WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Кензуке Уемура

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ МЕТОДОВ

ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 01.04.07 – Физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Томск – 2011

Работа выполнена в NanoCarbon Research Institute Limited и Национальном исследовательском Томском политехническом университете.

Научный консультант:        доктор технических наук, профессор

Ремнев Г.Е.

Официальные оппоненты:        доктор физико-математических наук, профессор

Кривобоков В.П.

доктор физико-математических наук, профессор

Гаврилов Н.В.

доктор физико-математических наук

Шаркеев Ю.П.

Ведущая организация:                Институт сильноточной электроники СО РАН

Защита состоится 7 сентября в 15-00 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.02 при Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: г. Томск, пр. Ленина 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Белинского 55.

Автореферат разослан «__» ____________ 2011 г.

Ученый секретарь Совета,

доктор физико-математических наук,                                        Коровкин М.В.

профессор                

Актуальность темы. Разработка и апробация в промышленности пучково-плазменных методов модифицирования изделий из металлических материалов представляется чрезвычайно важной. Эти работы в последние 30 лет ведутся в ряде научных лабораторий России, Японии, США, Германии и других стран. Для модифицирования материалов используются, как правило, импульсные и непрерывные источники плазмы, электронных и ионных пучков, лазерного излучения.  Эти исследования имеют как важное фундаментальное значение с точки зрения изучения поведения вещества и протекания физико-химических процессов в экстремальных условиях, так и прикладное значение, основанное на научно-техническом обосновании практического использования технологических процессов. В данной работе изложены результаты исследований, основанных на использовании электронных пучков микросекундной длительности, плазменных методов осаждения покрытий в модифицировании, улучшении эксплуатационных свойств изделий из металлических материалов, а также разработке и научно-техническому обоснованию соответствующих технологических процессов для ряда отраслей промышленности, медицины и т.д. Актуальность такой работы представляется высокой, имеющей важное практическое значение. Оно основано на возможности повышения эксплуатационных свойств соответствующих изделий, снижения материалоемкости.

Вместе с тем, практическая реализация пучково-плазменных методов связана с необходимостью решения целого ряда технических, технологических и методических проблем, которые также нашли отражение в работах.

       

Цель диссертации состоит в разработке научно-методических основ, научно-техническом обосновании  практического использования пучково-плазменных технологий в решении ряда критических задач улучшения эксплуатационных свойств медицинского инструментария и изделий промышленности.

Методы исследования и разработки технологических процессов основаны на использовании:

  • лабораторных и промышленных электрофизических установок, предназначенных для генерации низкоэнергетичных импульсных электронных и ионных пучков,
  • магнетронных и дуговых источников плазмы для формирования функциональных покрытий,
  • плазменных источников с накаливаемым катодом для азотирования,
  • аналитического оборудования, включающего растровую и просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения, спектрометрию комбинационного рассеяния, фотоэлектронная и рентгеновскую спектроскопию, Оже-спектроскопию, времяпролетную масс-спектроскопию, металлографию,
  • промышленного испытательного оборудования,
  • теоретических  моделей, описывающих движение электронов в электромагнитных полях, генерацию плазмы, химические реакции в плазме.

Научная новизна работы  и основные положения, выносимые на защиту:

  1. Установлено, что содержание фазы со связью sp3 в алмазоподобных пленках, полученных импульсным дуговым распылением твердого графита, составляет 70%; алмазоподобные пленки, осажденные при низкой температуре подложки (температура 70 °C), имеют значительно более высокие значения твердости, чем твердость пленок, полученных химическим осаждением из паровой фазы при более высоких температурах подложки (300 °C).
  2. Покрытия CNX, получаемые плазмохимическим способом при дуговом испарении графита с концентрацией азота в соединении 0  X  0,5, содержат смесь двух типов аморфных частиц: алмазоподобных и частиц CN0.5  со связями sp2.
  3. При ионной имплантации азота в сталь SKD11 твердость возрастает в большей степени, чем при имплантации аргона с  уменьшением коэффициента трения соответственно в 3раза и в 2 раза.
  4. На подложке SKD11 с предварительно нанесенной пленкой нитрида бора при ионной имплантации формируется фаза кубического нитрида бора с размером частиц около 30 нм, соотношение фаз кубического и гексагонального нитрида бора при этом - 83:17.
  5. При обработке сплава SKD11 плазмой формируемой в азоте глубина диффузии азота достигает 100 мкм с образованием соединения  Fe4N, что приводит к увеличению твердости с 870 кГ/мм2 до 1750 кГ/мм2.
  6. Ионная имплантация аргона в сверхтвердые сплавы на основе карбида вольфрама более эффективна, чем имплантация азота с образованием нитридов, коэффициент трения в случае применения аргона уменьшается на 30% при слабом изменении твердости в обоих случаях.
  7. На основе применения импульсных электронных пучков в комбинации с  осаждением алмазоподобных углеродных покрытий,  разработаны технологические процессы повышения эксплуатационных свойств пресс-форм и фасонных штампов  из сверхтвердых сплавов за счет снижения шероховатости
  8. Разработан и апробирован технологический процесс повышения эксплуатационных свойств экструзионных матриц из сверхтвердых сплавов с применением импульсного электронного пучка в комбинации с осаждением меди и дополнительной полировкой поверхности сверхтвердого сплава в вакуумном разряде за счет формирования взрывоэмиссионной плазмы при отрицательном потенциале обрабатываемой детали.
  9. Впервые использована обработка импульсным электронным пучком, и определены режимы облучения, улучшающие их коррозионные свойства, биосовместимость, шероховатость поверхности изделий металлических материалов, применяемых в медицине: стентов, никелид-титановых нитей, протезов бедра и коленного сустава, зубных протезов из драгоценных металлов, фиксаторов сломанных костей из титановых сплавов.
  10. Разработан и апробирован в промышленности метод повышения свойств бритвенных лезвий, а также заточки до радиуса закругления лезвия менее 300  за счет плазменного азотирования.
  11. Доказано, что частицы нанолуковиц и наноалмазов диаметром более 90 нм могут быть синтезированы из графита с помощью импульсного электронного пучка с энергией 30 кэВ и плотностью тока более 17 кА/см2 при использовании плазмы меди в качестве катализатора. Синтезированные нанолуковицы стабильны в окружающей среде не менее двух лет.
  12. Определено, что механизм формирования нанолуковиц основан на разрушении связей углерода, смещении атомов углерода и нагреве электронным пучком. Температура нагрева мишени при воздействии импульсного электронного пучка должна соответствовать температуре испарения графита.

