МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
к учебно-исследовательской лабораторной работе
по дисциплинам
«Технология машиностроения» (производство машин),
«Физические основы ионно-лучевой обработки»
для студентов специальностей 1-36.01.01, 1-36.01.03
Новополоцк 2013
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Полоцкий государственный университет»
ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
к учебно-исследовательской лабораторной работе
по дисциплинам
«Технология машиностроения» (производство машин),
«Физические основы ионно-лучевой обработки»
для студентов специальностей 1-36.01.01, 1-36.01.03
Новополоцк 2013
УДК 621.9.048+620.178.152.341 (075.8)
ББК 34.5-5я73
Одобрены и рекомендованы к изданию методической комиссией машиностроительного факультета в качестве методических указаний
Кафедра «Технология и оборудование машиностроительного производства»
Составители:
Н.Н. Попок, д-р техн. наук, профессор
С.В. Дербуш, м.т.н., инженер
Е.И. Ракель, м.т.н., ассистент
Рецензенты:
А.А. Лысов, канд. техн. наук, доцент;
А.М. Долгих, канд. техн. наук, доцент
© Попок Н.Н., Дербуш С.В., Ракель Е.И. 2013
© УО «ПГУ», 2013
СОДЕРЖАНИЕ
Цель и порядок выполнения работы……………………………….……………..4
Виды упрочняющей обработки материалов….... …...………………………...…4
Технологический процесс и оборудование …………………………………..….8
Методика исследования качества упрочнения и микро
твердости материала.………………………………………………………….….10
Задание…………………………………………………………...……………..…12
Структура отчета…………………………………………………...……………..12
Контрольные вопросы……………………………………………...……….....…12
Список использованных источников………………...…………………….....…13
Приложение А. Варианты заданий...……………………………………...…..…15
Приложение Б. Рекомендуемые режимы ионно-лучевой обработки…….....…15
Приложение В. Протокол исследования процесса ионно-лучевой
обработки поверхности детали…….………………..…...….....15
1. Цель и порядок выполнения работы
Целью работы является изучение технологии ионно-лучевой обработки материалов и используемого оборудования, а также исследование влияния режимов процесса обработки на физико-механические свойства поверхностных слоев деталей.
Рекомендуется выполнять работу в следующем порядке:
Ознакомится с видами упрочняющей обработки материалов.
Изучить технологический процесс и оборудование для ионно-лучевой обработки.
Провести подготовку поверхности детали-образца.
Осуществить ионно-лучевую обработку поверхности образца в соответствии с предварительно выбранными режимами обработки.
Произвести количественную оценку и сравнение микротвердости обработанных и необработанных поверхностей образцов.
Заполнить протокол исследования и составить отчет по работе.
2. Виды упрочняющей обработки материалов
Повышению износостойкости деталей машин посвящено большое количество работ и исследования в этой области продолжаются и в настоящее время [1-4].
Применение видов упрочняющей обработки направлено на изменение физических свойств материала деталей с целью повышения его твердости, прочности, износостойкости и т.п. Эти изменения производятся или во всем объеме детали путем, например, термической обработки, или в его части, в так называемом приповерхностном слое детали путем, например, лазерной обработки и создания защитного слоя (покрытия) из другого материала [1, 2].
В настоящее время существует большое количество разнообразных видов упрочняющей обработки, которые можно подразделить по следующим группам признаков:
Вид рабочего вещества, которое формирует приповерхностный слой детали.
Способ генерации (воспроизведения) рабочего вещества.
Вид взаимодействия рабочего вещества с поверхностью детали.
Вид рабочей среды.
Вид рабочего вещества определяется его физическим состоянием (твердое; жидкое; газообразное; плазма; поле электрическое, магнитное, тепловое и т.п.) и формой (конфигурация твердого тела, поля, потока, среды). Генерация рабочего вещества осуществляется путем механического подвода и задания траектории движения, нагрева и плавления; задания конфигурации и интенсивности полей, ионизации паров и т.д. Вид взаимодействия рабочего вещества с поверхностью детали характеризуется деформацией (удар, статическое нагружение), химическими реакциями, структурными изменениями, диффузионным насыщением или имплантацией, конденсацией и другими процессами. Рабочая среда может быть в виде вакуума, газа (воздуха, инертных и химически активных газов), жидкости, электрического или магнитного поля и их комбинации.
Существующие технологические процессы упрочнения деталей машин классифицируются по указанным четырем группам признаков. К ним относят: термические, термомеханические, химические, химико-термические, электрофизические, электрохимические, механические.
Для упрочнения технологической оснастки и, в частности, штампов и режущего инструмента наибольшее применение получили технологии приповерхностного изменения физических свойств материала деталей [3]. В качестве рабочего вещества в этих технологиях используют ионы тугоплавких металлов и химически активных газов. Вещество генерируется направленным электромагнитным полем (лучом) и имплантируется (внедряется) в поверхность детали. Рабочей средой является вакуум. Данный вид обработки относится к так называемым ионно-лучевым видам обработки. При этом на поверхности детали создается или защитное покрытие в виде соединений тугоплавких металлов и газов, например, TiC, TiN, ZrN и т.п., или изменяются структура и свойства поверхностного слоя детали, например, введение ионов азота.
