способ обработки поверхности изделий из стали и сплавов на основе меди

Формула изобретения

Способ обработки поверхности изделий из стали и сплавов на основе меди, включающий имплантацию в поверхность изделия высокоэнергетических ионов, отличающийся тем, что, с целью улучшения коррозионностойких и кавитационностойких характеристик, имплантацию поверхности осуществляют ионами лантана или кремния с энергией 30 300 кэВ и дозой 10^{14 o}C 6 10¹⁷ ион/см².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к физико-механической обработке поверхности металлов и сплавов, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей судового машиностроения, работающих в потоке морской воды при больших скоростях.

Известен способ поверхностного упрочнения ионами титана (Ti) и азота (N) (см. патент Японии N 61-272364, кл. С 23 С 14/06; В 29 С 33/38, опубл. 02.12.86), по которому стальная форма обрабатывается при плотности потока ионов Ti⁺ приблизительно 10¹⁷ ион/см² и ионов N⁺ приблизительно 510¹⁷ ион/см², причем тонкий поверхностный слой TiN формируется при низких температурах.

Недостатком данного способа является то, что способ многостадийный, для образования поверхностного слоя TiN требуется обработка деталей в двух потоках ионов сначала Ti, затем N. Слой TiN формируется при низких температурах, что оказывает отрицательное влияние на структурные изменения и механические свойства металлов и сплавов. Кроме того, этот способ распространяется только на стальные изделия и не может быть использован для цветных металлов и их сплавов.

Известен способ ионной имплантации деталей из конструкционной и инструментальной стали (см. "Ионная имплантация", Под ред. Хервонена Дж.К. Перевод с англ. М. Металлургия, 1985), заключающийся в насыщении металлической поверхности ионами различных элементов (He⁺, Ne⁺, Ar⁺, Ni⁺ и др.).

Недостатком этого способа является использование дорогих и трудно получаемых для имплантации элементов, а также отсутствие регулирования температуры в процессе обработки.

Наиболее близким техническим решением является способ упрочнения поверхности стальных изделий (авт. св. СССР N 1210479, кл. С 23 С 9/00, 1983), принятый авторами за прототип, заключающийся в том, что ионное азотирование стальных изделий производят после их дробеструйной обработки, облучение осуществляют в ионном ускорителе, где доза облучения поверхности составляет 210¹⁷ ион/см² при энергии 40 кэВ, причем температура образцов в процессе обработки не превышает 100^oC.

Недостатками этого способа являются: многостадийность (дробеструйная обработка + ионная обработка); возможность использования на ограниченной номенклатуре деталей, так как не позволяет упрочнять изделия сложной геометрической формы и больших размеров; способ не распространяется на изделия, работающие в условиях коррозии, кавитации, не учитывает разнообразия действующих на изделие циклических нагрузок, не может быть применен для цветных металлов и их сплавов, так как зона имплантации азота становится катодно-поляризованной зоной по отношению к остальному металлу, что способствует развитию микротрещин и ускорению гальванической коррозии; отсутствие регулировки режимов имплантации приводит к неоправданно большому расходу имплантата, что делает способ экономически невыгодным.

Целью изобретения является улучшение корроозионностойких и кавитационных характеристик металлических изделий.

Для достижения цели в способе обработки поверхности изделий из сталей и сплавов на основе меди, включающем имплантацию в поверхность изделия высокоэнергетичных ионов, имплантацию поверхности осуществляют ионами лантана или кремния с энергией 30 300 кэВ и дозой 10¹⁴ 610¹⁷ ион/см².

Благодаря применению указанных режимов имплантации на поверхности изделия образуется собственно имплантированный слой. Ионная имплантация формирует в поверхностном слое металлов и сплавов на основе меди большое количество упрочняющих фаз, препятствующих развитию усталостных трещин и выходу их на поверхность, кроме того, эффект радиационно-стимулированной диффузии внедренных атомов обеспечивает толщину слоя с повышенными прочностными характеристиками, превышающими на 2 3 порядка глубину проникновения ионов, имплантированных в цветные сплавы. Эксплуатационные свойства цветных сплавов значительно улучшаются при использовании в качестве имплантируемых ионов кремния Si⁺ или La⁺.

Лантан, имплантированный в поверхность судостроительных материалов, например цветных сплавов, связывает растворенный на поверхности кислород, присутствующий в меди и ее сплавах в виде промежуточной фазы, создавая окись La₂O₃, которая образует с медью эвтектику с высокой температурой плавления и, не вызывая красколомкости, способствует повышению коррозионно-усталостной прочности в морской воде.

Кремний в процессе имплантации сегрегирует на поверхности сплавов на основе меди, образуя защитную пленку SiO₂, предохраняющую их поверхность от воздействия коррозионной среды, повышая тем самым коррозионно-усталостные характеристики. Предложенный режим имплантации позволяет регулировать глубину проникновения ионов, толщину модифицированного слоя, качество образуемой на поверхности защитной пленки La₂O₃ или SiO₂, что влияет на показатели прочностных характеристик, обеспечивает большую эффективность и контролируемость процессов, отсутствие вредных отходов, возможность автоматизации всех процессов обработки, позволяет экономно расходовать имплантируемые элементы, электроэнергию.

