Выводы по работе

На правах рукописи
Ласица Александр Михайлович
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ
ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 38Х2МЮА
ИМПЛАНТАЦИЕЙ ИОНОВ Mo, Y, Sc, Gd
Специальность 05.02.01 –Материаловедение (машиностроение)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень - 2006
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования “Омский государственный технический университет”, г. Омск.
Научный руководитель:
кандидат технических наук,
доцент Блесман
Александр Иосифович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
профессор Кусков
Виктор Николаевич
кандидат технических наук,
доцент Теплоухов
Олег Юрьевич
Ведущая организация:
ОАО “Моторостроительное
конструкторское бюро”
Защита состоится 22 декабря 2006 г. в 1415 на заседании диссертационного совета К 212.273.02 в Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38, ауд. 219.
Тел./факс: (3452) 25-08-52
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ.
Автореферат разослан “
” ноября 2006г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
И. А. Венедиктова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Надежность машин и механизмов во многом определяется надежностью топливной аппаратуры, у которой наиболее быстро изнашиваются прецизионные пары. Традиционные методы поверхностной обработки конструкционных материалов (термическая, химико-термическая обработка и другие методы) с целью повышения их эксплуатационных свойств
продолжают развиваться, но их применение не всегда целесообразно. Принципиально новые перспективы открыло использование концентрированных
потоков энергии.
Одним из наиболее эффективных методов является метод ионной имплантации. Высокая плотность энергии, используемой при обработке поверхности, приводит к тому, что
процессы перестройки структуры и изменения
структурно–фазового состояния поверхности идут в
условиях, далеких от
термодинамически равновесных, что обеспечивает получение поверхностных
слоев с уникальными свойствами. Однако большое число физических процессов, протекающих при взаимодействии ионного пучка с поверхностью и обеспечивающее методу большую гибкость, затрудняет предсказание результатов
ионной имплантации и требует экспериментального изучения изменения физико-механических и эксплуатационных свойств в зависимости от параметров
обработки.
Исследование влияния ионной имплантации на микрорельеф поверхности,
адгезию, микротвердость, а также предложенный метод прогнозирования изменения фазового состава, позволили выработать рекомендации по режимам
обработки ионными пучками деталей прецизионных пар топливной аппаратуры, что значительно уменьшит время производства и себестоимость прецизионных пар, улучшит эксплуатационные показатели их работы, повысит экологическую чистоту производства. Таким образом, диссертационная работа актуальна.
3
Цель работы – исследование влияния имплантации Mo, Y, Gd, Sc на физико-механические и эксплуатационные свойства поверхностного слоя стали
38Х2МЮА.
Объект исследования – сталь 38Х2МЮА. Предмет исследования – физико-механические характеристики стали 38Х2МЮА после ионной имплантации.
Степень достоверности результатов диссертации. Достоверность полученных результатов подтверждается высокой степенью корреляции между
результатами, полученными различными исследовательскими методами
(рентгеноструктурный анализ, атомная силовая микроскопия), а также согласием с результатами, полученными в данной области отечественными и
зарубежными исследователями.
Научная новизна
1. Установлено, что наилучшее сочетание эксплуатационных характеристик наблюдается в диапазоне 60-80 кэВ при использовании непрерывного
режима и в диапазоне 70-110 кэВ при использовании импульсного режима, и
связано с преимущественным распылением микропиков, синтезом в приповерхностном слое новых фаз, образованием дислокационных петель и радиационно-стимулированной диффузией точечных дефектов.
2. Предложен метод, позволяющий прогнозировать в рамках модели
теплового пика влияние ионной имплантации на фазовый состав простейших
сплавов. Предложена новая методика расчета фактора вырождения и, как
следствие, свободной энергии сплава с целью выявления возможности образования новых фаз.
