Материал: Пример №1

3.2 Расчёт толщины двойного слоя, определяемой дебаевским радиусом

экранирования λ_D

Поверхность в плазме оказывается окруженной слоем из положительных ионов двойного слоя. Толщина двойного слоя определяется дебаевским радиусом экранирования

[2] (3.2)

где k – постоянная Больцмана, (k = 1,38·10^-23 Дж/К);

T_e – температура электронов (T_e = 4 эВ);

е – заряд электрона, (е = 1,6*10^-19 Кл);

n_i - поток ионов металла.

Подставляя значения T_e и n_i получаем

3.3 Расчёт потоков ионов металла и молекулярного газа в произвольной

точке на единицу площади в единицу времени n_i, n_г

Молекулы углерода, адсорбированные на поверхности конденсации, приводят к образованию соединений за счет диссоциативной хемосорбции путем возникновения двух ковалентных связей металл-углерод.

Потоки ионов металла и молекулярного газа в произвольной точке на единицу площади в единицу времени определяются соотношениями

, [2] (3.3)

, [2] (3.4)

где – среднее зарядовое число ионов хрома (=1,44); [2]

α_к – коэффициент конденсации (α_к=1 в нашем случае);

k – постоянная Больцмана,(k= 1,38·10^-23 Дж/К);

Р_г – давление газа, Па;

m – масса молекулы (для молекулярного газа) или атома

(для атомарного газа), кг;

Т – температура газа;

Давление газа составляет 266.6*10^-4 Па. Атомная масса атома бора составляет 17,946*10^-27 кг. Температура газа составляет 300 К. Тогда

3.4 Расчёт энергии, выделяемой на поверхности конденсации за

единицу Δq

На поверхности конденсации за единицу времени выделится энергия, определяемая соотношением

, [2] (3.5)

где U_п – отрицательное напряжение смещения на подложке относительно

плазмы, В;

– средняя энергия ионов, Дж (для Сr =122·10^-19 Дж) ; [2]

Q_к – энергия, выделяющаяся при конденсации одного иона, Дж.

, (3.6)

где Q_и – теплота испарения металла, кДж/моль;

(для Сr Q_и = 342 кДж/моль );

N_a – число Авогадро, 6,022·10²³ моль^-1;

Тогда энергия на поверхности конденсации за единицу времени

3.5 Расчёт количества газа, вступившего в реакцию с металлом nx

Количество газа, вступившего в реакцию с металлом, рассчитывается по формуле

, [2] (3.7)

где Т_ст – температура стенок камеры, К;

ε_r – интегральный коэффициент излучения наносимого материала;

Q_p – потенциальный барьер реакции;

Т_п – температура подложки;

σ – постоянная Стефана-Больцмана, Дж/с·м²·К⁴.

, (3.8)

где c – теплота образования, Дж (для CrB₂ с=50241.6 Дж);

N_a – число Авогадро.

Тогда количество газа, вступившего в реакцию с металлом

3.6 Расчёт содержания неметалла Cx в соединении

Если энергия Δq, подводимая к поверхности, достаточна для того, чтобы весь падающий на поверхность подложки поток газа образовал химическое соединение, то содержание неметалла С_x не зависит от энергии ионов и будет определяться только потоком n_г, т.е давлением газа, тогда

[2] . (3.9)

Подставляя числовые значения получим

или

3.7 Расчёт порогового значения потенциала подложки Uпкр

Пороговое значение потенциала подложки, при котором весь поток газа вступает в химическое соединение, однозначно связанное с давлением газа, можно найти из соотношения:

[2] (3.10)

При подстановке числовых значений получаем:

U_пкр=(5,67*10^-8*0,13*(700⁴-400⁴)+1*266,6*10^-4*8,343*10^-20- 63,35*10¹⁹*(122*10^-19+5,6792*10^-19))/(63,35*10¹⁹*1,6*10^-19*1,44)=

= -43,7 В

Для получения СrB₂ стехиометрического состава необходимо обеспечить условие:

Данное условие выполняется (см. п. 3.6). Вероятность поступления реактивного газа в молекулярном или атомарном состоянии на подложку будет определяться величиной давления.

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы были рассмотрены физико-химические процессы на поверхности твердого тела при электрохимической обработке, при вакуумной ионно-плазменной обработке, при лазерной обработке.

Электрохимический метод позволяет обрабатывать заготовки из токопроводящих материалов с высокими механическими свойствами, которые трудно или практически невозможно обрабатывать другими методами. Также, этот метод дает возможность получать самые сложные поверхности.

В зависимости от параметров плазменного потока в процессе синтеза покрытий методом вакуумной ионно-плазменной обработки рассчитаны характер и эффективность плазмохимических реакций. Было обеспечено условие получения соединения CrB₂ стехиометрического состава.

По полученным графикам при закалке импульсно-периодическим лазерным излучением видно, что с увеличением энергии теплового источника, увеличивается время пребывания выше температуры закалки. С увеличением энергии теплового источника, также увеличивается глубина зоны проплавления, закалки, отпуска. Это происходит, поскольку при увеличении энергии теплового источника увеличивается мощность излучения источника нагрева, что способствует повышению температур и увеличению глубины закалки, отпуска и проплавления соответственно.

Список литературы

1. Филимошин В.Г., Шулепов А.П. Проектирование технологических процессов электрохимического и комбинированных методов обработки поверхностей деталей двигателей летательных аппаратов. Учебное пособие. Куйбышев, 1985 г.

2. В.В. Будилов. Технология вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий. Учебное пособие: УГАТУ, Уфа. 1993 г. - 74 с.

3. В.В. Будилов, Р.М. Киреев, С.Р. Шехтман. Технология вакуумной ионно-плазменной обработки. Учебное пособие. Москва.2007 г.

4. Самсонов Г.В., Марковский Л.Я., Жигач А.Ф., Валяшко М.Г. Бор, его соединения и сплавы. Киев: Изд-во АН УССР, 1960. 470 с.

5. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989 г. – 304 с.

6. В.В. Будилов. Физические основы вакуумно-плазменной технологии нанесения покрытий: Учебное пособие. УГАТУ, Уфа, 1993 г.

7. Амирханова Н.А., Зайцев А.Н., Зарипов Р.А. Электрохимическая размерная обработка материалов в машиностроении: Учебное пособие /Н.А. Амирханова, А.Н. Зайцев, Р.А. Зарипов; Уфимск. Гос. Авиац. Ун-т. – Уфа, 2004.- 258 с.

8. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Учебное пособие (в 2-х томах). Обработка материалов с применением инструмента / под ред. В.П. Смоленцева.-М.: Высш.шк., 1983 г.

9. Попилов Д.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов: Справочник — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1982. — 400 с., ил. (Серия справочников для рабочих)