Ионно-лучевая модификация физико-механических свойств и разработка способов повышения износостойкости штамповых сталей и сплава 4ОХНЮ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ТОМСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.В. КУЙШГСКВА

Для служебного пользования Экземпляр г

1' <г

УДК 539.12.04: 620.178.162

На правах рукописи

САВОСТИКОВ ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ

ИОННО-ЛУЧЕВАЯ МОДИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВА 40ХНЮ

01.04.07 - физика твердого тала

диссертации на соискание ученой степени кандидата

Авгоре<$ера т

технических нау.к

Томск - 1991

Работа выполнена в организации "Гехнотрон" к Сибкрскоы ордена Трудового Красного Знамени физико-техническом институте им. В.Д.Кузнецова при Томском орцеиа Октябрьской Революции к ордена Трудового Красного Знамени государственном университете им. В.В.Куйбышева.

Научные руководители: - заслуженный деятель науки и техники

РСФСР, доктор физико-математических наук, профессор А.Д.Коротаев,

- кандидат физико-математических наук Ю.Р.Колобов.

Официальные опоненты: - доктор технических наук М.Ф.Полетика - кандидат физико-математических наук Ю.П.Шаркеев

Ведущая организация - ЦНИИ ЧерМет Шституг физики металлов

и металловедения, г.Москва

Защита состоится Л>0М'ЮСк.'ъ- 1991 г. в — 7с£<?-

на заседании специализированного совета К 063.53.05 в Томском государственном университете им.В,В-Куйбышева (634010, г.Томзк-Ю, пр.Ленина, 36, Госуниверситет).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ТГУ Автореферат разослан » У<£ " ¿¿¿¿Л 1991г.

Ученый секретарь специализированного совета С

кандидат физико-математических наук, доцент М^х^^и. Н.Анохина

Актуальность работы. Повышение износостойкости стальных итам-гов я специальных деталей из сплава 40ХНЮ имеет ванное згаченяо : точки зрения решения проблем ресурсосбережения и повышения ка-гестпя продукции. Применение традиционных технологий упрочняю-¡ей обработки (термдиффуэиошшх, осавдети покрытий к т.п.) I данном случае ограничивается рядом обстоятельств, важнейшими [3 которых являются низкие температуры отпуска закаленных штам-говых сталей и необходимость сохрзнешш точккх размеров обраба-таяемых изделий. Одним из новейших методов модифицирующей обработки поверхностей является ионная имплантация, которая отличается независимостью от теркодиЪфузионшк констант к возкошшетьо :рименения но финишных операциях изготовления изделий. К настоящему |ремени опубликовано достаточно большое количество зарубежных п ¡течесгзешшх работ, демонстрирующих возможности понно-лучевой юдификацип состава, структуры, физико-механическях свойств ые-'аллоп и сплавов, в т.ч. их износостойкости. Однако, возможности ;елбнаправлэнной модификации эксплуатационных характеристик и :ромшленного освоения данной технологии сдергиваются отсутствием кодь-либо запбрчюшшх моделей иояно-лучезого воздействия ня аяросвойства штерлалов, в т.ч. механизмов повышения их износо-стойчивостк после ионной имплантация. Одним яз се&ях п-чпщшгааль-IIх остается вопрос, попгму столь галый но голигснв имплантированный легированный) поверхностей слой (менее I мны) оказязает сушест-енное влияние ка трибологнческое поведение изтериала. Предлагаемо на сегодняшняя день механизма, как правило,' относятся к частим случаям решения задачи и не могут слунигь таучно-методологи-еской базой для реиения многообразных проблем повышения износо-тоЯкости различных ¡втамлои и деталей, эксплуатируемых в сашх азличнкх условиях. Поэтому дальнейшее накопление гдепериментоль-нх данных, выявление условий имплантации, обеспечивающих пов«~ ение износостойкости 5 конкретных условиях эксплуатации изделий, меет важное научное зиа«эние. При этом непосредственное приклзд-ое значение имеет разработка технологических режимов ионпо-лу-езоЯ обработки изделий конкретного назначения.

Достижением трибологии, в т.ч. отечественных исследований вляется однозначно установленный факт, что износостойкость, бу-учи выходным параметром фрикционной системы, а не свойством тдельно взятого тела, определяется множеством факторов, ва.шей-имя из которых являются твердость контактирующих материалов, а: имлко-^азсснй состав и структура, условия пздр&г.'гю к ршаа?.--

коэффициента трения. Следовательно, при разработка токологических способов повышзееи износостойкости необходимо учитывать влияние ионной ишлантацик па все вышеперечисленные характеристики и только на ос нойо комплексного анализа результатов ионно-луче-вого воздействия оптим^гп-трогать его параметры.

Целью шсто.тай работа является исследование комплекса факторов, определявших поштоние износостойкоетк атамповнх оталей и сплава 40Х1Ю е результате ионно-лучевого воздействия, оптимизации параметров ионнсй ш.щк?ащш, разработка и внедрение ионно-лу-чевых технологий упрочнявшей обработки.

Автор защищает:

1. Экспериментальные закономерности формирования при ионном облучении ягалеза и сталей структурно-фазового состояния, огъэчао щего образованию легирозанного, зодержащего высокодиспвроыте фа за, поверхностного слоя гоидиноа ,десятки-сотни нм и нижележащего подслоя с повышенным значением иккротвердости.

2. Закономерности кратного снижения коэффициента трения и увеличения износостойкости ионнэ-ншлантированных сталей и сплава 40ХНЮ в условиях адгезионно-молекулярного и деформационно-механического фрикционного воздействия с сохранением низкого значения коэффициента трения и высокой износоустойчивости после изнашивания слоя, многократно превосходящего проективный пробег ионов. Развитые в работе представления о формировании при ионно-лучевом воздействии структурно-фазовых состояний, изначально подобных вторичным защитным структурам трения и улучшающих условия фрикционной приработки.