3. Обнаружено увеличение микронапряжений II рода в поверхностном слое стали 38Х2МЮА при имплантации Mo и Y в 1.5-2.0 раза, обусловленное наличием имплантированных атомов в узлах решеток внедрения и
замещения.
4. Установлено увеличение толщины адсорбированного слоя более
чем в 10 раз и силы адгезии – на 20-120% после имплантации Mo, Y , Sc,Gd
4
вследствие радиационного повышения концентрации дефектов кристаллического строения.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций и определении режимов финишной обработки серийно выпускаемых плунжерных пар.
Реализация результатов работы. Метод обработки рабочих поверхностей прошел промышленную апробацию в ОАО “Омское машиностроительное конструкторское бюро” при производстве топливных агрегатов авиационных двигателей. Результаты работы использовались при выполнении работ по гранту РФФИ ГР 14-06 и ведомственной целевой программе “Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)”.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих
международных, всероссийских и региональных конференциях, симпозиумах и семинарах: IV Всероссийской научно-практической конференции “Современные технологии в машиностроении” (Пенза, 2001), IV Всероссийской
конференции молодых ученых “Физическая мезомеханика материалов”
(Томск, 2001), VII Международной конференции “Физика твердого тела”
(Усть-Каменогорск, 2002), региональной научной конференции студентов,
аспирантов и молодых ученных “Наука. Техника. Инновации” (Новосибирск,
2002), 19 Национальной конференции по термической обработке с иностранными участниками (Брно, 2002), IV и V Международной
научно-
технической конференции “ Динамика систем, механизмов и машин ” (Омск
2002, 2004), III Международном технологическом конгрессе ”Военная техника, вооружение и технологии двойного применения” (Омск, 2005).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, рекомендаций по параметрам ионной обработки прецизионных
пар топливной аппаратуры, выводов, списка литературы, содержащего 113
5
наименований и приложения. Основной текст изложен на 113 страницах, содержит 49 рисунков и 13 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулированы цель работы, научная новизна, положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен критический анализ состояния проблемы износа прецизионных пар топливной аппаратуры.
Механизмы износа прецизионных пар, а также влияние износа на технико-экономические показатели работы ДВС исследованы в работах Д. Ф. Гуревича, В.В. Антипова, В. И. Полищук, И. Г. Боголеповой, В. Ф. Боброва,
В. С. Тарасова, Ф. Л. Галушко.
Автором работы исследован износ партии плунжеров 33.1111074-01, используемых в насосах высокого давления дизельных двигателей КАМАЗа.
Проведен анализ современных методов обеспечивающих повышение износостойкости изделий, обосновано применение метода ионной имплантации.
Проанализированы причины, сдерживающие применение выбранного метода, на основании чего сформулированы задачи исследования:
- создать физическую модель, позволяющую прогнозировать изменение
фазового состава материалов в процессе ионной имплантации;
- исследовать изменение структуры и физико-механических свойств поверхностного слоя стали 38Х2МЮА от параметров процесса ионной имплантации;
- разработать рекомендации по режиму ионной имплантации с целью
улучшения эксплуатационных показателей работы прецизионных пар топливной аппаратуры ДВС.
Во второй главе модель теплового пика применена для выявления возможности образования новых фаз и предложена новая методика расчета свободной энергии в процессе ионной имплантации.
Теоретические основы применения ионной имплантации в промышленно используемом диапазоне энергий заложены в работах
6
Линдхарда,
Шарфа и Шиотта (теория ЛШШ), Гиббонса, Винтеборна, Брайса, Зигмунда,
Андерсена, Бериша. Среди отечественных авторов следует отметить работы
О. В. Фирсова и В. В. Юдина. Большое прикладное значение имеют работы
Ф. Ф. Комарова, М. А. Кумахова, М. М. Темкина, Ю. П. Шаркеева, Д. И.
Тательбаума, В. С. Хмелевской.
