автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Влияние ионной имплантации на шероховатость поверхностей и радиус скругления лезвия режущего инструмента

На правах рукописи

ГГо 01 2 2 ДсК Ш

Хахина Ольга Васильевна

Влияние ионной имплантации на шероховатость поверхностей и радиус скругления лезвия режущего инструмента

Специальность 05. 03. 01. - Процессы механической и

физико-'! -хпической обработки, станки и инструмент.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2000

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

Ведущая организация

Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Полетика М.Ф.

доктор технических наук, профессор Грязнов Б.Т. кандидат технических наук, доцент Брюхов В.В.

ОАО «Рубцовский машиностроительный завод»

Защита состоится « » 2000 г. в на заседании

диссертационного Совета К 063.80.04 при Томском политехническом университете, по адресу г. Томск, пр. Ленина, 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 53-а

Автореферат разослан «

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Саруев Л.А.

кт. 536.016.0rt-/.О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение работоспособности режущего инструмента является важной задачей металлообработки, связанной с повышением производительности технологических операций и точности изделий. Одним из наиболее эффективных методов повышения стойкости режущего инструмента является ионная имплантация.

Применение ионной имплантации для модификации размерного режущего инструмента ограничивается недостатком сведений о влиянии этой технологии на шероховатость рабочих поверхностей и геометрию инструмента, которые определяют качество изделий.

Размерный инструмент предназначен для формирования поверхностей, имеющих точные размеры и повышенные требования к качеству, и работает в условиях низких скоростей резания и малой толщины срезаемого слоя. В связи с этим изменение микро- и макрогеометрических характеристик рабочих поверхностей инструмента под действием пучка ускоренных ионов может негативно сказаться на качестве обрабатываемой поверхности. В связи с этим задача предсказания изменений шероховатости поверхности режущего инструмента и его размеров в результате ионной имплантации является актуальной.

Цель работы. Целями данного исследования являются:

1. Создание методики теоретического определения параметров профиля поверхности, получаемой после обработки инструмента пучком ионов.

2. Изучение влияния ионной имплантации на шероховатость модифицируемых поверхностей режущего инструмента, исследование изменений радиусов скругления лезвий размерного режущего

инструмента, работающего в условиях малых скоростей резания и малой толщины срезаемого слоя.

3. Разработка практических рекомендаций по применению ионной имплантации для модификации поверхностных свойств размерного режущего инструмента.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основании современных представлений физики твердого тела и теории столкновений частиц и математического моделирования с использованием современных средств вычислительной техники. Экспериментальные исследования проводились по общепринятым методикам.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется использованием в работе традиционных методов их решения поставленных задач, адекватностью теоретических моделей экспериментально наблюдаемым закономерностям.

Научная новизна.

1. Получены уравнения зависимости коэффициентов распыления различных материалов от угла падения пучка на поверхность путем моделирования ионной имплантации методом Монте-Карло.

2. Разработана методика прогнозирования изменения радиусов выступов и радиусов впадин микронеровностей после ионной имплантации.

3. Получены экспериментальные зависимости изменения радиусов выступов и впадин микронеровностей от исходного состояния поверхности и от коэффициента распыления материала.

4. Выявлено влияние увеличения радиусов выступов микронеровностей на величину периода начального износа режущего инструмента.

5. Выявлено, что после ионной имплантации увеличивается радиус скругления лезвия режущего инструмента.

Практическая ценность работы. Предложена методика прогнозирования профиля поверхности, позволяющая направленно изменять шероховатость поверхности при ионной имплантации, либо выбирать режимы имплантации, с учетом этого влияния.

Предложены дополнительные технические требования к разверткам, подвергаемым ионной имплантации, позволяющие при повышении стойкости инструмента избежать ухудшения его геометрии.

Результаты работы внедрены в инструментальном производстве на ОАО «Алтайский трактор», а также в учебном процессе кафедры «Машиностроительные технологии и оборудование» Рубцовского индустриального института.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на III научно-технической конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» - г.Томск (1994 г.); на международной научно -технической конференции «Проблемы автоматизации и технологии в машиностроении» - г. Рубцовск (1994); на Российской научно -технической конференции «Интенсивные технологии в производстве летательных аппаратов» - г. Москва (1997 г.); На научных семинарах кафедр «Технология машиностроения резание и инструмент» ТПУ (1995, 2000 гг.), «Машиностроительные технологии и оборудование» РИИ.

По содержанию работы и основным результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка литературы н приложений. Работа представлена на 144-х страницах и содержит 16 таблиц, 52 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и представлена общая характеристика диссертации. Сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены особенности работы разверток,

являющихся размерным режущим инструментом. Показано, что развертки работают в условиях малой глубины срезаемого слоя, при этом важное значение имеет радиус скругления лезвий инструмента. Когда толщина срезаемого слоя сопоставима с радиусом скругления лезвия инструмента, действительный передний угол инструмента уменьшается и может принимать отрицательные значения. Это явление неблагоприятно сказывается на качестве обрабатываемой поверхности.

Установлено, что шероховатость обработанных поверхностей зависит от условий граничного трения между калибрующей частью развертки и поверхностью отверстия. Сила трения, как для сухого, так и для граничного трения зависит от шероховатости контактирующих поверхностей. Таким образом, шероховатость поверхностей калибрующей части развертки имеет большое влияние, как на обеспечение требуемого качества обрабатываемой поверхности, так и на интенсивности износа калибрующей части развертки.

Известно, что развертки работают в условиях низких скоростей резания, соответствующих абразивно - адгезионному износу. В этом случае шероховатость передней и задней поверхностей разверток оказывает значительное влияние на износ инструмента.

