003

20

1 – напуск инертного газа (Ar); 2, 3, 4 – напуск реакционных и горючих газов (N2, Н2, С3Н8); 5, 6, 7, 8 – манометр; 9, 10, 11, 12 – клапан; 13 – центральный электрод-анод; 14 – конический электрод-катод; 15 – рабочая камера; 16 – стол-анод с водяным охлаждением; 17 – изделие; 18 – плазменная струя; 19 – вакуумный насос; 20 – фильтр; 21 – блок питания

Рисунок 11 – Схема установки для легирования поверхностных слоев твердых сплавов

вплазме дугового разряда

Впроцессе упрочнения давление у поверхности обрабатываемого образца может доходить до 600 Па, а плазменная струя имеет температуру 20000 К.

Получаемая микроструктура, как и при использовании метода азотирования в тлеющем разряде, характеризуется наличием диффузионной зоны, которая может достигать до 90 мкм.

Впоследние годы появились работы по использованию лазерного излуче-

ния для упрочнения поверхности твердых сплавов. С помощью лазера произ-

водится чрезвычайно быстрое (до 5 мм/с по глубине) расплавление поверхности, к которой подводится поток реакционного газа (рисунок 12). Перемещением лазерного луча по поверхности обрабатываемой детали можно добиться хорошей воспроизводимости и скорости упрочнения поверхности твердосплавного изделия. Обычно процессы лазерного уплотнения проводятся в области высоких температур (до 1600 °С) и относительно высоких давлений (до 100 Па).

После лазерного упрочнения микротвердость поверхностного слоя так же, как и при легировании поверхности в плазме дугового разряда, увеличивается

до 35000 МПа. Это объясняетсяся образованием карбида типа W2C, который имеет более высокую твердость, чем WC (на 10000–14000 МПа). При этом из-

меняется структура и состав связующей фазы твердого сплава.

Если плотность энергии не превышает 80 Дж/см2, то происходит насыще-

ние связки продуктами деструкции монокарбида WC. При плотности энергии от 80 до 100 Дж/см2 образуются сложные карбиды Co3W3C, которые разупрочняют сплав, вследствие уменьшения содержания в связке металлического кобальта. При плотности энергии от 140 до 280 Дж/см2 в связующем слое появляются сложные карбиды с нарушенной стехиометрией (типа CoxWyCz), а

21

также заметно увеличивается количество полукарбидов W2C и кубического карбида WC.

1 – лазер; 2 – подача реакционного газа (N2, С3Н8, СН4); 3 – изделие; 4 – поток газа; 5 – лазерный луч; 6 – модифицированный слой

Рисунок 12 – Схема установки для осуществления лазерного упрочнения поверхностных слоев твердосплавных инструментов

Установлено [76], что для повышения износостойкости твердых сплавов с содержанием кобальта от 6 до 8 % плотность энергии не должна превышать

100 Дж/см2.

Толщина модифицированного слоя соответствует толщине оплавленного слоя и в зависимости от режимов обработки достигает от 1 мкм до 1 мм.

Трещинообразование при лазерном легировании твердых сплавов является одним из главных недостатков данного метода.

Ионная имплантация

Для улучшения эксплуатационных свойств твердосплавных инструментов большое распространение получила низкоэнергетическая ионная импланта-

ция. Важным преимуществом такой обработки при высоких плотностях тока является разогрев поверхности до температур от 400 до 600 С, обеспечивающих эффективное диффузионное перераспределение внедренных атомов с получением глубоких модифицированных слоев при энергии ионов порядка нескольких килоэлектронвольт.

Процессы, инициируемые ионами высокой энергии в поверхностном слое, сопровождаются изменением химического состава слоя, структурными изменениями, радиационными дефектами. Описанные изменения приводят к значительному изменению микротвердости, коррозионной стойкости, адгезионной активности, фрикционных характеристик, электропроводности и др. Возможность химического контроля состава пучка имплантируемых ионов средствами магнитной сепарации, а также варьирование энергии внедрения позволяют направленно воздействовать на поверхность изделия, создавая требуемые характеристики поверхностного слоя.

22

Процесс ионной имплантации обладает рядом достоинств, среди них: протекание при сравнительно низких температурах, высокая производительность и контролируемость процесса. Это позволяет использовать ионную имплантацию для улучшения физико-механических свойств твердых сплавов. Возможно также применение ионной имплантации для упрочнения твердосплавного фасонного инструмента, так как она не приводит к изменению линейных размеров изделия.

Ионная имплантация позволяет существенно улучшить эксплуатационные свойства деталей машин: сопротивление коррозии, кавитации, эрозии и усталости; жаростойкость, твердость, износостойкость, фрикционные свойства.

Технологическое оборудование для реализации процессов ионной имплантации изделий представляет собой достаточно сложный комплекс электрофизического оборудования, который генерирует пучок ускоренных ионов, создает возможность для взаимодействия этого пучка с обрабатываемым материалом изделия, обеспечивает при этом эффективный контроль и управление как характеристиками ионного пучка, так и объектом обработки.

