Исследование влияния теплофизических процессов в катодной области вакуумной дуги на дисперсный состав капельной фазы в продуктах эрозии катода

Современная механическая обработка предъявляет высокие требования к режущему инструмент)'. При повышенных режимах и скоростях механической обработки инструмент находится в экстремальных условиях, подвергаясь высоким контактным и циклическим нагрузкам, различным видам износа, температурному воздействию. Работая в таких условиях, инструмент достаточно быстро приходит в негодное состояние и требует замены, что, в свою очередь, тормозит производство и приводит к дополнительным затратам. Рабочая поверхность инструмента должна обладать высокой твердостью, химической пассивностью к обрабатываемым материалам, теплостойкостью, усталостной прочностью, коррозионной стойкостью, а также стойкостью к окислению при высоких температурах. Большинство инструментальных материалов обладают лишь несколькими из указанных выше свойств, что резко снижает их область применения.

Работоспособность режущего инструмента может быть повышена благодаря изменению поверхностных свойств инструментального материала, при котором контактная поверхность инструмента будет наиболее эффективно сопротивляться износу. Эффективным методом упрочнения режущего инструмента является нанесение на рабочую поверхность инструмента защитных покрытий из твердых соединений.

Существует множество способов нанесения защитных покрытий (СУЭ, РУБ), из которых наибольшее распространение для упрочнения режущего инструмента получил способ ионного осаждения с дуговым испарением. На сегодняшний день промышленные вакуумно-дуговые установки производятся во многих странах мира, среди которых Россия, США, Швейцария, Германия, Франция, Япония и Китай. Большинство вакуумно-дуговых износостойких покрытий обладает высокой твердостью (20−40 ГПа), теплостойкостью, низким коэффициентом фения, коррозионной стойкостью. Применение износостойких покрытий позволяет увеличить срок службы режущего инструмента в 2−12 раз, использовать повышенные режимы работы инструмента, а так же обрабатывать особо прочные сплавы (в том числе и жаропрочные ЭИ893, ЭИ929 ЖС6К, ЭГ1539Л, ЦНК7РС). При всем этом качество защитных покрытий может существенно отличаться в зависимости от условий осаждения, конструкции дуговых испарителей, предварительной подготовки поверхности инструмента или деталей машин и многих других условии.

У метода вакуумной дуги есть основной недостаток, который к настоящему времени так и не удалось устранить без существенных потерь в производительности работы испарителя — это наличие капельной фазы в продуктах эрозии катода. Капельная фаза является определяющим минусом вакуумно-дугового разряда и приводит к существенному снижению рабочих свойств покрытий. В дополнении к этому, до настоящего времени не разработано объективных критериев оценки параметров капельной фазы в покрытиях и рекомендаций по ее корректировке.

Таким образом, актуальность темы данной диссертации обусловлена двумя следующими положениями:

— во-первых, она связана с необходимостью создания современных вакуумно-дуговых испарителей с пониженным содержанием капельной фазы в продуктах эрозии катода, позволяющих получать качественные защитные покрытия, которые могут быть конкурентоспособны на мировом рынке подобных технологий и оборудования;

— во-вторых, системное исследование дисперсного состава капельной фазы в продуктах эрозии катода и причин, влияющих на ее параметры, позволит сформулировать объективные критерии оценки капельной фазы в покрытиях и дать рекомендации по ее корректировке.

Целью работы являлось исследование влияния параметров разряда, теплофизических процессов в катодной области вакуумной дуги и скорости движения катодного пятна на параметры капельной фазы в покрытиях, определение способов регулирования капельной фазы, исследование катодной области вакуумной дуги, детальное изучение, сравнительный анализ и классификация капельной фазы в покрытиях.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

1) проведены подробные исследования и классификация капельной фазы в титановых и нитрид титановых покрытиях, установлены форма и размеры капель, проведена классификация капель по трем группам. Разработай статистический подход к определению параметров капель, образовавшихся в нанесенном покрытии. Его результатом явился ряд гистограмм и аналитическое выражение распределения капель по диаметрам. Выполнен сравнительный анализ капельной фазы в покрытиях НИ, полученных методом вакуумно-дугового осаждения на 3 современных промышленных РУО-устаповках при одинаковых физических параметрах. Для каждой установки найдено распределение капель по размерам, число капель каждого размера на единицу площади;

2) проведены исследования движения катодного пятна в поперечном магнитном поле, получена эмпирическая формула для скорости движения катодного пятна. Установлена зависимость параметров капельной фазы от скорости движения катодного пятна;

