4.6 Контрольные вопросы
Что такое давление газов и степень вакуума?
Перечислите степени вакуума и соответствующее им давление.
Перечислите основные вакуумные насосы и объясните принцип их работы.
Дайте определения основным понятиям, характеризующие вакуумные насосы.
Объясните принцип работы пластинчато-статорного вакуумного насоса.
Объясните принцип работы пластинчато-роторного вакуумного насоса.
Объясните принцип работы плунжерного вакуумного насоса.
Объясните принцип работы двухроторного вакуумного насоса.
Особенности эксплуатации и обслуживания вакуумных насосов.
4.7Содержание отчета
4.7.1 Цель работы.
4.7.2 Описание существующих конструктивных типов, параметров работы и условий эксплуатации вакуумных насосов вакуумно-дуговых установок для нанесения тонкопленочных покрытий.
4.7.3 Анализ результатов эксперимента.
4.7.4 Выводы.
4.7.5 Контрольные вопросы.
5 Лабораторная работа № 5 Технологические процессы
нанесения износостойких покрытий, определение состава и
структуры покрытий
5.1 Цель работы
Изучение технологических способов получения износостойких покрытий для режущий инструментов. Определение химического состава, структуры и характеристик различного рода покрытий.
5.2 Общие сведения
5.2.1 Износостойкие покрытия и их роль в инструментальном производстве
Износостойкие покрытия – слой материала (как правило, химического соединения тугоплавких металлов) на поверхности инструментальной основы, который отличается по своим кристаллохимическим, физико-механическим и теплофизическим свойствам от соответствующих свойств основы. Назначение износостойких покрытий – повышении периода стойкости инструмента путем увеличения микротвёрдости, коррозионной стойкости и термодинамической устойчивости поверхностного слоя, а также снижения фрикционного взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала.
Широкое промышленное использование инструмента с износостойкими покрытиями позволяет решать целый комплекс следующих вопросов:
– значительно повышать период стойкости и надежности инструмента;
– увеличивать производительность процессов обработки резанием;
– сократить удельный расход дорогостоящих инструментальных материалов и дефицитных элементов (вольфрам, молибден, тантал, кобальт) для их изготовления;
– расширить область использования твердых сплавов и сократить номенклатуру применяемых сплавов стандартных марок;
– повысить качество поверхностного слоя и точность размеров обработанных деталей.
Нанесение износостойких покрытий на инструментальные материалы позволяет приблизиться к решению задачи создания «идеального» инструментального материала, обладающего высокой износостойкостью поверхностного слоя в сочетании с достаточной прочностью и вязкостью основы. Инструмент с износостойким покрытием удовлетворяет самым высоким требованиям работоспособности и надежности, а также качества и производительности обработки резанием.
5.2.2 Технологические способы получения износостойких покрытий
Существуют различные методы получения покрытий на рабочих поверхностях инструмента. С учетом специфики протекания процессов формирования покрытий их можно разделить на три основные группы. К первой группе относятся методы, при которых формирование покрытий осуществляется преимущественно за счет диффузионных реакций между насыщающими элементами и структурами инструментально материала. Во вторую группу входят методы формирования покрытий по комплексному механизму. Покрытие образуется за счет реакций между парогазовыми смесями, состоящими из соединения металлоносителя второго компонента, служащего, как газом-транспортером, так и восстановителем. При этом одновременно в процесс формирования покрытия большой вклад вносят субструктура поверхности материала инструмента и интердиффузионные реакции между конденсатом и материалом инструмента. К третьей группе можно отнести методы формирования покрытий за счет химических и плазмохимических реакций потока частиц одновременно в объемах пространства, непосредственно примыкающего к насыщаемым поверхностям инструментальной основы.
Рассмотрим наиболее распространённые методы получения покрытий:
а) химико-термические методы (методы термодиффузионного насыщения (ДТ) поверхности).