Проведен анализ имеющихся исследований по повышению стойкости режущего инструмента методом ионной имплантации, а также работ посвященных модификации триботехнических свойств деталей узлов трения. Проанализированы имеющиеся данные по влиянию ионной

имплантации на геометрические характеристики модифицируемых поверхностей. В результате этого анализа выявлено:

применение ионной имплантации для повышения стойкости разверток сдерживается отсутствием исследований по влиянию этой технологии на шероховатость и размеры модифицируемых поверхностей;

- предполагается, что ионная имплантация не влияет на геометрию модифицируемого изделия, однако данных, подтверждающих это нет;

- имеются экспериментальные данные об изменении шероховатости поверхностей после ионной имплантации, однако аналитических исследований в этом направлении не проводилось;

на изменение шероховатости поверхности влияет большое количество процессов, основными из которых являются распыление и перенаныление;

отсутствует единое мнение о зависимости коэффициента распыления от угла падения пучка ионов на поверхность.

Исходя из аналитического обзора литературы были сформулированы следующие задачи работы:

1. Теоретически оценить зависимость коэффициента распыления от угла падения пучка ионов на поверхность.

2. Разработать методику прогнозирования шероховатости поверхности, получаемой после ионной имплантации.

3. Провести экспериментальное исследование влияния ионной имплантации на шероховатость поверхности с целью проверки разработанной методики.

4. Экспериментально оценить влияние ионной имплантации на радиус скругления лезвия развертки.

5. Дать рекомендации для модификации размерного режущего инструмента методом ионной имплантации.

Во второй главе дано описание существующих на сегодняшний

день физических моделей распыления поверхностей в результате ионной

7

имплантации. На их основе разработана математическая модель процесса ионной имплантации, реализованная методом Монте-Карло (методом статистических испытаний). В расчетах использована модель последовательных парных столкновений, суть которой заключается в следующем. На случайное место поверхности рандомизированного кристалла выпускается ускоренный до определенной энергии ион. Вероятность столкновения иона с атомом твердого тела с учетом взаимодействия рассчитываем по формуле:

№;(£)= л, •сг(£)/2>у<т,(£) , где rii - плотность атомов твердого тела сорта i, о, -дифференциальное сечение торможения иона на атоме сорта i; П; -плотность атомов других компонентов материала подложки, а, -дифференциальные сечения торможения иона на атомах других компонентов материала подложки.

Траектории иона и атомов каскада отслеживаются до их полной остановки. Распыленным считается атом, пересекающий границу твердого тела, если его энергия больше поверхностной энергии связи. Возможности программы и методы аппроксимации получаемых зависимостей представлены на рисунке 1.

Для проверки модели был произведен расчет коэффициента распыления меди ионами аргона при различных энергиях. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными, имеющимися в литературе (рисунок 2).

В результате моделирования получены зависимости коэффициентов распыления твердых сплавов Т5К10 и ВК8 от угла падения пучка ионов азота и аргона (35 кэВ), которые представлены на рисунке 3. Эти зависимости позволили в дальнейшем оценить неравномерность скорости распыления поверхности, обладающей шероховатостью.

Рис.1 Возможности программы

О • С А 5 Л ; о С.

А - С -7 А 1 х С <0I

• ^ - 1 ЧСМ.Л

О - РА СНГ. Г ПО ИМГРЛММГ

Рис.2

10

20 30 40 50 60 70 80 90

угол, градусы

-Аг--N

Рис. 3. Зависимость коэффициента распыления от угла падения пучка

В третьей главе приведены результаты стойкостных испытаний инструмента из твердого сплава Т5К10. В связи с высокой трудоемкостью стойкостных испытаний разверток, ножи разверток, модифицированные ионами азота и аргона, испытывались при точении стали ШХ15 в условиях, имитирующих процесс резания при развертывании. Пластины имели геометрию соответствующую геометрии разверток. Испытания проводились при скоростях резания от 10 до 30 м/мин. Установлено, что стойкость пластин, модифицированных ионами азота увеличилась на 88 %, модифицированных ионами аргона на 65%. Имплантация проводилась при энергии ионов 35 кэв, до дозы 5*1017 ион/см2. Результаты стойкостных испытаний представлены на рисунке 4.

| 0,005 -

аТ5К10 • Т5 К10+'азот

■ Т5К10+аргон

а

10000

я Н

1000

100

О 20 40

скорость резания, м/мин

0 20 40

скорость резания, м/мин

■ Т5К10+ азот •Т5К10+аргон ♦ Т5К10

Рис.4 а) Зависимость интенсивности износа от скорости резания; б) зависимость стойкости, Т от скорости резания.

Анализ литературы позволил предположить, что на изменение профиля поверхности влияют главным образом два процесса - распыление и перенапыление атомов подложки. Поскольку коэффициент распыления зависит от угла падения пучка ионов на поверхность, то в каждой точке профиля реальной поверхности действительный угол падения ионов будет различным, следовательно, различной будет и скорость распыления поверхности. Поэтому поверхность, получающаяся в результате процесса распыления, не будет эквидистантна исходной поверхности. Кроме того, исследования в области ионной имплантации последних лет позволяют сделать вывод, что осаждаемые атомы концентрируются, в первую очередь, на вершинах микронеровностей так как напряженность электрического поля поверхности на выступах микронеровностей

11

максимальна, тогда как во впадинах она практически равна нулю. В ряде исследований установлено, что после имплантации изменяются в первую очередь радиусы выступов микронеровностей.

