RU1670968C - Method for steel articles treatment - Google Patents
Method for steel articles treatmentInfo
- Publication number
- RU1670968C RU1670968C SU4669210A RU1670968C RU 1670968 C RU1670968 C RU 1670968C SU 4669210 A SU4669210 A SU 4669210A RU 1670968 C RU1670968 C RU 1670968C
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nitrogen
- ion
- implantation
- increase
- depth
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретенир относитс к металлургии, в частности к способам поверхностного упрочнени сталей . Целью изобретени вл етс повышение износостойкости изделий путем увеличени глубины модифицированного сло , его микротвердости и производительности процесса Способ включает закалку стальных изделий и имплантацию пучками положительных ионов азота или азота и водорода, или азота и гели 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. определ емой из соотношени оо т (Т -Т) rrpck/4x(iE) . где Т - допустима п допД0|1 -г температура поверхности издели , °С; Т - начальна температура поверхности издели , °С; p.ck - соответственно плотность, удельна теплоемкость и коэффициент теплопроводности стали; j и Е - соответственно плотность тока и энерги ионов. С цепью дальнейшего увеличени износостойкости за счет дальнейшего увеличени глубины модифицированного сло , после имплантации провод т отпуск при 520 - 700°С. Это позвол ет увеличить глубину упрочненного сло на несколько пор дков, повысить микротвердость в 1,3 - 1,6 раза, износостойкость в 1,5 - 2.0 раза по сравнению с прототипом 1 з.пф- лы, 1ил, i таблThe invention relates to metallurgy, in particular to methods for surface hardening of steels. The aim of the invention is to increase the wear resistance of products by increasing the depth of the modified layer, its microhardness and process performance. The method includes hardening of steel products and implantation with beams of positive ions of nitrogen or nitrogen and hydrogen, or nitrogen and gels with an energy of 10-20 keV, fluence 2 "1016- 2-1017 cm 2 at a current density of 500 mA / cm and a pulse duration of the ion current of 1 20 A. Determined from the ratio oot (T-T) rrpck / 4x (iE). where T is permissible; n addend 0 | 1 is the product surface temperature, °C; T is the initial surface temperature of the article, °C; p.ck, respectively, density, specific heat and thermal conductivity of steel; j and E are the current density and ion energy, respectively. With a chain to further increase wear resistance by further increasing the depth of the modified layer, after implantation, tempering is carried out at 520-700 ° C. This allows you to increase the depth of the hardened layer by several orders of magnitude, increase the microhardness by 1.3 - 1.6 times, wear resistance by 1.5 - 2.0 times in comparison with the prototype 1
Description
Изобретение относитс к металлургии. в частности к способам поверхностного упрочнени сталей.The invention relates to metallurgy. in particular, surface hardening methods for steels.
Целью изобретени вл етс повышение износостойкости изделий путем увеличени глубины модифицированного сло , его микротвердости и производительности процесса.The aim of the invention is to increase the wear resistance of products by increasing the depth of the modified layer, its microhardness and process productivity.
Способ включает закалку стальных изделий и имплантацию пучками положительных ионов азота, или азота и водорода, или азота и гели с энергией 10-20 кэВ, флюен- сом 2 1016-2 10 при плотности тока 1-500 мА/см и длительности импульса тока ионов 1-20 А, определ емой из соотношени :The method includes hardening of steel products and implantation with beams of positive ions of nitrogen, or nitrogen and hydrogen, or nitrogen and gel with an energy of 10-20 keV, fluence 2 1016-2 10 at a current density of 1-500 mA / cm and the duration of the ion current pulse 1-20 A, determined from the ratio:
Ги (ТДоп-Т)2 рс1 /40Е)2,Guy (TDop-T) 2 pc1 / 40E) 2,
где Тдоп - допускаема температура на поверхности детали;where Tdop - permissible temperature on the surface of the part;
Т - начальна температура поверхноОгT - initial surface temperature
сти, С;sti, C;
/э,с,к - соответственно плотность, удельна теплоемкость и коэффициент теплопроводности стали;/ e, s, k — density, respectively, specific heat and thermal conductivity of steel;
j и Е - плотность тока и ионов.j and E are the current and ion densities.
С целью дальнейшего увеличени износостойкости за счет дальнейшего увеличени толщины упрочненного сло после имплантации провод т отпуск при температуре 520- 700°С. При этом повышение поверхностной твердости составл ет 130-150% по сравнению с прототипом, а толщина упрочненного сло увеличиваетс в 3-25 тыс.раз.In order to further increase the wear resistance by further increasing the thickness of the hardened layer after implantation, tempering is carried out at a temperature of 520-700 ° C. The increase in surface hardness is 130-150% compared with the prototype, and the thickness of the hardened layer increases by 3-25 thousand times.
