На правах рукописи

Панин Виталий Вячеславович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗМЕРНОЙ

И ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ И ИНСТРУМЕНТА

ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ

НЕЙТРАЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ

05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки 05.02.08 – Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2011

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Метель Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Верещака Анатолий Степанович кандидат технических наук, доцент Локтев Дмитрий Абрамович

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт точного машиностроения» (ОАО НИИТМ), г. Зеленоград.

Защита состоится « 27 » декабря 2011 года в часов на заседании диссертационного совета Д.212.142.01 ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127944, Москва, Вадковский пер., д. 3а.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения (организации), высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д.121.142.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан « 25 » ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Волосова М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Большой проблемой в современном машиностроении является создание профилированных углублений (пазов) с требуемыми параметрами качества на плоских поверхностях изделий, изготовленных из сверхтвердых керамических материалов.

Одним из основных элементов бесконтактного торцового уплотнения вала компрессора является кольцо, имеющее на своей плоской рабочей поверхности газодинамические канавки (каналы). Профилированные канавки работают на эффекте использования вязких свойств газа. При перемещении поверхностей друг относительно друга, канавки обеспечивают нагнетание газовой среды и повышение давления в зазоре между поверхностями колец, а это приводит к их устойчивому разделению. Несущая способность газового слоя сильно зависит от формы (очертаний) и точности изготовления газодинамических канавок. Допуски на отклонение размеров такого профиля по глубине, как правило, не превышают ~ 10 % от номинальных значений, которые для глубины канавок составляют от нескольких единиц до нескольких десятков микрометров.

Создание в «сухих» газовых уплотнениях (СГУ) сверхмалых рабочих зазоров ~ 10 мкм и наличие в них сухого трения в момент пуска и остановки требует выбора соответствующего материала для их изготовления. Применяемые для создания вращающихся колец уплотнений с газовой смазкой материалы (оксид алюминия, нитрид кремния, карбид кремния) обладают повышенной твердостью и стойкостью к агрессивным средам. Поэтому механические и химические (жидкостные) методы формирования канавок с заданной конфигурацией малоэффективны. В настоящее время широко используют новые высокоэффективные технологии обработки, такие как электроэрозионная, электроннолучевая, ионно-лучевая, лазерная, а также обработка быстрыми нейтральными атомами и молекулами. В отличие от методов механической лезвийной обработки они базируются на иных физических механизмах диспергирования материала заготовки, позволяющих без износа инструмента обрабатывать любой материал независимо от его механических свойств.

Для изготовления газодинамических канавок на поверхности подвижного уплотнительного кольца из керамики можно использовать технологию «сухого»

физического травления через прорези (окна) в маске. В этом случае поверхностные атомы обрабатываемого материала выбиваются с поверхности под воздействием налетающего на нее потока ионов или быстрых атомов.

Для распыления диэлектрической поверхности необходим источник пучка ионов или быстрых нейтральных атомов с поперечным сечением, превышающим ее размеры. Сечение пучка известных ионных источников с термоэмиссионными катодами позволяет обрабатывать металлические поверхности диаметром до 500 мм.

Однако при травлении диэлектрической поверхности осаждение на катодах и других электродах такого источника пленок диэлектрического материала, поступающего в него через ускоряющие сетки, сразу приводит к выходу источника из строя. Осаждение диэлектрических пленок на эмиссионной сетке и холодном полом катоде источника быстрых нейтральных атомов и молекул также приводит к выходу его из строя.

Пленки вызывают пробои между этими электродами и плазменным эмиттером источника, следующие друг за другом с высокой частотой, и приводят к выходу из строя системы дугозащиты источников электропитания.

Таким образом, разработка и исследование новых принципов и технологий изготовления фасонных канавок с требуемыми параметрами качества и в установленном производственной программой количестве на плоских поверхностях изделий машиностроения из керамических материалов с помощью источников быстрых нейтральных атомов и молекул является актуальной задачей. Кроме того, технологии обработки такими источниками можно использовать не только для размерной, но и для поверхностной обработки режущих инструментов из различных материалов, например, ионной химико-термической обработки, нанесения покрытий и комбинированной обработки инструмента, включающей предварительное упрочнение его поверхностного слоя и последующее осаждение на него сверхтвердого покрытия.

Цель работы заключается в повышении эффективности травления канавок различного профиля в деталях из керамических материалов и поверхностной упрочняющей обработки режущих инструментов на основе разработки и применения источника быстрых нейтральных атомов и молекул и выбора рациональных условий обработки.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ применяемых в машиностроении форм газодинамических канавок и предъявляемых к ним требований по качеству изготовления для надежной эксплуатации бесконтактных газовых уплотнений валов компрессоров.

2. Разработан, изготовлен и апробирован источник быстрых нейтральных атомов аргона, способный беспрерывно в течение нескольких часов травить фасонные углубления глубиной в несколько десятков микрометров на поверхности твердых диэлектрических материалов.

3. Установлены и исследованы основные факторы (условия) процесса «сухого»

физического травления, оказывающие влияние на производительность и параметры качества создаваемых газодинамических канавок.

4. Разработана технология травления фасонных газодинамических канавок на плоской поверхности уплотнительных колец из керамики с требуемыми параметрами качества с помощью источника быстрых нейтральных атомов аргона.

