Разработка метода бесконтактной заточки и поверхностной модификации пучками быстрых атомов режущего инструмента для чистовой обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Нэй Хтет Аунг

• Нэй Хтет Аунг
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Нэй Хтет Аунг

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Модификация поверхности деталей машин и инструмента

азотированием и осаждением износостойких покрытий

1.1 Ионное азотирование и нанесение износостойких покрытий

1.2 Особенности азотирования различных типов сталей

1.3 Устройства, применяемые для плазменного азотирования

1.4 Выводы

ГЛАВА 2. Выбор режимов тлеющего разряда для азотирования

режущего инструмента

2.1 Исследование параметров плазмы в рабочей камере

2.2 Изучение диссоциации азота в плазме разряда

2.3 Исследование азотирования режущего инструмента, нагреваемого ускоряемыми из плазмы ионами

2.4 Выводы

ГЛАВА 3. Нагрев азотируемого инструмента пучком быстрых атомов

3.1 Теоретическая модель пучка быстрых атомов, формируемого в

плазме сеткой с высоким отрицательным потенциалом

3.2 Экспериментальное исследование пучка быстрых атомов аргона и азота, формируемого в плазме сеткой с вогнутой поверхностью

3.3 Модификация поверхности и заточка быстрыми атомами лезвийного инструмента

3.4 Выводы

ГЛАВА 4. Модификация поверхности режущего инструмента,

нагреваемого в плазме быстрыми атомами

4.1 Исследование азотирования режущего инструмента, нагреваемого в плазме газового разряда пучком быстрых нейтральных атомов

4.2 Осаждение на азотированный инструмент износостойкого покрытия

4.3 Износостойкость азотированного инструмента с осажденным на его

поверхности твердым покрытием и качество обрабатываемой им

поверхности заготовки

4.4 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Энерго-масс-анализатор EQP

Приложение Б. Зонд Ленгмюра

Приложение В. Инфракрасный пирометр IMPAC IP

Приложение Г. Механический профилометр Dektak XT

Приложение Д. Оптическая измерительная система MikroCAD

Приложение Е. Вывод выражения (3.4)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода бесконтактной заточки и поверхностной модификации пучками быстрых атомов режущего инструмента для чистовой обработки»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Ионно-плазменное упрочнение поверхности изделий азотированием существенно повышает срок их службы. Кроме того, упрочненный поверхностный слой толщиной 50-100 мкм противодействует упругим и пластическим деформациям, а, следовательно, и хрупкому разрушению осаждаемого на него тонкого твердого покрытия. Поэтому азотирование изделий перед осаждением на них износостойких покрытий улучшает их характеристики.

Однако серьезной проблемой является интенсивное распыление режущих кромок инструмента нагревающими его ионами. В результате распыления возрастает радиус режущей кромки, и упрочненный инструмент оказывается тупым.

Использование новых методов генерации в рабочей вакуумной камере плазмы с оптимальными для азотирования параметрами и упрочнения в ней режущего инструмента, на приводящего к увеличению радиуса его режущих кромок, является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования. Плазменное азотирование включает два процесса: внедрение ускоренных ионов азота в поверхностный слой изделия и термодиффузию внедренных атомов азота в его глубинные слои. Повышение энергии бомбардирующих изделие ионов и степени диссоциации азота в плазме облегчает внедрение азота в поверхность изделия, а увеличение температуры изделия ускоряет диффузию азота.

При традиционном ионном азотировании в плазме аномального тлеющего разряда [1,2] мощность нагрева изделия пропорциональна квадрату давления газа [3] и достигает необходимой величины при давлении газа более 100 Па. Степень диссоциации азота в этом разряде невелика, а энергия частиц, бомбардирующих изделие под отрицательным напряжением в сотни вольт, не превышает 10-20 эВ. Низкая энергия обусловлена высоким давлением, при котором в слое объемного

заряда между плазмой и изделием происходит перезарядка ускоряемых из плазмы ионов. Поэтому влияние структурных дефектов на поверхности пренебрежимо мало, и единственным фактором повышения скорости азотирования здесь является температура. В связи с этим при использовании традиционной технологии время, необходимое для получения упрочненного азотированием слоя толщиной 100 мкм, может составлять 8-10 ч.

Время азотирования сокращается в 5 раз в плазме высокочастотного разряда [4], вакуумной дуги [5] или разряда с накаленным катодом [6,7] при 1 Па. В плазму погружают изделие и подают на него напряжение в сотни вольт. При низком давлении ионы из плазмы пролетают до изделия без столкновений и бомбардируют его поверхность с энергией в сотни электронвольт. Создаваемые ими в поверхностном слое дефекты способствуют внедрению азота в изделие и повышают скорость обработки.

