментальдах материалов. , наконец, отсутствуют каучж* основы разработки технологических юцессов ИВМ для обработки конкретных жсгрументов, кзготовленшх I разных инструментмьжх материалов. Bee «то снижает эффективность .'пользования метсде ИШ1.

Таким образом, йсмовмм направлением исследований, выполненных настоящей работе, является рае работка теоретических и технологи-!сккх основ направленного улучмкия свойств поверхностных рабочих toes инструментов на баае установленных физических закономерностей взажосвявей структуры, фмоаого я химического составов материала качеством модм{мцировснжх поверхностей, о цель» поядаения работо-«собиости инструментов.

Указанная цель исследований моют (fun достигнута решением следок задач:

1) Разработка методологии и методов выбора модифицирующих элементов и управления свойствами инструментальных материалов.

2) Исследование влияния структурного, химического и фазового составов модифицированных инструментальных материалов на эксплуатационные свойства изделий.

3) Определение рациональных областей применения способов ИВМ и ил комбинаций при финишной обработке прессово-штампэвых и режущих инструментов.

4) Разработка принципов построения технологических процессов ионно-вакуумной модификации инструментов.

2. НАУЧ1Ю-ТЕХ11Ы10ГМЧШШЕ (ШШ ШБОРА 1Ю,Д№ЖЩ1ГУЫЦИХ ОЛШЕНГОВ

На основе анализа процессов, происходящих во время ионно-вакуумной обработки инструментов и при эксплуатации последних в условиях высоких термомаханических нагрузок на контактные рабочие поверхности, системного подхода к № как к единому композиционному телу предложены: методология направленного управления свойствами поверхностных слоев изделий посредством ИШ и концепция оценки направления эволюции систеш "инструментальной материал - модифицирующие элементы". Указанию положения явились нзучной основой для выбора модифицирующих элементов при реализации различных способов ИВМ №1.

, Методология управления свойствами поверхностных слоев посредством ИВМ основана на допущении, что система "ИМ - МЭ" обладает способность» х самоорганизации (организации) в твердом состоянии как непосредственно во время ионно-вахуушой модификации поверхностных слоев, так и после нее - при эксплуатация инструментов. Причем при модификации для процессов самоорганизации систеш используется анергия ионов, атомов и их образования - кластеров, молекул и капель, являющихся средствами воздействий иокко-вахуумшх способов обработки. При эксплуатации изделий с модифицированной поверхностью в последнюю будет поступать анергия, адомемм при прохзадании процессов, сопутствующих работе изделий: трение, упругие я пластические деформации, удары и др. Все перечисленное мовет быть век толчком в самоорганизации, так и постоянно дейстфяцш енвргеттесмш фактором для организации систеш "инструментальный материал - модифицирующие элементы".

Концепция оценка ншфвалекм самоорганизации диссипативноя систеш основана на предположении, что моменты последней стремятся

анять энергетически выгодные положения, определяющие общий минимум иергии системы. При «налиэе эволюции конфигурационной модели вещест-а такими положениями являются стабильные электронные конфигурации а внешних валентных оболочках атомов, составляемые коллективнаиро-анкыми электронами. Изменяя соотношения долей стабильных электрон-ос конфигураций за счет электронов внедренных модифицирующих элемен-ов, можно управлять такими свойствами поверхностных слоев инструмен-ов, как прочность, твердость и пластичность.

Для оценки изменения ста^Шеского веса (доли) Ь -ой стабильной яектронной конфигурации в системе "инструментальный материал - моди-ицирупцие элементы" предложено выражение: ^

г! ^ тмо р*0 + Ммэ Рмэ

1е Рх - статистический вес (доля) Ь -ой стабильной электронной

энфигурации системы "ИМ - МЭ", %\ и ^мэ - атомные веса хи-

«еского элемента основы и модифицирующего элемента; Рмо и Р^ -

гатистические веса (доли) (- -ой стабильной электронной конфигура-т элемента основы и модифицирующего элемента, %.

На основе формулы (I) были выведены корреляционные зависимости, (ениваицие влияние элементов периодической системы, наиболее чаете зименяедах для модификации поверхности инструментаяьных материалов, I увеличение или уменьшение доли стабильных электронных конфигура-1й у железа - основы инструментальных сталей и у кобальта - связки 5Твлл0керамически# тйердых сплавов при взаимодействии.

Доли (веса) стабильных электронных конфигураций с/5 , отвечаете за прочность, равны: у железа - 54$, у кобальта - 2335, из всех рентных электронов. Пластичность зависит от числа конфигураций \10, которых у железа 46$, у кобальта - 72£. Полученные эависимо--и оценивают изменение долей конфигураций

4* и сИ' в процентах ш железа и кобальта, при модификации последних элементами, приме-1вдами при ионно-векуумной обработке:

¿1 - »,16 ССп + 4,29 Су + 21,49 ♦ 13,74 С^ + 20,63 С^ + .

+ 32,21 С^ - (5,08 Стг + 13,35 ССо + 21,53 С^,- + + 24,48 ССа) (2)

II

но

д ¿¿ш 13,35 Ср0 4 21,ЬЗ ♦ -¿А,29 - (гг,2Х ССт 4

4 21,27 Сг£ ♦ 21,8« С^ ♦ 29,07 С„в ♦ 35,15 С.^ * "

4 14,58 Сгч * 29,31 См ♦ 37,16 С^ * 35,^0 ¿^ *

♦ 51,49 (10,3& 0Си ♦ 15,52 С^ 4 2,В1 С^ ) КЛ)

А С7,98 СЛ(. ♦ 10,38 ССм 4 1Ь,52 С^ - (32,28 Су;-»

•» 33,30 Оу ♦ 33,75 С^ 4 12,65 Ср> 4 43,74 С2, 4 4 44,С0'Суо 4 54,29 С^- *54.08 СТо> (5)

' где Сь - втотая концентрация £ -го модифицируицего элемента, I.

