Финишное плазменное упрочнение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Финишное плазменное упрочнение (ФПУ) – безвакуумный и бескамерный процесс плазмоструйного осаждения тонкоплёночного покрытия на основе соединений кремния из газовой фазы при использовании малогабаритного плазмохимического реактора с одновременной плазменной активацией реакционного газового потока и локального участка поверхности изделия, на который наносится покрытие.

Разработчиками данной технологии является коллектив ученых и специалистов Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и научно-производственной фирмы ООО «Плазмацентр». Первое упоминание о данном процессе относится к 1991 году[1] .

Название технологии «финишное плазменное упрочнение» (англ. finish plasma hardening), связано с основным назначением данного процесса повышением долговечности изнашиваемых деталей на финишной стадии их изготовления (без изменения геометрических размеров и шероховатости) при воздействии электродуговой плазмы.

Научные основы ФПУ авторами процесса обобщены в монографии, изданной в 2008 и 2013 годах[2].

Патентные права на основные принципы технологии ФПУ принадлежат научно-производственной фирме ООО «Плазмацентр»[3] .

Назначение[править | править код]

Изготовление деталей машин, механизмов и оборудования, инструмента и технологической оснастки, изделий медицинского назначения со специальными характеристиками рабочих поверхностей: износостойкостью, антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, разгаростойкостью, антисхватыванием, стойкостью против фреттинг-коррозии, диэлектрическими, барьерными, биоактивными, бактерицидными и другими свойствами за счет осаждения функциональных покрытий, в основном, толщиной до 2 мкм.

Нанесение покрытий возможно на деталях различных габаритов в любом пространственном положении с помощью малогабаритного и маневренного оборудования.

Эффект от ФПУ[править | править код]

Достигается за счет осаждения аморфных покрытий на основе соединений кремния и изменения свойств поверхностного слоя: увеличения твердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования диэлектрического и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности, минимизации зон скоплений микроорганизмов, возможности биоактивной фиксации с костной тканью.

Сущность[править | править код]

В соответствии с классификацией методов нанесения тонкопленочных покрытий ФПУ относится к классу химического осаждения покрытий из газовой (паровой) фазы (англ. chemical vapor deposition – CVD) стимулированного плазмой (англ. plasma enhanced CVD – PECVD) или ассистированного плазмой (англ. plasma assisted CVD – PACVD). В этих технологиях покрытие образуется на границе раздела двух фаз (газ твердое тело) в результате химических гетерогенных реакций, протекающих вблизи от поверхности, на поверхности и в приповерхностном слое подложки.

Газовая фаза при ФПУ состоит из смеси паров летучих малотоксичных элементоорганических или металлоорганических (англ. metalorganic chemical vapor deposition – MOCVD) и неорганических жидких соединений с газом-носителем, плазмообразующим и защитным газами.

Плазменная активация при ФПУ связана с воздействием низкотемпературной атмосферной плазмы (англ. cold atmospheric pressure plasma) как на газовую фазу, так и на модифицируемую поверхность в условиях генерирования удалённой плазмы (англ. remote plasma enhanced chemical vapour deposition – RPECVD). При этом плазменная активация газовой фазы обеспечивает быстрое термическое разложение вводимых паров и увеличение скорости осаждения покрытия, а плазменная активация и очистка локального участка, на который наносится покрытие, служит для удаления адсорбированных веществ, повышения химической активности и адгезионной способности его поверхностного слоя. Применение удаленной плазмы с учетом разнесения зон её возбуждения и роста покрытия минимизирует тепловую нагрузку на подложку.

Нанесение покрытия на заданную поверхность при ФПУ осуществляется при движении плазменной струи со скоростью 3150 мм/с с учетом образования перекрывающихся полос покрытия шириной 815 мм. После ФПУ параметры шероховатости не изменяются, нагрев изделий не превышает 150°C.

Покрытия на основе соединений кремния, осаждаемые при ФПУ толщиной до 2 мкм, являются прозрачными и имеют радужный цвет от фиолетово голубого до зелено красного (в зависимости от толщины покрытия).

Основными стадиями ФПУ с точки зрения кинетической модели образования покрытия являются:

  • генерирование аргоновой плазмы дугового разряда постоянного тока с образованием заряженных энергетических (электронов и ионов) и нейтральных химически активных частиц (свободных атомов и радикалов);
  • подача паров жидких прекурсоров (летучих элементоорганических и неорганических жидкостей и газа носителя) в поток аргоновой плазмы, формируемый в малогабаритном плазмохимическом реакторе;
  • диссоциация при столкновении с быстрыми электронами аргоновой плазмы молекул паров прекурсоров с образованием новых заряженных энергетических и нейтральных химически активных частиц;
  • направленная доставка совместно с потоком аргоновой плазмы химически активных частиц к поверхности подложки;
  • адсорбция химически активных частиц на подложке с одновременной плазменной активацией аргоновой плазмой поверхности для создания активных центров адсорбции;
  • поверхностная диффузия адсорбированных молекул;
  • вступление в химические реакции адсорбированных химически активных частиц с образованием структурных единиц осаждаемого покрытия;
  • удаление побочных продуктов реакций.

