RU2581536C1 - Ion implantation method for surfaces of parts made from structural steel - Google Patents
Ion implantation method for surfaces of parts made from structural steel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2581536C1 RU2581536C1 RU2014150911/02A RU2014150911A RU2581536C1 RU 2581536 C1 RU2581536 C1 RU 2581536C1 RU 2014150911/02 A RU2014150911/02 A RU 2014150911/02A RU 2014150911 A RU2014150911 A RU 2014150911A RU 2581536 C1 RU2581536 C1 RU 2581536C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- implantation
- dose
- copper
- ions
- Prior art date
Links
Images
Abstract
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 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 СВ. 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., Yakutin SV. Study of the surface properties of steel 30KhGSN2A after implantation with copper ions. // Mechanical Engineering and Engineering Education. 2009. - No. 2. - S. 7-13).
Недостатком данного способа является ограниченное увеличение усталостной прочности и износостойкости обработанной поверхности деталей. Увеличение дозы имплантирования ионов меди приводит к увеличению длительности обработки при фактическом постоянстве предела выносливости обработанной стали, а также к 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 duration of treatment with the actual constancy of the fatigue limit of the treated steel, as well as to the appearance of scoring on the implanted surface.
Известен 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 СВ., 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.There 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 a monotectic copper alloy with 36% lead as the cathode material of the implant (Ovchinnikov V .V., Yakutina SV., Kozlov D.A., Nemov A.S. Properties and surface composition of 30KhGSN2A steel depending on the dose of irradiation with copper and lead ions // Izvestia MGIU, 2010. - No. 3. - P. 15- twenty). 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.
Недостатком упомянутого способа 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.The disadvantage of this method 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу ионной имплантации является способ, при котором обрабатываемые поверхности деталей подвергают бомбардировке потоком ионов меди и свинца при использовании в качестве катода имплантера сплава меди со свинцом, 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 (патент РФ на изобретение №2465373. Способ ионной имплантации поверхности детали из конструкционной стали. Заявка №2011136944/02, приоритет 07.09.2011. Опубликован 27.10.2012).The closest in technical essence to the claimed method of ion implantation is a method in which the treated surfaces of the parts are bombarded with a stream of copper and lead ions using an alloy of copper with lead as the cathode of the implant, the cathode of the implant is made of a monotectic alloy of copper with lead, in which contact alloying administered 7-12% tin and the implantation is carried out with the dose (5.5-8.5 × 10 17 ion / cm 2 (RF patent №2465373. a method of ion implantation surface of the workpiece from the constructive ion steel. Application №2011136944 / 02, the priority of 07.09.2011. Published on 27.10.2012).
Существенным недостатком прототипа является сохранение высокой износостойкости на ограниченной длине пути трения 20-25 м, после чего наблюдается резкое возрастание весового износа.A significant disadvantage of the prototype is the preservation of high wear resistance over a limited length of the friction path of 20-25 m, after which there is a sharp increase in weight wear.
Заявляемый способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали обеспечивает повышение износостойкости при снижении коэффициента трения скольжения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям при больших значениях пути трения.The inventive method of ion implantation of the surfaces of parts made of structural steel provides increased wear resistance while reducing the coefficient of sliding friction with the application of an external load to the rubbing parts with large values of the friction path.
Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый способ, обеспечивается тем, что вначале имплантацию осуществляют с дозой (5,5-8,5)·1017 ион/см2 при изготовлении катода имплантера из монотектического сплава меди со свинцом, в который контактным легированием вводят 7-12% олова, а затем проводят имплантацию ионов азота с дозой (0,10…0,25)·D, где D - доза имплантирования ионами монотектического сплава меди со свинцом, равная 1·1017 ион/см2.The technical result, which is achieved by the claimed method, is ensured by the fact that first the implantation is carried out with a dose of (5.5-8.5) · 10 17 ion / cm 2 in the manufacture of the cathode of the implant from a monotectic copper alloy with lead, in which contact alloying 7-12% of tin is introduced, and then nitrogen ions are implanted with a dose of (0.10 ... 0.25) · D, where D is the dose of implantation by ions of a monotectic copper alloy with lead equal to 1 · 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 представлен график изменения весового износа от пути трения стали 30ХГСН2А имплантированной по прототипу (кривая 1) и по заявляемому способу (кривая 2) при имплантации азотом с дозой 0,16·D, где D- in FIG. 1 shows a graph of the change in weight wear from the friction path of steel 30KhGSN2A implanted according to the prototype (curve 1) and by the claimed method (curve 2) when implanted with nitrogen at a dose of 0.16 · D, where D
- доза имплантирования ионами монотектического сплава меди со свинцом;- the dose of implantation by ions of a monotectic alloy of copper with lead;
- на фиг. 2 представлена гистограмма изменения относительного весового износа образца стали 30ХГСН2А от дозы имплантации азота;- in FIG. 2 shows a histogram of the change in relative weight wear of a sample of steel 30KhGSN2A from the dose of nitrogen implantation;
- на фиг. 3 показана структура дорожки трения после испытаний на износ образцов стали 30ХГСН2А, обработанных в соответствии с прототипом (а) и в соответствии с заявляемым способом (б).- in FIG. 3 shows the structure of the friction track after testing for wear of samples of steel 30HGSN2A, processed in accordance with the prototype (a) and in accordance with the claimed method (b).
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.Performing joint implantation with ions with a large mass (lead) in combination with ions (copper) close in mass to the target base (iron) allows you to create a large number of radiation defects through which copper ions penetrate deep into the target.
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%.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.
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 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 to increase the wear resistance of the surface layer of 30KhGSN2A steel.
При дозе имплантации азота менее 0,1·1017 ион/см2 не отмечается существенного увеличения износостойкости имплантированной стали 30ХГСН2А.When the dose of nitrogen implantation is less than 0.1 · 10 17 ion / cm 2 there is no significant increase in the wear resistance of the implanted steel 30KhGSN2A.
Увеличение дозы имплантации азота свыше 0,25·1017 ион/см2 вызывает снижение износостойкости поверхностного слоя детали из стали 30ХГСН2А при отчетливом нарастания процесса выкрашивания хрупких частиц. Этот процесс дополнительно сказывается на снижении износостойкости.An increase in the dose of nitrogen implantation over 0.25 · 10 17 ion / cm 2 causes a decrease in the wear resistance of the surface layer of a part made of 30KhGSN2A steel with a distinct increase in the process of chipping brittle particles. This process additionally affects the reduction of wear resistance.
Использование имплантирования ионами азота после имплантации ионов 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 при больших значениях пути трения при дозе имплантации (0,10…0,25)·D.The use of implantation with nitrogen ions after implantation of ions of a monotectic copper alloy 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 steel 30KhGSN2A at large values of the friction path at the implantation dose (0.10 ... 0.25) · D.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Вакуумную камеру, в которой расположен источник ионов, откачивают до давления Ю-3 Па. Производят ионную очистку изделия с помощью ионного источника. При этом энергия ионов не превышает 10-15 кэВ. Затем повышают энергию ионов до 35 кэВ, одновременно имплантируют ионы меди, свинца и олова с дозой (5,5-8,5)·1017 ион/см2, осуществляя формирование поверхностного слоя. После имплантации ионов меди, свинца и олова с дозой (5,5-8,5)·1017 ион/см2, осуществляли имплантацию ионов азота с дозой (0,10…0,25)·D.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 35 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. After implantation of copper, lead and tin ions with a dose of (5.5-8.5) · 10 17 ion / cm 2 , nitrogen ions were implanted with a dose of (0.10 ... 0.25) · D.
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 Η/м2.Friction 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 Η / m 2 .
Линейная скорость ν при испытаниях различных образцов изменялась лишь в небольших пределах (3,1…9,6)·10-2 м/с. Износ образцов оценивали по весовому методу, взвешиванием образца через определенные дистанции трения на аналитических весах.The linear velocity ν during testing of various samples changed only within small limits (3.1 ... 9.6) · 10 -2 m / s. The wear of the samples was evaluated by the weight method, by weighing the sample over specific friction distances on an analytical balance.