В плазме дугового разряда [5] азотирование изделий и осаждение износостойких покрытий заметно повышают срок их службы. Однако при получении азотной плазмы с помощью электродуговых испарителей, закрытых поглощающими металлические частицы экранами, нерационально расходуется дорогой материал испаряемой мишени. Кроме того, плазма дуги крайне неоднородна, и чтобы обеспечить однородность обработки поверхности приходится использовать устройство планетарного вращения изделий в вакуумной камере.

Плазма, получаемая в рабочей камере с помощью других разрядов, также неоднородна. Поэтому для эффективного азотирования желательно использовать газовый разряд, обеспечивающий заполнение камеры достаточно однородной плазмой, например, тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов (ТРЭУЭ) [8].

При нагреве режущего инструмента ионами, вытягиваемыми из плазмы напряжением в сотни вольт, плотность ионного тока на режущей кромке в десятки раз выше, чем на остальной его поверхности. Из-за интенсивного распыления кромки инструмент с упрочненной азотированием поверхностью становится тупым. Поэтому энергию ионов, поступающих на инструмент из

плазмы, целесообразно ограничить величиной, меньшей порога распыления материала ~ 20 эВ, а для нагрева инструмента использовать другие средства, например, инфракрасные излучатели (тэны). Однако в этом случае не удастся реализовать возможность повышения скорости внедрения азота за счет создания поверхностных дефектов структуры.

Ускоряющие внедрение азота дефекты структуры образуются при нагреве изделия широким пучком ускоренных ионов или быстрых атомов. При этом режущая кромка и прилегающая к ней поверхность инструмента распыляются пучком с одинаковой интенсивностью, поэтому радиус режущей кромки не увеличивается. При давлении ~ 0,5 Па инжектируемый в рабочую камеру пучок быстрых атомов генерирует в ней достаточно однородную плазму [9] и одновременно нагревает инструмент, создавая дефекты структуры в его поверхностном слое.

Однако при размерах инструмента, значительно меньших поперечного сечения пучка, обработка малоэффективна, и он не нагревается до необходимой температуры. Поэтому нужно использовать сходящийся на поверхности инструмента пучок быстрых атомов с достаточной плотностью потока энергии. Его можно получить с помощью погруженной в плазму сетки под высоким отрицательным потенциалом [10].

Цель работы - получение высокого качества поверхности изделий за счет заточки и поверхностной модификации пучками быстрых атомов режущего инструмента для чистовой обработки.

В работе поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Разработка теоретической модели формирования концентрированного пучка быстрых атомов в плазме газового разряда.

2. Исследование плазмы тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов в рабочей вакуумной камере и оценка его применимости для формирования пучка быстрых атомов погруженной в нее сеткой и азотирования режущего инструмента.

3. Экспериментальное исследование формирования концентрированного пучка быстрых атомов в плазме разряда, а также заточки и азотирования с помощью этого пучка режущего инструмента.

4. Модификация поверхности режущего инструмента для чистовой обработки, нагреваемого пучком быстрых атомов, а также оценка его износостойкости и качества поверхности заготовки, обрабатываемой азотированным инструментом с осажденным на его поверхности износостойким покрытием.

Объектом исследования является ионно-плазменная модификация поверхности режущего инструмента азотированием и осаждением покрытий.

Предметом исследования является влияние на азотирование режущего инструмента его нагрева пучком быстрых нейтральных атомов в плазме ТРЭУЭ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В настоящей работе для азотирования режущего инструмента впервые используется плазма ТРЭУЭ в рабочей вакуумной камере, отличающаяся высокой однородностью и высокой степенью диссоциации азота. При оптимальном давлении газа 0,2-2 Па неоднородность ее концентрации не превышает 20%, а отношение плотности тока на обрабатываемую поверхность атомарных ионов азота к плотности тока его молекулярных ионов увеличивается с ростом тока разряда и при токе более 4 А превышает единицу.

2. С помощью погруженной в плазму сетки с вогнутой поверхностью под отрицательным потенциалом получен сходящийся на поверхности обрабатываемого инструмента пучок быстрых атомов с высокой плотностью потока энергии.

3. Впервые погруженный в плазму режущий инструмент нагрет до температуры эффективной термодиффузии азота пучком быстрых нейтральных атомов вместо ускоряемых из плазмы ионов, что позволило упрочнять инструмент без увеличения радиуса его режущей кромки из-за ее интенсивного распыления ионами.

