Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения нанодиффузионных покрытий на металлорежущем инструменте с помощью плазмы высокочастотного разряда

Номер контракта: 14.577.21.0166

Руководитель: Абдуллин Ильдар Шаукатович

Должность руководителя: Уполномоченное лицо

Докладчик: Хубатхузин Альберт Анасович, Уполномоченное лицо

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технологический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технологический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
нанодиффузионные слои; алмазоподобные покрытия; износостойкие покрытия; модифицирование металлорежущих инструменты; высокочастотная плазма; пониженное давление.

Цель проекта:
Цель - разработка технологии получения нанодиффузионных алмазоподобных покрытий на металлорежущих инструментах в высокочастотной плазме пониженного давления для повышения эксплуатационных характеристик инструментов. В ходе выполнения данного проекта решаются следующие задачи: - Обобщение накопленного научно-технического материала в России и в мире по проблеме. - Разработка требований к модернизации оборудования для проведения исследований образования нанодиффузионных алмазоподобных покрытий на поверхности твердых тел. - Разработка математической модели расчета параметров высокочастотного разряда в условиях получения нанодиффузионных алмазоподобных покрытий. - Диагностика плазмы исследования характеристик ВЧ плазменных установок в режимах модификации на модернизированном оборудовании. - Наработка экспериментальных образцов металлорежущих инструментов с нанодиффузионными алмазоподобными покрытиями. - Исследования характеристик полученных образцов. - Патентование разработанных технологий совместно с Индустриальным партнером. Пути решения поставленных задач: 1. Формирование диффузионных алмазоподобных слоев на поверхности металлорежущего инструмента 2. Газонасыщение поверхностных слоев ионами плазмохимических газов (азот, углерод и т.д.). 3. Получение наноструктурированных поверхностей с заданными физико-механическими свойствами. 4. Повышение эффективности применения находящегося в эксплуатации технологического плазменного оборудования предприятий страны. 5. Создание новых рабочих мест. 6. Обеспечение экспортного потенциала и замещение импорта.