Существенное влияние на эксплуатационные свойства прецизионных
пар топливной аппаратуры оказывает фазовый состав приповерхностных
слоев. Однако в литературе отсутствуют методики, позволившие бы предсказать изменение структурно-фазового состава в процессе ионной имплантации. На основе методов,
применяемых в теории упорядочения и распада
сплавов и развитых в работах
А. Г.Хачатуряна, Ю.И. Устиновщикова,
К. Люписа, Х. Бётгера, а также анализа процессов при ионной имплантации,
предложен
метод
прогнозирования
фазового
состава
в
ионно-
имплантированных слоях сплавов с двумя компонентами в решетке замещения и одним компонентом в решетке внедрения.
В рамках метода удалось выразить свободную энергию сплава через координационные числа, описывающие структуру выделяющейся фазы. В выбранном приближении модели центрального атома выражение для свободной
энергии и статистической суммы имеет вид
Q  g1 g 2 g S exp( 
E1  E2
), G  kT ln Q,
kT
где Е1 и Е2 – энергии фаз, g1, g2, gS - факторы вырождения фаз, которые рассчитали с учетом возможных конфигураций атомов в решетках внедрения и
замещения.
Определяя координационные числа, обеспечивающие минимизацию
свободной энергии, можно, с учетом возможных комбинаций атомов разных
сортов и изменения энергии химического взаимодействия, предсказать изменения фазового состава ионно-имплантированных слоев. Итоговые уравнения приведены в тексте диссертации.
7
Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований
влияния
ионной
имплантации
на
свойства
конструкционной
стали
38Х2МЮА.
Существенное влияние на эксплуатационные показатели работы прецизионных пар оказывает состояние микрорельефа поверхности. Закономерности изменения микрорельефа поверхности в процессе ионной имплантации
исследованы в работах Картера, Навиншека, Виттона. Следует заметить, что
результаты, полученные в данной области, носят описательный характер,
предлагаемые соотношения служат в основном для качественной оценки.
Количественные данные об изменении микрорельефа в процессе ионной имплантации в настоящее время могут быть получены только экспериментально.
Влияние ионной имплантации на состояние микрорельефа поверхности
стали 38Х2МЮА исследовали методом атомной силовой микроскопии с помощью зондового микроскопа Solver Pro. В результате эксперимента получены фотографии поверхности, поперечные и продольные профилограммы и
рассчитаны параметры шероховатости. Для увеличения степени достоверности полученных результатов исследовали две партии образцов с разной исходной шероховатостью. На рисунках 1-4 представлены изображения поверхности исходного образца и образцов, имплантированных Mo, Y и образца с комплексной обработкой ионами обоих типов.
Рис. 1
Рис. 2
8
Рис. 3
Рис. 4
Для имплантированных образцов характерно объясняемое преимущественным распылением микропиков улучшение микрорельефа, выражающееся в
уменьшении параметров шероховатости Ra, Rz, увеличении радиуса кривизны микровыступов, что подтверждается поперечными и продольными
профилограммами (представлены в тексте диссертации). При превышении
рекомендуемого для имплантации диапазона энергий микрорельеф поверхности ухудшается в следствии кратерообразования.
Значительное влияние на работоспособность плунжерных пар оказывают адгезионные свойства поверхностей. Увеличение силы адгезии приводит
к эффективному уменьшению зазора между плунжером и гильзой, что улучшает технико-экономические показатели работы двигателей и одновременно
препятствует окислительному износу. Для определения изменения адгезионных свойств после ионной имплантации рассчитывали силу адгезионного
взаимодействия, определяли толщину адсорбированного слоя. На рисунках
в качестве примера представлены кривые адгезионного взаимодействия исходного образца (рис. 5) и образца, имплантированного молибденом (рис. 6).
В таблицах 1 и 2 представлены результаты расчета толщин адсорбированных слоев и сил адгезионного взаимодействия между зондом и поверхностью образца. Увеличение силы адгезионного взаимодействия связано с радиационным повышением концентрации дефектов кристаллического строения в процессе ионной имплантации.
