RU2465373C1 - Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel - Google Patents

Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel Download PDF

Info

Publication number
RU2465373C1
RU2465373C1 RU2011136944/02A RU2011136944A RU2465373C1 RU 2465373 C1 RU2465373 C1 RU 2465373C1 RU 2011136944/02 A RU2011136944/02 A RU 2011136944/02A RU 2011136944 A RU2011136944 A RU 2011136944A RU 2465373 C1 RU2465373 C1 RU 2465373C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
copper
lead
alloy
tin
ion
Prior art date
Application number
RU2011136944/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Васильевич Овчинников (RU)
Виктор Васильевич Овчинников
Юрий Михайлович Боровин (RU)
Юрий Михайлович Боровин
Екатерина Александровна Серикова (RU)
Екатерина Александровна Серикова
Елена Владимировна Лукьяненко (RU)
Елена Владимировна Лукьяненко
Ирина Рафаиловна Шляпина (RU)
Ирина Рафаиловна Шляпина
Дмитрий Александрович Козлов (RU)
Дмитрий Александрович Козлов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"
Priority to RU2011136944/02A priority Critical patent/RU2465373C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2465373C1 publication Critical patent/RU2465373C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: ion implantation method of surfaces of parts from structural steel involves treatment of surface of the parts by bombardment of copper and lead ion flow; and monothetic alloy of copper and lead is used as cathode of implanter, to which 7-12% of stannum is added by contact alloying. Implantation is performed with a batch of (5.5-8.5)·1017 ion/cm2.
EFFECT: increasing wear resistance at decreasing sliding friction coefficient when external load is applied to rubbing parts.
4 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов.The present invention relates to the field of ion-beam vacuum processing of materials and can be used in mechanical engineering to improve the operational properties of machine parts and mechanisms.

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.A known method (application of France 2476143, CL C23C 14/48) of ion-beam processing of products, which consists in the fact that gas is let into the chamber where the products are located. Gas is ionized and used to process products. Gas ions are accelerated by applying a variable potential difference between the products and the camera. The technical capabilities of this method to create the necessary structure and elemental composition in the near-surface layer of products are limited by the fact that during this treatment only injected gas ions are implanted into the product. The created near-surface layers have strong limitations on the microhardness values due to the large emerging property gradients between the hardened layers and the matrix. The consequence is the appearance of high internal stresses in the surface layers, leading to the destruction of the material even at low loads.

Известен способ ионной имплантации, при котором поверхность обрабатываемой детали подвергается воздействию пучка ионов меди с дозой (1-5)·1017 ион/см2 (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).The known method of ion implantation, in which the surface of the workpiece is exposed to a beam of copper ions with a dose of (1-5) · 10 17 ion / cm 2 (Ovchinnikov V.V., Kozlov D.A., Yakutina S.V. Study of surface properties steel 30HGSN2A after implantation with copper ions. / Mechanical Engineering and Engineering Education. 2009. No. 2. P.7-13).

Недостатком данного способа 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.The disadvantage of this method is the limited increase in fatigue strength and wear resistance of the treated surface of the parts. An increase in the dose of implantation of copper ions leads to an increase in the processing time with a constant fatigue value of the treated steel and the appearance of scoring on the implanted surface.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу ионной имплантации является способ, при котором поверхность обрабатываемой детали подвергается воздействию пучка ионов меди и свинца с дозой (1-5)·1017 ион/см2, который получают за счет использования в качестве материала катода имплантера монотектического сплава меди с 36% свинца (Овчинников В.В., Якутина С.В., Козлов Д.А., Немов А.С. Свойства и состав поверхности стали 30ХГСН2А в зависимости от дозы облучения ионами меди и свинца. // Известия МГИУ. 2010. №3. С.15-20). Применение монотектического сплава меди со свинцом позволяет значительно повысить глубину проникновения имплантируемых ионов, что способствует росту усталостных свойств стали.The closest in technical essence to the claimed method of ion implantation is a method in which the surface of the workpiece is exposed to a beam of copper and lead ions with a dose of (1-5) · 10 17 ion / cm 2 , which is obtained by using the implant as a cathode material monotectic copper alloy with 36% lead (Ovchinnikov V.V., Yakutina S.V., Kozlov D.A., Nemov A.S. Properties and surface composition of 30KhGSN2A steel depending on the radiation dose of copper and lead ions. // News MGIU. 2010. No. 3. S.15-20). The use of a monotectic alloy of copper with lead can significantly increase the penetration depth of implantable ions, which contributes to the growth of the fatigue properties of steel.

