Features of nitriding of the surface of a small-modulus toothed crown in pulsed-periodic gas beam-plasma formation at lo.pdf Введение Эффективным инструментом для решения широкого круга исследовательских и производственных задач является низкотемпературная плазма, генерируемая в различных типах разрядов, в частности в разрядах низкого (≈ 1 Па) давления [1]. Значительный интерес представляют вопросы использования объемных газовых, металлических и газо-металлических плазменных образований, формируемых в разрядах низкого давления для упрочнения поверхности материалов и изделий [2-4]. Техника развивается в направлении создания оборудования с рядом таких улучшенных характеристик, как повышенные (> 0.1 м3) объемы формируемых плазменных образований, высокая степень однородности, широкий диапазон изменения условий генерации и независимое управление ими. Газовые пучково-плазменные образования, генерируемые в газоразрядных системах, характеризуются высокой однородностью формируемой плазмы по объему вакуумной камеры [5]. Благодаря возможности независимой регулировки напряжения горения разряда, начиная от нескольких десятков вольт и до нескольких киловольт, рабочего давления в диапазоне 5∙10-3-1 Па [6], состава газовой смеси, тока тлеющего разряда за счет изменения тока инжектированных электронов из плазмы вспомогательного разряда концентрация ионов в пучково-плазменных образованиях может плавно регулироваться в широчайшем диапазоне 109-1012 см-3. При низком (≈ 10-2-1 Па) давлении вероятность столкновения ионов, ускоренных в слое прикатодного падения потенциала или слое падения потенциала смещения обрабатываемой подложки, с частицами газа очень мала [7]. Благодаря этому плавным изменением величины отрицательного (относительно потенциала анода) потенциала смещения можно плавно изменять энергию бомбардирующих ионов, оценивая с высокой, до нескольких процентов, точностью абсолютную величину энергии ионов. Другой важной особенностью пучково-плазменных образований при концентрациях плазмы ≈ 1012 см-3 является малая ширина слоя прикатодного падения потенциала - доли - единицы миллиметра. Благодаря этому становится возможной эффективная обработка поверхности изделий сложной геометрии и формы, например, деталей мелкомодульных зубчатых передач, используемых в различных приводах и механизмах поворота ответственных узлов. Однако достижение таких высоких значений концентрации плазмы в постоянном режиме горения разряда нецелесообразно ввиду высокой вероятности достижения обрабатываемым изделием неприемлемо высоких температур. Использование импульсно-периодического режима формирования плазмы с регулируемым коэффициентом заполнения импульса позволяет, устанавливая необходимые значения температуры обработки детали, энергии бомбардирующих поверхность ионов, состава рабочей газовой смеси и давления, достигать в разрядных импульсах повышенных, в несколько раз, по сравнению со стационарным режимом, значений концентрации плазмы. В моменты подачи разрядного импульса при формировании плазмы на фронте импульса ширина прикатодного слоя dk плавно уменьшается от максимального значения до минимального, сохраняющегося в течение длительности импульса тока разряда. Это позволяет изменять условия ионно-плазменного воздействия на поверхность изделия в процессе циклического изменения ширины прикатодного слоя, включая и изменение потока ионов на поверхность упрочняемой поверхности. В данной работе исследовалось влияние условий генерации газового пучково-плазменного образования на результаты азотирования деталей сложной геометрии - зубчатых венцов с модулем зуба m = 0.5. Материалы и методы исследования Для проведения исследований использовались образцы из конструкционной стали 38Х2МЮА с зубчатыми венцами, имеющими такие же геометрические размеры, как и у реальных деталей мелкомодульных зубчатых передач (рис. 1). Экспериментальные образцы высотой около 8 мм с количеством зубов 14 характеризовались значением модуля зуба венца m = 0.5 и были изготовлены электроэрозионным методом, при использовании которого на поверхности зуба образуется оксидированный слой с большим количеством дефектов. Данная особенность должна была снизить скорость азотирования и повысить требования к условиям травления поверхности на стадии нагрева изделий. Рис. 1. Экспериментальны образцы - зубчатые венцы с модулем зуба m = 0.5 Азотирование проводилось в газовом пучково-плазменном образовании на специализированной ионно-плазменной установке (рис. 2, а), предназначенной для проведения технологических процессов упрочнения поверхности материалов и изделий. Упрощенная схема используемой в настоящей работе системы генерации пучково-плазменных образований на основе несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления с полым катодом приведена на рис. 2, б. Под пучково-плазменным образованием понимается плазменная среда, основные свойства (состав, однородность) и параметры (концентрация плазмы, температура электронов, потенциал плазмы) которой определяются пучком электронов, инжектируемых в электро-разрядную систему, обеспечивающую зажигание и горение разряда в определенном диапазоне. Пучок электронов, инжектируемый из источника электронов на основе плазменного эмиттера в плазму, формируемую в полом катоде основного тлеющего разряда, ускоряется в прикатодном падении