Реферат: 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

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.