СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ОБРАЗЦЫ ИЗ ЖЕЛЕЗА Советский патент 1994 года по МПК C23C14/48 

Изобретение относится к обработке металлов и сплавов потоками энергии и может быть использовано для получения новых соединений и изменения фрикционных свойств сплавов.

Целью изобретения является уменьшение коэффициента трения.

На чертеже представлены зависимости коэффициента трения от нагрузки (в г/мм²) для исходных образцов железа (кривая 1), для образцов железа пленкой ТiN, облученных по способу-прототипу (кривая 2), и для различных режимов облучения железа с нанесенной пленкой Pb различной толщины. Кривая 3: на образец Fe напылена пленка Pb толщиной 1200 и затем образец облучен ионным пучком с плотностью потока мощности 0,3˙10⁶Вт/см² (образована структура Pb_xFe_1-x, х = 0,4), кривая 4 получена для образца с пленкой Pb толщиной 1260 , облученного ионным пучком с плотностью потока мощности 0,5˙10⁶ Вт/см² (Pb_xFe_1-x, x = 0,6); кривая 5 - для образца с пленкой Pb толщиной 1200 , облученного ионным пучком с плотностью потока мощности 0,4˙10⁶ Вт/см² (Pb_xFe_1-x, x = 0,7); кривая 6 - для образца с пленкой толщиной 2500 , облученного ионным пучком с плотностью потока мощности 0,4˙10⁶ Вт/см² (х = 0,95); кривая 7 - пленка толщиной 500 и облучение ионным пучком с W = 0,3˙10⁶ Вт/см²(х = 0,08); кривая 8 - пленка из Pb толщиной 1500 , облучение ионным пучком с плотностью потока мощности W ≈ 1,6˙10⁶ Вт/см².

П р и м е р. Использовали образцы из α-Fe толщиной от 200 мкм до 20 м, с различными размерами по площади (от 0,5 до 22 см² в сечении). На поверхность образцов наносили распылением ионов слой свинца толщиной от 500 до 2500 . Облучение образцов проводили на ускорителе "Тонус" и "Темп" с параметрами пучков ионов углерода Е = 0,2-0,4 МэВ, длительность импульса τ= 60-100 нс, а поток плотности мощности меняли от 0,2 до 5˙10⁶ Вт/см² изменением плотности тока. До и после облучения ионным пучком образцы исследовали методами резерфордовского обратного рассеяния (РОР) с энергия ионов Не⁺Е - 1,8 МэВ, вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) с предельной элементной чувствительностью ≈ 10^-5 ат. % , просвечивающей растровой электронной микроскопии (ПЭМ, РЭМ). Все эти ядерно-физические и структурные методы позволили получить полную информацию о структурно-фазовых изменениях и массопереносе элементов в приповерхностностном слое.

При воздействии ионного пучка на слой Pb можно выделить несколько процессов: массоперенос, формирование и воздействие ударных волн, сверхбыстрая закалка, термонапряжение, создающих предпосылки для образования необычных метастабильных фаз с высокими эксплуатационными характеристиками. Известно, что Pb и Fe равновесных сплавов и соединений не образуют, так как сильно различаются по термическим и теплофизическим свойствам (температура кипения Pb 1715^оС, а температура плавления железа 1530^оС). Для высокоэнергетических ионов, попадающих на поверхность металла, перенос энергии происходит практически однородно в глубину на расстояние проективного пробега ионов 2,5 ˙10⁴ для Н⁺ и 0,17˙10 для С⁺. Следовательно, плавление под действием ионного пучка может рассматриваться как быстрый термический нагрев по всей глубине пробега ионов, а подложка металла остается практически холодной. В таких условиях происходит перемешивание Pb c Fe, т. е. образование на поверхности железа тонкого слоя из сплава железа со свинцом.

При сплавлении (перемешивании) свинца с железом реализуется контакт сильно перегретого пара или плазмы (из свинца) и расплавленного слоя матрицы железа. Таким способом получаются необычные структуры, обладающие повышенными эксплуатационным характеристиками, в частности необычно низким коэффициентом трения при скольжении металла по металлу. Исследования этих структур показали, что низкий коэффициент трения (ниже, чем у прототипа, в 3 раза) связан с формированием гексагональной структуры Pb_xFe_1-x со стехиометрией х от 0,3 до 0,7. Метастабильное соединение Pb_xFe_1-x в данном случае при скольжении по металлу образца из ШХ-15 выступает в качестве смазочного материала, который при истирании поверхности образцов вносит недостаточно большие глубины (десятки микрон) и уменьшает трение.

Режимы способа обеспечивают образование нового неизвестного ранее соединения Pb_xFе_1-x с гексагональной решеткой, имеющего при стехиометрии х = 0,3-0,7 аномально низкий коэффициент трения.

Диапазон плотности потока мощности выбран экспериментально из многочисленных испытаний и исследований, ниже плотности потока мощности 0,2 х 106 Вт/см² свинец не успевает испаряться, а железо не успевает расплавиться на нужную глубину. При увеличении плотности потока мощности свыше 0,5˙10⁶ Вт/см² значительная часть свинцового покрытия испаряется и разлетается с поверхности за счет газодинамического разлета, т. к. свинец не успевает провзаимодействовать, чтобы сформировать из этих соединений структуру с повышенными эксплуатационными характеристиками. Если использовать свинцовое покрытие толщиной 1000 , то при воздействии ионного пучка не получается метастабильного состояния с необходимой стехиометрией и структурой решетки. С увеличением толщины наносимого покрытия более 1500 часть слоя свинца остается неперемешанной, непровзаимодействовавшей с образованием необходимой структуры.

Как видно из представленных результатов, наименьший коэффициент трения получился у структур Pb_xFe_1-x, где х меняется от 0,3 до 0,7, он в десять раз меньше, чем у исходного, и примерно в 3 раза меньше, чем у прототипа. При уходе за пределы толщины пленки и интервала плотности потока мощности коэффициент трения сильно ухудшается.

Таким образом, данным способом нанесения покрытий можно получать новые структуры с очень маленьким коэффициентом трения, что приводит в итоге к улучшению фрикционных свойств в деталях машин, подшипников (трущихся частей), при скольжении металла по металлу. Кроме того, предлагаемый способ позволяет по сравнению с прототипом за счет уменьшения толщины покрытия сократить расход материала на покрытие, а также снизить время, требуемое для нанесения покрытия, что повышает технологичность способа. (56) Кяшкин В. М. , Жданов Т. С. и Миркин Л. И. Способ обработки поверхности металлов и сплавов. Ан СССР, 1979, т. 249, ! 5, м. 119-121.

Авторское свидетельство СССР N 1468017, кл. С 23 С 14/48, 1987.

Изобретение относится к обработке металлов и сплавов потоками энергии. Цель изобретения - уменьшение коэффициента трения при скольжении металла по металлу достигается тем, что в качестве слоя металла, наносимого на поверхность, используют свинец толщиной и производят облучение его поверхности ионным пучком плотностью потока мощности W=0.2-0.5·10⁶ Вт/см² . Такая обработка приводит к улучшению фрикционных свойств в деталях машин, подшипниках. 1 ил.

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ОБРАЗЦЫ ИЗ ЖЕЛЕЗА , включающий очистку повеpхности, нанесение слоя металла и последующее облучение его ионным пучком наносекундной длительности, отличающийся тем, что, с целью уменьшения коэффициента тpения, в качестве слоя металла используют свинец толщиной 1000 - 1500 ^o А, а облучение пpоводят ионным пучком плотностью потока мощности W = (0,2 - 0,5) · 10⁶ Bт/cм².