Практическая значимость работы и актуальность подтверждаются практическим использованием результатов работы в ряде промышленных и медицинских изделий. Внедренные результаты: повышение эксплуатационных свойств и заточка бритвенных лезвий, финишная полировка электронным пучком штамповых изделий после электроэрозионной обработки, улучшение коррозионных свойств, биосовместимости, шероховатости поверхности ряда изделий, применяемых в медицине.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и апробированы на 19 международных научных конференциях и семинарах, проводимых в России, Японии, Израиле и США: the National Meeting of Japan Society of Electrical-Machining Engineers, 2002, Saitama, Japan; 6th International Conference «Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows», 2002, Tomsk, Russia; the International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century, 2003, Niigata, Japan; Meeting of the Japan Society of Electrical-Machining Engineers, 2003, Tokyo, Japan; Mitsubishi Materials Tools Meeting «Surface Treatment and Thin Film Technologies», 2003, Akashi, Japan (invited lecture); the 18th American Society for Precision Engineering Annual Meeting, 2003, Washington, USA; the 10th Japan Society for Precision Engineering, 2003, Japan; University «Combined Surface Modification», Hiroshima, Japan, 2003 (invited lecture); the 3rd Japan Society of Electrical Machining Engineers, 2004, Japan; 7th International Conference «Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows», 2004, Tomsk, Russia; 40th Electric Processing Conference “Thin films, surface and materials modification with its application», 2005, Okayama, Japan; 8th International Conference «Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows», 2006, Tomsk, Russia; 9th International Conference on Nano Carbon & NanoDiamond «Updated report on Conversion of NanoCarbon to Nanoonion and Buckydiamond with Low Energy Electron Beam Irradiation», 2006, Ioffe Physico-Technical Institute St. Petersburg, Russia (invited lecture); the 3rd NEDO/ISTC Nanocarbon/Nanodiamond Workshop «Pulsed Power Discharge: A New Method for Preparation of Nanoparticles Effect of Ultra Violet irradiation for Surface Treatment of PCD and DLC Films», «Progress in the Macroscopic Production of Carbon Nano-Onion Particles», 2007, Dead Sea, Israel; 9th International Conference «Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows», 2008, Tomsk, Russia; 41st Electric Processing Conference «The functional highly advanced study group of an artificial joint «Hand polish finish with electron beam irradiation of biomechanical material (titanium alloy)», 2009, Tokyo, Japan.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 23 печатных трудах, в журналах из перечня журналов, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав,  списка литературы из 146 наименований. Материал изложен на 235 страницах, содержит 291 рисунка и 22 таблиц. 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

       Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определена научная проблема, цель и задачи, решаемые в диссертации. Сформулированы научная новизна, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту. Дана характеристика публикаций по теме диссертации, структуры и объема работы.

В первой главе «Осаждение функциональных покрытий» обобщены результаты  исследований безводородных алмазоподобных покрытий и метод их формирования с помощью импульсного дугового распыления графита.

Выявлено, что рост алмазоподобной пленки происходит в присутствии ионов C+, вследствие чего она не является монокристаллической, содержит соединения углеродных кластеров как sp3, так и sp2.

Основной проблемой при использовании алмазоподобных пленок является высокое внутреннее напряжение - σ0, которое вызывается её отслоение от подложки и увеличивает коэффициент трения. Для решения этой проблемы в алмазоподобную структуру были внедрены ионы азота. Покрытия CNX с концентрацией азота 0 X 0,5 представляют собой смесь аморфных частиц, со значительной концентрацией азота. Это указывает также  на  наличие связей sp3. В данном разделе приведены зависимости механических и трибологических свойств покрытий CNX от концентрации азота. Схема роста алмазоподобной пленки представлена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1. Схема осаждения алмазоподобной пленки

При получении алмазоподобной пленки импульсным дуговым распылением графита содержание углерода со структурой sp3 составляет примерно 70%. Это было подтверждено тремя видами измерений:

  1. оже-электронной спектроскопией с калибровкой энергии электронов энергетического уровня C1s данными рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии;
  2. рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопией валентных зон;
  3. спектроскопией потерь энергии электронов C1s, на пиролитическом графите с упорядоченной ориентацией и алмазе.