В соответствии с техническими требованиями к изделию выбирается оптимальная глубина имплантации, которая достигается определенным значением энергии (Е; кэВ), чем выше значение энергии, тем глубже пробег ионов, тем больше толщина и выше качество модифицированного слоя.

Доза имплантации выбирается из следующей зависимости:



где максимальная концентрация имплантированной примеси, определяющаяся коэффициентом распыления S и атомной плотностью материала мишени в 1 см³ n_o;

R_p глубина проникновения ионов, которая регулируется значением энергии Е, числом атомов в единице объема n_o, электронной S_e и ядерной S_n тормозной способностью ионов;



Приводим пример расчета граничных и промежуточных значений режимов обработки для сплавов на основе меди, имплантируемых ионами лантана:

n_o(Cu) 11x10²⁰ cм^-3

R_p^La+Cu (30 кэВ) 1,4х10^-6см

R_p^La+Cu (40 кэВ) 4х10^-5см

R_p^La-Cu (300 кэВ) 9,4х10^-3см

S_Cu(30 кэВ) 15 ат/ион

S_Cu(40 кэВ) 15,6 ат/ион

S_Cu (300 кэВ) 18 ат/ион

(Буренков А.Ф. и др. Таблица параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Минск, Издательство БГУ, 1980).

Табличные данные подставлены в [1]

D_пред (30 кэВ) 1,02х10¹⁴ ион/см²,

D_пред(40 кэВ) 2,8х10¹⁷ ион/см²,

D_пред(300 кэВ) 5,8х10¹⁷ ион/см².

Аналогичные расчеты действительны и в технологии упрочнения цветных сплавов ионами кремния (Si⁺), и в технологии обработки сталей ионами лантана (La⁺) и кремния (Si⁺).

Пример выбора граничных и промежуточных значений режимов обработки для нержавеющих сталей приведен ниже.

Таким образом, значение энергии в 30 кэВ соответствует дозе облучения 10¹⁴ ион/см². С увеличением значения энергии внедряемых ионов их доза возрастает, а обработка поверхности изделия с энергией в 300 кэВ требует повышения дозы облучения до максимальной 6x10¹⁷ ион/см².

На фиг.1 4 представлен ряд металлографических снимков, которые наглядно раскрывают всю суть изменений, происходящих в микроструктуре поверхностного слоя стального образца в зависимости от режимов обработки.

На фиг.1 представлена микроструктура образца из нержавеющей стали до начала ионной обработки. Микротвердость его поверхности составляет 1150 МПа. Местами простматриваются микронеровности, выход на поверхность границ кристаллических зерен (микротрещин), микропустоты, которые в процессе эксплуатации изделия, особенно в условиях коррозии и кавитации, являются главными очагами и стимуляторами процессов усталостного, межкристаллического, кавитационно-эрозионного разрушения.

На фиг.2 представлена микроструктура того же образца, поверхность которого имплантирована ионами с энергией от 25 до 30 кэВ, доза облучения возрастает соответственно от 6х10¹² до 1х10¹⁴ ион/см².

Центральная область поверхности образца на снимке обработана потоком ионов с Е 30 кэВ и D 1х10¹⁴ ион/см². Микротвердость обработанной поверхности возросла до 1800 МПа. Образование модифицированного слоя за счет "залечивания" поверхностных микронеровностей и микротрещин обеспечивает повышение коррозионно-кавитационной стойкости образцов на 16% - для цветных сплавов и на 6% для сталей (табл. 1 6).

Справа и слева от обработанной с Е 30 кэВ области остались области, энергия обработки которых составила значение меньшее чем 30 кэВ. Процесс модификации здесь не наступает, глубина проникновения ионов не обеспечивает оптимальной для модификации толщины слоя, просматриваются только отдельные (более светлые) ионные вкрапления.

На фиг.3 представлена микроструктура того же образца, обработанного ионами с энергией от 40 до 300 кэВ и дозой облучения от 1х10¹⁷ до 6х10¹⁷ ион/см². Максимальная область модификации обеспечивается энергией ионов 300 кэВ и дозой 6х10¹⁷ ион/см².

Обработка поверхности с энергией 40 кэВ и D 10¹⁷ ион/см² повышает ее микротвердость до 3200 МПа, что соответственно обеспечивает образцу увеличение коррозионно-кавитационной стойкости на 54% для цветных сплавов и 13% для сталей.

Увеличение режимов имплантации до максимальных значений Е 300 кэВ, D 6x10¹⁷ ион/см² сохранит высокое значение микротвердости и, как следствие, всех коррозионно-механических свойств имплантированного слоя.

