Фізико-технічна обробка поверхні металів безводневим азотуванням в тліючому розряді

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.78/(66.088+537.52+66.046)

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНА ОБРОБКА ПОВЕРХНІ МЕТАЛІВ БЕЗВОДНЕВИМ АЗОТУВАННЯМ В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ

Спеціальність 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ПАСТУХ ІГОР МАРКОВИЧ

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Хмельницькому національному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Хмельницький

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Каплун Віталій Григорович, Хмельницький національний університет, директор НДІ трибології і матеріалознавства

Офіційні опоненти: Самотугін Сергій Савелійович, доктор технічних наук, професор, Приазовський державний технічний університет, проректор з наукової роботи

Ляшенко Борис Артемович, доктор технічних наук, професор, Інститут проблем міцності ім. Г. С. Пісаренко Національної Академії наук України, завідувач відділу покриттів

Астахов Євген Аркадійович, доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона Національної Академії наук України, ведучий науковий співробітник відділу захисних покриттів

Захист відбудеться 09.06. 2008 р о 13 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15 в Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37, корпус 19, ауд. 435.

З дисертацією можна познайомитись в Науково-технічній бібліотеці ім. Г. І. Денисенка Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”.

Автореферат розіслано 07.05. 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Головко Л. Ф.



АНОТАЦІЯ

Пастух І. М. Фізико-технічна обробка поверхні металів безводневим азотуванням в тліючому розряді. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2008. електричний метал сплав азотування

Дисертація присвячена актуальній науково-технічній проблемі модифікації поверхні металів та металевих сплавів за допомогою вакуумно-дифузійних газорозрядних технологій безводневим азотуванням в тліючому розряді. Розроблені теоретичні основи процесу з позицій фізики електричного розряду в газовому середовищі та проведені експериментальні дослідження на промисловому устаткуванні, які підтверджують адекватність теоретичних положень практичним результатам. Вперше запропонована енергетична модель процесу на основі теорії формування енергетичного спектру падаючого потоку, реальне застосування результатів використання системи критеріїв, які слідують з цієї моделі, дозволяє аналізувати одержані результати обробки та проектувати технологічні процеси в залежності від необхідних за умовами експлуатації показників модифікації. Окремо розроблені питання, пов'язані з практичним застосуванням технології: керування технологічним процесом, устаткування для його реалізації, організаційно-економічні передумови.

Ключові слова: модифікація поверхні металів, вакуумно-дифузійна газорозрядна технологія, безводневе азотування, тліючий розряд.



АННОТАЦИЯ

Пастух И. М. Физико-техническая обработка поверхности металлов безводородным азотированием в тлеющем разряде. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 - процессы физико-технической обработки. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», 2008.

Диссертация посвящена актуальной научно-технической проблеме модификации поверхности металлов и металлических сплавов с помощью вакуумно-диффузионных газоразрядных технологий безводородным азотированием в тлеющем разряде. Теоретические основы процесса сформированы с позиций физики электрического разряда в газе. Разработана общая методология исследований как комплекса теоретико-экспериментальных работ, особенность ее состоит в последовательном формировании падающего потока, изучении энергетики и состава падающего потока, в том числе - с учетом нейтральных частиц, создании исходя из энергетических позиций модели взаимодействия падающего потока с металлической поверхностью.

Разработаны классификации процессов обработки металлов и технологий модификации поверхности металлов, квалифицированных как вакуумно-диффузионные газоразрядные. При формировании падающего на поверхность потока учтены быстрые нейтральные частицы, возникающие в результате резонансной перезарядки.

Разработана вероятностная модель изменения скорости электрона, показано, что она является основным фактором формирования энергетических характеристик разряда. Исследовано влияние параметров режима на характер изменения скорости электронов, разработана теория ее расчета.

Создана теория расчета вероятностных характеристик элементарных процессов в области катодного падения, их весомости. Сопоставлены результаты расчетов электрических характеристик разряда с реальными, чем подтверждена приемлемость разработанной теории формирования падающего потока.

Разработана теория и программы для расчета траектории движения частиц в поле с учетом вероятностных характеристик, вероятностная модель стартовых точек последнего этапа движения частицы, определяющего для формирования ее энергетического уровня, решена задача генерации ионов и нейтральных частиц определенного сорта на основе вероятности этих процессов.

На основе принципа усредненной частицы разработаны вероятностная модель формирования энергетического спектра падающего потока (ЭСПП), методика аналитического описания ЭСПП в целом и его составляющих, исследовано влияние параметров технологического режима на энергетику процесса. Создано программное обеспечение расчета ЭСПП, получены и проанализированы ЭСПП для разных технологических режимов. Создана вероятностная энергетическая модель взаимодействия частиц падающего потока с частицами поверхности, введены термины коэффициентов распыляющего и диффузионного воздействия падающего потока, на базе которых сформирована система критериев управления конечными результатами модификации путем регулирования структуры ЭСПП, исследованы поверхностные процессы при азотировании в тлеющем разряде, установлен перечень реально возможных среди них. Обоснован метод определения критериев образования нитридов.

Проведен энергетический анализ известных моделей азотирования в тлеющем разряде, который указывает на определенные несоответствия их реальным процессам. Предложена энергетическая модель азотирования в тлеющем разряде, экспериментально доказана принципиальная приемлемость и сформулированы ее главные положения. Доказана связь предложенной системы критериев с реальными процессами и возможность с их помощью прогнозирования и управления конечными результатами модификации.

Обобщены взаимосвязи факторов управления технологическим процессом, их взаимное влияние и влияние на конечные результаты модификации. Разработаны типовые технологические режимы процесса.

Решена задача аналитического определения влияния поверхностных локальных исключений с возможными следствиями относительно результатов модификации, исследована равномерность температуры поверхности деталей.