Также была выявлена слабая зависимость положения пиков «Рамановского спектра» от температуры отжига и неопределенность в соотношении амплитуд пиков. Эти результаты совпадают с выводами других авторов о проблемах использования Рамановской спектроскопии для анализа алмазоподобных пленок. Деструкция структуры алмазоподобных пленок при нагревании до 150 °С ведет к увеличению отношения углеродных структур sp2/sp3 до единицы и, как показала Оже-электронная спектроскопия, до исчезновения структуры sp3 (что характерно для наноразмерных форм углерода) при 300 °С. Это является доказательством неравновесного состояния атомов углерода в алмазоподобной структуре.

Определение величины внутренних напряжений, от которых зависит  прочность и другие характеристики тонких пленок, производилось путем измерения плотности дислокаций кристаллической решетки и их смещения. В настоящей работе, помимо внутренних напряжений, были измерены: толщина алмазоподобных пленок – ядерно-физическим методом; теплопроводность; коэффициент линейного теплового расширения. Микротвердость HV составила 10,17 ГПа. При использовании игольчатого подшипника с полиолефиновой смазкой коэффициент трения при скорости вращения выше 200 об/мин  не превышал значения 0,01 (рис. 1.2).

Рисунок 1.2. Зависимость коэффициента трения от скорости вращения

В случае использования комбинации алюминия (стержень) и аморфного углерода (диск) износ алмазоподобных покрытий, используемых в качестве сухой смазки, составляет 10–8 мм3/н·м, что намного меньше, чем 10 .. 10 мм3/н·м для материалов на основе графита и тефлона. Это говорит о том, что алмазоподобные покрытия применимы в парах трения и являются износоустойчивым материалом.

Для определения структуры алмазоподобных покрытий использовали методы рентгеновской фотоэлетронной спектроскопии и рентгеновской Оже-спектроскопии. Фотоэлектронные и оже-исследования выполняли с помощью немонохроматического Al Kα источника рентгена (1486,6 эВ).
Используемые в работе спектроскопические методы применимы для следующих толщин:

  1. Оже-спектроскопия - N(E), которая чувствительна к связям sp2, sp3, на глубине двух монослоев;
  2. рентгеновская электронная спектроскопия валентных связей, которая чувствительна к связям sp2, sp3 на глубине 10 монослоев;
  3. оптическая спектроскопия потерь энергии электронов - С1s, которая чувствительна к связям sp2, sp3 на глубине от 2 до 10 монослоев.

Была предложена модель определения общей твердости пленки и подложки:

       (1),

где Hc – комбинированная твердость; t – толщина пленки; d – диагональ отпечатков по Виккерсу; Hf; Hs – твердость пленки и подложки; – половинный  угол отпечатка; n – величина, которая подбирается экспериментально.

Основные выводы по первой главе:

  1. Алмазоподобные пленки углерода не монокристалличны и содержат связи sp3 и sp2. Облучение пленок электронным пучком приводит к структурному переходу в графит, что определено методом рамановской спектроскопии;
  2. Исследование структуры покрытий CNX с концентрацией азота 0  X  0,5 выявило наличие смеси двух типов аморфных частиц: алмазоподобного, с высокой концентрацией азота (что доказывает существование связей sp3 до 10%), и частиц C2N со связями sp2;
  3. С помощью Оже-спектроскопии углерода установлено, что содержание sp3 в алмазоподобной структуре, полученной импульсным дуговым распылением графита, составляет 70%;
  4. Алмазоподобные пленки, осажденные при низкой температуре подложки (частота следования импульсов - f = 1 Гц, Ts ~ 70 °C), имеют значительно более высокие значения Hf (твердость тонкой пленки), чем твердость пленок, полученных при более высоких температурах подложки (f  = 20 Гц, ~300 °C);
  5. Отжиг при температуре 500 °C и выше приводит к значительному снижению адгезии;
  6. При использовании игольчатого подшипника с полиолефиновой смазкой коэффициент трения при скорости вращения выше 200 об/мин  не превышал значения 0,01.

Во второй главе «Модифицирование материалов пучками заряженных частиц» была исследована обработка материалов электронными пучками и ионами плазмы. В первом случае особое внимание уделено переносу электронов в обрабатываемых материалах, во втором – имплантации ионов.

Ионной имплантации подвергали мишени с нанесенным слоем гексагонального нитрида бора (hBN). Формирование кубического нитрида бора в стали SKD определялось с помощью метода рентгеновской дифракции.

Актуальность исследования заключается в необходимости повышения эксплуатационных свойств обрабатываемых изделий.

Схема установки с катодом, работающим на основе взрывной  электронной эмиссии, показана на рис. 2.1.

Рисунок 2.1. Схема установки, предназначенной для генерации электронного пучка

Для численного расчета переноса электронов и определения параметров электронного пучка, действующего на мишень, были разработаны теоретические модели, включающие в себя следующие системы уравнений:

  1. уравнение Максвелла - для описания электромагнитных полей, решаемого методом «частица в ячейке» (PIC – particle-in-cell method);
  2. уравнения, описывающие движение электронов в электромагнитных полях;
  3. уравнения, учитывающие генерацию плазмы и инициирование электрического тока в плазме, образуемой в рабочем газе (Ar).

Дополнительно к системе уравнений Максвелла использовалось уравнение Пуассона. Система этих уравнений была решена численно двумя методами – «частица в ячейке» и «огибающая линия». В коде «частица в ячейке» геометрия и количество частиц зависит от геометрии и параметров пучка (10 000 частиц), а в методе «огибающая линия» имела место кривая расчетов большого количества электронов в различных условиях.