5. Исследованы процессы ионного азотирования и нанесения покрытий на инструменты из быстрорежущей стали и установлено влияние бомбардировки ионами из плазмы в процессе обработки на микрогеометрию режущей части.

6. Разработана технология азотирования и нанесения покрытий на инструмент из быстрорежущей стали в плазме, получаемой ионизацией газа пучком быстрых нейтральных молекул азота, в результате которой не происходит увеличения радиуса округления режущей кромки по сравнению со значением данного параметра, достигаемого при использовании традиционных технологий.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов теории резания, теории прочности, материаловедения, а также основных положений технологии машиностроения и физики плазмы.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях по стандартным и оригинальным методикам с использованием аттестованных приборов и контрольно-измерительной аппаратуры. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ЭВМ с использованием стандартного программного обеспечения.

Научная новизна состоит в:

- разработанных и экспериментально подтвержденных методиках физического травления газодинамических канавок различного профиля в деталях из керамических (диэлектрических) материалов с использованием источника быстрых нейтральных атомов аргона, обеспечивающего создание профилированных углублений глубиной более 0,02 мм с требуемыми показателями качества;

- установленных взаимосвязях между показателями качества фасонных газодинамических канавок на плоской поверхности изделий, изготовленных из сверхтвердых диэлектрических материалов, и технологическими режимами процесса травления – энергией ускоренных нейтральных частиц, их эквивалентным током и расстоянием от эмиссионной сетки источника до подложки.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработанной конструкции источника широких пучков быстрых нейтральных атомов и молекул, способного длительное время распылять диэлектрические материалы и получать пучки быстрых молекул химически активных газов;

- разработанной технологии изготовления спиральных газодинамических канавок на поверхности подвижного уплотнительного кольца из -корунда глубиной до 20±0,5 мкм, с шероховатостью Ra 0,4 мкм.

- разработанной технологии комбинированной обработки инструмента, включающей предварительное азотирование и последующее осаждение сверхтвердого покрытия с нагревом инструмента пучком быстрых нейтральных молекул в плазме, получаемой ионизацией газа в камере быстрыми молекулами. В результате такой обработки не происходит увеличения радиуса округления режущей кромки по сравнению со значением данного параметра, достигаемого при использовании традиционных технологий, предусматривающих нагрев инструмента ионами из плазмы, ускоренными подаваемым на инструмент отрицательным напряжением.

Апробация и реализация результатов диссертации. Работа выполнялась в рамках государственного контракта с Минобрнауки России № 02.740.11.0129 от 15.06.2009г. «Проведение коллективом научно-образовательного центра «Центр физико-технологических исследований» работ по созданию и практической реализации технологий и оборудования для высокопроизводительного травления сложнопрофильных углублений в изделиях из композиционных и керамических материалов широким пучком быстрых атомов» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Результаты работы удостоены бронзовой медали и диплома Международного салона изобретений – «Конкурс Лепин» в г. Париже в 2011 году и серебряной медали XIV Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД - 2011».

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 63-ей конференции по газовой электронике и 7-ой Международной конференции по химически активной плазме (Париж, 2010), на Международной конференции «Технология материалов, применяемых в энергетике» (Манчестер, 2010), на 10-ой Международной конференции по модификации материалов пучками ускоренных частиц и потоками плазмы (Томск, 2010), на Научной сессии МИФИ-2009 (Москва, 2009), 47-ой и 49-ой Международных научных студенческих конференциях «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2009 и 2011), 10-ой Международной научно-технической конференции по качеству машин (Брянск, 2011) и на Совместной сессии и выставке-ярмарке перспективных технологий (Орск, 2011).

Публикации. Основные результаты исследований изложены в 16 печатных работах, среди которых 7 – в реферируемых журналах из перечня ВАК. Список основных публикаций по теме диссертационной работы приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы с общим объемом 133 страницы, содержит 69 рисунков и 5 таблиц. Список цитируемой литературы включает 62 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, цель, научная новизна и практическая ценность работы. Излагается краткое содержание диссертации, и формулируются выносимые на защиту научные положения.

Первая глава содержит обзор литературных данных по источникам широких пучков ионов и быстрых нейтральных молекул, используемых для травления спиральных газодинамических канавок в керамических уплотнительных кольцах и азотирования инструментов из быстрорежущей стали.

Основным элементом уплотнительной ступени бесконтактного торцового газового уплотнения, общий вид которого представлен на рис. 1, является уплотнительная пара: седло 1 и торец 4. Торец 4 Рис. 1. Общий вид бесконтактного (подпятник), изготавливаемый из высоко- компрессора газоперекачивающего качественного графита с антифрикционными пропитками, подвижен в осевом направлении, закреплен внутри корпуса 3 (патрона) от проворота фиксатором из нержавеющей стали 5 (статорной втулкой). Набором пружин 6 он прижимается к вращающемуся седлу 1 (пяте), изготовленному из твердого износостойкого материала, закрепленному с помощью роторной втулки (обоймы) на валу компрессора. Седло 1 в осевом направлении неподвижно. Кольца из фторуглеродистого эластомера 8 уплотняют зазоры между деталями.