4. Экспериментально доказано, что при азотировании лезвийного инструмента (ножи) с нагревом пучком быстрых атомов одновременно с

упрочнением поверхности происходит заточка лезвий, что позволяет затачивать пучком быстрых атомов аргона ножи из диэлектрической керамики (диоксид циркония), снижая радиус режущей кромки от ~ 10 до ~ 1 мкм. Теоретическая значимость работы в том, что:

- разработаны принципы формирования погруженной в плазму ускоряющей сеткой сходящегося на поверхности режущего инструмента пучка быстрых атомов, нагревающих его при азотировании;

- доказано, что при давлении газа 0,2-2 Па плазма ТРЭУЭ в рабочей вакуумной камере отличается наиболее благоприятными для плазменного азотирования параметрами: высокой однородностью и высокой степенью диссоциации азота;

- разработан метод физико-технической обработки, позволяющий затачивать лезвийный инструмент пучком быстрых атомов и уменьшать радиус его режущих кромок до 1 мкм;

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- азотирование погруженного в плазму режущего инструмента с нагревом до температуры эффективной термодиффузии азота пучком быстрых нейтральных атомов вместо ускоряемых из плазмы ионов позволяет упрочнять инструмент без увеличения радиуса его режущих кромок;

- упрочненный азотированием инструмент для чистовой обработки с износостойким покрытием отличается повышенной стойкостью и улучшенным качеством поверхности обрабатываемой им заготовки;

- новый метод азотирования может быть реализован в любой вакуумной камере и отличается низкими затратами на изготовление необходимого оборудования: анода и сетки с вогнутой поверхностью внутри камеры, а также источников электропитания.

Методы исследования При исследовании характеристик ТРЭУЭ в рабочей вакуумной камере из плазмы разряда извлекали атомарные и молекулярные ионы и получали их распределения по энергии. Для этого использовали энерго-масс-анализатор EQP производства фирмы «Hiden Analytical» (Англия). Основные характеристики прибора приведены в Приложении А.

Для определения пространственных распределений концентрации плазмы в камере и температуры электронов использовался зондовый метод. Применялся Зонд Ленгмюра производства фирмы «Impedans Plasma Measurement» (Ирландия). Основные параметры прибора приведены в Приложении Б.

При азотировании в плазме разряда инструмента необходимо контролировать его температуру. Для дистанционного измерения температуры на вакуумной камере было установлено кварцевое окно, обеспечивающее вывод из камеры инфракрасного излучения нагретого инструмента. Его температура определялась в результате анализа этого излучения с помощью инфракрасного пирометра, характеристики которого приведены в Приложении В.

Фазовый состав поверхностного слоя определялся с помощью рентгеновского дифрактометра EMPYREAN производства фирмы Malvern Pana-lytical B.V. (Нидерланды).

Для определения толщины покрытия на инструменте использовали образцы-свидетели в виде подложки с закрепленной на ее поверхности маской. После осаждения покрытия на инструмент и расположенную рядом с ним подложку с нее снимали маску и определяли толщину покрытия по высоте ступеньки между ее открытой и закрытой маской поверхностями. Высота ступеньки измерялась механическим профилометром Dektak XT. Основные параметры профилометра приведены в Приложении Г.

Структуру поверхности азотированного слоя и осажденного на нем покрытия изучали с помощью СЭМ VEGA3 LMH производства фирмы Tescan (Чехия).

Для оценки влияния на азотирование инструмента его нагрева пучком быстрых атомов необходимо сравнить радиус его режущей кромки до и после обработки. Для его измерения использовалась оптическая измерительная система MikroCAD premium+ производства фирмы GFMesstechnik GmbH (Германия). Ее основные характеристики приведены в Приложении Д.

Для оценки результатов азотирования нужно измерить распределение микротвердости в поперечном сечении поверхностного слоя режущего

инструмента. Для этого использовался оптический микроскоп Polyvar-Met (Великобритания). Качество обработанной инструментом поверхности зависит от ее шероховатости. Ее измеряли с помощью профилографа-профилометра HÜMMEL TESTER T8000 производства фирмы Hommelwerke GmbH (Германия). Положения, выносимые на защиту:

1. Плазма ТРЭУЭ в рабочей вакуумной камере характеризуется благоприятными для увеличения скорости азотирования однородностью и высокой степенью диссоциации азота при оптимальном давлении газа 0,2-2 Па.

2. С помощью погруженной в плазму сетки с вогнутой поверхностью можно формировать сходящийся на поверхности обрабатываемого инструмента пучок быстрых атомов с высокой плотностью потока энергии.

3. Нагрев погруженного в плазму режущего инструмента пучком быстрых атомов вместо ускоряемых из плазмы ионов позволяет предотвратить увеличение радиуса его режущей кромки из-за распыления ионами.

4. При азотировании с нагревом пучком быстрых атомов лезвийного инструмента (ножи) одновременно с упрочнением поверхности происходит заточка лезвий, а бомбардировка быстрыми атомами ножа из диэлектрической керамики (диоксид циркония) снижает радиус его режущей кромки от ~ 10 до ~ 1 мкм.

