Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертационная работа:

Сергеев Александр Евгеньевич. Моделирование технологического процесса магнетронного распыления, обеспечивающего заданные физико-механические свойства нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.02.07 / Сергеев Александр Евгеньевич;[Место защиты: в федеральном государственном бюджетном обра- зовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбин- ский государственный авиационный технический университет имени П.А. Со- ловьева»].- Рыбинск, 2012.- 16 с.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность работы

Современные наноструктурированные покрытия повышают износостойкость инструмента, что позволяет увеличить срок его службы и производить обработку металлов на более высоких скоростях. Улучшение технических характеристик (твердость, вязкость) металлорежущего инструмента с нанокомпо-зитными тонкими пленками приводит к существенному увеличению производительности труда и снижению себестоимости изготавливаемой продукции.

Применение современных защитных тонких пленок позволяет использовать инструмент с нанопокрытями и осуществлять его переточку до 12 раз.

Наибольший потенциал для повышения эксплуатационных свойств металлорежущего инструмента, таких как твердость НВ, прочность ои, теплостойкость Тд, стойкость к истиранию Ти, окислительная стойкость Ток заключается в правильном выборе и расчете свойств химического состава и структуры покрытия для конкретных условий работы, а так же совершенствовании технологии формирования наноструктурированных износостойких покрытий. Эксплуатационные свойства металлорежущего инструмента в основном определяются свойствами наносимых тонких пленок, поскольку именно они взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью.

Одним из способов решения проблемы получения нанокомпозитных покрытий с заданными физико-механическими характеристиками, такими как ин-денторная твердость Н, модуль упругости Е, степень адгезии покрытия к подложке HF и другие, является совершенствование физико-технических процессов их синтеза. Поэтому лидеры по производству металлорежущего инструмента, такие как Sandvik Coromant, Balzers Aerlicon, hear, Mitsubishi, Dormer, Walter, ЗАО «Новые инструментальные решения» и другие, ведут активные разработки в данном направлении.

В настоящее время наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются вакуумные ионно-плазменные технологии. Среди них можно выделить метод магнетронного распыления, поскольку использующийся в нем дрейфовый ток электронов в скрещенных электрическом и магнитном ПОЛЯХ позволяет обеспечить однородность наносимых покрытий на значительных площадях распыления, а также сформировать мелко- и супермелкодисперсные структуры.

Одной из главных проблем нанесения тонкопленочных покрытий на металлорежущий инструмент методом магнетронного распыления является невозможность точно спрогнозировать их состав и структуру, поскольку существует множество факторов, влияющих на свойства получаемого покрытия. Одним из наиболее значимых параметров технологического процесса синтеза нанокомпозитного покрытия является ионная энергия распыляемых атомов.

Изучением ионной энергии и ионных потоков распыляемых атомов занимались многие российские и зарубежные ученые (Григорьев С.Н., Табаков В.П. Верещака А.С, J. Moor, В. Mishra, W.D. Sproul, L. Hultman). Однако большинство работ посвящены исследованию влияния вольт-амперных характеристик на величину ионной энергии и распределение потока ионов, и до настоящего времени не было рассмотрено влияние параметров импульса: частоты импульсов и времени паузы. Контроль за величиной ионной энергии и распределением

ионных потоков распыляемых атомов растущих тонких пленок за счет варьирования частотных характеристик может использоваться для моделирования и совершенствования структуры и свойств пленки с заданными физико-механическими характеристиками покрытия и интенсификации процесса маг-нетронного распыления. Необходимо определить, какое именно воздействие частота импульсов и время паузы оказывают на физико-механические характеристики получаемых высококачественных покрытий. Исходя из этого, была сформулирована цель работы.

Цель работы: Разработка механизма моделирования технологического процесса магнетронного получения нанокомпозитных пленок на металлорежущем инструменте, обеспечивающего его заданные физико-механические характеристики, путем управления импульсными параметрами плазмы.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

  1. Выявить наиболее эффективные магнетронно-распылительные системы, позволяющие обеспечить заданное значение ионной энергии, при нанесении нанокомпозитных покрытий на металлорежущий инструмент.

  2. Получить математические модели определения потока ионов в плазме и их распределения в процессе синтеза тонких пленок, на основе которых разработать механизм моделирования технологического процесса магнетронного распыления, обеспечивающего заданные физико-механические свойства нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента.

  3. Установить влияние частоты импульсов и времени паузы при дуальном несбалансированном магнетронном распылении с полем закрытого типа на физико-механические свойства получаемого нанокомпозитного покрытия AlTiN.