При плотност х тока ионов меньше 1 мА/см не происходит процесс существенного увеличени толщины упрочненного сло 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.At ion current densities less than 1 mA / cm, there is no process of a substantial increase in the thickness of the hardened layer compared to the mean free path of ions in steel (Table 1). In addition, with an ion current density of less than 1 mA / cm, the process of ion implantation requires a long time.
Получение пучков ионов с плотностью тока выше 500 мА/см и током ионов азота более 20 А при длительности импульсов тока 1-1000 мс затруднено вследствие ограничени плотности тока объемным зар дом и электрическими прибо ми. Введение в пучок ионов азота 10% ионов Н или Не увеличивает толщину упрочненного сло на 20% (см.таблицу).It is difficult to obtain ion beams with a current density above 500 mA / cm and a nitrogen ion current of more than 20 A with a current pulse duration of 1-1000 ms due to the limitation of current density by volume charge and electrical devices. The introduction of 10% of H or He ions into a nitrogen ion beam increases the thickness of the hardened layer by 20% (see table).
Предлагаемый способ обработки стальных изделий реализован следующим образом .The proposed method of processing steel products is implemented as follows.
Имплантацию интенсивных импульсных пучков ионов азота или смешанных пучков ионоп азота и водорода или ионов азота и гели ведут п вакуумной клмеро объемом 1 м г помощью источникон HOHOEI генерирующих пучки ионов с током 10-30 А, энергией 10-40 кэВ, длительностью импульсов 1-1000 мс. На чертеже представлена схема электрофизической установки дл имплантации .The implantation of intense pulsed beams of nitrogen ions or mixed beams of nitrogen and nitrogen ions or nitrogen and gel ions is carried out using a vacuum clmer with a volume of 1 mg using HOHOEI sources generating ion beams with a current of 10-30 A, an energy of 10-40 keV, and a pulse duration of 1-1000 ms The drawing shows a diagram of an electrophysical installation for implantation.
На чертеже показаны: ионный источник 1, вакуумна камера 2, пучок 3 ионов, подвижна вращающа с мишень 4, издели 5, неподвижна мишень 6, зонды 7, труба 8/The drawing shows: an ion source 1, a vacuum chamber 2, an ion beam 3, a movable rotating target 4, article 5, a stationary target 6, probes 7, pipe 8 /
вильсоновское уплотнение 9, буферный обь- ем 10, шибер 11.Wilson seal 9, buffer volume 10, gate 11.
В вакуумной камере при помощи диффузионных насосов, снабженных ловушками , охлаждаемыми жидким азотом,In a vacuum chamber using diffusion pumps equipped with traps cooled by liquid nitrogen,
получают вакуум 5 Па. На электроды ионно-оптической системы подаетс ускор ющее ионы напр жение и напр жение, тормоз щее электроны, образующиес в пучковой плазме. В ионный источник приget a vacuum of 5 Pa. An ion accelerating voltage and a voltage are applied to the electrodes of the ion-optical system, which inhibits the electrons produced in the beam plasma. In an ion source at
помощи импульсного натекател с электромагнитным клапаном из баллона-смесител подаетс газообразный азот или смесь азота и водорода или азота или гели . Проволочные катоды из вольфрама нагреваютс nitrogen pulse or a mixture of nitrogen and hydrogen or nitrogen or gel is supplied from a mixer cylinder by means of a pulsed leakage with an electromagnetic valve. Tungsten wire cathodes are heated
до 3150 К дл получени тока эмиссии электронов 30 А/см . Между катодами и анодом подаетс напр жение и зажигаетс разр д В ионном источнике без внешнего магнитного пол типа ИВМ-5 при оптимальномup to 3150 K to obtain an electron emission current of 30 A / cm. A voltage is applied between the cathodes and the anode and the discharge is ignited. In an ion source without an external magnetic field of the IVM-5 type at optimal
токе разр да 1300 А напр жении разр да 50 В из 42 эмиссионных щелей площадью 67 см при ускор ющем напр жении 25 кВ выт гиваютс 42 элементарных ленточных пучка с током ионов водорода 35 А. Начальное сечение пучка равно 8x18 см2. Угол расходимости пучка поперек щелей эмиссии равен 2°, а вдоль щелей 0,5°.At a discharge current of 1300 A, at a discharge voltage of 50 V, 42 elementary beam bundles with a hydrogen ion current of 35 A are pulled out of 42 emission slots with an area of 67 cm and an accelerating voltage of 25 kV. The initial beam cross section is 8x18 cm2. The beam divergence angle across the emission cracks is 2 °, and along the cracks 0.5 °.
