Способ ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали

Изобретение относится к способу ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов. Имплантацию конструкционной стали осуществляют с использованием катода из сплава меди и железа с содержанием последнего 45-55%. Дозу имплантации задают в пределах (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2. В результате обеспечивается повышение износостойкости и коррозионной стойкости деталей в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям в агрессивной коррозионной среде. 3 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов.

Известен способ ионной имплантации, при котором поверхность обрабатываемой детали подвергается воздействию пучка ионов меди с дозой (1-5)⋅1017 ион/см2 (Овчинников В.В., Козлов Д.А., Якутина С.В. Исследование свойств поверхности стали 30ХГСН2А после имплантации ионами меди // Машиностроение и инженерное образование. 2009. №2. С. 7-13).

Недостатком данного способа является ограниченное увеличение износостойкости и коррозионной стойкости обработанной поверхности деталей. Увеличение дозы имплантирования ионов меди не приводит к росту коррозионной стойкости имплантированной поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу ионной имплантации является способ, при котором поверхность обрабатываемой детали подвергается воздействию пучка ионов меди и свинца с дозой (1-5)⋅1017 ион/см2, который получают за счет использования в качестве материала катода имплантера монотектического сплава меди с 36% свинца (Овчинников В.В., Якутина С.В., Козлов Д.А., Немов А.С. Свойства и состав поверхности стали 30ХГСН2А в зависимости от дозы облучения ионами меди и свинца // Известия МГИУ. 2010. №3. С. 15-20). Применение монотектического сплава меди со свинцом позволяет значительно повысить глубину проникновения имплантируемых ионов, что способствует росту усталостных свойств стали.

Существенным недостатком прототипа является повышение коэффициента трения скольжения при введении ионов свинца в поверхностный слой стали и соответствующее снижение ее износостойкости. Кроме того, детали отличаются невысокой коррозионной стойкостью в условиях трения с приложением внешней нагрузки в условиях воздействия агрессивной среды, например морского тумана.

Заявляемый способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали обеспечивает повышение износостойкости и коррозионной стойкости деталей в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям в агрессивной коррозионной среде.

Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый способ, обеспечивается тем, что имплантацию конструкционной стали осуществляют при использовании в качестве материала катода сплава меди и железа с содержанием последнего 45-55%, причем дозу имплантации задают в пределах (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2.

Подробнее сущность заявляемого способа поясняется чертежами:

на фиг. 1 - показана микроструктура сплава 50% медь - 50% железо (×150);

на фиг. 2 - приведена глубины проникновения ионов в сталь 30ХГСН2А в зависимости от содержания железа в материале катода;

на фиг. 3 - зависимость весового износа от прилагаемой нагрузки при пути трения 1000 м исходных (1) и имплантированных (2) деталей.

Выполнение совместной имплантации ионами (медь, железо), близкими по массе к основе мишени (железо), позволяет создавать большое количество радиационных дефектов, по которым ионы меди проникают вглубь мишени. С помощью метода вторичной масс-спектрометрии установлено, что при одновременной имплантации ионов меди и железа при дозе 7,9⋅1017 ион/см2 глубина проникновения ионов меди в обрабатываемую сталь в 4,5 раза превышает глубину проникновения ионов меди при облучении ими стали при одинаковой дозе.

Максимальное значение глубины проникновения ионов в матрицу (стали 30ХГСН2А) достигается при использовании в качестве материала катода имплантера сплава меди с железом с содержанием железа 50%. Особенностью сплава меди с железом является то, что компоненты сплава являются несмешивающимися. Относительная простота получения сплавов меди с железом в наиболее практически важном интервале концентраций объясняется особенностями диаграммы равновесия этой системы: невысоким куполом расслоения в жидком состоянии и значительным содержанием железа в монотектической точке.

На фиг. 1 показан типичный фрагмент микроструктуры сплава медь-железо с содержанием железа 50% мас.%. Основной особенностью рассматриваемой микроструктуры является концентрическое расположение железа и меди, фактически не взаимодействующих друг с другом и выступающих в виде чистых элементов с присущими им индивидуальными свойствами.

Из сплава меди с железом были изготовлены различные катоды имплантера, которые использовались для имплантирования образцов из стали 30ХГСН2А.

Проведение имплантации поверхностей детали из 30ХГСН2А катодом из сплава меди и железа, содержащим в своем составе более 55% железа, не приводит к повышению коррозионной стойкости по сравнению с деталями, не подвергавшимися облучению.