Англоязычный вариант обозначения процесса ФПУ в соответствии с приведенной моделью образования покрытия – PACVD cold atmospheric pressure plasma или Atmospheric Pressure DC Plasma Jet Reactor.

Отличия ФПУ от традиционного CVD процесса[править | править код]

  1. При CVD процессах изделие для нанесения покрытия помещается в стационарный проточный реактор камеру, куда подаются газы или пары одного или нескольких прекурсоров, вступающих в реакцию и/или разлагающихся на поверхности или вблизи поверхности нагретого изделия, при этом на всех его поверхностях осаждается покрытие. При ФПУ реактор, имея минимальные размеры, может перемещаться относительно неподвижного или движущегося изделия, тем самым обеспечивается нанесение покрытия только на заданную поверхность.
  2. CVD процессы, в основном, проводятся при атмосферном давлении в закрытых высокотемпературных реакторах-камерах при термической активации изделий, а в качестве реакционных веществ используются токсичные газы. При ФПУ применяются пары летучих жидких элементоорганических и неорганических прекурсоров, обеспечивающих повышенный уровень экологической безопасности за счет их малотоксичности и взрывобезопасности. При этом возможно получение необходимого химического состава покрытия из материала единой субстанции. Температура нагрева изделий при ФПУ составляет 60-400°С, высокотемпературные камеры не используются.
  3. При осаждении покрытий CVD методом требуется значительный расход прекурсоров, приводящий к повышенному образованию побочных газообразных продуктов химических реакций, удаляемых из реактора с потоком газа. При ФПУ в связи с малогабаритностью плазмохимического реактора используется минимальное количество вводимых паров прекурсоров с удалением побочного газообразного продукта мобильным фильтровентиляционным агрегатом.
  4. В CVD методе для уменьшения температуры нагрева изделий до 450-550°С используется дополнительно к термической активации процесс плазменной активации, который осуществляется в вакууме. Для генерирования плазмы при CVD процессах применяются, в основном, тлеющий или высокочастотный разряды, которые характеризуются объемным (распределенным) воздействием на газовую среду и на все изделие. При ФПУ применяется дуговой разряд постоянного тока, генерируемый при атмосферном давлении без вакуума, с образованием скоростной плазменной струи, которая доставляет химически активные частицы только на локальный участок поверхности с одновременной его активацией.

Основные достоинства[править | править код]

Осуществление процесса без вакуума и камер, минимальный нагрев изделий, не превышающий 150°С, возможность нанесения покрытий локально, в труднодоступных зонах и на изделиях различных габаритов; использование малогабаритного, мобильного и экономичного оборудования.

Виды покрытий[править | править код]

Методом ФПУ наносятся покрытия на основе соединений кремния - Pateks, SuperPateks, MultiPateks, TriboPateks, BioPateks, SilcoPateks, DLCPateks, которые применяются для повышения долговечности режущего инструмента, штампов, пресс-форм, ножей, деталей машин и механизмов, медицинского инструмента, для предотвращения образования углеродистых отложений (нагара, лака, шлама), связанных с горением топлива, с высокотемпературным и окислительным воздействием компонентов масла, обеспечения биосовместимых и бактерицидных свойств имплантатов и деталей имплантационного назначения, стоматологических и других изделий.

Для нанесения данных покрытий используются жидкие прекурсоры на основе элементоорганических и неорганических жидкостей семейства СЕТОЛ (англ. SETOL), суммарный годовой расход которых при односменной работе оборудования составляет примерно 0,5 литра.

Покрытия, наносимые методом ФПУ, являются аморфно-кристаллическими и аморфными[4] , благодаря использованию прекурсоров, имеющих в своем составе элементы аморфизаторы (такие как бор и кремний), а также в связи с высокими скоростями охлаждения наносимого покрытия, равными (10101012) К/с[5] .

Основные характеристики покрытий[править | править код]

Покрытия обладают: повышенной твердостью (до 34 ГПа), химической инертностью, устойчивостью к окислению при повышенных температурах (до 1200°С), высокой сопротивляемостью усталостному разрушению в условиях циклических нагрузок и вибраций; низким коэффициентом трения (до 0,03)[6][7] , повышенной адгезией к различным подложкам, высоким удельным электрическим сопротивлением (порядка 106 Ом∙м).

Покрытия являются мультислойными с толщиной монослоев 550 нм. Для нанесения, например, трибологических покрытий с низким коэффициентом трения используется до 250 монослоев, которые могут иметь как одинаковый, так и разный элементный состав.

Оборудование для ФПУ[править | править код]

Для реализации процесса ФПУ были разработаны установки типа УФПУ 110, УФПУ 111, УФПУ 112, УФПУ 113, УФПУ 114, УФПУ 115, УФПУ – БПУ 115 и др. В настоящий момент выпускается оборудование с вводом одновременно 3-х видов прекурсоров. Оборудование отличается малогабаритностью, мобильностью и низким энергопотреблением.

Применение[править | править код]

Области применения технологии ФПУ отражены в дополнительной литературе. Технология ФПУ используется в российских и зарубежных компаниях, например, ПАО «НПО «Сатурн» (Рыбинск), ОАО «Мотор Сич» (Запорожье, Снежное, Украина), АО «ПО «Стрела» (Оренбург), ОАО «Омутнинский металлургический завод», ФГУП «Уралвагонзавод» (Нижний Тагил), ОАО «Корпорация «Иркут» (Иркутск), ОАО «Мозырский нефтеперерабатывающий завод» (Мозырь, Республика Беларусь) и др.

Оборудование ФПУ для научных и учебных целей используется в 9 университетах России, Республике Беларусь, Мексике.


Дополнительная литература[править | править код]

