EA016700B1

EA016700B1 - Способ ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сплавов

Info

Publication number: EA016700B1
Application number: EA200900106A
Authority: EA
Inventors: Иван Иванович Вегера; Эдуард Григорьевич Биленко; Анатолий Илларионович Гордиенко; Алексей Владимирович Белый
Original assignee: Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси"
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2012-06-29
Also published as: EA200900106A3; EA200900106A2

Abstract

Изобретение относиться 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. 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, долговечностью. 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 V=20-500°C/c до температуры выше фазовых превращений на 100-150°C и быстром охлаждении с критической скоростью.

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.

Известен способ ионно-лучевой обработки инструмента, заключающийся в облучении рабочей поверхности инструмента мощным ионным пучком [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.

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].

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.

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.

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 У_н=20500°С/с до температуры выше фазовых превращений на 100-150°С и быстром охлаждении с критической скоростью.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

Деталь или инструмент из углеродистой или легированной стали подвергают высокотемпературной термической обработке с помощью токов высокой частоты с нагревом со скоростью У_н=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 У_н=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 А_с3 на 100-150°С, а для заэвтектоидных сталей - температуру нагрева выше точки А_с1 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.

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 также

- 1 016700 снижение коэффициента трения.

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 У_н=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.

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.

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.

В результате проведения сравнительных испытаний было установлено, что ножи претерпели закалку ТВЧ и ионно-лучевую обработку, показали повышенное сопротивление износу, ударным и изгибающим нагрузкам.

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.

Используемая литература

1. Патент России КИ 2111264, МПК С21И 1/09, опубл. 20.05.1998 г.

2. Патент России КИ 2045582, МПК С23С 14/48, опубл. 10.10.1995 г. - прототип.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, включающий высокотемпературную термическую обработку детали с охлаждением и последующее ее облучение ионами металла или газа, отличающийся тем, что высокотемпературную термическую обработку осуществляют токами высокой частоты с нагревом со скоростью У_н=20-500°С/е до температуры выше фазовых превращений на 100-150°С, а охлаждение осуществляют с критической скоростью.

Евразийская патентная организация, ЕАПВ

Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2