При использовании в качестве материала катода имплантера сплава меди с железом, содержащим менее 45% железа, не наблюдается увеличения износостойкости имплантированных деталей по сравнению с имплантацией медью из-за малой глубины проникновения ионов в поверхностный слой детали (фиг. 2).

Поэтому оптимальным следует признать материал катода имплантера с содержанием железа в сплаве с медью в диапазоне 45-55%.

При дозе имплантации менее 7,1⋅1017 ион/см2 не отмечается существенного увеличения износостойкости имплантированной стали 30ХГСН2А.

Увеличение дозы имплантирования свыше 9,5⋅1017 ион/см2 существенно не сказывается на коррозионной стойкости поверхностного слоя детали из стали 30ХГСН2А при значительном увеличении времени обработки стали. Также отмечается повышение весового износа имплантированной стали. Повышение весового износа является следствием образования нанотрещин по границам зерен с последующим скалыванием частиц материала при трении.

Использование имплантирования ионами сплава меди с железом, содержащим 45-55% железа, при дозе имплантирования (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2 позволяет обеспечить устойчивое повышение коррозионной стойкости и износостойкости поверхностного слоя стали 30ХГСН2А.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Вакуумную камеру, в которой расположен источник ионов, откачивают до давления 10-3 Па. Производят ионную очистку изделия с помощью ионного источника. При этом энергия ионов не превышает 10-15 кэВ. Затем повышают энергию ионов до 40 кэВ, одновременно имплантируют ионы меди и железа с дозой (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2, осуществляя формирование модифицированного поверхностного слоя.

Испытания на стойкость против общей коррозии выполнялись в соответствии с ГОСТ Р 52763-2007. Условия испытаний и состав раствора выбираются по ГОСТ Р 51201-2007.

Испытания имплантированных и контрольных образцов проводились в нейтральном соляном тумане. Для приготовления испытательного раствора применялась дистиллированная вода и хлористый натрий.

Исследование проводилось на образцах толщиной 1 мм и размером 50×80 мм, которые перед испытаниями взвешивались с точностью до 1 мг. На одну из сторон образца наклеивалась защитная пленка для предотвращения коррозии.

После испытаний, которые длятся 96 часов, защитную пленку удаляли. Продукты коррозии с поверхности образцов удаляли путем погружения образца в раствор соляной кислоты с плотностью 1,18 г/мл с добавлением 3,5 г гексаметилтрамина до 1 л. Затем образцы промывали в воде и подвергали сушке. После этого методом взвешивания определяли потерю массы образца в расчете на 1 м2 поверхности. Скорость коррозии по данному методу определяют по скорости убыли массы образца (ГОСТ 9.908-85).

Трибологические испытания проводились на автоматизированной машине трения по схеме «шарик-пластина» (модуль возвратно-поступательного движения). Для испытаний использовались образцы стали 30ХГСН2А размером 50×50 мм и толщиной 2 мм. Испытания проводились на воздухе. Эти испытания соответствуют международным стандартам ASTM G99-959, DIN50324 и ISO 20808.

Основные результаты исследований трибологических и коррозионных свойств имплантированных образцов представлены в таблице.

Имплантация ионов из сплава меди с железом в сталь 30ХГСН2А позволяет существенно снизить скорость коррозии и заметно повысить коррозионную стойкость (таблица) образцов после имплантации, а также износостойкость указанной стали.

Таким образом, проведенные испытания на износостойкость и коррозионную стойкость подтвердили, что имплантация стали 30ХГСН2А ионами меди и железа при использовании катодов из сплава меди с 45-55% железа и дозе имплантации (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2 позволяет существенно повысить износостойкость и коррозионную стойкость деталей при сокращении длительности цикла обработки на 40-45%.

Способ ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали, включающий бомбардировку обрабатываемой поверхности потоком ионов меди и железа, отличающийся тем, что в качестве катода имплантера используют катод из сплава меди с железом, содержащий 45-55% железа, при этом имплантацию осуществляют с дозой (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к металлургии, а именно к способам химико-термической обработки деталей из легированных инструментальных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения режущего инструмента.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при высоких температурах.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе кобальта, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при высоких температурах.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения.