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 реализаций 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 excluded the possibility of realizing large concentrations of ionic doping of the surface layer.
Основные результаты исследований трибологических свойств имплантированных образцов представлены на фиг. 1. Из представленных на графике данных видно, что при имплантации стали 30ХГСН2А ионами меди, свинца и олова с дозой 6,5·1017 ион/см2 рост интенсивности износа наблюдается при пути трения 20-25 м (кривая 1, фиг. 1).The main results of studies of the tribological properties of implanted samples are presented in FIG. 1. From the data presented in the graph it is seen that during implantation of steel 30KhGSN2A with copper, lead and tin ions with a dose of 6.5 · 10 17 ion / cm 2, an increase in wear intensity is observed with a friction path of 20-25 m (
Последующая имплантация стали 30ХГСН2А ионами азота с дозой 0,16·D, позволяет снизить весовой износ образцов при испытаниях. В этом случае можно отметить, что весовой износ образцов незначителен вплоть до значения пути трения 45-47 м (кривая 2, фиг. 1), после чего весовой износ начинает интенсивно увеличиваться.Subsequent implantation of steel 30KhGSN2A with nitrogen ions with a dose of 0.16 · D, allows to reduce the weight wear of the samples during testing. In this case, it can be noted that the weight wear of the samples is negligible up to the value of the friction path of 45-47 m (
Влияние дозы имплантирования азотом после имплантации ионов меди, свинца и олова с дозой (5,5-8,5)·1017 ион/см2, на относительный износ образцов стали 30ХГСН2А, представлено на фиг. 2. Анализ приведенных результатов испытаний показывает, что имплантация азота с дозой меньше 0,10·D, не приводит к существенному уменьшению относительного износа по отношению к образцу, имплантированному только ионами меди, свинца и олова.The effect of the nitrogen implantation dose after the implantation of copper, lead and tin ions with a dose of (5.5-8.5) · 10 17 ion / cm 2 on the relative wear of 30KhGSN2A steel samples is shown in FIG. 2. The analysis of the test results shows that the implantation of nitrogen with a dose of less than 0.10 · D does not lead to a significant decrease in the relative wear in relation to the sample implanted only with copper, lead and tin ions.
Имплантация азота в диапазоне дозы (0,10…0,25)·D позволяет снизить относительный весовой износ до 0,17-0,35 от износа исходного образца.Implantation of nitrogen in the dose range (0.10 ... 0.25) · D allows you to reduce the relative weight wear to 0.17-0.35 from the wear of the original sample.
Увеличение дозы имплантации азота более 0,25·D нецелесообразно из-за увеличения относительного износа вследствие выкрашивания частиц поверхностного слоя образца из стали 30ХГСН2А.An increase in the dose of nitrogen implantation of more than 0.25 · D is impractical due to the increase in relative wear due to chipping of particles of the surface layer of the sample from steel 30KhGSN2A.
На фиг. 3 представлена структура дорожки износа на образцах стали 30ХГСН2А после испытаний, которые были имплантированы в соответствии с прототипом (а) и заявляемым способом (б). Сравнение представленных изображений позволяет заключить, что при одинаковом пути трения (20-25 м) износ образца, обработанного в соответствии с заявляемым способом, существенно ниже.In FIG. 3 shows the structure of the wear track on steel samples 30HGSN2A after tests that were implanted in accordance with the prototype (a) and the claimed method (b). A comparison of the presented images allows us to conclude that with the same friction path (20-25 m), the wear of the sample processed in accordance with the claimed method is significantly lower.
Таким образом, проведенные испытания на износ подтвердили, что имплантация стали 30ХГСН2А ионами монотектического сплава с дополнительным легированием оловом, с последующей имплантацией ионов азота с дозой (0,10…0,25)·D, повышает износостойкость образцов стали 30ХГСН2А.Thus, the conducted wear tests confirmed that implantation of 30KhGSN2A steel with monotectic alloy ions with additional tin alloying, followed by implantation of nitrogen ions with a dose of (0.10 ... 0.25) · D, increases the wear resistance of 30KhGSN2A steel samples.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150911/02A RU2581536C1 (en) | 2014-12-16 | 2014-12-16 | Ion implantation method for surfaces of parts made from structural steel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150911/02A RU2581536C1 (en) | 2014-12-16 | 2014-12-16 | Ion implantation method for surfaces of parts made from structural steel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2581536C1 true RU2581536C1 (en) | 2016-04-20 |
Family
ID=56194880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014150911/02A RU2581536C1 (en) | 2014-12-16 | 2014-12-16 | Ion implantation method for surfaces of parts made from structural steel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2581536C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080264783A1 (en) * | 2004-10-07 | 2008-10-30 | Murphy William J | Sputtering target fixture |
| 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 |
| RU2458182C1 (en) * | 2011-02-11 | 2012-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"(ФГБОУ ВПО "МГИУ") | Method of constructional steel implantation by copper and plumbum ions |
| RU2465373C1 (en) * | 2011-09-07 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel |
-
2014
- 2014-12-16 RU RU2014150911/02A patent/RU2581536C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080264783A1 (en) * | 2004-10-07 | 2008-10-30 | Murphy William J | Sputtering target fixture |
| 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 |
| RU2458182C1 (en) * | 2011-02-11 | 2012-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"(ФГБОУ ВПО "МГИУ") | Method of constructional steel implantation by copper and plumbum ions |
| RU2465373C1 (en) * | 2011-09-07 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 | |
| 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 | |
| RU2011122111A (en) | METHOD OF ION-IMPLANT PROCESSING OF COMBUSOR BLADES FROM TITANIUM ALLOYS | |
| RU2465373C1 (en) | Ion implantation method of surfaces of parts made from structural steel | |
| Singer et al. | Effects of implantation energy and carbon concentration on the friction and wear of titanium‐implanted steel | |
| Levintant-Zayonts et al. | Surface characterization and wear behavior of ion implanted NiTi shape memory alloy | |
| RU2011125859A (en) | METHOD OF ION-IMPLANT PROCESSING OF COMPRESSOR BLADES FROM HIGH-ALLOYED STEELS AND ALLOYS ON A NICKEL BASIS | |
| RU2509174C1 (en) | Method of implanting gas ions in metals and ions | |
| RU2430991C1 (en) | Procedure for ion implantation of surface of items of steel 30xgch2a | |
| CN106835053A (en) | A kind of metal surface Ion Implantation Strengthening method | |
| RU2470091C1 (en) | Method of ionic implantation of surfaces parts from titanium alloys | |
| RU2117073C1 (en) | Method of modifying titanium alloy surface | |
| RU2585149C1 (en) | Method for nitrogen ion implantation of surfaces of parts made of structural steel | |
| RU2529337C1 (en) | Ion implantation method for surfaces of parts from structural steel | |
| RU2482218C1 (en) | Ion implantation method of surfaces of parts from structural steel | |
| RU2462516C2 (en) | Method of surface treatment of products of heat resisting alloys | |
| RU2442843C1 (en) | Method of copper and lead ions implantation into the construction steel | |
| RU2637189C1 (en) | Ion implantation method for surfaces of part from structural steel | |
| RU155002U1 (en) | CATHODE FOR ION IMPLANTATION OF THE SURFACE OF PARTS FROM STRUCTURAL MATERIALS | |
| An et al. | Effects of Al and N plasma immersion ion implantation on surface microhardness, oxidation resistance and antibacterial characteristics of Cu | |
| RU172049U1 (en) | CATHODE FOR ION IMPLANTATION OF THE SURFACE OF PARTS FROM STRUCTURAL MATERIALS | |
| RU2559606C1 (en) | Method of chemical heat treatment of part from alloyed steel | |
| Madakson | Friction, wear and the hardness of boron-implanted 18W 4Cr IV steel | |
| RU2536843C1 (en) | Ion implantation method of surfaces of parts from titanium alloy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20170427 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201217 |