3. Многоэлементная имплантация совокупности ионов реактивных металлов типа ТС , 2 г и металлоидов ( С , 6 , N ) является наиболее эффективным вариантом улучшения трибологических характеристик железа и сталей, существенно превосходящим по своим показателям вариант одноэлементной имплантации, в частности ионов Л/ .

4. Способ изготовления композиционных катодов-для реализации шогоэлементной имплантации, основанный на методе С]ВС с одновременным прессованием порошковой смеси в оболочке катода, и технологические режимы ионно-лучевой упрочняющей обработки стальных штампов холодного деформирования с распылением ионами азота композиционного катода на основе состава 74 В^.

5. Способы повышения износостойкости, основашгые на многоэлементной имплантации ионов тугоплавкого металла (Г с , 2г и др.) и химически активных легких элементов (С , & , N ,5с) и рекомендации по их технологи-чески рациональному применению с -учетом конкретных условий эксплуатации металлоизделий.

Научная новизна. В работе выявлено, что при имплантации вы-сокоэнергеткческих ионов титана, бора и углерода, в т.ч. одновременной с использованием многоэдемантного катода, в услозиях

о

технического вакуума 10 Па в поверхностном слое железа формируются мелкодисперсные (размером 10-30 нм) частицы указанных элементов, в т.ч. о элементом-основой. Частицы карбидов железа образуются даже при имплантации ионов инертного газа-аргона, что обусловлено наличием в паромаслотом вакууме остаточных углеводородов. Последовательная имплантация ионов циркония и углерода при общей дозе 5хГ0^7 см~~ вызывает амортизации поверхностного слоя железа. Показано, что в железе и сталях, независимо от вида используемых ионов, при имплантации в импульсном и стационарном режимах и дозе облучения болев Ю*7 см"" достигается повышение микротвердости поверхностного слоя, по толщине превосходящего величину проективного пробега ионов; при этом достигаемый эффект упрочнения по сравнению с исходным состоянием выше в армко-железе и отожженной стали Х12М, нежели в стали Х12М, термообра ботакной на високуп твердость. Установлено, что ионная имплантация может значительно снизить коэффициент трения сталей и сплава 40ХНЮ при испытаниях с различными контртелами в условиях адгезионно-молекулярного и деформационно-механического фрикционного взаимодействия. Предполагается, что это обусловлено формированием в процессе ионно-лучевой обработки изначальных структурно-фазовых состояний, подобиях вторичным защитным структурам, образующимся в непмплантированних материалах лишь по истечении определенного времени фрикционной приработки. Пониженное значение коэффициента трения и повышенная износоустойчивость сохраняется при износе имплантированного слоя, по глубине много-кратпо превосходящего величину проективного пробега ионов, что, по-видимому, обусловлено положительным влиянием имплантации на процессы структурно-энергетической приспосабливаемое™ а трансформацию структур трения. Экспериментально доказано, что много-эломентная имплантация ионов тугоплавкого металла ( Гс , 2г- ) и металлоидов ( С , в , Л/ ) обеспечивает более существенные

— о -

к стабильные эффекты снижения фрикционного взаимодействия и повышения износостойкости, ч?м ;гмпдан?ащм: одного элемента. Показана ¡•ысокал эффективность последовательно;: Емгшнтащга яоиез Т1гили • 2 г-, а затем С " д.ля удучиаюя трибологигческгос свойств сталей XI;Ш5 и сплава 40КНВ, На основе метода ОБО разработан споооб изготовления ко.мпсзэдгсняих .ча годов для реализации ияогоэлемент-ной имплантации, отличающийся от известных совмещением операций синтеза и прессования при определенных давлениях в одной оправкэ (оболочке катода) г в одном технологическом цикле. Разработаны способы упрочняющей обработки металлоизделий, включая штампы и детали пар трения, основанные ка прамененпи шогоэлементяой имплантации, и рехомевдагак по их тгхнологически рациональному применению,-Вышеуказанные способа чищены авторскими евздетельет-вами.

Практическая ценность ■ Полученнис в работе результаты представляют собой ваяние исходные данные и имеют мэтодологичоо-кое значение для разработки способов ионно-лучевого упрочнения конкретных металлоизделий, эксплуатируемых в конкретных условиях. На основе полученных результатов разработаны технологии позше-ния износостойкости инструментов и деталей пар трения. :

Результата енеягения. Работа выполнена ъ рамках Программы технстеского перазо'оруяенгя отрасли (НИР 0-641-83, 0-642-85, 6-608-88). Разработанная технология ионно-лучевого упрочнения стальных итампов холодного деформирования и инструментов внедрена на 2-х предприятиях отрасли с общим экономическим эффектом 192 тыс.руб. (подтверждено актами внедрения). В настоящее время осуществляется внедрение технологии еще на 7-ми заводах страны.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: У Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, г.Новосибирск-1984 г.; Ш научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "НТТМ-86",' г.Томок-1986 г.; У1 Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, г. Новосябирск-1986 г.; У111 научно-технической конференции молодых специалистов и ученых "Ускорение н/т прогресса в машиностроении", г. Москва-1966 г.; У научно-технической конференции молодых учэных и специалистов "НТТМ-88", г. Томск-1988г.; I Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц", г. Томск-1988 г.; Все-

союзном семинаре "Физико-техничеокиэ проблемы поверхности металлов", г. Горьккй-1990 г..

Публикация. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, получено четыре авторских свидетельства и одно положительное решение по заявке на изобретение.

Стр7ктура я объем работа. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, паводов'и приложения. Изложена па 16? страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 16 таблиц. Список цитированной литературы включает 198 наименований.

Основное содержание работа

Во введении обоснована актуальность темы, охарактеризованы ключевые проблемы исследования, сформулирована цель работа и изложены положения, выносж-ше на защиту.

В первой глава дан обзор современных представлений о закономерностях процессов изнашивания и состояния экспериментально-технологических исследований по модификации трибологических свойств материалов методами поверхностного воздействия. Показано, что для большинства штампов холодного деформирования и многих деталей пар тренил основными видами износа являются абразивный и адгезионный. Наряду с твердостью чрезвычайно важное значение для износоустойчивости таких изделий имеет физико-химическое взаимодействие контактирующих материалов и характер процессов трения. Отмечается степенная зависимость интенсивности износа от коэффициента трент и различие вкладов молекулярно-^дгезионной ж деформационно-механической составляющей силы трения в разных условиях фрикционного контакта. Подчеркивается определяющая роль фрикционной приработки яонгантируквдх тел,, изменения структурно-фазового состояния поверхностного слоя с образованием вторичных защитных структур трэния, состояния и твердости нижележащего подслоя на трибологаческое поведение материала. Анализируетея-сущиость основных способов модифицирующей обработки поверхностей и выделяются особенности и преимущества метода ионной имплантации, Приводятся феноменологические данные, демонстрирующие широкие возможности метода для изменения состава, структуры, твердости, коэффициента трения и износостойкости металлов и сплавов. При этом показана важная роль вида ионов, используемых для имплантации. Отмечается неоднозначность и противоречивость отдельных данных и их интерпретации, что связано с отсутствием комплексного подхода в исследовании проблем ионно-лучевой модифзке-

Ц1ш, недостаточным учетом условий облучения и испытаний. Краткий критический анализ существуюзах феноменологических моделей и механизмов ионно-лучввой модификации трибологичаоких свойств показывает, что попытки связать изменение износостойкости облученных материалов о одно-двумя физико-механическими характеристиками (например, с твердостью сдвиговым' сопротивлением поверхностного слоя, с изменение?."; иероховагости поверхности и т.п.) не учитывают многофакторноотх: грзбсггроцессов. Открытыми или малоизученными оотаюгся вопросы влияния модифицированной структуры поверхностного олоя на трибо-догическое поведение облученного материала, яффективности применения ионов разного аорта ("з т.ч. их сочетаний) и разных разшмов облучения (стационарного ж импульсного) для улучшения условий фрикционной приработки и снижения отдельных составлявших коэффициента трения (молекулярно-адгезион-ной и деформационно-механической).

Во второй главе на основе анализа литературных данных выделены методологические принципы и подходы в решении проблем по- . вышения изноооустойчтаости, ключевые моменты в проблеме ионно-лучевого упрочнения стальных штампов и деталей из сплава 40ХНЮ, выбрано направление и сформулированы следующие задачи исследования:

1. Изучить влияние имплантации ионов разного сорта (инертного газа, металлов, химически активных легких элементов внедрения:] многокомпонентной ионной имплантации и двух режимов облучения (стационарного и имтльсного) на твердость к еле за, щташовых сталей и сплава 40ХНЮ.

2. Исследовать изменение шероховатости, состава к структурно-фазового состояния поверхностного слоя в результате ионно-лучавого воздействия.

3. Оценить влияние иг/плантации на молекулярно-адгезионную и деформационно-механическую составляикке коэффициента трения.

4. Исследовать период приработки в и&аосоустоачи ость ионно-имплантироваадкх материалов в зависимости от условия облучения и фрикционных испытаний.

5. С учетом результатов экспериментальных исследований выбрать параметры ионно-лучевого упрочнения стальных, штампов и до-талей из сплава 40ЖЮ.

• 6, Разработать установку ионно-лучевого упрочнения металлоизделий, технологию изготовления композиционных катодов для реа-

лизащга шогоэлементной имплантации, способы упрочнения применительно к конкретным изделиям и условиям v.x эксплуатации.

7. Провести производственные испытания разработанной установки л имплантированных штампов, отработать технологический процесс ионно-лучевого упрочнения сталышх атзмлез холодного деформирования, - внедрить установку и технологии упрочнения в производство.

Для решезшя поставленных задач в качестве материалов исследования выбрани армко-яелезо и сталь 10 (модельные материалы), углеродистая сталь У8А, мэлолягнровзниая сталь !!!Х15, вчеокохро-мистая сталь XI2Î.Ï, промышланяый прецизионный сплав 40ХНК}-ЗК. Стали У8А и XI2M являются типичные представителями ата.уловах сталей к значительно, отличаются друг от друга по содержанию до-гирущих элементов. Сталь ПХ15 'подшипниковая) также мояэт попользоваться для изготовления формообразующей оснастки. Сплав ЮХНЮ-ВИ применяется для изготовления специальных деталей в прп-Зорном производстве.

Исследования влияния имела нтацип на микротвердость аомке-*елеза к коэффициент тренда стали 10 проводились на образцах з состоянии поставки. Сталь XI2!.! и сплав 40ХНВ исследоаэлпсь лак в состоянии поставки, так и после термообработки на закалку с. отпуском. Стали УЗА п L4XI5 исследовались только после тер-лообработки на закалку с отпуском. Режимы термообработки -зтандартные, применяемые в производстве при изготовлении соот-5етствувдих изделий (штампов к деталей).

Для конного облучения использовались лоточник ноков на осине разряда в подом катоде со скрещенными электрическим к йгниткым полями ( стагпгонзрннй реяим работы) я источник ионов га основе дугового-разряда (импульсный розга генерации плазмы), i первом случае рабочее дззлониа в каморе устаь^вки составляло

65*5.3x10""'- Па, во втором - 1,ЗЗхЮ~3 Па. Удельная доза облу-кзния рассчитывалась по времени о учетом плотности ионного тога [ варьировалась в пределах 5хЮ^6*10^сг.Г~. Ускорявшее нзпрч-:енио, определяющее энергию ионов, изменялось в пределах 30*100

Температура образцов контролировалась с помоцьо термохгшп-[еск-лх тиккаторов (0jl0.0c8.002 ТУ) к не провкпала 473 К. В елу-гае применения источника ионов на основе разряда в полом като^: >блучения материалов проводились пучками исков ол^лцвгл юнонтного состава: Аг , N*, Tt + Af, 74 <■ tff. В м"

ТС + б' + М' . Многоэлементкэя шиантащи при этом осуществлялась путе;.! распыления конами рабочего газа (аргона или азота) соответствующей кизени. При применении источника конов на основа дугового разряда облучение проводилось пучками конов (Г, П"1', 2 У-, Мо*, Многоэлементная имплантация (Тс" + С*, 2г + С'-) осуществлялась са два вакуумных цикла о* соответствующей заменой распыляемых гсатодов.