Существенным недостатком прототипа является повышение коэффициента трения скольжения при введении ионов свинца в поверхностный слой стали, что сказывается на снижении износостойкости в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям.A significant disadvantage of the prototype is to increase the coefficient of sliding friction when introducing lead ions into the surface layer of steel, which affects the reduction of wear resistance under friction with the application of an external load to the rubbing parts.

Заявляемый способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной обеспечивает повышение износостойкости при снижении коэффициента трения скольжения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям.The inventive method of ion implantation of the surfaces of structural parts provides increased wear resistance while reducing the coefficient of sliding friction with the application of an external load to the rubbing parts.

Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый способ, обеспечивается тем, что имплантацию осуществляют при использовании в качестве материала катода из монотектического сплава меди с 36% свинца, в который контактным легированием вводят 7-12% олова, причем дозу имплантации задают в пределах (5,5-8,5)·1017 ион/см2.The technical result, which is achieved by the claimed method, is ensured by the fact that implantation is carried out using a cathode of a monotectic copper alloy with 36% lead, into which 7-12% of tin is introduced by contact doping, and the implantation dose is set within (5 5-8.5) · 10 17 ion / cm 2 .

Подробнее сущность заявляемого способа поясняется чертежами:In more detail the essence of the proposed method is illustrated by drawings:

- на фиг.1 представлена схема процесса контактного легирования монотектического сплава меди со свинцом оловом: А - подготовка образца; Б - контактное легирование оловом; В - механическая обработка образца; Г - определение распределения элементов на единице площади (приведенный химический состав); 1 - образец монотектического сплава; 2 - расплав олова; 3 - ванна;- figure 1 presents a diagram of the process of contact alloying of a monotectic alloy of copper with lead tin: A - sample preparation; B - contact doping with tin; B - sample machining; G - determination of the distribution of elements per unit area (reduced chemical composition); 1 - sample monotectic alloy; 2 - molten tin; 3 - bath;

- на фиг.2 показана микроструктура сплава медь-свинец-олово, полученного методом контактного легирования (×100);- figure 2 shows the microstructure of the alloy copper-lead-tin obtained by contact alloying (× 100);

- на фиг.3 приведены изотермы контактного легирования медно-свинцовой монотектики оловом (d - глубина проникновения олова в монотектику);- figure 3 shows the isotherms of contact alloying of copper-lead monotectic with tin (d is the depth of penetration of tin into the monotectic);

- на фиг.4 - зависимости коэффициента трения стали 30ХГСН2А от пути трения при различных вариантах обработки поверхности (смазка - глицерин; N=5,0 Н): 1 - исходное состояние; 2 - имплантация монотектическим сплавом меди с 36% свинца; 3 - имплантация монотектическим сплавом, легированным оловом (содержание олова 9%);- figure 4 - dependence of the coefficient of friction of steel 30HGSN2A on the friction path for various surface treatments (lubricant - glycerin; N = 5.0 N): 1 - initial state; 2 - implantation of a monotectic copper alloy with 36% lead; 3 - implantation with a monotectic alloy doped with tin (tin content 9%);

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 1,5·1017 ион/см2 глубина проникновения ионов меди в обрабатываемую сталь в 4 раза превышает глубину проникновения ионов меди при облучении ими стали при одинаковой дозе.Performing joint implantation with ions with a large mass (lead) in combination with ions (copper) close in mass to the base of the target (iron) allows you to create a large number of radiation defects through which copper ions penetrate deep into the target. Using the method of secondary mass spectrometry, it was found that with simultaneous implantation of copper and lead ions at a dose of 1.5 · 10 17 ion / cm 2 the depth of penetration of copper ions into the treated steel is 4 times greater than the depth of penetration of copper ions when irradiated with steel with the same dose.