До настоящего времени для изготовления вращающихся колец применялись различные твердые износостойкие проводящие материалы, такие как быстрорежущая сталь Р6М5 и твердый сплав ВК6. Однако повышение требований по производительности привело к быстрому износу и разрушению рабочих поверхностей седел, изготовленных из этих материалов. В настоящее время в качестве материала для создания вращающихся уплотнительных колец пытаются применять технические керамики, такие как оксид алюминия Al2O3, карбид кремния SiC и нитрид кремния Si3N4. Данные материалы имеют повышенную сопротивляемость основным видам износа, возникающим при работе СГУ (механический и молекулярно-механический).

На рабочей торцовой плоской поверхности вращающегося кольца 1 выполнены углубления (канавки) сложной формы 2 глубиной от нескольких единиц до десятков микрометров. Форма этих канавок чрезвычайно разнообразна (рис. 2). В настоящее время наиболее часто для уплотнения валов компрессоров в нефтедобывающей, химической и нефтехимической отраслях применяются стандартные спиральные (винтовые) канавки одностороннего действия, а также альтернативные Т-образные (по сравнению с традиционными жидкостными уплотнениями), сравнительно небольшие отклонения формы смазочного 2 зазора от номинальной приводят к значительному ухудшению характеристик уплотнения (снижение несущей способности, повышенный расход газа, подаваемого на смазку и т.д.). Поэтому требуется Рис. 2. Виды газодинамических канавок. глубине, как правило, не превышают нереверсивного уплотнения, 3 – канавка реверсивного уплотнения скольких единиц до нескольких десятков Получение углублений сложной формы с требуемыми параметрами качества на плоской поверхности изделий, изготовленных из материалов повышенной твердости и износостойкости, является сложной технической задачей. Исследованию использования уплотнительных колец с газодинамическими канавками посвящены работы В.Н. Дроздовича, С.В. Пинегина, А.В. Емельянова, Э. Майера, К. Грессема и др.

Изготовлению газодинамических канавок посвящены работы А.И. Григорова, А.П.

Семенова, Н.А. Воронина, К.А Захарова, А. Батлера и др.

В настоящее время существует несколько способов создания микроканавок:

механический, химический (электрохимический), лазерный, обработка потоком абразивных частиц. К недостаткам этих методов стоит отнести невысокую точность, трудность получения канавок сложной формы, появление в некоторых случаях остаточных напряжений, дороговизну оборудования.

«Сухое» физическое травление поверхностей посредством бомбардировки их через окна в маске (шаблоне), накладываемой предварительно на обрабатываемую поверхность, ионами высокой энергии является, по существу, единственно приемлемым методом создания углублений сложной формы с требуемыми параметрами качества. Если обрабатываемый материал является проводником, можно использовать плазменно-иммерсионное травление с подачей напряжения отрицательной полярности на изделие, погруженное в плазму. В этом случае все напряжение сосредоточено в слое положительного объемного заряда между плазмой и поверхностью обрабатываемого изделия. Оно ускоряет бомбардирующие поверхность ионы, вытягиваемые из плазмы, до энергии, соответствующей разности потенциалов между плазмой и поверхностью изделия. Если обрабатываемый материал является диэлектриком, то создать разность потенциалов с помощью источника постоянного напряжения между плазмой и поверхностью изделия невозможно. В этом случае для обработки нужно использовать широкий пучок ионов или быстрых нейтральных молекул.

Для травления газодинамических канавок в керамических материалах целесообразно использовать источники пучков быстрых молекул (БНМ), в которых плазменный эмиттер ионов получают при давлении газа около 0,1 Па с помощью тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов в ловушке, образованной холодным полым катодом и эмиссионной сеткой с отрицательным относительно катода потенциалом. В этих источниках для поддержания достаточной электропроводности поверхности используемых в них холодных полых катодов внутренняя поверхность единственной эмиссионной сетки источника с геометрической прозрачностью 75 – 80 % непрерывно распыляется ионами, ускоряемыми в слое между ней и плазменным эмиттером. Поэтому кроме поступающего через отверстия сетки материала обрабатываемого изделия на катоде непрерывно осаждаются атомы металла. В большинстве источников БНМ сетки изготовлены из листа титана толщиной до 3 мм, а диаметр отверстий в сетках составляет от 2 мм до 8 мм. При распылении сетки толщиной 3 мм со скоростью до 5 мкм/ч источник может травить диэлектрические материалы не менее 500 часов, после чего сетку, отработавшую свой срок, заменяют новой сеткой.

В случае травления диэлектрических материалов количество стимуляторов катодных пятен на холодном полом катоде и на эмиссионной сетке резко возрастает. В результате частота пробоев между этими электродами и плазмой может превысить максимально допустимую частоту срабатывания устройства защиты от катодных пятен, что приводит к выходу источников питания из строя.

Поэтому для травления с требуемыми параметрами качества диэлектриков целесообразно применять источник быстрых нейтральных молекул с полым катодом и сеткой в виде наборов отдельных элементов, изолированных электрически друг от друга. Их можно соединить с источниками питания через индивидуальные резисторы, ограничивающие ток в цепи каждого элемента величиной, меньшей минимального тока горения дуги. В таком источнике при пробое диэлектрической пленки на поверхности отдельного элемента зажигания дуги не происходит. Разность потенциалов между плазмой и этим элементом лишь на короткое время снижается от сотен и тысяч до десятков вольт, но это не влияет на работу источника пучка.