Сформулированы принципы общей структуры установок для безводородного азотирования в тлеющем разряде, проведен анализ возможных вариантов конструкции, предложены инженерные методики расчетов элементов и оптимизации конструкции. Спроектирована, запатентована и успешно применена гамма оборудования промышленного назначения, а также отдельные его системы, обеспечивающие меньшие энергозатраты и лучшую надежность.

Предложена система экономических критериев формирования схемы оборудования, методика укрупненного расчета экономических показателей процесса. Обоснованы концепции профилактической обработки и сервисных центров. Разработан механизм нормирования вспомогательных операций

Ключевые слова: модификация поверхности металлов, вакуумно-диффузионная газоразрядная технология, безводородное азотирование, тлеющий разряд.



THE SUMMARY

Pastukh I.M. Physic technical treatment of a surface of metals hydrogen-free nitriding in a glow discharge. - The Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Dr.Sci.Tech. on a speciality 05.03.07 - processes of physic technical treatment. - National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnic institute”, Kiev, 2008.

The dissertation is devoted to an actual scientific and technical problem of a metal' and metal alloys' surface' updating with the vacuum-diffusions gas-discharge technologies by the hydrogen-free nitration in the glow discharge. Theory of process are developed on basis of physics of the electric discharge in the gas environs and probability of processes. Experimental researches on the industrial equipment was carried out. They confirm adequacy of theoretical positions to practical results. The power model of process for the first time is offered on the basis falling stream power spectrum formation. The system of criteria follows from this model. Their real application allows to analyze the received results of processing and to project technological processes depending on parameters of updating necessary for operation. The mechanism practical application of technology developed as well. They are: technological process control, the equipment for it's' realization, peculiar management condition.

Key words: updating of a surface of metals, vacuum - diffusion gas-discharge technology, hydrogen-free nitriding, the glow discharge.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поняття високотехнологічності стосовно виробів машинобудування базується на показниках працездатності та економічності, які в значній мірі забезпечуються шляхом модифікації металевих деталей машин, інструменту та оснащення технологічних машин. Починаючи з другої половини ХХ століття на перший план виступають модифікаційні процеси поверхні, котрі в порівнянні з перетвореннями об'єму більш раціонально використовують трудові і енергетичні ресурси, створюють кращі умови для екологічної безпеки.

Вакуумно-дифузійна газорозрядна технологія модифікації металевих поверхонь азотуванням в тліючому розряді серед більш ніж сотні відомих типів процесів аналогічного призначення цілком виправдано відноситься до технологій універсального застосування, оскільки вона може застосовуватись як для деталей машин - пар тертя, так і для оброблювального інструменту, штампів, прес- та ливарних форм, оснащення тощо. При цьому окрім підвищення зносостійкості, поверхневої міцності, інших показників працездатності забезпечується в певній мірі корозійна стійкість та інші позитивні наслідки модифікації.

Традиційно найбільш широко в якості газового середовища використовується аміак. Проте результатом цього варіанту процесу є водневое окрихчення. Іншим недоліком що не далі, то все менш допустимим, є екологічна шкідливість процесу. Перелік навіть тільки цих недоліків обгрунтовує перспективність безводневого азотування в тліючому розряді, який є абсолютно екологічно чистим та забезпечує кращу пластичність поверхні.

Відомі теоретичні моделі процесу в значній мірі акцентують увагу в основному на дифузійних явищах в модифікованому поверхневому шарі, проте не можуть в повній мірі пояснити процеси, характерні для азотування в тліючому розряді. Тому актуальність розробки наукових теоретичних основ, які базуються насамперед на положеннях фізики газорозрядних процесів у застосуванні їх до означених процесів, безсумнівна. Кваліфікація досліджуваного процесу як вакуумно-дифузійного газорозрядного дозволяє не тільки розкрити тонкий механізм взаємодії часток в газовому середовищі та часток падаючого потоку з поверхнею, але й встановити нові потенціальні можливості технології. Актуальними також є питання практичної реалізації технології, включаючи аспекти розробки устаткування та організаційно-економічних передумов впровадження процесу.

Аналіз джерел вказує на те, що всі відомі моделі процесу в теоретичному плані в значній мірі носять гіпотетичний характер. При їх формуванні практично не використано аналітичний апарат, ігнорується необхідність пояснення деяких явищ, які принципово впливають на прийнятність теорії, відсутні критерії, а звідси і методи керування процесом з метою досягнення запланованих та необхідних для експлуатації показників модифікації. Наявність значної бази технологічних даних, яка не має під собою узагальнюючої теорії, не тільки не сприяє оптимізації технологічного процесу, але навпаки часто призводить до протилежних наслідків, оскільки дані для однотипних умов нерідко вступають в протиріччя між собою.