Траектория дрейфа пучка электрона, с учетом нейтрализации электрического заряда, показан на рис. 2.2.

       

(a)                                                 (б)

Рисунок 2.2. Сжатие пучка электронов (a) и пинчевание пучка (б)

Основываясь на численных результатах, модель переноса энергии можно представить в следующем виде. При плотности плазмы np ≥ 9⋅1011 см–3 возможно сфокусировать электронный пучок на мишени путем приложения  внешнего магнитного поля специальной конфигурации. Пучок с начальным радиусом 3 см возможно сфокусировать до ~ 1 см. Собственное магнитное поле и учет распределения начального угла скоростей электронов приводят к снижению эффективности переноса энергии пучком до 30%. Это приемлемо для обработки материала сфокусированным пучком.

Дополнительная катушка магнитного поля дает возможность перемещать магнитное поле и контролировать радиус электронного пучка на мишени. Энергия, переносимая электронным  пучком измерялась калориметром с предварительной калибровкой (рис. 2.3).

Рисунок 2.3. Зависимость энергии электронного пучка от давления аргона (расстояние от электронной пушки до калориметра указано на рисунке)

Для обработки изделий ионами плазмы был использован плазменный источник с накаливаемым катодом (ПИНК)  со следующими параметрами:

  • ток накала катода 100 .. 150 A;
  • напряжение накала катода 4 .. 12 В;
  • ток разряда 1 .. 150 A;
  • напряжение разряда 30 .. 60 B;
  • ток магнитной катушки 0,4 .. 0,8 A.

Диффузия азота наблюдалась на глубину около 100 мкм в случае экспериментов с SKD11. Твердость при этом увеличилась с 870 кГ/мм2 до 1750 кГ/мм2 . Это связано с формированием интерметаллического композита Fe4N (Рис. 2.4).

  1.                                        (б)

Рисунок 2.4. Поперечный шлиф мишени из стали SKD11  после диффузии ионов азота (a) и микротвердость поверхности (б)

Генерация ионного пучка была обеспечена использованием полого анода с приложением положительного потенциала в несколько кВ. Схема ионной пушки приведена на рис. 2.5.

Рисунок 2.5. Схема ионной пушки

Ток ионного пучка  линейно зависил от плотности плазмы  до плотности 109 см–3. При переходе в искровую стадию разряда плотность  плазмы была 1010 см–3 и более. Толщина двойного слоя, образуемого над поверхностью обрабатываемой мишени, при этом  пропорциональна плотности плазмы. Схема процесса ионной имплантации для двух этих режимов приведена на рис. 2.6.

Рисунок 2.6. Формирование двойного слоя над обрабатываемой мишенью при двух различных плотностях плазмы

Для технологии обработки изделий из металлических материалов была создана комбинированная установка для генерации электронных и ионных пучков, рис. 2.7. Электронный пучок, генерируемый в источнике с полым катодом, как правило, использовался для нагрева и отжига обрабатываемых изделий.

Рисунок 2.7. Комбинированная установка на основе  ионной пушки и источника электронов с полым катодом. Основные параметры установки приведены на рисунке

Ионный имплантер (рис. 2.8 и 2.9) с распылением мишени ионами плазмы, формируемой в разряде Пеннинга, была создана для решения проблемы улучшения адгезии покрытий к подложке. Ток имплантации 20 .. 30 мА/см2 при ускоряющем напряжении до 30 кВ.

Рисунок 2.8. Фотография установки для ионной имплантации

Рисунок 2.9. Схема ионной имплантации. 1- анод, 2- корпус установки, 3- держатель мишени со смещением.

Были изучены свойства твердосплавных пластин (WC, 9% Co) и стали SKD11 при обработке ионным пучком, формируемым в установке, рис. 2.9.  Материал анода - TiB2, камера заполнялась азотом  в смеси с аргоном.

В случае обработки изделий из твердых сплавов (WC, 9% Co), использование Ar более эффективно чем N2. Коэффициент трения в случае с аргоном уменьшается на  30% и зависит от имплантируемой дозы, но увеличивается при использовании N2. Это связано с образованием соединений азота. Износ значительно уменьшается в случае применения аргона. Значение твердости в этих случаях не показало принципиальной разницы между использованием N2 и Ar.

При обработке стали SKD11 границы зерен становятся более заметными с увеличением дозы в случае использования Ar и N2. Твердость же значительно возрастает при использовании N2. Изменения в величине износа не были заметны как для Ar, так и для N2.

Образование кубического нитрида бора (cBN) внутри материала подложки с применением мишени из гексагонального нитрида бора (hBN) было зафиксировано с помощью рентгеновского дифракционного  анализа на пластинах из стали (SKD11) и меди. Размер кристаллов был подсчитан по уравнению Шеррера: L = K/ (0cosB). На образцах обоих материалов была подтверждена генерация cBN с размером кристаллитов около 30 нм. Соотношение фаз из кубического и гексагонального нитрида бора соотносилось как cBN : hBN = 83:17.