С помощью такого источника пучка можно также получать в рабочей вакуумной камере однородную плазму химически активных газов, например, кислорода, азота и др. Это позволит азотировать режущий инструмент из быстрорежущей стали в плазме несамостоятельного тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов, поддерживаемого пучком быстрых молекул азота. В результате улучшатся физико-механические свойства поверхностного слоя инструментального материала, а также не произойдет увеличения радиуса округления режущей кромки.

Во второй главе представлено оборудование, используемое для проведения экспериментальных исследований в соответствие с целью и задачами работы.

На рис. 4 показан общий вид источника широкого пучка круглого сечения быстрых нейтральных молекул. Устройства данного типа часто применяются в вакуумных технологиях для очистки поверхностей от загрязнений, сопровождения осаждения покрытий, нагрева изделий и др.

Для изучения процессов размерной и поверхностной обработки деталей машин и инструментов был создан лабораторный стенд (рис. 5). Источник быстрых нейтральных молекул 15 крепится к присоединительному фланцу цилиндрической вакуумной технологической камеры 11 диаметром 0,5 м и длинной 0,5 м. Для управления исполнительными элементами стенда и контроля состояния рабочей среды в вакуумной камере используется стойка управления 1.

Для электропитания источника и управления технологическим процессом применяется стойка питания 6. Для подачи рабочего газа из баллонов 13, 14 в вакуумную камеру используется натекатель 10.

На рис. 6а представлена фотография Рис. 4. Общий вид источника быстрых источника пучка круглого сечения диаметром ~ 200 мм, а на рис. 6б – фотография его секционированного полого катода после длительной эксплуатации. Из двенадцати Г-образных секций катода половина – внутренние секции, охватываемые шестью внешними секциями. В центре дна полого катода расположен дисковый анод диаметром 30 мм. Эмиссионная сетка источника состоит из шести изолированных друг от друга секторов с отверстиями диаметром 4, мм на расстоянии 5 мм между их центрами.

Деление полого катода и сетки (рис. 6б) на отдельные элементы и секции позволяет значительно упростить электропитание источника при использовании его для травления фасонных углублений в непроводящих керамиках.

Если каждый катодный элемент соединить с источниками питания через индивидуальные резисторы, то ток дугового разряда с катодными пятнами на изготовленных из титаРис. 5. Общий вид лабораторного стенда.

на полом катоде и сетке не превысит 2 А. Это меньше порогового тока устойчивого горения дуги, и поэтому катодные пятна дуги на титановых электродах распадаются через доли микросекунды после возникновения.

Кроме того, при секционировании электродов можно использовать в качестве источников питания простейшие выпрямители с регулируемым напряжением на первичных обмотках повышающих трансформаторов, что значительно снижает стоимость и повышает надежность электропитания источника пучка и его управления.

Рис. 6. Фотографии источника пучка круглого сечения диаметром 180 мм с секционированной эмиссионной сеткой (а) и его полого катода Проведенные испытания опытного образца подтвердили возможность его длительной непрерывной эксплуатации при мощности пучка до 4 кВт. При давлении аргона в рабочей камере 0,2 Па, токе пучка 0,8 А и ускоряющем напряжении 3 кВ источник работал непрерывно в течение 6 часов. Визуальный контроль через кварцевое окошко на противоположной двери камеры показал, что при стационарной мощности пучка 3 кВ х 0,8А = 2,4 кВт анод источника нагревается до красного свечения. Наблюдается также свечение центральных участков сеточных элементов. Отсутствие свечения катодных элементов свидетельствует о том, что их температура, во всяком случае, меньше 500 оС.

После выключения источника на противоположной двери вакуумной камеры на расстоянии 0,7 м от эмиссионной сетки источника был обнаружен протравленный за 6 часов быстрыми атомами аргона отпечаток диаметром 450 мм. Полученный результат может свидетельствовать о возможности травления газодинамических канавок на поверхности, диаметр которой в 2 раза превышает диаметр эмиссионной поверхности сетки источника пучка.

В третьей главе представлены результаты измерений пространственного распределения скорости травления металлов в камере с помощью источника без секционирования электродов, который формирует пучок диаметром ~ 200 мм с током до 0, А быстрых атомов аргона с энергией до 4 кэВ.

В этом источнике электростатическая ловушка образована цилиндрическим полым катодом 1 диаметром 210 мм и глубиной 90 мм (рис. 7), в центре которого установлен анод 2 диаметром 28 мм, и плоской сеткой 3 из листа титана толщиной 2 мм с заключенными внутри окружности диаметром мм отверстиями 4 диаметром 4,6 мм на расстоянии 5 мм между их центрами. Расстояние от сетки 3 до противоположной стенки камеры 5 составляет 0,7 м. Энергия пучка соответствует напряжению источника питания 6, а его ток регулируется изменением напряжения источника 7 питания разряда, образующего плазменный эмиттер 8. Ускоренные в слое 9 между эмиттером 8 и сеткой 3 ионы 10 через Рис. 7. Схема источника пучка быстрых отверстия 4 попадают в плазму 11 в камере 5, где при столкновениях с атомами газа 12 превращаются в быстрые нейтральные атомы 13. Из-за кривизны поверхности плазменного эмиттера 8 и сильной неоднородности электрического поля у поверхности сетки 3 вектор ускоренных частиц в камере имеет заметный угловой разброс.

