Способ ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сплавов

СПОСОБ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ И ИНСТРУМЕНТА ИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ Изобретение относиться к методам поверхностной обработки металлов, в том числе с помощью высококонцентрированных потоков энергии, предназначено для обработки деталей и инструмента с целью повышения их износостойкости и эксплуатационных свойств. Задачей предлагаемого изобретения является получение поверхностно-упрочненных деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, обладающих повышенной износостойкостью рабочей поверхности, а также высокой прочностью и твердостью основы, долговечностью. Поставленная задача достигается тем, что в способе ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, включающем высокотемпературную термическую обработку детали с охлаждением и последующее ее облучение ионами металла или газа,высокотемпературную термическую обработку осуществляют токами высокой частоты с нагревом со скоростью VH=20-500C/c до температуры выше фазовых превращений на 100-150C и быстром охлаждении с критической скоростью. Вегера Иван Иванович, Биленко Эдуард Григорьевич, Гордиенко Анатолий Илларионович, Белый Алексей Владимирович (BY)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФИЗИКОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY) 016700 Изобретение относится к методам поверхностной обработки металлов, в том числе с помощью высококонцентрированных потоков энергии, предназначено для обработки деталей и инструмента с целью повышения их износостойкости и эксплуатационных свойств. Известен способ ионно-лучевой обработки инструмента, заключающийся в облучении рабочей поверхности инструмента мощным ионным пучком [1]. Указанный способ позволяет получать инструмент с высокой износостойкостью поверхности. Однако данный способ не дает возможность получать необходимую твердость и прочность всего изделия,что существенно снижает его ресурс работы. Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ комбинированной обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, включающий высокотемпературную термическую обработку при 400-600C в течение 60 мин с охлаждением на воздухе, очистку поверхности и последующее облучение его ионами металла или газа при ускоряющем напряжении 25-100 кВ и плотности тока 1-20 мА/см 2 [2]. Недостатком этого способа является то, что предварительная высокотемпературная термическая обработка при 400-600C в течение 60 мин с охлаждением на воздухе не позволяет достичь высокого уровня прочности и твердости основы детали и инструмента. Также недостатком является то, что при данной обработке происходят процессы окисления и обезуглероживания поверхности, что в значительной степени ухудшает ее качество и требует применения дополнительных операций шлифовки и полировки перед ионно-лучевой обработкой. Задачей предлагаемого изобретения является получение поверхностно-упрочненных деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, обладающих повышенной износостойкостью рабочей поверхности, а также высокой прочностью и твердостью основы. Поставленная задача достигается тем, что в способе ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, включающем высокотемпературную термическую обработку детали с охлаждением и последующее ее облучение ионами металла или газа, высокотемпературную термическую обработку осуществляют токами высокой частоты с нагревом со скоростью VH=20500C/c до температуры выше фазовых превращений на 100-150C и быстром охлаждении с критической скоростью. Предложенный способ осуществляется следующим образом. Деталь или инструмент из углеродистой или легированной стали подвергают высокотемпературной термической обработке с помощью токов высокой частоты с нагревом со скоростью VH=20-500C/c до температуры выше фазовых превращений на 100-150C на ВЧГ-генераторе с последующим быстрым охлаждением с критической скоростью. Температуру и режимы высокотемпературной термической обработки с помощью токов высокой частоты, а также скорость охлаждения подбирают в зависимости от применяемой марки стали. Так как нагрев осуществляется со скоростью VH=20-500C/c, это приводит к смещению температурного интервала фазовых превращений, поэтому нагрев детали осуществляется до температуры выше фазовых превращений на 100-150C. Для доэвтектоидных сталей рекомендуется выбирать температуру нагрева выше точки Ac3 на 100-150C, а для заэвтектоидных сталей - температуру нагрева выше точки Ac1 на 100-150C. После нагрева осуществляют быстрое охлаждение детали с критической скоростью, в зависимости от марки стали могут применятся различные режимы, скорости и способы охлаждения, которые подбираются экспериментально, исходя из необходимого уровня прочностных свойств детали после охлаждения. Затем для повышения износостойкости и снижения коэффициента трения рабочей поверхности деталей проводят ионно-лучевую обработку ионами металла или газа на установке УВН-2 М. С целью повышения эффективности процесса, снижения продолжительности и энергозатрат ионно-лучевой обработки может осуществляться подогрев облучаемой поверхности обрабатываемой детали до температур 350-550C. Тем самым появляется возможность в одном цикле обработки