Основные выводы по второй главе:

  1. В случае обработки материалов электронными пучками:
    1. При плотности плазмы, через которую распространяется электронный пучок np ≥ (9-10)11 см–3, возможно сфокусировать электронный пучок на мишени с помощью внешнего магнитного поля специальной конфигурации; пучок с начальным радиусом 3 см можно сфокусировать до ~ 1 см;
    2. Учет собственного магнитного поля пучка и начальный угловой разброс электронов пучка уменьшают расчетную эффективность транспортировки энергии пучка до 30% от исходной;
  2. В случае плазменной обработки материалов глубина диффузии азота около 100 мкм при обработке стали SKD11, при этом образование соединения  Fe4N приводит к значительному увеличению твердости: с 870 кГ/мм2 до 1750 кГ/мм2.
  3. Создана установка комбинированной обработки изделий ионным и электронным пучком.
  4. Ионная имплантация Ar в твердые сплавы на основе карбида вольфрама - более эффективна, чем имплантация N2 при низких дозах. Коэффициент трения в случае применения Ar уменьшится на 30%, по сравнению с N2. Это связано с формированием соединений азота. Твердость при этом практически не изменяется. Применение аргона также приводит к значительному улучшению трибологических свойств поверхности. При увеличении плотности энергии границы зерен проявляются более значительно как при использовании Ar, так и N2.
  5. При ионной имплантации в сталь SKD11 твердость значительно возрастает при использовании N2. Коэффициент трения уменьшается в 3 раза и в 2 раза при использовании Ar. На образцах SKD и меди было подтверждено появление кубического нитрида бора (cBN) с размером зерен около 30 нм, отношение cBN и hBN (гексагонального) cоcтавило 83:17.

В третьей главе «Применение пучково-плазменных технологий» изложены области использования разработанных технологий в следующих направлениях:

  1. Упрочнение фасонных штампов. Ограниченный  срок службы

фасонных штампов обусловлен формированием трещин на поверхности при электроэрозионном методе формирования рабочего рельефа. Их появление связано с диффузией кобальта в поверхностном слое. Увеличение срока службы достигается применением алмазоподобных твердых покрытий, которые уменьшают коэффициент трения. Анализ результатов элементного анализа показал, что в случае формирования поверхности с низкой шероховатостью  сталь удовлетворяет условиям пластичности. Хрупкость и твердость зависят от содержания кобальта и однородности распределения частиц WC. Использование электронных пучков обеспечивает снижению шероховатости фасонных штампов. Поскольку такая обработка не применима для поликристаллических алмазов, алмазоподобные покрытия осаждаются после обработки электронным пучком.

  1. Экструзионные матрицы. Электроразрядная обработка позволяет увеличить сопротивление распространению трещин, возникающих при облучении электронным пучком. Значительная шероховатость обрабатываемой поверхности может быть снижена за счет импульсного вакуумного пробоя, когда обрабатываемая деталь является катодом. Взрывная эмиссия электронов, формирующаяся, в основном, на микровыступах поверхности катода, приводит к снижению шероховатости поверхности.
    Трещины ликвидировались вплавлением порошка меди с помощью установки электронного облучения SOLO. Результаты сканирующей электронной микроскопии и электронного микрозондового анализа показали, что расплавленная медь проникает внутрь трещин и сглаживает поверхность. WC-Cu (Cu, связанный c WC) имеет на 30-60% более высокое сопротивление к износу, чем WC-Co (Co, связанный с WC). Угол смачивания бескислородной меди на поверхности WC при температуре MP+50K составляет 0° (±5°), поэтому расплавленная медь практически полностью покрывает поверхность подложки WC. Штампы WC-Co с поверхностью, покрытой медью, показывают более низкий коэффициент трения при эксплуатации, чем алмазоподобные покрытия (μ ≤ 0,01). При нанесении медного покрытия толщиной 0,1 мкм за счет осаждения паров Cu на WC, износ поверхности уменьшается вдвое. При этом кобальт  удалялся с поверхности штампа WC-Co с помощью кислоты, а  окислы – реагентом «Мураками» с одновременным ультразвуковым облучением. Установку SOLO использовали для испарения тонких пластинок меди, расположенных под экструзионной матрицей, для прессования фильтра очистки выхлопных газов дизельных двигателей. Ее применение привело к уменьшению коэффициента  трения и увеличению износостойкости экструзионной матрицы.

Рисунок 3.3. Микроструктура штампа фильтра после осаждения меди

  1. Пресс-формы. При использовании стали SKD11 в качестве пресс-форм причиной появления трещин является Cr, содержащийся в карбидах M7C3; в стали SKD61 причина трещин – нерастворимый карбид металла;

Рисунок 3.4. Микрофотография стали SKD11. Стрелками отмечены включения карбида металла с хромом.

В связи с этим был разработан технологический процесс, включающий несколько  циклов полировки материала штампа облучением электронным пучком с низкой энергией.  Для этого была разработана и осуществлена последовательность следующих операций:

    • установка диафрагмы на электронную пушку;
    • установка сетки;
    • установка третьей катушки магнитного поля под обрабатываемым объектом;
    • выбор необходимого диаметра катода;
    • выбор конфигурации катода;
    • определение  диаметра анода;
    • сканирование электронным пучком.

Эти операции, как вместе, так и по отдельности, использовали для оптимизации условий облучения электронным пучком. Результатом внедрения в производство явилось сокращение времени рабочего цикла производства изделий без усадки.