Пространственное распределение их угла расходимости и углового разброса определялось по диаметру и расположению отпечатков на медной фольге 20 быстрых атомов, прошедших через отверстия в пластине 19. Для определения пространственного распределения скорости травления металлов в камере на разных расстояниях от сетки устанавливались полированные металлические полосы шириной 26 мм и длиной 300 мм. На них в ряд с шагом 20 мм располагались цилиндрические маски из оксида алюминия (рис. 8). Мишень с масками обрабатывалась в течение 0,5 – 5 часов при постоянном токе и энергии пучка. После снятия масок с обработанной мишени по профилограммам, полученным с помощью скретч-тестера MST50-227, измеряли высоту ступенек между распыленными и закрытыми масками участками поверхности на разных расстояниях от центра мишени. Скорость травления получали делением высоты ступени на время обработки. Измерения скорости травления образцов из меди, алюминия, стали, титана, карбида кремния и оксида алюминия показали, что она во всех случаях пропорциональна как току, так и энергии пучка. При равной мощности пучка она для указанных материалов максимальна для меди и минимальна для оксида алюминия.

На рис. 9 представлены радиальные распределения скорости v травления медной поверхности при давлении 0,2 Па на расстоянии x от эмиссионной сетки источника 0,2 м и 0,4 м. На расстоянии x = 0,2 м при энергии пучка 3 кэВ и токе 0,4 А падает в 2 раза и далее быстро снижается до 1 мкм/ч на расстоянии от оси R = 120 мм.

При уменьшении энергии пучка в 2 раза и увеличении его тока также в 2 раза мощность пучка не изменяется, однако распределение v(R) расширяется (штриховая кривая 1). Увеличение диаметра зоны однородного травления поверхности при постоянной мощности пучка можно объяснить повышением углового разброса прошедших через отверстия сетки частиц при одновременном снижении угла их расходимости.

С увеличением расстояния от сетки до x = 0,4 м диаметр зоны однородного травления пучком с энергией 3 кэВ и током 0,4 А (сплошная кривая 2), заметно возрастает. Это обусловлено как расходимостью пучка, так и угловым разбросом проходящих через сетку ускоренных частиц. На расстоянии от сетки 0,4 м увеличение углового разброса атомов и одновременное уменьшение также приводит к заметному Рис. 9. Зависимости скорости травления медной поверхности на расстоянии от пучка.

эмиссионной сетки источника 0,2 м (1) и 0,4 м (2) пучком с энергией 3 кэВ и током 0,4 А Четвертая глава посвящена (сплошные кривые), а также с энергией 1,5 кэВ диэлектрических материалов с помощью источников быстрых нейтральных молекул с секционированными электродами. Для высокопроизводительной обработки образцов, изготовленных из диэлектрических керамик, необходимо, чтобы источник быстрых молекул непрерывно функционировал в течение 4 и более часов. При этом распыляемый с подложек материал поступает в полый катод, где осаждается на электродах.

Формируемые непроводящие покрытия на поверхностях катода и эмиссионной сетки являются стимуляторами катодных пятен. Поэтому для травления диэлектриков целесообразно применять источник быстрых нейтральных молекул с полым катодом и сеткой в виде наборов отдельных элементов, изолированных электрически друг от друга, описанный во второй главе.

Для определения пространственного распределения скорости травления металлов в камере использовалось устройство, показанное на рис. 8. На рис. 10 сплошная кривая демонстрирует радиальное распределение скорости травления подложки из коррозионно-стойкой стали пучком с энергией 3 кэВ и током 0,4 А при давлении аргона 0,2 Па на расстоянии 0,2 м от эмиссионной сетки источника. Оно отличается крайней неоднородностью и даже немонотонностью. Для сравнения на рис. 10 представлено штрихпунктирной кривой распределение скорости травления подложки описанным в третьей главе точно таким же источником, но без секционирования сетки.

С помощью описанного в третьей главе устройства для измерения углового разброса и угла расходимости ускоренных атомов было установлено, что азимутальную однородность распределения по поверхности сетки угловых характеристик прошедших через нее ионов нарушают потоки ионов, прошедших через щелевые зазоры между сеточными секторами. Если распределение угла вылета ионов через отверстие можно считать азимутально-симметричным, то угловой разброс ионов, прошедших через щелевой зазор, максимален в плоскости, перпендикулярной щели.

В плоскости, проходящей через щель, Рис. 10. Радиальное распределение скорости он снижается почти до нуля.

Таким образом, секционирование круглой сетки, обеспечивающее работоспособность источника в условиях интенсивного загрязнения электродов материалом, распыляемым с поверхности диэлектрических подложек, приводит к азимутальной неоднородности пучка. Поэтому для достижения монотонного радиального распределения скорости травления подложки источником с секционированной круглой сеткой необходимо вращать подложку вокруг оси, совпадающей с осью источника.

для травления подложек, вращающихся с частотой 8 об/мин. Полученные радиальные распределения скорости травления вращающейся мишени из коррозионно-стойкой стали Рис. 11. Установка для травления подложек, источником со сплошной круглой сеткой.