Сравнительные исследования микротвердости материалов до в после облучения проводились на одних и тех же образцах-дисках. Измерения микротвердостм проводились на приборе ПМ'Г-3 со сторона облученной поверхности и, в отдельных случаях, на поперечных шлифах. Значение мккротвердости определялось как среднее из 10 измерений.

Для трпбологическкх исследований была применена высокочувствительная (разрешающая способность Ю-3 Н) установка, реализующая -схему фрикционных испытаний с контактом по образующей (неподвижный индентор-вращахвдийся диск). Ионному облучению подвергались прикчифованные диски из исследуемых материалов с исходной технологической шероховатостью Ка = 0,010+0,045 мкм, соответствующей реальным изделиям (штампам .и деталям). Нагрузка на инден-тор менялась от 0,2+0,15 Н (оценка молекудярно-адгезионной составляющей коэффициента треикя/ ) до 1,8 Н (оценка деформационно механической составляющей £ и исследование износоустойчивости). В качестве материалов инденторов иопользовались алмаз, твердый сплав ВКЮ-ОМ, закаленные стали ШХ15 и Х12М, сплавы 40ХНЮ-ВИ, ЛС59, ВТ-1, сталь 20. Латунь ЛС59, титановый сплав. ВТ-1 и сталь 20 были выбраны как типичные материалы, широко используемые для изготовления деталей холодной штамповкой, т.е. с целью имитации их фрикционного взаимодействия со штамповыми сталями. Радиус закругления конусообразных инденторов составлял 0,625 ми для алмаза и твердого сплава ВКЮ-ОМ (с целью реализации сосредоточенного контакта) и 1,25 мм для всех остальных материалов. При исследованиях иопользовались также закаленные шарики из стали 111X15 диаметром 3,8 мм (с целью увеличения площадки контакта при оценке молекулярно-адгезиокной составляющей £ ),. Шероховатость поверхности и глубина канавки изнашивания измерялись с помощью профилографа-профилометра модели 296. Трибологические исследования облученных образцов проводились в сравнении о исходными при одинаковых условиях фрикционного контакта (по нагрузке, скорости вращения диска и т.д.). Коэффициент трения и глу-

бина канавки износа определялись как среднее из 5 измерений.

Исследования распределения внедренных атомов проводилось на образцах армко-железа методом ПЛ ВЮТ (послойного анализа) с разрешением порядка 10 км. Бомбардировка поверхности осуществлялась ионами аргона-с энергией 3 кэВ и плотностью тока 6x1О-5 А/см2.

Изменение структурно-фазового состояния имплантированного железа исследовалось методом просвечивающей эл ктронной микроскопии на микроскопах ЗМ-125 и "Тезво 66 540". Образцы перед имплантацией подвергались отжигу в атмосфере гелия при температуре 1073 К в течение 40 минут, а затем доводились злоктрополи-ровкой до толщины порядка 0,01 мм. Фольги для исследования в электронном микроскопе получали методом струйной полировки.

Стойкостные испытания вырубных штампов до и после ионной имплантации проводились в производственных условиях на автоматизированном оборудовании. За критерий износа штампа было принято появление заусенец на отштампованных деталях. Коэффициент изменения износостойкости штампов после имплантации ( ^ ) определяется отношением- ,

Ь А/импл.

Nисх. '

где N исх. и М импл- количество деталей, вырубленных исходным штампом и, соответственно, штампом после имплантации. Установка и технология ионно-лучевого упрочнения разрабатывались с учетом заводских требований по производительности процесса и надежности оборудования.

Третья глава "Влияние ионной имплантации на физико-механические и трибогехнические свойства железа, сталей и сплава 40ХНЮ-ВИ содержит результата экспериментальных исследований изменения твердости, коэффициента трения (в т.ч. молекулярно-адгезионной и деформационно-механьческой составляющих), шероховатости поверхности, состава, структуры, условий приработки и износостойкости материалов после ионно-лучевого воздействия.

Установлено, что при ускоряющем напряжении 40 кВ и дозах облучения более Ю^7 независимо от сорта используемых ио-

нов и режима имплантации (стационарного или импульсного), наблюдается повышение микротвердости поверхностного слоя. Приращение микротвердости ДН меняется в широких пределах (от &% до 125*) в зависимости от вида материала и условий облучения. Например, на железе и отожженной стали Х12М после имплантации в стационар-

ном режиме ионов ( Сг+ А г) с дозой 5x10^1 см"^ приращение микротвердости составило 65 и 65$ соответственно, в то время как на закаленной стали Х12М Д Н при идентичных параметрах имплантации было заметно меньше - 21%. На примерз имплантации ионов углерода покамно, что импульсный режим облучения при всех прочих равнцх параметрах заметно эффективнее, стационарного. Для железа и закаленной стали Х12М при дозе 10^ см-^ в первом случае приращение микротвердосги составило 125% и 41% соответственно, во втором -- 45$ и 10%. Этот факт связывается с эффектами адсорбирования остаточных газов в промежутках между импульсами" и последующего миксинга осажденной микропленки высокоэноргетическими ионами с повышением общей концентрации примесных атомов. При непрерывном облучении осаждение иленки исключается эффектом постоянного ионного распыления. Зафиксировано увеличение эффектов упрочнения с повышением дозы (времени) облучения. Измерения микротвердости на поперечных шлифах железа и сталей показали, что толщина слоя с повышенным значением микротвердости на порядок и более превышает величину проективного пробега ионов.