Средние значения оптимальных режимов обработки выбираются методом интерполяции. В качестве подтверждения справедливости данных выводов для различных материалов с точки зрения использования режимов имплантации в интервалах для Е 30 300 кэВ и D 1x10¹⁴ 6x10¹⁷ ион/см², в табл. 3 6 описания представлены результаты коррозионно-усталостных испытаний образцов, обработанных с энергией Е 40 кэВ и дозой D 1x10¹⁷ ион/см², а в табл. 1,2 представлены результаты испытания образцов на их кавитационную стойкость.

На фиг. 4 представлена микроструктура того же образца, обработанного с энергией свыше 300 кэВ (от 300 до 330 кэВ), дозой облучения соответственно - 2х10¹⁸ ион/см².

Модифицированный слой разрушен, на поверхности отмечается область оплавления, микротвердость образца резко падает до величины 2100 МПа. Оплавленная поверхность из-за повышенной хрупкости не способна выдерживать многоцикловые усталостные и ударные нагрузки в условиях коррозии и кавитации.

Таким образом представленные снимки подтверждают оптимальность выбранных диапазонов энергии и дозы.

В качестве примеров на оптимальные и граничные значения интервалов (энергия от 30 до 300 кэВ и доза облучения 110¹⁴ до 610¹⁷ ион/см²) приводим результаты исследований по определению относительного изменения величины микротвердости в зависимости от дозы облучения и относительного увеличения кавитационной стойкости в зависимости от энергии ионной обработки.

На фиг. 5 показано, что имплантация ионов лантана La в бронзовый сплав А9Ж4Н4 и ионов кремния Si в сталь 08Х15Н4ДМЛ с дозой от 10¹⁴ до 610¹⁷ ион/см² позволяет увеличить значение микротвердости образцов от 10 до 22% и от 18 до 33% соответственно.

На фиг. 5 показаны: кривая 1 образцы из стали 08Х15Н4ДМЛ, обработанные ионами кремния, Е 40 кэВ; кривая 2 образцы из сплава Бр.А9Ж4Н4, обработанные ионами лантана, Е 40 кэВ.

График также объясняет, что при больших дозах облучения степень упрочнения становится меньшей и нерациональной с точки зрения эксплуатации оборудования и расхода имплантируемых элементов.

В табл. 1 на примере бронзового сплава Бр.А9Ж4Н4 показано, что наиболее благоприятной является обработка образцов с энергией Е 40 кэВ, когда кавитационная стойкость материала увеличивается на 54% при этом минимальной величиной энергии, увеличивающей кавитационную стойкость более чем на 10% является энергия Е 30 кэВ, максимальная Е 300 кэВ.

Аналогично ведут себя и остальные цветные сплавы М5НЖ1, МЭр.

Для образцов из стали 08Х15Н4ДМЛ увеличение кавитационной стойкости более чем на 5% достигается энергиями от 30 до 300 кэВ (табл.2), при этом наиболее рациональной является обработка изделий с энергией 40 кэВ, когда достигается максимальное увеличение кавитационной стойкости на 13%

Пример конкретного использования способа.

Детали движительного комплекса, например гребные винты из медных сплавов марок МЗР и МНЖ5-1 и стали 08Х15Н4ДМЛ, после механической обработки подвергались ионному легированию ионами кремния (Si⁺) или лантана (La⁺) на установке ИЛУ-32. Упрочнение винтов осуществлялось в специально модернизированной камере для равномерного облучения лопастей и ступицы как с нагнетательной, так и с засасывающей стороны. Основные габаритные размеры винтов: Д 380 мм, Н 480 мм, число лопастей 3. Винты установлены на быстроходных катерах типа ЛМ-87МК.

В связи с тем, что срок сравнительных испытаний гребных винтов составляет 3 3,5 года, для проведения ускоренных коррозионно-усталостных испытаний (имитирующих характер разрушения лопастей) из этих же марок материалов изготовлены цилиндрические образцы. После ионной имплантации образцы испытывали на изгиб с вращением на воздухе и в искусственной морской воде с частотой вращения 3000 об/мин на машине МУИ-6000 в условиях малоциклового нагружения, база испытаний составила N 10⁵ циклов.

Результаты сравнительных испытаний на циклическую коррозионно-усталостную прочность для различных материалов и сплавов приведены в табл. 3-6.

Применение предложенного способа упрочнения позволяет значительно повысить циклическую прочность, применить более дешевые химические элементы для имплантации, контролировать толщину имплантированного слоя, позволяет более экономно расходовать имплантируемые элементы и электроэнергию.

Предел выносливости образцов изделий после обработки по предложенному способу возрастает приблизительно в 2 раза, коррозионно-усталостная прочность в 2 раза; долговечность в 2 3 раза по сравнению с образцами, изделиями, обработанными известными способами. Способ может применяться для деталей любых конфигураций, в частности для гребных винтов из стали, бронзовых и медных сплавов, а также других деталей судового машиностроения, работающих в потоке морской воды.