CC BY
13
плавления и нормальных условиях; 52Э8 - энтропия системы. Расчёт для системы титан-железо даёт значение энергии активации Q = (4 - 6)10-5 Дж, что соответствует средней энергии плазменного потока титана 15 - 20 кэВ.
Между электронным строением и энергией активации имеется определённая зависимость. С увеличением заселённости подуровня d5 растёт величина энергии активации, что характерно для элементов VI периода периодической системы. По конфигурационной модели любой протекающий в твёрдых телах процесс может характеризоваться переходом от начальной электронной структуры к конечной через промежуточную метастабиль-ную конфигурацию. Формирование промежуточных электронных конфигураций приводит к появлению и развитию фазовых превращений и структурных изменений, приводящих к формированию активных центров [8].
Количество активных центров, образовавшихся на единице площади, при термической активации плазменным потоком подчиняется закону:
ЛТ 1 Г N = — exp
VT
E, - E kT
\
(4)
где V - частота колебаний валентных электронов
активируемой подложки; т - время воздействия источника внешней энергии, мин; (Ей - Еа) - увеличение термодинамического потенциала системы; к - постоянная Боль-цмана; Т - абсолютная температура подложки.
Расчёт по выражению (4) [Э] независимо от типов структурных дефектов, состава и структуры сталей отражает зависимость количества активных центров только от энергии плазменного потока. Для нагрева деталей ионной бомбардировкой использовалась титановая плазма с разной энергией плазменного потока, которая изменялась технологическими параметрами работы плазменной установки (таблица 1).
Таблица 1
Количество активных центров на поверхности стали ХВГ
Энергия плазменного потока, кэВ Температура подложки, К Количество активных центров, N-108
100 293 1,22
150 373 1,34
200 473 1,86
250 573 2,14
300 673 2,36
350 773 2,41
Таким образом, с увеличением энергии плазменного потока и температуры образцов при ионной бомбардировке растёт количество дефектов поверхности, которые являются активными центрами и определяют высокую адгезионную прочность при последующей конденсации ионно-плазменных покрытий.
Список литературы
1. Самсонов Г.Ф., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия.- М.: Наука, 1973. -
397 с.
2. Ивановский Г.В., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материа-
лов.- М.: Радио и связь, 1986. - 232 с.
3. Табаков В.П. Применение покрытий на основе карбонитрида титана
для повышения стойкости режущего инструмента //Станки и инструмент.- № 11.- 1991. - С. 18-19.
4. Прогресс в покрытиях. Advances in the coating of tools /Konig Met. Int.,
24.- 1992.- № 5.- С. 297 - 308.
5. Вишняков А.Д. Современные методы исследования структуры
деформированных кристаллов.- М.: Металлургия, 1975. - 480 с.
6. Электронно-зондовый микроанализ /Пер с англ.; Под ред. Б.В.Боровс-
кого.- М.: Мир, 1984. - 260 с.
7. Делингер У. Теоретическое материаловедение.- М.: Металлургия,
1976. - 240 с.
8. Бохмтейн Б.С. Электронная структура переходных металлов и химия
их сплавов.- М.: Металлургия, 1978. - 234 с.
9. Распыление твёрдых тел ионной бомбардировкой /Пер. с англ.; Под
ред. М.М. Береша.- М.: Мир, 1984. - 335 с.
В.И. Юршев, В.С. Репях, И.В. Юршев Оренбургский государственный университет, г.Оренбург
РАЗРАБОТКА НОВЫХ СПОСОБОВ ОСАЖДЕНИЯ ПИРОЛИТИЧЕСКИХ ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ
Использование защитных покрытий в современной промышленности находит все большее распространение. В зависимости от назначения и условий работы изделия применяют различные по свойствам металлические покрытия.
Применение технологии нанесения покрытий, особенно многослойных, и внедрение ее в производство сталкивается с рядом трудностей. Такие покрытия не достаточно широко применяются, например, в инструментальной промышленности по следующим причинам:
- не накоплен научно-исследовательский материал о влиянии условий конденсации на структуру и свойства покрытий, системы покрытие - инструментальный материал, о физических процессах, происходящих при плазменной конденсации;
- отсутствует теоретическое обоснование увеличения прочности, возможного образования на поверхности дефектов, в частности, микротрещин.
Особое место в современной промышленности занимают методы получения защитных покрытий путем осаждения из газовой фазы. Они являются предметом многочисленных исследований и разработок.
Покрытия, полученные газофазным осаждением, защищают материалы от износа и эрозии, обычной коррозии и высокотемпературного окисления. При решении проблемы защиты материала необходимо учитывать все виды агрессивного воздействия среды, поскольку на практике механизмы разрушения накладываются друг на друга.
Химическое осаждение из газовой фазы весьма универсальный и гибкий метод получения покрытий, является наиболее перспективным для нанесения материалов, которые затруднительно осаждать другими способами. При его использовании можно:
- регулировать толщину покрытий и изменять ее в широком интервале [1];
- получать большинство тугоплавких материалов в более чистом виде, чем при других способах;
- регулировать свойства материалов введением модификаторов.
Исходным материалом для нанесения покрытий при химическом осаждении являются металлоорганические соединения (МОС), которые под воздействием температурного поля при нагреве в результате химических реакций разлагаются с образованием покрытия.
