Низкая цена
Всего 249a за скачивание одной диссертации
Скидки
75 диссертаций за 4900a по акции. Подробнее
О проекте

Электронная библиотека диссертаций — нашли диссертацию, посмотрели оглавление или любые страницы за 3 рубля за страницу, пополнили баланс и скачали диссертацию.

Я впервые на сайте

Отзывы о нас

Источник широких электронных пучков на основе разряда с самонакаливаемым полым катодом для азотирования сталей и сплавов : диссертация ... кандидата технических наук : 01.04.13

Год: 2013

Номер работы: 28749

Автор:

Стоимость работы: 249 e

Без учета скидки. Вы получаете файл формата pdf

Оглавление и несколько страниц
Бесплатно

Вы получаете первые страницы диссертации в формате txt

Читать онлайн
постранично
Платно

Просмотр 1 страницы = 3 руб



Оглавление диссертации:

Актуальность проблемы На сегодняшний день существует достаточно много способов повышения надежности и долговечности ответственных узлов и деталей машин. Поскольку механическому износу, а также таким воздействиям рабочей среды как коррозия в первую очередь подвергается поверхность детали, то экономически более целесообразно не изготавливать деталь из дорогостоящего материала, а формировать на поверхности функциональный слой с требуемыми механическими и другими характеристиками. Химикотермичес

Азотирование - это один из видов химико-термической обработки изделий из сталей и сплавов, заключающийся в насыщении их поверхностного слоя азотом путем выдержки в течение определенного времени при повышенной температуре в активной среде с целью модификации различных функциональных свойств поверхности, таких как твердость, коррозионная стойкость, износостойкость, задиростойкость и т.д [1, 4]. К настоящему диффузионного времени разработано большое число методов газовое насыщения сталей и сп

В основе азотирования лежит процесс диффузионного насыщения приповерхностного слоя нагретой детали азотом, для описания которого используется первое уравнение Фика для термически активированной диффузии [10]: где J - плотность потока вещества, D - коэффициент диффузии, С концентрация растворенного вещества. Согласно этому закону основной движущей силой процесса диффузии является градиент концентрации внедренного вещества по толщине приповерхностного слоя. Кинетика же процесса азотирования

.

Для повышения насыщающей способности активной газовой среды чаще всего используются различные виды газовых разрядов. Наибольшее распространение в промышленности получило ионно-плазменное азотирование в тлеющем разряде. Классическая схема установки для реализации этого метода азотирования представлена на рис.

1.3 [16]. Стенки вакуумной камеры служат анодом тлеющего разряда, а садка с азотируемыми изделиями помещается под катодным потенциалом. В настоящее время существует два основных те

1.2.2. Использование дуговых разрядов для азотирования материалов Дуговые разряды различных видов также могут быть эффективно использованы при создании генераторов плазмы для ионно-плазменной обработки изделий. Так, в работе [32] описывается метод локального азотирования поверхности с помощью дугового разряда с накаливаемым полым катодом (Рис.

1.7). При азотировании титана при давлении газа до 600 Па и токе разряда до 30 А за время ~5 мин на поверхности удавалось сформировать слой нитри

1.2.3. Азотирование в тлеющем разряде с активным экраном В целях устранения основных недостатков азотирования в тлеющем разряде многими исследователями ведутся поиски альтернативных способов генерации плазмы и разработка соответствующих газоразрядных систем. В частности одной из разновидностей электроразрядных систем для ионноплазменного азотирования материалов является система с так называемым «активным экраном» (active screen, cathodic cage) [36, 37]. Суть метода заключается в том, что азот

1.3. Применение электронных пучков для ионно-плазменного азотирования Еще одним способом генерации азотной плазмы для азотирования металлических изделий является использование электронных пучков. Известно, что распространение электронного пучка в газе низкого давления сопровождается интенсивным взаимодействием электронов пучка с атомами и молекулами газа [38]. Неупругие столкновения быстрых электронов с нейтральными частицами, частота которых определяется давлением газа и сечением соответст

На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы: 1. Современным требованиям к экологической безопасности и энергоэффективности в большей степени удовлетворяют ионно-плазменные методы азотирования, основанные на обработке изделий в безводородных газовых смесях с использованием газоразрядных систем различных видов. 2. Тлеющий разряд, функционирующий при относительно высоких давлениях газа (100 - 500

Па) и высоких напряжениях горения (600 - 900 В), представляется менее энерг

Традиционно газоразрядная плазма для технологических применений генерируется с помощью газовых разрядов низкого давления: тлеющего либо дуговых с холодным или накаливаемым катодом. Генерация стабильной однородной плазмы, высокая плотность тока и простота технической реализации делают тлеющий разряд привлекательным для его применения в генераторах плазмы. Однако высокие напряжения горения разряда (от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт), во-первых, повышают энергозатраты на поддержа

