CC BY
103
Список литературы
1. Современные методы и средства балансировки машин и приборов / под. ред В.А. Щепетильникова. М.: «Машиностроение», 1985. 232 с.: ил.
2. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.
V.A. Larin, Y. V. Myagkov, M. Y. Elagin
ROLLER STAND OF FINISH VIBROBALANCING OF CAR WHEEL
Considered the finish rolling stand for dynamic vibrobalancing of car wheels.
Key words: wheel balancing, roller stand, vibrobalancing.
Получено 20.01.12
УДК 669.056.9:629.33
Е.М. Сидоров, магистр, (4872) 45-53-62, cem [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ШАРНИРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАШИН С ПРИМЕНЕНИЕМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
Представлена технология упрочнения деталей шарнирных соединений, применяемых в современных транспортных машинах. Технология основана на использовании метода ионной имплантации и предполагает комбинированную обработку. Также приведен подход к моделированию данного процесса обработки.
Ключевые слова: ионная имплантация, шарнир, трибология, микротвердость, моделирование.
Важной задачей в современном машиностроении является повышение прочности и износостойкости деталей, что увеличит ресурс использования изделия, повысит надежность работы всех узлов машин и агрегатов. Основным конструкционным материалом машиностроительной индустрии является сталь, а это значит необходимо улучшать ее характеристики за счет внедрения и использования новых методов обработки данного металла и изделий из него.
Для повышения эксплуатационных свойств материалов широко используются механические, термические, деформационно-термические и химико-термические методы упрочняющей обработки и легирования [1]. При использовании этих методов обработки материалов не всегда обеспечивается достаточно хорошая адгезия покрытий, и упрочнение происходит
не только на поверхности, но и в объёме изделия. В то же время для защиты деталей от изнашивания и коррозии достаточно поверхностного упрочнения материала. Основной же объем материала не требует упрочнения.
На сегодняшний день одним из перспективных методов ионнолучевой обработки является ионная имплантация - внедрение ускоренных ионов в твердые тела [2]. Ионная имплантация - универсальный метод упрочняющей обработки. Материалы, попадая в условия облучения высокоэнергетическими ионами, претерпевают значительные структурные превращения, которые обуславливают резкое изменение их свойств.
Суть метода заключается в поверхностной обработке изделия ионами с энергией, достаточной для их внедрения в поверхностные слои материала. Пороговая энергия, выше которой начинается внедрение ионов составляет примерно 3 10-18 Дж. Обычно рассматривают три энергетических диапазона ионной имплантации: низкоэнергетическая
(10-17 - 10-16 Дж), имплантация ионов средних энергий (10-15 - 10-14 Дж), высокоэнергетическая имплантация (10-13 Дж и выше) [3].
К нагрузкам, воздействующим на подложку, следует отнести усталостные нагрузки, в результате которых в структуре деталей возникают микротрещины, которые при дальнейшем развитии приводят к выходу деталей из строя. Однако наряду с усталостными нагрузками на поверхность деталей действуют силы трения, так называемые трибологические нагрузки, вызывающие износ деталей.
Для определения характеристик износа необходимо прежде всего определить стадию трения и механизмы износа. Наиболее важными из механизмов износа являются: адгезия или адгезионный износ, истирание или абразивный износ, разрушение поверхности, трибоокисление.
Имплантация ионов позволяет сократить негативное воздействие воздействие как усталостных напряжений, так и износа. В частности, совместная имплантация ионов меди и свинца монотектического сплава Си 64 % и РЬ 36 % способствует росту усталостной прочности облученных образцов по сравнению с необработанными на 40...45 % [4].
При ионной имплантации азота в ходе эксперимента установлено повышение микротвердости кулачков системы газораспределения автомобиля, изготовленных из стали 40Х.
Результаты экспериментов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты экспериментов
Материал образца Отн. микротвердость
ВЧ65-48-1 1,18
40Х 1,95
Из сравнительного анализа полученных результатов следует, что при принятых параметрах ионной имплантации наибольшее (около двух раз) повышение микротвердости отмечается для стали 40Х.[5]
Таким образом, можно предположить, что возможна разработка режима имплантации, при котором получится повышение как усталостной выносливости, так и износостойкости (микротвердость). Речь идет о совместной поочередной имплантации ионов в материал детали-подложки.
При имплантации ионов меди и свинца с дозой 11017 ион/см2 по отдельности максимальное содержание имплантируемых элементов наблюдается на поверхности образца. На глубине порядка 40.70 нм наблюдается снижение концентрации имплантируемых элементов.
При последовательной имплантации ионов меди и свинца (свинец имплантируется после меди) отмечается наличие пика концентрации меди на расстоянии 40 нм от поверхности образца. При этом толщина слоя, в котором присутствуют имплантированные ионы, составляет 200 нм.
Анализ распределения имплантированных ионов в поверхностном слое стали 30ХГСН2А, выполненный с помощью Оже-спектрометра, при нормальном направлении электронного пучка свидетельствовал, что в поверхностном слое распределение ионов меди и свинца равномерное.
