Помощь студентам в учебе
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕПЛОСТОЙКОГО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ TiAlSiN
|
Введение 10
1 Применение, основные характеристики и методы получения
многокомпонентных износостойких покрытий TiAlSiN 12
1.1 Назначение и область применения пленок состава TiAlSiN 13
1.2 Способы и оборудование для формирования многокомпонентных
износостойких покрытий на различные материалы 15
1.3 Свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий на основе системы
TiAlSiN 21
1.4 Особенности исследования физико-механических характеристик тонких
нанокристаллических покрытий 24
1.5 Цель работы и постановка задачи 24
2 Материалы, методы и экспериментальное оборудование, использованные в
настоящей работе 26
2.1 Обоснования выбора и характеристика параметров исходных образцов 26
2.2 Экспериментальное оборудование для получения функциональных
покрытий в плазме дуговых разрядов низкого давления 28
2.3 Методы и приборы для исследования свойств тонких поверхностных
слоев и покрытий 32
2.3.1 Определение шероховатости поверхности и толщины слоистых
структур 33
2.3.2 Методы изучения физико-механических характеристик 34
2.3.3 Оценка функциональной пригодности поверхностей с покрытиями . 38
3 Закономерности формирования твердых износостойких покрытий в
системе TiAlSiN, осаждаемых в плазме дуговых разрядов с использованием композиционного порошкового электрода состава Ti-Al-Si 42
3.1 Основные особенности параметров процесса получения покрытий из
прямого плазменного потока дугового испарителя 42
3.2 Основные особенности параметров процесса получения покрытий из
плазменного потока дугового испарителя с использованием плазменного фильтра в виде криволинейного плазмовода 50
3.3 Сопоставление скорости роста покрытия и шероховатости поверхности от условий транспортировки плазменного потока вакуумно-дугового разряда 53
4 Сравнительный анализ основных физико-механических свойств покрытий
TiAlSiN 58
4.1 Микротвердость поверхности образцов с покрытием TiAlSiN в
зависимости от параметров напыления, толщины пленки и материала подложки 58
4.2 Механические и упругие свойства пленочных покрытий, выявленные
при малых испытательных нагрузках в результате динамического индентирования поверхностей 65
4.3. Адгезионная прочность покрытий в сопоставлении с их параметрическими данными и характеристиками материалов подложек ... 68
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективности и ресурсосбережение .. 74
5.1 Предпроектный анализ 74
5. 1. 1 Потенциальные потребители результатов исследования 74
5. 1. 2 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 76
5. 1. 3 SWOT-анализ 78
5. 1. 4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 80
5. 1. 5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 81
5. 2 Инициация проекта 82
5.2.1 Цель и результат проекта 82
5. 2. 2 Организационная структура проекта 83
5. 2.3 Ограничения и допущения проекта 84
5. 3 Планирование управления научно-техническим проектом 85
5. 3.1 Иерархическая структура работ проекта 85
5. 3.2 Контрольные события проекта 86
5. 3.3 План проекта 87
5. 3.4 Бюджет научного исследования 89
5.3.4.1 Отчисления на социальные нужды 91
5.3.4.2 Накладные расходы 91
5.3.4.3 Затраты на электроэнергию 91
5.3.4.4 Затраты на водоснабжение 92
5. 3.5 Матрица ответственности 93
5. 3.6 Реестр рисков проекта 93
5. 3.7 Оценка сравнительной эффективности исследования 94
6 Социальная ответственность 97
6.1.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды 97
6.1.2 Метеоусловия 98
6.1.3 Вредные вещества 99
6.1.4 Производственный шум 100
6.1.5 Расчет уровня шума 102
6.1.6 Освещенность 103
6.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой производственной среды 107
6.2.1 Факторы электрической природы 107
6.2.2 Факторы пожарной и взрывной природы 109
6.3 Охрана окружающей среды 112
6.4 Защита в ЧС 114
6.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .... 117
Заключение 119
Приложение А 125
1 Применение, основные характеристики и методы получения
многокомпонентных износостойких покрытий TiAlSiN 12
1.1 Назначение и область применения пленок состава TiAlSiN 13
1.2 Способы и оборудование для формирования многокомпонентных
износостойких покрытий на различные материалы 15
1.3 Свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий на основе системы
TiAlSiN 21
1.4 Особенности исследования физико-механических характеристик тонких
нанокристаллических покрытий 24
1.5 Цель работы и постановка задачи 24
2 Материалы, методы и экспериментальное оборудование, использованные в
настоящей работе 26
2.1 Обоснования выбора и характеристика параметров исходных образцов 26
2.2 Экспериментальное оборудование для получения функциональных
покрытий в плазме дуговых разрядов низкого давления 28
2.3 Методы и приборы для исследования свойств тонких поверхностных
слоев и покрытий 32
2.3.1 Определение шероховатости поверхности и толщины слоистых
структур 33
2.3.2 Методы изучения физико-механических характеристик 34
2.3.3 Оценка функциональной пригодности поверхностей с покрытиями . 38
3 Закономерности формирования твердых износостойких покрытий в