У«сличение долей ставильных конфигураций указывает не повышение прочности я пластичности, уменьвение - на снижение этих свойств. Используя выражения (1-6), можно ремпгь многоппреметрические задачи выбора химических элементов для их использования в процессах упрочнения, обусловленных поверхностным легированием инструментальных материя.по в.

Дря прогноза существования соединений, образуйте я в поверхностных сисях и результате модификации к оценки их свойств йыли разработан» алгоритм и программ« расчете, ревлиэумцие процедуры: визувль-ного представления двухмер«« распределений свойств соединений от параметров химически* элементов сплавов, делящихся членами обучение Я последовательности, и прогнозирования принадлежности формируемого бинарного химического соедтеиия к определенному классу по эксплуатационным и фгэико-химихо-механяческкм свойствам. В результате исчислений были определены приоритетные гру.тн химических элементов для формирования функциональных переходного, теплопроводного и износостойкого слоев покрытия, которыми окязелись яром, медь, молибден, титан, углерод и азот.

Для осуществления комплексной процедуры выбора модифицируицих цементов, учитывавшей как традиционнее пути решения указанной задачи Iтермодинамический подход, мспользукций анелгс* диагремч состояний и оттные даядае металлургии сплавов), тек щ предложенные пыке иовне методики, реэрбботан баэоанЯ алгоритм шбора химическт элокгнтоа и

¡оедвдений для МШ (рис.14 и на его б а.! о соэдшм соответствующие сгорит»« отбора для основных групп инструментальных материалов:

15лок-схема алгоритм» »(бора химических элементов и соединений для ионно-ппкуу|4ч_>п модификеции инструментов

Допоятмяям!

ы во

оропю'вручиому

1 г

опп« татм*

•мбор • яяа • обр« мнюА бота

Рис.1

Инструмент&льш.е стали

- для распадения дефектного ловерхностнл'о слоя - Ах , N ;

- для ионной модификации:

- сталей для реи^ущих инструментов - V , Си , 77 »7а , V >

А/;

- шгампошх отелей для холодного дсфоршфования и сталей для измерительных инструментов - V , С? , Мо , С и ;

- штамноыос отелей для горячего деформирования - V , С1 > 2.1 МЬ , Тч , V , N .

Мстлллокорамические твердые сплавы

- для распыления дефектного поверхностного слоя - , N ;

- для формирования переходного слоя - С г ,Т/ , N ;

- для формирования теплопроводного и износостойкого слоев -Г г, С ч , СЦ , 2* , Мо , С , /V .

Минеролокеранические твердое сплавы

- для ряспыления дефектного поверхностного слоя - Ит , 77 , С*, Си ;

- для формирования переходного сдоя - М , 77 , С? , Со ( N1, Н , 21 ;

- для формирования теплопроводного и износостойкого слоев -Л*, 77 , С1 , Си , /V/» , М0 , С , N , С .

3 . МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ МОДИФИКАЦИИ ИШТРУМЕНШЬШХ МАТЕРИАЛОВ

С ц-:иью выявления механизма упрочнения инструментов при их ион-но-вакуумной поверхностной модификации проведено машинное моделирование процессов, происходящих при внедрении имплантированных ионов в поверхностные слои инструментальных сталей с мартенситной матрицей.

В результате имплантации эти атомы располагаются либо в междоузлиях решетки (тетр&эдрических или октаэдрических), либо образуют несимметричные гантельные конфигурации. Такие конфигурации являются неравновесными из-за значительных упругих искажений решетки вокруг них. Нагрев поверхностного слоя инструментальной стали, происходящий о результате упругих и неупругих потерь энергии при имплантации, способствует быстрой миграции внедренных атомов и их переходу в устойчивый конфигурации. Возможны следующие механизмы прохоадения этих процессов:

- взаимодействие модифицирующих ионов с вякрн' иями и переход х в стабильные конфигурации занесения;

- взаимодействие имплантированных ионов между собой или с дру-ими примесями в твердом растворе инструментальной матрицу с образо-анием стабиль»« комплексов, которые могут являться преднзделе'.'ияии нтерметаллидов и карбидов.

Для изучения указанных процессов использ.тан метод молекулярной иначики. Особенностью этого метода является то, что для его реали-ации необходимо знать потенциалы межатомного взаимодействия в сие-оме "инструментальный материал - модифицирующие элементы". Расчет х производился с помощью теории псевдопотенциала, в соответствии с оторой парний потенциал межатомного взаимодействия в сплаве пред- -тавляют в виде: ^

до и С*) - потенциал взаимодействия ионов сорта "I" и ";

Н и _ эффективные валентности ионов; 6 - заряд электро-

а, ^ - модуль волнового вектора; Vo ~ средний отошнй объем в плаве; Фс^' - характеристическая функция зонной структура.

9ц 'я - ш- ■

д(э 'ЬГ^ (у,) нЪГ{(у)~ экранированные формфакторы псевдопотенщмГ^ о в ионов, В ((],) - функция диэлектрической проницаемости электрон-ого газа, - функция, учитывающая обменное и корреляционное

чаимодействие электронов проводимости.

В качретпе расчетного был взят модельный псевдопотенциал Анимп-у. Полученнк» значения потенциалов межатомного взаимодействия испо-озопаны для определения полей упругих смещений вблизи точечных де-'.'Ктов, представияицих собой атомы модифицирующих элементен и их смплексы, а также для вччисления знака и величины энергий связи томов в прнмоода.х комплекса*.

Расчетный кристаллит был принят сферическим и еэцержал 1837 томов. Граничным условием при моделировании било жесткое закреплена атомов оболочки сферы в узлах идеальной кристаллической решетки, ис л а подЕижда»: атомов при этом составляло 941.

Поиск рсвноьесныл конфигураций дефектов осуществлен методом молекулярной динамики с искусственней диссипацией кинетической анергии.