3) исследованы физические параметры вакуумно-дугового разряда. Установлено влияние величины тока разряда на количество катодных пятен вакуумной дуги и параметры капельной фазы в покрытиях. Получены вольтамперные характеристики вакуумно-дугового разряда в зависимости от индукции внешнего магнитного поля;

4) проведены исследования теплофизических процессов в катодной области вакуумной дуги. Получено распределение температуры по толщине катода, установлено влияние температуры катода на дисперсный состав капельной фазы в продуктах эрозии катода;

5) исследованы автографы катодного пятна на массивном катоде. Определены размеры, форма, глубина и структура кратеров, проведена их классификация, зафиксирован след от траектории движения катодного пятпа. Установлена зависимость размеров капель в продуктах эрозии катода от размеров эрозионных кратеров;

6) разработан торцевой вакуумно-дуговой испаритель с управляемой траекторией движения катодного пятна и минимизацией капельной фазы. Проведены испытания, отлажены режимы работы. Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1) проведена классификации капель в покрытии, детально исследованы размеры, форма и физические особенности для каждого типа капель;

2) проведена классификация эрозионных кратеров катодного пятна, для каждого типа кратера установлены размеры, глубина и физические особенности;

3) установлена численная зависимость размеров и количества капельной фазы в покрытиях от параметров разряда, теплофизических процессов в катодной области вакуумной дуги и скорости движения катодного пятна;

4) установлена зависимость размеров капель в покрытии от размеров эрозионных кратеров на катоде вакуумно-дугового испарителя;

5) проведены сравнительные исследования дисперсного состава капельной фазы в покрытиях, полученных на трех промышленных установках Plat. it — -80, ННВ 6.6 И1, УВНИПА-1−002.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1) результаты статистического анализа дисперсного состава капельной фазы в покрытиях (гистограммы и аналитическое уравнение распределения капель по диаметрам);

2) результаты экспериментального исследования движения катодного пятна в поперечном магнитном поле и влияние скорости движения катодного пятна на капельную фазу в продуктах эрозии катода: графики зависимости скорости движения катодного пятна от величины внешнего тангенциального к поверхности катода магнитного поляэмпирическая формула для скорости движения катодного пятнаграфики зависимости относительной площади, занимаемой капельной фазой в покрытиях, от скорости движения катодного пятна;

3) результаты экспериментального исследования физических параметров вакуумно-дугового разряда и их влияния на катодные процессы вакуумной дуги:

— графики зависимости скорости движения катодного пятна от величины тока разрядавлияние тока разряда на количество катодных пятен и их скоростивольтампериые характеристики вакуумно-дугового разряда в зависимости от величины внешнего магнитного поляграфики зависимости относительной площади, занимаемой капельной фазой в покрытиях, от величины тока разряда;

4) результаты исследования теплофизических процессов в катодной области вакуумной дуги: графики зависимости относительной площади, занимаемой капельной фазой в покрытиях, от температуры поверхности торца катода;

5) результаты исследования автографов катодного пятна на массивном катоде;

Достоверность результатов теоретических исследований обеспечивается использованием адекватных физико-математических моделей и хорошо зарекомендовавших себя программных продуктов, применяемых при расчётах, и сравнением полученных результатов с имеющимися литературными данными. Достоверность экспериментальных исследований гарантируется применением современных и хорошо апробированных методов и методик. Приведены оценки погрешности измерений.

Практмческая значимость результатов работы состоит в том, что:

1) для различных типов режущего инструмента установлены технологические требования к допустимым размерам капельной фазы в покрытиях;

2) на примере трех современных промышленных вакуумно-дуговых установок определены критерии оценки качества покрытий по параметрам капельной фазы (число капель каждого размера на единицу площади, распределение капель по диаметрам). Даны технологические рекомендации по корректировки капельной фазы в покрытиях;

3) разработан торцевой вакуумно-дуговой испаритель с управляемой траекторией движения катодного пятна, отработаны режимы работы с минимизацией капельной фазы и высокой равномерностью выработки катода.

Полученные результаты исследований легли в основу разработки промышленного вакуумно-дугового испарителя с управляемой траекторией движения катодного пятна и пониженным содержанием капельной фазы в продуктах эрозии катода. Испаритель прошел испытание в промышленном цеху по нанесению покрытий ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и был внедрен в производство в качестве основного узла серии промышленных вакуумно-дуговых установок №поАЯС1Ш5и-г, предназначенных для нанесения широкого спектра защитных и триботихнических покрытий на режущий инструмент и детали машин. Испытания показали, что при использовании этого испарителя капельная фаза в покрытиях нитрида титана снижается в 5 раз по относительной площади, занимаемой каплями, по сравнению с дуговым испарителем с торцевым цилиндрическим катодом такого же диаметра и толщины без магнитного управления катодным пятном.

Личный вклад автора состоит в том, что представленные результаты получены автором или при его непосредственном участии. Автором лично проведены все описанные в работе эксперименты: получение образцов с иокрытиями титана и нитрида титанаисследование движения катодного пятна в поперечном магнитном поле и влияния скорости движения катодного пятна на дисперсный состав капельной фазы в покрытияхисследование физических параметров разряда, их влияния на катодные процессы вакуумной дуги и дисперсный состав капельной фазы в продуктах эрозии катодаисследование теплофизических процессов и их влияния на дисперсный состав капелыюй фазы в продуктах эрозии катодаисследование автографов катодного пятна на массивном катоде, эксперименты по равномерности выработки катода. Автором работы лично проведены исследования покрытий и поверхности катода методами атомпо-силовой, электронной и оптической микроскопии, измерение толщины покрытий, определение тангенциальной к поверхности катода составляющей индукции магнитного поля, измерение параметров разряда. Диссертантом лично разработан универсальный метод определения дисперсного состава капелыюй фазы в покрытиях, получены расчетные модели для определения параметров капелыюй фазы, разработан статистический подход к определению параметров капель, получены две эмпирические формулы: формула для определения скорости движения катодного пятна, функция распределения капель по диаметрам. Автором лично проведено проектирование промышленного вакуумно-дугового испарителя с управляемой траекторией движения катодного пятна и минимизацией капельной фазы в покрытиях, а так же проведен его запуск и отладка режимов работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

— 151-ВЫВОДЫ.

1. Проведены исследования микроструктуры покрытий, определены размеры и форма капель, проведена их классификация. Разработан статистический подход к определению параметров капель, образовавшихся в нанесенном покрытии. Его результатом явился ряд гистограмм распределения капель по диаметрам и аналитическая зависимость, позволяющая рассчитать число капель в покрытии, имеющих предвари тельно заданный диаметр, если известен тип катода в дуговом испарителе.

2. Проведен сравнительный анализ капельной фазы в покрытиях, полученных на трех современных промышленных установках Platit п -80, ННВ 6.6 И1, УВНИПА-1−002. Установлено, что 40−60% капель в покрытиях, имеет диаметры в диапазоне 0,4−0,5 мкм, распределение капель по диаметрам в диапазоне диаметров 0,3−3 мкм описывается обратной экспонентой, суммарная площадь капель в покрытиях из нитрида титана, имеющих толщину порядка 3 мкм, занимает 6−15% от площади всего покрытия.

3. Исследовано движение катодного пятна в поперечном магнитном поле в диапазоне токов разряда 80−160А, значений индукции внешнего магнитного поля 0−13,7 мТл. Установлено, что при значениях тангенциальной к поверхности катода составляющей внешнего магнитного поля 0−13 мТл скорость движения катодного пятна составляет 6−20 м/с соответственно. Выведена эмпирическая формула для скорости движения катодного пятна, позволяющая рассчитать скорость катодного пятна на титановом катоде, зная ток разряда и величину тангенциальной к поверхности катода составляющей индукции магнитного поля.

— 1524. Исследованы физические и теплофизические процессы в катодной области. вакуумной дуги и их влияние на параметры капельной фазы в продуктах эрозии катода. Получены эмпирические зависимости состава капельной фазы в покрытиях от температуры катода, тока разряда, скорости движения катодного пятна. Установлено, что капельная фаза в покрытиях нитрида титана увеличивается по относительной площади, занимаемой каплями: в 2,3 раза при повышении температуры торца катода от 79 до 461 °Св 5 раз при снижении скорости движения катодного пятна от 15 до 8 м/с.

5. Исследованы автографы катодного пятна вакуумной дуги на массивном катоде. Определены основные размеры и форма эрозионных кратеров. Установлена связь размеров капель в продуктах эрозии катода с размерами эрозионных кратеров на катоде. Определены характерные времена жизни катодного пятна на массивном катоде, и характерные размеры эрозионных кратеров основного трека вакуумной дуги.

6. Полученные автором результаты исследований легли в основу разработки промышленного вакуумно-дугового испарителя с управляемой траекторией движения катодного пятна и пониженным содержанием капельной фазы в продуктах эрозии катода. Испаритель прошел испытание в промышленном цеху по нанесению покрытий ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и был внедрен в производство в качестве основного узла серии промышленных вакуумно-дуговых установок №поАЯСша51ег, предназначенных для нанесения широкого спектра защитных и триботехнических покрытий па режущий инструмент и детали машин. Испытания показали, что при использовании этого испарителя капельная фаза в покрытиях нитрида титана снижается в 5 раз по сравнению с обычным дуговым испарителем с торцевым цилиндрическим катодом.