Способ обработки стальных изделий

(51) 5 С 2 ОСУДАРСТВЕН НО ГДОМСТВО СССР ПАТЕНТНОЕОСПАТЕНТ ССС ИСАНИЕ ИЗОБРЕТ 2 СОН)3 СОВЕТСКИХсОиттАлистических РеспуБли АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ(57) Изобретение относится к металлургии, в част - ности к способам поверхностного упрочнения сталей. Целью изобретения;впяется повышение иэносостойкости иэделий путем увеличения глубины модифицированного слоя, его микротвердости и производительности процесса Способ включает закалку стальных изделий и имплантацию пучками положительных ионов азота или азота и водорода, или азота и гелия с энергией 10 - 20 кэВ, флюентб и -2сом 21 О -210 см при плотности тока 500 мА/см и длительности имп;льса тока ионов 1220 А, определяемой из соотношения т =(Т -Т) ттрск/4 хЕ), где Т - допустимаяг 2п доп доптемпература поверхности изделия, С; Т - начальная температура поверхности изделия, С; р,с 3 т - соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теппопроводности стали;и Е - соответственно плотность тока и энергия ионов. С целью дальнейшего увеличения износостойкости за счет дальнейшего увеличения глубины модифици - рованного слоя, после имплантации проводят отпуск при 520 - 700 С. Это позволяет увеличить глубину упрочненного слоя на несколько порядков, повысить микротвердость в 1,3 - 1,6 раза, износостойкость в 1,5 - 2.0 раза по сравнению с прототипом 1 з.пфлы, 1 ил,табл.сЛэобретение относится к металлургии,в частнссти к способам поверхностного упрочнения сталей,Целью изобретения является повышение иэносостойкости изделий путем увеличения глубины модифицированного слоя,его микротвердости и производительностипроцесса.Способ включает закалку стальных изделий и имплантацию пучками положительных ионов азота, или азота и водорода, илиазота и гелия с энергией 10-20 кэВ, флюенсом 2 10 - 2 10 см при плотности тока16 , 1 -21 - 500 мА/см и длительности импульса тока2ионов 1 - 20 А, определяемой из соотношения: ти = (Тдос) - Т ) )т/зс)(/4Е),где Тдол - допускаемая температура на поверхности детали;Т - начальная температура поверхности,С;р,с,1 - соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности стали;) и Е - плотность тока и энерс ии ионов, С целью дальнейшего увеличения износостойкости за счет дальнейшего увеличения толщины упрочненного слоя после имплантации проводят отпуск при температуре 520 - 700 С. При этом повышение поверхностной твердости составляет 130-150 по сравнению с прототипом, а толщина упрочненного слоя увеличивается в 3-25 тыс,раэ,При плотностях тока ионов меньше 1 мА/см не происходит процесс существен 2ного увеличения толщины упрочненного слоя по сравнению с длиной пробега ионов в стали (табл.1), Кроме того, при плотности тока ионов менее 1 мА/см процесс ионной имплантации требует длительного времени.Получение пучков ионов с плотностью тока выше 500 мЛ/см и током ионов азота более 20 А при длительности импульсов тока 1-1000 мс затруднено вследствие ограничения плотности тока обьемным зарядом и электрическими прибоями. Введение в пучок ионов азота 10; ионов Н или Не увеличивает толщину упрочненного слоя на 20 (см,таблицу).Предлагаемый способ обработки стальных изделий реализован следу)ощим образом.Имплантацию исс)енсивных импульсных пучков ионов азота или смешанных пуч- кОВ ионов азота и Водорода или иОнов дзота и гелия ведут сс в;скуумной камер Обьемом 1 м с гсс)мосссс,к) источников ионов сенери- з 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 рующих пучки ионов с током 10 - 30 А, энергией 10 - 40 кэВ, длительностью импульсов 1-1000 мс. На чертеже представлена схема электрофиэической установки для имплантации.