Метод молекулярной динамики сводится к численному интегрирование» системы "Л/ " уравнений дни женил " С " «томов;

г-*- ^ —

—

где - радиус-вектор ^ -го атом£.; Г(^ - сила взаимодейст-

вия " ^ " и " I " ьтомов. /

С* * с>( ^

пу ~ со:

Этот метод позволяет определить равновесше смещения атомов мач риц»< вокруг етома примеси (модифицируюцегл элемента). В результате таких смещений объим материале изменяется на величину Д V :

Д V - 43Г- (II

¡де Яц - рбдцус " ^ "-ой координационной сферн вокруг етоме модифч цпруыцегс элемента; Л Кц - радиальное смещение атомов матрицы не "П "-ой координационной сфере.

При расчетах принимался равным где й - параметр ре-

ШОТК И.

Относительное изменение параметра решетки для твердого раствор) замещения определялось но предложенной формуле:

й 3 и 1Т"

где С - атомная концентрация модифицирующего элемента,

Для ренлизации рассмотренной процедуры вычислений бил создан комплект программ, позволивший рассчитать равновесные поля смещений и энергетические характеристики комплексов модифицирующих элементов Результаты вычислений для ряда элементов, чаще всего используе мы к при ионно-в£куу»шсй модификации, в сравнении с экспериментальны ми данными (А.Е.Вол), приведена в табл.1.

Таблица I

Относительное изменение параметра решетки мартенсита в результате ионно-вакуумной модификации элементами, наиболее часто используеммми в качестве модифицирующие %

Модифицирующий

элемент

Относительное изменение параметре решетки

А ( &3. \

Расчет

Эксперимент

Тс

V Со

С-г

яг ыЬ

N1

2,7 23,1 3,1 3,3 17,1 1,7 - 3,У 0,8 1,У

3,0 26, и' 3,5 3,0 13,0

о ^ ^, и

- 3,3

8,4

При пнелиэе расчетных данных сделан вывод о том, что зависимости ¡менения псрачетре решетки линейны до концентраций модифицирующих ■ементов, приблизительно вдвое ниже предела их растворимости в ре-тке <£.-Ре . Созданные алгоритмы и комплект программ дают возмож-)сть при помощи вычислительного эксперимента количественно опреде-пь требуемую концентрацию МО в поверхностных слоях инструментальных ■алей, создящюс заданное напряженное состояние кристаллической ре-•тки.

Кроме моделирования механизма упрочнения была осуществлена оцен-I возможности образования и роста комплексов атомов модифицирующих юментов в решетке мартенсита не ^имере атомов хрома. Возможность »рмирования соединений оценивалась по знаку и значенио энергии свя-1 "Л " атомов МО, образующих комплексы:

•

ГД'-' и¿^ , ¿//ч/ - потонцивш ьоеикдействия атомов моди-

фицирующего элемента между собой ¡1 с ато.мпми мегрици соответственно,

/Т . . Г П 2 Г I

¡•лет,сложенными на расстоянии ; £ д и Ь ^ - энергии релпкса-! мши комплексе и одного атома модифицирующего этьм'нтп соответственна.

Расчеты, проведенные по формуле (Хо), показали, что во всех фьссмотреиш случаях энергия сиязи юмплекгов положительна, и их образование энергетически выгодно.

При оценке энергий связи возможных конфигураций комплексов, состоящих из двух, трех и четм(ч\'< сломов модифицирующего элементе, бале установлено, что наиболее вероятна и энергетически и.;годны конфигурации, когда эти атомы являются ближсйшими соседяии в уэлг<х решет-пи. Причем с увеличением числа атомов значения энергий их связи рес-1 у г и для уигзымпх оптимальнпх комбинаций двух, трех и четырехатом-шх конфигураций оквоались равными + О,О.-1 'Ов, + Сц,17 Зв, + 0,23 ов +

+ 0,01 ав.

Результаты проведенного моделирования позволили предположить образование и рост комплексов на основе атом®в модифицирующих элементов, которые могут стгть зередышеми вг делений (карбидных, нитридних фаз, интерметмлидов), приводящих к дисперсному упрочнению инструментальных материалов как во время ионно-вакуумной модификации, так и в процессе окспяуетации изделий, прошедаи* модификацию.

4. ;Ш1ЕГИ'ЛЕНТЛЛЬН0Е ИССЩОВАШЕ

" влияния иошо-влкуумисй модификации

НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ШСТШйГГАШШ МАТЕРИАЛОВ

Для оценки достоверности теоретических разработок и результатов мйиинного моделирования бнло проведено исследование ряда параметров модифицированного слоя образцов из инструментальных материалов.

Для подтверждения факта получения разработанных выше структурною и химического составов поверхностного слоя использованы методы «нплиза с применением электронн-л* Оже- и ОСХА-спектроскомий. Исследование подтвердило наличие в модифицированных слоях инструменте«ь-

ных материалов сформированных и помощью ионно-вакуумной обработки пере-одного, теплопроводного и износостойкого слоев толщиной каждого 1...2 мкм. Изучение микроструктур! 1 поверхностных слоев позволило вн~ скапать положения о "зЕлечивекщем" действии ЩУЛ на микродефекта поверхности и формирование при этом между покрытием и основой приходной зоны, которая является барьером для выхода дефектов на поверхность инструментов.

Одним иэ основнмх показателей, определяющих функциональное нез-нвчение переходного слоя, является увеличение сили £дгезионной связи понрытвд с основой. Предложенная в работе методика оцеаки адгезионной прочности покрытий относится к косвенным сравнитсяьнпч окепрссс-м^то-дам и основана на измерении тепла, выделяемого при деформации одгези-ва и субстрата йлмййм'ш коническим идентероч. Улучшение пдгеэии покрытия к основе приводит к увеличению работы деформации, при этом возрастает количество выделяемого топля. Для фиксации'этого тепла был использован метод микрокалориметрии, позволяющий определять мощность теплового потока с точностью до I мкВт. На рис.2 представлсш результаты экспериментов в виде семейств кривых, отображающих изменение мощности тепяов'« потоков в зависимости от времени деформации поверхности»« слоев (кривые I, 3, 5 - для образцов из стали ¿ХВГ; 2, ■1,6 - из быстрорежущей стали Р6М5; 7, 8, 9 - из метвллокерамичес-ног-о твердого ~плава Т14КЬ). Кривые I, 2, 7 соответствуют образцам после шлифования без покрытий; 3, 4, 8 - образцам с нРнесеннш методом КИБ покрытиями иэ XIN ; 5, б, 9 - обрпзцы с покрытиями из Т\Ы и с пере/.оддами слоями, сформировеншми умпяэнт&цией хрома в инструментальные матриц.