Изобретение относится к ионно-лучевой вакуумной технологии получения материалов со специальными свойствами, в частности к способу поверхностной обработки углеродистой стали, и может быть использовано для изготовления деталей машин и механизмов, работающих в сложных условиях.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке изделий из инструментальных сталей. Для увеличения глубины азотируемого слоя за короткий промежуток времени, повышения износостойкости перетачиваемого инструмента, изготовленного из отожженной заготовки, инструмент нагревают в вакуумной камере в среде аргона при давлении 0,2-0,67 Па до температуры не ниже 450° и не выше Ac1-(50-70)°C с обеспечением ионной очистки поверхности, затем при указанной температуре нагрева осуществляют ионно-плазменное азотирование в плазме азота или смеси газов аргона и азота с концентрацией азота не менее 20% путем двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, при этом сила тока дуги составляет (80-100)±0,5А, а сила тока дополнительного анода - (70-90)±0,5 А при подаче на инструмент напряжения смещения в диапазоне от -50 В до -900 В в течение 0,5-2 час, охлаждение ведут в камере, а закалку и отпуск проводят по стандартному режиму для данной стали с получением азотированного слоя глубиной 2-2,5 мм.
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты пера лопаток компрессора от эрозии и солевой коррозии при температурах эксплуатации до 800°C.
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты пера лопатки компрессора от эрозии и солевой коррозии при температурах эксплуатации до 800 °C.

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости деталей машин и механизмов.

Изобретение относится к области ионнолучевой вакуумной обработки материалов, в частности к способу ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости деталей машин и механизмов.

Изобретение относится к производству изделий из композиционных материалов с металлической или карбидно-металлической матрицами, а также из керметов. Устройство для объемного металлирования заготовок содержит основные нагреватели, расположенные вокруг наружной реторты, и дополнительный нагреватель для подогрева тиглей с металлом, внутреннюю реторту замкнутого объема с размещенными внутри нее металлируемыми заготовками и тиглями с металлом, реактор проточного типа, теплоизоляцию из пористых углеграфитовых материалов и пневмо-газо-вакуумную систему.

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе кобальта, предназначенных для получения износостойких покрытий с высокой микротвердостью, полученных методами гетерофазного переноса.

Изобретение относится к формированию покрытий на медных электрических контактах и может быть использовано в электротехнике. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка диборида титана массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы TiB2-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным прецизионным сплавам на основе никеля для получения покрытий микроплазменным или холодным сверхзвуковым напылением.

Изобретение относится к области получения материалов, пригодных для формирования высокотемпературных эрозионно-стойких защитных покрытий на особожаропрочные конструкционные материалы (углерод-углеродные и углерод-керамические композиционные материалы, графиты, сплавы на основе тугоплавких металлов), широко применяемые в авиакосмической, ракетной и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред, в частности форсунок, тиглей, деталей тепловых узлов, высокотемпературных турбин и летательных аппаратов, испытывающих значительные механические нагрузки при эксплуатации.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности, к технологии импульсного электровзрывного нанесения беспористых композитных покрытий системы TiB2-Cu с применением в качестве взрываемого проводника композиционного электрически взрываемого материала, представляющего собой двухслойную медную фольгу с заключенной в ней порошковой навеской диборида титана, и может быть использовано в электротехнике для формирования контактных поверхностей с высокой электроэрозионной стойкостью.

Изобретение относится к получению на медных контактных поверхностях композиционного ламинатного молибден-медного покрытия. .

Изобретение относится к стальному листу с защитным противокоррозионным покрытием и способу его изготовления и может быть использовано для производства деталей для автомобиля. Стальной лист содержит по меньшей мере один слой цинка. Указанный слой нанесен посредством пароструйного осаждения со звуковой скоростью посредством эжекционной камеры . Отношение между давлением Рк внутри камеры для нанесения покрытия и давлением Рэ внутри камеры для эжекции цинка составляет 2⋅10-3-5,5⋅10-2. По второму варианту внутри камеры для нанесения покрытий поддерживают давление Рк, составляющее 6⋅10-2-2⋅10-1 миллибар. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способу ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов. Имплантацию конструкционной стали осуществляют с использованием катода из сплава меди и железа с содержанием последнего 45-55. Дозу имплантации задают в пределах ⋅1017 ионсм2. В результате обеспечивается повышение износостойкости и коррозионной стойкости деталей в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям в агрессивной коррозионной среде. 3 ил., 1 табл.

Наверх