Среди прочих образцов с помощью источника быстрых нейтральных атомов аргона с секционированной сеткой обрабатывались кольца из оксида алюминия диаметром 40 мм. Травление пучком осуществлялось через окна в маске, плотно прилегающей к торцовой поверхности вращающегося кольца. На рис. 12а представлена фотография фасонных канавок, полученных на поверхности подложки в результате травления быстрыми атомами аргона. Обработку проводили в течение 5 ч при давлении аргона в камере 0,2 Па, энергии атомов 3 кэВ и токе пучка 0,8 А.

На фотографии указана также линия перемещения щупа скретч-тестера по оси y при снятии профилограммы поверхности, представленной на рис. 12б. Глубина полученных канавок равна 16 мкм. Шероховатость дна канавок выше, чем у полирована б Рис. 12. Фасонные канавки на поверхности подложки из оксида алюминия (а) ной поверхности подложки, которая во время травления была закрыта маской. Тем не менее, обусловленный шероховатостью разброс глубины канавок значительно меньше допустимой при их изготовлении величины ± 10%. Скорость травления оксида алюминия быстрыми атомами аргона с энергией 3 кэВ составила 3,2 мкм/ч, что в раза меньше скорости травления подложки из коррозионно-стойкой стали 13 мкм/ч на том же расстоянии от сетки и при том же токе пучка 0,8 А.

Пятая глава посвящена поверхностной обработке инструмента (азотированию и нанесению покрытий) в плазме, получаемой в результате ионизации газа пучком быстрых нейтральных молекул азота, которые нагревают инструмент до температуры эффективной термодиффузии азота в его поверхностный слой.

На рис. 13 представлена схема экспериментальной установки. Источник пучка круглого сечения быстрых нейтральных молекул с полым катодом 2, анодом 3 и эмиссионной сеткой 4 установлен на фланце вакуумной камеры 1 диаметром 0,5 м.

Площадь внутренней поверхности камеры S = 1,46 м2, ее объем – V = 0,118 м3. В камеру введен плоский зонд 5 толщиной 0,5 мм, шириной 10 мм и высотой 20 мм, который можно перемещать внутри камеры как вдоль, так и поперек ее оси. В центре камеры расположен вращающийся стол 7 для обрабатываемых изделий 8. На верхнем фланце камеры установлен ввод напряжения 22, а на расстоянии ~ 150 мм от фланца подвешен плоский электрод 23 с площадью поверхности 0,03 м 2.

При подаче ускоряющего напряжения 1–4 кВ от источника питания 18 между анодом 3 и сеткой 4, а также напряжения в несколько сотен вольт от источника питания разряда 19 между анодом 3 и полым катодом 2 при давлении азота 0,2 – 1 Па зажигается тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов, и в катодной полости появляется однородное свечение плазменноРис. 13. Схема обработки в плазме го эмиттера 10. Ускоренные в слое 16 положительного объемного заряда между эмиттером 10 и сеткой 4 ионы 9 через отверстия сетки попадают в плазму 6, где при столкновениях с молекулами газа 12 превращаются в быстрые нейтральные молекулы 13.

При протекании тока поступающих на стенки камеры 1 медленных ионов через резистор обратной связи 15 сопротивлением 3 кОм на сетке 4 индуцируется отрицательный потенциал 100–200 В, исключающий проникновение электронов из плазмы 6 в плазменный эмиттер 10. Поэтому все образованные в камере 1 электроны вместе с инжектированными в камеру и образованными в ней ионами поступают на ее стенки. Энергия влетающих в камеру 1 ионов 9 и быстрых молекул азота 13 равна величине, соответствующей измеряемому киловольтметром 11 напряжению между анодом 3 и камерой 1. Эквивалентный ток пучка Ib можно принять равным измеряемому амперметром 17 току ионов 9, покидающих поверхность плазменного эмиттера 10 в сторону сетки, помноженному на ее геометрическую прозрачность 0,8. От источника 24 на погруженный в плазму 6 электрод 23 можно подавать напряжение U положительной полярности, измеряемое вольтметром 25.

Измерение параметров плазмы 6 (рис. 13) с помощью зонда 5 показало, что ее концентрация максимальна на расстоянии ~ 0,1 м от эмиссионной сетки 4, где в результате перезарядки образуются медленные ионы 14. Пространственный заряд ионов 14 нейтрализуют электроны, эмитируемые стенками камеры в результате их бомбардировки быстрыми молекулами 13. С ростом давления, эквивалентного тока и энергии молекул 13 благодаря ионизации ими газа концентрация плазмы многократно возрастает. В области прохождения пучка она в несколько раз выше, чем у стенок камеры.

Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов между погруженным в плазму 6 анодом 23 и камерой 2 позволяет существенно повысить концентрацию плазмы 6 и снизить неоднородность до ~ 10 %.

Рис. 14. Схемы травления режущего инструмента, погруженного в однородную азотную плазму, ионами, вытягиваемыми из нее и ускоряемыми в слое положительного объемного заряда между ними (слева), а также широким пучком быстрых нейтральных молекул (справа).

4 – слой положительного объемного заряда; 6 – быстрые нейтральные молекулы.