Из рисунка видно, что переходная зона значительно повышает адгет зионную прочность покрытий, которая косвенно оценивается площадями, заключенными между кривыми и осью абсцисс.

Исследование работоспособности теплопроводного поверхностного слоя показало, что он разгружает режущие кромки инструментов в тепловом отношении, интенсивнее отводя от них тепло и уменьшая градиент температур по сечению лезвия. Сформированные на поверхности .износостойкие слои резко уменьшили износ рабочих поверхностей инструментов по сравнению с ^модифицированными изделиями, я' также с-инструментами, на которые били нанесет традиционные покрытия из кврбонитйидов титана.

4 $

Ч £

о

с

о

м

оомейства кривых, итобра-£.юци< изменение мощности тепловых потоков в 'зависимости от времени деформации поверхностных слоев образцов

го

■15

о

с -

5 <(0

•ё

сз

о

о

.___ - 9 ^ 2

^ 7 б

---1ш ■ ъ

^ £ >>1

Ш

г ч е. $ м

Время де<рор па и, и и, * 40 с

Рис.2

Измерение микротвердости поверхностных слоев ИМ до и после их ионно-ваьуумной модификации упрочнителями, рекомендованными в главе 2 работы, подтвердило теоретические разработки. В частности, при ИВМ стали РСМ5 хромом исходная микротвердость увеличилась в 2,2У раза. Модификация этой же стали титаном и медью уменьшила микротвердость в ¿},94 и 2,63 раза соответственно. Для твердого сплава ТЮКЗ ИБМ егс поверхности хромом повысила микротвердость в 6,2 раза, титаном - в 5 раз. Воздействие мзди снизило величину микротвердости в 1,25 ррза.

Комплексная оценка напряженного состояния поверхностных слоев покезала, что во всех случаях модификации элементами, рекомендованными в качестве унрочнителей, наблкдпется повышение урррня сжимам:;»« напряжений. ИБМ разупрочнителем (кремнием для сталей), наоборот, понижает уровень сжимающих напряжений. 20

Результаты исследований микрорельефа поверхностей сиявши, что после, заточки инструментов преф'11-11" рабочих поверхностей не удовлетворяет требованиям стационарности. Анализ микропрофиля тех яз поверхностей после ИВМ позволил сделать, вы вод об ег<л принадлежности к стационарным в узком смысле, ¡{роме того, оцелки микрорельеф« поверхности в разных ее точках показали, что поверхности твёрдых сплавов после шлифования (заточки) можно считать изотропшми. Поверхности же стальных образцов Оказались рнизоЧ'рогмими с четкой направленностью следов механической обработки.

В табл.2 приведен набор измеренных параметров шероховатости поверхности, необходимых для полного описания профиля. Согласно таблице, ионно-зокуумнея модификация, дополненная по предлюшшпм в данной работе рекомендациям,- улучшает параметр! шероховатости, чего нельзя сказать о поверхностях с покрытиями, нанесенными методом КИВ, Для сравнительной оценки рационального использования существующих способов ИВЧ при обработке различных типов инструментов предложено использовать относительней параметр - функции распределения ординат профиля.

Испытания lia красностойкость (теплостойкосто) не вгявили различия между материалами до и после ионно-аекуумной модификации. Ударная вязкость образцов из закаленной стали PCÎ.C повысилась в результате ИВМ хромом ! 'а 1(У/о. Испытания образцов из ci'.'-ли ЗХ2В02 на питтинго-оую коррозию методом попеременного погружения и образцов из стали PCMD на высокотемпературное окисление (реакция потускнения) позволили сделать вывод, что ионно-вг'куумнее хромирование инструментальных сталей повышает их коррозионную стойкость, в том числе и i с^Ьвне-нию с традиционным электролитическим хромированкэм. "

Анализ процессов, происходящих при контактном взаимодействии инструментального и обрабатываемого материалов при эксплуатации инструментов подвердил, что ИВМ приводит к изменению параметров процесса резания, уменьшая коэффициент утолщения стружки, силу резания, мощность, затрачиваемую на резание, скорость износа режущего лезвия, приводящего к. его округлении.

Установлено повышение работоспособности инструментов, прошедших ионно-вакуумную модификацию по разработанным технологическим рекомендациям, в среднем в 2...3 раза. Выявлена также возможность использования ИВМ для восстановления эксплуьтационнпх спзйстп изделий, отбракованных из-за некачественного состояния их рабочих плп^рхностей.

Таблица 2

Усреднсннне параметры шероховатости поверхностей инструментельньк материалов, прошедших различную обработку

Инст- Способ I Упра- Паряметры шероховатости

румент а- обработки поверхно- вление изме-

Средн. Высота Средн. Наибо- Средний Средний

льный сти рения ерифм. неровн. квадра- льшая- шаг не- шаг ме-

мате- пара- откло- профи- тичес- высота ровно- стных

ригл метров нение ля по кое неров- стей высту-

отно- про- десяти отклон. ностей 3 (Г7 пов

сите- филя точкам профи- профи- ■ мкм профиля

льно «а Яг ля Йу ля Ям

следов мкм мкм мкм

шлифо- мкм мкм

вания

Р6М5 шифова-ниь вдоль 0,24 0,88 0,27 1,07 425,00 28,33

Р6М5 шлифование" поперек 0,21 1,ЗУ 0,2У 2,31 31,0 16,78

Р6М5 шлифование + реепнле-ние Ач вдоль 0,10 0,48 0,12 _ 0,54 141,67 20,56

Р6М5 шлифование + распыление Аъ поперек 0,16 1,13 0,21 1,32 2'.', 60 16,56

Р6М5 шлифование + распыление А* + + ЦВМ С п. вдоль 0,10 0,51 0,12 0,63 182,14 21,98

РШ5 шлифование + поперек 0,18 1,12 0,23 1,47 31,В8 16,78

распадение Ачг +

+ НВМ С*

тс шлифование - 0,57 3,43 0,73 4,14 37,50 17.У6

шлифование + киб(г;с+ +т//у,} 0,75 4,13 0,УЗ 4,64 47,22 13 ,СР.