Враховуючи багатогалузевий характер можливого використання означеної технології модифікації, дослідження процесу особливо актуальне для України. Крім того, наявність напрацювань у вибраному науковому напрямку сприятиме подальшому зростанню виробництва в Україні високотехнологічної продукції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Хмельницькому національному університеті в тісному зв'язку та у відповідності до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки „Ресурсозберігаючі та енергоефективні технології машинобудування” (Постанова Кабінету Міністрів України № 1716 від 24.12.2001 р. „Про затвердження переліку державних наукових і науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки на 2002-2006 роки”), тематики координаційних планів науково-дослідних робіт Міносвіти України (міжвузівських наукових і науково-технічних програм) на 1997-1999 роки (п.17 тематики “Нові конструкційні матеріали та високоефективні технології їх виробництва”), затвердженої програми наукової діяльності Хмельницького національного університету в рамках тем, в яких автор був керівником або відповідальним виконавцем: „Исследование и разработка технологии и оборудования для ионного азотирования”, тема 8-84; № ГР 01840021210, 1985; „Разработка рабочего проекта установки ионного азотирования с применением типового технологического процесса”, тема 17-85; № ГР 01850028019, 1986; „Разработка ионно-плазменных технологий процессов упрочнения оснастки и инструмента для основного и вспомогательного производства бриллиантов”, тема 11-86; № ГР 01860031527, 1987; „Исследование и модернизация установки СНВЭ13.1/16 с целью применения для ионного азотирования”, тема 2-87; № ГР 01870014955, 1988; „Разработка и внедрение многокамерной установки для упрочнения инструмента и оснастки”, тема 18-88; № ГР 01880025565, 1989; „Исследование и внедрение процесса упрочнения зубчатых колес методом безводородного ионно-плазменного азотирования”, тема 19-88; № ГР 01870025564, 1989; „Разработка технологии безводородного ионно-плазменного азотирования инструмента с модернизацией установки НГВ 6.6”, тема 22-88; № ГР 01880025165, 1989; „Внедрение процесса безводородного ионно-плазменного азотирования с разработкой технологии и установки”, тема 4-91; № ГР 01910029994, 1991; „Разработка установки и технологии ионного упрочнения инструмента и оснастки в безводородных средах”, тема 10-90; № ГР 01900015059, 1991; „Проектирование и изготовление установки для внедрения процесса ионно-плазменного азотирования”, тема 2-92; № ГР 0193U011053, 1993; „Наукові основи підвищення довговічності твердосплавного інструменту із застосуванням ресурсозберігаючої екологічно-чистої технології дифузійного зміцнення поверхні”, тема 2Б-95; № ДР 0195U026295, 1995; „Технологія поверхневого зміцнення металів та металевих сплавів із застосуванням керованої плазмової дифузії в газовому антикрихкісному середовищі”, тема 1Б-96; № ДР 0196U0184340, 1997; „Теорія та фізичні основи технологій модифікації поверхні формуванням комбінованих поліфазних плазмово-дифузійних шарів”, тема 1Б-2000; № ДР 0100U001977, 2002; „Теоретичні основи фізики низькотемпературної поверхневої вакуумно-дифузійної газорозрядної модифікації азотоактивних сплавів”, тема 1Б-2003; № ДР 0103U001203, 2005.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка теоретичних основ вакуумно-дифузійних газорозрядних процесів модифікації поверхні металів і їх сплавів та практичних передумов впровадження технології.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлені наступні задачі:

1. Розробка теорії формування падаючого потоку при азотуванні в тліючому розряді на основі положень фізики електричного розряду в газі та її практична апробація.

2. Дослідження енергетики падаючого потоку в області катодного падіння (ОКП) при азотуванні в тліючому розряді.

3. Створення теоретичної моделі складу міжелектродного шару газового середовища при азотуванні в тліючому розряді.

4. Дослідження взаємодії падаючого потоку з металевою поверхнею та вплив параметрів технології на цей процес.

5. Формування системи об'єктивних показників прогнозування модифікації поверхні дифузійного типу з практичною їх апробацією.

6. Розробка узагальненої моделі модифікації металевої поверхні дифузійних процесів в тліючому розряді.

7. Розробка інженерних методик проектування окремих систем та в цілому устаткування для реалізації технології.

8. Практичне відпрацювання методики прогнозування кінцевих результатів модифікації в залежності від початкових умов та характеристик технологічного процесу з формуванням банку даних типових технологій.

9. Розробка критеріїв організаційно-економічних передумов впровадження технології модифікації металів безводневим азотуванням в тліючому розряді.

Об'єкт дослідження - модифікація поверхні металів та їх сплавів.

Предмет дослідження - вакуумно-дифузійні газорозрядні технології модифікації поверхні металів безводневим азотуванням в тліючому розряді.

Методи дослідження. Основний метод досліджень - теоретико-експериментальний з широким застосуванням обчислювальної техніки. Загальна особливість методології досліджень полягає насамперед у послідовному формуванні падаючого потоку; вивченні енергетики та складу падаючого потоку (з врахуванням і нейтральних часток); створенні в першу чергу з енергетичних позицій моделі взаємодії падаючого потоку з металевою поверхнею. Окрім того, розглядаються питання, пов'язані з реальним застосуванням технології, включаючи і економічні аспекти, а також розроблені та використані окремі методики експериментальних досліджень, які виконувались на реальному промисловому технологічному устаткуванні. Результати експериментальних досліджень отримані з використанням стандартних методик вимірювання параметрів, їх обробка велась за спеціально розробленою методикою для багатофакторних моделей.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень в області процесів модифікації металевих поверхонь обгрунтовано і сформовано самостійний науковий напрямок - теорія та практика вакуумно-дифузійних газорозрядних технологій безводневим азотуванням в тліючому розряді, при цьому застосовані наступні нові наукові рішення:

1. Вперше теоретичні основи процесу розроблені з позицій фізики газорозрядних процесів, що дало змогу розкрити тонкий механізм взаємодії комплексу елементарних підпроцесів в області катодного падіння. Виходячи з цього основоположного принципу розроблена загальна методологія досліджень як комплексу теоретико-експериментальних робіт, який крім того включає також питання реального застосування технології.

2. Оскільки вирішальне значення для модифікації поверхні з використанням безводневого азотування в тліючому розряді мають процеси в області катодного падіння, вперше розроблені оригінальні методики визначення її ширини оптичним методом, впливу на неї параметрів технологічного процесу, розподілу температури на поверхні об'єктів обробки, введено термін приведеного інтегрального перетину як основи для розрахунку характеристик розряду в довільних газових середовищах.

3. Уточнені фактори, за допомогою яких можливе керування процесом модифікації, вперше розроблена на принципі послідовного дослідження впливу кожного з цих факторів теорія обробки баз даних багатофакторних моделей.

4. Вперше в основу класифікації процесів модифікації металевих виробів покладено принцип ієрархії критеріїв: фазовий склад середовища, що містить активний елемент модифікації; його стан; тип процесу модифікації; його активатор, що дозволило уточнити сучасну термінологію та кваліфікувати технологію як вакуумно-дифузійну газорозрядну.