Степень достоверности и апробация результатов. Полученные в работе теоретические результаты подтверждены экспериментальными данными, а при разработке методов генерации плазмы, пучков быстрых атомов и азотирования использованы известные научные положения и выводы авторитетных авторов. Результаты работы доложены на Международных конференциях:

1. EFRE-2016. Tomsk, Russia, October 2-7, 2016;

2. VII-я Международная молодежная научная школа-конференция «Современные проблемы физики и технологий», МИФИ, Москва, Россия, 16-21 апреля 2018 г.;

3. EFRE-2018. Tomsk, Russia, September 16-22, 2018;

4. 14-я Международная конференция «Пленки и покрытия-2019». Санкт-Петербург, Россия 14-16 мая 2019 г.;

5. ICMTMTE 2019, Севастополь, Россия 9-13 сентября 2019 г.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует научной специальности 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» в части пунктов 3 и 6 её паспорта.

Публикации. Основные результаты исследований изложены в 7 научных статьях, в том числе 4 статьях в журналах, индексируемых в базах Web of science и Scopus, 3 статьях в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов, индексируемых в РИНЦ, и в 8 докладах в сборниках Международных конференций. По результатам исследований получены 2 патента Российской Федерации на изобретения (№ 2726187 и № 2726223).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения с общим объемом 114 страниц, содержит 44 рисунка. Список цитируемой литературы включает 102 наименования.

ГЛАВА 1. Модификация поверхности деталей машин и инструмента азотированием и осаждением износостойких покрытий

1.1 Ионное азотирование и нанесение износостойких покрытий

Срок службы деталей машиностроения определяется свойствами их поверхностных слоев.

При химико-термической обработке поверхностные слои детали насыщают атомами азота, углерода, или бора. При плазменной обработке деталь погружена в плазму, содержащую ионы нужного химического элемента. Распространение насыщающего элемента в объеме детали в обоих случаях происходит в результате термодиффузии, скорость которой зависит от градиента насыщающего элемента и температуры детали.

Ионы внедряемого элемента ускоряются подаваемым на деталь напряжением и бомбардируют ее. Это помогает атомам насыщающего элемента преодолевать пленки загрязнений при более низкой температуре. Выбивая атомы материала из узлов кристаллической решетки эти атомы создают в поверхностном слое радиационные дефекты. С увеличением их числа скорость обработки растет из-за радиационно-стимулированной диффузии.

При ионном азотировании скорость обработки возрастает в несколько раз по сравнению с печным азотированием. При этом снижается температура нагрева, отсутствует коробление обрабатываемых деталей, и за счет изменения технологических режимов можно регулировать фазовый состав. Кроме того, ионное азотирование является нетоксичным и экологически чистым процессом.

Срок службы инструмента, деталей машин и других изделий может быть также увеличен в результате вакуумно-дугового осаждения [11,12] тонких пленок из ТК [13,14] и других материалов с микротвердостью ~ 25 ГПа, превышающей твердость материала изделия. Толщина таких покрытий на инструменте для

черновой обработки, обычно не превышает 5-7 мкм. Перед синтезом покрытия инструмент нагревают и очищают ионами металлов, ускоряемыми из плазмы дугового разряда при давлении газа ~ 0,001 Па отрицательным напряжением ~ 1000 В, подаваемым на инструменты. После нагрева, в технологическую камеру поступает азот и при давлении газа 0,1-1 Па на инструменте под отрицательным потенциалом ~ 100 В образуется твердое нитридное покрытие

Чтобы улучшить эксплуатационные характеристики инструмента с покрытием и увеличить его срок службы, перед нанесением покрытия его азотируют. Азотированный поверхностный слой с толщиной, на порядок превышающей толщину покрытия, обладает усталостной прочностью и высокой несущей способностью. Это предотвращает пластические и упругие деформации поверхности инструмента, а также хрупкое разрушение более твердого и тонкого покрытия [15,16]. Комбинированное упрочнение режущего инструмента на основе вакуумной дуги, которое включает предварительное азотирование и осаждение износостойкого покрытия, может быть выполнено в одной и той же вакуумной камере [17,18]. Инструмент погружают в азотную плазму и нагревают до эффективной температуры термодиффузии 500-800оС бомбардировкой ионами, ускоренными из плазмы подаваемым на него отрицательным напряжением. В зависимости от массы инструмента азотирование занимает 30-90 мин. Последующий синтез износостойкого покрытия обычно занимает около 60 мин.

Кроме вакуумной дуги для получения атомов металла, входящих в состав покрытия, могут также использоваться магнетронные распылительные системы [19,20], системы распыления с полыми катодами [21] и испарение в тигле-аноде тлеющего разряда [22].

