СПОСОБ ИМПЛАНТАЦИИ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ ИОНАМИ МЕДИ И СВИНЦА
METHOD OF CONSTRUCTIONAL STEEL IMPLANTATION BY COPPER AND PLUMBUM IONS

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.
17
2
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)·10 ион/см (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.
17
2
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)×10 ион/см, причем с увеличением содержания свинца флюенс снижают пределах рабочего диапазона.
17
2
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 1,5·10 ион/см 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.
17
2
17
2
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 2,5×10 ион/см при содержании свинца 25% до 1×10 ион/см при содержании свинца 45%.
-3
17
2
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Вакуумную камеру, в которой расположен источник ионов, откачивают до давления 10 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)×10 ион/см, 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/см<sup>2</sup>
Усталость, кцикл. при σ=300 МПа при частоте 22,5 Гц
Коэффициент трения
1
Контрольный образец без имплантации
87,2
0,14
2
100% Cu
1,5·10<sup>17</sup>
92,4
0,10
3
77% Cu+23% Pb
1,5·10<sup>17</sup>
117,8
0,11
4
75% Cu+25% Pb
1,5·10<sup>17</sup>
145,2
0,11
5
64% Cu+36% Pb
1,5·10<sup>17</sup>
148,5
0,12
6
55% Cu+45% Pb
1,5·10<sup>17</sup>
149,4
0,12
7
50% Cu+50% Pb
1,5·10<sup>17</sup>
149,7
0,17
8
64% Cu+36% Pb
0,8·10<sup>17</sup>
129,2
0,11
9
64% Cu+36% Pb
1·10<sup>17</sup>
138,7
0,11
10
64% Cu+36% Pb
1,5·10<sup>17</sup>
148,5
0,12
11
64% Cu+36% Pb
2·10<sup>17</sup>
149,2
0,12
12
64% Cu+36% Pb
2,5·10<sup>17</sup>
149,9
0,12
13
64% Cu+36% Pb
3·10<sup>17</sup>
148,3
0,15
14
75% Cu+25% Pb
2,5·10<sup>17</sup>
149,2
0,11
15
64% Cu+36% Pb
1,5·10<sub>1</sub> <sup>7</sup>
149,4
0,11
16
55% Cu+45% Pb
1·10<sup>17</sup>
149,4
0,11