Ионно-лучевой обработкой называется процесс внедрения в образец (подложку) ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионно-лучевой обработки определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых поверхностей при заданных условиях имплантирования.
Метод появился в начале 70-х годов прошлого века для областей высоких технологий, позволяющих изготавливать гибридные микросхемы и получать материалы с нужными свойствами (например, примесные полупроводники для микроэлектроники и легированный арсенид галлия для оптоэлектроники). Английское название метода:"The Ion-Beam Processing" или "The Ion-Beam Treatment" [4].
В течение долгого времени довести ионно-лучевую обработку до промышленного использования было достаточно трудно. Прежде всего, оборудование для ионно-лучевой обработки при всей своей схожести с вакуумным оборудованием, имеет массу тонкостей, позволяющих осуществить качественный процесс ионно-лучевой обработки. Специалистами в течение тридцати лет велись исследования в этой области, отрабатывались режимы, создавались технологии обработки для каждого конкретного случая работы деталей и технологической оснастки.
Процесс осуществляется в глубоком вакууме в среде инертного газа (аргон) в присутствии легирующего компонента (рис. 1, а). Для охлаждения зоны реакции и предотвращения перегрева обрабатываемого материала используют жидкий азот или гелий. На практике нередко используются криогенные системы, позволяющие достичь глубокого вакуума и создать надежное охлаждение обрабатываемого материала. В начале процесса обеспечивается вакуум порядка десять в минус десятой-двенадцатой степени мм рт. ст. Затем в установку подается аргон до давления порядка десять в минус второй степени.
В случае азотирования в аргон добавляется примесь азота в нужной концентрации или используется мишень из подходящего соединения азота. Далее включается источник энергии для поддержания высокочастотного разряда. Поток ионов аргона ударяет в мишень из соединения азота, вырывая (вытравливая) из нее атомы и ионы, содержащие азот. Отразившись от мишени, луч ударяет в подложку (обрабатываемый материал), имплантируя в ее поверхность содержащиеся в луче ионы и атомы легирующего элемента (см. рис 1, б). В случае примеси газообразного азота режим подбирают так, чтобы нейтральные атомы или ионы аргона бомбардировали (травили) поверхность обрабатываемого материала, создавая условия для проникновения атомов и ионов азота в глубь материала с образованием нитридных решеток [5].
Прежде всего, следует обратить внимание на то, что суть ионно-лучевой обработки заключается не в образовании покрытия, а во внедрении любых легирующих элементов и их соединений на глубину порядка одного микрона, что формирует внутренний модифицированный слой, сродненный со структурой обработанного материала и связанного с его кристаллической решеткой, а в некоторых случаях этот процесс идет с образованием новой так называемой аморфной структуры, которая оказывает положительный эффект на стойкость инструмента.
а) б)
Рис. 1. Схема процесса ионно-лучевой обработки (а) и распределение концентрации легирующего элемента по глубине обрабатываемой поверхности (б)
При ионной имплантации в зависимости от флюенса (интегральной плотности потока) ионов возможно образование в поверхностных слоях разбавленных, пересыщенных (метастабильных) твердых растворов, выделений новых фаз, а также потери дальнего порядка в расположении атомов, образующих кристаллическую решетку твердого тела. Схема фазовых состояний металлических материалах, подвергнутых ионно-лучевой обработке, приведена на рис. 2.
Определение конкретных концентрационных и температурных параметров реализации той или иной структуры представляет достаточно сложную задачу, требующую учета параметров ионно-лучевой обработки (энергия, угол падения, зарядовое состояние имплантированных частиц, плотность ионного тока, температура процесса) и исходной микроструктуры обрабатываемого материала.
Рис. 2. Схема для иллюстрации фазовых состояний в металлических материалах, подвергнутых ионно-лучевой обработке в функции концентрации легирующей примеси С и температуры имплантации Тпл
В последнее время ионно-лучевая обработка, как метод модификации поверхности, привлекает все больше внимание специалистов различного профиля. Это обуславливается [6]:
- изменением структуры материала на определенную глубину и формированием в поверхностном слое повышенной микротвердости и остаточных напряжений сжатия без изменения геометрических параметров поверхности;
- образование в поверхностном слое путем обработки активных ионов (азот, углерод и др.) устойчивых химических соединений (нитриды, карбиды), которые существенно меняют как механические, так и физико-химические свойства поверхности;
- введением в поверхность не только ионов различных атомов, но и химических соединений, например, твердой смазки и созданием одновременно упрочняющей фазы из боридов, нитридов или карбидов Ti, Al, Zr, Nb.
Основные преимущества ионно-лучевой обработки по сравнению с другими методами легирования поверхности следующие:
- возможность получения практически любой комбинации «матрица - легирующий компонент»;
- отсутствие проблемы адгезии, характерной для технологических процессов нанесения покрытий;
- неизменность размеров обрабатываемой детали, проведение процесса при любых температурах, в том числе комнатных и отрицательных;
- внедрение строго дозированных количеств легирующих примесей; исключительная чистота процесса;
- возможность получения любых профилей залегания примеси по глубине;
- высокая воспроизводимость полученных структур; простота управления ионным пучком и возможность обработки определенных участков поверхности.