На устройстве вращения 7 (рис. 13) были установлены десять изолированных от камеры режущих пластин 8 из стали Р6М5 с исходной микротвердостью 950HV и средним радиусом режущей кромки 21 ± 3 мкм. При давлении азота 0,5 Па, напряжении несамостоятельного разряда 100 В, энергии 4 кэВ и эквивалентном токе пучка от 0,2 до 0,3 А вращающиеся пластины были нагреты пучком до температуры 500 оС и выдерживались при этой температуре в азотной плазме в течение 1 часа. Постоянство температуры в процессе обработки обеспечивалось регулировкой тока пучка. После азотирования микротвердость повысилась в среднем до 1350HV, а так как при травлении пучком толщина снимаемого с режущей кромки слоя такая же, как и на остальной поверхности, радиус округления режущей кромки не увеличился, а напротив снизился примерно на 2 мкм.

Отсутствие затупления режущего инструмента при его азотировании в плазме несамостоятельного тлеющего разряда, поддерживаемого широким пучком быстрых нейтральных молекул, можно объяснить с помощью схемы на рис. 14. При обычном иммерсионном азотировании и подаче на инструмент 1, погруженный в азотную плазму 2 при давлении газа 0,1 – 1 Па, отрицательного напряжения 0,1 – 1 кВ ионы азота вытягиваются из плазмы 2 и ускоряются в слое 4 положительного объемного заряда до энергии 0,1 – 1 кэВ. Ширина слоя превышает 1 мм, и поэтому при радиусе округления режущей кромки инструмента 10 мкм радиус плазменной границы вблизи нее в сотни раз превышает радиус кромки, а плотность тока концентрирующихся на ней ионов в сотни раз больше, чем на других участках поверхности инструмента. В результате скорость распыления кромки ионами в сотни раз выше, чем на других участках, что приводит к удалению с его режущей кромки значительного количества материала и увеличению ее радиуса.

Если же погруженный в активную азотную плазму 2 инструмент 5 изолирован от камеры, то ток в его цепи равен нулю, его отрицательный относительно плазмы плавающий потенциал не превышает 15 В, и энергия ионов из плазмы меньше порога распыления. Поэтому распыляют поверхность лишь быстрые нейтральные молекулы 6, и скорость распыления режущей кромки такая же, как и на других участках поверхности инструмента. При вращении инструмента со всей его поверхности снимается слой материала равной толщины, что приводит к уменьшению радиуса округления режущей кромки, а не к затуплению режущего инструмента.

Рис. 15. Схема измерения радиуса округления режущей кромки на микроскопе.

Измерение радиуса округления режущей кромки проводилось на металлографическом микроскопе. Режущие пластины разрезали с помощью электроэрозионного станка (рис. 15).

Последующий процесс нанесения покрытия также оказывает заметное влияние на микрогеометрические параметры, в частности происходит увеличение радиуса округления режущих кромок инструмента. Это влияет на процесс резания неоднозначно. Как видно из рис. 16, на котором представлены фотографии микрошлифов, радиус округления режущей кромки зуба метчика до обработки и после иммерсионного азотирования с последующим осаждением покрытия из нитрида титана. После азотирования исходный радиус 10 мкм увеличился до 23 мкм, а после осаждения покрытия его величина составила 28 мкм.

Рис. 16. Фотография микрошлифа зуба метчика до (а) и после нанесения покрытия (б).

Экспериментально установлено, что в результате использования источника быстрых нейтральных молекул при азотировании и осаждении покрытий радиус увеличивается только на величину, соответствующую толщине покрытия.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая большое значение для машиностроения, состоящая в повышении эффективности травления канавок различного профиля в деталях из диэлектрических керамических материалов и поверхностной упрочняющей обработки режущих инструментов на основе разработки и применения источника быстрых нейтральных атомов и молекул, а также выбора рациональных условий обработки.

2. Экспериментально показано, что с помощью источника быстрых нейтральных атомов аргона можно изготавливать спиральные газодинамические канавки на поверхности подвижного уплотнительного кольца из -корунда с показателями качества, которые невозможно обеспечить альтернативными способами обработки (точность глубины канавки ±0,5 мкм, а шероховатость ее дна Ra 0,4 мкм).

3. Комплекс проведенных аналитических и экспериментальных исследований показал, что азотирование инструментов из быстрорежущей стали можно проводить в плазме, создаваемой пучком быстрых нейтральных молекул, который нагревает инструмент до температуры 500 ОС без затупления его режущей кромки. В частности, при азотировании в течение часа режущих пластин из стали Р6М5 радиус округления режущей кромки не увеличивается, а наоборот, снижается примерно на 2 мкм, в то время как значение данного параметра при использовании традиционных технологий нагрева инструмента ионами из плазмы, ускоренными подаваемым на инструмент отрицательным напряжением, значительно увеличивается.

4. Разработана оригинальная конструкция и создан опытный образец многофункционального источника быстрых нейтральных атомов и молекул, способного длительное время обрабатывать подложки из любых материалов в условиях интенсивного загрязнения его электродов, а также формировать пучки быстрых молекул химически активных газов. С его помощью можно выполнять размерную обработку деталей из керамических материалов и поверхностную обработку металлорежущих инструментов.

5. Установлено, что при использовании источника пучка быстрых нейтральных атомов с круглой эмиссионной сеткой основными факторами, определяющими распределение скорости травления материалов в пространстве рабочей вакуумной камеры, являются расстояние до эмиссионной сетки и отношение эквивалентного тока пучка к энергии ускоренных частиц. Это позволяет для заданного диаметра подложки, требуемой точности глубины канавок и шероховатости их дна подобрать оптимальное расстояние от сетки источника до обрабатываемой поверхности.