Усталостные испытания имплантированных и контрольных (неим-плантированных) образцов выполнены на машине МУИ-6000 в условиях чистого кругового изгиба с частотой 3000 об/мин и при напряжении цикла а = 500 МПа. Использовались образцы типа II (ГОСТ 25.502-79). Результаты усталостных испытаний контрольных и имплантированных образцов представлены в табл. 2.
Анализ результатов проведенных усталостных испытаний позволил установить, что наибольший в данных условиях эффект обеспечивает совместная имплантация ионов меди и свинца монотектического сплава с содержанием свинца 36 % [4].
Таблица 2
Усталостная прочность стали 30ХГСН2А при имплантации ионов
меди и свинца дозой 1017 ион/см2
Сорт ионов - Си РЬ Си + РЬ Си 64 % + РЬ
Число циклов до разрушения К, кц 96,2 111,5 116,4 119,3 148,1
Напряжение цикла а, МПа 500 500 500 500 500
Очевидно, что в результате надо получить структуру, в которой на материале подложки будет слой внедренных имплантированных ионов меди, а затем ионов азота.
Основные параметры такой имплантации можно рассчитать по любой из существующих моделей процесса ионной имплантации. Наиболее простым является метод моделирования Линхардта-Шарфа-Шиотта
С учетом весовых коэффициентов соотношение для концентрации примет вид
мишени, г - номер фазы, Rpi и АЯрг - средний проецированный пробег и его отклонение для каждой фазы, м; х - глубина проникновения ионов, м, ^ -массовая доля вещества в фазе.
где хі, Ахі, - характеристики распределения вакансий для различных
фаз.
Полная доза имплантации Ф может быть определена на основании экспериментальных данных (по результатам измерения ионного тока).
Рассчитанные по формулам (1) и (2) распределения меди, свинца и азота и дефектов по глубине материала после имплантации используются при определении остаточных концентрационных напряжений.
Пробеги ионов можно считать как расчетными методами, так и измерить непосредственно после обработки.
Однако в модели ЛШШ есть определенные трудности, связанные, в частности, с неоднородностью приходящего на мишень ионного пучка по зарядовому и массовому составу, недостатками измерения цилиндром Фарадея и блоком измерения дозы.
Таким образом, гораздо эффективнее оценить механизм данного конкретного вида обработки по компьютерной динамической модели. Данная модель дает возможность получить детерминированную зависимость для данного материала.
Предлагаемую методику моделирования ионной имплантации будем рассматривать исходя из классической механики и следующих предположений:
1. Атомы облучаемой детали (мишени) образуют правильную кристаллическую структуру.
2. Материал мишени некоторые часто используемые в инженерных конструкциях металлы - железо, алюминий, хром, молибден, вольфрам (пока без примесей).
(ЛШШ).
V У
где Ф - полная доза имплантации, м’2; п - количество фаз в материале
(1)
1) С учетом весовых коэффициентов соотношение имеем
V
У
(2)
3. Ионный пучок образован поочередно ионами меди и азота.
4. Учитываются взаимодействия атомов мишени, ионов пучка:
Ион - Ион , Металл - Металл, Металл - Ион. Например, N+ - N +, Ее - Ее,
Fe - N +.
5. Взаимодействия всех частиц предполагаются парными и центральными.
6. Потенциал взаимодействия описывается зависимостью Ленар-да-Джонса (п-т):
ТТ А В
и —--------[6].
7. Рассматриваются эффективные атомы и ионы (квантово механическая природа взаимодействия частиц учитывается в среднестатистическом смысле, ядерно-электронная структура не рассматривается).
Используя предположение 7 (эффективные атомы и ионы) запишем уравнения для системы взаимодействующих частиц: пучок ионов плюс мишень (предположение 4) в форме второго закона Ньютона:
Ж 2 Ъ N
т1 —2“ — ^ ^, 1 — 1N (3)
Ж 2 у—1
Взаимодействие между точками системы описывается потенциальной
функцией (потенциалом) и — и(Я) (см. предположения 5-7), зависящей от
расстояния Я между точками системы (пучок ионов плюс мишень). Таким образом, сила, действующая на точку М. со стороны точки М., определяется соотношением
Ру —- — ■ ^ , (4)
где Яу - радиус-вектор, соединяющий точку М. с точкой М., Я. - модуль
радиус-вектора, у — 1, N, N — No + Np, Nо - количество частиц образца
(мишени), Nр - количество ионов в пучке.
Предположим, что потенциал определен функцией Ленарда-Джонса (п-т) (предположение 6) [6]:
и — — , (5)
Яп Ят
где А, В, п, т - некоторые константы, характеризующие молекулы рассматриваемого вещества. Следовательно, силовое взаимодействие точек будет описано системой уравнений:
ё 2 г ^
ті~І = -! ж і=і
пА тВ +
и п+1 и т+1
V % у
где Я — Аг. - г. )\г. - г.), г, ] — 1,N.