Для расчета ожидаемого радиуса выступа профиль поверхности аппроксимировали системой усеченных конусов, а вершины и впадины -сферическими сегментами. Профиль вершины выступа исходной поверхности, можно определить тремя точками, взятыми на дуге сечения выступа 1, 2 и 3. С учетом распыления поверхность переместится в положение, определяемое точками 1', 21 и З'. С учетом перенапыления профиль поверхности будет определяться точками 1", 2" и 3". Результирующий профиль поверхности будет являться геометрической суммой перемещений поверхности и определится точками 1'", 21" и З'". Радиус выступа микронеровности с учетом распыления можно определить по любой из трех формул:

/^(Хо'-Х^+^-К/)3 (1)

г' =л/(Х^-Х02+(Уо,-Г2')2 (2)

=,/(*,;-х^+а-о'-п')2 (3)

где Х'о и У'о - координаты центра радиуса выступа распыленной поверхности:

г;2 -г,12-х;2 + х? у2,2-Г,,2-Х;2 + Л^

2-{Х[-Х[)_2-(Л-г'-Л-,')

у/-г'

х'2-х; Х{~Х[

х, 2У1-(У!-У1)+У12-

1<Х[-Х[)

Радиус выступа поверхности с учетом процессов распыления и осаждения можно определить следующим образом:

г =,? + /■ =

1

_щ__

-л-р •[(!-сое/ЗДп2 Р-С0&Р + I)]

где объем распыляемого с поверхности материала.

и е;

о с

1000 800 г 600

з

с ^

а г 400 о

3

сх

200 0

А X

.......а*

0

500

1000

радиус впадин исх., мкм

а)

2000 1500

<и ч о о С св

| § 1000 ~ з

о 500

о >.

а.

0 #

0 500 1000 1500 радиус выступов исх., мкм

б)

Рис. 5. Зависимость величины радиусов впадин (а) и выступов (б) от их исходных значений (азот, энергия 35 кэв, доза 5*10|7ион/см2; материалы: А- сталь, - медные сплавы, сплавы на основе алюминия, Х- твердые сплавы).

Для проверки методики было проведено экспериментальное исследование влияния ионной имплантации на шероховатость поверхности, результаты которого представлены в работе. Впервые выявлены и аппроксимированы зависимости изменения радиусов выступов и впадин микронеровностей от их исходной величины (рисунок 5).

В зависимости от вида обработки и геометрической формы поверхности, одному и тому же высотному параметру шероховатости Я а могут соответствовать различные по величине радиусы выступов и впадин. Поэтому были построены графики зависимости радиусов выступов и впадин от исходного состояния поверхности (рисунок 7), в которых за

критерий оценки исходного состояния поверхности принято отношение гвыс/Яа или гвпЖа.

исходные значения гвыс/Иа исходные значения гв„/Яа

а) б)

Рисунок 6. Зависимость относительного изменения радиусов выступов (а) и впадин (б) микронеровностей от исходного состояния поверхности.

С целью повышения достоверности результатов исследования и более широкой проверки механизма влияния ионной имплантации на шероховатость поверхности, изменение профиля поверхности изучалось на группе конструкционных материалов, которая включала в себя: стали - 20, 45, 40Х, ШХ15, 12Х18Н10Т, У10; сплавы на основе меди - БрБ2, ЛС62; алюминиевые сплавы - Д16 и АЛ9. Это позволило выявить зависимость изменения радиусов выступов и впадин микронеровностей от

2 3 4 5 t

Коэффициент распыления, ат/ион

♦ Ra 5 - 10 мкм ■ Ra 0,63 - 1,25 мкм

* Ra 0,16 - 0,32 мкм • Ra 0,008 - 0,04 мкм Рис. 7. Зависимость изменения радиусов впадин от коэффициента

распыления

0

0

12 3 4 5

Коэффициент распыления, ат/ион Яа 5 -10 мкм ■ Ка 0,63-1,25 *Яа 0,16-0,32 • Яа 0,008 - 0,04 Рис. 8. Зависимость относительного изменения радиусов выступов микронеровностей от коэффициента распыления

коэффициента распыления материала (рис. 7 и 8) и аппроксимировать эту зависимость полиномом второго порядка.

Многими исследователями установлено, что при проведении стойкостных испытаний модифицированного режущего инструмента наблюдается сокращение периода начального износа инструмента. Мы выяснили, что это происходит благодаря увеличению радиусов выступов микронеровностей, так как геометрическая форма профиля поверхности приближается к оптимальной форме, которую приобретают трущиеся тела в процессе приработки. Таким образом, стойкость инструмента повышается, в том числе и за счет изменения шероховатости поверхности после ионной имплантации.

Впервые исследовано влияние ионной имплантации на радиус скругления лезвий разверток. В результате этих исследований выявлено, что при исходной величине радиуса скругления лезвия менее 8 мкм значимых изменений не происходит. Однако, если радиус скругления лезвий в исходном состоянии превышает 8 мкм, то после имплантации ионов азота (35 кэв, 5*1017 ион/см2) он увеличивается на 26%, а после имплантации ионов аргона на 34%

Приведены результаты обработки отверстий модифицированными развертками, которые показывают, что увеличение радиуса скругления лезвия приводит к ухудшению качества обрабатываемых поверхностей. При работе разверткой, имплантированной ионами аргона, с исходным радиусом скругления лезвия больше 8 мкм, вероятность появления деталей, отклонение от круглости которых превысит допустимый предел, составляет 13%. На этом основании сформулированы практические рекомендации по применению ионной имплантации для повышения износостойкости разверток без ухудшения их технологических характеристик.

В заключении сформулированы общие выводы.

В приложении приведены текст программы, профилограммы и акт внедрения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлено, что после ионной имплантации профиль выступов микронеровностей приближается к оптимальной конфигурации, которая формируется на поверхности на этапе приработки инструмента. Сокращение периода начального износа, наблюдаемое многими исследователями является следствием этого процесса.

