×
20.05.2013
216.012.4108

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных сталей. Технический результат - повышение износостойкости и снижение коэффициента трения поверхности детали при трении скольжении. Способ включает имплантацию в поверхность стали ионов меди, а затем ионов свинца. При этом перед имплантацией поверхность детали обрабатывают лазерным лучом, который фокусируют в пятно формой круга с удельной плотностью излучения 260-800 Вт/мм, после чего пятно перемещают по обрабатываемой поверхности со скоростью 25-40 мм/с. 3 ил., 1 табл.
Основные результаты: Способ ионной имплантации поверхности детали из конструкционной стали, включающий имплантацию в поверхность стали ионов меди, а затем ионов свинца, отличающийся тем, что перед имплантацией поверхность детали обрабатывают лазерным лучом, который фокусируют в пятно формой круга с удельной плотностью излучения 260-800 Вт/мм, после чего пятно перемещают по обрабатываемой поверхности со скоростью 25-40 мм/с.

Изобретение относится к области машиностроения, а точнее к способам ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных сталей типа 30ХГСН2А для повышения износостойкости.

Известен способ ионной имплантации ионами меди деталей в виде болтов из конструкционной стали 30ХГСН2А, 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 описанного способа является ограниченное увеличение износостойкости обработанной поверхности деталей. Увеличение дозы имплантирования ионов меди приводит к росту длительности обработки при постоянстве значения усталости обработанной стали и появлению задиров на имплантированной поверхности при испытаниях на износостойкость.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу ионной имплантации является способ, при котором поверхность обрабатываемой детали имплантируют ионами меди с дозой (1-5)·1017 ион/см2, а после имплантирования ионов меди проводят имплантацию ионов свинца, дозу имплантации которого выбирают в интервале (0,2…0,3)·D, где D - доза имплантирования ионами меди (Овчинников В.В., Якутина С.В., Козлов Д.А., Немов А.С. Влияние имплантирования ионов меди и свинца на свойства стали 30ХГСН2А. // Машиностроение и инженерное образование, 2010. №4. С.38-45). Данный способ ионной имплантации конструкционной стали обеспечивает снижение коэффициента трения имплантированных деталей при эксплуатации при комнатной температуре.

Недостаток прототипа заключается в том, что существенно возрастает износ деталей (снижается износостойкость), что затрудняет применение имплантированных сталей в нагруженных парах трения, особенно при длительной эксплуатации под нагрузкой.

Предлагаемый способ ионной имплантации конструкционной стали обеспечивает повышение износостойкости при низком значении коэффициента трения имплантированных деталей при эксплуатации в условиях комнатной температуры под нагрузкой.

Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый способ, обеспечивается тем, что перед имплантацией ионами меди проводят поверхностную лазерную закалку деталей лучом, который фокусируют на обрабатываемой поверхности в круговое пятно с удельной мощностью излучения 260-800 Вт/мм2 и перемещают по ней со скоростью 25-40 мм/с.

Заявляемый способ включает в себя следующую последовательность операций:

- поверхностная лазерная закалка обрабатываемой поверхности деталей лазерным лучом, сфокусированным в круговое пятно с удельной мощностью излучения 260-800 Вт/мм2, и перемещение по ней со скоростью 25-40 мм/с;

- облучение обрабатываемой стали ионами меди с дозой имплантирования D((1-5)·1017 ион/см2);

- облучение обрабатываемой стали ионами свинца с дозой имплантирования в интервале (0,2…0,3)·D, где D - доза имплантирования ионами меди.

Подробнее сущность заявляемого способа поясняется графиками:

- на фиг.1 представлен график распределения микротвердости в поверхностном слое после поверхностной лазерной закалки на различных скоростях перемещения пятна нагрева при удельной мощности излучения 520 Вт/мм2: 1 - 40 мм/с, 2 - 25 мм/с, 3 - 18 мм/с;

- на фиг.2 представлена зависимость относительного удлинения (4), временного сопротивления разрыву (5) и предела текучести (6) от отношения глубины упрочненного слоя к общей рабочей толщине образца из стали 30ХГСН2А;

на фиг.3 - изменение износа имплантированных деталей из стали 30ХГСН2А без поверхностной лазерной закалки (7) и подвергнутых предварительной поверхностной лазерной закалке (8).

