СПОСОБ ИМПЛАНТАЦИИ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ ИОНАМИ МЕДИ И СВИНЦА Российский патент 2012 года по МПК C23C14/48 C23C14/16 

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 (заявка Франции 2476143, кл. С23С 14/48) ионно-лучевой обработки изделий, заключающийся в том, что в камеру, где располагаются изделия, напускают газ. Газ ионизируют и используют для обработки изделий. Ионы газа ускоряются за счет приложения переменной разности потенциала между изделиями и камерой. Технические возможности данного способа по созданию необходимой структуры и элементного состава в приповерхностном слое изделий ограничены тем, что при такой обработке в изделие имплантируют только ионы напускаемого газа. Создаваемые приповерхностные слои имеют сильные ограничения по значениям микротвердости из-за больших возникающих градиентов свойств между упрочненными слоями и матрицей. Следствием является возникновение высоких внутренних напряжений в приповерхностных слоях, приводящее к разрушению материала даже при слабых нагрузках.

Известен способ ионно-лучевой обработки изделий и материалов (Sharkeev Yu.P., Gritsenko B.P., Perry A.J., Fortuna S.V., Modification of mettallic materials and hard coatings using vacuum arc metal ion implantation. Vacuum, 1999, 1, v.52, p.247-254), по которому можно с помощью ионных пучков повышать износостойкость изделий. Одним из основных недостатков данного способа является ограничение по достигаемой микротвердости в приповерхностных слоях. Начиная с некоторых значений микротвердости, которые для каждого материала свои, напряжения, возникающие в приповерхностных слоях, столь велики, что прочности материала не хватает, и он разрушается либо самопроизвольно, либо при нагружении.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу ионной имплантации является способ, 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 прототипа является ограниченное увеличение усталостной прочности и износостойкости обработанной поверхности деталей. Увеличение дозы имплантирования ионов меди приводит к росту длительности обработки при постоянстве значения усталости обработанной стали и появлению задиров на имплантированной поверхности.

Предлагаемый способ ионной имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца обеспечивает повышение усталостной прочности при низких значениях коэффициента трения скольжения.

Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый способ, обеспечивается одновременной имплантацией ионов меди и свинца, осуществляют совместную имплантации ионов меди и свинца, катод изготавливают из бинарного сплава меди и свинца, содержание свинца в котором составляет 25-45%, дозу (флюенс) имплантации выбирают в пределах (1-2,5)×10¹⁷ ион/см², причем с увеличением содержания свинца флюенс снижают пределах рабочего диапазона.

Выполнение совместной имплантации ионами с большой массой (свинец) в сочетании с ионами (медь), 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 свинца при дозе 1,5·10¹⁷ ион/см² глубина проникновения ионов меди в обрабатываемую сталь в 4 раза превышает глубину проникновения ионов меди при облучении ими стали при одинаковой дозе.

На глубину проникновения ионов и свойства имплантированного слоя оказывает влияние материал, из которого выполнен катод установки для имплантирования. Содержание свинца в материале катода выбирают в пределах 25-45%. При содержании свинца менее 25% наблюдается снижение глубины проникновения ионов меди в мишень, усталостной прочности облученных образцов. Увеличение содержания свинца в материале катода более 45% сопровождается увеличением усталостной прочности облученных образцов, которое сопровождается резким ростом значений коэффициента трения.

Значение дозы, при которой достигается оптимальное сочетание высокой усталостной прочности и низкого коэффициента трения при одновременной имплантации ионов меди и свинца в сталь, уменьшается с 2,5×10¹⁷ ион/см² при содержании свинца 25% до 1×10¹⁷ ион/см² при содержании свинца 45%.

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 свинца с дозой (1-2,5)×10¹⁷ ион/см², осуществляя формирование поверхностного слоя.

Образцы стали 30ХГСН2А в исходном состоянии и после имплантирования были подвергнуты испытаниям на усталость. Кроме того, на образцах в виде втулок диаметром 12 мм по величине момента страгивания определяли коэффициент трения скольжения. Полученные результаты представлены в таблице.

№ п/п Состав материала катода Доза имплантации (флюенс), ион/см² Усталость, кцикл. при σ=300 МПа при частоте 22,5 Гц Коэффициент трения 1 Контрольный образец без имплантации 87,2 0,14 2 100% Cu 1,5·10¹⁷ 92,4 0,10 3 77% Cu+23% Pb 1,5·10¹⁷ 117,8 0,11 4 75% Cu+25% Pb 1,5·10¹⁷ 145,2 0,11 5 64% Cu+36% Pb 1,5·10¹⁷ 148,5 0,12 6 55% Cu+45% Pb 1,5·10¹⁷ 149,4 0,12 7 50% Cu+50% Pb 1,5·10¹⁷ 149,7 0,17 8 64% Cu+36% Pb 0,8·10¹⁷ 129,2 0,11 9 64% Cu+36% Pb 1·10¹⁷ 138,7 0,11 10 64% Cu+36% Pb 1,5·10¹⁷ 148,5 0,12 11 64% Cu+36% Pb 2·10¹⁷ 149,2 0,12 12 64% Cu+36% Pb 2,5·10¹⁷ 149,9 0,12 13 64% Cu+36% Pb 3·10¹⁷ 148,3 0,15 14 75% Cu+25% Pb 2,5·10¹⁷ 149,2 0,11 15 64% Cu+36% Pb 1,5·10₁ ⁷ 149,4 0,11 16 55% Cu+45% Pb 1·10¹⁷ 149,4 0,11

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам ионной обработки поверхности деталей из конструкционных сталей, в частности, типа 30ХГСН2А. Технический результат - повышение усталостной прочности стали и снижение коэффициента трения детали при скольжении. Согласно способу осуществляют совместную имплантацию ионов меди и свинца в поверхность стали с помощью катода, который изготавливают из бинарного сплава меди и свинца. При этом содержание свинца в катоде составляет 25-45%. Дозу (флюенс) имплантации выбирают в пределах диапазона (1-2,5)·10¹⁷ ион/см², причем с увеличением содержания свинца флюенс снижают в пределах этого диапазона. 1 табл.

Способ имплантации конструкционной углеродистой стали, при котором в поверхность стали имплантируют ионы меди и свинца, отличающийся тем, что осуществляют совместную имплантации ионов меди и свинца, катод изготавливают из бинарного сплава меди и свинца, содержание свинца в котором составляет 25-45%, дозу (флюенс) имплантации выбирают в пределах диапазона (1-2,5)·10¹⁷ ион/см², причем с увеличением содержания свинца флюенс снижают в пределах указанного рабочего диапазона.