автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Упрочнение инструментальных материалов нанесением кремний содержащих покрытий в низкотемпературной плазме

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

од

. _ _ „ На правах рукопис и

/ В Г/Пи

РУБИНШТЕЙН Владимир Михайлович

УПРОЧНЕНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НАНЕСЕНИЕМ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ.

(05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск - 1998

Работа выполнена в Воронежском государственном университете

Научные руководители:

кандидат физ.-мат. наук, профессор Суровцев И.С. кандидат тех. наук, доцент Тригуб В.Б.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Гадалов В.Н. Кандидат технических наук, профессор Орлов A.C.

Ведущая организация:

Саратовский государственный технический университет

Защита состоится " июля 1998 г. в час, на заседании диссертационного совета Д 064.50.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, Курск, ул. 50-лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Автореферат разослан ¿56"" мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор О—Яцун С.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности производства и качества продукции в машиностроении неразрывно связаны с внедрением ресурсосберегающих, малоотходных технологий. В этом аспекте, принимая во внимание дефицит высоко качественных вольфрамсодержащих инструментальных материалов, а также трудности технологического плана, возникающие при его изготовлении, большое значение приобретают методы создания поверхностных слоев с улучшенными эксплуатационными характеристиками. К настоящему времени разработано большое количество методов модифицирования поверхности. Однако, ни один из них не позволяет решить всю совокупность проблем, которые ставит современное машиностроение. Поэтому разработка новых технологических процессов получения упрочняющих покрытий, по-прежнему, остается актуальной задачей.

Успехи, достигнутые в конструировании генераторов низкотемпературной плазмы и в том числе высокочастотных индукционных (ВЧИ) плазмотронов, создали предпосылки для использования плазменных потоков в различных технологических процессах. Работами Дресвяна C.B., ПолакаЛ.Д. и др. была показана возможность получения различных покрытий в плазме при атмосферном давлении. Плаз м ох и м и чес ки ii синтез при атмосферном давлении и напыление слоев заданного состава позволяет ожидать приобретение ими свойств, недостижимых при нанесении покрытий традиционными дуговыми или вакуумными методами. Вместе с тем, благодаря наличию большого числа факторов, влияющих на плазменные процессы, пока не существует общепринятых рекомендаций по выбору оптимальных конструкций реакционных камер или параметров технологий нанесения покрытий. Кроме того, определение наиболее перспективных для плазмохимической обработки групп инструментов невозможно без выяснения влияния плазменного воздействия на прочностные характеристики инструментальных материалов и свойства получаемых пленок.

Цель работы и задачи исследования.

Цель работы - разработка технологии нанесения крем-нийсодержащнх покрытий в потоке низкотемпературной плазмы атмосферного давления, генерируемой высокочастотным индукционным плазмотроном, для упрочнения инструментальных материалов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработать оптимальную конструкцию реакционно-разрядной камеры ВЧ-плазмотрона, применимую для воспроизводимого нанесения кремнийсодержащих покрытий.

2. Выявить кинетику получения покрытий с преимущественным содержанием карбида кремния для выяснения механизмов образования покрытий и оптимизации технологических процессов.

3. Установить физико-химические свойства получаемых слоев в зависимости от режимов напыления.

4. Определить зависимость прочностных характеристик и структуры инструментальных материалов от режимов плазменного воздействия.

5. Провести стойкостные испытания инструмента с покрытием и разработать рекомендации по внедрению плазмо-химического упрочнения в производство.

Методы исследования. Применяемые в работе методы исследований включали: ИК-спсктроскопию с использованием спектрометра UR-20; ультрамягкую рентгеновскую эмиссионную спектроскопию на приборе РСМ-500; Оже-электронную спектроскопию на Оже-спектрометре Auger chart 07400; метод дифракции электронов высоких энергий на электронографе ЭМР-100. Рентгеноструктурный анализ проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3; дюромстричсские исследования - с использованием твердометра ПМТ-ЗМ; шероховатость поверхности определялась по стандартным методикам с помощью профилографа-профиломстра модели 201 и профи-лометра с унифицированной электронной системой модели 283.

Использование современных приборов, оборудования, методик исследований и анализа для решения поставленных в дис-

ссртации задач позволило обеспечить достоверность полученных результатов.

Научная новизна. Проведено комплексное изучение процессов плазмохимического синтеза кремнийсодержащих соединений в высокочастотной плазме газового разряда.

Изучено влияние физико-хтппеских факторов на качество и воспроизводимость процесса нанесения покрытий БЮ в плазменном потоке при атмосферном давлении.