Максимальное значение глубины проникновения ионов в матрицу (стали 30ХГСН2А) достигается при использовании в качестве материала катода имплантера монотектического сплава меди со свинцом с содержанием свинца 36%. Особенностью монотектического сплава меди со свинцом является то, что компоненты сплава являются несмешивающимися. Относительная простота получения сплавов меди со свинцом в наиболее практически важном интервале концентраций объясняется особенностями диаграммы равновесия этой системы: невысоким куполом расслоения в жидком состоянии и значительным содержанием свинца в монотектической точке.The maximum value of the depth of penetration of ions into the matrix (steel 30KhGSN2A) is achieved when using a monotectic alloy of copper with lead with a lead content of 36% as the cathode material of the implant. A feature of the monotectic alloy of copper with lead is that the alloy components are immiscible. The relative simplicity of obtaining copper and lead alloys in the most practically important concentration range is explained by the features of the equilibrium diagram of this system: a low separation dome in the liquid state and a significant lead content at the monotectic point.

Для введения олова в монотектический сплав использовался метод контактного легирования. Для получения монотектического сплава меди со свинцом, легированного оловом, образец сплава помещают в расплав олова при температуре 400°С и выдерживают в расплаве 5-7 минут (фиг.1). За счет изменения времени выдержки регулируют количество олова, поступающего в монотектический сплав меди со свинцом.To introduce tin into the monotectic alloy, the contact alloying method was used. To obtain a monotectic alloy of copper with lead doped with tin, a sample of the alloy is placed in a tin melt at a temperature of 400 ° C and kept in the melt for 5-7 minutes (Fig. 1). By changing the exposure time, the amount of tin entering the monotectic alloy of copper with lead is controlled.

В ходе миграции олова в объем монотектического сплава образуются уникальные структуры, получение которых методами сплавления или спекания принципиально невозможно. На фиг.2 показан типичный фрагмент микроструктуры сплава медь-свинец-олово, полученного контактным легированием литой медно-свинцовой монотектики из расплава олова при температуре 400°С.During the migration of tin into the volume of the monotectic alloy, unique structures are formed, the production of which by methods of fusion or sintering is fundamentally impossible. Figure 2 shows a typical microstructure fragment of a copper-lead-tin alloy obtained by contact doping of a cast copper-lead monotectic from a tin melt at a temperature of 400 ° C.

Основной особенностью рассматриваемой микроструктуры является концентрическое расположение свинца, олова и меди, фактически не взаимодействующих друг с другом при данной температуре и выступающих в виде чистых элементов с присущими им индивидуальными свойствами. На фиг.3 приведены изотермы контактного легирования медно-свинцового сплава монотектического состава оловом при 150, 390 и 450°С.The main feature of the microstructure under consideration is the concentric arrangement of lead, tin and copper, which do not actually interact with each other at a given temperature and appear as pure elements with their individual characteristics. Figure 3 shows the isotherms of contact alloying of a copper-lead alloy of monotectic composition with tin at 150, 390 and 450 ° C.

Следует отметить следующие особенности изучаемого процесса: миграция олова начинается уже при температуре, чуть выше эвтектической; с увеличением температуры скорость миграции сначала возрастает, а затем резко снижается. Наблюдаемому снижению скорости процесса миграции соответствует появление первых линий фазы Cu3Sn, что, по-видимому, и является основной причиной наблюдаемого торможения. Торможение процесса миграции с возрастанием температуры позволяет утверждать, что миграция олова идет по межфазной границе.The following features of the process under study should be noted: tin migration begins already at a temperature slightly higher than the eutectic; with increasing temperature, the migration rate first increases, and then decreases sharply. The observed decrease in the rate of the migration process corresponds to the appearance of the first lines of the Cu 3 Sn phase, which, apparently, is the main reason for the observed inhibition. The inhibition of the migration process with increasing temperature suggests that tin migration occurs along the interface.

Из полученного сплава был изготовлен катод имплантера, который был использован для имплантирования образцов из стали 30ХГСН2А. Для сравнения проводилась имплантация образцов монотектическим сплавом меди со свинцом.An implant cathode was made from the obtained alloy, which was used to implant samples from 30KhGSN2A steel. For comparison, samples were implanted with a monotectic alloy of copper and lead.

