EA016700B1 - Method of ion-plasma processing of parts and tool made of carbon and doped alloys - Google Patents
Method of ion-plasma processing of parts and tool made of carbon and doped alloys Download PDFInfo
- Publication number
- EA016700B1 EA016700B1 EA200900106A EA200900106A EA016700B1 EA 016700 B1 EA016700 B1 EA 016700B1 EA 200900106 A EA200900106 A EA 200900106A EA 200900106 A EA200900106 A EA 200900106A EA 016700 B1 EA016700 B1 EA 016700B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- parts
- carbon
- ion
- cooling
- tool made
- Prior art date
Links
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к методам поверхностной обработки металлов, в том числе с помощью высококонцентрированных потоков энергии, предназначено для обработки деталей и инструмента с целью повышения их износостойкости и эксплуатационных свойств.The invention relates to methods for surface treatment of metals, including using highly concentrated energy flows, intended for machining parts and tools in order to increase their wear resistance and performance properties.
Известен способ ионно-лучевой обработки инструмента, заключающийся в облучении рабочей поверхности инструмента мощным ионным пучком [1].The known method of ion-beam processing tool, which consists in the irradiation of the working surface of the tool with a powerful ion beam [1].
Указанный способ позволяет получать инструмент с высокой износостойкостью поверхности. Однако данный способ не дает возможность получать необходимую твердость и прочность всего изделия, что существенно снижает его ресурс работы.This method allows to obtain a tool with high wear resistance of the surface. However, this method does not allow to obtain the necessary hardness and strength of the entire product, which significantly reduces its service life.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ комбинированной обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, включающий высокотемпературную термическую обработку при 400-600°С в течение 60 мин с охлаждением на воздухе, очистку поверхности и последующее облучение его ионами металла или газа при ускоряющем напряжении 25-100 кВ и плотности тока 1-20 мА/см2 [2].The closest in technical essence to the claimed is a method of combined processing of parts and tools made of carbon and alloyed steels, including high-temperature heat treatment at 400-600 ° C for 60 minutes with air cooling, surface cleaning and subsequent irradiation with metal or gas ions accelerating voltage of 25-100 kV and current density of 1-20 mA / cm 2 [2].
Недостатком этого способа является то, что предварительная высокотемпературная термическая обработка при 400-600°С в течение 60 мин с охлаждением на воздухе не позволяет достичь высокого уровня прочности и твердости основы детали и инструмента. Также недостатком является то, что при данной обработке происходят процессы окисления и обезуглероживания поверхности, что в значительной степени ухудшает ее качество и требует применения дополнительных операций шлифовки и полировки перед ионно-лучевой обработкой.The disadvantage of this method is that the preliminary high-temperature heat treatment at 400-600 ° C for 60 minutes with air cooling does not allow to achieve a high level of strength and hardness of the base of the part and tool. Also a disadvantage is that with this treatment, the processes of oxidation and decarburization of the surface occur, which greatly impairs its quality and requires the use of additional grinding and polishing operations before ion-beam processing.
Задачей предлагаемого изобретения является получение поверхностно-упрочненных деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, обладающих повышенной износостойкостью рабочей поверхности, а также высокой прочностью и твердостью основы.The task of the invention is to obtain surface-hardened parts and tools made of carbon and alloyed steels with high wear resistance of the working surface, as well as high strength and hardness of the base.
Поставленная задача достигается тем, что в способе ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, включающем высокотемпературную термическую обработку детали с охлаждением и последующее ее облучение ионами металла или газа, высокотемпературную термическую обработку осуществляют токами высокой частоты с нагревом со скоростью Ун=20500°С/с до температуры выше фазовых превращений на 100-150°С и быстром охлаждении с критической скоростью.The task is achieved by a method of ion beam machining of parts and tools made of carbon and alloy steels, comprising the high-temperature thermal processing parts with cooling and its subsequent irradiation the metal ions or gas, high temperature heat treatment is performed by high frequency currents with heating at a rate V n = 20500 ° C / s to a temperature above the phase transformations at 100-150 ° C and rapid cooling at a critical speed.
Предложенный способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.