Т1ГЛСС шлифование + - 0,33 1,64 0,39 1,71 Й1,07 17,;::$

раеПЫЛе- НИО "1 +

+"ИВМ(П- Си-Мс

гг

5. РЕКОМЕНДАЦИЙ РАЗРАБОТКЕ ЖНОЛОГДОЗСШК ПРОЦЕССОВ

ионной модификации оснсв.ч;* групп ипструмеит/льшх

МАТЕРИАЛОВ И ТИПОВ ШСТРУГЕНТОВ

С целью получения исходник донных для разработки технологических процессов ионной модификации и установления областей рационального применения различных способов монно-вакуумной обработки проверены исследования влияния их на точность размеров и формы, р также (а качество поверхностных слоев изделий. Сравнивались ионно-лучевые \ ионно-плазменные способ» респиления поверхности, терморезистивное, <агнетронное нанесения покрытий и метод КИБ при обработке образцов 13 сталей У8А, 'ЛВГ, РОМ5, твердого сплава Т14К8 и минералокерамики ЮК-71.

В результате метрологических измерений получено, что при всех :хемах обработки некруглость отверстий оставалась равной исходной 1...2 мкм) или уменьшалась. Радиус закругления режущей кромки после (еелиэации указанных способов нанесения покрытий оставался неизменяем (7...10 мкм), а после распыления становился меньше. Оба исследуемых способа распыления не ухудшают исходную шероховатость во всем ^следованном диапазоне Ке± 0,1... 1,0, а при малых шероховатостях 1аже уменьшает их значения. Упрочнение инструментов нанесением покрч-•ия увеличивает исходную шероховатость в некоторых случаях до 2...3 >аз (метод КИБ). При Термо-резистивном нанесении покрытий относитель-юо увеличение шероховатости наименьшее.

В результате ионно-плазменного распыления толщина удаленного по-юрхностного слоя (изменение линейного размера по нормали к поаерхно-ти) оказались в 3...5 риз больше, чем при ионно-лучевом травлении, I составила Э...10 мкм при 110 минутах обработки. Причем наибольшая роизводительность по линейноцу съему наблюдалась при реализации три-дной схемы ионно-плазменного травления. При нанесении Покрытий наи-ольшуп прогаводительность, в Б раа превышающую данную характеристику ля других способов, показал метод КИБ (при одинаковом увеличении ли-ейного размера а 4...6 мкм).

Анализ микроструктуры поверхностного слоя показал улучшение од-ородности его структуры в результате рпспылени^ наружного слоя до лубинн 10 мкм. Однако в образцах при этом появились редки«, но до-таточно глубокие трещины (до 20...90 мкм), идущие по нордалигю-ерхности. Такие дефекты могут быть следствием перераспределения

в

напряжений, созданных в результате преда'ествупцих обработок поверхности, при удалении приповерхностных слоев ионным травлением. В »том свете рьсшление мржно рассматривать к я к процесс, "провоцирующий" поверхностные смой инструменте» к выявлению дефектов в них до начала эксплуатации, и затем удалямций зги дефект. Если же длине трецмни оказывалась больше толщину растленного слоя, то последующе мвнесением покрытия удаиолосх. "залечить" се, то есть изолировать от выходе на поверхность. При уе&люнции всех рассмотренных способов тшесе-ния покрытий набледался поворот карбидных строчек ппроллельно поверхности без »«оде на последнею.

Проведеннме доследования дакадши, что не только нанесение покрытий, но и распыление является ролмйрной обработкой, не ухудшающей качество поверхности. Лучшие результясы по производительности получены при применении ионно-плазменного распыления, осуществленного по триодноЯ схеме, и нанесения покрытия по методу 1ЯГГ>. 31 и два процесса достаточно хорошо улравляему и могут'быть базовыми способами при реализации переходов "распыление поверхности" и "нанесение покрытий* в технологической операции иинно-вакуумной модификации. Для формирования переходного слоя в рассмотренной рьнее структуре поверхности предложено использовать метод имплантации ионов.

В работе дани рекомендации по допускаемым температурам нагрева основных групп инструментальных материалов, и, исходя из этого, а также учитывая технологические параметры различных способов ионно-вакууинкх воздействий, определены области их рационального применения (тебл.З).

■г

Таблица 3

Области реционаяьног^ применения основньос способов нанесения покрмтиЯ для обработки инструментальных материалов

Инструментальные материалы Способ н/¡несения пои^пяч

Инструментальные стали с низкой теплостойкостью (углеродистые, легированные, штямповне холодного деформирования) Инструментальные полутеплостой» кие стели (штамповке герячего деформирования) Термоионное осуждение с активацией потока конденсируемого вещества Термоконное осаждение. Конденсс-ция с использованием магнетронноЯ рвсгылительноП систе»!

*

Продолжение табл.5'

Ииструмемгелькм« матерая« Способ нанесения покрятия

Инструментальные теплостойкие стали (быстроре^щие). Сплавы быстрорежущие дисперсиокно-твердещие Термоионное осаждение. Низкотемпературный метод ККБ

Иеталдокервиические твердые сплав* Комбинированной метод И® Свысокотемпературная активация низкотемпературное осаждение)

Кинерелокератмеские твердая сплепы Высокотемпературный метод КЕ

Для проектирования техпроцесса ИШ предложены следующие стадии его разработки:

1. Выбор структуры поверхностного слоя, химически« элементов и соединений для формирования слоев предложенной структуры. Оценка свойств функциональных слоев модифицированного поверхностного слоя.

2. &бор базовых способов ивнно-вакуумных воздействий и определение их перемет ров для операции 'ЛБУ по переходам: рвспыление, формирование переходного слоя и нанесение функциональных слоев понятия.