Особенно перспективно использование МОС «Бар-хос», т.к. получаемое аморфное хромокарбидное покрытие по результатам исследований [1,2] показывает достаточно уникальные свойства на металлорежущем инст-
и
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1
91
рументе, на деталях, работающих в различных коррозионных средах или в условиях трения. Покрытие также имеет отличный декоративный вид.
Для проведения процесса химического осаждения необходимо дорогостоящее оборудование, а именно вакуумные установки, в которых, в основном, используется радиационный нагрев подложки, приводящий к разложению части реакционных паров на теплоизлучающих элементах. Так как стоимость используемого исходного химсоединения МОС "Бархос" достаточно высока [3], то это приводит к повышению затрат на проведение процесса осаждения. В связи с чем представляется важным повышение коэффициента использования исходного химсоединения и оптимизация условий осаждения.
Высокие скорости осаждения (1 - 2 мкм/мин), достигаемые при осаждении из паров МОС [4], являются одним из важнейших факторов, определяющих состав и структуру покрытия.
Использование нагрева подложки токами высокой частоты (ТВЧ) позволяет повысить коэффициент использования исходного МОС исключая осаждение на стенки реактора, тем самым увеличивая скорость осаждения покрытия, а отказ от вакуумного оборудования при осаждении в среде аргона приводит к сокращению времени проведения процесса осаждения и удешевления технологии.
Типы микроструктур покрытий формировались аналогично вакуумным: аморфные не травящиеся 390 - 410оС, горизонтально-слоистые 420 - 450оС, слоисто-столбчатые 520 - 540оС.
Наибольшей износостойкостью и лучшими физико-механическими свойствами по результатам проведенных исследований обладают горизонтально-слоистые покрытия. Микроструктуры покрытий, полученных в вакууме [1] и по безвакуумной технологии при использовании нагрева подложки ТВЧ показаны на рис. 1.
х 625
а)
б)
Рис.
1. Микроструктуры горизонтально-слоистых покрытий
а - полученной в вакууме с использованием тлеющего разряда; б - полученной при атмосферном давлении с использованием нагрева ТВЧ
При работе деталей машин и инструментов с покрытиями происходит естественный износ защитного слоя или непосредственное разрушение защитного покрытия (отслоения, сколы). Разрушению упрочняемого слоя способствуют такие факторы, как недостаточная адгезионная прочность, высокие механические нагрузки, а также внутренние напряжения. Огромную роль, влияющую на качество работы покрытия, оказывает равномерность распределения толщины слоя по поверхности подложки. Достижение одинаковой толщины слоя покрытия приводит к более равномерному распределению внутренних напряжений в покрытии при его работе, а следовательно, увеличению срока службы упрочненного изделия.
При осаждении ПХП с применением высокочастотного нагрева отмечается улучшение равномерности толщины слоя покрытия по поверхности подложки. Это объясняется воздействием электромагнитного поля индуктора на осаждаемые атомы хрома.
На рис. 2 представлены структуры образцов с покрытием на рельефной поверхности. Видно, что при использовании радиационного нагрева подложки, (рис. 2, а) толщина покрытия на вершинах больше, чем во впадине. Следовательно, вероятность разрушения покрытия под действием нагрузки в этих местах выше из-за более высоких внутренних напряжений. Исследования показали, что оптимальная толщина покрытия для режущего инструмента составляет 3 - 5 мкм, что хорошо согласовывается с литературными данными [5].
Таким образом, применение высокочастотного нагрева и осаждение при атмосферном давлении в среде аргона позволяет увеличить равномерность осаждаемого слоя и существенно сократить время технологического процесса осаждения за счет исключения вакуумного оборудования.
х50
х50
а)
б)
Рис. 2. Профили поверхности резьбы с хромовым покрытием, полученные при атмосферном давлении
(покрытие не протравлено) а - при радиационном нагреве; б - при нагреве ТВЧ
Список литературы
1. Юршев В.И. Разработка технологии осаждения пиролитических
хромовых покрытий и оборудования при импульсном воздействии тлеющего разряда: Дис. ... канд. техн. наук. - М.: МАДИ, 1991.
2. Бойко С.В. Разработка технологии осаждения пиролитических
хромовых покрытий в атмосфере аммиака: Дис.... канд. техн. наук. - М.: МАДИ, 1990.3 http://palmira.h11.ru/prise.htm
4. Разуваев Г.А., Грибов Б.Г., Домрачев Г.А. и др. Металлоорганические
соединения в электронике.- М.: Наука, 1972.- 479 с.
5. Иванов Л.Л. Разработка технологии получения пиролитических
хромовых покрытий для упрочнения инструмента. - М.: МАДИ, 1988.- 242 с.
Иванова И.А., Иванов В.В. Курганский государственный университет, г. Курган
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛООБМЕННИКОВ В ПРОЦЕССЕ ШЛИФОВАНИЯ
Процесс двустороннего шлифования торцом круга характеризуется как высокой производительностью, так и большими эненргозатратами. Вследствие этого процесс шлифования сопровождается значительным выделением тепла, что приводит к изменению первоначальной настройки взаимного расположения кругов и, как следствие, к потере точности обработки деталей.
1. Уравнение теплового баланса.
Уравнение теплового баланса в процессе шлифования может быть записано следующим образом:
Ф,
шлиф
■ Ф = о,
(1)
где Ф шлиф - тепловой поток процесса шлифования;
92
ВЕСТНИК КГУ, 2005. №2.