Проведение лазерной поверхностной закалки перед ионной имплантацией способствует созданию на поверхности детали слоя с повышенной микротвердостью. На формирование слоя с повышенной микротвердостью большое влияние оказывают параметры фокусирования и перемещения пятна нагрева лазерного луча.

При фокусировании лазерного луча на поверхности обрабатываемой детали в пятно в форме круга с удельной мощностью излучения более 800 Вт/мм наблюдается оплавление поверхности деталей. При оплавлении поверхности в упрочненном слое наблюдаются микротрещины, которые при работе деталей в условиях трения скольжения под нагрузкой приводят к повышенному износу. Для предотвращения оплавления поверхности приходится применять высокие скорости перемещения пятна нагрева (более 100 мм/с), что существенно усложняет технологический процесс обработки и конструкцию применяемой технологической оснастки.

В случае использования пятна нагрева с удельной мощностью излучения менее 260 Вт/мм2 (соответствует диаметру пятна более 4 мм при мощности луча 2,5 кВт) практически полностью устраняется оплавление поверхности деталей во всем диапазоне скоростей перемещения пятна по поверхности. Однако в этом случае для обеспечения требуемой глубины упрочненного слоя необходимо снижать скорость обработки (скорость перемещения пятна нагрева по поверхности деталей), что существенно снижает производительность процесса.

Поэтому оптимальным следует считать диапазон значений удельной мощности в пятне нагрева 260-800 Вт/мм2, который соответствует диаметру пятна нагрева 2-3,5 мм. В данном диапазоне значений удельной мощности полностью предотвращается опасность оплавления поверхности обрабатываемых деталей, но сохраняется возможность осуществления процесса обработки с высокой производительностью.

Помимо удельной мощности в пятне нагрева на значения микротвердости и глубину упрочненного слоя существенное влияние оказывает скорость перемещения пятна нагрева по обрабатываемой поверхности.

Так, при скорости перемещения пятна нагрева менее 25 мм/с наблюдается увеличение глубины упрочненного слоя до 300 мкм (фиг.1). При такой глубине упрочненного слоя наблюдается проявление охрупчивающего действия лазерной обработки на механические свойства стали 30ХГСН2А и, особенно, на ее относительное удлинение (фиг.2).

При скорости перемещения пятна нагрева более 40 мм/с глубина упрочненного слоя не превышает 100 мкм (фиг.1). При такой глубине упрочненного слоя наблюдается рост значения микротвердости в поверхностных областях упрочненного слоя, что приводит к его выкрашиванию при работе деталей в условиях трения скольжения под внешней нагрузкой.

Поэтому оптимальным диапазоном значений скорости перемещения пятна нагрева лазерного луча по поверхности обрабатываемой детали является 25-40 мм/с.

Для оценки влияния заявляемого способа ионной имплантации на износостойкость стали 30ХГСН2А была выполнена имплантация болтов диаметром 12 мм из указанной стали в состоянии после поверхностной лазерной закалки. На болтах определяли величину коэффициента трения скольжения без смазки. Испытания проводились на специальном стенде, обеспечивающем заданное усилие прижатия контртела к поверхности болта и регистрацию момента страгивания болта при вращении в контакте с контртелом.

Для определения предела усталости при изгибе были изготовлены круглые образцы с рабочей частью диаметром 5 мм, которые были имплантированы на одинаковых режимах с болтами.

Помимо механических характеристик стали 30ХГСН2А после лазерной поверхностной закалки и имплантации был определен весовой износ образцов в зависимости от пути трения при нагрузке.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Анализ данных, представленных в таблице 1, показывает, что изменение режимов лазерной обработки (глубина упрочненного слоя) позволяет существенно изменять предел текучести, временное сопротивление разрыву и относительное удлинение материала имеют нелинейную зависимость от отношения глубины упрочненного слоя к общей толщине образца. Для стали 30ХГСН2А охрупчивающее действие лазерной обработки начинает сказываться при отношении более 0,1. Прочностные характеристики возрастают при увеличении отношения глубины упрочненного слоя к толщине образца до 0,3. Таким образом, наибольшая эффективность упрочнения при сохранении достаточной эксплуатационной надежности деталей достигается при значении отношения глубины упрочненного слоя к общей рабочей толщине детали 0,10-0,15.

Такое соотношение достигается при удельной плотности энергии в пятне нагрева 260-800 Вт/мм2 и скорости перемещения пятна по поверхности детали 25-40 мм/с.