На чертеже показаны: ионный источник 1, вакуумная камера 2, пучок 3 ионов, подвижная вращающаяся мишень 4, изделия 5, неподвижная мишень 6, зонды 7, труба 8, вильсоновское уплотнение 9, буферный объем 10, шибер 11,В вакуумной камере при помощи диффузионных насосов, снабженных ловушками, охлаждаемыми жидким азотом, получают вакуум 5 10 Па, На электроды.4ионно-оптической системы подается ускоряющее ионы напряжение и напряжение, тормозящее электроны, образующиеся в пучковой плазме, В ионный источник при помощи импульсного натекателя с электромагнитным клапаном из баллона-смесителя подается газообразный азот или смесь азота и водорода или азота или гелия, Проволочные катоды иэ вольфрама нагреваются до 3150 К для получения тока эмиссии электронов 30 Л/см, Между катодами и анодом2подается напряжение и зажигается разрядВ ионном источнике без внешнего магнитного поля типа ИВМ - 5 при оптимальном токе разряда 1300 А напряжении разряда 50 В из 42 эмиссионных щелей площадью 67 см при ускоряющем напряжении 25 кВ вы 2тягиваются 42 элементарных ленточных пучка с током ионов водорода 35 А. Начальное сечение пучка равно 8 х 18 см, Угол рас 2ходимости пучка поперек щелей эмиссии равен 2, а вдоль щелей 0,5,В ионном источнике с периферийным постоянным магнитным полем вокруг газо- разрядной плазмы ИПМпри токе разряда в азоте 828 А ускоряющем напряжении 21,2 кВ получен пучок ионов азота с током 9,4 А при длительности импульса 20 мс,Пучок ионов азота или смешанный пучок ионов азота и водорода или ионов азота и гелия направляется на неподвижную мишень 6, где при помощи зондов 7, установленных через 20 и 26 мм по осям Х и У, измеряется распределение плотности тока ионов вдоль этих направлений. Изменяя геометрию эмиссионного, ускоряющего и заземленного электродов, например из ибая их по радиусу 2 или 3 м, и/или смещая две или четыре решетки ускорясощего электро. да относительно центральной решетки эмиссионного электрода, а также изменяя ток разряда и огношение напряжении на УСКОРЯК)ЩЕМ И ПРОМЕжУтОЧНОМ ЭЛВКСРОДсСХ ссолучвк либо рввномврнвв либо саус ов5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ское распределение плотности тока ионов по поверхности неподвижной мишени.Образцы или детали, установленные на верхней и нижней плоскостях подвижной мишени 4, вдоль оси этой мишени, вводятся из буферного объема в вакуумную камеру 2, В зависимости от необходимой дозы ионов на подвижную мишень с плоскими деталями подается 10-100 импульсов тока ионов, Детали цилиндрической формы, например набор отрезных фрез из быстрорежущей стали Р 9, Р 18, Р 6 М 5, в количестве 50-100 шт, имплантируются с поворотом вокруг оси на 45 - 60 С в зависимости от их диаметра(19- 75 мм),В ряде случаев механически и термически обработанные детали не должны нагреваться выше 300 С при имплантации ионов с помощью интенсивных и мощных импульсных пучков, В соответствии с приведенной выше формулой при облучении железа с р - 7,9 х 10 кг/м с " 450 Дж/мг град кз59 Вт/м град пучком ионов с энергией 20 кэВ и плотностью тока 20 и 200 мА/см длительность импульсов, приводящих к повышению температуры на 300 С, соответственно равны 900 и 9 мс. Флюенс ионов за один импульс составит соответственно 1,1 10 и 1,1 10 см, Однако в первом случае в течение 1 с возможен один импульс, а во втором случае - в принципе в 100 раэ больше, но с учетом возможного перегрева от последовательности импульсов и условий теплоотвода - примерно 30 импульсов.П р и м е р 1. На описанной установке проводили имплантацию ионами азота образцов в виде дисков диаметром 30 мм толщиной 2 мм, изготовленных из низколегированной стали марки ШХ, широко применяемой в шарикоподшипниковой промышленности.Микротвердость в слое толщиной до 125 мкм изменяется от Н 1 оо=900 до начальной величины 700 кГ/мм 2.П р и м е р 2. Образцы иэ стали ШХпо примеру 1 облучались смесью ионов й+Н с энергией 15 кэВ флюенсом 6 10 см импульсами длительностью 20 мс при плотности тока ионов 100 мА/см, Толщина упрочненного слоя увеличилась до 150 мкм.