Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время ионная имплантация является одним из эффективнейших технологических методов формирования необходимого элементного состава и структуры поверхностного слоя, которые невозможно получать традиционными металлургическими способами.
Целенаправленно выбирая атомы легирующей примеси и режимы облучения ионной имплантацией (ИИ) и ионно-лучевым смешиванием (ИЛС), можно обеспечить широкую гамму полезных свойств поверхностных слоев материалов. По сравнению с традиционными методами химико-термической обработки ионная имплантация позволяет в десятки раз сократить время и резко понизить температуру обработки, делает возможным селективную обработку отдельных участков детали. Существенным преимуществом метода является отсутствие проблем адгезии между модифицированным слоем и объемом материала, характерных для способов нанесения различного рода покрытий. Ионная имплантация практически не изменяет размер деталей, что позволяет использовать ее в качестве финишной обработки уже готовых металлических изделий.
Эффект воздействия ионной имплантации проявляется в изменении таких свойств, как трение, микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость. При этом изменение свойств наблюдается не только в имплантированном слое, но и в слоях по глубине существенно (в 102104 раз) превышающих длину проективного пробега ионов, достигая величин 4060 мкм.
Легирование металлов и сплавов может быть проведено практически любыми элементами независимо от их взаимной растворимости. Концентрацию имплантируемого элемента можно менять в очень широких пределах. Для достижения желаемого эффекта при ионной имплантации для каждого исходного состава материалов должны быть подобраны оптимальные технологические режимы (энергия, доза ионов) и легирующий элемент, обоснованные рекомендации по выбору которых отсутствуют. Перед ионной имплантацией также необходимо учитывать такой важный фактор, как качество поверхности, поскольку оно оказывает большое влияние на состояние ионно-легированного слоя. Отсюда следует, что правильный подбор имплантируемых ионов и выбор технологических параметров обработки требует детального изучения и является актуальной задачей.
Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование процессов повышения служебных характеристик поверхностных слоев сталей и титановых сплавов, модифицированных методами ионно-лучевой обработки, создание модели трения-износа, позволяющей рассчитать ресурс трущейся поверхности детали от технологического режима ионно-лучевого упрочнения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести экспериментальное исследование влияния режимов ионно-лучевой обработки и типа имплантируемых ионов на механические, физико-химические характеристики поверхностных слоев сталей различного назначения (конструкционные, инструментальные, коррозионностойкие), технического титана и титановых сплавов.
2. Провести анализ кристаллохимических и термодинамических характеристик, наиболее значимых для формирования упрочняющих фаз в поверхностных слоях материалов, имплантированных неметаллическими ионами.
3. Разработать недостающие методики измерения, устройства и оснастку для измерения трибологических и коррозионных характеристик поверхностей материалов, упрочненных методами ионно-лучевой обработки.
4. Исследовать изменения трибологических характеристик поверхностей двухслойных систем сталь 45-олово, Х12М-серебро в зависимости от дозы имплантированных ионов азота.
5. Провести экспериментальное исследование влияния ионно-лучевой обработки на коррозионную стойкость поверхностей стали 12Х18Н10Т, технического титана ВТ1-0 и титановых сплавов ВТ-4 и ВТ-16, используемых в деталях устройств водородной энергетики.
6. На основании результатов экспериментов изучить зависимость трибологических характеристик поверхности материалов от ее качества, разработать модель трения-износа поверхностей сталей и сплавов, упрочненных методами ионно-лучевой обработки.
Научная новизна работы. В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Установлена зависимость степени упрочнения поверхностей нержавеющей стали и титановых сплавов от элементного состава имплантируемых ионов. Показано, что присутствие ионов кислорода при имплантации азота и бора препятствует образованию нитридов и боридов, упрочняющих поверхность материалов.
2. Установлено, что максимальная степень упрочнения и минимальный коэффициент трения при ионно-лучевой обработке достигаются при одной и том же дозе.
3. Выявлены кристаллохимические закономерности образования фаз внедрения, позволяющие сузить зону поиска типа лигатуры и оптимальной концентрации имплантируемого элемента для повышения требуемых характеристик.
4. Показана возможность повышения коррозионной стойкости нержавеющей стали и титановых сплавов, применяемых в водородной энергетики, путем имплантации ионов азота и бора.
5. Разработана модель трения-износа, основанная на понятии удельной энергии разрушения материала, позволяющая рассчитать увеличение ресурса трущейся поверхности детали в зависимости от режима ионно-лучевой обработки.
Практическая значимость работы.
Отработаны режимы ионно-лучевого упрочнения поверхностных слоев широкого класса материалов (конструкционные, инструментальные, коррозионностойкие стали, титановые сплавы), позволяющие реализовать в исследуемых материалах максимум полезных механических и физико-химических свойств.
Разработаны и апробированы методики измерения трибологических и коррозионных характеристик обрабатываемых поверхностей.
Разработана модель трения-износа в условиях абразивного сухого истирания поверхностей сталей и сплавов, упрочненных методом ИИ и ИЛС.
Реализация и внедрение результатов работы.
Эффективность применения ионно-лучевой обработки расширителей концов медных трубок демонстрировалась на заводе «Стинол» (г. Липецк). Было показано увеличение ресурса работы инструмента в 4 раза. Разработки по повышению коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Т, технического титана и титановых сплавов методом ИИ предполагается применить при производстве коррозионно-стойких биполярных пластин в водородных топливных батареях на предприятиях Компания «МЭТИС» филиал ФГУП «Красная Звезда» и в Центре Келдыша.
Разработанный комплекс методов тестирования результатов ИИ и ИЛС используется на предприятиях Компания «МЭТИС» филиал ФГУП «Красная Звезда» и в Центре Келдыша, а также в учебном процессе ЛГТУ.
Апробация работы. Топливные элементы с поверхностно упрочненными ионно-лучевой обработкой биполярными пластинами из стали 12Х18Н10Т и титановых сплавов экспонировались на выставке «Водородные альтернативные технологии для производства энергии», Правительство Москвы, МКНТ (Москва, 2006 г.) и Ганноверской промышленной ярмарке (Ганновер, 2007 г., Германия).
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции по инженерно-техническому обеспечению АПК и машинно-технологических станций в условиях реформирования (Орел, 2000 г.); 8, 9, 12 и 14-ой научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов по вакуумной науке и технике (Судак, 2001 г., 2002 г., 2005 г.; Сочи, 2007 г.), Всемирном водородном форуме (Москва, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в журналах из действующего Перечня периодических журналов, рекомендованных ВАК и 1 статья в журнале из предыдущего Перечня. Восемь работ опубликовано в сборниках трудов отечественных и международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 109 наименований и приложения. Работа изложена на 125 страницах, содержит 40 рисунков и 14 таблиц.