Исследования содержания олова в монотектическом сплаве, подвергнутого контактному легированию, показали, что оно зависит от условий легирования - температуры и времени выдержки. Установлено, что контактное легирование позволяет обеспечить максимальное насыщение монотектического сплава оловом до концентрации 18%. При этом концентрация свинца остается неизменной, а концентрация меди снижается.Studies of the tin content in a monotectic alloy subjected to contact alloying showed that it depends on the alloying conditions — temperature and holding time. It has been established that contact doping allows maximum saturation of the monotectic alloy with tin to a concentration of 18%. In this case, the concentration of lead remains unchanged, and the concentration of copper decreases.

Проведение имплантации поверхностей деталей из 30ХГСН2А монотектическим сплавом меди и свинца, содержащим с своем составе менее 7% олова, не приводит к увеличению износостойкости по сравнению с деталями, облученными монотектическим сплавом.The implantation of the surfaces of parts made of 30KhGSN2A with a monotectic alloy of copper and lead, containing less than 7% tin, does not lead to an increase in wear resistance compared to parts irradiated with a monotectic alloy.

При использовании в качестве материала катода имплантера монотектического сплава меди со свинцом, содержащего более 12% олова, не наблюдается увеличения износостойкости имплантированных деталей.When using a monotectic copper-lead alloy containing more than 12% tin as the cathode material of the implant, there is no increase in the wear resistance of the implanted parts.

Поэтому оптимальным следует признать содержание олова в монотектическом сплаве меди со свинцом в диапазоне 7-12%.Therefore, the tin content in the monotectic alloy of copper with lead in the range of 7-12% should be recognized as optimal.

При дозе предварительной имплантации менее 5,5·1017 ион/см2 не отмечается существенного увеличения износостойкости имплантированной стали 30ХГСН2А. Дислокационная картина имеет хаотический характер со слабо выраженным формированием дислокационных жгутов.When the dose of preliminary implantation is less than 5.5 · 10 17 ion / cm 2 there is no significant increase in the wear resistance of the implanted steel 30KhGSN2A. The dislocation pattern is chaotic in nature with a weakly pronounced formation of dislocation tows.

Увеличение дозы имплантирования свыше 8,5·1017 ион/см2 существенно не сказывается на износостойкости поверхностного слоя детали из стали 30ХГСН2А при значительном увеличении времени обработки стали. При этом дислокационная структура имплантированного слоя представляет собой субграницу, сформировавшуюся за счет слияния отдельных дислокационных фрагментов.An increase in the implantation dose over 8.5 · 10 17 ion / cm 2 does not significantly affect the wear resistance of the surface layer of a part made of 30KhGSN2A steel with a significant increase in the processing time of steel. In this case, the dislocation structure of the implanted layer is a subboundary formed due to the fusion of individual dislocation fragments.

Использование имплантирования ионами монотектического сплава меди со свинцом, дополнительно легированным 7-12% олова, при дозе имплантирования (5,5-8,5)·1017 ион/см2 позволяет обеспечить устойчивое повышение износостойкости поверхностного слоя стали 30ХГСН2А.The use of ion implantation of a monotectic alloy of copper with lead, additionally doped with 7-12% tin, at an implantation dose of (5.5-8.5) · 10 17 ion / cm 2 allows for a steady increase in the wear resistance of the surface layer of 30KhGSN2A steel.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Вакуумную камеру, в которой расположен источник ионов, откачивают до давления 10-3 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, свинца и олова с дозой (5,5-8,5)·1017 ион/см2, осуществляя формирование поверхностного слоя.The proposed method is as follows. The vacuum chamber in which the ion source is located is pumped out to a pressure of 10 -3 Pa. Perform ion cleaning of the product using an ion source. In this case, the ion energy does not exceed 10-15 keV. Then, the ion energy is increased to 40 keV, copper, lead and tin ions are implanted simultaneously with a dose of (5.5-8.5) · 10 17 ion / cm 2 , forming the surface layer.

Фрикционные испытания облученных образцов проводились по схеме диск-палец в режиме сухого и граничного трения. При сухом трении нормальная нагрузка N=0,5 Н, нормальное контурное давление после приработки РС составляло (0,40-1,15)·106 Н/м2. При граничном трении (смазка - глицерин) N=5 Н, РС составляло (3,1-6,5)·107 Н/м2. Линейная скорость v при испытаниях различных образцов изменялась лишь в небольших пределах (3,1…9,6)·10~2 м/с. Приведенный износ ωN рассчитывали по формулеFriction tests of irradiated samples were carried out according to the disk-finger scheme in the regime of dry and boundary friction. With dry friction, the normal load N = 0.5 N, the normal circuit pressure after running-in R C was (0.40-1.15) · 10 6 N / m 2 . With boundary friction (lubricant - glycerin) N = 5 N, P C was (3.1-6.5) · 10 7 N / m 2 . The linear velocity v during testing of various samples varied only within small limits (3.1 ... 9.6) · 10 ~ 2 m / s. The reduced wear ω N was calculated by the formula

ωN=Q/(Lтp·N),ω N = Q / (L tp · N),

где Lтp=300 м - путь трения, одинаковый для всех экспериментов; Q - объемный износ индентора.where L tp = 300 m is the friction path, the same for all experiments; Q is the volumetric wear of the indenter.

Коэффициент износостойкости К=ωNисх.Nмодиф.The coefficient of wear resistance K = ω N out. / ω Nmodif .

Функциональная схема измерительного тракта силы трения включала тензорезисторы, наклеенные на тензобалку; чувствительные тензоизмерительного тракта 5·10-2 Н/мм. Профили треков трения записывали при помощи профилографа-профилометра.The functional diagram of the measuring path of the friction force included strain gauges glued to the strain gauge; sensitive strain measuring tract 5 · 10 -2 N / mm Profiles of friction tracks were recorded using a profilograph-profilometer.

В исходном состоянии образцы полированы, очищены от загрязнений и жировых пленок и подвергнуты отжигу при температуре 650°С в течение 2 часов в вакууме 5·10-6 мм рт.ст.In the initial state, the samples were polished, cleaned of impurities and grease films, and annealed at 650 ° C for 2 hours in a vacuum of 5 · 10 -6 mm Hg.

Имплантации подвергалась только сферическая часть пальца. Элементный состав модифицированных поверхностных слоев, толщины и состав поверхностных слоев до и после испытаний определяли методом резерфордовского обратного рассеяния (ОР) ионов гелия. Энергия ионов гелия в анализируемом пучке Ео=0,8-2,0 МэВ, угол рассеяния Ө=160°.Only the spherical part of the finger was implanted. The elemental composition of the modified surface layers, the thickness and composition of the surface layers before and after the tests were determined by the Rutherford backscattering (OR) method of helium ions. The energy of helium ions in the analyzed beam is E o = 0.8-2.0 MeV, the scattering angle is Ө = 160 °.

Исследования элементного состава ионно-имплантированных образцов показали, что ионное облучение матрицы с отмеченными параметрами процесса обработки позволяет модифицировать поверхностный слой толщиной 450-600 нм. Максимальная концентрация внедряемых атомов в этом слое в обоих случаях не превышает 30 ат.%. Протекание при ионной имплантации процессов распыления поверхностных атомов исключало возможность реализации больших концентраций ионного легирования поверхностного слоя.Studies of the elemental composition of ion-implanted samples showed that ion irradiation of the matrix with the marked processing parameters allows the surface layer to be modified with a thickness of 450-600 nm. The maximum concentration of implanted atoms in this layer in both cases does not exceed 30 at.%. The occurrence of sputtering of surface atoms during ion implantation precluded the possibility of realizing large concentrations of ionic doping of the surface layer.

Основные результаты исследований трибологических свойств имплантированных образцов представлены в таблице и на фиг.4.The main results of studies of the tribological properties of implanted samples are presented in the table and figure 4.

Имплантация монотектического сплава меди со свинцом, дополнительно легированного оловом, в сталь позволяет существенно снизить (практически в течение всего времени испытаний) коэффициент трения и заметно повысить износостойкость (фиг.4, таблица) в случае испытаний при большой нагрузке со смазкой.The implantation of a monotectic alloy of copper with lead, additionally doped with tin, in steel can significantly reduce (almost during the entire test period) the friction coefficient and significantly increase the wear resistance (Fig. 4, table) in the case of tests with a large load with lubricant.

ТаблицаTable Трибологические свойства стали 30ХГСН2А после имплантацииTribological properties of steel 30HGSN2A after implantation Состояние образцовSample Condition Режим имплантированияImplantation mode Трибологические характеристикиTribological characteristics Содержание элементов в материале катода имплантера, мас.%The content of elements in the material of the cathode of the implant, wt.% Дата имплантации (флюенс), ион/см2 Date of implantation (fluence), ion / cm 2 Нагрузка N, HLoad N, H PC, Н/м2 P C , N / m 2 Коэффициент трения fCoefficient of friction f Коэффициент износостойкости КThe coefficient of wear resistance K СиSi PbPb SnSn Исходное состояниеThe initial state -- -- -- -- 0,50.5 4,2·106 4.210 6 0,860.86 1,01,0 -- -- -- -- 5,05,0 3,2·100 3.210 0 0,450.45 1,01,0 Имплантирование монотектическим сплавом меди со свинцомMonotectic implantation of copper with lead 6464 3636 -- 7,2·1017 7.210 17 0,50.5 8,8·105 8.8 · 10 5 0,680.68 4,34.3 6464 3636 -- 7,2·1017 7.210 17 5,05,0 4,7·107 4.710 7 0,060.06 9292 Монотектический сплав меди со свинцом, контактно легированный оловомMonotectic alloy of copper with lead contact doped with tin 5858 3636 66 7,2·1017 7.210 17 0,50.5 9,1·105 9.110 5 0,670.67 4,34.3 5,05,0 5,7·107 5.710 7 0,060.06 9292 5757 3636 77 7,2·1017 7.210 17 0,50.5 9,2·105 9.2 · 10 5 0,670.67 4,84.8 5,05,0 5,8·107 5.810 7 0,050.05 112112 5555 3636 99 7,2·1017 7.210 17 0,50.5 9,6·105 9.610 5 0,680.68 5,15.1 5,05,0 6,7·107 6.710 7 0,020.02 145145 5252 3636 1212 7,2·1017 7.210 17 0,50.5 9,7·105 9.710 5 0,680.68 5,45,4 5,05,0 6,8·107 6.810 7 0,010.01 150150 5151 3636 1313 7,2·1017 7.210 17 0,50.5 9,7·105 9.710 5 0,680.68 5,45,4 5,05,0 6,8·107 6.810 7 0,010.01 150150 5555 3636 99 4,5·1017 4,5 · 10 17 0,50.5 9,1·105 9.110 5 0,670.67 4,24.2 5,05,0 5,7·107 5.710 7 0,060.06 9090 5555 3636 99 5,5·1017 5.510 17 0,50.5 9,4·105 9.4 · 10 5 0,680.68 4,24.2 5,05,0 5,9·107 5.910 7 0,040.04 122122 5555 3636 99 7,2·1017 7.210 17 0,50.5 9,6·105 9.610 5 0,680.68 5,15.1 5,05,0 6,7·107 6.710 7 0,020.02 145145 5555 3636 99 8,5·1017 8.510 17 0,50.5 9,8·105 9.810 5 0,680.68 5,95.9 5,05,0 6,9·107 6.910 7 0,020.02 155155 5555 3636 99 9,2·1017 9.2 · 10 17 0,50.5 9,8·105 9.810 5 0,680.68 5,85.8 5,05,0 6,9·107 6.910 7 0,020.02 150150