Метод ДТ используют для насыщения порытый на твердосплавные пластины при температуре порядка 1100 0С. Его преимущество – возможность совмещения технологических процессов производства твердосплавных пластин и нанесения покрытия в водородных электропечах непрерывного действия. При этом не требуется точная дозировка и очистка газа-восстановителя – водорода. Производительность метода очень высока и составляет до 500 пластинок (типа квадрат 12,5х12,5х4,75) в час при выходе годной продукции не ниже 95 %. Термодиффузионное насыщение твердосплавных пластин осуществляется из порошкообразной засыпки, содержащей титан или другой тугоплавкий компонент, идущий на формирование покрытия. Скорость роста покрытия до 10-15 мкм/ч.
б) методы химического осаждения покрытий.
Методы химического осаждения покрытий используется для нанесения покрытий на основе карбидов, нитридов и карбонитридов титана, а также окисла алюминия на многогранные неперетачиваемые твёрдосплавные пластины и цельные твердосплавные инструменты. По технологии химического осаждения наносят износостойкие покрытия такие известные зарубежные инструментальные фирмы как: «СандвикКоромант» (Швеция) (технология GC), «Теледайн» (США) и «Планзее» (Австрия) (технология GM) и др. В нашей стране был разработан метод ГТ, разновидностью которого является метод вакуумного титанирования (КВТК).
В основе метода химического осаждения лежат гетерогенные химические реакции в парогазовой среде, окружающей инструмента, в результате которой образуется покрытие, конденсирующееся на поверхности инструмента. Исходными компонентами для процессов служат газообразные галогениды, при взаимодействии которых с другими реагентами (водородом, аммиаком, окисью углерода и др.) образуется, и конденсируются необходимые покрытия.
При массовом производстве пластин с покрытиями обычно применяют процесс водородного восстановления пара галогенида тугоплавкого металла. В процессе получения покрытия температура (порядка 1000 0С) играет важнейшую роль и сильно влияет на скорость осаждения, структуру и свойства покрытий.
Отличительной особенностью покрытий, полученных методами химического осаждения, является формирование хрупкой переходной зоны между покрытием и твердым сплавом, обычно называемой ε-фазой. Формирование переходной зоны связано с интердиффузионными реакциями между насыщающим тугоплавким металлов из парогазовой смеси и компонентами твердого сплава. Наличие переходной зоны нежелательно, так как ведет к снижению прочности режущего клина. Для уменьшения толщины переходной зоны применяют многослойные покрытия специальной конструкции, имеющие тонкий нижний слой.
Использование химически осажденных покрытий позволяет повысить стойкость твердосплавных пластин в 3-10 раз в широкой области применения.
Таким образом, износостойкие покрытия, получаемые методами химического осаждения, являются достаточно эффективным средством повышения работоспособности инструмента. Однако данные методы имеют следующие недостатки:
– высокая температура протекания процесса (порядка 1000 0С), не позволяющая применять данные методы для упрочнения режущего инструмента из быстрорежущей стали;
– образование обезуглероженного слоя на границе твердого сплава и покрытия вследствие возникновения переходной ε-фазы;
– невозможность упрочнения инструмента с напаянными твердосплавными пластинами;
– использование данных методов возможно преимущественно при массовом и крупносерийном производстве инструмента с покрытием;
в) методы физического осаждения покрытий.
Процессы физического осаждения покрытий (ФОП) обычно включают вакуумное испарение тугоплавкого металла-образователя соединения покрытия, его частичную или полную ионизацию, подачу реакционного газа, химические и плазмохимические реакции, конденсацию покрытия на рабочих поверхностях инструмента.
Среди методов ФОП наибольшее распространение в нашей стране получил метод конденсации износостойких покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности (метод КИБ). Разработаны и применяются так же методы ионного плакирования и ионизированного реакционного напыления («Спартерин»), магнетронно-ионного распыления (метод МИР) и другие (ионное плакирование, метод реактивного электронно-лучевого плазменного осаждения покрытий из пароплазменной фазы в вакууме РЭП), активированного реактивного напыления (ARE))
Метод катодно-ионной бомбардировки основан на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги сильного низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах материала электрода. Подача в вакуумное пространство реагирующих газов (азота, метана и др.) в условиях ионной бомбардировки приводят к конденсации покрытия на поверхности инструмента благодаря протеканию плазмохимических реакций.
