RU2637189C1 - Способ ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали - Google Patents
Способ ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали Download PDFInfo
- Publication number
- RU2637189C1 RU2637189C1 RU2016132876A RU2016132876A RU2637189C1 RU 2637189 C1 RU2637189 C1 RU 2637189C1 RU 2016132876 A RU2016132876 A RU 2016132876A RU 2016132876 A RU2016132876 A RU 2016132876A RU 2637189 C1 RU2637189 C1 RU 2637189C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- iron
- implantation
- ion
- steel
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/48—Ion implantation
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов. Имплантацию конструкционной стали осуществляют с использованием катода из сплава меди и железа с содержанием последнего 45-55%. Дозу имплантации задают в пределах (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2. В результате обеспечивается повышение износостойкости и коррозионной стойкости деталей в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям в агрессивной коррозионной среде. 3 ил., 1 табл.
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.
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).
Недостатком данного способа является ограниченное увеличение износостойкости и коррозионной стойкости обработанной поверхности деталей. Увеличение дозы имплантирования ионов меди не приводит к росту коррозионной стойкости имплантированной поверхности.
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.
Существенным недостатком прототипа является повышение коэффициента трения скольжения при введении ионов свинца в поверхностный слой стали и соответствующее снижение ее износостойкости. Кроме того, детали отличаются невысокой коррозионной стойкостью в условиях трения с приложением внешней нагрузки в условиях воздействия агрессивной среды, например морского тумана.
Заявляемый способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали обеспечивает повышение износостойкости и коррозионной стойкости деталей в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям в агрессивной коррозионной среде.
Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый способ, обеспечивается тем, что имплантацию конструкционной стали осуществляют при использовании в качестве материала катода сплава меди и железа с содержанием последнего 45-55%, причем дозу имплантации задают в пределах (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2.
Подробнее сущность заявляемого способа поясняется чертежами:
на фиг. 1 - показана микроструктура сплава 50% медь - 50% железо (×150);
на фиг. 2 - приведена глубины проникновения ионов в сталь 30ХГСН2А в зависимости от содержания железа в материале катода;
на фиг. 3 - зависимость весового износа от прилагаемой нагрузки при пути трения 1000 м исходных (1) и имплантированных (2) деталей.
Выполнение совместной имплантации ионами (медь, железо), 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 железа при дозе 7,9⋅1017 ион/см2 глубина проникновения ионов меди в обрабатываемую сталь в 4,5 раза превышает глубину проникновения ионов меди при облучении ими стали при одинаковой дозе.
Максимальное значение глубины проникновения ионов в матрицу (стали 30ХГСН2А) достигается при использовании в качестве материала катода имплантера сплава меди с железом с содержанием железа 50%. Особенностью сплава меди с железом является то, что компоненты сплава являются несмешивающимися. Относительная простота получения сплавов меди с железом в наиболее практически важном интервале концентраций объясняется особенностями диаграммы равновесия этой системы: невысоким куполом расслоения в жидком состоянии и значительным содержанием железа в монотектической точке.
На фиг. 1 показан типичный фрагмент микроструктуры сплава медь-железо с содержанием железа 50% мас.%. Основной особенностью рассматриваемой микроструктуры является концентрическое расположение железа и меди, фактически не взаимодействующих друг с другом и выступающих в виде чистых элементов с присущими им индивидуальными свойствами.
Из сплава меди с железом были изготовлены различные катоды имплантера, которые использовались для имплантирования образцов из стали 30ХГСН2А.
Проведение имплантации поверхностей детали из 30ХГСН2А катодом из сплава меди и железа, содержащим в своем составе более 55% железа, не приводит к повышению коррозионной стойкости по сравнению с деталями, не подвергавшимися облучению.
При использовании в качестве материала катода имплантера сплава меди с железом, содержащим менее 45% железа, не наблюдается увеличения износостойкости имплантированных деталей по сравнению с имплантацией медью из-за малой глубины проникновения ионов в поверхностный слой детали (фиг. 2).
Поэтому оптимальным следует признать материал катода имплантера с содержанием железа в сплаве с медью в диапазоне 45-55%.