3. Составление пвршрутнсто техпроцесса ионной обработки, исходя из операций по входная контролю, счистке поверхностей инструментов, подлежащих модификации, самой операции ИВ5С и операций по контролю качества ионная обработки.

4. Составление технологичвгкой документации не операции и перехода.

При разработке техпроцессе »ШГ1 следует рассматривать технологический переход "респылении поверхности" в операции ионно-вакуумной обработки не только как средство очистки поверхности в вакууме, но и как един из самоетоятельнк* способов реамерноНГконна-вадуумиоЙ модификации, автоматически виявлящий и удаяявдий дефекты. Кроме того, целесообразно плевне» переводить процесс преимущественного раегмления 9 пр«имущее тре нну ю »»плантацию цутем поньппения энергии ионов в формируемом тугчке от 2...3 КэВ до 12.,.20 КэВ и более. Необходим* условием при ?тем является использование ионов одного сорта.

Разработаны принципы медернкзвции стандартного оборудования для выполнения операций ИВ*?, и сформупировю« требования к »тощ* обору-

дованию, основными из которых являются: локализовать тлеющий разряд на обрабатываем!.1.;'-. поверхностях; обеспечить высокую скорость распыления модифицируемых поверхностей; обеспечить верхнюю границу абсолютной величиип ускорчгацего ионы напряжения не менее 12...20 КВ; осуществлять регулирование степени ионизации парогазового потока, идущего на обрабатываемые поверхности; предусмотреть возможность относительного перемещения модифицируемых изделий и источников парогазового потока.

Результаты выполненных теоретических исследований явились основой для разработки технологических процессов ИВМ большой геммы режущих, прессово-шгамповых и других инструментов, многократные производственные апробации которых показали повышение их работоспособности в 2...3 и более роз. Разработанные технологические процессы используются и внедрены на ряде предприятий России и СНГ, таких, как "Вос-токмешзввод" (г.Усть-Каменогорск, Казахстан), Полоцкий авторемонтный завод (г.Полоцк, Беларусь), Ассоциация Центров инжиниринга и автоматизации России (г.Санкт-Петербург) со значительным экономическим эффектом, Результаты данной работы заложены в' Государ^венную программу Республики Беларусь "Вакуумная техника и технологии".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОНДОЕ ВЫВОДЫ

На основе выполненных исследований разработаны теоретические и технологические основы направленного улучшения свойств поверхностных слоев изделий из инструментальных материалов посредством их ионно-вакуумной модификации, на безе которых решена актуальная научно-техническая проблема повышения работоспособности инструментов, имепцая важное народнохозяйственное значение.

Разработаны методологические принципы выбора модифицирующих элементов и управления свойствами инструментальных материалов. Исследованы* процессы влияния модифицирующих элементов но изменение структуры, фазового и химического составов поверхностных слоев инструментальных материалов, их физико-механические характеристики и напряженное состояние. Выявлены закономерности происходящие при этом процессов. Даны рекомендации по управлению указанными свойствами. Определены рациональные области применения рассмотренных способов конно-ва-куумной обработки при финипной обработка для основ«« групп инстру-

дентальных материалов и типов инструментов. Сформулированы принципы тостроения технологических процессов ионно-вакуумной обработки инструментов.

Теоретические разработки и технологические рекомендации, содержащиеся в работе, могут быть использован!;: для улучшения свойств по-5ерхностних слоев не только обрабатывающих инструментов, но и других 13делий из инструментальных материалов, таких, как технологическая »снастка (кондукторные втулки, направляющие, установочные элементы фиспособлений), инструменты текстильной и горнодобывающей промышлен-юсти, стоматологические инструменты и др.

Проведенный комплекс исследований позволяет сделать следующие . мводы:

1. Предложена методология направленного формирования свойств юверхностных слоев изделий из инструментальных материалов, создания на базе синергетического подхода к анализу эволюции системы "ин-трументальннй материал - модифицирующие элементе" как непосредст-енно во время ионно-вакуумной обработки инструментов, так и при их исплуатации, которая позволила разработать методы: выбора модифици-укцих элементов и управления свойствами поверхностных слоев инстру-ентов.

2. Разработана концепция оценки направления самоорганизации (ор-аиизации) системы "инструментальный материал ■ модифицирующие элеме-ты", которая обеспечивает возможность, изменяя соотношение долей табильных устойчивых электронных конфигураций за счет электронов мо-ифицируюцюс элементов, направленно улучшать такие свойства поверх-остных слоев изделий, как прочность, твердость и пластич: ость.

3. Установлено наличие корреляционных зависимостей между ведом. атомной концентрацией модифицирующих элементов с одной стороны,

точностью и пластичностью инструментальных материалов с другой стогны, что позволило произвести выбор веда и концентрации модифицирую; элементов для основных инструментальных материалов, улучшаю-лх их эксплуатационные свойства.

4. Установлено, что причиной упругих деформаций решетки мартен-лто и возникновения как сжимающих, так и растягивающих напряжений

поверхностном слое инструментов является внедрение в решетку основы гомов модифицирующих элементов. Показано, что образование и рост >мплегссов из атомов модифицирующих элементов энергетически выгодны,

и что уи£.зонн)>1) кластерине объединения «томов могут являться зародышами Будсленил интерметаллидной фазы в поверхностном слое, приводящей к повышнию физико-механических характеристик этого слоя.

5. При разработке технологического процесса ионно-вакуумной модификации инструментов следует:

- рассматривать переход "растление поверхности" в операции ионно-вг.кучной обработки не только как процесс очистки поверхности от адсорбированных газов и загрязнений и подготовки ее к нанесению покрытия, но и к&к один из самостоятельных способов размерной ионно-вакуумной модификации, автоматически вмявлямцей и.удяляюций де-фиктн поверхностного слоя. Исходя из этого необходимо принимать толщину распыляемого слоя равной или больше толщины дефектного слоя, зависящей от предшествующих операций изготовления изделий;

- используя низкоэнергетическую ионную имцлантецию, формировать переходную зону толщиной 1...2 мкм между основным материалом и покрытием, пок:таицую адгезионную прочность последнего;

- обеспечивятв "плавный" переход режима преимущественного распыления поверхностного слоя в режим преобладающей имплантации путем увеличений величины энергии ионов до 12 КэВ и более;

- выбирать способ нанесения покрытия, исходя из теплостойкости инструментального материала и назначения инструмента. Ограничивать предельно допускаемую темьературу.нагрева при ИВМ величиной на 50...100 градусов ниже теплостойкости (красностойкости) инструментального материала.