Деталь или инструмент из углеродистой или легированной стали подвергают высокотемпературной термической обработке с помощью токов высокой частоты с нагревом со скоростью Ун=20-500°С/с до температуры выше фазовых превращений на 100-150°С на ВЧГ-генераторе с последующим быстрым охлаждением с критической скоростью. Температуру и режимы высокотемпературной термической обработки с помощью токов высокой частоты, а также скорость охлаждения подбирают в зависимости от применяемой марки стали. Так как нагрев осуществляется со скоростью Ун=20-500°С/с, это приводит к смещению температурного интервала фазовых превращений, поэтому нагрев детали осуществляется до температуры выше фазовых превращений на 100-150°С. Для доэвтектоидных сталей рекомендуется выбирать температуру нагрева выше точки Ас3 на 100-150°С, а для заэвтектоидных сталей - температуру нагрева выше точки Ас1 на 100-150°С. После нагрева осуществляют быстрое охлаждение детали с критической скоростью, в зависимости от марки стали могут применятся различные режимы, скорости и способы охлаждения, которые подбираются экспериментально, исходя из необходимого уровня прочностных свойств детали после охлаждения. Затем для повышения износостойкости и снижения коэффициента трения рабочей поверхности деталей проводят ионно-лучевую обработку ионами металла или газа на установке УВН-2М. С целью повышения эффективности процесса, снижения продолжительности и энергозатрат ионно-лучевой обработки может осуществляться подогрев облучаемой поверхности обрабатываемой детали до температур 350-550°С. Тем самым появляется возможность в одном цикле обработки осуществлять и отпуск предварительно закаленных с помощью токов высокой частоты деталей в интервале температур 350-550°С, что позволяет получать оптимальные сочетания физико-механических свойств всей детали.Detail of the tool or of carbon steel or alloy steel is subjected to high-temperature heat treatment using a high-frequency current to heating at a rate V n = 20-500 ° C / s to a temperature above the phase transformation at 100-150 ° C in the ICH generator followed by rapid cooling with critical speed. The temperature and modes of high-temperature heat treatment using high-frequency currents, as well as the cooling rate are selected depending on the steel grade used. Since heating is carried out at a rate of U n = 20-500 ° C / s, this leads to a shift in the temperature range of phase transformations, therefore, the part is heated to a temperature above phase transformations by 100-150 ° C. For hypoeutectoid steels, it is recommended to choose a heating temperature above point A c3 at 100–150 ° C, and for eEutectoid steels, a heating temperature above point A c1 at 100-150 ° C. After heating, the parts are rapidly cooled at a critical speed, depending on the steel grade, various modes, rates and methods of cooling can be applied, which are selected experimentally, based on the required level of the strength properties of the part after cooling. Then, in order to increase wear resistance and reduce the friction coefficient of the working surface of parts, ion-beam treatment with metal or gas ions is performed on the UVN-2M unit. In order to increase the efficiency of the process, reduce the duration and energy consumption of ion-beam processing, the irradiated surface of the workpiece can be heated to temperatures of 350-550 ° C. Thus, it becomes possible to carry out tempering of parts previously hardened with the help of high-frequency currents of parts in the temperature range of 350–550 ° C in one processing cycle, which makes it possible to obtain optimal combinations of the physicomechanical properties of the entire part.