5. Проведено загальний аналіз вагомості елементарних процесів в газовому проміжку стосовно азотування в тліючому розряді, вперше при формуванні падаючого на поверхню потоку враховані швидкі нейтральні частки, які утворюються в результаті резонансної перезарядки.

6. Вперше запропоновано поняття базової швидкості електронів як швидкості, котру він має в результаті безсутичковго руху від катода до певної точки області катодного падіння, що дозволило розробити імовірнісну модель зміни швидкості електрона. Вперше доведено з експериментальною перевіркою, що цей параметр в першу чергу впливає на всі процеси в газовому проміжку. Вперше розроблена теорія та методика ідентифікації зміни швидкості електронів в залежності від параметрів технологічного режиму.

7. Виходячи з результатів дослідження характеру зміни швидкості електронів в області катодного падіння вперше теоретично обгрунтовано та експериментально підтверджено положення щодо екстремального характеру впливу тиску газового середовища на енергетичні показники розряду. Вперше розроблена аналітична методика розрахунку характеристик елементарних процесів в області катодного падіння, що дозволило сформувати теорію та програмне забезпечення розрахунку електричних характеристик розряду, які з достатньою точністю відповідають реальним.

8. Вперше введено поняття прошарку вільного пробігу як частини області катодного падіння, ширина котрої дорівнює середній довжині вільного пробігу певної частки, що дозволило з врахуванням опосередкованості часток розробити аналітичну основу та програмне забезпечення для розрахунку кінетики руху часток з врахуванням імовірнісних характеристик. Вперше доведено, що енергія частки при взаємодії її з металевою поверхнею в основному формується після останньої сутички в полі, вперше розроблена імовірнісна теорія положення стартових точок останнього етапу руху частки, енергетичного обміну при сутичках часток, генерації іонів певного сорту, а також імовірнісна модель формування потоку швидких нейтральних часток, доведена вагомість нейтральних часток у падаючому потоці.

9. На основі принципу пошарового аналізу процесів, реально можливих в області катодного падіння, з врахуванням імовірності стоку часток на катод вперше розроблена модель формування енергетичного спектру падаючого потоку, введено поняття відносного енергетичного спектру як відношення потоку часток певного сорту до загального потоку іонів, розроблена теорія його розрахунку в цілому та окремих його складових, вперше отримані та проаналізовані енергетичні спектри для різних варіантів технологічних режимів.

10. Вперше розроблена імовірнісна модель енергетичної взаємодії часток падаючого потоку з поверхнею, запропонована система аналітичних критеріїв, які характеризують розпорошувальну та дифузійну дії падаючого потоку, процес утворення нітридів та формують теоретичну основу методики керування кінцевими результатами модифікації шляхом регулювання структури енергетичного спектру. Вперше розроблена енергетична модель вакуумно-дифузійних газорозрядних технологій модифікації металевих поверхонь, яка включає можливі з точки зору енергетики масо- та енергообмінні процеси.

11. Вперше з енергетичних позицій проаналізовані відомі моделі азотування в тліючому розряді, при цьому встановлені певні невідповідності їх реальним процесам, доведено принципову адекватність їм енергетичної моделі. Співставленням системи критеріїв з результатами практичної обробки деталей різного типу доведено зв'язок цих характеристик з реальними процесами та можливість за їх допомогою прогнозування кінцевих результатів модифікації і керування ними.

12. Вперше сформована структура технологічного комплексу модифікації поверхні безводневим азотуванням в тліючому розряді, встановлено взаємний зв'язок та взаємовплив параметрів технологічного режиму.

13. Вперше теоретично встановлений вплив локальних винятків поверхні на рівномірність розподілу по поверхні характеристик поля та, відповідно - температури, що спричиняє відповідну якість модифікації, проведена експериментальна перевірка теоретичних положень.

14. Вперше сформульовані теоретичні принципи розробки загальної структури установок на основі порівнювання показників проектної установки з еталонною, створена система класифікації конструктивних схем устаткування з їх аналізом, розроблена теорія розрахунків елементів установок, оптимізації їх конструкції.

15. Вперше розглянуті теоретичні питання організаційно-економічних передумов впровадження процесу модифікації.

Практичне значення одержаних результатів. Теоретичні результати виконаних досліджень покладені в основу енергетичної моделі, за допомогою якої проектуються технологічні процеси модифікації поверхні.

Результати досліджень під керівництвом та при безпосередній участі здобувача впроваджені більш ніж на 50 підприємств різних галузей. Процес безводневого азотування в тліючому розряді застосовано на заводі „Коммунист” (м. Маркс); на Васильківському заводі „Электробытприбор”, Красилівському агрегатному заводі для підвищення стійкості ливарних форм для деталей з алюмінієвих сплавів; на Кам'янець-Подільському машинобудівному заводі, Хмельницькому ВО „Новатор”, ВАТ „Кременчуцький колісний завод”, ЗАТ „Руукі України”, ТОВ „Техносоюз” для підвищення стійкості штампів; на Хмельницькому м'ясокомбінаті для підвищення стійкості кутерних ножів; на Красилівському машинобудівному заводі, ВО „Пресмаш”, Хмельницькому ВО „Термопластавтоматів”, Київському ДОК №6 для підвищення стійкості оброблювального інструменту; на ВО „Катіон” для підвищення зносостійкості оснащення; на ВО „Алтайский моторный завод”, ВАТ „Славутський ремонтно-механічний завод” для підвищення ресурсу силових агрегатів тракторної та автомобільної техніки; в „УкрНДІпобут”, Московському заводі „Знамя”, ВАТ „Темп”, ВАТ „Хмельницький обласний пивзавод”, Хмельницький завод „Пригма-прес” для зміцнення деталей пар тертя та інструменту; в Смоленському ВО „Кристалл”, Житомирському заводі верстатів-автоматів, Смоленському ОКБ при заводі ХХV партз'їзду, Оренбургському заводі „Стріла”, Бердичівському заводі „Прогрес”, Шепетівському заводі „Радар” з впровадженням технології та установки; на Хмельницькому заводі „Строммашина”, ВО „Укрелектроапарат”, ВНВФ „Матеріал-прогрес”, ВО „Адвіс” для підвищення зносостійкості інструменту з твердим сплавом; ТОВ „Європласт”, ТОВ „Техоснастка”, СП „Таврія-Магна”, ПП „Інтерком”, ПМП „Юркон”, ТОВ „ВНФ Полімергаз”, ТОВ „Еком”, ТОВ „Ельво-Маркет”, фірмі „Бджілка”, корпорації „Енергоресурс-інвест”, ТОВ „Резонанс”, ТОВ „Енергокомплект”, ПП „Виробнича фірма „Полімашпроект”, НПП „Промінь”, ЗАТ „Укрімекс” для підвищення ресурсу ливарних форм для пластмас; в ТОВ НВФ „Адвісмаш”, ТОВ „Сервісний центр „Енерго-Арм” для підвищення ресурсу деталей передач; на ДП „Термопластсервіс”, ВАТ „УкрНДІпластмаш”, ТОВ „Техноком”, філії МСВК-1 ВАТ „Термопластавтомат”, філії „Механік”, ТОВ „Центросервіс”, ТОВ „Технопласт” для підвищення зносостійкості деталей устаткування для переробки пластмас тощо. Сумарний економічний ефект від впровадження наукових розробок тільки до 1991 року становив 1 млн. 954 тис. руб.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень отримані здобувачем особисто. Головні роботи написані здобувачем без співавторів. Особистий внесок здобувача в спільних роботах полягає в [2] - весь матеріал по азотуванню в тліючому розряді; [3, 5, 14] - вибір параметрів режиму та технології, обробка результатів, формулювання висновків; [4, 27] - створення системи класифікації, структури і конструкції устаткування; [6, 8, 9, 10, 12, 24] - аналіз та співставлення технологій модифікації поверхні, розробка та обгрунтування термінології; [7] - обгрунтування принципу зміцнення; [18] - формулювання принципу дії окремих елементів системи управління; [28, 30, 37, 42, 43] - постановка завдань та методики досліджень, аналітичне забезпечення, обробка результатів; [44, 46, 47, 54, 56, 65, 66] - розробка принципу конструкції та її реалізація; [45, 48, 49, 51, 53] - розробка способу реалізації технології модифікації поверхні

Конструкторські розробки устаткування виконувались під керівництвом та при безпосередній участі здобувача. Здобувачем також особисто розроблено більше 210 одиниць програмних продуктів по темі досліджень.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, виконаних в дисертації, доповідались на ряді Всесоюзних, міжнародних, міжреспубліканських, республіканських та регіональних конгресах, конференціях, симпозіумах, семінарах: «Металловедение и химико-термическая обработка» (Пенза, 1982), «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки» (Телави, 1987), «Технология и оборудование для новых прогрессивных методов химико-термической обработки деталей тракторов и сельскохозяйственных машин» (Волгоград, 1988), «Прогрессивные технологии упрочнения деталей машин и инструмента с применением источников с высокой концентрацией энергии» (Пенза, 1986), «Современные технологии упрочнения, восстановления и механической обработки деталей с покрытиями» (Киев, 1993), «Лучевая обработка композиционных материалов в технике» (Тернополь, 1990), «Качество и надежность узлов трения» (Хмельницкий, 1992), «Применение композиционных материалов в узлах трения технологического оборудования» (Хмельницкий, 1986), «Термодинамика технологических процессов» (Краматорск, 1992), «Термодинамика технологических систем» (Краматорск, 1993), «Инструмент Украины» (Харьков, 1993), «Машиностроение и техносфера на рубеже ХХІ века» (Донецк, 1998), «Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва» (Хмельницький, 1995), «Новые технологические процессы в машиностроении» (Одесса, 1993), «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в машиностроении» (Одесса, 1995), «Оснастка-94» (Киев, 1994), «Прогрессивные методы упрочнения» (Киев, 1985), «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки - основа повышения надежности и долговечности деталей машин и инструмента» (Хмельницкий, 1988, Волгоград, 1988, Махачкала, 1989), «Структурно-энергетические аспекты трения и изнашивания деталей машин» (Киев, 1990), «Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок» (Запорожье, 2000), «Оборудование и технология термической обработки металлов и сплавов в машиностроении (ОТТОМ)» (Харьков, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007), «Надійність машин та прогнозування їх ресурсу», (Івано-Франківськ, 2000), «5-й міжнародний симпозіум інженерів-механіків» (Львів, 2001), «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2001, 2002, 2003), «Харьковская нанотехнологическая ассамблея» (Харьков, 2006) тощо; на щорічних наукових конференціях Хмельницького національного університету за результатами наукової діяльності.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 131 наукових роботах, в т. ч. монографій - 2, статей в фахових журналах - 41, авторських свідоцтв - 3, патентів України - 25, статей в збірниках повних доповідей -29, тез - 31.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел на 520 сторінках та 16 додатків в окремому томі обсягом 155 сторінок, який включає 19 таблиць. Основна частина дисертації містить 154 рисунки та 23 таблиці. Список використаних джерел на 83 сторінках включає 774 роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність науково-технічної проблеми, яка є темою дисертації, дана стисла оцінка сучасного стану проблеми та визначені напрямки її вирішення.

В загальній характеристиці роботи розкрита актуальність теми дисертації, показано зв'язок її з важливими науковими програмами, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна, практична цінність отриманих результатів. Відзначено особистий внесок здобувача, повнота апробації і ступінь публікації результатів досліджень.