  1. Медицина:
    • Стенты. Широко используется методика лечения инфаркта миокарда с помощью установки стента и его фиксирования в коронарных артериях. Для очистки от заусенец после лазерной резки применялось кислотное травление и обработка электронным пучком 40 выстрелами по установленному на деревянном держателе стенту с последовательным поворотом его на 90° вокруг оси (угол наклона 5 .. 10°).
    • Никелид-титановые нити. Облучение электронным пучком NiTi нитей может привести к увеличению их коррозионной стойкости. Образец, облученный электронным пучком, имеет более высокую устойчивость к коррозии. Для увеличения усталостной стойкости производят дополнительную обработку кислотой; внутренние напряжения при изгибе и размер трещин уменьшают отжигом. Небольшие трещины и вмятины можно связывать с формированием выделившейся фазы Ni4Ti3, являющейся причиной уменьшения прочности на изгиб. Оптимальные механические свойства NiTi-нити, обработанной электронным пучком, можно получить, изменяя режим отжига для замедления выделения фазы Ni4Ti3. Это можно четко увидеть после выдержки  при температуре 500°С в течении 1 часа, рис 3.6.

Рисунок 3.6. Рентгенограмма образцов Ni4Ti3 после обработки электронным пучком и отжига

    • Протезы бедра и коленного сустава. С помощью облучения протезов из металлических материалов электронным пучком  получена высокая коррозийная стойкость при достижении высокой биосовместимости, а также высокая твердость и низкая шероховатость поверхности. Эти факторы увеличивают износостойкость и снижают коэффициент трения.
    • Зубные протезы. В настоящее время все чаще для изготовления зубных протезов применяют наноструктурированные металлические материалы (например, Au-Ag-Pd). Предложено обрабатывать их электронным пучком для уменьшения шероховатости поверхности, усиления блеска и повышения сопротивления эрозии. Наилучший эффект с наименьшим количеством циклов обработки достигается дополнительным применением титановой присадки в сплав.
    • Фиксаторы сломанных костей из титановых сплавов. На поверхности изделий, обработанных электронным пучком, формируется тонкий мелкозернистый рекристаллизационный слой с измененной микроструктурой. Одновременно происходит сглаживание поверхности, что положительно сказывается на сопротивлении коррозии и водоотталкивающей способности.
  1. Режущий инструмент. В настоящее время все более широкое применение в промышленности находит использования режущего инструмента, работающего без специального охлаждения. В связи с этим, широко востребованы твердые алмазоподобные покрытия, обладающие низким коэффициентом трения. Основной проблемой является повышение адгезии покрытия к поверхности инструмента. На адгезионные свойства покрытия влияют  примеси кислорода и азота в процессе осаждения покрытий. Ионная имплантация TiB2  повышает качество покрытий, не изменяет размеры инструмента и уменьшает износ вдвое. Зона контакта инструмента с обрабатываемой деталью на глубине 3 .. 5 мкм при этом нагревается до температуры плавления стали.
  2. Детали двигателя. Обнаружено, что при смазке безводородные алмазоподобные пленки показывают более низкий коэффициент трения, чем алмазоподобные пленки, содержащие водород,  за счет абсорбции глицерола моноолеата (GMO) в смазке. В связи с этим, необходимо обеспечивать высокую адгезию покрытий и стабильный коэффициент трения, не увеличивающийся по мере износа.
  3. Алмазоподобные пленки на основе углерода. Кристаллизация пластинчатых слитков изотропного графита с алмазоподобным покрытием, производимого в полупроводниковой промышленности, происходит с невысокой скоростью. В связи с этим, формирование покрытий изделий из углерода представляет значительные трудности. Нам удалось найти режим формирования углеродного покрытия с увеличенной твердостью и высокой адгезией. Это обеспечивается нагревом графита в вакууме при температуре 200°С в течении 2 часов.
  4. Наноуглерод, луковицы наноуглерода и наноалмазы. Существуют два пути их создания. Один из них – производство в сухом виде «алмаза из сажи», рис. 3.7.

Рисунок 3.7. Схема формирования наоалмазов и нанолуковиц из сажи

Рисунок 3.8. Фото нанолуковицы

Ранее нанолуковицы были получены в ПЭМ при длительной экспозиции. Нами была произведена трансформация графита в графитовую нанолуковицу при облучении электронным пучком. Большие частицы нанолуковиц с диаметром 90 нм могли быть получены из аморфного графита с использованием импульсного облучения (30 кВ, 100 выстрелов). В данном методе роль катализатора для синтезирования нанолуковицы играет «медная плазма». Электронный пучок, плазма меди и высокое значение  плотности и являются в данном методе необходимыми составляющими. Переход изотропного графита в нанолуковицу может быть произведен при плотности тока 17 кА/см2 и плотности энергии 78 Дж/см2. Как показал анализ на ПЭМ, при использовании данного метода, после двух лет выдержки образца, нанолуковицы были стабильны. Трансформация структуры происходит за счет разрушения связей углерода с помощью электронного пучка, выбивания атомов углерода из решетки и увеличения температуры. Достигаемая температура за счет высокой плотности тока за один импульс может быть достаточной для испарения графита.

  1. Полировка поверхности ультрафиолетовым излучением. Полировку поверхности поликристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий осуществляют ультрафиолетовым излучением вместе с фотокатализатором TiO2. На поверхности фотокатализатора происходят реакции окисления и восстановления. Этот метод позволяет  удалять атомы углерода в форме CO2 с поверхности. Окислению способствует фотокатализатор TiO2, который обеспечивает генерацию радикалов кислорода и гидроксила с помощью фотокатализа. Поликристаллический алмаз с первоначальной шероховатостью Ra 0,278 мкм, Rz 1,840 мкм после обработки в течении 2 часов ультрафиолетовым излучением c добавлением порошка TiO2 имеет шероховатость Ra 0,062 мкм и Rz 0,060 мкм.