Машиностроительные детали и инструмент в процессе эксплуатации работают в сложных условиях, испытывая при этом износ трением, абразивный износ, механические и ударные нагрузки. В этой связи они должны обладать не только высокой прочностью и пластичностью, но и высоким сопротивлением трению и изнашиванию. Поэтому предлагается способ ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, позволяющий получать двухслойную структуру с прочным твердым и пластичным основанием детали и износостойкой рабочей поверхностью, в наибольшей степени отвечающей сложным условиям их работы. Получение такой двухслойной структуры может быть достигнуто с применением комбинированных методов обработки, включающих высокочастотную и ионно-лучевую обработку. В частности, для повышения твердости и износостойкости рабочей поверхности применяют ионно-лучевую обработку. При ионно-лучевом воздействии удается получить поверхностно модифицированный слой с микротвердостью 1200-1400 кгс/мм2 толщиной 5-200 мкм. Помимо твердости в поверхностных слоях наблюдается повышение коррозионной стойкости и других свойств, а такжеEngineering parts and tools during operation operate in difficult conditions, while experiencing friction wear, abrasive wear, mechanical and shock loads. In this regard, they must have not only high strength and ductility, but also high resistance to friction and wear. Therefore, a method of ion-beam machining of parts and tools from carbon and alloyed steels is proposed, which allows to obtain a two-layer structure with a solid solid and plastic base of the part and a wear-resistant working surface that best meets the difficult conditions of their work. Obtaining such a two-layer structure can be achieved using combined processing methods, including high-frequency and ion-beam processing. In particular, ion-beam treatment is used to increase the hardness and wear resistance of the working surface. Under ion-radiation exposure, it is possible to obtain a surface-modified layer with a microhardness of 1200–1400 kgf / mm 2 with a thickness of 5–200 μm. In addition to hardness in the surface layers, an increase in corrosion resistance and other properties is observed, as well as
- 1 016700 снижение коэффициента трения.- 1 016700 friction coefficient reduction.
Для повышения прочности, твердости, сопротивления ударным и циклическим нагрузкам всей детали или инструмента применяют высокотемпературную термическую обработку с помощью токов высокой частоты с нагревом со скоростью Ун=20-500°С/е до температуры выше фазовых превращений на 100-150°С на ВЧГ-генераторе с последующим быстрым охлаждением с критической скоростью. Предварительная высокотемпературная термическая обработка существенно ускоряет диффузионный массоперенос ионов металла или газа в подповерхностные слои при ионно-лучевом воздействии, что способствует увеличению концентрации имплантированных фаз и толщину модифицированного слоя. Повышенная диффузионная подвижность ионов металла или газа в закаленной с помощью токов высокой частоты стали обусловлена наличием большого количества дефектов кристаллической решетки и разветвленной системы дислокационных малоугловых границ, образовавшихся при мартенситном превращении. Высокая концентрация закалочных дефектов и дислокационных субструктур в кристаллической решетке закаленной стали приводит к интенсивному оттоку имплантируемых атомов вглубь сплава и благоприятствует зарождению там модифицированных частиц. Повышенная подвижность ионов инициируется высокой диффузионной проницаемостью искаженных областей атомной решетки вблизи ядер дислокаций и их скоплений. Также следует отметить, что при высокотемпературной термической обработке с помощью токов высокой частоты не происходят процессы окисления и обезуглероживания поверхности, что исключает применение дополнительных операций шлифовки и полировки перед ионно-лучевой обработкой.To increase the strength, hardness, resistance to shock and cyclic loads of the entire part or tool, high-temperature heat treatment is applied using high frequency currents with heating with a speed U n = 20-500 ° C / e to a temperature above phase transformations of 100-150 ° C on VCG generator followed by rapid cooling at a critical speed. Preliminary high-temperature heat treatment significantly accelerates the diffusion mass transfer of metal or gas ions to the subsurface layers under ion-beam exposure, which contributes to an increase in the concentration of implanted phases and the thickness of the modified layer. The increased diffusion mobility of metal or gas ions in hardened steel with high frequency currents is due to the presence of a large number of lattice defects and a branched system of low-angle dislocation boundaries formed during martensitic transformation. The high concentration of quenching defects and dislocation substructures in the crystal lattice of hardened steel leads to an intensive outflow of implantable atoms into the alloy and favors the generation of modified particles there. Increased ion mobility is initiated by a high diffusion permeability of distorted regions of the atomic lattice near the nuclei of dislocations and their clusters. It should also be noted that during high-temperature heat treatment using high-frequency currents, surface oxidation and decarburization processes do not occur, which precludes the use of additional grinding and polishing operations before ion-beam treatment.
Таким образом, сочетание предварительной высокотемпературной термической обработки с помощью токов высокой частоты с последующей ионно-лучевой обработкой позволяет сформировать двухслойную структуру с прочным твердым и пластичным основанием детали и износостойкой рабочей поверхностью.Thus, the combination of preliminary high-temperature heat treatment using high-frequency currents followed by ion-beam processing allows the formation of a two-layer structure with a solid solid and plastic base of the part and a wear-resistant working surface.