В ионном источнике с периферийным посто нным магнитным полем вокруг газоразр дной плазмы ИПМ-2 при токе разр да в азоте 828 А ускор ющем напр жении 21,2 кВ получен пучок ионов азота с током 9,4 А при длительности импульса 20 мс,In an ion source with a peripheral constant magnetic field around an IPM-2 gas-discharge plasma with a discharge current in nitrogen of 828 A and an accelerating voltage of 21.2 kV, a beam of nitrogen ions with a current of 9.4 A was obtained with a pulse duration of 20 ms.
Пучок ионов азота или смешанный пучок ионов азота и водорода или ионов азота и гели направл етс на неподвижную мишень 6, где при помощи зондов 7, установленных через 20 и 26 мм по ос м X и Y, измер етс распределение плотности токаA beam of nitrogen ions or a mixed beam of nitrogen and hydrogen ions or nitrogen and gel ions is directed to a stationary target 6, where the current density distribution is measured using probes 7 installed through 20 and 26 mm along the X and Y axes
ионов вдоль этих направлений. Измен геометрию эмиссионного, ускор ющего и заземленного электродов, например их по радиусу 2 или 3 м, и/или смеща две или четыре решетки ускор ющего электрода относительно центральной решетки эмиссионного электрода, а тпкже измен ток разр да и отношение напр жений на ускор ющем и промежуточном ЭЛРКФЛД-ЧХ получают либо равномерное либо ions along these directions. Changing the geometry of the emission, accelerating, and grounded electrodes, for example, along a radius of 2 or 3 m, and / or displacing two or four lattices of the accelerating electrode relative to the central lattice of the emission electrode, and also changing the discharge current and the ratio of voltages at the accelerating and intermediate ELRKFLD-CH receive either uniform or
ское распределение плотности тока ионов по поверхности неподвижной мишени.distribution of the ion current density over the surface of a stationary target.
Образцы или детали, установленные на верхней и нижней плоскост х подвижной мишени 4, вдоль оси этой мишени, ввод тс из буферного объема в вакуумную камеру 2. В зависимости от необходимой дозы ионов на подвижную мишень с плоскими детал ми подаетс 10-100 импульсов тока ионов. Детали цилиндрической формы, например на- бор отрезных фрез из быстрорежущей стали Р9, Р18, Р6М5. в количестве 50-100 шт, имплантируютс с поворотом вокруг оси на 45-60°С в зависимости от их диаметра (19- 75 мм).Samples or parts mounted on the upper and lower planes of the movable target 4, along the axis of this target, are introduced from the buffer volume into the vacuum chamber 2. Depending on the required dose of ions, 10-100 pulses of ion current are applied to the movable target with flat parts . Parts of a cylindrical shape, for example, a set of cutting mills made of high-speed steel P9, P18, P6M5. in the amount of 50-100 pcs, are implanted with rotation around the axis by 45-60 ° C depending on their diameter (19-75 mm).
В р де случаев механически и термически обработанные детали не должны нагреватьс выше 300°С при имплантации ионов с помощью интенсивных и мощных импульсных пучков. В соответствии с приведен- ной выше формулой при облучении железа с /э-7,9 х 10 кг/м3 с 450 Дж/мг град к - 59 Вт/м град пучком ионов с энергией 20 кэВ и плотностью тока 20 и 200 мА/см2 длительность импульсов, привод щих к по- вышению температуры на 300°С, соответственно равны 900 и 9 мс. Флюенс ионов за один импульс составит соответственно 1,1 1017и 1,1 1016см 2. Однако в первом случае в течение 1 с возможен один им- пульс, а во втором случае- в принципе в 100 раз больше, но с учетом возможного перегрева от последовательности импульсов и условий теплоотвода - примерно 30 импульсов .In a number of cases, the mechanically and thermally treated parts should not be heated above 300 ° C during ion implantation using intense and powerful pulsed beams. In accordance with the above formula, when irradiating iron, s / e-7.9 x 10 kg / m3 with 450 J / mg deg to - 59 W / m deg ion beam with an energy of 20 keV and a current density of 20 and 200 mA / cm2, the duration of the pulses leading to a temperature increase of 300 ° C is 900 and 9 ms, respectively. The ion fluence per pulse will be 1.1 1017 and 1.1 1016 cm 2, respectively. However, in the first case, one pulse is possible within 1 s, and in the second case, in principle, 100 times more, but taking into account possible overheating from the sequence pulses and heat sink conditions - approximately 30 pulses.