При импульсном распылении магнетронами высокой мощности с использованием импульсов с большой амплитудой и относительно низким рабочим циклом значительная часть находящихся вблизи мишени распыленных атомов и газа ионизируются. В отличие от обычного магнетронного распыления,

импульсное характеризуется самораспылением и многократным повторным использованием атомов материала мишени. Плотная плазма перед мишенью влияет также на микроструктуру растущих пленок [19]. Во время синтеза покрытие всегда бомбардируют либо ускоренные из плазмы газового разряда ионы [23,24], либо быстрые атомы газа [25,26]. Бомбардировка улучшает адгезию и другие свойства покрытий [27,28]. Например, когда вместо постоянного напряжения ~ 80 В подают импульсы напряжения отрицательной полярности амплитудой 45 кВ с длительностью 50 мкс и частотой 50 Гц, у покрытия из нитрида титана улучшаются адгезия и структура, золотистый цвет покрытия меняется на коричневый, снижаются остаточные напряжения, а его микротвердость возрастает от 2000 до 4000 НУ [29,30].

В случае инструмента для чистовой обработки желательно проводить такое же упрочнение. Однако он отличается меньшим радиусом Я режущей кромки, который составляет не 15-20 мкм, как у инструмента для черновой обработки, а 8-10 мкм. Уже только осаждение ТК покрытия толщиной 5 мкм увеличит радиус до Я = 13 мкм и затупит инструмент. Радиус режущей кромки увеличивается также в результате распыления ионами, нагревающими инструмент при азотировании Чтобы предотвратить затупление инструмента, его нужно предварительно заточить, уменьшив радиус его режущей кромки до Я ~ 3 мкм

[31].

В работе [32] показано, что скорость азотирования возрастает с ростом энергии бомбардирующих изделие ионов, когда давление меньше 1 Па. Для генерации плазмы при низком давлении азота авторы использовали высокочастотный разряд. Плазму, содержащую ионы азота и аргона можно получить при давлении 0,1-1 Па в вакуумно-дуговом разряде с сепарацией металлической фазы [33] или в дуговом разряде с накаленным катодом [34]. На основе результатов, полученных в работах [35-38], рабочую камеру при указанном давлении газа можно заполнить однородной плазмой с помощью ТРЭУЭ.

1.2 Особенности азотирования различных типов сталей

Сначала целесообразно рассмотреть азотирование чистого железа. Оно изучалось в работе [39]. В ней исследовано влияние на свойства полученных азотированных слоев температуры, времени обработки и вида разряда, на постоянном токе или импульсного. На твердость азотированного слоя большое влияние оказывает содержание в нем углерода, являющегося карбидообразующим элементом. Показано, что необходимо учитывать при азотировании наличие углерода в исходной стали, особенно в углеродистой, и на стенках рабочей вакуумной камеры. Диаметр атомов С больше, чем у атомов К, поэтому они сильнее искажают кристаллическую решетку железа и тем самым облегчают диффузию азота и повышают скорость азотирования.

В работе [40] изучался рост азотированного слоя на стальном образце из полированной среднеуглеродистой стали А^1-1045. Было показано, что концентрация углерода еще до начала образования азотированного слоя существенно уменьшалась по направлению к поверхности образца из-за процесса декарбонизации в смеси азота и водорода.

В работах [41,42] более подробно рассмотрено взаимное влияние диффузии азота и углерода. В них показано, что распределение растворенного углерода в аустенитной нержавеющей после низкотемпературного азотирования стало меняется. Прибывающие атомы азота подталкивают углерод вперед, в процессе азотирования атомы углерода в железе движутся внутрь образца и углерод накапливается за нитридным слоем.

Кинетика азотированных слоев (слоя нитридов и диффузионной зоны) зависит от используемой техники. Так, при плазменном азотировании стали А1Б1-304 азотированный слой растет при 420 °С по параболическому закону [43]. То же происходит при импульсном плазменном азотировании армкожелеза [44]. Это говорит о том, что рост азотированного слоя на армкожелезе происходит быстрее, чем по параболическому закону [45].

По сравнению с чистым или слабо легированным железом особенности азотирования нержавеющих сталей определяются легирующими элементами в них. Их можно разделить на нитридообразующие и совсем не образующие нитриды.

Присутствие в стали элементов, образующих нитриды, таких как Сг, Мо и А1, замедляет диффузию азота в сталь и уменьшает толщину нитридного слоя [48,49]. В высоколегированных инструментальных сталях наибольшее упрочнение азотированного слоя происходит из-за выделения зерен активных образователей нитридов [50]. Это означает, что результат азотирования зависит не только от времени обработки, температуры и концентрации азота, но и от состава обрабатываемой стали. Легирующие элементы в ней влияют на результат, когда присутствуют нитридообразующие элементы А1, Т^ Сг, V и Мо, которые взаимодействуют с азотом и на повышение поверхностной твердости.