При лазерной обработке деталей из стали 30ХГСН2А на указанных выше оптимальных параметрах обеспечиваются после имплантации ионами меди и свинца низкие значения коэффициента трения - 0,07-0,08.

Анализ топологии поверхности болтов после определения коэффициента трения показал, что при глубине упрочненного слоя более 0,15 из-за искажений в структуре поверхностного слоя стали 30ХГСН2А наблюдается выкрашивание поверхности болта.

Испытания на износостойкость показывают, что весовой износ деталей, прошедших до имплантации поверхностную лазерную закалку, при пути трения 30-50 м примерно в 2-2,5 раза меньше, чем у образцов, имплантированных без поверхностной лазерной закалки (фиг.3).

Из представленных результатов испытаний следует, что использование заявляемого способа ионной имплантации обеспечивает повышение износостойкости и снижение коэффициента трения обработанных деталей из стали 30ХГСН2А при их эксплуатации в условиях трения скольжения.

Способ ионной имплантации поверхности детали из конструкционной стали, включающий имплантацию в поверхность стали ионов меди, а затем ионов свинца, отличающийся тем, что перед имплантацией поверхность детали обрабатывают лазерным лучом, который фокусируют в пятно формой круга с удельной плотностью излучения 260-800 Вт/мм, после чего пятно перемещают по обрабатываемой поверхности со скоростью 25-40 мм/с.
СПОСОБ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
СПОСОБ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
СПОСОБ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 16.
20.04.2013
№216.012.35f5

Способ обработки полуфабрикатов из титанового сплава вт6

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам обработки полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6, и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине. Способ обработки полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6 включает отжиг при температуре 850°С с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479366
Дата охранного документа: 20.04.2013
27.07.2013
№216.012.5a56

Система кондиционирования воздуха в купе пассажирского вагона

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха в купе пассажирского вагона, предусматривающим возможность индивидуального управления температурой воздуха в каждом купе пассажирского вагона на каждом посадочном месте пассажира. Система кондиционирования воздуха имеет первую ступень,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488747
Дата охранного документа: 27.07.2013
20.09.2013
№216.012.6aaa

Способ пластического структурообразования металлов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к пластическому структурообразованию металла методом объемной штамповки путем воздействия на заготовку сверхвысокими давлениями с получением интенсивных сдвиговых деформаций, и может быть использовано для получения материалов с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492957
Дата охранного документа: 20.09.2013
27.10.2013
№216.012.7906

Гидравлический пресс для компактирования порошковых материалов

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к гидравлическим прессам, и может быть использовано для компактирования порошковых материалов осадкой с кручением. Гидравлический пресс содержит станину с поперечинами, в одной из которых закреплен гидравлический цилиндр. Поршень...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002496644
Дата охранного документа: 27.10.2013
20.12.2013
№216.012.8d6b

Катод установки для ионной имплантации

Изобретение относится к области получения мощных ионных пучков, а именно к катодам, которые могут быть использованы в установках для ионной имплантации металлов и сплавов, работающих в непрерывном и импульсном режимах. Катод выполнен из сплава меди со свинцом. Свинец содержится в количестве 36...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002501886
Дата охранного документа: 20.12.2013
10.03.2014
№216.012.a9c3

Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов

Изобретение относится к области модификации поверхности металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении при производстве деталей, работающих в условиях трения скольжения. В обрабатываемую поверхность поочередно имплантируют ионы азота и ионы инертного газа. Дозу имплантации ионов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509174
Дата охранного документа: 10.03.2014
10.04.2014
№216.012.b508

Модульная система кондиционирования воздуха пассажирского вагона

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха в купе пассажирского вагона, которая предусматривает возможность индивидуального управления температурой воздуха в каждом купе пассажирского вагона. Сущность изобретения состоит в том, что купейная установка кондиционирования...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002512068
Дата охранного документа: 10.04.2014
20.05.2014
№216.012.c31a

Способ пластического структурообразования металлов и устройство для его осуществления (варианты)

Группа изобретений относится к обработке металлов давлением и предназначена для получения равноосной ультрамелкодисперсной структуры при обработке заготовок из малопластичных материалов, в том числе спеченных порошковых заготовок. Заготовку подвергают закрытой осадке в канале матрицы и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515705
Дата охранного документа: 20.05.2014
20.07.2014
№216.012.dd7d