2. Энергия имплантируемых ионов 30 - 40 кэв является наиболее приемлемым режимом, так как при этой энергии коэффициент распыления имеет средние значения, коэффициент отражения достаточно низок, а глубина проникновения ионов в поверхность достаточна для упрочнения поверхностного слоя и составляет для сталей имплантированных ионами азота 100 им. Таким образом, при этой энергии имплантация проходит с наибольшей продуктивностью.

3. Получена зависимость коэффициента распыления от угла падения пучка ионов на поверхность для ряда инструментальных и конструкционных материалов, которая в дальнейшем была использована при разработке методики прогнозирования шероховатости поверхности.

4. Установлено, что на изменение профиля поверхности основное влияние оказывают процесс распыления и процесс перенапыления атомов модифицируемого материала

5. Предложена и экспериментально подтверждена теоретическая методика расчета ожидаемого радиуса выступов и радиуса впадин микронеровностей после ионной имплантации.

6. Получены экспериментальные зависимости изменения радиусов выступов и радиусов впадин микронеровностей от исходного состояния профиля поверхности и коэффициента распыления.

7. Выявлено влияние ионной имплантации на радиус скругления лезвия режущего инструмента.

8. Па основании проведенных исследований рекомендуется дополнить технические требования к модифицируемым разверткам требованием к радиусу скругления лезвия инструмента, который не должен превышать 8 мкм.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Полетика М.Ф., Пушных В.А., Хахина О.В. Влияние имплантации ионов азота и аргона в конструкционные материалы на шероховатость поверхностей.//Российская научно-техническая конф «Гагаринские чтения»: тезисы докладов. 1993г. - Москва. - с.154.

2. Полетика М.Ф., Пушных В. А., Хахина О.В. Влияние ионной имплантации на геометрические и коррозионные характеристики деталей машин//Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц: Тезисы докладов III научно-техн. конф. 1994 г.- Томск. - с.87 - 88.

3. Полетика М.Ф., Пушных В. А., Полещенко К.Н., Хахина О.В. Контактные процессы при точении титанового сплава имплантированным режущим инструментом//Машиностроение, приборостроение, энергетика. - Москва: изд. Московского университета, 1994 г. - с. 51 - 56.

4. Хахина О.В. Влияние имплантации ионов азота и аргона на коррозионную стойкость конструкционных сталей.//Проблемы автоматизации и технологии в машиностроении: Сборник тезисов и трудов международной научно-техн. конф. - Рубцовск: Изд. РИИ, 1994 г. - с. 144.

5. Полетика М.Ф., Пушных В.А., Хахина О.В. Изменение шероховатости поверхностей деталей машин и инструментов под воздействием пучка ионов.//Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении: Сборник тезисов докладов Российской научно-техн. конф. - Рыбинск, 1994г. - с. 26.

6. Полетика М.Ф., Пушных В.А., Хахина О.В., Капачева Л.Л. Влияние коэффициента распыления при имплантации ионов азота и аргона на

шероховатость поверхности //Новые материалы и технологии: тезисы докладов Российской научно -техн конф. Направление: Интенсивные технологии в производстве летательных аппаратов. - М.: МАТИ-РГТУ, М., 1997 г.-с. 18 7. Хахина О.В. Ионная имплантация, как метод модификации поверхностных свойств конструкционных материалов и ее влияние на шероховатость поверхности//Труды РИИ - Рубцовск, 1998. - с 140 -148.

V . Подписано к печати 20.11.2000. Формат 60x90/16. Бумага офсетная №1. Печать RISO. Усл.печ.л. 1.11. Уч.-изд. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ № 208. .. • л- ."''.Т; ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94. Типография ТПУ. = 634034, Томск, пр.Яенина, 30.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 .Особенности работы размерного режущего инструмента.

1.2.Влияние шероховатости рабочих поверхностей размерного режущего инструмента и радиусов режущих кромок на качество обрабатываемых поверхностей.

1.3.Влияние ионной имплантации на качество режущего инструмента.

1.4 Исследование процессов, протекающих в поверхностном слое металла при ионной имплантации.

1.5 Выводы. Задачи исследования.

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ 2.1. Процессы, происходящие на поверхности твердого тела при ионной имплантации.

2.1.1 Физическое распыление. Модели физического распыления.

2.2 Моделирование ионной имплантации на ЭВМ.

2.2.1 Классификация моделей.

2.2.2 Реализация модели ППС методом Монте - Карло.

2.2.3 Математическая модель.

2.2.4 Алгоритм решения задачи.

2.3 Влияние диффузии на распределение концентрации примеси по глубине твердого тела.

2.4 Результаты моделирования процесса ионной имплантации.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ГЕОМЕТРИЮ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

3.1 Исследование стойкости твердосплавного режущего инструмента.

3.1.1 Выбор состава пучка.

3.1.2 Исследование влияния ионной имплантации на микротвердость.

3.1.3 Исследование влияния ионной имплантации на стойкость режущего инструмента.

3.2 Прогнозирование изменения параметров шероховатости после , ионной имплантации.

3.3 Исследование влияния ионной имплантации на шероховатость поверхности.

3.3.1 Методика исследования ионной имплантации на шероховатость поверхности.

3.3.2 Результаты экспериментального исследования влияния ионной имплантации на шероховатость поверхности.

3.4 Исследование влияния ионной имплантаций на геометрию размерного режущего инструмента.

3.4.1 Методика проведения эксперимента по обработке отверстий модифицированным инструментом.

3.4.2 Результаты эксперимента по обработке отверстий модифицированными развертками и влиянию ионной имплантации на радиус скругления режущих кромок.

3.5 Выводы.