Разработана технология и конструкция реакционно-разрядной камеры (РРК) плазмотрона, позволяющая получать пленки БЮ и их композиции с воспроизводимостью, обеспечивающей перспективность промышленного освоения процесса.

Практическая значимость работы. Полученные результаты имеют научное и практическое значение:

- разработаны физико-химшескне основы взаимодействия потоков низкотемпературной плазмы с поверхностью металлов с целью создания упрочняющих кремнийсодержащих покрытий;

- предложено 3 принципиально новых способа синтеза карбида кремния, а также технологические регламенты их получения.

Реализация результатов работы. Разработанный технологический процесс улучшения эксплуатационных характеристик поверхности нанесением пленок Б^О Т^С получил применение на ряде предприятий и удостоен серебряной медали ВДНХ СССР. Технологические приемы, материалы, предложенные на основе проведенных исследований, защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретения и патентом РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- новая конструкция реакционно-разрядной камеры плазмотрона для нанесения пленок 8 ¡С;

- кинетические закономерности процессов нанесения кремнийсодержащих покрытии и влияние на них дополнительно вводимых в плазму графита и паров Н20;

- результаты исследований состава и структуры получаемых покрытий, их зависимости от параметров процесса;

- закономерности плазменного воздействия на состояние поверхностных слоев металлической подложки;

- технология получения кремнийсодержащих пленок, позволяющая улучшить качество инструмента и его режущие свойства;

- результаты технологических и конструкторских разработок, выполненных на основе проведенных исследований и используемых в производстве.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: III Всесоюзной конференции "Неорганические стекловидные материалы и пленки на их основе" (г.Москва, 1983 г.), республиканской конференции "Повышение эффективности внедрения новых технологических процессов в металлообработке (г.Курск, 1984 г.);Всесоюзной конференции "Интенсификащш технологических процессов механической обработки"(гЛенинград, 1985 г.); VIII Тамбовской областной научно-технической конференции по спектроскопии (г.Тамбов, 1987 г.); научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии-89" (г.Курск, 1989 г.); VII Международной конференции по инструменту (г. Miskolc, Hungry, 1989 г.); седьмой отраслевой научно-технической конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (г.Махачкала, 1990 г.); республиканской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии" (г.Курск, 1991, 1997 г.г.); Всероссийской научно-технической конференции "Современная электротехнология в машиностроении" (г.Тула, 1997 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники. Сварка-97" (г.Воронеж, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения СССР, 1 патент РФ; результаты исследований отражены также в 3-х отчетах по научным темам, прошедшим государственную регистрацию.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 158 страниц машинописного текста, рисунков - 54, таблиц - 37, список литературы содержит 126 наименований, приложения на 5 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель работы и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен аналитический обзор научно-технической литературы и дана характеристика методов упрочнения металлических материалов. Особое внимание уделено плазменным методам создания поверхностных слоев со специальными свойствами, в частности получению покрытий в высокочастотном поле плазмотрона при атмосферном давлении.

Многочисленные рассмотренные методы зачастую не отвечают требованиям промышленности по экономичности, эффективности и отрицательному воздействию на подложку и поэтому имеют определенные границы применимости.

Сопоставление методов улучшения поверхностных свойств показывает, что наиболее предпочтительным является применение способа плазмохимического напыления в высокочастотной плазме на поверхность различных инструментальных материалов.

Повышение износостойкости инструмента при нанесешш покрытия связано с рядом эффектов: уменьшением трения в контакте "инструмент-деталь", уменьшением склонности к окислению, повышением твердости поверхности, уменьшением тепловой нагрузки. Различные типы покрытий в той или иной степени создают эти эффекты в зависимости от физико-механических и термических характеристик напыляемых материалов.

В последние годы гамма применяемых материалов покрытий существенно расширилась, причем усиливается тенденция применения многослойных покрытий с оптимальным сочетанием свойств различных слоев покрытий. Сравнительные характерис-

тики показывают, что покрытия на основе кремния (SiC, Si3N4, Si02) обладают удачным сочетанием свойств, наряду с дешевизной и доступностью образующих компонентов.

Плазмохимический управляемый синтез кремнийсодержа-щих пленок в потоке ВЧ-плазмы и создание на его основе промышленной технологии является достаточно сложной проблемой. Исходя из изложенного для достижения цели исследования сформулированы основные задачи работы.