Основные планируемые результаты проекта:
Создание новых и модернизация существующих технологий нанодиффузионных алмазоподобных покрытий на металлорежущем инструменте
Аналитический анализ современных методов создания нанодиффузионных алмазоподобных покрытий на металлорежущем инструменте.Результаты патентных исследований по проблеме проекта.
Алгоритм проведения ВЧ плазменной обработки металлорежущего инструмента.
Алгоритм испытания износостойкости при изготовлении металлорежущего инструмента с наноструктурированной поверхностью.
Технико-экономическое обоснование применения ВЧ плазменной обработки металлорежущего инструмента.
Результаты исследований физико-механических свойств модифицированной поверхности металлорежущего инструмента.
Экспериментальные образцы металлорежущего инструмента для испытаний в реальных условиях.
Математическое обеспечение расчета параметров высокочастотного разряда пониженного давления в условиях получения нанодиффузионных алмазоподобных покрытий на поверхности твердых тел.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Результаты данного проекта предполагается к использованию во многих отраслях промышленности (машиностроение, нефтехимия, нефтедобыча и т.д.), там где используется металлорежущий и обрабатывающий инструмент, где необходимо повысить коррозионную и износостойкость деталей, где необходимо обрабатывать внутренние полости. Использование данной технологии позволит существенно снизить время обработки изделий по сравнению с традиционными химико-термическими способами обработки. Новизна заключается в том, что одновременно происходит несколько процессов на поверхности изделий (ионная очистка, газонасыщение, перераспределение остаточных напряжений и т.д.). При воздействии ВЧ плазмы пониженного давления на металлы и сплавы происходит изменение фазового состава и структуры материала, что приводит к улучшению сразу нескольких, порой противоположно направленных свойств. Например, возможно одновременное повышение миротвердости, усталостной прочности и долговечности. Использование в качестве рабочего тела газа позволяет обрабатывать не только наружную поверхность, но и внутренние полости. Регулирую параметры плазменного потока можно получить поверхность с заранее заданными свойствами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Анализ развития обработки металлов показывает, что одним из эффективных путей повышения производительности труда в машиностроении является применение новых материалов с заданными свойствами.В настоящее время для изготовления режущих элементов инструментов применяются следующие материалы: инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие), твердые сплавы, минералокерамические материалы, алмазы, абразивные материалы. Во всем мире примерно 75% стружки снимается твердосплавным инструментом. На долю быстрорежущих сталей приходится не более 20%, а остальная стружка снимается алмазным инструментом, режущей оксидной керамикой, кубическим нитридом бора (КНБ) и т. п.
В современной металлообработке используются тысячи видов и типоразмеров инструмента. Номенклатура режущего инструмента составляет свыше 50 тысяч наименований, начиная со стандартного инструмента общего назначения (резцы, свёрла, зенкеры, развёртки) и заканчивая сложными сборными конструкциями, такими как торцевые кассетные фрезерные головки, зуборезный инструмент, комбинированный инструмент и т.д.
Вопрос качества инструмента, реализуемого на рынке России, сегодня стоит особенно остро. На рынке появляется всё больше инструмента фирм дальнего зарубежья. Растёт предложение инструмента низкого и среднего качества из Китая и стран Юго-Восточной Азии, а также высококачественного режущего, слесарного, абразивного и электроинструмента из Германии, Франции, Швеции и других стран. К сожалению, в настоящее время потребители инструмента уделяют мало внимания оценке качества приобретаемого инструмента и недостаточно владеют методами квалиметрии режущего инструмента.
Производство режущего инструмента, как и любое другое, требует современной организации, технологии и высококвалифицированных кадров. На наш взгляд инструментальное обеспечение предприятия необходимо строить на основе применения системного подхода к эксплуатации инструмента.
В сфере промышленного производства металлорежущего инструмента важно повышение технического уровня и конкурентоспособности продукции за счет увеличения ее надежности, долговечности и продления срока службы. Предлагаемая технология с применением ВЧ плазмы пониженного давления позволит провести упрочнение поверхности металла. В результате такого воздействия, во-первых, удаляются поверхностные загрязнения, включая оксидные пленки, технологические смазки и т.д., которые неизбежно присутствуют на поверхности материалов. Во-вторых, в результате обработки снижается шероховатость поверхности металлов, т.к. ионная бомбардировка концентрирует ионное воздействие на вершинах микронеровностей. В-третьих, бомбардировкой ионов при ВЧ плазменной обработке достигается залечивание микротрещин поверхности металла, ликвидации трещиноватого и рельефного слоев, формирования сжимающих остаточных напряжений в приповерхностном слое образца и др. В-четвертых, бомбардировка позволяет улучшать внутреннюю структуру металлов за счет перераспределения дефектных слоев. При использовании в качестве плазмообразующего газа смеси аргона с пропан-бутаном или азотом можно обеспечить газонасыщение поверхности с формированием соответствующих карбидов и нитридов. Применение пропана-бутана приводит к изменению химического состава поверхностного слоя металла. В результате обработки происходит формирование нанофазных приповерхностных слоев вглубь образца. Химическое состояние углерода во внешнем слое отличается от основного состава. В основу внешнего слоя составляет углерод с разупорядоченной структурой или связь С-С, сходная со связью алмазоподобной структуры.

Текущие результаты проекта:
Исполнитель проекта имеет опыт по разработке технологий ВЧ плазменной модификации материалов различной физической природы (металлы, полупроводники, диэлектрики) с целью изменения эксплуатационных свойств изделий этих материалов. По теме исследований выполнены Государственные контракты в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы «Проведение научных исследований коллективами под руководством приглашенных исследователей» по темам «Исследование характеристик ВЧ разрядов в присутствии твердых тел» (ГК № 02.740.11.5083), «Исследование процессов модификации поверхности изделий в ВЧ разрядах пониженного давления с продувом газа» (ГК № 02.740.11.5090), в рамках ФЦП № 1 ГК № 13411.140009916.005 опытно- конструкторская работа «Разработка и отработка технологии создания защитных слоев каналов стволов и других деталей, подверженных износу, для систем стрелкового оружия с применением высокочастотной плазмы пониженного давления», шифр «Плазма»
В проведенных работах исследованы процессы модификации металлических и диэлектрических поверхностей в ВЧ разрядах. Представленный проект является логическим продолжением выполненных ранее работ.
Исполнителем проекта получены положительные результаты исследований влияния низкотемпературной плазмы пониженного давления на изменения физико-механических свойств металлов, ликвидации трещиноватого и рельефного слоев поверхности, перераспределению сжимающих напряжений в приповерхностном слое образца. Предварительные исследования показали, что подбором технологических режимов (мощность ВЧ разряда, расход плазмообразующего и транспортирующего газов, температуры в зоне обработки, давления в плазмотроне, частоты ВЧ разряда) можно установить режим, при котором происходит улучшение - эксплуатационных свойств материала. Причем предварительные эксперименты показали возможность получения наноструктурированных поверхностей с заданными характеристиками. Это происходит регулированием параметрами плазменного воздействия на поверхность изделий