9
0,20
0,35
0,15
0,30
0,10
0,25
0,05
0,20
0,00
0,15
-0,05
I, нА
I, нА
0,40
0,10
-0,10
0,05
-0,15
0,00
-0,20
-0,05
-0,25
-0,10
-0,30
-0,15
-0,35
-0,40
-0,20
-100 -50
0
50
-50 0
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
h, нм
h, нм
Рис. 5
Рис. 6
Таблица 1
Тип образца
Толщина адсорбирован- Максимальная сила адного слоя, нм
гезии, нН
Не имплантированный
0.37
52,21
Mo
3.25
60.53
Y
5.58
114.55
Mo+Y
4.37
76.49
Таблица 2
Тип образца
Толщина адсорбирован- Максимальная сила адного слоя, нм
гезии, нН
Не имплантированный
1.13
215.31
Gd
2.43
69.54
Sc
19.54
462.96
Представленные данные находятся в хорошей корреляции между собой
и результатами исследования изменения микрогеометрии поверхности. Увеличение толщины адсорбированного слоя влаги всегда соответствует увеличению максимальной силы адгезии. Отклонение от этой закономерности
наблюдается только в одном образце и, вероятно, связано с возникновением
второй моды колебаний в кантилевере. Незначительное влияние импланта10
ции иттрия на образец, предварительно имплантированный молибденом, может быть объяснено формированием в поверхностных слоях интерметаллидных, карбидных и силицидных фаз.
Непосредственно увеличивают износостойкость прецизионных пар
микронапряжения сжатия, возникающие при обработке. Исследование микронапряжений второго рода осуществляли методом рентгеноструктурного
анализа на дифрактометре "ДРОН-3М" по уширению дифракционных пиков.
Результаты представлены в таблице 3. Отсутствие изменения микронапряжений и силы адгезионного взаимодействия при имплантации Y в образец,
предварительно имплантированный Mo, косвенно свидетельствует об образовании стабильной упрочняющей фазы, содержащей Mo.
Таблица 3
Тип образца


D
Δd/d
(2=44,671) (2=98,940)
Неимплантированный 0.201
0.413
0.475e-7
0.128e-2
Mo
0.237
0.566
0.403e-7
0.196e-2
Y
0.178
0.627
0.535e-7
0.247e-2
Mo+Y
0.265
0.594
0.359e-7
0.197e-2
С целью определения глубины модифицированных слоев исследована
зависимость микротвердости образцов по глубине. Измерения были выполнены на микротвердомере модели “ПМТ-3М” вдавливанием алмазной пирамиды при переменной нагрузке. Микротвердость определяли по шкале Виккерса, глубину анализируемого слоя оценивали как h 
d
7
(d- средняя длина
диагонали отпечатка в микрометрах). Ниже представлены полученные зависимости для исходного образца (рис. 7), образцов имплантированных молибденом (рис. 8), иттрием и образца (рис. 9), прошедшего комплексную обработку ионами обоих типов (рис. 10).
11
600
900
850
580
800
560
H
H
750
540
700
650
600
520
550
500
500
0
1
2
3
4
5
6
7
0
h, мкм
1
2
3
Рис. 7
.
5
6
Рис. 8
680
575
660
550
640
525
620
500
475
600
450
H
580
H
4
h, мкм
560
425
400
540
375
520
350
500
325
480
300
275
460
0
1
2
3
4
5
6
0
7
1
2
3
4
5
6
7
8
h,мкм
h,мкм
Рис. 10
Рис. 9
Физические свойства исходного и имплантированных образцов сравниваются на глубине 6 мкм, которую можно принять за глубину модифицированного слоя. Наиболее положительное воздействие оказала имплантация
ионов молибдена, позволившая достичь величины микротвердости, близкого
к значениям, получаемым при азотировании. Уменьшение микротвердости в
результате имплантации ионами обоих химических элементов (рис. 10) связано с отрицательно сказавшимся накоплением радиационных дефектов. Зафиксированное явление подчеркивает важность правильного выбора технологических параметров обработки.