Способ получения конструкционной алюмооксидной керамики

Изобретение относится к технологии пористых керамических материалов конструкционного назначения и может быть использовано для изготовления изделий, сочетающих высокие показатели по пористости и прочности при невысокой теплопроводности (теплоизоляция, фильтры для очистки жидких и газовых сред,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522487
Дата охранного документа: 20.07.2014
27.09.2014
№216.012.f80c

Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов. Способ включает обработку поверхности деталей из конструкционной стали потоком ионов меди и свинца с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529337
Дата охранного документа: 27.09.2014
Показаны записи 1-10 из 24.
20.04.2013
№216.012.35f5

Способ обработки полуфабрикатов из титанового сплава вт6

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам обработки полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6, и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине. Способ обработки полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6 включает отжиг при температуре 850°С с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479366
Дата охранного документа: 20.04.2013
27.06.2013
№216.012.5188

Преобразователь линейных перемещений в напряжение

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит измерительный мост, состоящий из первого и второго резисторов, датчика линейных перемещений и компенсирующего элемента, а также источник питания, логический элемент 2И, инструментальный усилитель с подключенным к нему...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002486465
Дата охранного документа: 27.06.2013
27.07.2013
№216.012.5a56

Система кондиционирования воздуха в купе пассажирского вагона

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха в купе пассажирского вагона, предусматривающим возможность индивидуального управления температурой воздуха в каждом купе пассажирского вагона на каждом посадочном месте пассажира. Система кондиционирования воздуха имеет первую ступень,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488747
Дата охранного документа: 27.07.2013
20.09.2013
№216.012.6aaa

Способ пластического структурообразования металлов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к пластическому структурообразованию металла методом объемной штамповки путем воздействия на заготовку сверхвысокими давлениями с получением интенсивных сдвиговых деформаций, и может быть использовано для получения материалов с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492957
Дата охранного документа: 20.09.2013
27.10.2013
№216.012.7906

Гидравлический пресс для компактирования порошковых материалов

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к гидравлическим прессам, и может быть использовано для компактирования порошковых материалов осадкой с кручением. Гидравлический пресс содержит станину с поперечинами, в одной из которых закреплен гидравлический цилиндр. Поршень...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002496644
Дата охранного документа: 27.10.2013
20.12.2013
№216.012.8d6b

Катод установки для ионной имплантации

Изобретение относится к области получения мощных ионных пучков, а именно к катодам, которые могут быть использованы в установках для ионной имплантации металлов и сплавов, работающих в непрерывном и импульсном режимах. Катод выполнен из сплава меди со свинцом. Свинец содержится в количестве 36...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002501886
Дата охранного документа: 20.12.2013
10.03.2014
№216.012.a9c3

Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов

Изобретение относится к области модификации поверхности металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении при производстве деталей, работающих в условиях трения скольжения. В обрабатываемую поверхность поочередно имплантируют ионы азота и ионы инертного газа. Дозу имплантации ионов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509174
Дата охранного документа: 10.03.2014
10.04.2014
№216.012.b508

Модульная система кондиционирования воздуха пассажирского вагона

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха в купе пассажирского вагона, которая предусматривает возможность индивидуального управления температурой воздуха в каждом купе пассажирского вагона. Сущность изобретения состоит в том, что купейная установка кондиционирования...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002512068
Дата охранного документа: 10.04.2014
20.05.2014
№216.012.c31a

Способ пластического структурообразования металлов и устройство для его осуществления (варианты)

Группа изобретений относится к обработке металлов давлением и предназначена для получения равноосной ультрамелкодисперсной структуры при обработке заготовок из малопластичных материалов, в том числе спеченных порошковых заготовок. Заготовку подвергают закрытой осадке в канале матрицы и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515705
Дата охранного документа: 20.05.2014
20.07.2014
№216.012.dd7d

Способ получения конструкционной алюмооксидной керамики

Изобретение относится к технологии пористых керамических материалов конструкционного назначения и может быть использовано для изготовления изделий, сочетающих высокие показатели по пористости и прочности при невысокой теплопроводности (теплоизоляция, фильтры для очистки жидких и газовых сред,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522487
Дата охранного документа: 20.07.2014
+ добавить свой РИД