потенциала тлеющего разряда и затем рассеивается в результате первоначального отклонения при инжекции через сетчатый эмиссионный электрод сложной формы, а также ионизации, возбуждения молекул и атомов рабочего газа, упругого рассеивания в кулоновских взаимодействиях. Используемую систему генерации плазмы в сравнении с классическим аномальным тлеющим разрядом отличает возможность работы при более низком, на два порядка, давлении и относительно низкое (100-300 В) напряжение горения основного тлеющего разряда. В такой системе существует возможность генерации стационарной плазмы с концентрацией в диапазоне 109-1012 см-3 при давлении 0.1-1 Па, возможность независимой регулировки такими параметрами, как рабочее давление, ток разряда, энергия ионов на подложку, плотность ионного тока на подложку, состав рабочей смеси. Это позволяет формировать низкотемпературную плазму в больших вакуумных объемах с низкой степенью неоднородности [5]. Более подробное описание ионно-плазменной установки представлено в [8]. Рис. 2. Ионно-плазменная установка для обработки изделий в газовых пучково-плазменных образованиях (а) и схема системы генерации пучково-плазменного образования в несамостоятельном тлеющем разряде низкого давления (б) Оценка влияния повышенной концентрации плазмы производилась по сравнению коэффициента неоднородности толщины азотированного слоя на вершине и в основании зуба при трех различных коэффициентах заполнения разрядного импульса импульсно-периодического разряда - 100, 85 и 50%. Тлеющий разряд горел в азот-аргоновой смеси при рабочем давлении около 0.6 Па и значении отрицательного напряжения смещения образцов -500 В. Частота следования разрядных импульсов в импульсно-периодическом режиме горения составляла 1000 Гц. Стадия очистки и нагрева изделия длилась около 1 ч до достижения температуры образца 460 °С, которая мерилась термопарой на детали с идентичной геометрией. Процесс азотирования шестерни длился 6 ч. После окончания процесса азотирования были изготовлены поперечные шлифы и проведено измерение распределений микротвердости по глубине. Результаты представлены на рис. 3. Оценка неоднородности азотированного слоя на вершине и в основании зуба производилась по значению глубины азотированного слоя, при которой твердость азотированного слоя составляет 850 HV. В таблице приведены измеренные значения толщин азотированного слоя и рассчитанный коэффициент неоднородности, равный отношению отклонения микротвердости от среднего значения (полученного по значениям на вершине и в основании зуба) к ее среднему значению. Режимы азотирования зубчатых венцов № образца Коэффициент заполнения разрядного импульса, % Толщина слоя на вершине зуба, мкм Толщина слоя в основании зуба, мкм Коэффициент неоднородности, % 1 100 85 48 22 2 85 68 60 6 3 50 65 45 15 Рассчитанный коэффициент неоднородности максимален для постоянного режима генерации азот-аргонового пучково-плазменного образования. Степень неоднородности составляет 22%, что почти в 4 раза больше, чем для режима с коэффициентом заполнения разрядного импульса γ = 85%. Предположительно в постоянном режиме горения разряда осуществляется недостаточное травление поверхности в основании зуба. При γ = 50%, судя по малой глубине азотированного слоя в основании зуба, по-видимому, времени воздействия плазмы за импульс на поверхность в этой области недостаточно. На рис. 4 приведено изображение поперечного шлифа азотированного зубчатого венца реального изделия после травления в кислоте для режима обработки с γ = 85%. Как видно из фотографии, толщины азотированного слоя на вершине, боковой части и в основании зуба близки друг к другу. Проведенные исследования взаимосвязи между параметрами плазмы, условиями пучково-плазменного воздействия на поверхность конструкционной стали 38Х2МЮА и толщины азотированного слоя стали после азотирования позволили разработать режимы ионно-плазменной обработки поверхности изделий промышленного производства. Рис. 4. Распределения микротвердости по глубине на вершине и в основании зуба шестерен Заключение Результаты исследований влияния импульсно-периодического режима горения несамостоятельного тлеющего разряда, который обеспечивает циклическое изменение ширины прикатодного слоя и потока ионов на поверхность, позволяют улучшить результаты азотирования деталей сложной геометрии. Сравнительные исследования однородности глубины азотированного слоя на вершине и в основании зуба зубчатых венцов с модулем зуба m = 0.5 показали, что минимальная неоднородность толщины азотированного слоя при обработке в азот-аргоновом пучково-плазменном образовании наблюдается при обработке в импульсно-периодическом режиме горения разряда с γ = 85% и составляет в 4 раза меньшую величину, чем для постоянного режима горения разряда. После азотирования зубчатого венца реального изделия в пучково-плазменном образовании, формируемом в импульсно-периодическом режиме горения разряда с γ = 85%, толщины азотированного слоя на вершине, боковой части и в основании зуба близки друг к другу. По результатам проведенных исследований разработаны и внедрены в производственный процесс АО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнёва» режимы ионно-плазменной обработки поверхности выпускаемого промышленностью изделия из стали 38Х2МЮА.

Скачать электронную версию публикации