ионно-лучевой способ повышения износостойкости материала изделия

Формула изобретения

1. Ионно-лучевой способ повышения износостойкости материала изделия, включающий имплантацию ионов металла и/или неметалла, выбранных из группы элементов, образующих твердые соединения, путем создания в приповерхностной области материала изделия двухслойной структуры, первый слой которой образован при повышенной энергии (80-200 кэВ), а второй слой при пониженной энергии (20-80 кэВ) имплантируемых ионов, отличающийся тем, что второй слой формируют в виде прерывистых высокотвердых участков с помощью сетки, расположенной на обрабатываемом материале изделия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокотвердые участки формируют в виде периодически расположенных полосок шириной 100-1000 мкм.

3. Способ по п. 1 отличающийся тем, что высокотвердые участки формируют в виде периодически расположенных прямоугольников с линейными размерами 100-1000 мкм.

4. Способ по любому из пп. 1-3 отличающийся тем, что формирование второго слоя осуществляют через сетку, материал которой состоит из элементов, образующих с имплантируемыми элементами твердые соединения.

5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что расстояние между высокопрочными участками составляет 50-500 мкм.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в инструментальной промышленности для повышения износостойкости режущего инструмента, штамповой оснастки, деталей машин и механизмов.

Известен способ (заявка Франции 2476143, кл. С 23 С 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 В.Р., 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. Самопроизвольное разрушение (блистеринг) описано в работе "Ионная имплантация" /Под ред. Дж. К. Хирвонена. М.: Металлургия, 1985, 391с. Разрушение под нагрузкой нами наблюдалось при работе упрочненных сверл. В этом случае происходили отколы в виде мелких частичек от режущей кромки сверл.

Наиболее близким к заявляемому способу ионно-лучевой обработки является способ по патенту РФ 2152455, заключающийся в том, что сначала имплантируют ионы, выбранные из группы элементов, образующих твердые соединения с высокой энергией (80-200 кэВ), а затем ионы с низкой энергией (20-80 кэВ). Недостатком данного способа является то, что обработка изделия по данному способу приводит при повышенных ударных нагрузках, таких, как черновая обработка режущим инструментом, холодная штамповка твердых материалов и др., к возникновению микросколов на острых режущих кромках. Чтобы избежать этого, приходится понижать микротвердость приповерхностных слоев, что снижает эффект повышения износостойкости изделий от ионно-лучевой обработки. Создание двухслойной структуры позволяет повысить износостойкость многих материалов и изделий, однако, проблемы ограничения повышения микротвердости приповерхностных слоев с помощью ионных пучков не снимает.

Задачей данного изобретения является разработка ионно-лучевого способа повышения износостойкости материала изделия с тем, чтобы существенно увеличить его срок службы.

Этот технический результат достигается тем, что ионно-лучевая обработка материала изделия включает в себя имплантацию ионов металла и (или) неметалла, выбираемых из группы элементов, образующих твердые соединения путем создания в приповерхностной области материала изделия двухслойной структуры, первый слой которой формируют при повышенной энергии (80-200 кэВ), а второй слой при пониженной энергии (20-80 кэВ) имплантируемых ионов, при этом второй слой формируют в виде прерывистых высокотвердых участков с помощью расположенной на обрабатываемом материале изделия сетки.

Кроме того, высокотвердые участки формируют в виде периодически расположенных полосок шириной 100-1000 мкм.

Кроме того, высокотвердые участки формируют в виде периодически расположенных прямоугольников 100-1000 мкм.

Кроме того, формирование второго слоя осуществляют через сетку, материал которой состоит из элементов, образующих с имплантируемыми элементами твердые соединения.

Кроме того, расстояние между высокопрочными участками составляет от 50 до 500 мкм.

При осуществлении предлагаемого способа в приповерхностной зоне материала создают периодическую структуру, представляющую собой последовательность твердых и еще более твердых участков в приповерхностных областях обработанного материала. Из-за малых размеров участков с очень высокой твердостью возникающие напряжения при образовании упрочненного слоя частично релаксируют и не приводят к блистерингу или сколам в процессе работы.

Необходимо учесть, что имплантируемые ионы, попадая на края затеняющей сетки, распыляют ее материал, который, попадая на обрабатываемую поверхность, перемешивается с материалом матрицы. В связи с этим элементный состав материала сетки может быть таким, что образует твердые соединения с имплантируемыми ионами.

Важным является то, что размеры ячеек сетки должны быть вполне определенными, так как от этого будет зависеть размер участка с повышенной твердостью. При размерах участков менее 100 мкм их роль в повышении износостойкости будет незначительна, практически они просто перемешаются с матрицей. При размерах более 1000 мкм возникающие напряжения от внедренных ионов не будут в достаточной мере релаксированы и периодическая структура не сыграет своей роли, а разрушение будет происходить так же, как будто это монослой.

Созданные при ионной имплантации высокотвердые соединения могут очень сильно отличаться по своим свойствам от матрицы. Поэтому даже в узких полосках могут возникать напряжения, приводящие к образованию сколов при приложении нагрузки в процессе эксплуатации. В этом случае целесообразно формировать участки высокотвердых соединений не в виде полос, а в виде прямоугольников.

Расстояние менее 50 мкм между высокопрочными участками может быть недостаточным для релаксации возникающих напряжений, а при расстоянии более 500 мкм износ и деформация в процессе работы упрочненного материала будет происходить исключительно в менее прочных слоях, что может приводить к преждевременному выходу изделия из строя.

Для еще большего уменьшения возникающих напряжений при ионно-лучевой обработке второй, прерывистый, слой целесообразно осуществлять с более низкой энергией 20-80 кэВ. В этом случае распределение ионов по глубине будет более равномерное и максимальная твердость будет непосредственно на поверхности.

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 10-20 кэВ. Затем повышают энергию ионов до 80-200 кэВ, имплантируют ионы металла и (или) неметалла флюенсом 510¹⁶-510¹⁷ ион/см², осуществляя формирование первого приповерхностного слоя. Для формирования второго, прерывистого, слоя на обрабатываемую поверхность накладывают сетку, и продолжают обработку с плавным понижением энергии ионов до 20-80 кэВ. Осуществляют имплантацию ионов до флюенса 510¹⁶-510¹⁷ ион/см².

При осуществлении заявляемого способа удается избежать возникновения высоких напряжений из-за разности свойств приповерхностных слоев и самой матрицы. Так же удается создать необходимое распределение элементного состава по глубине.

Проверка предлагаемого способа производилась на твердосплавных пластинах типа Т15К6. Испытания износостойкости твердосплавных пластин Т15К6 проводили при точении стали ХВСГ. Результаты испытаний представлены в таблице.