В качестве материалов для реализации предложенного способа были выбраны заготовки ножей роторных косилок из стали 40Х. Режущие части ножей с целью их упрочнения подвергали высокочастотной термической обработке на ВЧГ-генераторе в витковом индукторе, включающей нагрев режущей кромки до температуры 870-920°С, закалку с охлаждением в воде. Выбор оптимальных режимов нагрева ТВЧ осуществляли исходя из предварительных исследований влияния скорости и температуры нагрева на структуру и свойства стали 40Х. Поверхностное упрочнение рабочей поверхности ножей осуществляли с помощью ионно-лучевой обработки на установке УВН-2М интенсивными пучками ионов азота при температуре образцов 350°С. Рабочее давление в камере составляло около 10-3 Па, энергия ионов азота 3 кэВ, плотность ионного тока - 2 мА/см2. Обработка ионами азота проводилась в течение 2 ч до набора дозы 3х 1019 ион/см2.As materials for the implementation of the proposed method were selected blanks of rotary mowers of steel 40X. The cutting parts of knives for the purpose of their hardening were subjected to high-frequency heat treatment on the VCG generator in a coil inductor, including heating the cutting edge to a temperature of 870-920 ° C, quenching with cooling in water. The choice of optimal heating modes for HDTV was carried out on the basis of preliminary studies of the effect of heating speed and temperature on the structure and properties of steel 40X. The surface hardening of the working surface of the knives was carried out using ion-beam treatment on the UVN-2M unit with intense beams of nitrogen ions at a sample temperature of 350 ° C. The working pressure in the chamber was about 10 -3 Pa, the energy of nitrogen ions was 3 keV, the ion current density was 2 mA / cm 2 . Treatment with nitrogen ions was carried out for 2 hours before the dose was 3x10 19 ions / cm 2 .
В результате проведения сравнительных испытаний было установлено, что ножи претерпели закалку ТВЧ и ионно-лучевую обработку, показали повышенное сопротивление износу, ударным и изгибающим нагрузкам.As a result of the comparative tests, it was found that the knives have undergone high-frequency hardening and ion-beam processing, showed increased resistance to wear, impact and bending loads.
Способ ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, обладающих высокой твердостью и износостойкостью рабочей поверхности, а также прочностью и долговечностью, предполагается использовать в машиностроении и инструментальном производстве.The method of ion-beam machining of parts and tools made of carbon and alloyed steels with high hardness and wear resistance of the working surface, as well as strength and durability, will be used in mechanical engineering and tool production.
Используемая литератураUsed Books
1. Патент России КИ 2111264, МПК С21И 1/09, опубл. 20.05.1998 г.1. The patent of Russia CI 2111264, IPC S21I 1/09, publ. 05/20/1998
2. Патент России КИ 2045582, МПК С23С 14/48, опубл. 10.10.1995 г. - прототип.2. The patent of Russia CI 2045582, IPC С23С 14/48, publ. 10.10.1995, the prototype.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY20080070 | 2008-01-22 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA200900106A2 EA200900106A2 (en) | 2009-10-30 |
| EA200900106A3 EA200900106A3 (en) | 2010-02-26 |
| EA016700B1 true EA016700B1 (en) | 2012-06-29 |
Family
ID=41353777
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA200900106A EA016700B1 (en) | 2008-01-22 | 2008-12-17 | Method of ion-plasma processing of parts and tool made of carbon and doped alloys |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA016700B1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19939700A1 (en) * | 1999-08-17 | 2001-03-01 | Inst Halbleiterphysik Gmbh | Process for characterizing and improving defect-adhered boundary surfaces in heterostructures on silicon comprises inserting foreign atoms into the heterostructure and detecting by a deep profiling process as boundary surface accumulation |
| RU2167216C1 (en) * | 1999-10-05 | 2001-05-20 | Омский государственный университет | Process of hardening of hard-alloy cutting tool |
| US20040213891A1 (en) * | 2003-09-02 | 2004-10-28 | Ronghua Wei | Method and apparatus for forming a nitride layer on a biomedical device |