В четвертой главе анализируются результаты, полученные автором, а
также результаты, полученные в данной области отечественными и зарубежными исследователями. Проанализированы роли энергетического диапазона и температурного режима, сорта имплантируемых атомов, дозы имплантируемых частиц. Проведено сравнение
характеристик имплантеров
непрерывного действия и частотно-импульсных дуговых источников. Реко12
мендуется использовать источники импульсно-дугового типа взамен источников непрерывного действия, что позволяет улучшить чистоту пучка ионов,
повысить энергию имплантируемых частиц при одинаковом ускоряющем
напряжении, полный фокусируемый ток, экономичность источника, первеанс пучка.
Выводы по работе
1. Показано, что при ионной имплантации наряду с радиационностимулированной диффузией точечных дефектов и образованием дислокационных петель существенную роль играют механизмы упрочнения приповерхностного слоя после ионной имплантации, связанные с формированием
интерметаллических соединений, карбидов и силицидов.
2. Установлено увеличение силы адгезии на 115 – 120 % в случае имплантации иттрия и скандия, а в случае молибдена – на 16 %, что обусловлено повышенной генерацией точечных дефектов в поверхностном слое стали ионами редкоземельных металлов.
3. Анализ поперечных и продольных профилограмм имплантированных
образцов подтвердил уменьшение параметров шероховатости Ra, Rz и увеличение радиуса кривизны микровыступов в интервале энергий, рекомендуемом для финишной обработки, вследствие преимущественного распыления
микропиков. Превышение рекомендуемого диапазона энергий ухудшает
микрорельеф поверхности вследствие кратерообразования.
4. Микронапряжения в поверхностном слое стали 38Х2МЮА при имплантации молибдена и иттрия увеличиваются в 1,5 – 2,0 раза, что обусловленное наличием имплантированных атомов в узлах решеток внедрения и
замещения.
5. На основе модели центрального атома предложена новая методика расчета фактора вырождения и свободной энергии сплава учитывающая возможные комбинации разных сортов атомов и изменение энергии химического взаимодействия, с целью выявления возможности образования новых фаз
13
в простейших сплавах после обработки концентрированными потоками энергии.
6. Разработаны рекомендации по финишной обработке рабочих поверхностей плунжерных пар с целью повышения их эксплуатационных характеристик (приняты к внедрению в ОАО “Омское машиностроительное конструкторское бюро”):
 Для финишной обработки рабочих поверхностей деталей из стали
38Х2МЮА рекомендуются Mo, Ti, W, участвующие в разных механизмах упрочнения. В частности, при имплантации молибдена микротвердость достигает значения 870 HV.
 Имплантацию рекомендуется проводить в энергетическом диапазоне
70-80 кэВ при использовании источников непрерывного действия и в
диапазоне 70-110 кэВ при использовании частотно-дуговых источников. Указанные диапазоны энергии обеспечивают глубину упрочненного слоя до 6 мкм и способствуют формированию благоприятного микрорельефа поверхности.
 Для повышения коррозионной стойкости возможно применение комплексного подхода, заключающегося в предварительном нанесении обладающих высокой коррозионной стойкостью редкоземельных элементов (Sc, Y, Gd) методом ионно-плазменного напыления с последующей
имплантацией для увеличения адгезионной связи с материалом основы
и увеличением твердости.
Список публикаций по теме диссертации
1. Машков Ю. К. Ионно-лучевая обработка некоторых конструкционных материалов/ Ю. К. Машков, А. И. Блесман, А. М. Ласица// Современные
технологии в машиностроении: Сб. материалов IV Всерос. науч.- практ.
конф. Ч.II.- Пенза: ПензГУ, 2001.- С.54-57.
