способ обработки поверхности изделий из стали и сплавов на основе меди
Классы МПК: | C23C14/48 ионное внедрение |
Автор(ы): | Попова Г.Н., Гусева М.И., Шеховцев Е.Д., Владимиров Б.Г. |
Патентообладатель(и): | Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-06-03 публикация патента:
27.10.1996 |
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. Цель изобретения - улучшение коррозионностойких и кавитационностойких характеристик металлических изделий. Для достижения цели имплантацию поверхности осуществляют ионами лантана или кремния с энергией от 30 до 300 кэВ и дозой от 1014 до 6
1017 ион/см2. 5 ил., 6 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11

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 1014 oC 6
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 5



где

Rp глубина проникновения ионов, которая регулируется значением энергии Е, числом атомов в единице объема no, электронной Se и ядерной Sn тормозной способностью ионов;

Приводим пример расчета граничных и промежуточных значений режимов обработки для сплавов на основе меди, имплантируемых ионами лантана:
no(Cu) 11x1020 cм-3
RpLa+Cu (30 кэВ) 1,4х10-6см
RpLa+Cu (40 кэВ) 4х10-5см
RpLa-Cu (300 кэВ) 9,4х10-3см
SCu(30 кэВ) 15 ат/ион
SCu(40 кэВ) 15,6 ат/ион
SCu (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]
Dпред (30 кэВ) 1,02х1014 ион/см2,
Dпред(40 кэВ) 2,8х1017 ион/см2,
Dпред(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 1



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

Класс C23C14/48 ионное внедрение