Рисунок 3.9. Механизм реакции фотокатализа с использованием TiO2

Данный механизм генерации CO2, рис. 3.9 представляется двумя стадиями:

               (1)

               (2)

                               (3)

                       (4)

                       (5)

               (6)

Двуокись титана в соединении с азотом при добавлении чистой двуокиси титана (TiO2/TiO2-XNy) имеет более высокую фотокаталитическую активность, чем анатаз.

Рисунок 3.10. Схема фотоиндуцированного разделения заряда на соединениях TiO2/TiO2-XNy

Реакция может быть описана следующими уравнениями:

               (4)

                       (5)

                       (6)

  1. Товары народного потребления – лезвия бритвы. Заточка острия лезвия происходит с помощью воздействия  плазмы – физического распыления поверхности ионами плазмы инертного газа. Основным параметром источника питания для данной обработки является однородность плотности тока вдоль поверхности лезвия. Наиболее эффективными источниками ионов для обработки больших поверхностей являются ускорители с замкнутым дрейфом электронов и узкой зоной ускорения. Генераторы газовой плазмы на основе газового разряда с термокатодом используются для высокоэффективной обработки ионами плазмы с концентрацией до  1010 см–3 при давлении 0,8 .. 1,5 Па. Процесс азотирования обеспечивает нагрев лезвий до 350 °C, при этом начинается процесс диффузии атомов азота c поверхности лезвий. Катод генератора дуговой плазмы представляет собой комбинацию полого плазменного катода и термокатода. Варьируемые параметры: плотность лезвий в загрузке на держателе, расстояние от источников ионов, ориентация лезвий относительно оси ионного пучка, величина ускоряющего напряжения и ток ионов. При напряжении смещения 800 В и давлении в камере 1,2 Па источник смещения обеспечивал необходимый режим обработки. В данном случае средний ток разряда составлял 8 -12 A. Это позволило создать лезвие с углом заточки 16° и радиусом закругления лезвия 300 .