2. Блесман А. И. Модификация ионными пучками в триботехнике/ А. И.
Блесман, А. М. Ласица// Тез. докл. IV Всерос. конф. молодых ученых ”Физическая мезомеханика материалов”.- Томск: ИФПМ СО РАН, 2001.-С. 11814
119.
3. Блесман А. И. Технологическое оборудование для ионно-лучевой обработки материалов/ А. И. Блесман, А. М. Ласица// Министерство обороны
РФ, Главное автобронетанковое управление. Научно-методический сборник.
Вып. 50, Ч.1. – Омск: Издательство ОТИИ, 2001. – С. 113-115.
4. Блесман А. И. Трибологические и материаловедческие аспекты использования ионно-лучевой обработки/ А. И. Блесман, А. М. Ласица// Физика
твердого тела: Материалы VII Международной конференции. - УстьКаменогорск: ВКГТУ, 2002.-С. 233-234.
5. Машков Ю. К. Оптимизация механических и триботехнических
свойств металлополимерных пар трения/ Ю. К. Машков, В. И. Суриков,
А. И. Блесман, О. В. Кропотин, А. М. Ласица// Прогрессивные технологии и
системы машиностроения: Сб. науч. тр. междунар. конф. Вып.21.-Донецк:
ДонГТУ, 2002. -С. 110-115.
6. Моргунов А. П. Трибологические и материаловедческие аспекты использования ионно-лучевой обработки/ А. П. Моргунов, К. К. Денисов, В. Г.
Порохин, А. И. Блесман, А. М. Ласица// Динамика систем, механизмов и
машин: Мат. IV Междунар. науч.-техн. конф., посвященной
60-летию
ОмГТУ. Кн. 2.-Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002.-С. 87-88.
7. Машков Ю. К. Модернизация ионного источника установки для лучевой обработки конструкционных материалов/ Ю. К. Машков, А. И. Блесман, А. М. Ласица, В. П. Погодаев// Мат. IV Междунар. науч.-техн. конф.,
посвященной 60-летию ОмГТУ. Кн. 2.-Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002.-С. 131132.
8. Morgunov A. P.Selective modifying of properties of constructional materials with the help of ion beam/ A. P. Morgunov, K. K. Denisov, A. I. Blesman,
A. M. Lasitsa// 19th National Conference on Heat Treatment with International
Participation (26.-28.11.2002 Brno).-С. 201-205.
9. Ласица А. М. Применение ионной имплантации для селективного изменения триботехнических свойств металлических контртел//Наука. Техни15
ка. Инновации: Матер. докл. регион. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученных. Ч. 2.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - С. 53-54.
10.Блесман А. И. Применение методов статистической физики к описанию процессов фазообразования при ионной имплантации/ А. И. Блесман, А.
М. Ласица// Динамика систем, механизмов и машин.: Материалы V Междунар. науч.-техн. конф. Кн. 2. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. - С. 218-221.
11.Блесман А. И. Применение ионной имплантации для улучшения эксплуатационных свойств конструкционных материалов/ А. И. Блесман, А. М.
Ласица// Военная техника, вооружение и технологии двойного применения.:
Матер. III междунар. технолог. конгресса. Ч. I. - Омск: Изд-во ОмГУ, 2005. С. 203-205.
12.Ласица А. М. Исследование качества боковых поверхностей зубьев
шестерен, модифицированных ионами иттрия и молибдена/ А. М. Ласица,
В.Г. Чуранкин, А. П. Моргунов// Вестник Курганского государственного
университета.-Курган: Изд-во КГУ, 2006. - №1(05).-С. 59-60.
13.Моргунов А. П. Применение нанотехнологий для повышения ресурса
работы высокоточных деталей топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания/ А. П. Моргунов, А. М. Ласица, А. И. Блесман и др.// Омский
научный вестник.-2006. №2(35). - С.84-86.
16