  4. Получить оптимальные режимы осаждения покрытия AlTiN на металлорежущий инструмент по величине ионной энергии распыляемых атомов, с целью обеспечения его заданных физико-механических характеристик.

  5. Определить достоверность полученных теоретических данных, провести сравнительные стойкостные испытания металлорежущего инструмента с полученным нанокомпозитным покрытием AlTiN и инструмента с аналогичным покрытием, рекомендованным фирмой-производителем.

Методы исследований основаны на теоретических исследованиях, проводимых с использованием фундаментальных положений механики, численных методов с их верификацией, моделировании и методах экспериментального исследования процессов физико-технической обработки. Экспериментальные исследования выполнены в производственных и лабораторных условиях на специальном оборудовании с использованием системы автоматизированной фиксации экспериментальных данных и их обработкой с использованием программных продуктов Mathsoft, Mathcad, Microsoft Office Excel.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов обработки расчетных и экспериментальных данных, реализуемых с помощью программного продуктаМісгоБОЙ Excel.

На защиту выносятся:

Математическая модель распределения ионов по энергиям в процессе синтеза нанокомпозитного покрытия, учитывающая частоту электрон-атомных столкновений в скрещенных электрических и магнитных ПОЛЯХ.

Механизм моделирования технологического процесса магнетронного распыления, обеспечивающего заданные физико-механические свойства нано-композитных покрытий металлорежущего инструмента.

Результаты исследования влияния частоты импульсов и времени паузы на структуру и свойства нанокомпозитного покрытия AlTiN.

Технологические режимы нанесения нанокомпозитных покрытий AlTiN методом магнетронного распыления с использованием контролируемой ионной бомбардировки для обеспечения заданных физико-механических характеристик тонкой пленки.

Рекомендации по повышению эффективности процесса магнетронного распыления путем управления ионной энергией распыляемых атомов за счет задания соответствующих импульсных характеристик процесса синтеза.

Научная новизна работы заключается в предложенном автором механизме моделирования технологического процесса магнетронного распыления, позволяющего рассчитать значения импульсных характеристик плазмы для обеспечения заданных физико-механических свойств получаемого покрытия металлорежущего инструмента, таких как инденторная твердость, модуль упругости, степень адгезии покрытия к подложке и других.

Практическая полезность работы состоит в выявлении технологических режимов, позволяющих обеспечить заданные физико-механические характеристики покрытия. Проведенные испытания синтезированной на металлорежущий инструмент тонкой пленки AlTiN обеспечили увеличение стойкости образцов на 11% при сверлении, на 13% при фрезеровании и на 20% при точении по сравнению с аналогами.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на семи Российских и международных конференциях: V и VII Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (с международным участием). - Уфа, 2010г. и 2012г.; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок» (ГТД-нанотехнологии 2010), Рыбинск, 2010г.; V Всероссийской молодежной научной конференции: Мавлютовские чтения - Уфа, 2011г.; XI всероссийской выставке НТТМ-2011, Москва, 2011г.; Национальной научно-технической конференции, 2011г.; Международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией», Москва, 2011г.; IV Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов, Москва, 2011г.; Молодёжном конкурсе инновационных проектов на тему: «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», Москва, 2011г.

Диссертант является победителем программы «У.М.Н.И.К.-2012» и конкурса внутривузовских грантов (в 2011г.)

В составе творческого коллектива им выполнялись отдельные этапы работ по контрактам с ГК «Роснанотех», а так же с Министерством образования и науки РФ (договора № 02.532.12.9002 от 21.09.2007 и №849-10 от 11.01.2010).

Реализация результатов работы

Основные положения диссертации внедрены на ОАО «Рыбинский завод приборостроения»: предоставленные рекомендации позволили значительно повысить эффективность использования режущего инструмента с нанокомпозит-ным покрытием и сократить время технологической подготовки инструмента.

Внедрение на ОАО «НПО «Сатурн» разработанного технологического процесса нанесения нанокомпозитного покрытия AlTiN на металлорежущий инструмент с заданными физико-механическими характеристиками обеспечили увеличение стойкости образцов на 11% при сверлении, на 13% при фрезеровании и на 20% при точении титанового сплава ВТЗ-1 по сравнению с обработкой его инструментом с покрытием нанесенным фирмой производителем.

Автор принимал непосредственное участие в разработке каталога инструмента с наноструктурированными покрытиями, выпускаемого ЗАО «Новые инструментальные решения».

Публикации: результаты работы опубликованы в 9 научных работах, 3 из которых в рецензируемых изданиях списка ВАК.

Структура и краткое содержание работы

Научная работа состоит из 182 стр. машинописного текста, 56 рисунков, 12 таблиц, 65 формул и состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и 4-х приложений.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net