       Публикации

  1. Akira Okada, Yoshiyuki Uno, Kohsuke Sato, Ken Hachinota, Kensuke Uemura, Purwadi Raharjo. A New Surface Finishing Process for Bio-Titanium Alloy Products by Wide-Area Electron Beam Irradiation // J. of the Japan Society of Electrical Machining Engineers. – 2004. - Vol. 38, No.89. - P. 27-34.
  2. Akira Okada, Yoshiyuki Uno, Noriyasu Yabushita, Kensuke Uemura and Purwadi Raharjo. High efficient surface finishing of bio-titanium alloy by large-area electron beam irradiation // J. of Materials Processing Technology. – 2004. – Vol. 149. - P. 506-511.
  3. Akira Okada, Yoshiyuki Uno, Noriyasu Yabushita, Kensuke Uemura, Purwadi Raharjo. Study of High efficiency finishing process on machined mold surface by large-area electron beam irradiation (1st Report) – Possibility of Smoothing of EDMed Surface and Analysis of Fundamental Machining Characteristics // J. of The Japan Society for Precision Engineering. – 2003. – Vol. 69. – P. 10.
  4. Akira Okada, Yoshiyuki Uno, Noriyasu Yabushita, Kensuke Uemura, Purwadi Raharjo. Smoothing of EDMed surface of precise metal mold by large-area electron beam irradiation // Die and Mold Technology. – 2003. – Vol. 18, No. 8. - P. 104-105.
  5. Akira Okada, Yoshiyuki Uno, Kensuke Uemura, Purwadi Raharjo and Toshihiko Furukawa. Surface Modification of EDMed Surface by Wide-area Electron Beam Irradiation // Proc. of the 18th American Society for Precision Engineering Annual Meeting. – 2003. - P. 172 - 175.
  6. Okada, Y. Uno, N. Yabushita, K. Uemura, and P. Raharjo. Study on Surface Finishing of Metal Mold by Large-area Electron Beam Irradiation // Proc. of the International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century, Niigata. – 2003. - P. 55-59.
  7. Akira Okada, Yoshiyuki Uno, Yabushita, Kensuke Uemura, Purwadi Raharjo. Study on Surface Finishing of Dies by Using Large Area Electron Beam // Proc. of the National Meeting of Japan Society of Electrical-Machining Engineers, Saitama. – 2002. - P. 57-60.
  8. P. Raharjo, K. Uemura, A.I. Borokov. Durable SiC Honeycomb for Diesel Fuel Emission with Electron Beam Irradiation // Proc. of 8th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia. – 2006. - P. 408-411.
  9. P. Raharjo, K. Uemura,  A. Okada, Y. Uno. Application of Large Area Electron Beam Irradiation for Surface Modification of Metal Dies // Proc. of 7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia. – 2004. - P. 263-266.
  10. P. Raharjo, K. Uemura,  A. Okada, Y. Uno. Application of Large Area Electron Beam Irradiation for Surface Modification of Implant Materials // Proc. of 7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia. – 2004. - P. 267 - 270.
  11. P. Raharjo, H. Wada, Y. Nomura, G. E. Ozur, D. I. Proskurovsky, V. P. Rotshtein, K. Uemura. Pulsed Electron Beam Technology for Surface Modification of Dental Materials // Proc. of 6th International Conference on Modification of Materials with Praticle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia. – 2002. - P. 679-682.
  12. V. Kuhkta, P. Raharjo, K. Uemura. Electron Beam Transport and its Symmetric Energy Distribution // Proc. of 8th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia. – 2006 - P. 15-18.
  13. Yoshiyuki Uno, Akira Okada, Noriyasu Yabushita, Kensuke Uemura, Purwadi Raharjo. Mold Surface Finishing and Modification by Large-Area Pulsed Electron Beam // Meeting of the Japan Society of Electrical-Machining Engineers, Tokyo. – 2003. - P. 12-17.
  14. Rubshtein A., Trakhtenberg I., Volkova E., Vladimirov A., Gontar A., Uemura K. The interrelation between structure and mechanical properties of CNX (0≤x≤0,5) coatings obtained by graphite arc sputtering // Diamond & Related Materials. – 2005. – No. 14. - P.1820-1823.
  15. Trakhtenberg I., Bakunin O., Korneyev I., Plotnikov S., Rubshtein A., Uemura K. Substrate surface temperature as a decisive parameter for diamond-like carbon film adhesion to polyethylene substrates // Diamond and Related Materials. -  2000. – No. 9. - P.711-714.
  16. Okada A., Uno Y., Uemura K., Raharjo P., McGeough J. Surface modification for orthopedic titanium alloy by wide-area electron beam // Proc. IMechE. – 2007. - Vol. 221, Part B. - J., Engineering Manufacture. - P. 98-101.
  17. Канаев Г.Г., Кухта В.Р., Лопатин В.В., Нашилевский А.В., Ремнев Г.Е, Фурман Э.Г., Уемура К. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий // Становление и развитие научных исследований в высшей школе: Сборник трудов международной научной конференции, посвящённой 100-летию со дня рождения профессора А.А. Воробьёва.  - 2009 - T. 2. – C. 259-264.
  18. Uemura K., Kanaev G.G., Kukhta V.R., Lopatin V.V., Nashilevskii A.V., Remnev G.E., Furman E.G. A high-voltage pulse generator for electric-discharge technologies // Instruments and Experimental Techniques. – 2010. – Vol. 53, No. 1. – P. 95-99.
  19. K. Uemura, Nashilevskiy A.V., Kanaev G.G., Kukhta V.V., Lopatin V.V., Remnev G.E. Removing concrete surface by electric discharge // 10th International Conference on Modification of materials with Particle Beams and Plasma Flows: Proceedings / Edited by Koval N., Ryabchikov A., Tomsk. - 2010. – P. 764-766.
  20. Remnev A.G., Shalnov K.V., Kukhta V.R., Purwadi R., Ochi T., K. Uemura. Electron Beam and Ion-Plasma Treatment of Pain-Less Syringe Needle // 10th International Conference on Modification of materials with Particle Beams and Plasma Flows: Proceedings / Edited by Koval N., Ryabchikov A., Tomsk. - 2010. – P. 278-281.
  21. Канаев Г.Г., Кухта В.Р., Лопатин В.В., Нашилевский В.А., Ремнев Г.Е., Фурман Э.Г., Уемура К. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий // Приборы и техника эксперимента.- 2010. - № 1. – С. 105-109
  22. Yoshiyuki Uno, Kensuke Uemura, Shugo Tanaka. TiB2 implantation treatment for accurate tooling formed cutter (Japanese) // Machine and Tools. - Feb, 2005. - P. 78-82.
  23. Kensuke Uemura, Purwadi Raharjo, Morioki Shibuya, «Equipment for Compact Disc Manufacturing», Japanese Patent, 001086 (2004).
  24. Kensuke Uemura, Seigo Uehara, Purwadi Raharjo, Dmitry I. Proskurovsky, Vladimir P. Rotshtein, Gregorii Ozur, «Electron beam machine for denture dies, method of denture surface modification by the electron beam method, and dentures irradiated by the electron beam», Japanese patent, 111778 (2003).
  25. Kensuke Uemura, Seigo Uehara, Purwadi Raharjo, Dmitry I. Proskurovsky, Vladimir P. Rotshtein, Gregorii Ozur, «Surface Modification Process on Metal Dentures, Products Produced Thereby, and the Incorporated System Thereof», US patent, 6,863,531 (2005).
  26. Kensuke Uemura, Seigo Uehara, Purwadi Raharjo, Proskurovsky Dmitri, Evgen'evich Ozur Grigorii, Petrovich Rotshtein Vladimir, «Surface modification process on metal dentures, products produced thereby, and the incorporated system thereof», US patent 7,002,096 (2006).
  27. Uno Yoshiyuki, Okada Akira, Uemura Kensuke, Purwadi Raharjo, «Method for surface treating a die by electron beam irradiation and a die treated thereby», US patent, 7,049,539 (2006).
  28. Yoshiyuki Uno, Akira Okada, Kensuke Uemura, Purwadi Raharjo, «Electron Beam Surface Modification Process on Dies and Products Produced Thereby», Japanese Patent, 001086 (2004).
  29. K. Uemura et al, Japan Patent Application 2008-189637 2008,07. 23.
  30. Uno Y., Okada A., Uemura K., Raharjo P. «Method of surface treatment of a die by electron beam irradiation, and the treated die», US Pat. 2003/0183743 (2003).
  31. Канаев Г.Г., Кухта В.Р., Лопатин В.В., Нашилевский А.В., Ремнев Г.Е., Уемура К. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий. 2009124831 (2010).
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.