системе TiAlSiN, осаждаемых в плазме дуговых разрядов с использованием композиционного порошкового электрода состава Ti-Al-Si 42
3.1 Основные особенности параметров процесса получения покрытий из
прямого плазменного потока дугового испарителя 42
3.2 Основные особенности параметров процесса получения покрытий из
плазменного потока дугового испарителя с использованием плазменного фильтра в виде криволинейного плазмовода 50
3.3 Сопоставление скорости роста покрытия и шероховатости поверхности от условий транспортировки плазменного потока вакуумно-дугового разряда 53
4 Сравнительный анализ основных физико-механических свойств покрытий
TiAlSiN 58
4.1 Микротвердость поверхности образцов с покрытием TiAlSiN в
зависимости от параметров напыления, толщины пленки и материала подложки 58
4.2 Механические и упругие свойства пленочных покрытий, выявленные
при малых испытательных нагрузках в результате динамического индентирования поверхностей 65
4.3. Адгезионная прочность покрытий в сопоставлении с их параметрическими данными и характеристиками материалов подложек ... 68
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективности и ресурсосбережение .. 74
5.1 Предпроектный анализ 74
5. 1. 1 Потенциальные потребители результатов исследования 74
5. 1. 2 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 76
5. 1. 3 SWOT-анализ 78
5. 1. 4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 80
5. 1. 5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 81
5. 2 Инициация проекта 82
5.2.1 Цель и результат проекта 82
5. 2. 2 Организационная структура проекта 83
5. 2.3 Ограничения и допущения проекта 84
5. 3 Планирование управления научно-техническим проектом 85
5. 3.1 Иерархическая структура работ проекта 85
5. 3.2 Контрольные события проекта 86
5. 3.3 План проекта 87
5. 3.4 Бюджет научного исследования 89
5.3.4.1 Отчисления на социальные нужды 91
5.3.4.2 Накладные расходы 91
5.3.4.3 Затраты на электроэнергию 91
5.3.4.4 Затраты на водоснабжение 92
5. 3.5 Матрица ответственности 93
5. 3.6 Реестр рисков проекта 93
5. 3.7 Оценка сравнительной эффективности исследования 94
6 Социальная ответственность 97
6.1.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды 97
6.1.2 Метеоусловия 98
6.1.3 Вредные вещества 99
6.1.4 Производственный шум 100
6.1.5 Расчет уровня шума 102
6.1.6 Освещенность 103
6.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой производственной среды 107
6.2.1 Факторы электрической природы 107
6.2.2 Факторы пожарной и взрывной природы 109
6.3 Охрана окружающей среды 112
6.4 Защита в ЧС 114
6.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .... 117
Заключение 119
Приложение А 125
Осаждаемые на поверхность деталей твердые защитные покрытия на основе химических соединений переходных металлов находят широкое применение для улучшения эксплуатационных свойств режущего и обрабатывающего инструмента, а также различных пар трения в механических устройствах изделий машиностроения и медицинской техники. Наибольшее распространение в промышленности получили покрытия на основе нитрида титана TiN. Однако в последнее время интенсивно разрабатываются многокомпонентные покрытия на основе данного материала. Это обусловлено тем, что в связи с резким расширением ассортимента используемых материалов и условий их эксплуатации произошла переоценка требований к параметрам износостойких покрытий. В частности, обязательным становится обеспечение совокупности параметров, объединенных в одном материале: механическая, тепловая и коррозионная стойкость, низкая механическая и термохимическая усталость и др. Из литературных источников известно, что введение в качестве легирующих добавок алюминия, хрома, бора и кремния в состав TiN позволяет значительно расширить диапазон его применения. Так, например, большая заинтересованность в применении покрытий системы Ti-Al-Si-N вызвана, прежде всего, их термической стабильностью и стойкостью к окислению при температурах до 800-900 °С. При этом материал покрытий данного состава обладает высокими значениями твердости и сопротивлением абразивному износу. Функциональные свойства многокомпонентных покрытий в большинстве случаев определяются методами и режимами их получения. Для нанесения твердых износостойких покрытий сегодня используют химическое осаждение из газовой фазы - CVD и физическое осаждение из плазмы в вакууме - PVD. Для CVD - метода требуется высокая температура (900 - 1000 °C), что не всегда приемлемо. PVD - метод более универсальнее, особенно для многокомпонентных покрытий, поскольку можно получать более широкий спектр покрытий по составу и при достаточно низких температурах (300 - 600 °C). Одним из наиболее перспективных PVD - методов синтеза наряду с магнетронным распылением является вакуумнодуговой. Поток плазмы, получаемый в электродуговом источнике, является сильно ионизованным. Плазма содержит значительное количество двух- и трехкратно ионизованных частиц. Этот метод считается наиболее производительным из всех существующих и позволяет достаточно гибко управлять структурой и составом покрытий, их физико-механическими свойствами.