Пример 1. На описанной установке проводили имплантацию ионами азота образцов в виде дисков диаметром 30 мм толщиной 2 мм, изготовленных из низколегированной стали марки ШХ-15, широко при- мен емой в шарикоподшипниковой промышленности.Example 1. In the described installation, nitrogen ions were implanted in the form of disks with a diameter of 30 mm and a thickness of 2 mm made of low-alloy steel ШХ-15, widely used in ball-bearing industry.
Микротвердость в слое толщиной до 125 мкм измен етс от до начальной величины 700 кГ/мм2.The microhardness in a layer up to 125 microns thick varies from up to an initial value of 700 kg / mm2.
Пример 2. Образцы из стали ШХ-15 по примеру 1 облучались смесью ионов N+H с энергией 15 кэВ флюенсом 6 1017 см импульсами длительностью 20 мс при плотности тока ионов 100 мА/см2. Толщина упрочненного сло увеличилась до 150 мкм.Example 2. Samples of steel SHKh-15 according to example 1 were irradiated with a mixture of N + H ions with an energy of 15 keV with a fluence of 6 1017 cm and pulses of a duration of 20 ms at an ion current density of 100 mA / cm2. The thickness of the hardened layer increased to 150 microns.
Пример 3. Проводили ионную обработку легированной инструментальной стали ледебуритного класса марки Х12М (1,6% С, 12% С, 0,2% V. 0.5% Мо). После закалки до HRC 56-57 образцы имплантировалиExample 3. Conducted ion treatment of alloyed tool steel of the ledeburite class grade X12M (1.6% C, 12% C, 0.2% V. 0.5% Mo). After quenching to HRC 56-57, samples were implanted.
смесью ионов азота и водорода с энергией 20 кэВ импульсами длительностью 7 мс до флюенса2 1017см . Толщина упрочненного сло с изменением Нюо от 900 до 650 кГ/мм2 составила 120 мкм. Далее образцы подвергали отпуску при температуре 450, 500, 600, 700 и 750°С, включающие критические точки фазовой кристаллизации и коагул ции фаз перлита и аустенита, в течение 1,5ч. Толщина упрочненного сло увеличилась до 250 мкм, а микротвердость до 1100 кГ/мм .в приповерхностном слое.a mixture of nitrogen and hydrogen ions with an energy of 20 keV pulses lasting 7 ms to a fluence of 2 1017 cm. The thickness of the hardened layer with a change in Nuo from 900 to 650 kg / mm2 was 120 μm. Then, the samples were tempered at 450, 500, 600, 700, and 750 ° С, including critical points of phase crystallization and coagulation of perlite and austenite phases for 1.5 h. The thickness of the hardened layer increased to 250 μm, and the microhardness to 1100 kg / mm in the surface layer.
Пример 4. Проводили имплантацию стали Х12М смесью ионов азота и гели с энергией 20 кэВ до флюенса 3 101 . Толщина упрочненного сло с микротвердостью Н 100 700-650 кГ/мм2 составила 150 мкм. Далее образцы подвергали отпуску при температуре 450, 500, 600, 700 и 750°С в течение 1,5 ч. Толщина упрочненного сло с микротвердостью Нюо 820-640 кГ/мм увеличилась до 275 мкм.Example 4. Conducted implantation of steel X12M with a mixture of nitrogen ions and gels with an energy of 20 keV to a fluence of 3 101. The thickness of the hardened layer with a microhardness of N 100 700-650 kg / mm2 was 150 μm. Then, the samples were tempered at a temperature of 450, 500, 600, 700, and 750 ° С for 1.5 h. The thickness of the hardened layer with a Newo microhardness of 820–640 kg / mm increased to 275 μm.
Толщина упрочненного сло после имплантации интенсивных импульсных пучков ионов азота и смешанных пучков ионов азота и водорода или ионов азота и гели составила 100-150 мкм по сравнению с 0,011-0,34 мкм в прототипе. Дополнительна термообработка увеличила толщину упрочненного сло до 225-275 мкм. Микротвердость упрочненного сло составила 900-1100 кГ/мм2.The thickness of the hardened layer after implantation of intense pulsed beams of nitrogen ions and mixed beams of nitrogen and hydrogen ions or nitrogen and gel ions amounted to 100-150 μm compared to 0.011-0.34 μm in the prototype. Additional heat treatment increased the thickness of the hardened layer to 225-275 microns. The microhardness of the hardened layer was 900-1100 kg / mm2.