Электронномикроскопические исследования ионно-имплантирован-ного железа выявили, что в поверхностном слое формируются мелкодисперсные (размером 10-30 нм) частицы вторичных фаз: карбидов в случае облучения пучками ионов С* , Т1 +■ С*, А? и боридов в случае облучения совокупностью ионов ( 6+ ) при дозах порядка 5x10^ ом. Образование карбидов при имплантации ионов инертного газа А г объясняется эффектами карбидизации из остаточных углеводородов в условиях парэшслян"ОЙ откачки и технического вакуума в рабочей камере 2,65+5,3x10"^ Па. В случае последовательной имплантации ионов + С1"(2,5хЮ^'' см-2 + 2,5хТ0^' см~^) обнаружена амортизация поверхностного слоя железа. Таким образом, повышение шкротвердости поверхностного слоя после ионной имплантации ионов разного сорта (в т.ч. инертного газа - аргона) в основном обусловлено эффектами дисперсного упрочнения в результате образования, вторичных фаз или его амортизацией. Электронномикро-скопичеокие исследования имплантированного зг.елаза на глуб1шо 10-15 мкм от поверхности образования новых фаз не зафиксировали. Методом вторичной ионной масспектроскопии показано, что максимальная глубина проникновения ионов не превышает 0,5 мкм при использованных в работе режимах имплантации. Следовательно, можно предположить, что наблюдаемое повышение микротвердости облученных" образцов на глубинах, превышающих в десятки раз кроектив-

ный пробег ионов, связано со статическими напряжениями сжатия и/или с эффектами радиационно-деформацлонного происхождении.

Установлено, что в подавляющем большинство случаев, при использовании указанных выше параметров ишлантавдш, коэффициент трения имплантированных сталей и сплава -ЮЖО-БН снижается. Про-филографические исследования пришлифованных образцов показали, что ио!шая имплантация не уменьшает шероховатости поверхности, т.е. эффекта ионной полировки не зафиксировано. 3 то ко время, не обнаруживается прямой связи уменьшения / с повышением микротвердости имплантированных материалов. Тан, несмотря на увеличение Ир для стали Ю после облучения всеми видами использованных ионов, снижение ее фрикционного взаимодействия в паре с закаленной сталью ПК15 зафиксировано только посла облучения совокупностью ионов71 в; + Л* в стационарном режиме и ионами С* ,

ТС + , Яг + С* в импульсном. В паре с более мягкими материалами (сталью 20, латунью ЛС-59, титановым сплавом ВТ-1) снижение коэффициента трения стали 10 наблюдается посла имплантации всех видов ионов ( Аг , М*, ТС+ Аг , С*+ Аг + А/1", Г^б^ + -- в стационарном режиме; С*, Тс* + С* , 2 г + С+ - в импульсном). Наиболее существенные и стабильные э|фекты снклэння фрикционного взаимодействия характерны для сочетаний ионов активных '^гоплав-ких металлов и металлоидов: Тс В2+ Л/*, Т\ + С* , 2 г + С* . Аналогичная закономерность наблюдается и для закаленных сталей У6А, ХГ2М, 'Ж 15, сплава 40ХНЮ - использование для имплантации сочетаний 7*1 &4+ , Г* + С*-. Ег + С * обеспечивает наиболее зкачи-тельноо (в отдельных случаях - четырехкратное) и стабильное снижение коэффициента трения как в условиях молакудярио-адгезяонно-го, так и деформационно-механического Фрикционного контакта в парах с самыми различными материалами. По всеИ видимости, преимущества указанного многокомпонентного легирован;., обусловлены высокой вероятностью формирования в поверхностном слое высокотвердых боридсв и карбидов туюплавкпх металлов (превосходящих по твердости, например, карбиды и нитриды келеза). Следовательно, структурно-фазовое состояние имплантированного слоя имеет чрезвычайно важное значение для улучшения трибологического поведе„ия материала, что и было показано при изучении процессов приработки и изнашивания. Установлено, что имплантация совокупности понов тугоплавкого металла ( Тс или Нг) и химически активных легких элементов (С , В , N ) обеспечивает стабильнее онилониз коа£-фициента трения с первых не секунд '5ч?длчодв;1лт.-.*•.

парах с са;дг;,тг различными материалами, а такие более высокую износоустойчивость по сравнению с одноэлементной имплантацией.

На рис. I и 2 отражены результат« сравнительных фрикционных испытаний стали XI2М, облученной разными и она;,и и испытанной в паре, с разными лвденторами.

¿234 п,10\о*.

Рис. I. Изменение £ в зависимости от числа оборотов испытуемого диска из стали Х12М (исходной и облученной разными ионами). Материал ивдвнто-ра - закаленная сталь 212'Л (0=2,5 мм; Н(*С 61). Нагрузка на индеитор Р = 5 Н.

V = 40 кВ; Ф = 5x1 О*7 см-2.

Рис. 2. Изменение £ в зависимости от числа оборотов испытуемого диска из стали Х12М (исходной и облученной разным! ионами). Материал индентора -- алмаз (0 = 1,25 мм). Нагрузка на индентор Р = 1,3 Н. •Ы = 40 кВ; Ф = 1016 см"2 М\ Тьф- 40*Ь+ + Л

стационарный режим облучения Т*+ С* , Ег + С+ - импульсный режим облучения.

Как ввдно из рисунков, имплантация совокупности ионов В*, М*).или ТС + С* , Нг* + С* обеспечивает более продолжительное, по сравнению о имплантацией ионов /V* , антифрикционное состояние поверхности стали и ее сопротивление износу (увеличение, коэффициента трения облученной стали до исходного значения связано с образованием явно выраженной канавки1 изнашивания). В то же'время обнаружено, что даже при глубине износа >■0,5 мкм, многократно, превосходящей проецированный пробег ионов, коэффициент трения облученных образцов остается ниже исходного значения. Отмеченный факт подтверждается также резуль-

ü

тата?5я •грпбологггсескпх иоододо:?зшп1 галготптяровэнного сш:эе;; 4ПХШ0-ВИ (рис. 3 п спс. 4).

Р = 0,2 Н.

Сохранение материалом в течение продолжительного времени улучшенных трибологических характеристик (пониженного коэффициента трения и повышенной износоустойчивости) предположительно объясняется благоприятным влиянием ионной имплантации на формирование и трансформирование вторичных структур трения ("эффект наследования" имплантации).