Вторая глава посвящена разработке конструкций разрядных камер и физико-химических процессов, протекающих в плазме. Оптимизация конструкций проводилась на установке с генератором ВЧИ 11-63/1,76 мощностью 90 кВт с кварцевой разрядной камерой диаметром 120 мм, охватываемой индуктором диаметром 180 мм. Процесс происходил при атмосферном давлении. В камере инициировался безэлекгродный разряд инертного газа -аргона. Источником кремния служил кварцевый вкладыш, который погружением в плазменный разряд доводился до температуры эффективного испарения (абляции). Пары двуокиси кремния поступали в плазму, где происходило разложение их на исходные компоненты и частичная ионизация. Поставщиком углерода служили пары этилового спирта или другого углеводородного соединения, которые перемешивались с парами Si02 и переносились потоком плазмообразукмцего газа к подложке, которая размещалась в факеле ВЧИ-разряда в зоне, соответствующей получению стекловидного покрытия, на изолированном столе.

Изучались и сопоставлялись конструкция вкладыша, состоящего из набора стержней, диаметром 9-16 мм, расположенных равномерно по окружности вокруг оси камеры и конструкция, состоящая из цилиндрического стержня, расположенного соосно камере с диаметром, составляющим 0,3-0,7 от внутреннего диаметра рабочей камеры. Конструкции вкладышей предусматривают возможность их продольного перемещения и вращения вокруг оси. Газораспределительная система позволяет производить как тангенциальную, так и аксиальную подачу плазмообра-зующего газа.

Установлено, что недостатками первой конструкции вкладыша является большая нестабильность параметров, которая обусловлена хаотическим перемещением плазменного сгустка, вызывающего неравномерность абляции и разброс конечных результатов.

Применение конструкции с центральным стержнем обеспечивает эффект стабилизации разряда и абляции, что приводит к увеличению воспроизводимости характеристик покрытия, причем стабилизация происходит во всем диапазоне параметра Н.

Рис.1. Схематическое устройство реакционно-разрядных камер с цилиндрическим вкладышем (а) и с вкладышами из набора

стержней (б)

Н - глубина погружения вкладыша в плазму; И - расстояние от нижнего среза индуктора до подложки; с! - диаметр цилиндрического вкладыша; В - диаметр камеры. 1 - система напуска плазмо-образующеш газа; 2 - разрядная камера; 3 - испаряемые элементы; 4 - зоны абляции; 5 - плазменный сгусток; 6 - ВЧ-индуктор; 7 - подложка.

Определено, что величина подводимой к разряду мощности, расхода газа, углеродсодержащей компоненты оказывают наиболее существенное влияние на характер плазмохи-мических процессов, протекающих в разрядной камере. Изменением этих параметров можно контролировать напыление и получать пленки с разным составом.

Установлено, что при напряжении на аноде генератора от 5,5 кВ до 9,5 кВ и расходах аргона от 20 до 100 л/мин, возможно добавление углеродсодержащей компоненты до 0,5 - 0,6 г/литр. Дальнейшее увеличение ее количества приводит к прекращению горения плазмы. Присутствие углеводородного соединения менее 0,03 г/литр практически не влияет на характер процессов в плазме и на состав пленки 8Ю,.

Методами поверхностных датчиков проведены измерение и расчет по схеме распространения тепла в полуограниченном стержне с боковой теплоизоляцией температуры и тепловых потоков через поверхность. Решение уравнения теплопроводности имеет вид: _

Т(х,т)-Т0 —т= \

2л/а-т

где Т(хд) - температура стержня в точке, находящейся на расстоянии х от открытой поверхности в момент времени т; q -плотность теплового потока; X, а - коэффициенты тепло- и температуропроводности; Т0 - начальная температура; ¡егГс Ъ - табулированная функция.

Определено, что плотность теплового потока при изменении Ь от 200 до 250 мм (Ь - расстояние между подложкой и нижним витком индуктора) резко уменьшается с 900 Вт/см2 до 150-100 Вт/см2 и при Ь~240-260 мм значение стабилизируется и не зависит от введения в плазменный поток дополнительных реагентов.

Исследовано влияние добавок воды и углерода (в виде графита) на скорость пленкообразования и воспроизводимость.

Установлено, что добавление к плазмообразующему газу паров Н20 не влияет на скорость роста толщины пленок, но

снижает чувствительность состава формируемой пленки к неизбежным нерегулируемым колебаниям технологических параметров ее получения. Наибольшее снижение получено при концентрации паров Н20 по массе 10-30 % от расхода углеводородо-содержащего соединения.

Определено, что помещение в поток газа носителя между подложкой и плазменным разрядом графита повышает качество пленки за счет уменьшения содержания в ней двуокиси кремния.

Максимальное уменьшение доли 510, наблюдалось при наличии в потоке углеродосодержащей компоненты в количестве 20-40 % от предельно возможного ее присутствия в плазме. При тех же условиях напыления, но без графита содержание 5Ю2 в покрытии увеличивалось на 15 %.

Такой эффект объясняется связыванием углеродом избыточного кислорода и образованием частичками графита центров кристаллизации, что увеличивает вероятность синтеза 55С.

В третьей главе представлены результаты исследований состава, структуры и физико-механических свойств износостойких покрытий. Для подложек были использованы полированные кремниевые пластины, образцы инструментальных сталей и твердые сплавы, применяемые в производстве.

ИК-спекгры поглощения получали на спектрофотометре 1Ж-20 в области 2000-400 см-1. Спектры пленок № 1 (рис.2) имеют характерный для БГС вид. Интенсивная полоса поглощения с максимумом при 825 см-1 имеет сложную структуру, характеризующуюся наличием ряда перегибов и соответствует валентному колебанию связи 5ьС. Слабая полоса ~ 1060 см1 свидетельствует о наличии в пленке оксидных включений.

Для определения точных значений перегибов полосы у=825 см1 применяли графический метод разделения сложного контура с использованием функции Лоренца. В результате были получены три полосы с максимумами 750, 820, 940 см1. Наибольшая интенсивность наблюдалась у полосы валентных колебаний БьС-групп (У=820 см1). Формируемое покрытие представляет собой карбонитрид кремния С N с оксидными включениями. Содержание карбида превышает 50 масс.%.

Рис.2. ИК-спектр поглощения пленок карбида кремния (пленка № 1) и нитрида кремния (пленка № 2)

Анализ состава методом ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии показал, что плотность валентных электронных состояний поверхностных слоев ~ 10 нм имеет структуру оксикарбвдов. В более глубоких слоях до 60 нм пленка имеет плотность состояний характерную для а-ЗЮ. Ближе к границе раздела вклад связей БьО в плотности валентных состояний вновь резко возрастает. Методом Оже-спектроскопии в сочетании с ионным травлением построен эмиссионный профиль пленок. Показано, что концентрация азота также заметно повышается к границе раздела. Анализ химического сдвига Ь,УУ-линий подтверждает, что поверхностный слой близок по составу к оксикарбиду, а объем к 81С.

Электронографические исследования пленок, полученных в разных режимах, показали наличие аморфных образцов и образцов со структурой поликристаллического карбида кремния, состоящей из зерен со средним размером ~ 50 нм. Изменяя режимы напыления и регулируя количество кислорода, углерода и азота в парогазовой смеси можно получать пленки карбида кремния, нитрида, двуокиси кремния, либо их композиции.

При изучении возможности использования пленок в качестве упрочняющих покрытий необходимы исследования адгезионных и прочностных свойств покрытий. Адгезию определи методом царапания на приборе ПМТ-3. Показано, что при значении полуширины зоны разрушений d<10-12 мкм испытываемый образец обладает высокой адгезионной стойкостью. Установлено, что полуширина зоны разрушений d образцов пленок SiC, имеющих примыкающий к границу раздела с подложкой слой окси-карбида составляет ~7-8 мкм, а эксплуатационные показатели их выше чем у образцов с равномерным содержанием карбида кремния.

Микротвердость определялась на образпдх из твердою сплава марок ВК8, Т15К6, R30 с толщиной пленки 0,5-0,8 мкм. Увеличение значений микротвердости в 1,1-1,3 раза после ПХО наблюдалось в 80 % случаев, в 20 % микротвердость оставалась на том же уровне. Обработка образцов плазменным потоком, но при отсутствии в аргоне парогазовой смеси реагентов Si, С не дает изменения исходной твердости, следовательно, приращение микротвердости определяется только пленкой SiC, а не плазменной обработкой.

Для оценки изменения шероховатости использовались стандартное оборудование и стандартные методики. В целом профи-лограммы образцов, подвергнутых плазмохимической обработке, меняются незначительно, характеризуясь несколько более сложным рельефом, чем до плазменного воздействия.

Установлено, что ПХО не ухудшает показатели шероховатости как углеродистых и легированных сталей, так и твердого сплава. Плазмохимическая обработка может использоваться как финишная технологическая операция, практически не меняющая характеристики поверхности и геометрическую форму деталей и инструмента

В четвертой главе приведены результаты исследований изменения физических свойств поверхностных слоев подложек из инструментальных материалов в зависимости ог особенностей предварительной термической обработки.

Предварительная термическая (отжиг, закалка с отпуском) и механическая (шлифование, полирование) обработка перед ПХО создают различное структурно-напряженное состояние поверхностных слоев, в которых высокоэнергетическое плазменное воздействие приводит к фазовым, структурным, магнитным и другим превращениям, отличающимся природой, направлением, скоростью и полнотой.

В отожженных сталях с низким стабильным уровнем остаточных напряжений, в которых природа и размеры фаз отвечают требованиям минимальной свободной энергии системы, ПХО вызывает во всех случаях повышение микротвсрдости поверхностных слоев на 20-30%, тем большее, чем ниже был исходный уровень твердости, в свою очередь, зависящий от количества в структуре самой мягкой составляющей - феррита.

Измеряемая микротвердость представляет собой интегральную характеристику, слагаемую из микротвердости собственно пленки на основе 81С (14700-34300 МПа, в зависимости от состава), микротвердости поверхностных слоев металлической подложки и микротвердости переходных слоев, которые могут образовываться на границе стали с пленкой в результате диффузии адсорбированных из плазмы ионов 81, С, О, И, Н при плазменном разогреве подложки. Для исключения влияния собственной твердости пленки исследовались наряду с напыленными также образцы после ПХО в условиях, исключающих образование пленки (в отсутствии ионов 51 в плазме). Так как и в этом случае отмечалось упрощение поверхностных слоев, его можно объяснить только как результат процессов, проходящих в металлической подложке. Сопоставление результатов металлографического и рентгенострукгурного анализа с данными по микротвсрдости показывает следующее: параметр решетки феррита не меняется при всех условиях напыления и для всех сталей, следовательно, изменение легированности ферритной матрицы не происходит; уши-рение рефлекса (220)а на дифрактограммах и возрастание показателя статических и динамических искажений решетки в 1,5-2 раза показывает, что действие ПХО вызывает усложнение тон-

кой структуры феррита, повышающее плотность дислокаций, и фазовые превращения в отдельных тончайших микрообъемах.

Генерирование новых дислокаций может быть следствием ударного воздействия плазмы, если происходит локальный сверхбыстрый разогрев поверхностных микрообъемов, когда время действия импульсов энергии (10-9... 10- 11с) сравнимо с длительностью релакеащш. Такой же эффект вызывает действие переменного магнитного поля, когда отдельные микрообъемы разогреваются до температур выше точки Кюри и температур фазовых а-у превращений, что инициирует изменения субструктуры, обусловленные маппггострикционными напряжениями.

Вклад в упрочнение могут вносить фазовые превращения -закалка тончайших поверхностных слоев, разогрев которых выше температур А, и А, (Аст) производится плазменным потоком, а резкое охлаждение достигается за счет теплоотвода вглубь массивной стальной подложки. При этом в связи с кратковременностью нагрева диффузия в стали весьма ограничена, и исходная химическая неоднородность феррито-карбидных участков наследуется получаемым мартенситом. Этим объясняется наблюдавшаяся неоднородность значений микротвердости поверхности, усиливающаяся после ПХО. Дополнительный вклад в неоднородность получаемых структур вносит пространственно-временная нестабильность плазменного потока.

При наличии стеклоподобной пленки с хорошей адгезией к поверхности добавочным упрочняющим фактором, кроме высокой твердости собственно пленки, являются термические напряжения, возникающие при охлаждении после ПХО в связи с разницей в коэффициентах линейного расширения и модулях упругости пленки и подложки.

На практике инструментальные стали используются в ме-тастабильном состоянии, после закалю! с низким или средним отпуском. В таких подложках ПХО вызывает протекание наряду с изученными дополнительные фазовые и структурные изменения, неоднозначно влияющие на прочностные свойства. В нетеплостойких углеродистых и слаболегированных сталях 45, 40Х, У8А, ХВГ

со структурами мартенсита отпуска и квазиэвтектоидов (троости-та, сорбита) макротвсрдость уменьшается, тогда как в сталях карбидного класса Р6М5 и Х12М она возрастает на 2-4 НЯС. В случае метастабильной подложки принципиально возможны следующие эффекты от воздействия высокоэнергетической плазменной струи: повторная закалка микрообьемов, разогретых выше температур фазовых превращений; доотпуск микрообъемов, разогретых до температур ниже А,, но выше температур предшествовавшего объемного отпуска. При этом приповерхностные участки разогреваются непосредственно плазменным потоком, а глубже расположенные слои - за счет теплопроводности. В микрообъемах происходят сложные превращения, характерные для закалки и отпуска сталей перлитного и карбидного классов изучаемых марок, отличающиеся от процессов при объемной термической обработке кинетикой и полнотой протекания. Этот вывод подтверждается результатами определения микротвердости и рентге-нострукгурного анализа. В нетеплостойкой стали 40Х уменьшение полуширины Ь/2 рефлекса (220)а свидетельствует о снижении уровня микроискажений и укрупнении блочной структуры а-железа, т.е. о преобладании эффектов отпуска над закалочными. Эти процессы интенсивнее вдут в случае исходной мартенситной структуры, по сравнению со структурой троостита. Еще более чувствительным параметром является фактор ослабления интенсивности В, величина которого, характеризующая статические и динамические искажения решетки, меняется от нескольких процентов до 450%. Таким образом, действие ПХН проявляется как на уровне напряжений, действующих в объеме зерна и между зернами, так и в еще большей степени - на величину и знак напряжений, возникающих внутри объемов с размерами порядка нескольких элементарных кристаллических ячеек.

Легирование делает неравновесные структуры мартенсита и аустснита более устойчивыми, а все термически активируемые процессы идут медленнее и при более высоких температурах. Поэтому эффекты от действия ПХО на высоколегированные стали Р6М5 и Х12М отличаются от наблюдаемых в углеродистых и

малолегированных сталях. Отмечаемое повышение макро- и мик-ротвсрдости в сочетании с изменением вида дифрактограмм свидетельствует о преимущественном развитии процессов отпуска, сопровождающихся вторичным твердением - выделением вторичных карбидов их мартенсита и аустенита. Наличие рефлекса (111) аустенита наблюдается перед ПХН как в стали ХВГ, так и в сильнолсгарованной Р6М5. В эталонном образце отожженной ферритной стали этот рефлекс отсутствует. Напыление в течение 15с в стали ХВГ и 30-45с в стали Р6М5 вызывает более четкое оформление этого рефлекса, что связано с появлением фиксируемых новых количеств остаточного аустенита, а это возможно лишь в результате повторной закалки. Увеличение экспозиции до 30-45с приводит к уменьшению высоты и даже полному исчезновению аустенитного максимума (111) и появлению карбидных рефлексов в стали ХВГ, что свидетельствует о полном распаде аустенита на феррито-карбидную смесь. В стали Р6М5 с более легированным аустенитом последний сохраняется и при увеличении времени напыления до 45с, наряду с этим появляются рефлексы выделяющихся из твердых растворов вторичных карбидов, которых значительно больше, чем в стали ХВГ. Упрочнение от появления мелкодисперсных карбидов превалирует над друга ми эффектами; уменьшением твердости при понижении уровня внутренних напряжений, появлением мягкой аустенитной фазы плазменной закалки, политонизационными и рекристаллизашюнны-ми процессами в ферритной матрице.

Дискретное тепло вложение (2-3 раза по 10-15с) вызывает стабилизацию аустенита, и дифрактограммы исходного и напыленного состояния мало отличаются друг от друга. Вероятно, в а-фазе образуется ячеистая полигональная структура с границами, закрепленными дисперсными карбидными выделениями, что повышает теплостойкость и работоспособность инструмента из сталей карбидного класса.

При напылении твердых сплавов использовались более жесткие режимы (90-120с), макротвердость при этом менялась незначительно: в 50% случаев возрастала на 6-9%, в 30% случаев

уменьшалась на 2,6-5,1%, в 20% случаев не менялась. Видимых изменений в микроструктуре, как и в случае стальных подложек, не наблюдалось. При всех исследованных режимах напыления в монокарбидном сплаве ВК8 уменьшались абсолютные значения микротвердости, тогда как в двухкарбидном Т15К6 микротвердость после ПХН возрастала.

Пятая глава посвящена испытаниям эксплуатационных качеств инструмента с покрытием, полученным по разработанной технологии. Для выяснения влияния покрытия на повышение стойкости и характер процесса резания исследовали некоторые основные факторы сопровождающие этот процесс: сила резания и температура, развивающаяся на рабочих поверхностях инструмента.

Результаты исследований показывают, что температура в режущем клине резца с покрытием снижается на 20 % по сравнению с резцом без покрытия.

Исследованием износа инструмента с покрытием SiC было проведено при продольном точении серого чугуна СЧ-30 твердосплавным резцом ВК8 с покрытием и без покрытия (рис.3).

h,MM

-1

„ 2

0 5 10 15 20 25 30 35 40 т>мин

Рис.3. Зависимость износа по задней поверхности резца при точении чугуна СЧ-30. 1 - ВК8; 2 - BK8+SiC. Режимы резания: V=100 м/мин, S=0,39 мм/об, t=2 мм.