Среди современных методов поверхностной модификации конструкционных и инструментальных материалов все более возрастающее значение приобретают методы обработки пучками заряженных частиц -потоками низко- и высокотемпературной плазмы, ионными пучками энергией 30 - 300 кэв (ионная имплантация), электронными и ионными пучками с большой плотностью мощности. Ионная имплантация обладает рядом достоинств, обуславливающих ее применения для модификации поверхностных свойств конструкционных и инструментальных материалов. Такими преимуществами являются: высокая степень чистоты процесса; строгий контроль количества внедряемого элемента и отсутствие термодинамических ограничений в легировании; низкая температура процесса и возможность модификации чистовой поверхности изделий вследствие малости изменений их размеров.

Значительный прогресс в развитии фундаментальных основ ионной имплантации в последние 30 лет достигнут благодаря интенсивным исследованиям в области модификации свойств полупроводниковых материалов. Важность технических приложений вызвала к жизни экспериментальные исследования, направленные на изучение фундаментальных физических процессов при ионной имплантации металлов.

Использование метода ионной имплантации, во-первых, позволяет получать исключительно высокую неравновесность и возможность формирования составов сплавов, не доступных традиционным методам их получения. Во-вторых, дает возможность создавать твердые растворы и вторичные фазы, не предсказуемые равновесной диаграммой состояния соответствующих систем. Кроме того, удается достигнуть сочетания высокой плотности дефектов кристаллического строения, уникально большого пересыщения твердых растворов замещения и внедрения, высокодисперсных вторичных фаз с объемной долей, составляющей десятки процентов, что приводит к улучшению износостойкости, коррозионной стойкости, микротвердости готовых изделий.

Шероховатость поверхностей, определяющих профиль режущей кромки инструмента, оказывает существенное влияние на коэффициент трения между передней поверхностью и стружкой, а также между задней поверхностью и обработанной поверхностью детали. Вследствие этого шероховатость исходных поверхностей существенно влияет на стойкость инструмента. При модификации поверхностных свойств режущего инструмента наблюдается значительное увеличение стойкости режущего инструмента, которое происходит в том числе и за счет сокращения первичного этапа его интенсивного износа [15, 17,50,56,59]. Некоторыми исследователями [7,17,50 и др.] наблюдалось изменение шероховатости поверхностей после их облучения ионным пучком. Однако в настоящее время не выявлено закономерностей влияния ионной имплантации на шероховатость поверхности. Так же обстоит дело и с влиянием имплантации ионов на размеры модифицируемых поверхностей. Принято считать, что ионная имплантация не влияет на точность размеров изделия, однако доказательств тому, т.е. результатов экспериментов или аналитических обоснований в литературе нет. В связи с особенностями работы размерного режущего инструмента это является особенно важным.

Целью данного исследования является изучение влияния ионной имплантации на шероховатость модифицируемых поверхностей, исследование изменений радиусов скругления лезвий размерного режущего инструмента, работающего в условиях малых скоростей резания и малой толщины срезаемого слоя. Разработка практических рекомендаций по применению ионной имплантации для повышения износостойкости размерного режущего инструмента.

Работа базируется на основных положениях теории обработки металлов резанием, существенный вклад в развитие которой внесла Томская школа резания, а также на основных положениях физики твердого тела и теории прохождения частиц через вещество.

Результаты выполненной работы изложены в настоящей диссертации, состоящей из введения, трех глав, заключения и приложения.

В первой главе рассмотрены особенности работы разверток, являющихся размерным режущим инструментом. Проведен анализ имеющихся исследований по повышению стойкости режущего инструмента методом ионной имплантации, а также работ посвященных модификации триботехнических свойств деталей узлов трения. Критически рассмотрены имеющиеся данные по влиянию ионной имплантации на геометрические характеристики модифицируемых поверхностей.

Во второй главе дано описание существующих на сегодняшний день в теории распыления физических моделей. На их основе разработана математическая модель процесса ионной имплантации, реализованная методом Монте-Карло (методом статистических испытаний). Изложены возможности программы. Приведены результаты расчетов коэффициентов распыления для инструментальных и конструкционных материалов. Выявлена зависимость коэффициента распыления от угла падения пучка ионов на поверхность, а также от энергии имплантируемых ионов.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния ионной имплантации на шероховатость поверхности. Впервые выявлены закономерности изменения радиусов выступов и впадин микронеровностей в зависимости от исходного состояния поверхности и от коэффициента распыления материала. Разработана методика прогнозирования изменения радиусов выступов и впадин микронеровностей поверхности под действием -ионного пучка. На основании результатов экспериментов по влиянию ионной имплантации на микротвердость твердого сплава выбраны режимы имплантации и проведена модификация разверток. Впервые исследовано влияние ионной имплантации на радиус скругления режущих кромок разверток. Приведены результаты обработки отверстий модифицированными развертками, что позволило сформулировать практические рекомендации по применению ионной имплантации для повышения износостойкости разверток.

В заключении сформулированы общие выводы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется использованием в работе традиционных методов их решения поставленных задач, адекватностью теоретических моделей экспериментально наблюдаемым закономерностям.

В настоящей работе автор защищает

1. Зависимости коэффициента распыления материалов режущего инструмента и некоторых конструкционных материалов от угла падения пучка ионов на поверхность, полученные в результате моделирования процесса ионной имплантации методом Монте-Карло.

2. Методику прогнозирования изменения параметров шероховатости поверхности после ее модификации пучком ускоренных ионов.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния ионной имплантации на шероховатость поверхности.

4. Результаты экспериментальных исследований по изучению износа и стойкости модифицированного твердого сплава.

5. Результаты экспериментального исследования влияния ионной имплантации на радиус скругления режущей кромки инструмента.

Диссертация выполнена на кафедре «Технология машиностроения, резание и инструмент» Томского политехнического университета.