6. Экспериментально показано, что разделение круглой сетки на 6 секций, соединенных с источником ускоряющего напряжения через токоограничивающие резисторы, обеспечивает работоспособность источника в условиях интенсивного загрязнения электродов материалом диэлектрических подложек а также при получении быстрых молекул химически активных газов, но при этом приводит к азимутальной неоднородности пучка и немонотонности радиального распределения скорости травления подложек. Для обеспечения монотонности распределения скорости травления источником с секционированной сеткой необходимо вращать ее в камере вокруг оси пучка.

7. Разработаны технологические рекомендации по выбору рациональных режимов травления канавок различного профиля в деталях из керамических материалов и поверхностной упрочняющей обработки режущих инструментов с использованием источника быстрых нейтральных атомов и молекул.

8. Результаты диссертационной работы предложены для применения на предприятиях машиностроительного профиля и используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» при подготовке магистров по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» в рамках магистерской программы «Технология размерной формообразующей обработки».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В научно-технических журналах из перечня ВАК 1. Панин В.В. Источники широких пучков быстрых молекул с секционированными электродами для обработки деталей машин и инструмента // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. № 4. С. 39 – 42.

2. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В., Источник широкого пучка быстрых атомов, получаемых при перезарядке ионов, ускоряемых между двумя областями, заполненными плазмой // Приборы и техника эксперимента.

3. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Заполнение рабочей камеры технологической установки однородной плазмой с помощью стационарного тлеющего разряда // Физика плазмы, 2009, Т. 35. № 12. – С. 1140 – 1149.

4. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Изготовление канавок износостойкой диэлектрической поверхности с помощью широкого пучка быстрых атомов аргона // Упрочняющие технологии и покрытия, 2010, № 6 – С. 23 – 5. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В., Пономарев А.Н., Прудников В.В. Азотирование режущего инструмента из быстрорежущей стали в плазме, получаемой ионизацией газа широким пучком быстрых нейтральных молекул азота // Вестник МГТУ «Станкин». 2010. № 4. С. 47-53.

6. Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В., Прудников В.В. Несамостоятельный тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов, поддерживаемый пучком быстрых нейтральных молекул // Физика плазмы, 2011, Т.37, № 4. – С. 7. Grigoriev S.N., Melnik Yu.A., Metel A.S., Panin V.V., Prudnikov V.V. Cutting tools nitriding in plasma produced by a fast neutral molecule beam. // Jpn. J. Appl. Phys.

2011. V. 50. No 8. P. 08JG04-1 – 08 JG04-4.

В других изданиях 8. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Формирование широкого пучка быстрых атомов при ускорении ионов между двумя плазмами, разделенными одной сеткой // Научная сессия МИФИ-2009. Сборник докладов. В 3 томах.

Т.1. Ядерная физика и энергетика. М.: МИФИ, 2009. С. 9. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Ускорение ионов между двумя плазмами, разделенными одной сеткой, для получения широкого пучка быстрых атомов // 47-я Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», посвященная 50-летию Новосибирского государственного университета. Сборник докладов. Секция физика. – Н.: НГУ, 2009.

10. Панин В.В. Разработка и создание технологии размерной обработки колец торцовых уплотнений пучком быстрых атомов аргона // Студенческая научнопрактическая конференция «Автоматизация и информационные технологии (АИТ)» МГТУ «Станкин» – 2009. Сборник докладов. – М.: МГТУ «Станкин», 2009. – С. 116 – 117.

11. Панин В.В. Размерная обработка колец торцовых уплотнений с помощью источника быстрых атомов аргона // Итоги диссертационных исследований. Труды II Всероссийского конкурса молодых ученых. – М.: РАН, 2010. – С. 186 – 199.

12. Grigoriev S.N., Melnik Yu.A., Metel A.S., Panin V.V Etching Contoured Grooves on Superhard Dielectric Surface with a Broad Beam of Fast Atoms // 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows: Proceedings. – Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, 2010. – С. 17 – 20.

13. Метель А.С., Панин В.В., Пономарев А.Н., Прудников В.В. Травление газодинамических канавок на плоской торцовой поверхности уплотнительного кольца из -Al2O3 широким пучком быстрых атомов аргона // Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве: материалы Всероссийской научно-практической конференции (11-12 марта 2011.) / отв. ред. А.А. Веселовский.

– Орск: Издательство ОГТИ, 2011. – С. 87.

14. Панин В.В., Пономарев А.Н., Прудников В.В. Использование пучка быстрых нейтральных молекул для поддержания несамостоятельного тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов // Материалы 49-ой Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»:

Физика / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2011. –С.183.

15. Метель А.С., Панин В.В., Пономарев А.С., Прудников В.В. Модификация поверхности деталей иммерсионной ионной имплантацией и азотированием в плазме тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов // Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ – 2011): Сб. тр. 3-й междунар. науч.-техн. конф., г. Брянск, 19 – 20 мая 2011 г./ Под общ. Ред. А.Г. Суслова. – Брянск: Десяточка, 2011. – С.

211-212.

16. Панин В.В. Азотирование металлорежущего инструмента из быстрорежущей стали в плазме несамостоятельного тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов, поддерживаемого пучком быстрых молекул азота // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. Молодых ученых и специалистов (Москва, 28 сентября – 01 октября 2011 г.) / Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – С.35 – 36.