Все процессы испарения, образования соединений, ионной бомбардировки и конденсации износостойких покрытий происходят в вакуумной камера, металлический корпус которой служит анодом. Катод изготавливают из тугоплавкого материала, подлежащего испарению. Особенность метода КИБ заключается в ускорении ионов вещества путем создания отрицательного заряда (относительно корпуса камеры) на режущем инструменте. Характерная особенность метода КИБ – это высокая химическая активность испаряющегося материала, обусловленная образованием конденсата при электродуговом испарении материала катода, за счет которого конденсат преобразуется в высоко ионизированный поток низкотемпературной плазмы.
Процесс КИБ можно представить в виде двух последовательно протекающий процессов:
Ионной бомбардировки, предназначенной для термомеханической активации, залечивания дефектов и очистки поверхности ионами испаряемого электрода, ускоренными до энергии (1-3) кэВ.
Собственно, конденсации покрытия.
Для регулирования физических характеристик и скорости плазменного потока, а также для достижения больших плотностей ионного потока используют специальные плазмооптические устройства. С целью отсеивания капельной фазы ионного потока применяются сепараторы плазменного потока.
Важное преимущество метода КИБ – низкий температурный режим процесса, что позволяет наносить износостойкие покрытия как на твердосплавный, так и на из быстрорежущий инструмент.
За счет варьирования технологических параметров конденсации можно изменять свойства покрытий. Например, микротвердость можно изменять в пределах
21-35 ГПа и выше, что позволяет наносить многослойные комбинированные износостойкие покрытия с чередующимися слоями различной твердости, или износостойкие покрытия с равномерно изменяющейся твердостью. Это дает возможность обеспечить оптимальное сочетание износостойкости, прочности и трещиностойкости износостойких покрытий для различных условий работы инструмента.
Качество износостойких покрытий зависит в значительной степени от состояния поверхностей инструмента. При наличии загрязнений в результате локального газовыделения между инструментом и корпусом камеры возникает микродуги. Искажается газовый состав в камере. Поэтому необходима тщательная очистка инструмента, подлежащего упрочнению. Процесс подготовки инструмента, переднанесение износостойких покрытий состоит в шлифовании и доводке с получением шероховатости поверхности не вышке Ra 0,32, удалении загрязнений и обезжиривании путем промывки в бензине или растворе моющих средств с использованием ультразвуковой мойки и сушке сжатым воздухом.
В настоящее время применяют одно- и многослойные износостойкие покрытия не только на основе карбидов, нитридов и карбонитридов титана, но также на основе аналогичных соединений других тугоплавких металлов (Hf, Nb, Ta, Cr, Zr, Mo) и их композиции (TiZrN, TiAlCN, TiMoN, TiAlN, TiMoCN и др.)
Магнетронно-ионное распыление используется в качестве испарителя пластину-мишень, которая подключена к отрицательному потенциалу как катод. Под влиянием магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, расположенным за катодом-мишенью, электроны совершают движение по циклоидальным траекториям в узкой зоне над мишенью. При этом степень распыления и плотность ионного потока увеличивается на порядок, по сравнению с простым диодным распылением.
Ионное плакирование рабочих поверхностей инструмента происходит в результате испарения тугоплавкого вещества в вакуумное пространство после его расплавления электроннолучевой пушкой и подачи реакционного газа в вакуумное пространство. Мощность электронного луча составляет около 12кВт, отрицательных потенциал на режущем инструменте составляет до 5Кв при I=2А, давление газа в момент конденсации покрытия составляет 0,05-0,1 Па (N2, C2H2, CH4 и др.) Обычно установки снабжены дополнительно накаливаемым катодом (триодный принцип) и дополнительным анодом, с помощью которого формируется поток вторичных электронов, увеличивающих степень ионизации генерируемого вещества. Кроме того, в процессе ионного плакирования используют дополнительный газ-носитель (обычно аргон). Недостатками метода являются: низкая прочность адгезионной связи износостойких покрытий и инструментальной основы; низкая производительность метода, чрезвычайно большие затраты на процесс; сложность процесса плакирования, что требует применения ЭВМ для управления.
|
Скачать 6.14 Mb.