После азотирования низколегированные стали имеют более низкую поверхностную твердость при большой толщине азотированного слоя. Это означает, что есть скорости химико-термической обработки выше в сталях, содержащих мало легирующих элементов, образующих нитриды. Они тормозят диффузию и уменьшают скорость роста азотированного слоя.

Это касается и слоя соединений. Ослабление склонности к схватыванию, снижение сопротивления трению скольжения и способность к фрикционному окислению определяются свойствами слоя соединений с толщиной, достаточной для практической реализации указанных свойств. В основном сопротивление износу зависит от твердости диффузионной зоны и слоя соединений.

Нержавеющая сталь устойчива к коррозии в атмосфере и агрессивных средах. В основном это дает легирование ее хромом с концентрацией 12-20%. Хром образует на поверхности нержавеющей стали пассивирующую пленку, делая ее стойкой к коррозии. Для наличия самообразующейся окисной пленки хрома его концентрация должна быть не менее 11 масс % [51]. Однако эта пленка препятствует диффузии азота, и при азотировании высокохромистой стали в плазму обязательно добавляют водород.

Характеристики азотированной высокохромистой стали изучались в работе [52]. Взаимодействие Сг с азотом определяется его концентрацией в стали. Если она ниже 5,6% имеет место промежуточное, а при более высоком содержании сильное взаимодействие. От степени взаимодействия между хромом и азотом зависит упрочняющий эффект. Промежуточное или низкое взаимодействие дают диффузионное распределение твердости по глубине, а сильное взаимодействие дает плоское распределение.

/г, мкм

20 40 60 80 100 X, мин

Рис. 1.1. Зависимости толщины азотированного слоя к стали Р6М5 от времени обработки т при температуре 400 (1), 450 (2), 500 (3) и 550 °С (4)

При исследовании взаимодействия между хромом и азотом использовали сталь Л1Б1-420, применяемую в тех случаях, когда основное свойство рабочих характеристик детали - износостойкость. Полученные профили твердости и структура азотированных поверхностных слоев объясняются сильным

взаимодействием между хромом и азотом, которое приводит к образованию плоской поверхности раздела, а не к диффузному типу, как у сталей с низким содержанием хрома [53].

На рисунке 1.1 представлена зависимость толщины азотированного слоя И от времени азотирования т на при различных температурах.

В работе [54] показано, что плазменное азотирование в аномальном тлеющем разряде улучшает сопротивление износу быстрорежущей стали. Самые глубокие слои получены при давлении газа 400 Па. С точки зрения износостойкости оптимальными параметрами азотирования оказались давление 400 Па и температура 450-500°С.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нэй Хтет Аунг, 2021 год

Источники питания

DC, RF, СВЧ; непрерывные и импульсные

Диапазон ЯГ частот

Длина зонда

Диаметр зонда

Длина электрода

Диаметр электрода

Материал электрода

Возможность модификации

Максимальная рабочая температура

Параметры блока управления

Диапазон сканирования по напряжению Диапазон токов Связь с ПК Частота выборок Разрешение по току/напряжению Разрешение по времени Внешний запуск Программное обеспечение Операционная система

от 2 МГц до 100 МГц (широкополосный зонд)

от 300 тт до 1400 тт (заказ)

6.5 тт (заказ)

10 тт (заказ)

0.4 тт (заказ)

W, Та, №, Pt (заказ)

90о, 45о, изогнутый (заказ)

230оС (заказ - до 1200оС)

от -150 до +150 V от 15 nA до 1 A USB 2.0

80 MSPS (ток, напряжение) 4.5 mV, 4.5 nA 12.5 nS

TTL-логика, от 10 Гц до 1 МГц

Windows 2000, XP, Vista, Windows 7

Инфракрасный пирометр IMPAC IP 140 производства фирмы LumaSense Technologies GmbH (Германия)

Особенности пирометра №140

- Измерения температуры металлов, керамики и графита в диапазоне от 50 до 1300°С

- Наведение на объект контроля: через видоискатель или с помощью лазерного указателя

- Встроенный дисплей для отображения температуры, коэффициента излучения и типа интерфейса последовательной передачи данных

- Цифровая линеаризация, гарантирующая точность до 0,3% полученного значения +1°С

- Переключаемый аналоговый выход 0... 20 мА или 4... 20 мА

- Выход тестового тока для настройки периферийных устройств в соответствии с диапазоном аналогового выхода

- Переключаемый цифровой интерфейс К^232/Я^485

- Возможность установки значений всех параметров непосредственно на пирометре или с компьютера

- Настраиваемый коэффициент излучения от 0,1 до 1,0

Принцип действия:

Цифровые пирометры 1Р140 обеспечивают бесконтактные измерения температуры металлов, графита и керамики. Объектив пирометра фокусирует инфракрасное (ИК) излучение области измерения и направляет его на детектор. Детектор преобразует ИК излучение в электрический сигнал, который линеаризуется цифровым методом и преобразуется в стандартный аналоговый и цифровой выходной сигнал.