| FR2899242A1 (en) * | 2007-04-05 | 2007-10-05 | Quertech Ingenierie Sarl | Helium treatment of a metal part useful in jewel or watch-making industry, comprises subjecting a zone of the metal part to a beam of helium ions emitted by a source with an electron cyclotron resonance |
-
2008
- 2008-12-17 EA EA200900106A patent/EA016700B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19939700A1 (en) * | 1999-08-17 | 2001-03-01 | Inst Halbleiterphysik Gmbh | Process for characterizing and improving defect-adhered boundary surfaces in heterostructures on silicon comprises inserting foreign atoms into the heterostructure and detecting by a deep profiling process as boundary surface accumulation |
| RU2167216C1 (en) * | 1999-10-05 | 2001-05-20 | Омский государственный университет | Process of hardening of hard-alloy cutting tool |
| US20040213891A1 (en) * | 2003-09-02 | 2004-10-28 | Ronghua Wei | Method and apparatus for forming a nitride layer on a biomedical device |
| FR2899242A1 (en) * | 2007-04-05 | 2007-10-05 | Quertech Ingenierie Sarl | Helium treatment of a metal part useful in jewel or watch-making industry, comprises subjecting a zone of the metal part to a beam of helium ions emitted by a source with an electron cyclotron resonance |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA200900106A3 (en) | 2010-02-26 |
| EA200900106A2 (en) | 2009-10-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Koo et al. | Thermal cycling treatments and microstructures for improved properties of Fe-0.12% C-0.5% Mn steels | |
| Amine et al. | Microstructural and hardness investigation of tool steel D2 processed by laser surface melting and alloying | |
| KR20140051934A (en) | A method of hot shaping and hardening a sheet steel blank | |
| Wang et al. | Tensile property of a hot work tool steel prepared by biomimetic coupled laser remelting process with different laser input energies | |
| Qingbin et al. | Experimental study of the laser quenching of 40CrNiMoA steel | |
| Gojic et al. | The effect of tempering temperature on mechanical properties and microstructure of low alloy Cr and CrMo steel | |
| Oh et al. | Microstructural characterization of laser heat treated AISI 4140 steel with improved fatigue behavior | |
| Adebiyi et al. | Microstructural evolution at the overlap zones of 12Cr martensitic stainless steel laser alloyed with TiC | |
| Raghavan et al. | Laser tempering based turning process for efficient machining of hardened AISI 52100 steel | |
| Zhao et al. | The Effects of Laser‐Assisted Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification on the Microstructure and Mechanical Properties of 300M Steel | |
| EA016700B1 (en) | Method of ion-plasma processing of parts and tool made of carbon and doped alloys | |
| Dayanç et al. | The cathodic electrolytic plasma hardening of steel and cast iron based automotive camshafts | |
| Zhang | Grind-hardening of steel surfaces: a focused review | |
| JP2008138223A (en) | Method for improving durability of die alloy tool steel | |
| Stamm et al. | Effect of laser surface treatment on high cycle fatigue of aisi 316L stainless steel | |
| Aziz et al. | The effect of ND-YAG laser surface treatment on mechanical properties of carburizing steel AISI 1006 | |
| College et al. | Alleviating surface tensile stress in e-beam treated tool steels by cryogenic treatment | |
| Patra Karmakar et al. | Effect of tempering temperature on hardness and microstructure of laser surface remelted AISI H13 tool steel | |
| Strobl et al. | Investigation of the diffusion couple ductile cast iron/iron | |
| Adu-Gyamfi et al. | Effects of laser shock peening on mechanical properties and surface morphology of AA2024 alloy | |
| Liu et al. | Effects of laser shock processing, solid solution and aging, and cryogenic treatments on microstructure and thermal fatigue performance of ZCuAl 10 Fe 3 Mn 2 alloy | |
| Filippov et al. | Use of Impact Treatment for Structural Modification and Improvement of Mechanical Properties of CuAl7 Bronze Obtained by Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) | |
| RU2667948C1 (en) | Low-carbon steel parts surface electromechanical processing method | |
| Aziz et al. | Influence of Nd: YAG Laser Energy on Mechanical properties of Nitriding Steel | |
| Astafyeva et al. | Structure of the surface layer and the microhardness of high-carbon instrumental steel after laser treatment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM RU |