  1. Горленко А. О., Давыдов С. В. Нанесение покрытий для повышения износостойкости поверхностей трения сферических подшипников скольжения. //Металловедение и термическая обработка металлов. 2017. № 9 (747). С. 36-40
  2. Тополянский П. А., Тополянский А. П., Ермаков С. А., Соснин Н. А. Повышение стойкости инструмента для холодной объемной штамповки. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2014. № 3. С. 2232
  3. Горленко А. О., Тополянский П. А., Тополянский А. П., Соснин Н. А., Ермаков С. А. Технология финишного плазменного упрочнения для повышения ресурса металлорежущего инструмента. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2013. № 3(299). C. 6674
  4. Тополянский П. А., Ермаков С. А., Тополянский А. П. Упрочнение разделительных штампов тонкопленочными покрытиями. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2015. № 7. С. 2739
  5. Кондратьев М. В., Смоленцев Е. В., Кадырметов А. М., Бобров Е. С. Оптимизация процесса нанесения плазменных упрочняющих покрытий. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2016. № 1 (315). С. 5459
  6. Смоленцев Е. В., Кадырметов А. М., Кондратьев М. В., Бобров Е. С. Вопросы выбора режимов финишного плазменного упрочнения на установке УФПУ-114. // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика. Материалы 18-й Международной научно-практической конференции. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2016. С. 175178
  7. Землянушнова Н. Ю., Искендеров Р. Д., Магомедов Р. А., Мартыненко С. Ю., Овсянников Д. С. Влияние финишного плазменного упрочнения на режимы резания при сверлении. // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК. Сб. материалов 4-й МНПК. Ставрополь. Изд. Агрус. 2009. С. 2428
  8. Бологов Д. В., Прокопенко А. В., Сутормин А. Ю., Фетисов Г. П. Финишное плазменное упрочнение инструмента, штампов и пресс-форм. // Вестник Московского авиационного института. 2015, т. 22, № 2. С. 115120
  9. Фетисов Г. П., Прокопенко А. В., Бологов Д. В., Помельникова А. С. Технология упрочнения алмазоподобным покрытием. // Технология металлов. 2015. № 8. С. 3640
  10. Кашапов Н. Ф., Шарифуллин С. Н., Тополянский П. А., Файрушин И. И., Лучкин А. Г. Комплексные плазменные технологии на основе плазмохимических процессов для получения многофункциональных беспористых покрытий с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: Материалы 18-й Международной научно-практической конференции: СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2016. С. 346353
  11. Каменева А. Л. Использование покрытий на основе SiC и SiO2 для упрочнения твердосплавного режущего инструмента. // Порошковая металлургия. 2003. № 11-12. С. 111117
  12. Горленко А. О. Повышение износостойкости поверхностей трения сферических подшипников скольжения финишным плазменным упрочнением. // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2016. № 8. С. 4248
  13. Батищев А. Н., Ферябков А. В., Шевченко Г. В. Упрочнение деталей машин покрытиями, синтезированными из газовой фазы. // Вестник ОрелГАУ. 2009. № 1. С. 2124
  14. Барвинок В. А., Богданович В. И., Ананьева Е. А. и др. Упрочнение периферии лопаток компрессоров авиационных двигателей с целью предотвращения снижения усталостной прочности после касания о статор. // Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций. Материалы 5-й Международной практической конференции-выставки 8-10.04.2003 г. СПб.: Изд. СПбГПУ. 2003. С. 206227
  15. Анциферов В. Н., Ханов А. М., Матыгуллина Е. В., Ташкинова Л. А. К оценке износостойкости тонких оксидно-карбидных покрытий. // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки. Материалы 7-й Международной практической конференции-выставки 12-15 апреля 2005 г., Санкт-Петербург. Изд. СПбГПУ. 2005. C. 253255
  16. Дунаев А. В. Результаты поиска смазочных композиций и покрытий, обеспечивающих коэффициент трения ниже 0,03. // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: В 2 ч. Часть 2: Материалы 16-й Международной научно-практической конференции: СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2014. С. 4753
  17. Лебедев А. Т., Захарин А. В., Магомедов Р. А., Лебедев П. А. Нанесение тонкопленочного покрытия на рабочую поверхность плунжера топливного насоса. // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК. Сб. материалов 4-й МНПК. 2009. Ставрополь. Изд-во Агрус. С. 8184
  18. Скаков М. К., Рахадилов Б. К., Рахадилов М. К. Упрочнение поверхности стали Р6М5 нанесением тонкопленочного покрытия из SiC. // Инновационные технологии и экономика в машиностроении. Сб. трудов 6-й МНПК. Томск: Изд-во ТПУ. 2013. С. 156159
  19. Главатских Г. Н., Овсянников А. В. Финишное плазменное упрочнение как эффективный способ нанесения покрытий. Наука Удмуртии. 2018. - № 2 (84). - С. 21-25
  20. Шарифуллин С. Н., Тополянский П. А., Ермаков С. А., Тополянский А. П., Аулов В. Ф. Восстановление деталей топливной аппаратуры методом финишного плазменного упрочнения. Труды ГОСНИТИ. 2018. Т. 131. - С. 182-193
  21. Шарифуллин С. Н., Тополянский П. А., Ермаков С. А., Тополянский А. П. Финишное плазменное упрочнение и восстановление деталей топливной аппаратуры. Металлообработка. 2018. № 4 (106). - С. 28-39
  22. Новиков С. В., Тамазов И. Д., Тополянский П. А., Тополянский А. П. Использование холодной атмосферной плазмы в стоматологии. Здоровье и образование в 21 веке. 2018. - т. 20. №1. - С. 124-127
  23. Горленко А. О., Тополянский П. А., Тополянский А. П., Ермаков С. А. Использование трибологических нанопокрытий на основе соединений кремния для повышения ресурса и надежности поршневых колец. Металлообработка. 2018. № 1 (103). - С. 48-57
  24. Адигамов Н. Р., Лялякин В. П., Соловьев Р. Ю., Шарифуллин С. Н. Плазменные технологии в повышении эффективности работы топливных насосов высокого давления дизельных двигателей. Сварочное производство. 2016. № 2 - С. 49-51

См. также[править | править код]

Литература[править | править код]

  1. Соснин Н.А., Тополянский П.А., Ермаков С.А. Финишное плазменное упрочнение - новая технология на базе сварочного оборудования. // Газотермическое напыление в промышленности (ГТНП-91). Материалы международного семинара.. — 1991. — 27-29 май. — С. 61-63.
  2. Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров.. — Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического ун-та, 2013. — 406 с.
  3. Плазмацентр.
  4. Тополянский П. А., Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский А. П. Исследования свойств нанопокрытия, наносимого методом финишного плазменного упрочнения // Упрочняющие технологии и покрытия.. — 2011. — № 2. — С. 28-34.
  5. Тополянский П. А., Ермаков С. А., Соснин Н. А., Тополянский А. П. Тепловое состояние системы покрытие - основа в условиях финишного плазменного упрочнения // Физика и химия обработки материалов. — 2011. — № 1. — С. 32-35.
  6. Горленко А. О., Тополянский П. А., Тополянский А. П. Трибологические возможности финишного плазменного упрочнения для повышения ресурса металлорежущего инструмента // Металлообработка. — 2016. — № 3. — С. 33-41.
  7. Тополянский П. А., Тополянский А. П., Ермаков С. А., Дунаев А. В., Поджарая К. С. Аттестация трибологических свойств упрочняющих тонкопленочных покрытий // Трение и смазка в машинах и механизмах. — 2014. — № 8. — С. 20-29.