В першому розділі проведено аналіз публікацій по темі дослідження. Найбільш вагомі результати в обгрунтування принципу процесу внесли B. Bergaus, В. Edenhofer, K. Keller, J. Kolbel, H. Schpis. Суттєві досягнення в теорії та практиці азотування в тліючому розряді належать вітчизняним науковим школам Ю. М. Лахтіна та Б. М. Арзамасова. Вперше принцип та практичне застосування безводневого азотування в тліючому розряді запропоновано Каплуном В. Г. За впровадженням модифікація азотуванням в тліючому розряді може бути віднесена до процесів універсального призначення, що свідчить про важливість, практичну цінність та актуальність дослідження проблеми реалізації та вдосконалення технології. Азотування в тліючому розряді має ряд переваг перед традиційним пічним азотування, насамперед - суттєво меншу енергоємність, керованість процесом та передбачуваність і прогнозування результатів обробки в залежності від початкових умов та вимог наступної експлуатації, відсутність формозміни об'єктів, кращу якість поверхневого модифікованого шару. Безводневе азотування в тліючому розряді окрім забезпечення екологічної чистоти виробництва виключає водневе окрихчування, створює умови для керованості фазовою структурою поверхневого шару, більшої його пластичності, додатково знижує витрати електроенергії та газів. Накопичена значна база даних технологічних режимів азотування, особливо у варіанті аміачних газових середовищ, яка в сукупності складає технологічну модель процесу, хоча в багатьох випадках приблизно однакові кінцеві результати отримані при суттєво відмінних комбінаціях технологічних параметрів процесу азотування. Подібна варіативність технології може пояснюватись відсутністю або недосконалістю теоретичних основ процесу, котрі в більшості відомих робіт розглядаються в основному тільки в аспекті дифузійних явищ в поверхневому шарі. Відомі теоретичні моделі процесу взаємно виключають одна одну, оскільки чітко диференційовані тільки по одному критерію первинності утворення певних фазових структур модифікованого шару. Крім того, ці моделі практично не мають під собою аналітичного обгрунтування і відносяться за визначенням в деяких випадках навіть авторів до рівня „гіпотетичних”. Цілий ряд явищ, які реально мають місце при азотуванні в тліючому розряді, неможливо пояснити ні однією з цих моделей. Термодинамічні моделі за визначенням не відображають первинні елементарні процеси, що відсікає можливість детального аналізу та пошуку потенційних резервів технології. Крім того, практика показала суттєве відхилення реальних процесів від теоретичних результатів застосування термодинамічної моделі.

За час практичного впровадження процесу розроблена велика кількість методів його реалізації та варіантів конструктивного виконання устаткування, проте практично відсутні теоретичні розробки по узагальненню цього досвіду, інженерні методики проектування основних складових устаткування та вибору його конструктивних схем в залежності від призначення.

Відмічається первинна роль певних параметрів технологічного режиму (наприклад, температури, складу газового середовища та його тиску), при цьому інші явно відіграють похідну роль; більшість характеристик впливають на кінцеві результати екстремально. В теорії майже відсутні узагальнюючі положення, які б відкривали шлях для дослідження перспективних напрямків комбінованої обробки, процесів в циклічно комутованих розрядах тощо. Практично не відслідковується методологія підбору характеристик технологічного режиму в залежності від умов наступної експлуатації об'єктів обробки та узагальнююча методологія досліджень процесу. Нагальною є також потреба чіткого вибору критеріїв класифікації споріднених процесів модифікації металевої поверхні, визначення місця азотування в тліючому розряді в ній, а також уточнення термінології стосовно фізичної суті означеної технології.

Сформульовані наукові та практичні задачі дисертаційної роботи, вирішення яких підпорядковано розробці наукової теорії процесу з врахуванням в першу чергу його фізичних основ та аспектів практичного застосування технології.

В другому розділі сформована загальна методологія досліджень, яка полягає у послідовному формуванні падаючого потоку (контрольною точкою цієї фази є співставлення результатів розрахунків густини потоку заряджених часток з відповідними електричними характеристиками реальних електричних розрядів в газі); вивченні енергетики та складу падаючого потоку (з врахуванням і нейтральних часток); створенні моделі взаємодії падаючого потоку з металевою поверхнею в першу чергу з енергетичних позицій (контрольна точка - співставлення реального фазового складу модифікованої поверхні, характеру впливу початкових параметрів технологічного режиму на нього з показниками, розрахованими на основі положень теорії). Окрім того передбачається розглянути питання, пов'язані з реальним застосуванням технології, включаючи і економічні аспекти.

Розроблені оригінальні методики визначення ширини області катодного падіння напруги в залежності від характеристик технологічного режиму та розподілу температури по поверхні деталей з врахуванням їх взаємного впливу, використані стандартні методики вимірювання величин, теоретично обгрунтована методика обробки експериментальних даних багатофакторних моделей,в основу якої покладено принцип послідовного враховування впливу факторів. Запропоновано приведений інтегральний перетин іонізації в якості опосередкованого показника, який характеризує сприятливість газового середовища певного складу іонізаційним процесам.

В третьому розділі на основі вибраної ієрархії параметрів, за якими узагальнюється інформація: фазовий склад середовища, що містить активний елемент модифікації; його стан; тип процесу модифікації; його активатор - розроблено класифікації як взагалі процесів обробки металів, так і технологій модифікації поверхні металів та їх сплавів, вперше кваліфікованих як вакуумно-дифузійні газорозрядні. Уточнена сучасна термінологія стосовно досліджуваного процесу, показано, що термін „азотування в тліючому розряді” (АТР) найбільш точно відображає теоретичну суть процесу та є коректним в історичному плані.

Проведено короткий аналіз основних форм процесу, показано, що безводневе АТР є найбільш прийнятним варіантом як з точки зору витрат ресурсів, так і особливо з позицій екологічної безпеки. Пріоритет цього напрямку належить роботам, виконаним насамперед в Хмельницькому національному університеті. З точки зору фізики стан газового середовища відноситься до неврівноваженої низькотемпературної плазми з дуже низьким ступенем іонізації.