Повышение стойкости режущего инструмента с покрытием объясняется как снижением величин температурно-силовых факторов, действующих на контактные поверхности инструмента, так и уменьшением всех видов износа, благодаря своим физико-механическим свойствам. Обладая высокой твердостью покрытие увеличивает стойкость к абразивному изнашиванию. Благодаря химической стойкости при нормальной и повышенной температурах, покрытие предохраняет рабочую поверхность инструмента от окисления с образованием рыхлых отслаивающихся частиц; снижает диффузионные процессы. Имея низкую теплопроводность (8,37 Вт/м-град) и высокую теплостойкость (1300 °С) покрытие предохраняет инструментальный материал от воздействия температуры в зоне резания.

Таким образом, полученное покрытие, наносимое на быстрорежущий и твердосплавный инструмент обладает физико-механическими и режущими свойствами, характерными для износостойких покрытий и повышает стойкость инструмента от 1,5 до 3 раз при обработке большой группы материалов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана и оптимизирована конструкция реакционно-разрядной камеры, с использованием кварцевого вкладыша цилиндрической формы. Показано, что в диапазоне мощностей 2540 кВт для нанесения кремнийсодержащих покрыли наиболее перспективным является использование стержня с диаметром 0,40,6 от внутреннего диаметра рабочей камеры.

2. Установлено, что при использовании углеродсодержаще-го реагента в количестве 0,5-0,6 г/л, воспроизводимость пленок по составу, газодинамическую и тепловую стабильность плазменного потока обеспечивает присутствие в нем паров воды в количестве от 10 до 30 масс. %, а также помещенный между разрядом и подложкой графитовый катализатор.

3. Разработаны физико-химические основы целенаправленного процесса формирования покрытий типа 51]1С07 и Б1хСуЫг в ВЧ индукционной плазме атмосферного давления.

4. Разработана новая технология повышения износостойкости металлообрабатывающего инструмента плазмохимическим нанесением крем н и й с од ержащих покрытий, защищенная авторскими свидетельствам и на изобретения.

5. Предложен экспресс метод для определения адгезии тонких (до 1 мкм) стекловидных покрытий.

6. Установлено, что ПХО не ухудшает шероховатость поверхности при использовании как углеродистых или легированных сталей, так и твердого сплава; предложено использование плазмохимической обработки в ввде финишной технологической операции, практически не изменяющей характеристики поверхности и геометрическую форму деталей и инструмента.

7. Установлено, что предварительная термическая (отжиг, закалка с отпуском) и механическая (шлифование, полирование) обработка перед ПХО создаст структурно-напряженное состояние поверхностных слоев, последующее высокоэнергетическое плазменное воздействие приводит к фазовым, структурным, магнитным и другим превращениям, отличающимся природой, направлением, скоростью и полнотой.

8. Определено, что при нанесении стеклообразных покрытий с высокой адгезией к поверхности, добавочным упрочняющим фактором, кроме высокой твердости собственно пленки, являются термические наапряжения, возникающие при охлаждении после ПХО в связи с разницей в коэффициентах линейного расширения и модулях упругости в системе Ме-8Ю.

9. Испытаниями подтверждено стабильное повышение износостойкости твердосплавного инструмента в 1,5-2 раза. Разброс результатов испытаний инструмента из быстрорежущих сталей (повышение износостойкости от 1,5 до 6 раз) свидетельствует о потенциальных возможностях промышленного использования разработанного метода.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Суровцев И.С., Макеева H.H., Рубинштейн В.М. Разработка технологии нанесения пленок карбида кремния в потоке индукционной плазмы // Всесоюзный семинар "Применение новых технологических методов и оборудования в производстве силовых полупроводниковых приборов": Тез .докл., г.Каджи-Сай,

1982.-С.54.

2. Пивоваров С.Ф., Сыноров В.Ф., Рубинштейн В.М. Структура и свойства пленок оксикарбида кремния, полученных с использованием высокочастотной индукционной плазмы // III Всесоюзная конференция "Неорганические стекловидные материалы и пленки на их основе в микроэлектронике": Тсз.докл., Москва,

1983.-С.166.

3. Гапонов М.А., Рубинштейн В.М., Суровцев И.С. Плаз-мохимическое осаждение пленок карбида кремния на металлические поверхности // IV Всесоюзный симпозиум по плазмохи-мии, ч. II: Тез.докл., г.Днепропетровск, 1984. - С. 128.

4. Гапонов МЛ., Зайцев А.Г., Рубинштейн В.М. Стойкость инструмента с плазменным покрытием // Повышение эффективности внедрения новых технолошческих процессов в металлообработке: Тез.докл., г.Курск, 1984. - С.64.