Для максимального соответствия пирометров различным условиям применения предусмотрены объективы с регулируемым фокусным расстоянием трех типов. В зависимости от расстояния до объекта контроля эти объективы обеспечивают минимальный диаметр области измерения.

Значения параметров работы пирометров могут быть установлены с помощью встроенной клавиатуры (при этом установки отображаются на встроенном ЖКД). В режиме измерения на ЖКД отображается полученное значение температуры, а также тип интерфейса и установленный коэффициент излучения.

Технические характеристики:

Диапазоны измерения 1Р 140 МВ 4: 50... 400°С

Температуры: 1Р 140 МВ 5.5: 75... 550°С 1Р 140 МВ 7: 100... 700°С 1Р 140 МВ 12: 160... 1200°С 1Р 140 МВ 13: 200... 1300°С

Поддиапазон: устанавливается пользователем в рамках любого диапазона измерения (минимальная ширина 51 °С)

Обработка данных: прямая оцифровка фотоэлектрического токового сигнала

Спектральный диапазон: 2... 2,8 цм

ИК детекор: РЬБ

Питание: 24 В пер. или пост. тока (14... 30 В пер. или пост. тока) (пер. ток: 48... 62 Гц).

Потребляемая пощность: макс. 6 Вт

Аналоговый выход: 4-20 мА или 0-20 мА (линейный), переключаемый; тестовый ток 10 мА или 12 мА при нажатии кнопки тестирования.

Нагрузка: 0... 500 Ом

Цифровой интерфейс: RS232 или RS485 с адресацией (полудуплексный), переключаемые; скорость передачи данных от 2400 до 115200 бод

Разрешающая способность: 0,1°С через цифровой интерфейс или на дисплее; <0,1% диапазона измерения температуры (через аналоговый выход)

106

Изоляция: источник питания, аналоговый выход и цифровой

интерфейс гальванически изолированы друг от

друга

Сигнал работы: зеленый светодиод

Диплей: ЖКД с подсветкой для отображения температуры и

значений параметров работы пирометра

Параметры: настраиваемые не пирометре или через цифровой

интерфейс:

коэффициент излучения (е), время отклика

(190), аналоговый выход 4 - 20 или 0 - 20 мА,

поддиапазон,

время задержки сохраненного макс. значения,

автоматическое или внешнее удаление

сохраненного макс. значения, адрес, скорость

передачи данных, время ожидания

считываемые на пирометре или через цифровой

интерфейс:

измеряемая температура, внутренняя

температура пирометра

Коэффициент излучения(е): 0,1... 1,0

Время отклика t9o: 1,5 мсек (с динамической адаптацией при низких

уровнях сигнала); настраиваемый на 0,01 сек, 0,05

сек, 0,25 сек, 1 сек, 3сек, 10 сек

Задержка максимального встроенная система задержки одиночного или

значения: двойного значения с удалением задержанного

значения через установленное время задержки tcl.

(выкл., 0,01 сек, 0,05 сек, 0,25 сек, 1 сек, 5 сек и 25

сек), при срабатывании внешнего реле, по команде

через цифровой интерфейс или автоматически при

смене объекта контроля

Релейный контакт: макс. 0,15 А (активен только в режиме

автоматического удаления сохраненного

максимального значения или при

к > 0,25 сек)

Погрешность:

до 400°С: 2°С

выше 400°С: 0,3% полученного значения в °С+ 1°С

Вопроизводимость: Рабочая температура 0,1% от измеряемой величины °С + 1°С 0... +53°С

окружающего воздуха:

Температура хранения: -20... +60°С

Класс защиты: IP65 (DIN 400050)

Вес: прибл. 550 гр

Размеры 195 мм x 56 мм x 62,5 мм (д х ш х в)

Сертификация СЕ: о соотвествии требованиям ЕС по электромагнитной безопасности

Наведение на объект контроля: лазерный указатель (лазер класса2, макс. Уровень мощности < мВт, 630-680 нм) или встроенный видоискатель

Механический профилометр Dektak XT производства фирмы Bruker Nano Inc. (США)

Стилусный профилометр

Принцип действия:

Система DektakXT выполняет электромеханические измерения, перемещая стилус с алмазным наконечником по поверхности образца в соответствии с указанным временем сканирования, скоростью и усилием стилуса. Стилус соединен с линейным переменным дифференциальным трансформатором

(LDVT), который производит и обрабатывает электрические сигналы, соответствующие изменениям поверхности образца.