При розробці загальних положень теорії процесу виділені компоненти газу: електрони - е; компоненти в атомарному стані - А; компоненти у вигляді молекул - М; атомарні позитивні іони - А⁺; молекулярні позитивні іони - М⁺; атоми або молекули у збудженому стані - А^*, М^*; газові компоненти, коли їх тип не має значення - W. За технологічними ознаками в газі можна виділити: дифузант, який може дифундувати в глибину поверхневого шару, а також вступати в хімічну чи іншу взаємодію з поверхнею, створювати сполуки - дифундиди, коригуючий компонент (коректор)- елемент хімічно нейтральний або в конкретних умовах технологічного процесу пасивний чи малоактивний відносно поверхні та інших складових газу, але здатний змінювати динаміку процесу. Крім того в газовому середовищі можуть бути присутніми розпорошені в результаті її бомбардування елементи поверхні. Враховані наступні процеси: збудження та дезактивація частки ; ступінчата іонізація ; ударна іонізація ; дисоціація ; резонансна перезарядка.

Для подібних багатокомпонентних газових середовищ, які в загальному вигляді можуть складатися з g дифузантів та r коректорів частота явища є сумою парціальних частот підпроцесів з кожним з компонентів де - концентрація дифузантів та коректорів в газовому середовищі,

- середня швидкість електронів,

- середні перетини відповідно ударної та ступінчатої іонізації електронами дифузантів та коректорів в залежності від швидкості ініціатора,

- концентрація іонів дифузанту і коректора в прошарку,

- середні перетини рекомбінації електронів з іонами дифузанту та коректора в залежності від швидкості електрона.

Всі середні перетини визначаються ,

де (V) -залежність перетину від швидкості електрона.

Густина падаючого потоку ,

де j₊ - густина потоку іонів,

j_V - густина потоку швидких нейтральних часток.

Обидва значення густин визначаються як сума добутків відповідних концентрацій складових газового середовища на швидкість їх дрейфу.

В переважній більшості підпроцесів, які реально можуть мати місце, ініціатором виступають електрони, причому їх швидкість незрівнянно більша швидкості контрчасток сутички, тому питання стосовно середньої швидкості відносного руху часток зводиться до визначення середньої швидкості електронів.

Ймовірність швидкості електронів V_ех в будь-якому прошарку ОКП з координатою х підпорядковується розподілу Максвела M(V), де Р(V,x) - ймовірність наявності в прошарку х електронів з швидкістю в діапазоні V…V+dV;

с - найбільш ймовірна швидкість електронів в прошарку ОКП з координатою х;

С_М - константа нормування розподілу на одиницю, .

Запропонована методика основана на застосуванні для кожного прошарку з координатою х поняття базової швидкості V_х. В якості базової прийнята швидкість, яку має електрон, котрий пройшов весь шлях від катода до прошарку х без сутичок.

Середня швидкість електронів визначається за таких умов як де W - спеціальна W - функція Ламберта.

Зміна середньої швидкості електронів в залежності від відношення координати поля до ширини ОКП показана на рис. 2. Для всіх комбінацій параметрів технологічного режиму при зміні тиску спостерігається чіткий мінімум номера шару з максимальним значенням швидкості. Зі збільшенням густини струму мінімум номера шару зміщується від тиску 0,8 тора до 1 тора. Абсолютне значення номера шару максимальної швидкості зі збільшенням і густини струму, і тиску збільшується, проте при збільшенні густини струму після проходження мінімуму ріст номера шару максимальної швидкості сповільнюється і при тискові 1,5 тора досягає менших значень. Аналогічна зміна максимального значення швидкості електронів (швидкість - в мільйонах м/с). При всіх параметрах режиму спостерігається зниження максимального значення швидкості в діапазоні тисків від 0,8 тора до 1 тора, причому при збільшенні густини струму мінімум зміщується в сторону більшого тиску.

Наявність двох характеристик - максимальної швидкості та її положення по ширині ОКП дозволяє ідентифікувати розподіл швидкості електронів для будь-яких параметрів режиму. Розроблена аналітична методика такої ідентифікації, при цьому для можливості використання різних газів введено поняття приведеного газокінетичного перетину. На рис. 2 порівняні графіки для двох складів газових середовищ: N75Ar25 - товсті лінії, N10Ar90 - тонкі лінії (склад газу позначено за прикладом N75Ar25 - об'ємний вміст азоту 75%, аргону 25%). Рис. 2 підтверджує, що напруга катодного падіння не змінює положення максимального значення середньої швидкості електронів, проте впливає на її величину. Екстремуми на графіках для суміші, в котрій переважає аргон, зміщені далі від катода і максимальна швидкість для них більша, що може пояснюватись більшою іонізаційною активністю аргону, для якого значення приведеного інтегрального перетину іонізації більші. Цим же і пояснюється експериментально встановлений факт, що для середовищ з переважним вмістом аргону при однакових умовах одна і та ж густина струму досягається при менших значеннях напруги. Висунута гіпотеза, що наявність мінімуму провідності газового середовища може пояснюватись взаємним перекриттям газокінетичних перетинів окремих часток зі збільшенням їх кількості при рості тиску або зменшенні температури.

Експериментально доведено, що розподіл середньої швидкості електронів є вирішальним фактором формування електричних характеристик розряду. Розроблена методика розрахунку цих величин.

На основі обробки даних з різних джерел виведені формули для розрахунку перетинів основних елементарних процесів в ОКП. В результаті проведеного аналізу до найбільш вагомих віднесені ударна та ступінчата іонізації, дисоціація молекул електронним ударом, резонансна перезарядка. Перетини інших процесів суттєво (для рекомбінаційних процесів - на 10-12 порядків) менші перетину ударної іонізації, який визначається як , де V - швидкість електрона, м/с, V_І - швидкість електрона, яка відповідає потенціалу іонізації, a, b, c - числові коефіцієнти.

