Способ обработки стальных изделий

Способ обработки стальных изделий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретенир относится к металлургии, в частности к способам поверхностного упрочнения сталей . Целью изобретения является повышение износостойкости изделий 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, флюенсом 2«1016-2-1017см 2 при плотности тока 500 мА/см и длительности импульса тока ионов 1 20 А. определяемой из соотношения оо т (Т -Т) rrpck/4x(iE) . где Т - допустимая п допД0|1 -г температура поверхности изделия, °С; Т - начальная температура поверхности изделия, °С; p.ck - соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности стали; j и Е - соответственно плотность тока и энергия ионов. С цепью дальнейшего увеличения износостойкости за счет дальнейшего увеличения глубины модифицированного 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, 1ил, i табл

(в) SU (и) 1670968 Al (51) 5 С 23

СОН)3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВГДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4669210/02 (22) 20.02 89 (46) 30.1293 Бюл йя 47 — 48 (72) Ппешивцев Н.В.; Волков Г.М.; Панасенков АА;

Сидоров П.П.; Зуев В М, Ратгауз Л.Я (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к металлургии, в част— ности к способам поверхностного упрочнения ста— лей. Целью изобретения является 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, флюен16 17 -2 сом 2 ° 10 -2 ° 10 см при плотности тока

500 мА/см и длительности имп;льса тока ионов 1

20 А, определяемой из соотношения т =(Т -Т) npck/4x(jE), где Т вЂ” допустимая г 2 п доп доп температура поверхности изделия, С; Т вЂ” началь— ная температура поверхности изделия, С; р,с3т— соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теппопроводности стали; j и Š— 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.п.флы, 1ил, i табл.

1670968

Изобретение относится к металлургии. в частнссти к способам поверхностного упрочнения сталей.

Целью изобретения является повышение иэносостойкости изделий 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. флюенсом 2 10 — 2 10 см при плотности тока

16 . 1 -2

1 — 500 мА/см и длительности импульса тока

2 ионов 1 — 20 А, определяемой из соотношения: ти = (Тдоп — Т ) Kpck/4 0 Е), где Тдол — допускаемая температура на поверхности детали;

Т вЂ” начальная температура поверхности, С; р,с,k — соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности стали;

J и Š— плотность тока и энерг 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 существен2 ного увеличения толщины упрочненного слоя по сравнению с длиной пробега ионов в стали (табл.1). Кроме того, при плотности тока ионов менее 1 MA/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 пу+ + чок ионов азота 10;(, ионов Н или Не увеличивает толщину упрочненного слоя на

20 (см.таблицу).

Предлагаемый способ обработки стальных изделий реализован следующим образом.

Имплантацию интенсивных импульсных пучков ионов азота или смешанных пучков ионов азота и водорода или ионов азота и гелия ведут в вакуумной камер» обьемом

1 м с помощ ю источников ионов. вверив

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

-4 ионно-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 из вольфрама нагреваются до 3150 К для получения тока эмиссии электронов 30 А/см . Между катодами и анодом

2 подается напряжение и зажигается разряд

В ионном источнике без внешнего магнитного поля типа ИВМ вЂ” 5 при оптимальном токе разряда 1300 А напряжении разряда 50

В из 42 эмиссионных щелей площадью 67 см при ускоряющем напряжении 25 кВ вы2 тягиваются 42 элементарных ленточных пучка с током ионов водорода 35 А. Начальное сечение пучка равно 8х18 см . Угол рас2 ходимости пучка поперек щелей эмиссии равен 2, а вдоль щелей 0,5 .

В ионном источнике с периферийным постоянным магнитным полем вокруг газоразрядной плазмы ИПМ-2 при 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 Y. 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 ускоряющего электрода относительно центральной решетки эмиссионного электрода. а также изменяя ток разряда и огношение напряжении на ускоряющем и промежуточном элвк1род- х получают либо равномврí Jв. либо вр .ов

1670968

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

Р9, Р18, Р6М5. в количестве 50-100 шт, имплантируются с поворотом вокруг оси на

45 — 60 С в зависимости от их диаметра (1975 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 фоомулой при облучении железа с р - 7,9 х 10 кгlм с - 450 Дж/мг град кз

59 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.

Пример 1. Наописаннойустановке проводили имплантацию ионами азота образцов в виде дисков диаметром 30 мм толщиной 2 мм, изготовленных из низколегированной стали марки ШХ-15, широко применяемой в шарикоподшипниковой промышленности.

Микротвердость в слое толщиной до

125 мкм изменяется от H1oo=900 до начальной величины 700 кГ/мм2.

Пример 2. Образцы иэ стали ШХ-15 по примеру 1 облучались смесью ионов

N+H с энергией 15 кэВ флюенсом 6 10 см импульсами длительностью 20 мс при

-2 плотности тока ионов 100 мА/см, Толщина упрочненного слоя увеличилась до 150 мкм.

Пример 3. Проводили ионную обработку легированной инструментальной стали ледебуритного класса марки Х12М (1,6 (, С, 12 (С, 0,2 V, 0.5 Mo), После закалки до HRC 56-57 образцы имплантировали

50 смесью ионов азота и водорода с энергией

20 кэВ импульсами длительностью 7 мс до флюенса 2 10 см . Толщина упрочненно17 го слоя с изменением Н1оо 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 до

250 мкм, а микротвердость до 1100 кГ/мм,в приповерхностном слое, Пример 4. Проводили имплантацию стали Х12М смесью ионов азота и ге7лия с энергией 20 кэВ до флюенса 3 . 10 см

-2

Толщина упрочненного слоя с микротвердостью H1oo=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 1оо-820-640 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 . г

Предложенный 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 по 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 поперечного г сечения пучков 10х40 см обеспечивают также высокотемпературную имплантацию аморфиэацию закалку и оплавление поверхностного слоя сталей и тугоплавких металлов, включая тантал и вольфрам. (56) Патент США N 3900636, кл. С 23 С 17/00, 1975.

1670968 д мкм

От. 10 см после имплантя ции и

IlOCllt им еим планта ции отпчска ска

125

0.2-1.2

150

120

120

2.0

220

120

150 150

150

200

275

250

160

0.3-0.7

150

0.011

0.034

6.0

5.5

Примечание — ук нкшение длины диагонали индентора

Формула изобретения

1. 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 кэВ, флюенсом 2 ° 10 - 2 °

10 см при плотности тока 1 - 500

17 мА/см и длительности импульса тока ионов 1 - 20 А, определяемой следующим соотношением ти = (Тдоп — Т) л hack 4, JE) где Тд0п - допустимая температура поверхности иэделия, С;

Т - начальная температура поверхности иэделия, С; р, с, k - соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности стали;

J и Š— соответственно плотность тока и энергия ионов.

2. Способ по п,1 отличающийся тем, что, с целью дальнейшего повышения износостойкости эа счет дальнейшего увеличения глубины модифицированного слоя, после имплантации проводят отпуск при

520 - 700 С.

1670968 2

ЯХ4-Н2

Ф + Фе

h насосу

/пососу

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035. Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3471

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

Составитель И . Дашкова

Редактор М. Васильева Техред М.Моргентал Корректор,Н.Король