осуществлять и отпуск предварительно закаленных с помощью токов высокой частоты деталей в интервале температур 350-550C, что позволяет получать оптимальные сочетания физико-механических свойств всей детали. Машиностроительные детали и инструмент в процессе эксплуатации работают в сложных условиях, испытывая при этом износ трением, абразивный износ, механические и ударные нагрузки. В этой связи они должны обладать не только высокой прочностью и пластичностью, но и высоким сопротивлением трению и изнашиванию. Поэтому предлагается способ ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей, позволяющий получать двухслойную структуру с прочным твердым и пластичным основанием детали и износостойкой рабочей поверхностью, в наибольшей степени отвечающей сложным условиям их работы. Получение такой двухслойной структуры может быть достигнуто с применением комбинированных методов обработки, включающих высокочастотную и ионно-лучевую обработку. В частности, для повышения твердости и износостойкости рабочей поверхности применяют ионно-лучевую обработку. При ионно-лучевом воздействии удается получить поверхностно модифицированный слой с микротвердостью 1200-1400 кгс/мм 2 толщиной 5-200 мкм. Помимо твердости в поверхностных слоях наблюдается повышение коррозионной стойкости и других свойств, а также-1 016700 снижение коэффициента трения. Для повышения прочности, твердости, сопротивления ударным и циклическим нагрузкам всей детали или инструмента применяют высокотемпературную термическую обработку с помощью токов высокой частоты с нагревом со скоростью VH=20-500C/c до температуры выше фазовых превращений на 100-150C на ВЧГ-генераторе с последующим быстрым охлаждением с критической скоростью. Предварительная высокотемпературная термическая обработка существенно ускоряет диффузионный массоперенос ионов металла или газа в подповерхностные слои при ионно-лучевом воздействии, что способствует увеличению концентрации имплантированных фаз и толщину модифицированного слоя. Повышенная диффузионная подвижность ионов металла или газа в закаленной с помощью токов высокой частоты стали обусловлена наличием большого количества дефектов кристаллической решетки и разветвленной системы дислокационных малоугловых границ, образовавшихся при мартенситном превращении. Высокая концентрация закалочных дефектов и дислокационных субструктур в кристаллической решетке закаленной стали приводит к интенсивному оттоку имплантируемых атомов вглубь сплава и благоприятствует зарождению там модифицированных частиц. Повышенная подвижность ионов инициируется высокой диффузионной проницаемостью искаженных областей атомной решетки вблизи ядер дислокаций и их скоплений. Также следует отметить, что при высокотемпературной термической обработке с помощью токов высокой частоты не происходят процессы окисления и обезуглероживания поверхности, что исключает применение дополнительных операций шлифовки и полировки перед ионно-лучевой обработкой. Таким образом, сочетание предварительной высокотемпературной термической обработки с помощью токов высокой частоты с последующей ионно-лучевой обработкой позволяет сформировать двухслойную структуру с прочным твердым и пластичным основанием детали и износостойкой рабочей поверхностью. В качестве материалов для реализации предложенного способа были выбраны заготовки ножей роторных косилок из стали 40X. Режущие части ножей с целью их упрочнения подвергали высокочастотной термической обработке на ВЧГ-генераторе в витковом индукторе, включающей нагрев режущей кромки до температуры 870-920C, закалку с охлаждением в воде. Выбор оптимальных режимов нагрева ТВЧ осуществляли исходя из предварительных исследований влияния скорости и температуры нагрева на структуру и свойства стали 40X. Поверхностное упрочнение рабочей поверхности ножей осуществляли с помощью ионно-лучевой обработки на установке УВН-2 М интенсивными пучками ионов азота при температуре образцов 350C. Рабочее давление в камере составляло около 10-3 Па, энергия ионов азота 3 кэВ, плотность ионного тока - 2 мА/см 2. Обработка ионами азота проводилась в течение 2 ч до набора дозы 31019 ион/см 2. В результате проведения сравнительных испытаний было установлено, что ножи претерпели закалку ТВЧ и ионно-лучевую обработку, показали повышенное сопротивление износу, ударным и изгибающим нагрузкам. Способ ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей,обладающих высокой твердостью и износостойкостью рабочей поверхности, а также прочностью и долговечностью, предполагается использовать в машиностроении и инструментальном производстве. Используемая литература 1. Патент России RU 2111264, МПК C21D 1/09, опубл. 20.05.1998 г. 2. Патент России RU 2045582, МПК C23 С 14/48, опубл. 10.10.1995 г. - прототип. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ ионно-лучевой обработки деталей и инструмента из углеродистых и легированных сталей,включающий высокотемпературную термическую обработку детали с охлаждением и последующее ее облучение ионами металла или газа, отличающийся тем, что высокотемпературную термическую обработку осуществляют токами высокой частоты с нагревом со скоростью VH=20-500C/c до температуры выше фазовых превращений на 100-150C, а охлаждение осуществляют с критической скоростью.