20. Warstwy powierzchniowe otrzymywane w obróbkach cieplno - chemicznych w war. wyladowania jarzeniowego.pdf

(549 KB) Pobierz
4. Warstwy powierzchniowe
otrzymywane w obróbkach cieplno-chemicznych
w warunkach wyładowania jarzeniowego
4.1. Wprowadzenie
Badania w zakresie obróbek cieplno-chemicznych w warunkach wyładowania
jarzeniowego obejmuj praktycznie wszystkie procesy obróbek cieplno-
chemicznych, które prowadzono dotychczas w sposób tradycyjny. Przez
obróbki jarzeniowe nale y rozumie zarówno technologie azotowania, w glo-
azotowania, jak te procesy borowania, naw glania czy te metody PACVD
(Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), tj. osadzania warstw
powierzchniowych z fazy gazowej z udziałem reakcji chemicznych w warun-
kach aktywacji elektrycznej rodowiska gazowego, maj ce na celu wytworze-
nie twardych warstw powierzchniowych, m.in. w glików, azotków, borków,
tlenków pierwiastków metali przej ciowych. Ró ne s tylko dla tych metod
parametry procesu ze wzgl du na ró ne stosowane mieszaniny gazowe, ponad-
to wyst puj inne rozwi zania konstrukcyjne podzespołów urz dze do
realizacji tych procesów. Najbardziej znany i szeroko stosowany w przemy le
jest proces azotowania jarzeniowego, który to — mimo prób jego wykorzysta-
nia w ko cowych latach drugiej wojny wiatowej do zwi kszenia trwało ci
luf działowych — znalazł zastosowanie przemysłowe dopiero w latach siedem-
dziesi tych.
Technologie jarzeniowe nale do grupy technik plazmowych, w których
wykorzystuje si plazm nierównowagow , niskotemperaturow i nieizoter-
miczn , powstaj c wskutek ci głego pobierania energii z pola elektryczne-
go. W technikach jarzeniowych wykorzystuje si jeden z rodzajów wyładowa-
nia elektrycznego w gazie, zwany wyładowaniem jarzeniowym, zachodz cy
w gazach przy ci nieniu w zakresie 10
-3
—13 hPa [1, 2]. Z uwagi na to, e
wyładowaniu jarzeniowemu towarzyszy charakterystyczne wiecenie gazu
w pobli u katody, tzw. po wiata katodowa, technologie te zyskały nazw
jarzeniowych, niekiedy za nazywane s plazmowymi lub jonowymi (ang.:
plasma nitriding, ion nitriding, nitriding by glow discharge, plasma assisted
CVD).
4.2. Fizykochemiczne podstawy procesów
obróbek jarzeniowych
Proces obróbki cieplno-chemicznej w rodowisku gazowym z
wykorzystaniem zjawiska wyładowania jarzeniowego polega na tym, e
przedmioty obrabiane (katoda) umieszcza si w komorze roboczej,
przy czym cianki tej komory, jak te odpowiednio skonstruowane
ekrany stanowi anod . Gaz reaktywny, np. w procesie azotowania
jarzeniowego — amoniak (NH
3
) lub mieszanina wodoru i azotu (H
2
+ N
2
)
czy te pary BC1
3
w mieszaninie z wodorem w procesie borowania lub
mieszanina par TiCl
4
+ H
2
+ N
2
w procesie wytwarzania warstw azotku
tytanu, wprowadza si do komory roboczej przy ci nieniu 1—13 hPa, w
tzw. pró ni dynamicznej, tj. przy ci głym przepływie okre lonej
mieszaniny gazowej przez komor robocz . Mi dzy katod i anod
przykłada si ró nic potencjałów rz du od 400 do 1800 V, w
zale no ci od składu chemicznego mieszaniny gazowej (rys. 4.1). W tych
warunkach utrzymywane jest anormalne wyładowanie jarzeniowe (rys.
4.2), charakteryzuj ce si wzrostem nat enia pr du ze wzrostem
napi cia oraz istnieniem katodowego spadku potencjału, w którym to
zachodz elementarne procesy decyduj ce o tworzeniu si warstwy
powierzchniowej [1—3].