Основные результаты исследований докладывались:

- На Российской научно-технической конференции «Гагаринские чтения», г. Москва, 1993 г.

3.5 Выводы

1. Получено экспериментальное подтверждение предлагаемой методики расчета ожидаемого изменения параметров профиля поверхности.

2. Установлено, что ионная имплантация не оказывает влияния на среднее арифметическое профиля поверхности, если его величина не более 0,63 мкм. При исходном параметре Ыа<0,63 мкм наблюдается его увеличение после имплантации как ионов азота так и ионов аргона.

3. Впервые выявлено наличие зависимости между изменением радиусов выступов и радиусов впадин микронеровностей и их исходными величинами. Также впервые выявлена зависимость изменения радиусов выступов и впадин микронеровностей от коэффициента распыления материала, эта зависимость аппроксимирована полиномом второго порядка.

4. Профиль поверхности режущего инструмента под действием ионной имплантации приобретает конфигурацию близкую к профилю приработанной поверхности за счет увеличения радиусов выступов микронеровностей. Вследствие этого происходит сокращение периода начального износа, наблюдаемое многими исследователями Увеличение стойкости режущего инструмента происходит, в том числе за счет сокращения периода начального износа.

5. Обнаружено влияние ионной имплантации на размеры обрабатываемого изделия. Радиус скругления лезвия инструмента под действием ионной имплантации увеличивается, если его исходное значение превышает 8-9 мкм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом результаты диссертационной работы кратко можно резюмировать следующим образом.

1. Метод ионной имплантации является одним из эффективных методов повышения стойкости размерного твердосплавного режущего инструмента. Повышение стойкости режущего инструмента обусловлено, в том числе сокращением периода начального износа.

2. Энергия имплантируемых ионов 30 - 40 кэв является наиболее приемлемым режимом, так как при этой энергии коэффициент распыления имеет средние значения, коэффициент отражения достаточно низок, а глубина проникновения ионов в поверхность достаточна для упрочнения поверхностного слоя и составляет для сталей имплантированных ионами азота 60 - 80 нм. Таким образом, при этой энергии имплантация проходит с наибольшей продуктивностью.

3. Получена зависимость коэффициента распыления от угла падения пучка ионов на поверхность.

4. На изменение профиля поверхности основное влияние оказывают процесс . распыления и процесс переиапыления атомов модифицируемого материала

5. Впервые предложена методика расчета ожидаемого радиуса выступов и радиуса впадин микронеровностей после ионной имплантации, которая получила экспериментальное подтверждение.

6. Получены экспериментальные зависимости изменения радиусов выступов и радиусов впадин микронеровностей от исходного состояния профиля поверхности и коэффициента распыления.

7. Выявлено, что после ионной имплантации профиль выступов микронеровностей приближается к оптимальной конфигурации, которая формируется на поверхности на этапе приработки

126 инструмента. Сокращение периода начального износа, наблюдаемое многими исследователями является следствием этого процесса.

8. Выявлено влияние ионной имплантации на радиус скругления лезвия режущего инструмента.

9. На основании проведенных исследований даны рекомендации по дополнению технических требований к размерному режущему инструменту (разверткам), подвергаемому упрочнению ионной имплантацией.

1. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. М.: Высшая школа., 1984. - 320 с.

2. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Томск, 1991. - 49 е./ Препринт ТНЦ СО РАН № 30.

3. Абдрашитов В.Г. Рыжов В.В. Моделирование распределения примеси при ионной имплантации. Изв. вузов, 1994, №5. С8 23.

4. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Томск, 1992. - 46 с./Препринт ТНЦ СО РАН № 14.

5. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. // Известия вузов. Физика. Томск, 1994. -№5.-С. 8-22.

6. Андреев Г.С. Исследование процессов зенкерования и развертывания аустенитной стали, автореферат дис. ЦНИИТМАШ, Москва, 1952 г.7. Байбарацкая М.Ю.

7. Баранчиков В.И., Жаринов A.B., Юдина Н.Д. и др. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: Справочник./ Под ред. Баранчикова В.И. М.: Машиностроение, 1990 - 400 с/

8. Бахарев О.Г., Погребняк А.К., Мартыненко В.А., Зекка А., Бруза Р., Ошнер О., Риссел X. Высокодозная интенсивная имплантация многозарядных ионов Al, Ti, С в а-железе//Поверхность 1995- №4. С.52-55.

9. Ю.Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Пер. с англ. -М.: Мир, 1984.-336 с.

10. П.Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуховицкий A.A. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. М.: Металлургия, 1974. - 280 с.

11. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. М.: Мир, 1985.-496 с.1Z6

12. Брюхов В.В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации по их целевому назначению, дисс. канд. техн. наук.//ТПИ.-Томск, 1986.-224 с.14. Брюхов В.В.15.Брюхов В.В.

13. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А., Темкин М.М. Пространственные распределения энергии, выделенной в каскаде атомных столкновений в твердых телах. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 248 с.

14. Весновский O.K. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации при резании труднообрабатываемых авиационных материалов дисс. канд. техн. наук.//ТПИ. Томск, 1986.- 148 с.

15. Грязнов Б. Т. Повышение износостойкости пар трения скольжения машин микрокриогенной техники методом ионной имплантации: дисс. канд.техн.наук: 05.02.04. Омск, 1984. 164 е.

16. Грязнов Б. Т., Чечуков Н.Т. Исследование ионной имплантации с целью повышения ресурса пар трения. В сб.: Тезисы докладов региональной научно - технической конференции. Омск, 1983. - 65 с.г20. Грязнов Б. Т.21. Грязнов Б. Т.

17. Диденко, А.Е. Лигачев, И.Б. Куракин. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 184 с.