Сравнение данных по фрикционным свойствам ионно-имплантированных образцов (фиг.4) показывает, что антифрикционные свойства у образцов, имплантированных монотектическим сплавом, при испытаниях в глицерине начинают нарушаться раньше, чем у образцов с монотектическим сплавом с оловом. Это проявляется в схватывании в паре трения после 180 м пути, что иллюстрируется возрастанием значения и увеличением амплитуды колебаний f. При этом у ряда образцов, имплантированных монотектическим сплавом меди со свинцом, в конце испытаний наблюдалось нарушение антифрикционных свойств с резким возрастанием f до исходных значений. Различие трибологических свойств выбранной пары трения в зависимости от вида монотектического сплава, используемого для имплантирования, проявляется при исследовании топографии поверхности как зоны контакта пальца, так и трека на диске. Установлено, что при скольжении пальца, модифицированного монотектическим сплавом с оловом, образуется очень узкая канавка с гладкой поверхностью. При скольжении пальца, имплантированного монотектическим сплавом меди со свинцом, формируется более широкий трек с развитым рельефом. Наиболее сильно разрушается поверхность диска от контакта с пальцем в исходном состоянии без имплантации.Comparison of the data on the frictional properties of ion-implanted samples (Fig. 4) shows that the antifriction properties of samples implanted with a monotectic alloy, when tested in glycerin, begin to break earlier than for samples with a monotectic alloy with tin. This is manifested in the setting in the friction pair after 180 m of the path, which is illustrated by an increase in the value and an increase in the amplitude of oscillations f. Moreover, in a number of samples implanted with a monotectic alloy of copper and lead, at the end of the tests, a violation of antifriction properties was observed with a sharp increase in f to the initial values. The difference in the tribological properties of the selected friction pair depending on the type of monotectic alloy used for implantation is manifested in the study of the surface topography of both the contact area of the finger and the track on the disk. It has been established that when a finger modified with a monotectic tin alloy glides, a very narrow groove with a smooth surface is formed. When a finger implanted with a monotectic copper-lead alloy glides, a wider track with a developed relief is formed. The surface of the disk is most severely destroyed by contact with the finger in the initial state without implantation.

В случае испытаний в режиме сухого трения линейный износ имплантированных образцов превышает 210 мкм, что существенно больше начальной толщины модифицированного слоя. Однако антифрикционные свойства поверхности имплантированных образцов сохраняются и после удаления такого слоя.In the case of dry friction tests, the linear wear of the implanted samples exceeds 210 μm, which is significantly larger than the initial thickness of the modified layer. However, the antifriction properties of the surface of the implanted samples are preserved after the removal of such a layer.

Основная причина изменения трибологических свойств стали 30ХГСН2А в случае имплантации монотектическим сплавом меди со свинцом дополнительно легированным оловом, по-видимому, заключена в упрочнении матрицы оловосодержащими микровключениями.The main reason for the change in the tribological properties of steel 30KhGSN2A in the case of implantation of copper with lead by an additional alloyed tin with a monotectic alloy, apparently, lies in the hardening of the matrix by tin-containing microinclusions.

Claims (1)

Способ ионной имплантации поверхности деталей из конструкционной стали, включающий обработку поверхности деталей бомбардировкой потоком ионов меди и свинца при использовании в качестве катода имплантера сплав меди со свинцом, отличающийся тем, что катод имплантера изготавливают из монотектического сплава меди со свинцом, в который контактным легированием вводят 7-12% олова, а имплантацию осуществляют с дозой (5,5-8,5)·1017 ион/см2. The method of ion implantation of the surface of parts made of structural steel, comprising surface treatment of parts by bombardment with a stream of copper and lead ions using an alloy of copper with lead as the implant cathode, characterized in that the implant cathode is made of a monotectic alloy of copper with lead, into which 7 is introduced by contact alloying -12% tin, and implantation is carried out with a dose of (5.5-8.5) · 10 17 ion / cm 2 .
RU2011136944/02A 2011-09-07 2011-09-07 Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel RU2465373C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011136944/02A RU2465373C1 (en) 2011-09-07 2011-09-07 Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011136944/02A RU2465373C1 (en) 2011-09-07 2011-09-07 Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2465373C1 true RU2465373C1 (en) 2012-10-27

Family

ID=47147458

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011136944/02A RU2465373C1 (en) 2011-09-07 2011-09-07 Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2465373C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529337C1 (en) * 2013-07-26 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" Ion implantation method for surfaces of parts from structural steel
RU2581536C1 (en) * 2014-12-16 2016-04-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" (Университет машиностроения) Ion implantation method for surfaces of parts made from structural steel
RU2637189C1 (en) * 2016-08-10 2017-11-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" Ion implantation method for surfaces of part from structural steel

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1490063A (en) * 1974-11-05 1977-10-26 Atomic Energy Authority Uk Surface wear characteristics of materials by ion implantation
RU2068459C1 (en) * 1991-06-03 1996-10-27 Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения Method of working article surface made of steel and copper-base alloys
EP1719823A1 (en) * 2004-01-06 2006-11-08 Ideal Star Inc. Ion implantation system and ion implantation system
RU2340703C1 (en) * 2007-03-20 2008-12-10 Валерий Николаевич Пименов Method for product surface plasma treatment
EP2017366A1 (en) * 2007-07-13 2009-01-21 Hauzer Techno Coating BV A method for the manufacture of a hard material coating on a metal substrate and a coated substrate

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1490063A (en) * 1974-11-05 1977-10-26 Atomic Energy Authority Uk Surface wear characteristics of materials by ion implantation
RU2068459C1 (en) * 1991-06-03 1996-10-27 Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения Method of working article surface made of steel and copper-base alloys
EP1719823A1 (en) * 2004-01-06 2006-11-08 Ideal Star Inc. Ion implantation system and ion implantation system
RU2340703C1 (en) * 2007-03-20 2008-12-10 Валерий Николаевич Пименов Method for product surface plasma treatment
EP2017366A1 (en) * 2007-07-13 2009-01-21 Hauzer Techno Coating BV A method for the manufacture of a hard material coating on a metal substrate and a coated substrate

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529337C1 (en) * 2013-07-26 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" Ion implantation method for surfaces of parts from structural steel
RU2581536C1 (en) * 2014-12-16 2016-04-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" (Университет машиностроения) Ion implantation method for surfaces of parts made from structural steel
RU2637189C1 (en) * 2016-08-10 2017-11-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" Ion implantation method for surfaces of part from structural steel

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3832219A (en) Methods of treating steel surfaces to modify their structure
US4486247A (en) Wear resistant steel articles with carbon, oxygen and nitrogen implanted in the surface thereof
RU2465373C1 (en) Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel
Pogrebnjak et al. Effect of Fe and Zr ion implantation and high-current electron irradiation treatment on chemical and mechanical properties of Ti–V–Al Alloy
Binder et al. Effect of nature of nitride phases on sliding wear of plasma nitrided sintered iron
Moncoffre Nitrogen implantation into steels
Levintant-Zayonts et al. Surface characterization and wear behavior of ion implanted NiTi shape memory alloy
RU2458182C1 (en) Method of constructional steel implantation by copper and plumbum ions
RU2581536C1 (en) Ion implantation method for surfaces of parts made from structural steel
Tomaz et al. Influence of residual stress on the sliding wear of AISI 4340 steel
Poltavtseva et al. Peculiarities of structure and hardening of Ni-Ti alloy surface layers formed by 84Kr15+ ions irradiation at 147 MeV energy at high temperatures
Pogrebnjak et al. Effect of Fe and Zr Ion Implantation and High-Current Electron Beam Treatment on Chemical and Mechanical Properties of Ti–V–Al Alloy
RU2430991C1 (en) Procedure for ion implantation of surface of items of steel 30xgch2a
Singer et al. Friction, wear and deformation of soft steels implanted with Ti and N
RU2470091C1 (en) Method of ionic implantation of surfaces parts from titanium alloys
RU2529337C1 (en) Ion implantation method for surfaces of parts from structural steel
RU2117073C1 (en) Method of modifying titanium alloy surface
De Beurs et al. Enhanced wear resistance by compressive strengthening a novel combination of laser and ion implantation technology
Ecer et al. Friction and wear properties of nitrided and N+-implanted 17-4 PH stainless steel
RU2509174C1 (en) Method of implanting gas ions in metals and ions
Uchevatkina et al. Stressed state of the surface layer of VT6 titanium alloy after copper and lead ion implantation
Reis et al. Comparation between Laser Surface Nitriding and Nitrogen Plasma Immersion Ion Implantation (N-PIII) on Creep Behavior of Ti-6Al-4V Alloy
Madakson Friction, wear and the hardness of boron-implanted 18W 4Cr IV steel
Budilov et al. Application of hollow cathode effect for local ion nitriding of machine parts
Gladkikh et al. Mechanical properties of ion irradiated steel EK-181 investigated by dynamic nanoindentation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150908

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20160910

PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20161114

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170908