Zmiana napi cia wyładowania w zakresie do 1800 V wpływa na zmian
nat enia pr du i w efekcie na nagrzewanie obrabianych detali do
danych temperatur obróbki. Przedmiot obrabiany ogrzewa si
wskutek promieniowania od przykatodowych obszarów wyładowania i
wskutek bombardowania jonami gazu. Do skomplikowana jest istota
utworzonych cz stek aktywnych, ich rodzaj
zale y
od składu
mieszaniny gazowej, ci nienia w komorze roboczej, napi cia, a
tak e materiału katody (obrabianego detalu). Jednak
Rys. 4.1. Schemat uniwersalnego urz dzenia do obróbek jarzeniowych:
1 —
komora
robocza, 2 — ekran wewn trzny,
3 —
piec grzewczy tzw. retortowy,
4
— układ stabilizacji
i rejestracji temperatury, 5 — układ dozowania gazów,
6
— dozowanie par ró nych
substancji chemicznych w metodzie PACVD, 7 — układ pró niowy,
8
— miernik
temperatury,
9
— zasilacz napi ciowy pr du stałego,
10
— przepust pr dowy,
11
—
obrabiane przedmioty
Rys. 4.2. Charakterystyka napi ciowo-pr dowa wyładowa elektrycznych w argonie
[1]
znajomo
lokalnego składu gazu w obr bie przykatodowego spadku
potencjału nie jest niezb dna do regulacji procesu. Przeprowadza
si j poprzez
dobór składu mieszaniny gazowej,
ci nienia
i
g sto ci
pr du
wyładowania. Istotn rol odgrywa w
tej metodzie rodowisko gazowe, w
którym prowadzony jest proces, a
które wpływa m.in. na kinetyk
tworzenia
si
warstwy,
jej
struktur ,
skład
fazowy
i
wła ciwo ci.
Problem
doboru
odpowiedniej mieszaniny reak-
tywnej oraz, co si z tym wi e,
regulacji struktury i składu fazowego
wytwarzanych warstw jest jednym z
najwa niejszych zagadnie obróbki
cieplno-chemicznej w warunkach
wyładowania jarzeniowego. Nale y
zaznaczy ,
e
wyładowanie
jarzeniowe nie jest jednorodne w
przestrzeni mi dzyelektrodowej (rys.
Rys. 4.3. Rozkład zjawisk wietlnych w
4.3), co przedstawiono przykładowo
wyładowaniu jarzeniowym oraz potencjału
w przypadku wyładowania w
(U) i nat enia pola elektrycznego (E)
mi dzy elektrodami:
1
— ciemnia Astona, 2
zakresie ci nie 1,33—13,3 hPa w
— po wiata katodowa,
3
— ciemnia
rurce
kwarcowej
z
płaskimi
katodowa,
4
— po wiata ujemna, 5 —
elektrodami
z
uwzgl dnieniem
ciemnia Faradaya,
6
— zorza dodatnia, 7 —
rozkładu potencjału i nat enia pola
ciemnia anodowa,
8
- po wiata anodowa
elektrycznego [1].
Najwa niejszym dla procesów jarzeniowych w warunkach wyładowania
jarzeniowego przy stałym polu elektrycznym jest obszar przykatodowy,
charakteryzuj cy si najwi kszym nat eniem pola elektrycznego i
spadkiem potencjału. Istniej ce w tej strefie dodatnie jony przyspieszane
w katodowym spadku potencjału uderzaj w katod , wybijaj c z niej
elektrony. Te z kolei przyspieszane w polu elektrycznym w przeciwnym
kierunku powoduj dysocjacj cz steczek gazu i ich jonizacj . W wyniku
tych procesów zarówno na powierzchni katody, jak i w jej otoczeniu w
fazie gazowej powstawa mog aktywne cz stki warunkuj ce tworzenie
si warstwy powierzchniowej.
Na rys. 4.4 przedstawiono przykładowo rozkład w przestrzeni mi dzy
anod i katod niektórych aktywnych cz stek tworz cych si w
warunkach wyładowania jarzeniowego w mieszaninie par
TiCl
4
+
H
2
+
N
2
w procesie wytwarzania warstwy azotku tytanu [4]. Na przebieg reakcji
chemicznych ma równie wpływ nierównomierny rozkład st enia
no ników ładunku elektrycznego, a w konsekwencji nierównomierny
rozkład g sto ci pr du. Tam, gdzie wyst puje najwi ksze st enie
no ników ładunku elektrycznego, m.in. elektronów, aktywacja procesów
chemicznych jest najbardziej intensywna. W zwi zku z tym w
warunkach obróbki jarzeniowej w komorze roboczej mo e ustali si
bardzo nierównomierny rozkład st enia cz stek aktywnych, np. reakcja
dysocjacji cz steczek azotu przebiega najbardziej wydajnie w strefie
spadku katodowego, gdzie istnieje dostatecznie du a liczba elektronów o
energiach wi kszych od energii dysocjacji cz steczek azotu (1,52-10
18
J), a tak e energii jonizacji azotu wynosz cej 2,5*10
-18
J, przy czym
stopie jonizacji zale y od energii elektronów i osi ga warto
maksymaln około 0,45 przy energii elektronów rz du
3,2*10
-17
J
[5].