П р и м е р 3. Проводили ионную обработку легированной инструментальной стали ледебуритного класса марки Х 12 М (1,6(, С, 12( С, 0,2 Ч, 0,5 Мо), После закалки до НВС 56-57 образцы имплантировали смесью ионов азота и водорода с энергией 20 кэВ импульсамирлительностью 7 мс до флюенса 2 10 см . Толщина упрочненно 17го слоя с изменением Н 1 оо от 900 до 650 кГ/мм составила 120 мкм, Далее образцы подвергали отпуску при температуре 450, 500, 600, 700 и 750 С, включающие критические точки фазовой кристаллизации и коагуляции фаз перлита и аустенита. в течение 1,5 ч. Толщина упрочненного слоя увеличилась 2 до 250 мкм, а микротвердость до 1100 кГ/мм,в приповерхностном слое,П р и м е р 4, Проводили имплантацию стали Х 12 М смесью ионов азота и ге 7 лия с энергией 20 кэВ до флюенса 3 10 см-2 Толщина упрочненного слоя с микротвердостью Н 1 оо=700-650 кГ/мм составила 150 мкм, Далее образцы подвергали отпуску при температуре 450, 500, 600, 700 и 750 С в течение 1.5 ч. Толщина упрочненного слоя с микротвердостью Н 1 оо-640 кГ/мм увег личилась до 275 мкм.Толщина упрочненного слоя после имплантации интенсивных импульсных пучков ионов азота и смешанных пучков ионов азота и водорода или ионов азота и гелия составила 100 - 150 мкм по сравнению с 0.011 - 0,34 мкм в прототипе. Дополнительная термообработка увеличила толщину упрочненного слоя до 225-275 мкм, Микротвердость упрочненного слоя составила 900 - 1100 кГ/мм .гПредложенный способ ионной имплантации интенсивными импульсными смешанными пучками ионов обеспечивает упрочнение сталей на толщину 100-180 мкм, которая в 2900-25500 раз превышает толщину упрочненного слоя прототипом. Микротвердость упрочненного слоя увеличивается на 130 - 160 опо сравнению с неимплантированным глубинным слоем стали или на 113-125 по сравнению с прототипом, Осуществлена имплантация и ионное азотирование сталей при 100 - 300 С, что 1,8 - 5,5 раз меньше температуры газового азотирования, равной 550 С. Интенсивные импульсные пучки ионов с поверхностной плотностью мощности 2 - 60 МВт/м, и энерг гии 1-1200 кДж/м площадью поперечногогсечения пучков 10 х 40 см обеспечивают также высокотемпературную имплантацию аморфиэацию закалку и оплавление поверхностного слоя сталей и тугоплавких металлов, включая тантал и вольфрам.1670968 ъ.пГ ( д мле им. ипосле им. е им. планса ни уела а 5050 150 2 оо.з.о ратура поверховерхност О плотность, и коэффициент отность ток ющийся те овышения и йшего увел Ованного слоя, ят отпуск при енание. ф - ум еньшение длины диагонали индентор формула изобретения1. СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛ ЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий закалку и ионную имплантацию, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости иэделий путем увеличения глубины модифицированного слоя, его микротвердости и производительности процесса, имплантацию проводят интенсивными импульсными пучками положительных ионов азота. или азота и водорода, или азота и гелия с энергией 10 - 20 кзВ, флюенсом 210 - 210 см при плотности тока 1 - 50017мА/см и длительности импульса тока ионов 1 - 20 А, определяемой следующим соотношением ти = (Тдоп - Т) .ут рс 1(.л 4,2где Тдоп - допустимая темпености иэделия, С;Т - начальная температуиэделия,С;р, с, М - соответственудельная теплоемкостьтеплопроводности стали) и Е - соответственно плэнергия ионов,2. Способ по П,1 отличто, с целью дальнейшегоносостойкости эа счет дальчения глубины модифицирпосле имплантации провод520 - 700 С,1670966 насосу РЮС Корре Подписн 4/ 0 мбинат "ПатЕнт", г, Уж ьский ОД,иэв таенно едактор М. Василье Составитель И . ДашковТехред М.Моргентал ирэжПО "Поиск" РоспатентаМосква, Ж, Раушская Ят-И Ф+Фе