Кроме того, исключая из полученньгх уравнений, так называемое самодействие, следует добавить условие Р. — 0, если г —] .[7] Выделяя
скорости и ускорения, приведем систему уравнений (2.4) к нормальной форме:
йг г
— — V; ёг '
ёК 1 "
— —~^ ёг т .—1
(
пА тВ
т-) п + 1 т-) т + 1
Я Я
г. - г.
_2__________1_
Я..
(7)
V . . У
Число уравнений в конечной системе будет определяться как числом атомов рассматриваемой подложки, а также числом ионов, составляющих образуемые пучки. Причем рассматривать придется следующие
комбинации взаимодействия: N +- N +, Ре - Ре, Ре - N +, Ре - Си + ,
Си +- N + Си +- Си +. Все комбинации взаимодействия (включая соседей до второго порядка соседства) и составят систему дифференциальных уравнений.
Рассмотренная выше компьютерная динамическая модель проникания ионов азота сквозь атомы мишени дает наглядное представление о процессах, протекающих при имплантации. С другой стороны эта модель приводит к убеждению в том, что переход на макроуровень для описанного выше подхода затруднителен в связи с серьезными трудностями вычислительного характера т.к. приходится решать очень большие системы нелинейных дифференциальных уравнений. Однако результаты, полученные выше, могут быть успешно использованы, если воспользоваться одной из модификаций метода частиц иногда называемого методом крупных час-тиц.[7].
Если говорить о конкретном режиме имплантирования ионов, то начать следует с имплантации меди, причем применять постепенный разгон ионов с целью подготовки поверхности. Далее необходима обработка свинцом, причем наибольшую продолжительность должны занять стадии десорбции и распыления, чтобы подготовить поверхностный, более тонкий слой к принятью ионов азота. Затем уже и проводится имплантация ионов азота, при которой аналогично проходят все вышеописанные четыре стадии.
Можно сделать заключение, что для достижения оптимальных результатов достаточно, чтобы слой меди и свинца составлял 200 нм от поверхности, а слой азота - около 50-70 нм.
Применение подобной обработки в машиностроении применимо,
501
прежде всего, для тяжело нагруженных деталей, испытывающих при этом трибологические нагрузки. К примеру, такое явление наблюдается в таких трансмиссионных деталях, как шарниры, передающие значительные крутящие моменты. В автомобилях это шарниры равных угловых скоростей, чьи внутренние поверхности рекомендуется обрабатывать подобным образом. Также возможно применение метода и для крестовин шарниров карданных передач. Такой метод позволит снизить вероятность возникновения усталостных трещин, а также снизит износ в парах трения, что существенно повысит долговечность этих узлов.
Если говорить о результатах обработки, то указанное воздействие поднимет усталостную прочность и износостойкость в 1,5-2 раза. Такие значения позволят создать шарниры, замена которых будет происходить значительно реже, а значит, удастся уменьшить время простоя парка, затраты на текущий ремонт и затраты, связанные с поломками на линии.
Таким образом, ионная имплантация предстает перед нами как довольно перспективный метод упрочнения поверхностных слоев деталей автомобилей. При рациональной комбинации ионов, грамотно подобранных дозах имплантации можно не только значительно повысить трибологические свойства, но также и существенно увеличить усталостную и коррозионную стойкость таких деталей, как тяжело нагруженные шарниры.
Список литературы
1. Поут Дж. М. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками/ Под. ред. Дж. М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона. М: Машиностроение, 1987. 424 с.
2. Лейман К. Взаимодействие излучения с твердым телом и образование элементарных дефектов/ Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1979. 296 с.
3. Ноздрин В.Ф., Умеренко С.М., Губенко С.И. О механизме упрочнения металлов при сверхглубоком проникновении высокоскоростных частиц // Физика и химия обработки материалов. № 6. 1991. С. 73-79.
4. Овчинников В.В., Козлов Д.А., Якутина С.В. Влияние ионной имплантации меди на свойства конструкционной стали 30ХГСН2А. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. №10. С.16-23.
5. Сидоров Е. М. Модификация поверхностей деталей автомобилей методом ионной имплантации азота // Молодежный вестник технологического факультета. Лучшие работы студентов и аспирантов: сборник статей. Изд-во ТулГУ, Тула: 2009.
6. Каплан, И. Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы,
502
1982. 312 с.
7. Витальский Д.В. Модификация и эксплуатационные свойства поверхностей деталей машин и инструментов при ионной имплантации азота: дисс. канд. техн. наук. Тула, 2007.
137 с.
E.M. Sidorov
THE TECHNOLOGY OF HARDENING PARTS OF MACHINE SWING JOINT WITH USING ION IMPLANTATION
In work is presented the technology of hardening of details articulated the compounds applied in modern transport machine. The technology is based on application of a method of ionic implantation and assumes the combined processing. Also provides an approach to modelling of the technology of processing.
Key words: ionic implantation, the hinge, tribology, microhardness, modelling.
Получено 20.01.12