18. Дибнер Л.Г. Современное оборудование для изготовления и заточки твердосплавного инструмента. В кн.: Рациональное использование твердого сплава в промышленности. Л.:ЛДНТП, 1973. - с. 119-124.

19. Друкарев Г.Ф. Столкновения электронов с атомами и молекулами. Монография. -М.: Наука, 1978. 320 с.

20. Дунин-Барковский И.В., Карташова А.Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. М.: Машиностроение, 1978. - 230 с.

21. Дыков А.Т., Ясинский Г.И. Прогрессивный режущий инструмент в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1972. 224 с.

22. Евстифеев В.В., Иванов И.В., Крылов Н.М., Кудряшова Л.Б. Экспериментальное исследование и компьютерное моделирование рассеяния ионов низких энергий поверхностью металлов.//Поверхность -1993 -ЖЗ. С.35-40.

23. Жилин В.А. Субатомный механизм износа режущего инструмента. Изд. Ростовского ун-та, 1973. - 168 с.

24. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник -4-е изд. Перераб. и доп. М.: Машиностроение, ¡992. 480 с.

25. Ионная имплантация / Ред. Хирвонен Дж. М.: Металлургия, 1985. 391 с.

26. Комбалов B.C. Влияние шероховатости поверхности твердых тел на трение и износ. М.: Наука, 1974. 111 с.ьо

27. Комаров Ф.Ф., Новиков А.П., Соловьев B.C., Ширяев С.Ю. Дефекты структуры в ионио-имплантированном кремнии. Минск: Изд-во Минск. Ун-та, 1990.-318 с.

28. Кумахов М.А., Комаров Ф.Ф. Энергетические потери и пробеги ионов в твердых телах. Минск; Изд-во БГУ, 1979. - 320 с.

29. Комаров Ф.Ф. //"Известия вузов. Физика." 1994. - №5. - С. 13-25.

30. Крагельский И. В. Молекулярно механическая теория. - В кн.: Трение и износ в машинах, т.З. -М. -Л.: Изд. АН СССР. 1979. - с 178 -183.

31. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. М.: Машгиз, 1958. 355 с.

32. Лусников A.B. Поверхностный механизм распыления. ЖТФ, 1981, т. 51, с. 62.

33. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.Машиностроение, 1976. 278 с.

34. Манухин В.В. Распыление однородных материалов легкими ионами.//Поверхность -1993 №3. С. 42-47.

35. Машкова Е.С., Молчанов В.А., Экштайн В. Влияние механической обработки мишени на пространственные распределения распыленного вещества// Поверхность 1996. - №1. - С. 51.

36. Машкова Е.С., Молчанов В.А., Фаязов И.М., Экштайн В. Экспериментальное и компьютерное изучение угловой зависимости коэффициента распыления графита// Поверхность-1994.-№2.-С.33.

37. Мейер Дж. Ионное легирование полупроводников. М.: Мир, 1973. - 296с.

38. Михайлов Г.А. Некоторые вопросы теории методов Монте-Карло. Новосибирск: Наука, 1974. 30 с.

39. Молчанов В.А., Тельковский В.Г. ДАН СССР. 1961,т.136, с. 801.

40. Мудров. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск.: МП "Раско" , 1991. - 272 с.

41. Неволин В.Н., Фоминский В.Ю., Прокопенко В.Б., Маркеев A.M., Врублевский А.Р., Куликауска B.C. Ионно-лучевое перемешиваниеатомов и формирование химических связей на границе MoSx/57Fe.// Поверхность 1994 - №1. С.85.

42. Падюков К.Н. Разработка и исследование метода повышения износостойкости твердосплавных режущих инструментов путем корпускулярного легирования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Томск, 1980. - 192 с.

43. Плетнев В.В., Семенов Д.С., Тельковский В.Г. // Поверхность 1983. № 5. С.5.

44. Поворознюк С.Н., Полещенко К.Н., Кульков С.Н., Вершинин Г.А.//Поверхность. 1995. № 11. С. 74

45. Поворознюк С.Н., Полещенко К.Н., Вершинин Г.А., Орлов П.В. // Поверхность . 1999, № 5-6.С. 69-72

46. Полетика М.Ф., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Губкин Н.И. //. Физические процессы при резании металлов: Сб. науч. трудов. Волгоград: ВОЛГТУ, 1994. С.70.

47. Полетика М.Ф. Микроструктура и микротвердость в зоне резания при работе резцом с фаской «Известия Томского политехнического ин-та», 1957, т 85.

48. Полетика М.Ф., Падюков К.Н., Лозинский Ю.М., Поверхностное ионное легирование режущего инструмента. В кн.: Прогрессивные технологические процессы в инструментальном производстве. М., ЦП НТО МАШПРОМ, 1979. С. 276-277.

49. Полещенко К.Н.Физико-механические явления при резании титановых сплавов имплантированным инструментом//ТПИ, 1990. 241 с.

50. Полещенко К.Н., Вершинин Г.А., Геринг Г. и. и др. // Весник Омского унта. 1996. №2. С 39.

51. Поут Дж. Ионная имплантация и лучевая технология/ Под ред. Вильямса Дж. Киев: Наук, думка, 1988. - 358 с.

52. Ракитин В.И., Первушин В.Е. Практическое руководство по методам вычислений с приложением программ для персональных компьютеров: Учеб. пособие. М.: Высш.шк., 1998. - 383 с.

53. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах М.: Машиностроение, 1990. - 232 с.

54. Риссел X., Рунге И. Ионная имплантация: пер с нем. Климова В.В., Пальянова В.Н./ Под ред. Гусевой М.И. М.: Наука. 1983. - 359 с.