Предложенный способ ионной имплантации интенсивными импульсными смешанными пучками ионов обеспечивает упрочнение сталей на толщину 100-180 мкм, котора в 2900-25500 раз превышает толщину упрочненного сло прототипом. Микротвердость упрочненного сло увеличиваетс на 130-160% по сравнению с неимпланти- рованным глубинным слоем стали или на 113-125% по сравнению с прототипом. Осуществлена имплантаци и ионное азотирование сталей при 100-300°С,что 1,8-5,5 раз меньше температуры газового азотировани , равной 550°С. Интенсивные импульсные пучки ионов с поверхностной плотностью мощности 2-60 МВт/м2, и энергии 1-1200 кДж/м площадью поперечного сечени пучков 10x40 см2 обеспечивают также высокотемпературную имплантацию аморфизацию закалку и оплавление поверхностного сло сталей и тугоплавких металлов , включа тантал и вольфрам.The proposed method of ion implantation by intense pulsed mixed ion beams provides hardening of steels by a thickness of 100-180 microns, which is 2900-25500 times the thickness of the hardened layer of the prototype. The microhardness of the hardened layer is increased by 130-160% compared with the unimplanted deep layer of steel or by 113-125% compared with the prototype. The implantation and ion nitriding of steels was carried out at 100-300 ° C, which is 1.8-5.5 times lower than the temperature of gas nitriding, equal to 550 ° C. Intense pulsed ion beams with a surface density of 2-60 MW / m2 and an energy of 1-1200 kJ / m with a beam cross-sectional area of 10x40 cm2 also provide high-temperature implantation, quenching and melting of the surface layer of steels and refractory metals, including tantalum and tungsten.
(56) Патент США Мг 3900636, кл. С 23 С 17/00, 1975.(56) U.S. Patent Mg 3900636, cl. C 23 C 17/00, 1975.
Примечание - ук ныиение длимы лиэгонати индентораNote - hiding length of indenter ligonation
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4669210 RU1670968C (en) | 1989-02-20 | 1989-02-20 | Method for steel articles treatment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4669210 RU1670968C (en) | 1989-02-20 | 1989-02-20 | Method for steel articles treatment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU1670968C true RU1670968C (en) | 1993-12-30 |
Family
ID=21437322
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4669210 RU1670968C (en) | 1989-02-20 | 1989-02-20 | Method for steel articles treatment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU1670968C (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2509174C1 (en) * | 2012-06-25 | 2014-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Method of implanting gas ions in metals and ions |
-
1989
- 1989-02-20 RU SU4669210 patent/RU1670968C/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2509174C1 (en) * | 2012-06-25 | 2014-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Method of implanting gas ions in metals and ions |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rej et al. | Materials processing with intense pulsed ion beams | |
Proskurovsky et al. | Use of low-energy, high-current electron beams for surface treatment of materials | |
Conrad et al. | Plasma source ion‐implantation technique for surface modification of materials | |
EP0725843A1 (en) | Process and system for plasma-activated electron-beam vaporisation | |
EP0645461A1 (en) | Heat treatment by plasma electron heating and solid/gas jet cooling | |
JPH0744080B2 (en) | Metal vapor deposition processing method and processing furnace therefor | |
Hutchings et al. | Plasma immersion ion implantation: duplex layers from a single process | |
RU2413033C2 (en) | Procedure for plasma nitriding item out of steel or non-ferrous alloy | |
RU1670968C (en) | Method for steel articles treatment | |
US6049162A (en) | Pulsed electron beam source and its use | |
US3615924A (en) | Process and apparatus for surface hardening hardenable steels | |
DE4336680C2 (en) | Process for electron beam evaporation | |
Matossian et al. | Operating characteristics of a 100 kV, 100 kW plasma ion implantation facility | |
EP0060257B1 (en) | Method for surface hardening cams | |
Lin et al. | Metal vapour vacuum arc source ion implantation as a surface treatment technique for industrial tool bits | |
Chengzhou et al. | Metallic ion implantation by using a MEVVA ion source | |
Perry et al. | An overview of some advanced surface technology in Russia | |
RU2086698C1 (en) | Method of surface treatment of metal carrier | |
SU1479526A1 (en) | Method of heat treatment of metal articles | |
JPS62122044A (en) | Ion accelerator | |
RU2001974C1 (en) | Method for treatment of cutting tools | |
Matossian et al. | Plasma-based ion implantation and electron-bombardment for large-scale surface modification of materials | |
KR100317731B1 (en) | High density plasma ion nitriding method and apparatus | |
RU2155243C2 (en) | Method of ion-ray treatment of articles made from hard alloys | |
RU2781774C1 (en) | Method for ion-beam treatment of the inner surface of extended holes |