В 1962 году Lidsky L.M. и др. был обнаружен новый тип дугового разряда с полым катодом (Hollow Cathode Arc) [48], особенностью которого было то, что он горел в диффузной форме, т.е. без катодного пятна, а эмиссия электронов с поверхности катода имела термоэмиссионную природу. Обычно в таких системах на начальной стадии зажигается тлеющий разряд, между полым катодом и анодом. После непродолжительного горения разряда в тлеющей форме стенки катода под действием ионной бомбардировки разогреваются

Эксперименты проводились на вакуумной установке с двухступенчатой системой откачки. Экспериментальные образцы разрядных систем размещались на крышке вакуумной камеры диаметром и высотой 500 мм. Система откачки включала форвакуумный насос 2НВР-90Д и турбомолекулярный насос ТМН-500. Измерение давления осуществлялось термопарным и ионизационным манометрическими преобразователями вакуумметра ВИТ-3. Газ в камеру напускался либо через катод разрядной системы, либо напрямую в объем камеры, а пото

Для первых экспериментов в предложенной разрядной системе, выявления особенностей зажигания и горения разряда и определения ее рабочих характеристик в качестве материала самонакаливаемого трубчатого катода был выбран ниобий, имеющий достаточно низкую по сравнению с другими тугоплавкими металлами, работу выхода <р~4,01 эВ (работа выхода для вольфрама составляет: 4,55 эВ, для тантала 4,12 эВ, для молибдена 4,37 эВ [62]). Как было установлено в [72], наиболее благоприятный для существования

2.4. Вольтамперные характеристики разряда с самонакаливаемым полым катодом. 1 - без теплового экрана, Q = 0,5 см7с; 2, 3 - с тепловым экраном, Q = 0,5 и 1 см7с соответственно. 120 40 -40 I 8 Рис.

2.5. Зависимость прироста массы катода от времени работы. Давление газа 0,1 Па, ток разряда 15 А. На рис.

2.7 показано распределение микротвердости в поперечном сечении катода в области активной зоны. Видно, что уже после первых нескольких часов работы в среде азота формируются нитр

Дороговизна и труднодоступность ниобия и металлопроката из других тугоплавких металлов обусловили необходимость поиска альтернативного материала для изготовления термоэмиссионного полого катода, пригодного к использованию в системах генерации азотной плазмы. Объектом исследования был выбран титан, который примечателен тем, что при нагреве в среде азота на его поверхности формируется нитрид титана (TiNx, х = 0,58

1) - тугоплавкий материал, с температурой плавления 2930°С [73]. Также для

В течение -2-х минут после инициирования происходил разогрев трубки ионным потоком до температуры, обеспечивающей переход от преимущественно ионно-электронной эмиссии к термоэлектронной эмиссии, после чего разрядная система переходила в режим самонакаливания полого катода. В процессе разогрева катода давление азота в вакуумной камере значительно снижается. При величине потока газа 40 см7мин и токе разряда 3 А давление азота падает с исходного значения 1 Па до 0,3 Па за время порядка всего нес

Измерение температуры катода осуществлялось инфракрасным пирометром ЛУЧ (Рида-С, г. Самара) сквозь вакуумное кварцевое стекло через щель в тепловых экранах шириной 4 мм по всей длине трубки. Путем сканирования внешней поверхности были получены распределения температуры катода по длине. Из полученных зависимостей (рис.

2.18) видно, что повышение тока разряда достигается как ростом температуры катода в активной зоне, так и увеличением линейного размера самой активной зоны, к тому же при

Ресурс катода в установках для ионно-плазменной модификации свойств материалов является одной из важных рабочих характеристик. Для определения срока службы катода из нитрида титана были проведены ресурсные испытания катода (рис.

2.21). Испытания проводились при двух значениях тока разряда и постоянном давлении рабочего газа 1 Па. При горении разряда в среде азота наблюдается увеличение массы катода в течение первых 12 часов при токе разряда 15 А и в течение 48 часов при токе 10 А. После

2 1. Разработана конструкция разрядной системы с самонакаливаемым трубчатым полым катодом и газоразрядной вспомогательной ячейкой инициации разряда. 2. Разрядная система на основе катода из ниобия способна работать при величине потока газа от 10 до 50 см7мин, давлениях в вакуумной камере от 0,1 до 10 Па, обеспечивая ток разряда от 4 до 30 А. При этом ресурс ниобиевого катода в среде аргона или азота, ограниченный ионным распылением, составляет -200 ч при токе 15 А. 3. В качестве материала дл