В главе четвертой "Разработка средств и способов повышения износостойкости металлообрабатывающего инструмента и .деталей пар трения" на основе анализа экспериментальных данных рэаены задачи прикладного характера. Для упрочнения стальных штимзов и деталей из сплава 40ХНЮ в качестве базовых имплантантов при разработке технологических процессов выбраны совокупности ионов (714 &+ , N* ) в стационарном и ( Т(.Ч С+), ( 2г+ С* ) в импульсном режимах облучения. Сравнительные отойкостше испытания стальных вырубных штампов, облученных ионами С* и совокупностью ион^в ( Г(.+, Я* ), подтвердили более высокую эффективность многаэлементной имплантации (повышение износостойкости в 1,4 - 1,7 раза в первом случае и в 1,6+3,0 раза во.втором) и важную значимость фрикционного взаимодействия шгамповой стали и

&h, 1"И

500 1000 1500 2Ú09 Т, С

500 ЮОО J50Ü 2Шй 2 503 Т, С

Рис. 3. Зависимость глубины канавки износа от времени для исходного и имплантированных образцов из сплава 40ХНЮ. Материал ивдентора-твердый сплав ВКЮ-ОМ. Нагрузка

Peo. 4. Изменение во времени для исходного и имплантированных образцов из сплава 40ХНЮ-ВИ. Материал пндентора--твердый сплав ВКЮ-ОМ. Нагрузка Р = 0,2 Н.

штампуемого материала.

В целях промышленного освоения ронно-лучевых технологий упрочнения разработана установка стационарного облучения "Композит" и способ изготовления ко.\гасз!Ш:-,онпых мишеней-катодов для реализации многоэлементной имплантации. Установка "Композит" отличается от известных пространственным расположением 2-х ионных источников для имплантации, обеспечивающим облучение за один вакуумный цикл как боковых, так и торцевых поверхностей изделий; наличием дополнительного ионного источника для осаждения покрытий, расширявши» технологические возможности установки; конструктивным исполнением подлоккодеряателя, совмещенного с высоковольтным вводом и приводом вращения, обеспечивающим высокую загрузочную способность установки и возможность манипулирования облучаемым! изделиями (последовательного ввода в зону облучения и вращения). Установка защищена авторским свидетельством. Производственные испытания показали се достаточную (для требований завода сродней мощности) производительность и надежность. Разработанный способ изготовления композиционных мишеней - катодов отличается от известных совмещением операций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и прессования при экспериментально оптимизированных давлениях в одной оправка (оболочке катода) и в одном технологическом цикле, что позволяет повысить производительность процесса изготовления и плотность (качество) синтезируемого материала. Способ защищен авторским свидетельством и позволяет изготовлять мщгени-катоды типа боридов, карбидов, кар-боборидов, боросилицндов и т.п..

При разработке технологического процесса ионно-лучеаого упрочнения стальных штампов холодного деформирования на установке "Композит" применон следувдий системный подход:

- проанализированы основные типы штампов, состав и свойства итампошх сталей, условия их эксплуатации, основные виды износа;

- с учетом результата вышеописанного анализа, экспериментальных исследований и натурных испытаний в качество базового имплантанта выбрана совокупность ионов ( , В+ ,

- исходя из требований обеспечения производительности и надежности работы устанопки (исключения электрических пробоев в высоковольтном вводе) и с учетом данных экспериментальных исследований по обеспечешю прочностных и антифрикционных свойств

штампових сталей ускоряющее напряжение выбрано 40 кЬ, а доза

Т7 о

ионного облучения - 5x101 см"*";

- исходя из требований производительности и поддержания температуры облучаемой стали ниже температуры отпуска экспериментально определены диапазоны плотностей ионного тока для деталей птемпов различного размера, при этом рекомендовано учитывать марку стали и корректировать время непрерывного облучения.

Установка "Композит" и технология ионно-лучевого упрочнения внедрены на 2-х предприятиях отрасли. В настоящее время осуществляется -внедрение еще на семи заводах страны.

На основе выявленных закономерностей ионно-лучевой модификации состава,, структуры, прочностных и трнбологических свойств разработаны специальные способы упрочняющей обработки применительно к конкретные видам и условиям эксплуатации металлоизделий:

1. Способ ионко-лучевой обработки, основанный на распылении азотом композиционной мишени, содержащей химическое соединение тугоплавкого металла 1Уа-У1а группы с^борсм или углеродом, отличающийся тем, что материал мишени дополнительно содержит кремний в пределах 20-50 ат.% от количества бора или углерода в ней. Предназначен для повышения износостойкости инструмента, рабстаю-щего в условиях значительных тер:.гаческих воздействий (штампов горячего прессования, резцов, фрез и др.). На способ подана заявка на изобретение и получено положительное решение.

2. Способ комбинированной упрочняющей обработки, включающий предварительную имплантацию в обрабатываемую поверхность ионов бора или азота в сочетании с тугоплавким металлом при линейном уменьшении энергии ионов в процессе имплантации 'от 100-150 до 2,0-0,2 кэВ, последующее осаждение покрытий из соответственно борвдов или нитридов этого жэ металла и заключительную имплантацию ионов аргона, азота или углерода при энергии 30-100 кэВ. Предназначен для упрочнения металлоизделий, эксплуатируемых в условиях высоких ударных воздействий и температур. Защищен авторски.! свидетельством.

3. Способ импульсной нонно-лучевой обработки инструмента, заключающийся в имплантации ионов металла к металлоида при частоте импульсов ч? и длительности Т , удовлетворяющих найденному экспериментально условию =(2*15)х10~3, и обеспечивающий повышенную твердость и износостойкость при сокращении времени обработки. Защищен авторским свидетельством.

В настоящее время вышеуказанные способы упрочнения отрабатываются в производственных условиях с целью последующего внедрения.

В приложении пр.тдедет.':

- технологический процесс ионко-лучевого упрочнения стальных штампов холодного деформирования с последовательно иэлокек-ннми операциям входного контроля; промывки, протирки и обезжиривания штампов и оснастки, ионного облучения и заключительного контроля;

- протокол и акг испытаний установки "Композит", отражающие ее технологические возможности и производительность;

- акты произволетвешшх стойкостиых испытаний имплантированных штампов, подтверждающие повышение их износостойкости до 3-х раз;

- технические акты внедрения установки и технологии иенно-лучевего упрочнения с указанием реального экономического эффекта на 2-х предприятиях 139,66 тыс.руб. и 52,33 тыс.руб.

По результатам работы сделаны следующие выводы:

1. При имплантации высокоэнергетических ионов титана, бора и углерода, в т.ч. одновременной с использованием многоэлементного катода, в условиях вакуума Ю-3 Па в поверхностных слоях железа формируются дисперсные (размером порядка 10-30 нм) высокопрочные частицы соединений указанных элементов, в т.ч. с элементом-основой. Наличие в паромасляном вакууме остаточных углеводородов приводит к образованию частиц карбидов железа даже при имплантации ионов аргона. Последовательная импульсная имплантация ионов циркония И углерода при общей дозе бхЮ*7 вызывает амортизацию поверхности :го слоя железа.

2. Показано, что в железе и сталях, независимо от:вида используемых ионов, при имплантации в импульсном и стационарном режимах существенное повышение микротвердости достигается в слое, толщина которого на порядок и более превышает величину проективного пробега ионов. При этом импульсный режим имплантации обеспечивает большой эффект упрочнения, чем стационарный, что может быть связано с эффектами адсорбции остаточных газов в промежутках между импульсами и последующим их миксингом ионным пучком.' Достигаемый эффект упрочнения выше в армко-железе и отожженных сталях, нежели в сталях с исходной высокой твердостью.

3. Обнаружено значительное снижение коэффициента трения сталей и сплава 40ХНЮ-ВИ после ионной имплантации при испытаниях с различными контртелами в условиях адгезионно-молекулярного и деформационно-механического фрикционного взаимодействия. Предполагается, что положительное влияние конной имплантации на трибо-

логические свойства исследованных материалов (в т.ч. на характер приработки) обусловлено формированием упрочненных структурно-фазовых состояний, подобных вторичным защитным структурам трения. Положительное влияние жиглантации сохраняется при износо на глу-, бину слоя, многократно превосходящего величину проективного пробега ионоз, что, вероятно, связано о изменением процессов структурно-энергетической приспосабливаемое™ и трансформации вторичных структур трения ("эффект наследования" имплантации).

4. Экспериментально доказано, что шогоэлекентная имплаита-ция ионов тугоплавкого металла ( ТС, 2 г) и металлоидов (С*, В* ,

Ы*) обеспечивает более существенные и стабильные зффбг.ты снижения фрикционного взаимодействия и повыпения износостойкости, чем имплантация одного элемента, например азота. Для реализации -многозлементной имплантации за один вакуумный цикл разработан способ изготовления композиционных мищеней-катодсв.

5. С учетом требований производства по производительности, надежности и функциональным возможностям разработана установка ионно-лучавого упрочнения металлоизделий. Проведены производственные испытания установки, подтвердившие ее соответствие вышеуказанными требованиям.

6. О учетом типа уярочняешх изделий, условий их эксплуатации, результатов экспериментальных исследований и технических характеристик оборудования, разработана технология упрочнения стальных штампов холодного деформирования, базирующаяся на многоэлементной имплантации совокупности ионов ( Ть+ , йт , М+). Производственные стойкостные испытания имплантированная штампов показали увеличение их износостойкости до 3-х раз. Отработанная технология и установка ионно-лучевсго упрочнения внедрены на 2-х предприятиях. Реальный экономический эффект, подтвержденный соответствующими актами, составил 192 тыо.рублей.

7. На основе выявленных закономерностей модификации состава, структуры, твердости и трибологических характеристик разработаны и защищены авторскими свидетельствами три способа ионно-лучевого упрочнения металлоизделий, обеспечивающие более высокую износоустойчивость, чем способы-прототипы. На базе разработанных способов в настоящее время отрабатываются технологические процессы упрочнения.

Основные результаты и положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Савостиков В.М., Подсухин В.Г., Помазенко В,А., Баранник В.Л. Гибкая автоматизация производства и проблема повышения износостойкости инструмента// н/т сборник "Технология производства". - ТОНТИ-2, 1986. - вып. I. - с. 52-58. ДСП

2. Кричков В.П., Савостиков В.М. Лучевые методы обработки материалов// У Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тазисы докладов, ч. И. - Томск, 1984. - с. 138-140.

3. Кричков В.П., Савоотиков В.М. Возможности лучевых методов поверхностей обработки деталей и инструмента// ПТО. - 1986.

- й 3. - с. 10-13. ДСП

4. Савостиков В;М., Стройкова В.В., Литвиненко В.Г., Ельникова H.H. Исследование некоторых физико-механичоских свойств инструментальных сталей, подвергг'/тых лучевой поверхностной обработке// н/т сборник "Технология производства". - ГОНТИ-2, 1986.

- Вып. I. - с. 70-78. ДСП

Баранник B.JI., Ельникова H.H., Логинов С.М., Рыжов В.В., Савостиков В.М., Чеоноков С.NU, Яновский В.Н. Исследование распределения внедренных ионов и некоторых физико-механических характеристик «(.-Fe при различных параметрах облучения// УП Всесоюзная конференция по взаимодействию атомных частиц с твердым телом: Тезисы докладов, ч. Ш. - Минск, 1984. - с. 107-108.

6. Баженов Г.П., Бугаев С.П., Баранник В.Л., Ерохин Г.П., Коротаев А.Д., Киселев В.Н., Колобов Ю.Р., Кричков В.П., Лигачев А.Е., Савостиков В.М., Савченко А.О., Чесноков С.М., Янчук A.B. Модификация поверхностных свойств материалов ионами

Си , ТбВ^// У Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы докладов, ч. Б. - Томск, 1984. - с. 133-134.

