способ имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца

Формула изобретения

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)·10 ¹⁷ ион/см², причем с увеличением содержания свинца флюенс снижают в пределах указанного рабочего диапазона.

Описание изобретения к патенту

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 =300 МПа при частоте 22,5 Гц	Коэффициент трения
1	Контрольный образец без имплантации	87,2	0,14
2	100% Cu	1,5·10 17	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	1,5·10 17	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	0,8·10 17	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	2·10 17	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	2,5·10 17	149,2	0,11
15	64% Cu+36% Pb	1,5·101 7	149,4	0,11
16	55% Cu+45% Pb	1·10 17	149,4	0,11