Geum.ru

Удк 533. 59 Применение высокодозовой ионной имплантации для упрочнения волочильного инструмента дзюба В. Л., докт техн наук, проф., Кляхина Н. А., канд физ мат наук, доц., Васецкая Л. А., аспирант, Зёма А. В., инженер

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
УДК 533.59


ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОДОЗОВОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ВОЛОЧИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА


Дзюба В.Л., докт. техн. наук, проф., Кляхина Н.А., канд. физ.-мат. наук, доц., Васецкая Л.А., аспирант, Зёма А.В., инженер

Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля,

Институт химических технологий Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля (г. Рубежное).


Приведен анализ влияния высокодозовой ионной имплантации на структуру и механические свойства поверхности волочильного инструмента.


Одной из тенденций современного производства является использование высокопроизводительного износостойкого волочильного инструмента с повышенными прочностными характеристиками. Применение такого инструмента имеет прямые экономические выгоды для производителя, поскольку ведет к сокращению прямых затрат на приобретаемый инструмент, повышению производительности и степени загруженности станочного парка, сокращению времени вспомогательных операций. Актуальным вопросом в этом направлении является повышение износостойкости и твердости волочильного инструмента. Одним из современных способов снижения абразивного износа является нанесение на фильеры защитных модифицированных покрытий. Наиболее перспективным методом получения твердых и износостойких модифицированных покрытий является ионная имплантация, которая позволяет получать защитные покрытия в нанокристаллическом состоянии, которое характеризуется высокими физическими и технологическими свойствами.

В методе ионной имплантации определяющей характеристикой является доза облучения. Для упрочнения стальных фильер авторы использовали высокодозовую имплантацию D=1017 ион/см2, которая 1, 2 значительно повышает износостойкость полученных модифицированных покрытий. Так как доза внедряемых ионов непосредственно зависит от времени, то получение модифицированного слоя производилось при режимах: Up = 400 B, Ip = 0,5 A, Um = 2 кВ, Im = 50 мА, Uподл = 25 кB, Iподл = 35 мA, в среде азота на подложки стали ВСт3сп при комнатной температуре и рабочем давлении 5,32·10-2 Па. Время напыления варьировалось от 3 до 120 мин.

Полученные модифицированные слои исследовались на твердость и адгезию, так как эти механические свойства являются важными показателями упрочненной поверхности.

На рисунке 1 приведены данные по микротвердости, которые свидетельствуют об изменении фазового состава и структуры покрытия с увеличением ширины диффузионного слоя. Максимальная твердость покрытия на подложке стали ВСт3сп достигает величины 3,27 ГПа.

Рисунок 1 – Зависимость микротвердости нитридных пленок от времени

Как видно из рис.1, график имеет неоднородный характер, на нем наблюдается пять максимальных пиков при 20, 40, 60, 90 и 120 мин имплантации ионов титана и азота вглубь стальной подложки. Эти пики обусловлены цикличностью процессов образования нитрида титана на поверхности стали, а также образованием диффузионного слоя.

Измерение адгезии нанесенных нитридных покрытий производилось качественно, с помощью метода клейкой ленты (скотча). Для проведения эксперимента кусочек клейкой ленты припрессовывался к образцу. По отрыву клейкой ленты качественно судили об адгезии покрытия. В случае отрыва пленка частично или полностью удалялась, или же оставалась на подложке. Сравнительные характеристики адгезионных свойств покрытий нитрида титана исследовались склерометрическим методом (методом царапания). В качестве индентора использовался алмазный конус Роквелла с углом при вершине 120º, передвигаемый по поверхности покрытий со скоростью 3 см/мин. Вертикальная нагрузка на индентор увеличивалась до тех пор, пока не достигалась ее критическая величина, при которой покрытие полностью отделялось от подложки, и составляла 10 - 35 г. Данную критическую нагрузку определяли, исследуя полученные царапины под металлографическим микроскопом [3].

Для оценки адгезии пленок были взяты образцы при t = 9, 20, 90 и 110 мин имплантации, данные приведны в таблице 1:

Таблица 1


Оценка величины адгезии модифицированных нитридных покрытий, ГПа,

нагрузка 15 г
Подложка

Н, ГПа
Время напыления, мин

9
20
90
110

Сталь ВСт3сп
1746,0
2155,6
1746,0
2155,6


Для царапания нами были взяты образцы, которые имели различные значения твердости (рис 2.). Из рисунка видно, что с увеличением времени напыления ширина канавки становится уже, это говорит о том, что величина адгезии возрастает с увеличением времени имплантации. Максимальное значение адгезии, полученное

а б

Рисунок 2 – Результаты царапания поверхности покрытий нитрида титана на стали ВСт3сп при нагрузке на индентор 15 г:

а - время имплантации 9 мин, б - время имплантации 20 мин,


нами при времени напыления 110 мин, свидетельствует о том, что глубина модифицированного слоя увеличивается, т.е. имеет место термическая и радиационно-стимулированная диффузия.

Полученные данные свидетельствуют о том, что максимальная адгезия на покрытиях напрямую связана с уменьшением зерна при имплантации стали ионами азота и титана. Мелкодисперсная структура является более плотной, поэтому сцепление основы с покрытием тем больше, чем мельче структура. Данные, полученные по микротвердости, свидетельствуют о повышении адгезии в случае повышения микротвердости при 20 мин напыления.


Список использованных источников


1. Ионная имплантация в полупроводники и другие материалы [Текст] : сборник статей / Перевод с англ. под ред. д-ра физ.-мат. наук проф. В.С.Вавилова. – Москва : Мир, 1980. - 332 с.