Niskotemperaturowa plazma utworzona w warunkach wyładowania
jarzeniowego zawiera elektrony o redniej energii w zakresie
1
-
10*10
-
17
J
[6]. Z uwagi na wysoki spadek potencjału katodowego otaczaj cy
równomiernie katod (obrabiany detal), powstaj ce w wyniku zderze
elektronów z cz stkami gazów jony dodatnie ulegaj przy pieszeniu w
kierunku katody. rednia energia jonów azotu N
+
docieraj cych do
katody przy ci nieniu całkowitym w komorze roboczej około 8 hPa
wynosi około
9,6*10
-18
J
[7], przy czym w warunkach procesu
azotowania jarzeniowego stanowi one około 50% wszystkich jonów.
Ma to o tyle du e znaczenie dla kinetyki procesów uzyskiwania warstw
powierzchniowych w obróbkach jarzeniowych, e w krótkim czasie
powstaje na granicy faz du a koncentracja tworz cego warstw
pierwiastka, która jest ródłem zwi kszonego gradientu st enia, a tym
samym
szybko ci
dyfuzji.
Ponadto
bombardowanie
katody
„rozp dzonymi" w polu elektrycznym jonami ma jeszcze jeden
aspekt. Jest nim mo liwo
przebiegu zjawiska rozpylania
katodowego, które odgrywa istotn rol z uwagi na czyszczenie
Rys. 4.4. Rozkład cz stek aktywnych w przestrzeni mi dzyelektrodowej w
mieszaninie TiCl
4
+ H
2
+ N
2
w warunkach wyładowania jarzeniowego [4]
powierzchni metalu, jej rozwini cie, zdefektowanie strukturalne [1—3];
pozwala tak e wpływa na zmiany wymiarowe obrabianego detalu w
trakcie procesu obróbki. Wskutek bombardowania jonami katoda
nagrzewa si w wyniku zderze jonów z powierzchni ciała stałego.
Taki sposób nagrzewania dla przebiegu reakcji chemicznych na
granicy faz stałej i gazowej czy te procesów dyfuzyjnych jest korzystny,
bowiem najwy sz temperatur ma wła nie miejsce reakcji. Pod
działaniem pola elektrycznego no niki ładunku, zwłaszcza elektrony,
mog uzyska energi du o wi ksz od redniej energii cz stek gazu i
w zderzeniach z nimi przekazuj cz
swej energii. Sprawia to, e w
układzie pojawia si znacznie wi ksza liczba cz stek aktywnych (jony,
atomy, cz stki wzbudzone) o wi kszej energii, ni wynikałoby to z
równowagowego rozkładu energii dla danej temperatury. Cz stki te
odznaczaj si wysok aktywno ci chemiczn . Obecno w ukła dzie
znacznej liczby cz stek aktywnych chemicznie o du ej energii wyja nia
fakt, e w wyładowaniu jarzeniowym reakcje chemiczne mog
przebiega w ni szych temperaturach i z du ymi szybko ciami.
Przykładem mog by procesy wytwarzania warstw azotku tytanu
metod PACVD w mieszaninie par
TiCl
4
+
H
2
+
N
2
czy te warstw
kompozytowych typu warstwa azotowana + Ti(OCN) wytwarzanych w
atmosferze par Ti(OC
3
H
7
)
4
+ H
2
+ N
2
w temperaturze rz du 500—550°
C
lub warstw borków elazowo-niklowych w mieszaninie BCl
3
+ H
2
w
temperaturze obróbki około 650° W metodach konwencjonalnych
C.
procesy wytwarzania warstw azotku tytanu lub warstw borków s reali-
zowane w temperaturze około 900°
C.
Na rys. 4.5 przedstawiono przykładowo mikrostruktury ró nych
warstw powierzchniowych wytwarzanych w warunkach wyładowania
jarzeniowego.
Rys. 4.5. Mikrostruktury warstw powierzchniowych wytwarzanych w warunkach
wyładowania jarzeniowego: a) borki elaza Fe
2
B na elazie Armco, b) warstwa
azotowana + TiN na stali SW7M, c) warstwa TiC na stali NC6, d) warstwa Ti(OCN) na
stali 1H18N9T, e) warstwa azotowana na stali 33H3MF (strefa dyfuzyjna + warstwa
zwi zków + `)
4.3. Proces azotowania jarzeniowego
Azotowanie jarzeniowe jest metod obróbki cieplno-chemicznej,
umo liwiaj c uzyskanie na obrabianych elementach warstw dyfuzyjnych

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin