Разработка технологических мероприятий по повышению эффективности процесса магнетронного напыления упрочняющих 3D-нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента

Актуальность темы

.

Эффективность механической обработки во многом определяется характеристиками применяемого металлорежущего инструмента. Непрерывно осуществляются исследования, ориентированные на повышение скорости резания, увеличение прочности и повышение износостойкости инструмента. Эффективным направлением повышения характеристик металлорежущего инструмента является нанесение на его рабочую часть упрочняющих наноструктурированных покрытий, обладающих высокой твердостью, вязкостью, теплостойкостью и низким коэффициентом трения. Эти свойства покрытий предопределяются малым размером кристаллов и большой объёмной долей границ зёрен [1]. Механизм повышения рабочих характеристик заключается в том, что данные материалы имеют сбалансированное отношение между твердостью, определяющей износостойкость, и прочностными характеристиками материала. Таким образом, упрочняющие наноструктурированные покрытия, благодаря комплексу своих свойств, имеют большое значение в современной инструментальной промышленности.

Низкое качество инструментального материала и отсутствие упрочняющего покрытия привело к падению спроса на «отечественный металлорежущий инструмент, поскольку он не способен удовлетворить существующие потребности современного потребителя. Последствием этого стало широкое распространение продукции фирм «Sandvik Coromant», «Mitsubishi», «Kennametal», «ISCAR», «SECO», «Lamina Tecnologies», «Corun», «Guhring», «Hoffmann Group» на отечественных машиностроительных предприятиях. В результате, в нашей стране на инструментальном рынке сложилась неблагоприятная экономическая ситуация, выходом из которой может быть лишь организация собственного производства металлорежущего инструмента, способного составить конкуренцию зарубежной продукции.

Магнетронное напыление, обеспечивающее формирование нанокомпозитной структуры покрытия, обладающей низким коэффициентом трения и обеспечивающей высокоэффективную защиту от износа и коррозии при повышенных температурах, является в настоящее время наиболее перспективным методом нанесения упрочняющих покрытий [2]'.' Несмотря на это, данный метод нанесения покрытий не получает промышленного распространения ввиду низкой скорости напыления, тогда как его внедрение на отечественных предприятиях по выпуску металлорежущего инструмента могло бы коренным образом изменить сложившуюся негативную ситуацию.

В связи с вышесказанным, актуальной научно-технической задачей является поиск способов повышения эффективности процесса магнетронного напыления, что позволит обеспечить распространение данного метода и выпуск конкурентоспособного отечественного металлорежущего инструмента.

Целью работы является разработка технологических мероприятий по повышению эффективности процесса магнетронного напыления упрочняющих ЗБ-нанокомпозитных покрытий путём повышения производительности установки ионно-плазменного магнетронного синтеза упрочняющих покрытий по симплексу скорости осаждения покрытия. ?

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современных подходов к математическому описанию процессов ионно-плазменного синтеза упрочняющих покрытий- *.

2. Формализация влияния технологических условий осуществления процесса магнетронного распыления на формирование давления газа в вакуумной камере;

3. Разработка математической модели скорости осаждения покрытия;

4. Выполнение оптимизации параметра давления газа по симплексу скорости осаждения покрытия;

5. Разработка программного модуля параметрической оптимизации давления газа под различные условия реализации процессов ионно-плазменного магнетронного синтеза упрочняющих покрытий;

6. Практическая апробация результатов работы.

Общая методика исследований основана на выполнении теоретических исследований с использованием теории газового разряда и молекулярнокинетической теории, а также проведении экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях с использованием системы автоматизированной обработки экспериментальных данных, при этом применялись методы планирования эксперимента и статистической обработки результатов с использованием программных продуктов MathCAD и Microsoft Excel.

Достоверность полученных результатов обеспечивается за счёт использования признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, а также корректного применения современных методов обработки экспериментальных данных, реализуемых с помощью программного продукта Microsoft Excel.

Научная новизна заключается в разработанном автором способе повышения эффективности процесса магнетронного напыления за счёт параметрической оптимизации давления газа в вакуумной камере магнетронной установки по симплексу скорости осаждения покрытия, который включает в себя возможность компенсации влияния на процесс случайных изменений технологических параметров и факторов, определяющих качество плазмы за счёт регулирования давления газа в вакуумной камере. В том числе:

— разработана модель комплексного показателя качественного состава плазменной среды, реализующая количественный учёт характеристик процесса напыления и тождественно определяющая показатель, используемый для коррекции давления в вакуумной камере магнетронной установки;

— разработана математическая модель по определению скорости осаждения покрытия в зависимости от физических параметров процесса напыления, учитывающая природу среды «газ — распыляемый материал» и особенности вольтамперных характеристик магнетронной системы, в том числе зависимости показателя эффективности напыления, плотности тока и коэффициента распыления от давления газа в вакуумной камере;

— установлены закономерности взаимосвязи между основными параметрами магнетронной системы (разрядным током и напряжением разряда) и давлением газа в вакуумной камере магнетронной установки по покрытию инструмента;

— разработана методика определения оптимального давления газа по симплексу скорости осаждения покрытия.

Практическая ценность работы состоит в разработанной методике оптимизации давления в процессе магнетронного напыления по симплексу скорости осаждения покрытия, использование которой способствует повышению производительности установки. Разработанная программная база, обеспечивающая автоматизированное получение и использование оптимизационных моделей в различных условиях реализации процессов ионно-плазменного магнетронного синтеза упрочняющих покрытий, может быть использована для повышения эффективности процессов упрочнения металлорежущего инструмента, оснастки, деталей и узлов ГТД.

Автор защищает:

— модель комплексного показателя качественного состава плазменной среды, реализующую количественный учёт качественных характеристик процесса покрытия металлорежущего инструмента;

— теоретико-экспериментальную зависимость скорости осаждения покрытия от физических параметров процесса напыления для конкретных условий;

— технологические мероприятия по повышению эффективности процесса магнетронного напыления упрочняющих 3£)-нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были внедрены на предприятии ОАО «Русская механика». За счёт применения полученных износостойких покрытий при осуществлении операций зубообработки стойкость металлорежущего инструмента была повышена в 1,9.2,0 раза, при этом шероховатость обработанной поверхности (по параметру Яа) была уменьшена в 1,3 раза, экономический эффект (в виде сокращения себестоимости операции напыления упрочняющих 3£>-нанокомпозитных покрытий) от внедрения технологических мероприятий составил 25%. Кроме того результаты работы были включены в учебный процесс кафедры «Резание материалов. Станки и инструменты имени С. С. Силина», а также использовались при выполнении государственного контракта с ГК «Роснанотех» по созданию программы опережающей профессиональной переподготовки кадров в области разработки и получения наноструктурированных покрытий режущего инструмента. Автор работы является сотрудником малого инновационного предприятия ООО «Пико» открытого в рамках ФЗ-217 РФ.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: «5-й Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых» (Уфа, 2010), организаторУГАТУВсероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок» (Рыбинск, 2010), организаторРГАТА им. П. А. СоловьёваВсероссийской Конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2011), организатор — МГТУ им. Н. Э. БауманаВсероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2011), организатор — УГАТУ- «Национальной научно-технической конференции» (Москва, 2011), организатор — Союз Машиностроителей России (работа награждена дипломом за второе место) — Региональном конкурсе «Молодость — Эрудиция. Стимул — Инновация» (Ярославль,.

2011), организатор — Департамент экономического развития Ярославской области- «7-ой Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых» (Уфа,.

2012), организатор — УГАТУМеждународной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2012), организатор — ВоГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 из них в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка использованных источников из 87 наименований, а также пяти приложений. Общий объем работы 196 страниц, диссертация содержит 47 рисунков, 31 таблицу и 92 формулы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. На основании выполненного анализа математического описания и практической специфики ионно-плазменного магнетронного метода синтеза упрочняющих покрытий установлено, что наиболее рациональным способом повышения эффективности процесса магнетронного напыления является параметрическая оптимизация давления газа по симплексу скорости осаждения покрытия, предусматривающая учёт влияния на процесс случайных изменений технологических параметров и факторов, определяющих качество плазмы.

2. Математическое описание механизма взаимосвязи величины рабочего давления и качества плазмы (наличия газовых примесей) в процессе магнетронного напыления, выраженное в виде математической модели комплексного показателя качественного состава плазменной среды, позволяет реализовать количественный учёт качественных характеристик процесса" нанесения покрытия. Данный показатель, отражающий полноту соответствия комплекса качественных характеристик процесса напыления эталонному комплексу условий, является корректором величины давления газа в камере лабораторной установки ионно-плазменного магнетронного напыления.

3. Полученная теоретико-экспериментальная зависимость скорость осаждения покрытия от физических параметров процесса напыления для установки «итсоШ 400» позволяет рассчитать оптимальные значения давления газа, соответствующие максимальной скорости осаждения покрытия.

4. Параметрическая оптимизация давления газа в вакуумной камере установки магнетронного напыления по симплексу скорости осаждения покрытия с учётом конкретных условий выявила необходимость увеличения давления газа при снижении разрядного тока с целью достижения максимально возможной скорости осаждения.

5. Практическая реализация мероприятий по оптимизации давления газа в процессе магнетронного напыления показывает сокращение затрат времени на осуществление технологического цикла напыления покрытия при стабильности качества получаемых покрытий. Для рассматриваемых условий сокращение продолжительности технологического цикла составило 23.29%, при этом относительный экономический эффект от внедрения оптимизационных мероприятий составил 25%.

6. Внедрение результатов исследования на производстве подтвердило рациональность оптимизации давления в технологических процессах нанесения покрытий при упрочнении металлорежущего инструмента, используемого на современных отечественных машиностроительных предприятиях.

7. Подготовленный программный модуль обеспечивает автоматизированное получение и использование оптимизационных моделей в различных условиях реализации процессов ионно-плазменного магнетроннош синтеза упрочняющих покрытий.

8. Разработанные технологические мероприятия по повышению эффективности магнетронного напыления упрочняющих ЗЛ-нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента дают возможность в производственных условиях повысить производительность магнетронных установок за счёт регулирования давления газа в камере.