Разрядные системы с самонакаливаемым полым катодом для получения низкоэнергетичных электронных пучков большого сечения ранее не применялись, что связано с высокой степенью неоднородности плазмы по диаметру плазменной струи на выходе из полого катода в поперечной относительно оси катода плоскости [80]. Однако, подобные системы с полым катодом были успешно применены при создании ионных источников с низкой степенью неоднородности плотности тока по сечению пучка, в частности, с помощью периферий

Для формирования электронного пучка была использована двухступенчатая разрядная система, в первой ступени которой происходила генерация эмиссионной плазмы, а во второй ступени формировался широкий электронный пучок. На начальном этапе работы источника зажигался тлеющий разряд между полым катодом 1 и полым анодом 7 (рис.

3.1). Через непродолжительный промежуток времени катод разогревался и переходил в термоэмиссионный режим. Затем между полым анодом и разрядной камерой прикладывалось ус

Распределения плотности электронного тока в сечении электронного пучка измерялись системой плоских зондов, имеющих потенциал коллектора. Распределение тока по диаметру пучка на расстоянии 10 мм от сетки (рис.

3.2) резко неоднородно. При увеличении расстояния от сетки неоднородность пучка, сформированного в плоскопараллельной системе, уменьшается в результате его рассеяния на атомах и молекулах рабочего газа. Плазма анизотропной, в пространстве причем между ее сеткой и коллектором в явл

Для понимания роли тех или иных компонентов генерируемой в разработанной разрядной системе плазмы необходимо иметь представление о ее качественном и количественном составе, для чего была проведена диагностика плазмы методом оптической эмиссионной спектроскопии. Ранее газоразрядная плазма, используемая при азотировании сталей и сплавов, уже исследовалась этим методом [84, 85], однако отличия в методах генерации плазмы, конструкции и материалах разрядной системы могут оказать существенное влия

Для повышения производительности метода азотирования изделий в плазме электронного пучка было предложено перейти от плоскопараллельной геометрии к цилиндрической, формирующей широкий радиально-расходящийся электронный пучок. В отличие от традиционной плоско-параллельной системы формирования широкого электронного пучка, в предложенной конструкции максимальная суммарная площадь обрабатываемых изделий будет увеличиваться с расстоянием от сетки. Площадь боковой сетчатой поверхности полого ан

Увеличение ускоряющего напряжения и давления газа приводит к повышению эффективности извлечения электронов из плазмы разряда а, которая определяется отношением тока пучка к току разряда (рис.

3.10). Величина а зависит также от размера ячеек сетки. В области низких давлений газа стабильно работают сетки с размером отверстий до 3 мм, по мере роста давления при достижении а~\, размер ячеек в сетках приходилось уменьшать. При поперечном извлечении пучок на расстоянии 30 мм однороден в облас

Распределения плотности ионного тока в плоскости цилиндрического коллектора показаны на рис.

3.12. Неоднородность распределения плотности тока в средней части сечения пучка уменьшается с ростом давления газа и составляет -30% на длине 100 мм при давлении газа Р — 0,6 Па. Для оценки возможности равномерного азотирования большой поверхности материала в разрядной системе с радиально-расходящимся электронным распределения пучком были проведены тока измерения на боковой азимутального поверх

Для увеличения плотности плазмы, создаваемой электронным пучком, при низких давлениях газа и повышения эффективности ее генерации в исследуемой системе использован режим осцилляции быстрых электронов, который обеспечивается при сеточном потенциале коллектора 9 и подаче ускоряющего напряжения на стержневые аноды 10 (рис. 1). Обычно в экспериментах по плазменному азотированию используются образцы с небольшой площадью поверхности, изменение потенциала которых не оказывает существенного влияния

1 Газоразрядная система с самонакаливаемым полым катодом может быть использована для формирования плазменного эмиттера электронов с большой площадью эмиссионной поверхности (-700 см ) и низкой степенью неоднородности (10%) распределения плотности тока эмиссии. 2. В плоскопараллельной системе формирования электронного пучка радиальное распределение плотности электронного тока в пучке резко неоднородно вблизи сетки при давлении 0,1 Па. С увеличением давления газа и расстояния от сетки степень н

В экспериментах в качестве материалов для азотирования были выбраны аустенитная нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и технический титан марки ВТ1-0. Выбор нержавеющей стали обусловлен тем, что это достаточно широко распространенный конструкционный материал, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Однако механических свойств этой стали бывает недостаточно для использования в приложениях, где требуется повышенная прочность и износостойкость изделия. Ионно-плазменное азотирование нержавеющей стали