Основным элементом такого оборудования является имплантатор ионов. Имплантатор формирует ионный пучок из атомов или молекул рабочего вещества, ускоряет ионы в пучке для сообщения им заданной скорости и кинетической энергии, выделяет из полученного пучка ионы с одинаковым соотношением их массы к кратности заряда, внедряет выделенный пучок однородных ионов в поверхностные слои обрабатываемой заготовки.

Схема установки, используемой для осуществления процесса ионной имплантации, представлена на рисунке 13.

1 – источник	ионов; 2	– кольцевой	изолятор; 3 –	кольцевой	электрод;
4 – масс-сепаратор;	5 – рабочая	камера; 6 –	диэлектрический	столик; 7	– изделие;
8 – источник питания

Рисунок 13 – Схема установки для осуществления процесса ионной имплантации

23

Анализ процессов и явлений, инициируемых пучками ионов высокой энергии на поверхности изделий, позволяет сделать вывод о возможности использования воздействия сильноточных импульсных пучков (150 А) при модификации поверхностных слоев инструментов из твердых сплавов, особенно системы

WC – Co.

Поверхностное структурообразование происходит за счет комплекса модифицирующих эффектов, обусловленных термическими, термомеханическими и диффузионными явлениями. Наряду с указанными факторами формирование структурно-фазовых состояний в значительной степени определяется и структурными особенностями облучаемого материала.

Структурно-фазовые превращения, происходящие в поверхностных слоях гетерофазных материалов при облучении импульсными мощными ионными пучками и приводящие к существенному изменению их физико-механических свойств, определяются динамикой возбуждаемых в мишени тепловых полей и волн механических напряжений.

Вследствие высокого градиента температур и термомеханических напряжений в образце происходит образование каскадов смещенных атомов и большой концентрации дефектов структуры, что является причиной наблюдаемых сегрегационных явлений и интенсивных диффузионных потоков атомов примеси.

Проведенные исследования показали, что роль поверхностной модификации твердого сплава системы WC – Co импульсным сильноточным ионным пучком заключается в повышении адгезии на границе раздела карбид вольфрама – связка и, вследствие этого, диссипирующей способности материала путем эволюции дислокационной субструктуры. Обнаруженное формирование подслоя, характеризующегося высокой концентрацией дефектов в карбидной фазе, образованием субзеренной структуры в связке, большим количеством дисперсных частиц вторичных фаз свидетельствует о проявлении эффектов объемного упрочнения приповерхностных (толщиной до 200 мкм) слоев твердосплавного материала. Эволюция сформированных облучением метастабильных структур- но-фазовых состояний, согласно полученным результатам, обусловлена термодеформационным механизмом упрочнения приповерхностных слоев, являющимся основным фактором, способствующим повышению износостойкости модифицированных импульсным сильноточным электронным пучком материалов.

Вышеуказанным методам ионной имплантации присущи недостатки, которые не допускают их промышленного применения при обработке твердосплавного инструмента с целью повышения их ресурса. К таким недостаткам можно отнести необходимость достижения высокого вакуума, что в условиях промышленных предприятий является трудновыполнимой задачей, как правило, из-за низкой культуры производства. Ускорители ионов отличаются сложностью эксплуатации и высокой стоимостью. Кроме того, не решенным остается вопрос о создании надежных ускорителей с достаточно большим ресурсом работы. При обработке пучками ионов равномерное облучение всех рабочих поверхностей чрезвычайно затруднено. Причиной неравномерности облучения и,

24

следовательно, неравномерности модификации поверхностного слоя инструментов по всем рабочим поверхностям является прямолинейность распространения пучка ионов. А следствием этой неравномерности – недостаточный ресурс и низкая надежность обработанного твердосплавного инструмента.

Метод модифицирующей обработки инструмента в тлеющем разряде, применяемое оборудование и приборы

Данный метод выгодно отличается от всех других способов, описанных в разд. 4 данной работы, тем, что не требует наличия специально подготовленной и вводимой в рабочую камеру среды. Нет жестких требований к чистоте поверхностей модифицируемого изделия. Процесс модифицирующей обработки в тлеющем разряде сопровождается сравнительно низкими температурами на поверхности изделия, что исключает термически инициируемые превращения.

Авторы данного метода в своих работах рассмотрели результаты модифицирующей обработки большого спектра инструментальных и конструкционных материалов. Однако результаты модифицирующей обработки твердосплавного инструмента в тлеющем разряде отсутствуют. Это обусловлено тем, что до настоящего времени из-за гетерогенности структуры не выявлена физическая картина процесса модификации твердосплавного инструмента.

Актуальность развития ресурсосберегающих технологий и возрастающий процент твердосплавного инструмента, используемого в промышленности, делают решение этой проблемы перспективной и экономически целесообразной. Более подробное описание метода модифицирующей обработки в тлеющем разряде, физических процессов, лежащих в его основе, и других вопросов, связанных с ним, приведѐм далее.