55. Рудзит Я.А., Одитис И. А. Опараметрах нерегулярной шероховатости поверхности. Приборостроение, 1972, вып. 8. Рига.

56. Рыжов Э.В., Чистов В.Ф., ильицкий В.Б. Влияние алмазно-абразивной обработки на качество поверхности и контактную жесткость. Алмазы, 1973, №7.

57. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения. Справочник. 2-е изд. М: Металлургия, 1986. - 560 с.

58. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущих инструментов. М.: Машгиз, 1962. 952 с.

59. Серая Е.А. Методика определения параметров оптимальной шероховатости деталей при ремонте двигателей тракторов сельскохозяйственного назначения. Автореф. канд. дисс. М., 1971.

60. Смирнов Б.М. Физика атома и иона. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 216с.

61. Соболь. Метод Монте-Карло. М.: Наука, 1978. - 46 с.

62. Солонин И.С. Статистичечкие исследования точности и чистоты обработанной поверхности при развертывании чугуна и стали твердосплавным разверткамй. Труды УПИ, сб №50, Свердловск, 1956.

63. Сотников.//Поверхность. 1991. - №11. - с. 25-35.

64. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.Машиностроение, 1989.296 с.

65. Структура и свойства металлов и сплавов. Кристаллическая структура металлов и сплавов. Справочник. Барабаш О.М., Коваль Ю.Н. Киев: Наукова думка, 1986 - 598с.

66. Структура и свойства металлов и сплавов. Тепловые свойства металлов и сплавов. Справочник. Лариков Л.Н., Юрченко Ю.Ф.- Киев: Наукова думка, 1986. - 437 с.

67. Структура и свойства металлов и сплавов. Свойства облученных металлов и сплавов. Справочник. Шалаев A.M. Киев: Наукова думка, 1985. - 308 с.

68. Структура и свойства металлов и сплавов. Механические свойства металлов и сплавов. Справочник. Тихонов Л.В., Кононенко В. А. Прокопенко Г.И., Рафаловский В.А. Киев: Наукова думка, 1986. - 566 с.

69. Структура и свойства металлов и сплавов. Диффузия в металлах и сплавах. Справочник. Лариков Л.Н., Исайчев В.И. Киев: Наукова думка, 1987. -510 с.

70. Углов В.В., Ходасевич В.В., Русальский Д.П., Косько И.В. Изменение механических свойств стали Р6М5 в результате двойной имплантации. /III международная конференция

71. Филиппов Г.В. Режущий инструмент. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. 392 с.

72. Фирсов О. Б. О зависимости распыления мишени от угла падения бомбардирующих частиц. ДАН СССР, 1969, т. 189, с. 302.

73. Фрулин Ю.Л. Комплексное проектирование инструментальной оснастки -М.: Машиностроение, 1987. 344с.8 5.Характеристики микрогеометрии, определяющие контактное взаимодействие шероховатых поверхностей (методика определения) М.: НИИМАШ, 1973.-82 с.

74. Четвериков С.С. Металлорежущие инструменты (проектирование и производство). М.: Высшая школа, 1965.731 с.

75. Шаркеев Ю.П., Диденко А.Н., Козлов Э.В. Дислокационные структуры и упрочнение ионно-имплантированных металлов и сплавов. Известия вузов. Физика, 1994, №5. С 92 109.

76. Шорин B.C., Соснин А.Н. Обратное рассеяние быстрых ионов на тонких пленках с поверхностной шероховатостью.// Поверхность -1993-№3. С 4956.

77. Шулов В.А. Влияние ионной имплантации на химический состав и структуру поверхностных слоев жаропрочных сплавов. Известия вузов. Физика, 1994, №5. С 72 92.

78. Якобсон М.О. Точность и шероховатость при обработке отверстий//СТИН -№10- 1949.

79. Almen О.,Bruce G.,Nucl. Instrum. Methods-1961, 11, 257, 279.

80. Biersack J. P., Haggmark L. G.//Nucl. Instr. Meth. 1980. - V. 174. - P. 257 -269.

81. Cheney K.B., Pitkin E. Т., Joum. Appl. Phys.- 1965, 36, 3542.

82. Eckstein W., Verbeek H., Biersack J. P.//J. Appl. Phys. 1980.- V51. - №2. P 1194-1200.

83. Edwin R. P., Journ. Phys. 1973, D 6, 833

84. FetzH.,Zs Phis.- 1942, 119,560.

85. Johnson W. L., Cheng Y. T., Rossum M., Nicolet M.-A.//Nucl. Instr. Meth. -1985.-V.B7/8.-P. 657-665.

86. Littmark U.,FedderS.//Nucl. Instr. and Meth. 1982. V. 194. P. 687.

87. Littmark U., Fedder S. // Nucl. Instr. and Meth. 1982. V. 194. P. 607.

88. Miyagawa Y., Miyagawa S.//Jap. J. Appl. Phys. 1983. - V. 54. - № 12. - P. 7124-7131.

89. Pogrebnjak A.D.//Phys. Stat. Sol. 1990. V. 17. P.17.

90. Schulz F., Wittmaack K.//Rad. Eff. 1976. - V. 29. - P. 31 - 40.

91. SigmundP. //Phys. Rev. 1969. V. 184. P. 383; 1969.V. 187. P. 768.

92. Sigmund P. //Rev. Roum Phys. 1972. V. 17. P. 823, 696, 1079.

93. Sigmund P., Grass Marti A.//Nucl. Instr. Meth. - 1981. - V. 182/183. - P 25-41.

94. Weissmann R., Behrish R. // Rad. Eff. 1973. V. 19. P. 69.

95. Weissmann R., Sigmund P. // Rad. Eff. 1973. V. 19. P. 7.136