Большой интерес к азотированию нержавеющих сталей со стороны многих исследователей [20, 30, 45, 87, 88, 89, 90,] связан с высокими механическими и антикоррозионными свойствами формирующейся в приповерхностном слое фазы расширенного аустенита (в литературе обычно встречаются названия у^-фаза или 5-фаза), представляющей собой твердый раствор с высокой концентрацией азота (20 30 ат.%), близкой к концентрации атомов хрома. Однако азотирование нержавеющих сталей сопряжено с рядом трудностей, чт

Разработанный источник радиально-расходящегося электронного пучка позволяет создавать в разрядной камере плазму необходимой концентрации, а также нагревать изделия из стали до требуемых температур. Поскольку для проведения экспериментов по исследованию влияния параметров электронного пучка и ионного потока на характеристики азотированного слоя можно использовать образцы с относительно небольшой площадью (менее 2 см ), то эти исследования были выполнены в плоскопараллельной геометрии формиров

Достоинством исследуемого метода азотирования является то, что нагрев изделий, помещенных в плазму, генерируемую электронным пучком, может осуществляться как электронами пучка, так и ионами плазмы. Для нагрева изделий до требуемой температуры необходимо обеспечить нагреваемым достаточный уровень плотности мощности, передаваемой изделиям электронным пучком и ионным потоком: W=W3Jl+WUOH=je-Ue+jj-Uj, гдеуе и Ue - плотность тока и энергия падающих электронов соответственно, ji и Ui - плотность

4.1.3. Влияние давления газовой смеси на скорость азотирования стали В экспериментах давление газа регулировалось изменением скорости откачки при постоянном суммарном потоке напускаемого газа. Рабочий диапазон изменения давления газовой смеси в камере составлял 1 - 10 Па при постоянной величине потоков аргона и азота QAT = QN2 = 40 СМ /мин. При таком соотношении азота и аргона, как было экспериментально установлено в работе [45], в исследуемой разрядной системе скорость азотирования максималь

Энергия ионов, падающих на поверхность образцов определяется приложенным к держателю напряжением смещения Us. Эксперименты показали, что при величине Us менее 100 В твердость и толщина слоя резко снижаются, что, вероятно, является свидетельством недостаточного уровня энергии ионов для эффективной ионной очистки поверхности от динамического оксидного слоя, блокирующего поступление активных частиц к поверхности образца. Увеличение энергии ионов приводит к снижению скорости роста азотированного

Азотированию титана и его сплавов посвящено большое число исследований, поскольку этот метод модификации поверхности позволяет значительно улучшить механические свойства изделий контролируя при этом структурно-фазовое состояние материала. Для многих применений важно после ионно-плазменной обработки сохранить исходное состояние поверхности изделия. Однако одним из наиболее существенных недостатков нагрева деталей ионным потоком является развитие микрорельефа [110]. Для поверхности и значите

В экспериментах использовался источник радиально-расходящегося электронного пучка (рис.

4.13), но эмиссия электронов осуществлялась не со всей боковой поверхности полого анода, а только с ее части в пределах угла 120°, которая была перфорирована отверстиями на площади 100 х 130 мм. Диаметр отверстий сетки плазменного катода составлял 3 - 4 мм при толщине сетки - 2 мм. На расстоянии 120 мм от сетки располагался Рис.

4.13. Электродная схема разрядной системы. 1 - полый катод, 2 - с

Плавающим потенциалом называется такой потенциал изолированного электрода в плазме, при котором суммарный ток на него ионов и электронов равен нулю. В случае максвелловского распределения электронов по энергиям плавающий потенциал изолированного электрода в плазме можно оценить из соотношения [113]: где Те - температура электронов, М, и Ме - массы ионов газа и электронов соответственно. В случаях же, когда функция распределения электронов не соответствует максвелловской, например в условия

Эксперименты по азотированию титановых пластин при плавающем потенциале проводилось с использованием титановой сетки, поскольку предварительные эксперименты с сеткой, выполненной из нержавеющей стали, показали, как и в работе [17], недостатки этого материала при

1.6 n X **A* • •

0.4 A* • V "»'ЦМ i 1 [— I i | 40 IA. В 160 Рис.

4.18. Зависимость отношения ионного тока насыщения к току электронов на ускоряющий электрод от ускоряющего напряжения. Ток разряда 10 А. Давл

1. При высокотемпературном стали скорость роста (500°С) азотировании нержавеющей слоя монотонно возрастает с азотированного увеличением плотности ионного тока у, на поверхность образца в диапазоне у, от 1,5 до 6,5 мА/см . При напряжении смещения на образцах 100 В и давлении газовой смеси в камере 3 Па максимальная толщина азотированного слоя, сформированного за 1 час, составила ~30 мкм. 2. Толщина азотированного слоя немонотонно зависит от давления азотно-аргоновой газовой смеси в камере,