После преобразования в цифровой формат эти изменения поверхности сохраняются для отображения и анализа. Приложение Vision64 вычисляет и отображает результаты выбранных пользователем аналитических функций для измерения текстуры поверхности и других параметров, характеризующих данные профиля.

Технические характеристики

Метод измерения Профилометрия стилуса (измерение контакта)

Способы измерения Двумерные измерения профиля поверхности; дополнительные трехмерные измерения / анализы

Просмотр Образца Цифровое увеличение, 0,275- 2,2 мм по вертикали FOV

Датчик Стилуса Низкая инерционность сенсора (ИСЛ 3)

Сила Стилуса От 1 до 15 мг с датчиком LIS 3

Вариант с Низким Усилием N-Lite+ низкая сила с 0,03 до 15 мг (опционально)

Параметры Стилуса Варианты радиуса стилуса от 50 нм до 25 цм; Высокое соотношение сторон (HAR) наконечники 200м х 20 цм;

Образец Х^ Стадии Руководство 100 мм (4 дюйма.) X/Y, выравнивание вручную; Моторизованный 150 мм (6 дюймов.) X/Y,

выравнивание вручную

Образец R-Тета Стадии Ручной, непрерывный 360 градусов; Моторизованный, непрерывный 360 градусов

Компьютерная система 64-разрядный многоядерный параллельный процессор, Windows® 7.0; Опционально 24-дюймовый плоский дисплей

Программное обеспечение Программное обеспечение для работы и анализа Vision64; Функция: измерение напряжения; Микроформа; сшивание; 3D- картирование;

Диапазон длин сканирования 55 мм (2 дюйма.); 200 мм (8 дюймов.) с возможностью развертки шить

Точки данных на сканирование 120000 максимум

Макс. толщина образца 50 мм (1,95 дюйма.)

Макс. Размер Пластины 200 мм (8 дюймов.)

Повторяемость Высоты Шага 4А, 1 Сигма на шагах < 1 цм (30 сканирование с использованием стилуса 12,5 цм)

Вертикальный Диапазон 1 мм (0,039 дюйма.)

Вертикальное разрешение 1 A (@6.55 цм диапазон)

Входная мощность 100-240 В переменного тока, 50-60Гц

Температурный диапазон Рабочий диапазон, 20 и 25°C (68- 77°F)

Диапазон Влажности <80%, без конденсации

Размеры и вес системы 455 мм Ширина x 550 мм Диаметр x 370 мм Высота (17,9 дюйма. Ширина х 22,6 дюйма.

Диаметр х 14,5 дюйма. Высота);

34 кг (75 фунтов.);

Корпус: 550 мм L х 585 мм W х 445 мм Н

(21,6 дюйма. Длина х 23 В. Ширина х 17,5

дюйма. Высота);

5,0 кг (11 фунтов.)

Оптическая измерительная система MikroCAD premium+ производства фирмы GFMesstechnik GmbH (Германия)

4

Трехмерный микроскоп МюгоСАО.

Принцип действия:

Устройство представляет собой метрологическую систему, которая использует профилометрию проекции светлой полосы для создания трехмерных моделей сканируемой поверхности. Эти трехмерные модели служат для измерения их размеров.

Технология микрополосной проекции МюгоСаё обеспечивает высокое разрешение - до 0,1 мкм, в отличие от лазерных технологий. МюгоСаё способен сканировать сложные поверхности, такие как блестящие, отражающие, мягкие, шероховатые и липкие, обеспечивая субмикронную точность и повторяемость.

Таблица. Технические характеристики сканера МкгоСа^

Поле зрения 1,6 х 1,2 мм

Разрешение X 2,4 мкм

Разрешение Ъ 0.2 мкм

Диапазон измерения 0,8 мм

Время измерения 4 с

Вывод выражения (3.4) для средней длины пути ионов в слоях:

L ¿хРиегоолет + 3dxPпролетxPнепролет + 5dxP пролет хРнепролет +

непролет 1 -"и пролет непролет

пролей непролет

Ь= dx(1-n) + Зdxn(1-n)+ 5dxn2(1-n) + ... + (2к-1^хпк-1*(1-п) +...=

Причем сумма вероятности всех событий должна быть равна единице. Проверим: Е = (1-г|)(1 + г) + г)2 + ... +11к-1+...) = (1-г1)х2™11?к-1] = (1-г1)х [1/(1-г,)] = 1 Доказано.

Тогда средняя длина пути находится по стандартной формуле, использующей вероятности множеств:

= (1 - [ 2 х 1/(1-г|)2 - 1/(1-г|) ] = А (1-г()/(1-г1) [ 2/(1-г|) - 1 ] =

= d [2 - 1 + п ] / (1-П) = d(1+n)/(1-n)

Отсюда окончательно получаем предложенную формулу (3.4) работы:

1+П

Ь= ё

1-П