6. Установлено, что наиболее универсальным элементом для комплексного улучшения физико-механических свойств поверхностных слоев и получения переходного слоя между покрытием и основой является хром, а для формирования функциональных теплопроводного и износостойкого слоев покрытия рекомендуется использовать титан, хром, медь, молибден, углерод и азот.

' ?. окспериментвльннми исследованиями педтверздена правильность представленных в работе научных положений и технологических рекомендаций по формированию с помощью ионно-вакуумной обработки рациональной структуры поверхностных слоев изделий из инструминтальшх материалов, се ьспечипг.гхцей увеличение твердости, уровня скимг.ицих напряжений, изменение их химического состава, удаление поверхности!« Дефектов, в также управление размерами и качеством поверхностных слоев инструментов.

8. Подтверждено, что ионно-вакуумная модификация приводит к изменения характеристик процесса резания, уменьшая длину контакта инструмента со стружкой, коэффициент утолщения стружки, мощность, ватрачиваемув на резание, и термомеханическую напряженность режущей части инструмента.

У. Установлено и «иогократно подтверждено-в производственных условиях повышение работоспособности прессово-штамповых и режущих инструментов, прошедаих ионно-вакуумную модификацию по разработанным технологиям, а среднем в 2-3 раза. Выявлена возможность исполь-аомкия ионно-вакуумной модификации для восстановления эксплуатационных свойств изделий, отбракованных из-за некачественного состояния их поверхности.

Ю. Созданы рекомендаций для реализации технологических процессов ионно-вахуужой модификации, которые были использованы как'мо-дернизации существующего оборудования (внедрение модернизированной установки ВУП на №0 "Востокмашзавод", г.Усть-Каменогорск, Казахстан), так и при разработке техпроцессов ИВЧ режущих инструментов, штампов и технологической оснастки, внедренных на Полоцком авторемонтном заводе (г.Полоцк, Беларусь) со значительным экономическим эффектом. Технологический процесс ионно-вакуумной модификации стальных прессформ принят к реализации Ассоциацией центров инжиниринга и автоматизации России (г.Санкт-Петербург) с последующим внедрением на ряде предприятий Российской Федерации. Результаты данной работы заложены в Государственную программу "Вакуумная техника и технологии" (Республика Беларусь), а также использованы при разработке перспективных вакуумкос установок для упрочнения мелкоразмергого ¿кст-румента и штаиповой оснастки.

Содержание диссертации опубликовано в 58 работах, основными из которых являются:

1. Сенчило H.A., Власов B.S., Волков С.Е. Повышение работоспособности изделий за счет ионно-вакуумного нанесения покрытий и низкоэнергетической имплантация их рабочих поверхностей// Сб. "Повышение качества изготовления деталей и изделий в машиностроении". -М.: ОД НЛ1, 1968. - С.16-19.

2. Купцов С.Н., Сенчило И.А. и др. Направленная модификация эксплуатационных свойств изделий ионно-лучевой обработку// Модифи-

2У

кация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частит, чЛ. - Т..мис: ПИ, Ьсо. - С.123-12Г/.

3. Сенчичо И.А., Бгрышников В.В. и др. Прогнозирование свойств ионно-моди^ицироЕаннм/. поверхностных слоев прессового и штампового инструмента// Сб. "Повышение стойкости штымповой оснастки и инструмента". - Улан-Удэ: 1ГГ0 Пешпром Бурятской АССР, I3SÜ. - С.38-39.

4. Иатерин М.А., Сенчкло И.А. Выбор химических элементов и соединений для комбинированной ионной обработки изделий// Тезисы докладов Первого Всесоюзного сьездя технологов-машиностроителей. -М.: I.U-). - С.30-37.

5. Сенчило И.А., Дебелей H.H. и др. Повышение работоспособности матриц для горячего выдавливания сверл методом ионного населения покрытий// Межвузовский сборник "Оптимизация технологических процессов по критериям прочности" - Уфа: УАИ, IX'J. - С.178-184.

С. Сенчило H.A. Прогнозирование повышения эксплуатационник характеристик инструментов в результате их ионной обработки// Резюме четвьрти научно-технически семинар с международно участие по некон-венциснални технологии в мешиностроенето. - Ботевград: Болгария, 1989.

7. Сенчило И.Л. Методологические аспекта разработки технологических процессов ионно-вакуумной модификации поверхности изделий// Сб. "Достижения и пути развития технологии машиностроения". - Л.: лдшп, гэуо. - с.31-32.

8. Сенчило И.А., Олейников И.И. и др.// Управление качеством поверхностях слоев изделий посредством ионннх воздействий на них. Повышение качества изготовления изделий в Машиностроении. - Л.: ИЛИ, I3t0. - С.9-14. Межвузовский сборник.

9. Сенчкло И.А. Прогнозирование повшения эксплуатационных характеристик изделий в результате ионной обработки// АМО, Болгария. Доклады електротехнологии. - Ботевград: 1&У0. - С..6-107.

10. Сенчило И.А., Барченко В.Т. и др. Увеличение износостойкости минералокерамики BGK-C0 ионной обработкой// Тезисн докладов П Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". - Свердловск: ПШГ СССР, АН СССР, 19Э1. - С.123-125/

11. Сенчило И.А., Смирнов A.M. и др. Особенности резработки технологических процессов ионной обработки изделий// Прогрессивные

ЭО

технодогические процессы в машиностроении. - Л.: ЛГТУ, 1990. -С.40-43.