5. Гапонов М.А., Еригов A.B., Зайцев А.Г., Рубинштейн

B.М. Режущий инструмент с износостойким покрытием на основе карбида кремния // Всесоюзная конференция "Интенсификация технологических процессов механической обработки": Тез.докл., гЛенингрод, 1985. - С.40.

6. Гончаров Э.В., Макеева H.H., Рубинштейн В.М., Суровцев И.С. Спектральные исследования пленок карбида кремния, полученных в потоке индукционной плазмы // В кн.: Физико-химические процессы в гетерогенных структурах - г.Воронеж, Изд. ВГУ, 1985. - С. 15.

7. Макеева H.H., Рубинштейн В.М., Тригуб В.Б. Использование спектрального метода анализа для контроля примесей в карбиде кремния // VIII Тамбовская областная научно-техническая конференция по спектроскопии: Тез.докл., г.Тамбов, 1987. -

C.76.

8. 'Григуб В.Б., Рубинштейн В.М., Орлова А.И., Лихолет И.В., Макеева H.H. Повышение поверхностной стойкости сталей плазмохимической обработкой // Научно-техническая конференция "Материалы и упрочняющие технологии - 89": Тез.докл., г.Курск, 1989. - С.57.

9. Гапонов М.А., Еригов A.B., Зайцев А.Г., Рубинштейн В.М. Режущий инструмент с износостойким покрытием на основе карбида кремния //VII Международная конференция по инструменту: Тсз.докл., Mickolc, Hungry, 1989. - С.857.

10. Тригуб В.Б., Орлова А.И., Суровцев И.С., Рубинштейн В.М. Плазмохлмическое упрочнение инструментальных материалов//VI Республиканский семинар "Разработка, производство и применение инструментальных материалов": Тез.докл., Запорожье, 1990. - С.45.

И. Суровцев И.С., Макеева H.H., Рубинштейн В.М., Терехов В.А. Состав и свойства аморфных плазменных пленок а-SiC // Седьмая отраслевая научно-техническая конференция "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем": Тез.докл., г.Махачкала, 1990. - С.83.

12. Орлова А.И., Лихолет И.В., Тригуб В.Б., Рубинштейн

B.М. Влияние плазмохимического напыления на структуру и свойства инструментальных сталей пониженной теплостойкости // Физика и химия обработки материалов - 1991, № 4, Москва. -

C.95.

13. Еригов A.B., Рубинштейн В.М., Корнеев В.П. Упрочнение режущего инструмента плазмохимической обработкой // Республиканская научно-техническая конференция "Материалы и упрочняющие технологии - 91": Тез.докл., г.Курск, 1991. - С.78.

14. Тригуб В.Б., Орлова А.И., Рубинштейн В.М., Суровцев И.С. Влияние условий плазмохимического напыления крем-нийсодержагцих покрытий на структурно-напряженное состояние стали 40Х // Всероссийская научно-техническая конференция "Современная электротехнология в машиностроении, СЭТ-97": Тездокл., г.Тула, 1997. - С.260.

15. Тригуб В.Б., Орлова А.И., Рубинштейн В.М., Суровцев И.С. Исследование влияния условий напыления кремнийсо-держащих покрытий на структурно-напряженное состояние инструментальных материалов // Всероссийская научно-техничес-

кая конференция "Современные проблемы сварочной науки и техники. Сварка-97": Тездокл., г.Воронеж, 1997. - С. 142.

16. Рубинштейн В.М., Тригуб В.Б., Орлова А.И. Износостойкость инструмента с плазмохимичсскими кремнийсодср-жащими покрытиями // Тездокл. V Научно-технической конференции с международным участием "Материалы и упрочняющие технологии-97", Курск, 1997. С.155.

17. A.c. № 1250103 СССР, H 01 L 21/31. Способ получения пленки карбида кремния на подложке / В.И.Петраков, В.М.Рубинштейн, И.С.Суровцев. - Опубл. 06.12.84.

18. A.c. № 1769685 СССР, H 05 В 7/18. Индукционный плазмотрон / В.М.Рубинштейн , И.С.Суровцев, Т.П.Толоконников, В.Б.Тригуб, В.Н.Казута. - Опубл. 16.01.91.

19. Патент РФ № 2100870. Способ формирования пленки карбида кремния на подложке / В.М.Рубинштейн, В.Б.Тригуб, И.С.Суровцев, В.И.Петраков, Н.П.Толоконников. - Опубл. 27.12.97.

Заказ № Ь'-7 от -J[ <Г S 1998 г. Тираж 100 экз. Лаборатория оперативной полиграфии В ГУ.