Несмотря на определенные успехи в плане получения экспериментальных покрытий системы Ti-Al-Si-N и выявления их уникальных свойств, вопрос об использование таких материалов на практике так же широко, как, например, TiN, пока остается открытым. Для успешного продвижения покрытий указанной системы на промышленное производство необходимы комплексные исследования, устанавливающие взаимосвязь между функциональными свойствами пленок определенного состава и их толщиной, количеством слоев, параметрами процесса синтеза, подготовкой поверхности подложки перед осаждением и т.д.
Все выше перечисленные задачи являются, безусловно, актуальными. В настоящей работе предпринята попытка получить, используя несколько режимов технологического процесса, а за тем изучить и сопоставить физико - механические свойства вакуумно-дуговых покрытий системы Ti-Al-Si-N с использованием современных методов исследования.
Несмотря на определенные успехи в плане получения экспериментальных покрытий системы Ti-Al-Si-N и выявления их уникальных свойств, вопрос об использование таких материалов на практике так же широко, как, например, TiN, пока остается открытым. Для успешного продвижения покрытий указанной системы на промышленное производство необходимы комплексные исследования, устанавливающие взаимосвязь между функциональными свойствами пленок определенного состава и их толщиной, количеством слоев, параметрами процесса синтеза, подготовкой поверхности подложки перед осаждением и т.д.
Все выше перечисленные задачи являются, безусловно, актуальными. В настоящей работе предпринята попытка получить, используя несколько режимов технологического процесса, а за тем изучить и сопоставить физико - механические свойства вакуумно-дуговых покрытий системы Ti-Al-Si-N с использованием современных методов исследования.
В ходе проделанной работы были изучены физико-механические свойства образцов из сплава ВК8 и стали 12Х18Н10Т с покрытием TiAlSiN, полученные вакуумно-дуговым методом, по 8 режимам формирования. Проведенные исследования дают возможность сделать следующие выводы:
1. Получены покрытия системы Ti-Al-Si-N вакуумно-дуговым методом с одного композиционного катода.
2. Покрытия указанного состава при определенных режимах конденсации, могут иметь плотную однородную структуру с низким уровнем шероховатости поверхности.
3. Абсолютная твердость покрытий, полученных с помощью катода предлагаемого состава, заметно выше, чем у обычного TiN (H~20ГПа) и имеет значение H-30-32 ГПа.
4. Экспериментально подтверждено, что механические свойства поверхности с покрытие существенно зависят от толщины пленки.
5. Адгезионные характеристики покрытия имеют немонотонную зависимость от толщины пленки. С ростом покрытия адгезия ухудшается.
6. В разделе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» определили перспективность научных исследований и оценки коммерческого потенциала, ресурсной, финансовой, бюджетной, экономической эффективности исследования.
7. В разделе «Социальная ответственность» рассмотрены вопросы, связанные с организацией рабочего места в соответствии с нормами производственной санитарии, техники производственной безопасности и охраны окружающей среды.
1. Получены покрытия системы Ti-Al-Si-N вакуумно-дуговым методом с одного композиционного катода.
2. Покрытия указанного состава при определенных режимах конденсации, могут иметь плотную однородную структуру с низким уровнем шероховатости поверхности.
3. Абсолютная твердость покрытий, полученных с помощью катода предлагаемого состава, заметно выше, чем у обычного TiN (H~20ГПа) и имеет значение H-30-32 ГПа.
4. Экспериментально подтверждено, что механические свойства поверхности с покрытие существенно зависят от толщины пленки.
5. Адгезионные характеристики покрытия имеют немонотонную зависимость от толщины пленки. С ростом покрытия адгезия ухудшается.
6. В разделе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» определили перспективность научных исследований и оценки коммерческого потенциала, ресурсной, финансовой, бюджетной, экономической эффективности исследования.
7. В разделе «Социальная ответственность» рассмотрены вопросы, связанные с организацией рабочего места в соответствии с нормами производственной санитарии, техники производственной безопасности и охраны окружающей среды.