Механизмы, приводящие к модифицирующей обработке твердосплавного инструмента в тлеющем разряде, сходны с процессами, протекающими при низкотемпературной ионной имплантации, с той лишь разницей, что в качестве источника ионов используется среда остаточных атмосферных газов.

Исследования механизмов, протекающих при ионной имплантации, позволили выявить ряд характерных особенностей.

Во-первых, имплантационная обработка приводит к образованию в приповерхностной области материала атомных смесей, состав которых не лимитируется принципами термодинамики.

Во-вторых, одновременно с ионным легированием генерируется большое количество смещенных атомов, формирующих дефекты структуры, которые сильно влияют на расположение вводимых атомов в решетку кристалла и могут вызывать перемещения атомов, как на малые, так и на большие расстояния.

В-третьих, поскольку ионная имплантация является атермическим процессом, сопутствующие термоактивируемые процессы могут регулироваться температурой мишени независимо. Это позволяет с высокой степенью контролируемости и воспроизводимости создавать в поверхностной области имплантируемого материала слои с различными свойствами.

25

Также было отмечено, что если обработку проводить при температуре, когда междоузельные атомы и вакансии мишени подвижны, то система стремится к термодинамическому равновесию. В этом случае выделение фаз происходит в соответствии с диаграммами состояний, а дефекты структуры отжигаются.

Врежиме низких температур существенным фактором фазообразования при ионной имплантации является сходство исходной и образующейся кристаллических решеток. Низкотемпературная ионная имплантация благоприятствует фазовым переходам, но сохраняются жесткие кинетические ограничения.

Вотличие от разработанного ранее предложенный способ модифицирующей обработки твердосплавных инструментов характеризуется тем, что между столом – катодом, на котором помещают изделия, и анодом зажигают тлеющий разряд при давлении остаточных атмосферных газов 1,3…13,3 Па, напряжении

1…3 кВ и расстоянии между анодом и катодом в интервале 0,6…0,8 м, при плотности тока 0,05…0,5 А/м2 в течение определенного промежутка времени посредством потока положительно заряженных частиц.

Предложенный способ также характеризуется тем, что осуществляется в устройстве, схема которого изображена на рисунке 14.

1 – камера; 2 – анод; 3 – стол (катод); 4 – изделие; 5 – форвакуумный насос; 6, 7, 15 – клапан; 8 – система измерения давления; 9 – диффузионный насос; 10 – блок питания; 11 – преобразователь высокого напряжения; 12 – блок измерения электрических параметров разряда; 13 – заслонка; 14 – ловушка

Рисунок 14 – Схема установки для осуществления модифицирующей обработки

26

Для осуществления процесса модификации твердосплавного инструмента на стол 3, который является катодом, помещают изделие 4. Из камеры откачивают воздух до давления 1,3 Па при помощи форвакуумного насоса 5 при открытых клапанах 6 и 7, контролируя величину разряжения вакуумметром 8. Заслонку 13 паромасляного диффузионного насоса 9 закрывают и включают цепь питания преобразователя высокого напряжения 11, благодаря чему между анодом 2 и катодом 3 создается разность потенциалов, величину которой устанавливают в пределах 1...3 кВ при помощи специального блока измерения 12 и блока питания 10. В результате этого возникает пробой разрядного промежутка с возникновением высоковольтного тлеющего разряда. Далее устанавливают величины давления остаточных газов, напряжения горения разряда и плотности тока. Ловушка 14 препятствует проникновению в рабочую область камеры паров масла из нагреваемого паромасляного диффузионного насоса. После окончания обработки в камеру 1 напускают воздух путем открытия клапана 15.

В процессе модификации регулирование рабочего давления в установленных пределах осуществляется при помощи заслонки 13 диффузионного насоса.

Система измерения остаточного давления 8 включает термопарный преобразователь давления и ионизационный вакуумметр.

Блок измерения электрических параметров разряда 12 состоит из киловольтметра и миллиамперметра, посредством которых измеряются напряжение горения и сила тока тлеющего разряда.

3 Порядок выполнения лабораторной работы

3.1Изучить основные методы повышения эксплуатационных характеристик твердосплавного инструмента.

3.2Провести исследование твѐрдости рабочей поверхности образцов из твердого сплава в состоянии поставки.

3.3Провести металлографический анализ рабочей поверхности образцов из твердого сплава в состоянии поставки.

3.4Провести модифицирующую обработку твердосплавных образцов тлеющим разрядом.

3.5Провести исследование твѐрдости рабочей поверхности образцов из твердого сплава после модифицирующей обработки тлеющим разрядом.

3.6Провести металлографический анализ рабочей поверхности образцов из твердого сплава после модифицирующей обработки тлеющим разрядом.

3.7Сделать вывод по лабораторной работе.