12. Сенчило И.А,, Попов А.И. и др. Повышение надежности работы инструмента из минералокерамики за счет модификации их рабочих поверхностей// Сб. "Прогрессивные технологические процессы механообработки и сборки". - Шб; ДДШП, 1391. - С.18-20.

13. Барченко В.Т., Барышников В.В., Сенчило H.A. и др. О возможности применения установок серии УВП для комбинированной ионно-вькуумной модификации поверхностей изделий// Вакуумная техника и технология. T.I, № 3, 1991. - С.52-54.

14. А.с.М I699745I, Способ изготовления штампов// Акимов В.Л., Барышников В.В., Сенчило H.A. и др. Заявка Ii 4700965. Приоритет изобретения 05.06.89. Зарегистрировано в ПРИ СССР 08.08.91.

15. Сенчило И.А., Барышников В.В. и др. Отделочная вакуумная обработка прессово-штамповых инструментов из быстрорежущих сталей// Сб. "Отделочно-чистовые методы обработки и инструменты автоматизированных производств". - Барнаул: АПИ, 1991. - С.47-50.

IG. Сенчило И.А. Повышение эксплуатационных характеристик материалов за счет ионной модификации их поверхности// AM0-9I. Доклады електротехнологии. - Республика Болгария, Ботевград, 1992.

17. Попов А.И., Сенчило И.А., Шефер Н.И. Разработка технологического процесса упрочняющей ионно-вакуумной обработки минералоке-рымических редущих пластин// Сб. "Современные достижения в механо-обрабатыващем и сборочном производстве. - Шб:'МЦЕ)НТ, СПбИА, 1993. - С.33-34.

18. Сенчило И.А. и др. Управление свойствами поверхности изделий иэ инструментальннх сталей путем их ионно-вакуумной модификации// Вакуумная техника и технология. Т.П, № 5-6, 1992. - С.34-37.

19. Сенчило И.А. и др. Формирование функциональных поверхностных слоев на изделиях иэ минералокеремики// Сб. "Повышение производительности и качества обработки изделий электрофизическими и комбинированными методами4-. - СПб: СПбПУ, 1992. - С.26-30.

20. Барченко В.Т., Еремеев Е.В., Сенчило И.А, Исследование возможности применения окседов индия и олова, получендах реактивным ма-гнетронныч растлением, в качестве твердых смазок в узлах трения// "Вакуумная техника и технология". Том П, W 5, б, 1992. - С.25-26,

21.'Сенчило И.А. Синерегтический подход к разработке технологических процессов ионно-вакуумной модификации поверхности// Сб. "Ион-

но-плезменные и смежные с ним технологии". - СПб: ЩМАШ РАН РФ, 1994. - С.16-23.

22. Сенчило И.А., Смирйов A.M., Шефер Н.И. Оценке свойств инструментальных материалов на основе построения и анализа эволюции их конфигурационных моделей// Технология-94.^ Материалы международной научно-технической конференции. - СПб: СПбИА; ПШ; 1994. -

С.25-26.

23. Барченко В.Т., Заграничный С.Н., Сенчило И.А. Влияние иок-но-плазменной обработки на характеристики режущего инструмента из металлокерамики// Сб. "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". Т.2. - Томск: Сиб.отд. РАН, 1994. -С.159.

24. Сенчило И.А'. Улучшение совместимости покрытия и основы посредством формирования переходной зоны между ними// Сб. "Ноше технологии в машиностроении". - Харьков: АН Украины, 1994. - С.101.

25. Ефремов В., Кожуро Л., Сенчило И. и др. Управление процессами самоорганизации при комбинированных методах формирования и эксплуатации поверхностей изделий// Труды Второй международной научн.-техн. конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук? Т.5 "Новые технологии". -М. :/995\

2G. Kheifetz М., Hor.huто L, SMpkt A, Se«ch,to I. The c/esif* öS tt>y*»med i-ftti^Ani processes oh t*e fase ojf

iL;*J annua/ seMi'h¿/иe*7ркеноьл&ьл Ch co»>/>-Sey syf¿e»ts, - Poéccitk: ?PV/S9<t,-f>. W-W.

27. Яцериц-ш П.И., Кожуро Л.М., Хейфец М.Л., Сенчило И.А. О самоорганизации в технологически-эксплуатационных процессах при комбинированных методах обработки металлов// Доклады АН Беларуси. Т.ЗУ * I, 1995. - C.II2-H6. , ' ,

28. Seht/ÍÍÍ.Wí/1, Al>/>é¡c«ticн о} Üu,

¿oh ¿пЬ&ЛаИси fei high SfieeJ s/ííA s«*/*« Pay 17t Wtfrf*t p

ßauett frot/t-éla- #f «OA-S^/cWtfCTV*/ WteWCS

аЩ рЫиЛ ¿W.- W : ЪЫ^Ф.-,.

29. Ящерицнн П.И., Випко A.A., Сенчило И.А. и др. Использована Самоорганизации физико-химически^ процессов при проектировании комбинированных методов упрочнение и вое с тан о плеч ил деталей// Сб.

"Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения И вос-:твноалеиия деталей мешки"/ Новополоцк: МОИ и АН Республики Беларусь , 15У5. - С.132-134, '

30. Сенчило И.А. Основы разработки технологических процессов юнно-лучевой модификации поверхности изделий// Труда СПбГГУ N 4G5 'Управление технологическими системами". - СПб: СПбПУ, 1995, -',.73-77.

31. Сенчило И.А., Васильев A.A. Моделирование поведения ионов «одифицирующих элементов при внедрении их в кристаллическую решетку шструментельнкх сталей// Сб. "Совремекше технологии изготовления

I сборки изделий". - СПб: ПИМяш, 1995. - С. 103-105.

32. Сенчило И.А. Ионно-вакуумная модификация свойств поверхно-лшх слоев инструментальных материалов// "Инструмент?, Я I, 1995.

■ С.26-39.

Подписано* печати #/.95 Тираж WO -tri

Зака-ч Nb jfí Z

Отпечатано в НИЦ (ЛШП'У. 195251 C'aHK!-Ueiepr»>pi. По пгтечничегкая \л 29