Розроблена аналітична модель та програмне забезпечення розрахунку електричного струму, порівняння результатів розрахунку з експериментальними даними підтверджує прийнятність та допустиму точність розробленої теорії процесів в області катодного падіння напруги.

В четвертому розділі досліджена енергетика падаючого потоку та його взаємодія з металевою поверхнею.

Для розгляду моделі кінетики руху зарядженої частки в ОКП введено поняття прошарку вільного пробігу (ПВП) - шару ОКП, ширина якого в напрямку вектора поля дорівнює середній довжині вільного пробігу (СДВП). Тоді, якщо попередня сутичка частки мала місце поза межами першого ПВП, то рух її до катода найбільш імовірно буде супроводжуватись наступними сутичками. Встановлено аналітичні залежності між кутовими характеристиками кінетики руху частки в ОКП - кутами вильоту з попередньої сутички в та входу в наступну в_е для різних параметрів режиму, типова форма.

Шляхом введення коефіцієнта енергоємності з огляду на кінетику руху часток встановлені енергетичні рівні часток, які без сутичок пролітають певну відстань ОКП. Розроблена аналітика розрахунку коефіцієнта енергоємності.

Координата старту частки на останньому етапі руху до катода у значній мірі залежить від кута вильоту з сутички з врахуванням скривлення траєкторії руху під дією електричного поля та обмеження її протяжності значенням СДВП. Частка входить у зіткнення з компонентом газового середовища під деяким початковим кутом в₀ до напрямку вектора поля.

Розроблена аналітика визначення початкових кутів, що реалізує можливість програмного розрахунку енергетики взаємодії падаючого потоку з поверхнею.

Всі частки, які падають на поверхню та мають енергію суттєво відмінну від енергії теплового руху, можна розділити на заряджені (іони) та нейтральні (швидкі нейтралі) і далі кожний з цих видів на такі, котрі досягають катода в результаті безсутичкового руху та з сутичками. Остання сутичка може мати місце тільки в ПВП, який опосередкована частка певного сорту може гарантовано пройти без сутичок. Введення поняття ПВП в газовому середовищі конкретного складу, дозволяє використовувати подібність всіх ОКП, оскільки як її ширина, так і ширина ПВП залежать від одних і тих же характеристик процесу, причому їх вплив - однотипний. Частка може досягти катода після сутички з будь-якої точки ПВП, проте імовірність цієї події залежить від кута вильоту та кінематики руху. Введено поняття граничного кута вильоту з останньої сутички, при перевищенні якого подія досягнення часткою катоду хоча б ще без однієї сутички неможлива. Розроблено аналітичний апарат та програма для розрахунку граничних кутів вильоту, які можуть визначатись де К_у - відносна координата сутички (стосовно до ширини першого ПВП),

K_v1…K_v4 - числові коефіцієнти полінома,

v - аналог швидкості вильоту, v=V·10^-4 м/с.

Розподіл ймовірностей досягнення часткою катоду (подія А) після вильоту з останнього зіткнення в точці з координатою К_у

Для кожної конкретної координати імовірність досягнення після сутички катоду. Енергія частки, як досягла катоду, складається з енергії, отриманої від поля на останньому етапі руху та частки енергії, яку вона мала при вході в сутичку з врахуванням втрат її. Розроблена модель зіткнення іона з нейтральною часткою.

Проведені дослідження вказують на те, що густина потоку швидких нейтралів, порівняна, а часто навіть перевищує густину потоку іонів. На основі теоретичних викладок розроблено аналітику та програмне забезпечення формування енергетичного спектру падаючого потоку (ЕСПП) як основного фактора взаємодії падаючого потоку з поверхнею. Концептуальною особливістю моделі формування ЕСПП є оперування поняттям частки з опосередкованими параметрами. Принцип опосередкування створює передумови для рішення енергетичної задачі, при цьому враховується ймовірність факторів впливу. Формування ЕСПП ведеться шляхом розбиття максимального для ПВП енергетичного рівня на деяку кількість градацій, тому умовна ймовірність появи нейтралів з енергією в діапазоні (е_i …е_i+Д_е) і середньою енергією 0,5(2е_i+Д_е)

Методика розрахунку ЕСПП часток падаючого потоку передбачає розбиття ОКП на певне число шарів. Для кожного з них визначається приріст кількості іонів кожного з компонентів іонізованого газу, сумарний потік іонів, імовірність зіткнень іонів з іншими частками газу, імовірність безсутичкового руху іонів до катода та на її основі - стік іонів на катод з розглянутого шару з фіксацією їх енергії; кількість швидких нейтралів, які рухаються по інерції з енергією, котра відповідає енергії первинного іона в момент перезарядки . При цьому враховані елементарні процеси, розглянуті вище. Введено поняття відносного ЕСПП іонів і нейтралів (відношення кількості часток з певною енергією до загальної кількості іонів), який дозволяє порівнювати при певній густині струму іонів потоки заряджених і нейтральних часток.

Типова форма ЕСПП показана на рис. 4 (по вертикалі - відносний розподіл часток по енергетичних рівнях). Максимальна енергія іонів обмежується значенням енергії, яку він отримує від поля у випадку, якщо пролетить без зіткнень найближчий до катода ПВП.

Оскільки ширина ПВП залежить і від приведеного перетину зіткнень іона із частками газу, гранична енергія для атомарного азоту істотно більша, ніж для молекулярних азоту чи аргону. Ще більше ця теза підтверджується для середовищ, котрі включають водень, маса й розміри якого істотно менші. Як сама ширина ОКП, так і окремі її складові залежать від параметрів режиму. Наприклад, чим менший тиск, тим більша ширина ОКП. Зменшення тиску, тобто числа часток, приводить до зменшення густини струму, що збільшує по експоненті ширину ОКП. Це пояснюється тим, що зі зменшенням числа контрчасток знижується ймовірність зіткнень електронів з ними (тобто інтенсивність іонізаційних процесів).