Модифицирование поверхности деталей из стали 38Х2МЮА имплантацией ионов Mo, Y, Sc, Gd

Таблица 2

Представленные данные находятся в хорошей корреляции между собой и результатами исследования изменения микрогеометрии поверхности. Увеличение толщины адсорбированного слоя влаги всегда соответствует увеличению максимальной силы адгезии. Отклонение от этой закономерности наблюдается только в одном образце и, вероятно, связано с возникновением второй моды колебаний в кантилевере. Незначительное влияние имплантации иттрия на образец, предварительно имплантированный молибденом, может быть объяснено формированием в поверхностных слоях интерметаллидных, карбидных и силицидных фаз.

Непосредственно увеличивают износостойкость прецизионных пар микронапряжения сжатия, возникающие при обработке. Исследование микронапряжений второго рода осуществляли методом рентгеноструктурного анализа на  дифрактометре "ДРОН-3М" по уширению дифракционных пиков. Результаты представлены в таблице 3. Отсутствие изменения микронапряжений и силы адгезионного взаимодействия при имплантации Y в образец, предварительно имплантированный Mo, косвенно свидетельствует об образовании стабильной упрочняющей фазы, содержащей Mo.

Таблица 3

С целью определения глубины модифицированных слоев исследована зависимость микротвердости образцов по глубине. Измерения были выполнены на микротвердомере модели “ПМТ-3М” вдавливанием алмазной пирамиды при переменной нагрузке.  Микротвердость определяли по шкале Виккерса, глубину анализируемого слоя оценивали как (d- средняя длина диагонали отпечатка в микрометрах). Ниже представлены полученные зависимости для исходного образца (рис. 7), образцов имплантированных молибденом (рис. 8), иттрием и образца (рис. 9), прошедшего комплексную обработку ионами обоих типов (рис. 10).

.                                                   

Физические свойства исходного и имплантированных образцов сравниваются на глубине 6 мкм, которую можно принять за глубину модифицированного слоя.  Наиболее положительное воздействие оказала имплантация ионов молибдена, позволившая достичь величины микротвердости, близкого к значениям, получаемым при азотировании. Уменьшение микротвердости  в результате имплантации ионами обоих химических элементов (рис. 10) связано с отрицательно сказавшимся накоплением радиационных дефектов. Зафиксированное явление подчеркивает важность правильного выбора технологических параметров обработки.

В четвертой главе анализируются результаты, полученные автором, а также результаты, полученные в данной области  отечественными и зарубежными исследователями. Проанализированы роли энергетического диапазона и температурного режима, сорта имплантируемых атомов, дозы имплантируемых частиц. Проведено сравнение  характеристик имплантеров непрерывного действия и частотно-импульсных дуговых источников. Рекомендуется использовать источники импульсно-дугового типа взамен источников непрерывного действия, что позволяет улучшить чистоту пучка ионов, повысить энергию имплантируемых частиц при одинаковом ускоряющем напряжении, полный фокусируемый ток, экономичность источника, первеанс пучка.

Выводы по работе

1.     Показано, что при ионной имплантации наряду с радиационно-стимулированной диффузией точечных дефектов и образованием дислокационных петель существенную роль играют механизмы упрочнения приповерхностного слоя после ионной имплантации, связанные с формированием интерметаллических соединений, карбидов и силицидов.

2.     Установлено увеличение силы адгезии на 115 – 120 % в случае имплантации иттрия и скандия, а в случае молибдена – на 16 %, что обусловлено повышенной генерацией точечных дефектов в поверхностном слое стали ионами редкоземельных металлов.

3.     Анализ поперечных и продольных профилограмм имплантированных образцов подтвердил уменьшение параметров шероховатости Ra, Rz и увеличение радиуса кривизны микровыступов в интервале энергий, рекомендуемом для финишной обработки, вследствие преимущественного распыления микропиков. Превышение рекомендуемого диапазона энергий ухудшает микрорельеф поверхности вследствие кратерообразования. 

4.     Микронапряжения в поверхностном слое стали 38Х2МЮА при имплантации молибдена и иттрия увеличиваются в 1,5 – 2,0 раза, что обусловленное наличием имплантированных атомов в узлах решеток внедрения и замещения. 

5.     На основе модели центрального атома предложена новая методика расчета фактора вырождения  и свободной энергии сплава учитывающая возможные комбинации разных сортов атомов и изменение энергии химического взаимодействия, с целью выявления возможности образования новых фаз в простейших сплавах после обработки концентрированными потоками энергии.

6.     Разработаны рекомендации по финишной обработке рабочих поверхностей плунжерных пар с целью повышения их эксплуатационных характеристик (приняты к внедрению в ОАО “Омское машиностроительное конструкторское бюро”):

      Для финишной обработки рабочих поверхностей деталей из стали 38Х2МЮА рекомендуются Mo, Ti, W, участвующие в разных механизмах упрочнения. В частности, при имплантации молибдена микротвердость достигает значения 870 HV.

      Имплантацию рекомендуется проводить в энергетическом диапазоне 70-80 кэВ при использовании источников непрерывного действия и в диапазоне 70-110 кэВ при использовании частотно-дуговых источников. Указанные диапазоны энергии обеспечивают глубину упрочненного слоя до 6 мкм и способствуют формированию благоприятного микрорельефа поверхности.

      Для повышения коррозионной стойкости возможно применение комплексного подхода, заключающегося в предварительном нанесении обладающих высокой коррозионной стойкостью редкоземельных элементов (Sc, Y, Gd) методом ионно-плазменного напыления с последующей имплантацией для увеличения адгезионной связи с материалом основы и увеличением твердости.

Список публикаций по теме диссертации

3