При дозе имплантации менее 7,1⋅1017 ион/см2 не отмечается существенного увеличения износостойкости имплантированной стали 30ХГСН2А.
Увеличение дозы имплантирования свыше 9,5⋅1017 ион/см2 существенно не сказывается на коррозионной стойкости поверхностного слоя детали из стали 30ХГСН2А при значительном увеличении времени обработки стали. Также отмечается повышение весового износа имплантированной стали. Повышение весового износа является следствием образования нанотрещин по границам зерен с последующим скалыванием частиц материала при трении.
Использование имплантирования ионами сплава меди с железом, содержащим 45-55% железа, при дозе имплантирования (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2 позволяет обеспечить устойчивое повышение коррозионной стойкости и износостойкости поверхностного слоя стали 30ХГСН2А.
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 и железа с дозой (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2, осуществляя формирование модифицированного поверхностного слоя.
Испытания на стойкость против общей коррозии выполнялись в соответствии с ГОСТ Р 52763-2007. Условия испытаний и состав раствора выбираются по ГОСТ Р 51201-2007.
Испытания имплантированных и контрольных образцов проводились в нейтральном соляном тумане. Для приготовления испытательного раствора применялась дистиллированная вода и хлористый натрий.
Исследование проводилось на образцах толщиной 1 мм и размером 50×80 мм, которые перед испытаниями взвешивались с точностью до 1 мг. На одну из сторон образца наклеивалась защитная пленка для предотвращения коррозии.
После испытаний, которые длятся 96 часов, защитную пленку удаляли. Продукты коррозии с поверхности образцов удаляли путем погружения образца в раствор соляной кислоты с плотностью 1,18 г/мл с добавлением 3,5 г гексаметилтрамина до 1 л. Затем образцы промывали в воде и подвергали сушке. После этого методом взвешивания определяли потерю массы образца в расчете на 1 м2 поверхности. Скорость коррозии по данному методу определяют по скорости убыли массы образца (ГОСТ 9.908-85).
Трибологические испытания проводились на автоматизированной машине трения по схеме «шарик-пластина» (модуль возвратно-поступательного движения). Для испытаний использовались образцы стали 30ХГСН2А размером 50×50 мм и толщиной 2 мм. Испытания проводились на воздухе. Эти испытания соответствуют международным стандартам ASTM G99-959, DIN50324 и ISO 20808.
Основные результаты исследований трибологических и коррозионных свойств имплантированных образцов представлены в таблице.
Имплантация ионов из сплава меди с железом в сталь 30ХГСН2А позволяет существенно снизить скорость коррозии и заметно повысить коррозионную стойкость (таблица) образцов после имплантации, а также износостойкость указанной стали.
Таким образом, проведенные испытания на износостойкость и коррозионную стойкость подтвердили, что имплантация стали 30ХГСН2А ионами меди и железа при использовании катодов из сплава меди с 45-55% железа и дозе имплантации (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2 позволяет существенно повысить износостойкость и коррозионную стойкость деталей при сокращении длительности цикла обработки на 40-45%.