7. Савостиков В.М., Баранник B.I., Аблитаров A.A. Исследование механизма упрочнения имплантирован- ix et- Fe и инструментальных сталей XI2М, Р6М5 // Ш н/т конференция молодых ученых и специалистов: Тезисы докладов. - Томск, 1986. - с. 9-10. ДСП

8. Баранник В.Л., Колобов Ю.Р., Коротаев А.Д., I ричков В.П., Пушных В .А., Севостиков В.М., Савченко А/0. Влияние параметров ионной имплантации на микротвердость и структуру поверхностных слоев железа и стали XI2M // У1 Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы докладов, ч. Ш. - Томск, 1986. -

с. 166-168.

•9. Абдрашитов В.Г., Баженов ГЛ., Бугаев С.П., Ерохин Г.П., Коротаев А.Д., Колобов Ю.Р., Кричков В.П., Куракин И.Б., Лигачев

А.Е., Hее.мелов A.B., С.тачонно Л.О., Савостиков В.И., Сипайло М.Г., Чесноков С.И. Имплантация ионов в поверхность металлов и сплавов// Препринт ü 40 СО АН СССР. - Томск, IS86. - 25 с.

. 10. Савостиков В.М., Коротаев А.Л.. Боранпик В.Л., Рябчиков •

A.И., Кричков В.П. Улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств шетрумэнтальннх сталей ионно-лучевой обработкой //Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц: Тезисы докладов I Всесоюзной конференции, ч. I. -Томск, 1988. - с. I08-110.

11. Савостиков В.М., Коротаев А.Д., Баракник В.Л. Пенно-лучевая обработка стальных а та шов холодного деформировать//

н/т сборник "Технология машиностроения". - ГОНТИ-2, I9E9, -вып. I. - с. 68-78. ДСП

12. Кричков В.П., Савостиков В.М., Коротаев А.Д. Улучшение антифрикционных свойств и износостойкости сплавов методом ионной игямантации// Ионно-лучевая модификация материалов: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. - Черноголовка, 1987. - с. 50.

13. Заречнев В.Г., Савостиков В.М., Еаранник В.Л. Улучшение трибологическях характеристик сплавов ионно-лучевой обработ-сй поверхности //У н/т конференция молодых ученых и специалистов: Тезисы докладов. - Томск, 1988. - с. 59-61. ДСП

14. Баранник В.Л., Савостиков В.М., Рябчиков А.И., Заречнев

B.Г. Влияние ионной имплантация на трибологические свойства сплавов 40ХНЮ-ВИ и ВНГЛ-5—3// Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряленных частиц: Тезисы докладов I Всесоюзной конференции, ч. Ш. - Томск, 1988. - с. 138-139.

15. Помазенко В.А., Савостиков В.М., Саруев Г.А., Сергеев С.M Опытная установка для ионно-лучевой упрочняющей обработки металлов и сплавов// ПТО. - 1987. - j-js' 9-10. - с. 13-18. ДСП

16. Кричков В.П., Пог.азенко В , Савостиков B.W., Сергеев

C.М. Многоцелевая ионно-плазмеиная установка для поверхностной упрочняющей обработки// Конно-лучевая модификация материалов: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. - Черноголовка, 1987. -с. 49.

17. A.c. I40536I, СССР, МХИ C23CI4/32. Устройство для ионно-плазменной обработки подложек в вакууме / З.А.Помазенхо, Б.М. Савостиков, Ю.А.Глушко, В.А.Пушных, В.П.Кричков, С.М.Сергеев.

18. Савостиков В.М., Помазенко З.А., Сергеев С.М., Рябчиков А.И., Коротаев-А.Д., Табаченко А.Н. Разработка оборудования и

исследования в направлении комбинированного применения ионной имплантации и осавдения покрытий// Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц: Тезисы докладов I Всесоюзной конференции, ч. Г. - Гемок, 1988. - с. 84-85.

19. Афонасов Л.И., Веснсззкий O.K., Подсухин В.Г., Пушных В.Л. Савостикоп В.М. Ионно-плазменное поверхностное упрочнение металлообрабатывающего инструмента для обработки труднообрабатываемых материалов// Межвузовский тематический научный сборник "Оптимизация процессов резания жаро - и особопрочных материалов". - Уфа, 1986. - с. 22-24.

20. A.c. 1385639,СССР, МКИ C23GI4/36. Способ изготовления мишени для ионно-плазмеиного распыления/ В.П.Кричков, В.Г.Под-сухин, В.М.Савостик-в. ДСП

21. Савостиков В.М., Логинов C.B. Вопросы предварительной оптимизации некоторых параметров ионно-лучевой упрочняющей обработки// 111 н/т конференция молодых ученых и специалистов: Тезисы докладов. - Томск, 1986. - с. 9-10. ДСП

22. Савостиков B.W., Логинов C.B. Вопросы предварительной оптимизации параметров ионно-лучевой упрочняющей обработки// н/т сборник "Технология машиностроения". - ГОНТЙ-2, 1989г -Вып. т. - с. 61-67. ДСП

23. A.c. 1547358,СССР, МКИ С23С8/00. Способ поверхностной обработки изделий из стали и сплавов/ В.М.Савоотиков, А.Д.Коро-таев, С.М.Сергеев, И.Ф.Шилов, С.Н.Кекш, В.П.Кричков. ДСП

24. A.c. 1483979,СССР, МКИ C23CI4/48. Способ ионно-дучевой обработки инструмента из сталей и твердых сплавов/ А.Д.Коротаев, Н.И.Афанасьев, Ю.Р.Колобов, В.М.Савостиков, А.О.Савченко, Д.В.Чернова, С.М.Чесноков, А.В.Янчук. ДСП

25. Положительное решение от 09.04.90 г. по заявке на изобретение И 4496736/24-2. Способ упрочняющей обработки поверхности изделий/ Савостиков В.М., Коротаев А.Д., Табаченко А.Н., Баранник В.Л., Помазенко В.А.