Claims (1)
- Способ ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали, включающий бомбардировку обрабатываемой поверхности потоком ионов меди и железа, отличающийся тем, что в качестве катода имплантера используют катод из сплава меди с железом, содержащий 45-55% железа, при этом имплантацию осуществляют с дозой (7,1-9,5)⋅1017 ион/см2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016132876A RU2637189C1 (ru) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | Способ ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016132876A RU2637189C1 (ru) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | Способ ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2637189C1 true RU2637189C1 (ru) | 2017-11-30 |
Family
ID=60581277
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016132876A RU2637189C1 (ru) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | Способ ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2637189C1 (ru) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1566397A (zh) * | 2003-07-04 | 2005-01-19 | 武汉科技大学 | 一种采用离子注入法制备抗菌不锈钢的方法 |
CN1865493A (zh) * | 2006-06-22 | 2006-11-22 | 武汉科技大学 | 一种采用双元离子注入法制备抗菌不锈钢的方法 |
RU2430991C1 (ru) * | 2010-02-09 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет | Способ ионной имплантации поверхности деталей из стали 30хгсн2а |
RU2458182C1 (ru) * | 2011-02-11 | 2012-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"(ФГБОУ ВПО "МГИУ") | Способ имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца |
RU2465373C1 (ru) * | 2011-09-07 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали |
US20120286152A1 (en) * | 2009-05-13 | 2012-11-15 | Micromass Uk Limited | Ion source with surface coating |
RU2581536C1 (ru) * | 2014-12-16 | 2016-04-20 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" (Университет машиностроения) | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали |
-
2016
- 2016-08-10 RU RU2016132876A patent/RU2637189C1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1566397A (zh) * | 2003-07-04 | 2005-01-19 | 武汉科技大学 | 一种采用离子注入法制备抗菌不锈钢的方法 |
CN1865493A (zh) * | 2006-06-22 | 2006-11-22 | 武汉科技大学 | 一种采用双元离子注入法制备抗菌不锈钢的方法 |
US20120286152A1 (en) * | 2009-05-13 | 2012-11-15 | Micromass Uk Limited | Ion source with surface coating |
RU2430991C1 (ru) * | 2010-02-09 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет | Способ ионной имплантации поверхности деталей из стали 30хгсн2а |
RU2458182C1 (ru) * | 2011-02-11 | 2012-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"(ФГБОУ ВПО "МГИУ") | Способ имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца |
RU2465373C1 (ru) * | 2011-09-07 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали |
RU2581536C1 (ru) * | 2014-12-16 | 2016-04-20 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" (Университет машиностроения) | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Tie et al. | In vitro mechanical and corrosion properties of biodegradable Mg–Ag alloys | |
Kralj Kunčič et al. | Morphological response of the halophilic fungal genus Wallemia to high salinity | |
Wang et al. | Proteomic analysis of goat Longissimus dorsi muscles with different drip loss values related to meat quality traits | |
RU2637189C1 (ru) | Способ ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали | |
Wang et al. | Effects of salt stress on carbohydrate metabolism of Lactobacillus plantarum ATCC 14917 | |
Zhang et al. | Microbially influenced corrosion of 304 stainless steel and titanium by P. variotii and A. niger in humid atmosphere | |
Wang et al. | Metaproteomic characterization of dissolved organic matter in the water column of the South China Sea | |
Ivanov et al. | On the fatigue strength of grade 20Cr13 hardened steel modified by an electron beam | |
RU2458182C1 (ru) | Способ имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца | |
Nečas et al. | Interpretation of surface structures in frozen-etched protoplasts of yeasts | |
RU2529337C1 (ru) | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали | |
RU2581536C1 (ru) | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали | |
RU2465373C1 (ru) | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали | |
Engel et al. | A microprobe analysis of inorganic elements in Halobacterium salinarum | |
JP2021500912A5 (ru) | ||
Liu et al. | Fungistatic mechanism of ammonia against nematode-trapping fungus Arthrobotrys oligospora, and strategy for this fungus to survive ammonia | |
Han et al. | Capsaicin-enhanced ribosomal protein P2 expression in human intestinal Caco-2 cells | |
Garrill et al. | Preliminary observations on the monovalent cation relations of Thraustochytrium aureum, a fungus requiring sodium for growth | |
Fischer et al. | X-ray microprobe analysis of chloragosomes of untreated and of EDTA-treated Lumbricus terrestris by using fresh air-dried smears | |
Li et al. | Membrane labeling of coral gastrodermal cells by biotinylation: the proteomic identification of surface proteins involving cnidaria-dinoflagellate endosymbiosis | |
RU2585149C1 (ru) | Способ имплантации ионами азота поверхностей деталей из конструкционной стали | |
Tokuda et al. | Effect of applied stress on pitting corrosion behavior of type 304 stainless steel in chloride environment | |
RU155002U1 (ru) | Катод для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов | |
Vikhoreva et al. | The in vitro motility assay parameters of actin filaments from Mytilus edulis exposed in vivo to copper ions | |
Carney | The effects of different isolation media on the respiration and morphology of housefly sarcosomes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190811 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200724 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner |