автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка комбинированных методов импульсной лазерно-магнитной и ионно-лучевой обработки поверхности деталей и инструмента

На правах рукописи

Тихонов Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ИМПУЛЬСНОИ ЛАЗЕРНО-МАГНИТНОЙ И ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ И ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва —2014

005556065

005556065

Работа выполнена на кафедре «Технология производства приборов и информационных систем управления летательных аппаратов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Крит Борис Львович, доктор технических наук, доцент

Овчинников Виктор Васильевич, доктор технических наук, доцент, ОАО «РСК «МиГ», главный специалист по сварке и материаловедению

Сомов Олег Васильевич, кандидат технических наук, заместитель Генерального директора ОАО «Полигон МТ»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «СТАНКИН»

МГТУ

Защита состоится « »

2014 года в_часов_минут на

заседании диссертационного совета Д 212.129.01 федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет» (ФГБОУ ВПО «МГИУ») по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д. 16, ауд. 1804.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГИУ» и на сайте www.msiu.ru.

Автореферат разослан «_»_2014 года и размещен на сайте www.msiu.ru.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.129.01 ^^ Н.С. Вольская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ионно-лучевая и лазерно-магнитная модификация (ИЛМ и ЛММ, соответственно) позволяют решать целый ряд проблем машиностроения, приборостроения и авиастроения за счет целенаправленного изменения свойств поверхностных слоев режущего и измерительного инструмента, деталей приборов и машин, элементов технологической оснастки путем упрочнения и легирования, позволяя повысить их стойкость и долговечность, сократить длительность производственного цикла, уменьшить количество подготовительных операций и использовать стандартное оборудование.

Комбинированный метод лазерно-магнитной обработки, основанный на синергетическом воздействии лазерного излучения и магнитного поля, позволяет решать многие технологические задачи, которые невозможно выполнить на базе существующих технологий. Присутствие магнитного поля при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью детали оказывает существенное влияние на развитие термо-, газо-и гидродинамических процессов, приводит к изменению тепло- и мас-сопереноса в зоне действия лазерного излучения, характера истечения продуктов световой эрозии, сдвигу температуры и скорости фазовых переходов в материалах, локальному нагреву областей сосредоточения неоднородностей, сжатию и замагничиванию светоэрозионной плазмы. Данные особенности открывают широкие возможности по интенсификации лазерных технологических процессов в области размерной обработки, упрочнения и легирования.

При ионно-лучевой модификации на поверхность детали и инструмента воздействуют потоком высокоэнергетических ионов, вызывающих изменение элементного состава (легирование), структурного и фазового состояния приповерхностных слоев. С помощью этого метода удается направленно изменять такие свойства материалов, как микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость, а также ряд специальных характеристик.

Для ИЛМ широкое распространение получили бессепарационные технологические имплантеры с вакуумно-дуговыми импульсными ионными источниками металлов типа MEWA (metal vapor vaccuum arc), обладающие высокой производительностью. Данные источники имеют сложный состав ионного пучка как по зарядности ионов, так и их энергиям. Поскольку энергия однозарядных ионов определяется ускоряющим напряжением, а энергии многозарядных ионов являются кратными энергии однозарядных, подобная технология ионной имплантации явля-

ется полиэнергетической. Это обстоятельство затрудняет как контроль флюенса облучения, так и прогнозирование концентрационного профиля элементов, имплантированных в процессе обработки, и определяет необходимость теоретического и экспериментального изучения процесса полиэнергетической ионной имплантации с анализом полученных результатов в рамках существующих представлений модификации поверхности высокоэнергетическими потоками.

Широкая номенклатура изделий инструментальной промышленности и машиностроения требует создания новых ресурсосберегающих технологических процессов, повышающих свойства поверхности изделий и их долговечность. В этой связи раскрытие физической сущности процессов, происходящих в поверхностном слое деталей и инструментов при воздействии импульсными лазерными и ионными пучками, управление этими процессами, а также создание на их базе новых, в том числе, комбинированных технологий актуальны не только в теоретическом, но и в прикладном аспектах.

Цель работы. Разработка и исследование физико-технологических основ импульсных процессов лазерно-магнитной и ионно-лучевой обработки поверхности деталей и инструмента для разработки ресурсосберегающих комбинированных технологий, способствующих повышению эксплуатационных характеристик обрабатываемых объектов и обеспечивающих экономию стратегических материалов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования влияния внешнего магнитного поля на светоэрозионный поток при взаимодействии лазерного излучения с обрабатываемой поверхностью детали (соответствует п.2 и п.З паспорта специальности).

2. Методика прогнозирования профиля распределения внедренной примеси при полиэнергетической ионной имплантации для использования в технологическом процессе и написание программы для ЭВМ, позволяющей оптимизировать процесс ИЛМ (соответствует п.1, п.2 и п.З паспорта специальности).

3. Результаты исследования влияния основных технологических факторов импульсной полиэнергетической ионной имплантации на распределение внедренной примеси в поверхностном слое изделия (соответствует п.2 паспорта специальности).

4. Результаты физико-механических и коррозионных испытаний поверхностных слоев стальных деталей и инструмента, модифицированных методами ЛММ и ИЛМ (соответствует п.З паспорта специально-

сти.)

5. Разработка основ нового способа комбинированной ионно-лучевой и лазерной модификации поверхности (соответствует п.6 паспорта специальности).

Оборудование и методы исследования. ИЛМ образцов и деталей проводили на экспериментальной установке МАТИ, ЛММ на установках «Квант-12», «Квант-18», ГОС-ЗОМ, для формирования магнитного поля использовался источник тока «Полюс-600». Исследование процессов взаимодействия лазерного излучения и внешнего магнитного поля с материалами проводили с помощью скоростного фоторегистратора (СФР) в режимах кадрированной съемки, фотохронографа и спектро-хронографа. Разработаны методики исследований и испытательные стенды для изучения прозрачности и яркостной температуры светоэро-зионного факела, образованного лазерным излучением и магнитным полем. Микроструктуру поверхности материалов изучали с использованием растровых электронных микроскопов САМЕВАХ, Л8М-350Б, оптического микроскопа КЕОРНОТ. Структурный и фазовый состав исследовали рентгеновским дифрактометром ДРОН-З.ОМ. Измерение микротвердости проводились на приборах ПМТ-ЗМ и МЕТАЬРЬАК фирмы ЬЕ1Т2, испытание образцов на растяжение - на разрывной машине фирмы ВДБТЯОК, испытания на износостойкость проводились на машинах трения УМТ-2168 и "АРС1-613.10" фирмы УЕВ. Исследования на электрохимическую коррозию проводились с применением потен-циостата ЕР-20А. Измерение концентрационных профилей имплантируемых элементов проводили методом спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия на ускорителе ЭГ-8 НИИЯФ МГУ.

Научная новизна.

1. Впервые установлен характер влияния постоянного магнитного поля на светоэрозионный факел, образующийся при лазерном термоупрочнении сталей и изменяющий структуру и глубину упрочненного поверхностного слоя деталей и инструментов.

2. Впервые определены закономерности формирования вида концентрационного профиля распределения внедренной примеси при полиэнергетической высокодозной ионной имплантации с использованием импульсного вакуумно-дугового ионного источника.

3. Впервые разработан алгоритм прогнозирования профиля распределения внедренной примеси в поверхностный слой детали при высокодозной полиэнергетической ионной имплантации для использова-

ния в технологическом процессе и написана соответствующая компьютерная программа.

4. Сформулированы основные технологические принципы нового способа комбинированной ионно-лучевой и лазерной модификации поверхности. Экспериментально показана перспективность развития данного направления для обработки рабочих поверхностей деталей и инструментов.

Практическая ценность. Разработанные технологии ЛММ и ИЛМ пригодны для упрочнения широкого круга режущего инструмента (резцов, сверл, фрез, разверток и т.д.); измерительного инструмента (калибры, лекала, нутромеры); деталей приборов и агрегатов, работающих в агрессивных средах и в условиях трения (подшипники, валы, оси, шестерни и т.д.), изготовленных из сталей марок: ст.45, ЗОХГСА, Р9, 20X13, 40X13, У8, У10, ШХ15.

Результаты работы использованы в производственном процессе ООО «Сталь ФМ» (обработка рабочих кромок вращающихся теплопри-ёмников установок ЭВКР), ЗАО «Имплант-МТ» (обработка специального мединструмента), ОАО «РСК «МИГ» (обработка деталей и инструмента).

Достоверность результатов. Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается применением современных методов исследований, исследовательской и контрольно-измерительной техники, объемом проведенных экспериментов, согласованностью теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на ежегодных научно-технических конференциях МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского "Гагаринские чтения" Москва 1995-2013 г.г.; на Второй международной конференции МР8Ь'96 г. Сумы, 1996; на II региональной научно-практической конференции г. Новомосковск 1997г.; на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" Москва 1997-2012 г.г.; на международных научных конференциях "Взаимодействие ионов с поверхностью", 1999г.,2004г.; на 12-ой Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» Москва, 2013 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 30 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-и глав, заключения, списка литературы из 105 наименований и 3 приложений; содержит 155 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 91 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, определяется область применения результатов, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрена сущность методов ионной-лучевой и лазерно-магнитной модификации (ИЛМ и JIMM, соответственно) поверхности деталей и инструмента; показаны основные преимущества и недостатки ионной имплантации; дана классификация основных схем JIMM, обоснована возможность создания лазерно-магнитных технологий, исходя из конструктивно-технологического анализа объектов производства.

Показано, что использование JIMM при модификации поверхностных слоев стальных изделий позволяет достичь более глубоких структурно-фазовых изменений в сталях по сравнению с лазерным и магнитным воздействием: увеличить зоны этих изменений, повысить физико-механические характеристики сталей (микротвердость, пластичность, износостойкость). Анализ научных работ в области лазерно-магнитных технологий показал, что в основе JIMM лежат сложные недостаточно исследованные процессы, влияющие на структурно-фазовые изменения поверхностных слоев сталей и изменяющих их физико-механические характеристики.

ИЛМ - высокоэффективный физический метод технологической обработки, основанный на взаимодействии управляемых потоков высокоэнергетических ионов с поверхностью твердого тела для направленного изменения его свойств, связанных с атомной структурой.

При ионной имплантации концентрационный профиль примеси может существенно изменяться за счет таких процессов, как распыления мишени, радиационно-ускоренной диффузии и сегрегации, ионного перемешивания. Однако обстоятельное теоретическое описание распределения внедренных атомов затруднено, т.к. наблюдается сложное взаимодействие отмеченных выше факторов, влияние динамики атомных столкновений, кинетики накопления радиационных дефектов на пространственное перераспределение примеси, а также специфических свойств, присущих твердым телам. Поэтому, для определения концентрации внедренной примеси в материал при полиэнергетической ион-

ной имплантации с использованием импульсного вакуумно-дугового ионного источника, требуется системное экспериментальное изучение закономерностей формирования поверхностного слоя материала с анализом полученных результатов в рамках современных представлений о модификации поверхности высокоэнергетическими потоками.

Во второй главе рассмотрены вопросы влияния внешнего магнитного поля на светоэрозионный факел, образованный взаимодействием лазерного излучения с поверхностью образцов из стали ЗОХГСА. Методами скоростной фотохронографии и спектроскопии проведено исследование влияния магнитного поля на динамику развития лазерного факела; с использованием оригинальных методик и экспериментальных установок исследована прозрачность и яркостная температура светоэро-зионного потока, образованным взаимодействием лазерного излучения с поверхностью стальной мишени в присутствии постоянного магнитного поля.

С помощью скоростной фоторегистрации исследован характер истечения светоэрозионного факела при воздействии магнитного поля на зону обработки, косвенно оценены газодинамические процессы, происходящие в зоне облучения. Анализ СФР-грамм показал, что наложение внешнего магнитного поля на зону обработки изменяет динамику процесса истечения, происходит изменение скорости истечения факела во фронтальном и радиальном направлениях. Фронтальная скорость факела при отсутствии поля выше, чем в случае действия поля, при этом характер изменения скорости истечения во время развития лазерного импульса резко отличается при действии поля и без поля. При отсутствии поля факел интенсивно развивается в первой половине лазерного импульса, а затем стабилизируется. В случае наложения магнитного поля, светоэрозионный факел развивается на протяжении всей длительности лазерного импульса, но с меньшей интенсивностью.

Воздействие внешнего магнитного поля на жидкую фазу в зоне расплава позволяет решить три задачи: управлять геометрическими параметрами и скоростью роста ванны расплава; интенсифицировать процесс перемешивания жидкого металла в зоне облучения; воздействовать на структурно-фазовые характеристики материала при его затвердевании.

Как показали исследования, проведенные с применением скоростной фотохронографии, внешнее магнитное поле оказывает существенное влияние на формообразование ванны расплава и ее рост во времени. При действии поля увеличивается скорость роста глубины ванны рас-

плава, меняется ее форма и объем. Процесс протекает более стабильно, диаметр ванны уменьшается, возрастает ее глубина. Степень данных изменений обуславливается энергетическими параметрами лазерного излучения и магнитного поля. Помимо этого, магнитное поле оказывает влияние на термокапиллярные процессы, протекающие в зоне облучения и вызывающие перемешивание жидкого металла. Данные процессы имеют большое значение для таких технологий, как лазерная сварка и легирование [1].

Оценка экранирующих свойств светоэрозионного факела в продольном магнитном поле и без него, проводились путем сопоставления осциллограмм импульсов излучения, падающего на мишень и прошедшего сквозь светоэрозионный факел (рис.1). Светоэрозионный поток в продольном магнитном поле прозрачен только в первые 1,0-1,2 мс, после чего на всех режимах происходит отсечка зондирующего излучения, длительностью 1,5 мс. Присутствие постоянного магнитного поля, приводит еще большему усилению эффекта экранировки лазерного излучения.

Длительность импульса, мс

Рисунок 1 - Осциллограммы сигналов лазерного излучения, прошедших сквозь светоэрозионный факел, при §=3 108 Вт/см2

В процессе исследований выявлены зависимости яркостной температуры светоэрозионного факела от индукции внешнего магнитного поля и энергии излучения лазера. Показано, что при изменении индукции

магнитного поля от 0 до 250 мТл, яркостная температура факела увеличивается на 25-35%.

Проведенные исследования показали, что присутствие магнитного поля существенно влияет на динамику процесса развития светоэрозион-ного факела, образованной при взаимодействии лазерного излучения с материалом, и приводит к дополнительному нагреву поверхностного слоя материала.

В третьей главе представлены результаты распределения концентрационных профилей элементов, имплантированных в графит, на экспериментальной установке с импульсным вакуумно-дуговым ионным источником. Полученные данные сопоставлены с расчетами концентрационных профилей в рамках разработанной модели полиэнергетической высокодозной ионной имплантации. Разработана методика измерения дозы облучения при полиэнергетической ионной имплантации на им-плантере с импульсным вакуумно-дуговым ионным источником металлов. Условия облучения образцов из графита МПГ-6, выбранного в качестве образцов - свидетелей имплантации ионов металлов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры ионной имплантации, где Qcp - средний заряд ионов пучка; UyCK - ускоряющее напряжение; F - флюенс облучения; D - расчетная доза имплантации; Dp - доза имплантации, измеренная спектрометрией POP; S - расчетный коэффициент распыления

Катод Концентрация ионов в пучке, 1+, 2+, 3+, 4+, 5+ % Qcp UyCKi кВ F, 1017 ион см "2 D, 1017 атом ■ см "2 S Dp, Ю17^ атом см ~~

Ti 11, 75, 14 2,1 35 6,0 1,7 1,55 3,0

А1 38, 51, 11 1,7 35 0,4 0,73 0,67 0,4

Nb 1, 24, 51, 22, 2 3,0 35 3,0 0,39 3,24 1,34

Си 16, 63,20,1 2,0 35 0,6 0,6 0,99 0,59

Сг 10,68,21, 1 2,1 35 4,2 2,5 1,75 3,0

РЬ 36, 64 1,6 20 0,3 0,2 3,07 0,24

Дозиметрия ионного облучения образцов производится с помощью цилиндра Фарадея и интегратора тока, преобразующий заряд в частоту следования импульсов, суммируемых затем пересчетным прибором.

Для расчета флюенса облучения Б=к 1/<Зср (к - постоянная преобразования интегратора; I - показание пересчетного прибора; рср - средний заряд ионов пучка) использовали данные о зарядовом составе ионных

пучков, генерируемых вакуумно-дуговыми ионными источниками типа MEVVA [2].

Измерение концентрационных профилей имплантируемых элементов проводили методом спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния (POP) ионов 4Не+ энергии 1,9 МэВ. Для обработки спектров POP и определения интегральной дозы имплантации Dp использовали программу NBS [3].

Типичный спектр POP приведен на рисунке 2. Установлено, что кроме элементов материала катода вакуумно-дугового ионного источника, в образцах, облученных ионами титана и ниобия, присутствуют примеси, связанные с распылением деталей ионного источника, изготовленных из вольфрама, молибдена и алюминия (рис. 2).

100 200 300 400 500

Номеп канала

Рисунок 2 - Спектр POP для графита, облученного ионами титана

Полученные в настоящей работе данные полиэнерегетической вы-сокодозной имплантации рассмотрены в рамках математической модели высокодозной ионной имплантации, в которой учитывается только распыление мишени ионной бомбардировкой.

При полиэнергетической имплантации, когда энергия ионов определяется их зарядом q=l,2,3,.., парциальные концентрационные профили ионов в мишени Nq(x) могут быть описаны в виде [4]:

N (x)_Ao-"4erf{X+*oS Rq)-erf( X~Rq )] > гДе: концентрация ато-Ч 25" ' ,/2 ARq ' 42 ■ ARC/

мов мишени; nq - относительная концентрация ионов с зарядом q в пучке; Rq и ARq - соответственно проективный пробег и среднеквадратич-

ный разброс проективного пробега ионов с зарядом ц; Р - флюенс имплантации. Коэффициент распыления при полиэнергетическом ионном

п

облучении: 5 = Х^Л > гДе $? " коэффициент распыления мишени ионами

с зарядом ц. Значения Зц рассчитывали с помощью программ БЮМ.

Суммарный концентрационный профиль имплантированных атомов: Щх) = ¿N,0).Интегральная доза имплантации:ц =ш(х)<Ьс-

Пример расчетов парциальных и суммарного концентрационных профилей приведен на рисунке 3. Видно, что суммарный концентраци-

500 1000

Глубина, 1013 ат/см2

1500

Рисунок 3 - Измеренный (POP) и расчетные концентрационные профили меди, имплантированной в графит: □ - парциальный профиль ионов с зарядом + 1; О - +2; V - +3; сплошная линия - суммарный концентрационный профиль; ■ - данные спектрометрии POP

онный профиль существенно определяется зарядовым составом ионного пучка. Удовлетворительное согласие полученных экспериментально данных с расчетами как в отношении концентрационных профилей, так и интегральной дозы имплантации свидетельствует о возможности использования данной модели для прогнозирования концентрационного профиля при ИЛМ с использованием бессепарационных технологических имплантеров с импульсными вакуумно-дуговыми ионными источниками.

В четвертой главе рассмотрены процессы, связанные с упрочнением поверхностных слоев образцов из сталей ЛММ и ИЛМ. Исследова-

ние J1MM проводилось в сравнении с лазерным упрочнением (ЛУ). Показано, что ЛММ, как и ЛУ, может осуществляться с оплавлением поверхности и без оплавления. При лазерно-магнитном упрочнении с оплавлением конечная структура формируется на стадии охлаждения расплава в присутствии постоянного магнитного поля.

В зависимости от параметров лазерного изучения и магнитного поля изменяется размер и форма зерна, по иному происходит процесс образования фаз и формирование структурных составляющих при кристаллизации, и соответственно изменяются физико-механические характеристики обрабатываемых материалов.

Для определения степени влияния магнитного поля на структурные изменения в материалах при ЛММ были выбраны стали, широко применяемые в машиностроении: сталь 45, ЗОХГСА, Р9, У8. Исследованиями установлено, что при ЛММ, по сравнению с ЛУ, наблюдается рост зоны термического влияния (в некоторых случаях в 1,5 раза), происходит перераспределение протяженностей областей с различными структурно-фазовыми изменениями в пределах этой зоны и уменьшение размера зерна.

Результаты измерения микротвердости стали ЗОХГСА показали, микротвердость поверхности стали после ЛММ по сравнению с исходной, повышается в 2-4 раза, в зависимости от режима обработки. Установлено, что протяженность зоны термического влияния при ЛММ выше, чем после обычной лазерной закалки, что может быть использовано при решении различных конструкторско-технологических задач при изготовлении деталей машин [8].

Испытания образцов из сталей ЗОХГСА, ст.45, У8, Р9 на разрыв показали, что относительное удлинение возрастает по сравнению с лазерной обработкой и изменяется в зависимости от параметров магнитного поля.

Анализ фрактограмм изломов образцов показывает, что при ЛММ в отличие от ЛУ имеет место вязкий излом при разделении металла по телу зерен путем слияния микропустот.

Проведенные испытания упрочненных сталей ЗОХГСА; У10; Х12; ХВГ; 9ХС; Р18 после лазерно-магнитного упрочнения на износ позволили установить повышенную износостойкость всех образцов, прошедших JTMM, по сравнению с лазерным упрочнением.

Проведены исследования влияния импульсной полиэнергетической ионной имплантации на свойства поверхности сталей 20X13,

40X13, 45, У8. Исследовались такие свойства поверхности как микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость.

Измерение микротвердости проводились на микротвердомере ПМТ-ЗМ с алмазным наконечником Виккерса. Значения микротвердости и параметры ионной имплантации для сталей 40X13, ст.45, У8 представлены в таблице 2.

Глубина проникновения ионов в стали составляет в среднем ~ 0,10,2 мкм, а увеличение микротвердости наблюдается в слое (~2 мкм), что на порядок превышает пробег ионов в мишени. Такое изменение микротвердости на большой глубине может быть следствием радиационно-стимулированной диффузии точечных дефектов и образования дислокационных петель, которые вызывают искажение решетки и упрочняют материал. Поток междоузельных атомов вглубь образца может вызвать переползание дислокаций [5]. Таким образом, радиационные дефекты и упругие напряжения могут проникать на значительно большие глубины, чем пробег ионов, оказывая существенное влияние на свойства поверхностного слоев.

Таблица 2 - Результаты измерения микротвердости сталей и параметры ион-

ной имплантации

№ Ион иу„, кВ Р, ион/см2 Время облучения, мин Микротвердость, Ну

40X13 Ст. 45 У8

1 - - - - 301±4 105+4 104±3

2 Си 35 5,8 1016 110 380±5 126±3 151±3

3 РЬ 20 3 1016 52 393+6 113±3 15416

4 А1 35 41016 70 389±5 123±5 129±4

5 Т1 35 210" 135 537+10 159+6 18315

6 ЫЬ 35 310" 162 546+9 158±5 17516

Испытания на износостойкость образцов из стали 20X13, обработанной ионами титана, свинца, углерода, ниобия с разным флюенсом облучения, проводились на универсальной машине трения УМТ 2168 при силе прижима образцов к контртелу 200 Н и частоте вращения контртела 250 мин"1. На рисунке 4 представлена зависимость величины износа (мг) и толщины удаленного слоя (мкм) от пути трения (а) и гистограммы относительного весового износа (б).

Уменьшение угла наклона прямых, свидетельствует о повышении износостойкости поверхности материала. Экспериментальные данные

показали, что ионная имплантация повышает износостойкость стали 20X13 при обработке ее различными сортами ионов с различным флюенсом облучения и энергиями ионов. Наибольший эффект по повышению износостойкости стали 20X13 дала ионная обработка ниобием (рис.4.).

Для определения коррозионной стойкости исходных и имплантированных образцов из сталей У8, ст.45, 40X13 (параметры ионной имплантации и сортамент имплантированных атомов соответствуют представленным в таблице 2) использована стандартная методика электрохимическая коррозионных испытаний. Ионная обработка стали 45 существенно ускоряет катодные процессы, т.е. происходит восстановление металла и, соответственно, увеличивается его коррозионная стойкость. Для стали У8 происходит незначительная анодная поляризация, снижающая коррозионный ток электрохимического процесса. Так как сталь 40X13 является коррозионностойкой, то ионная имплантация существенного изменения на ее стойкость не оказала, хотя наблюдается ускорение восстановительных процессов и поляризация анодных.

16 М>'* - 20X13 12 100

14 ш ■ исх л 10 ч во

12 • МЪ §

„10 ■ 8 а

■ | 60

\ 8 X ■ * • ■ • 1 £

= 6 • Л "1 40

4 ■ • £

2 20

2 ■ •

. . • • V

0

20 40 60 0 0

Путь, м

а)

■

100%

б)

Рисунок 4 - Износостойкость (а) и относительный весовой износ (б) стали 20X13 после ионной обработки ионами ниобия с флюенсом облучения 5 1016 см"3 при ускоряющем напряжении 35 кВ

Набольшее влияние на коррозионную стойкость сталей дала имплантация ионами N5 с флюенсом облучения 3 1017 см"2, для сталей 45 и 40X13 ток коррозии снизился более чем в 2 раза, для У8 - в 1,2 раза. Вероятно, это связано с образованием химически стойкой защитной оксидной пленки.

В пятой главе разработаны основы нового способа комбинированной ионно-лучевой и лазерной модификации поверхности, рассмотрены примеры практического применения лазерно-магнитной и ионно-лучевой модификации. Представлены результаты внедрения разработанных технологических методов поверхностной обработки инструмента и деталей: ООО «Сталь ФМ» (обработаны рабочие кромки вращающихся теплоприёмников установок ЭВКР, установлено повышение износостойкости в 3-4 раза); ЗАО «Имплант-МТ» - обработка специального мединструмента, повысилась стойкость фрез на 30%, ресурс работы свёрл увеличился в 1,7 раза; ОАО «РСК «МИГ» - ЛММ лезвийного режущего инструмента повысила износостойкость сверл 15-30 %, ионно-лучевая модификация ионами титана поверхности осей из стали 45, работающих в условиях ограниченной смазки, позволили снизить их износ на 20 %.

Проведенные предварительные эксперименты по модификации поверхности сталей с использованием комбинированного воздействия ионных и лазерных пучков, показали повышение микротвердости в несколько раз. При совместном воздействии ионной бомбардировки ионами титана и последующей лазерной обработки микротвердость стали 45 по сравнению с исходной увеличилась в 5,8 раз, стали У8 в 5,7 раз, стали 40X13 в 2,3 раза.

Лазерно-магнитный метод является основой для таких технологических процессов как лазерно-магнитное упрочнение, лазерно-магнитное легирование и напыление, лазерно-магнитная резка и сварка, лазерно-магнитная прошивка отверстий.

В заключении изложены основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы.

В приложении приведена программа моделирования процесса полиэнергетической высокодозной ионной имплантации, представлены результаты экспериментов по износостойкости поверхности сталей, а так же акты испытаний и внедрений результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.При исследовании влияния магнитного поля на лазерную плазму, полученную при импульсной ЛММ поверхности стали, установлено, что внешнее магнитное поле изменяет характер истечения светоэро-зионного факела из зоны действия лазерного излучения, приводит к скручиванию потоков внутри факела, к повышению ее температуры от 10 до 20%, увеличению поглощательной способности в 3 раза; отмече-

но, что данные изменения зависят от плотности мощности лазерного излучения и индукции магнитного поля.

2. Разработан комбинированный метод лазерно-магнитной модификации поверхности деталей и инструмента. Проведен сравнительный анализ упрочняющего действия лазерной обработки и ЛММ. Установлено, что при высокоскоростном нагреве поверхности детали лазерным излучением в присутствии магнитного поля происходят глубокие структурные изменения в сталях, обуславливаемые их магнитными свойствами, интенсивностью лазерного излучения и напряженностью магнитного поля; показано, что при лазерно-магнитной модификации стали ЗОХГСА, по сравнению с лазерным упрочнением происходит рост протяженности зоны термического воздействия в 1,5 раза, увеличение микротвердости 10-20%. Износостойкость стали 45 после ЛММ увеличивается на 30 % по сравнению с ЛУ.

3. Исследованы процессы импульсной высокодозной полиэнергетической ионной имплантации в поверхностные слои стальных изделий. Установлено, что на вид профиля распределения имплантируемого элемента в материале оказывает существенное влияние зарядность и концентрация ионов в пучке, определяющих их энергию и, соответственно, пробег в материале. Обнаружено, что при ИЛМ происходит ионное распыление отдельных деталей ионного источника (изготовленных из Мо, Сг), атомы которых внедряются в поверхностный слой обрабатываемого материала.

4. Предложена математическая модель высокодозной полиэнергетической ионной имплантации. Сопоставление результатов экспериментов и математического моделирования показали возможность использования данной модели для прогнозирования конфигурации концентрационного профиля и выбора оптимальных режимов ионной имплантации.

5. Разработана методика измерения дозы облучения с точностью -5%, основанная на интегрировании ионного тока при ИЛМ, что актуально для имплантеров с импульсным вакуумно-дуговым ионным источником (типа МЕУУА).

6. Исследованы физико-механические и защитные коррозионные свойства сталей после ИЛМ; установлено, что в зависимости от сорта ионов и флюенса облучения, ионная обработка поверхности стали повышает ее микротвердость в 1,5-2 раза, износостойкость в 2-3 раза на глубинах, превышающих пробег ионов в металле; повышаются защитные свойства сталей к электрохимической коррозии.

7. Разработан метод комбинированного ионного и лазерного воздействия на поверхность стальных деталей. Проведены исследования поверхности сталей, подвергнутых совместному воздействию ИЛМ ионами титана и последующей лазерной обработкой. Установлено, что микротвердость стали 45 по сравнению с исходной увеличилась в 5,8 раз, стали У8 в 5,7 раз, стали 40X13 в 2,3 раза.

Список используемой литературы

1. Анциферов, В.Н. Комбинированные технологии лазерной обработки материалов / В.Н. Анциферов, В.А. Васин, В.А. Сорокин и др. — СПб.: «Реноме», 2012.-388 е.: ил.

2. Физика и технология источников ионов / под ред. Я. Брауна -М.: Мир, 1998. -496 с.

3.Е.А. Романовский, Е.А.ЯОР спектрометрия твердых сплавов/ Е.А. Романовский, О.В. Беспалова, А.М. Борисов и др. // Физика и химия обработки материалов. - 1998. - № 6. - С. 20-20.

4. Комаров, Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы / Ф.Ф. Комаров -М.: Металлургия, 1990. -216 с.

5.Диденко, А.Н. Эффекты дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах / А.Н. Диденко, Ю.П. Шаркеев, Э.В. Козлов, А.И. Рябчиков. -Томск:Изд-во HTJ1, 2004. -328 с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ Статьи в журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК

1. Тихонов С.А. Особенности импульсной полиэнергетической ионной имплантации / А.М. Борисов, Б.Л. Крит, С.А. Тихонов и др. // Известия РАН, Серия физическая, -2000. -Т.64. -№4. -С.737-740.

2. Тихонов С.А. Особенности ионной имплантации с использованием вакуумно-дугового ионного источника / А.М. Борисов, Н.В. Бо-родулина, С.А. Тихонов //Прикладная физика, -2004. -№1. -С. 89-93.

3. Тихонов С.А. Исследование упрочнения поверхности сталей при комбинированном ионном и лазерном воздействии / А.М. Борисов, Б.Л. Крит, B.C. Куликаускас, Н.Л. Семенова, И.В. Суминов, С.А. Тихонов // Известия Томского политехнического университета. Математика и механика. Физика. - 2014. - Т. 324. -№ 2. - С. 137-142.

Публикации в других изданиях

4. Тихонов С.А. "Физико-механические характеристики и структура стали 30ХГСА после лазерного и лазерно-магнитного упрочнения / И.В. Суминов, С.А. Тихонов // Сб. трудов МАТИ. "Научные труды", Вып. 1(73), -М.: ЛАТМЭС -1998. -С.118-121.

Гг

5. Тихонов С.А. Ионная имплантация, как метод комплексного повышения характеристик мединструмента / Б.Л. Крит, А.М. Борисов, А.Б. Поволоцкий, С.А. Тихонов // Сб. трудов МАТИ. "Научные труды", Вып. 1(73), -М.: ЛАТМЭС, -1998. -С.169-174.

6. Тихонов С.А. Исследование прозрачности светоэрозионного факела при лазерно-магнитном воздействии на материал / И.В. Суми-нов, С.А. Тихонов // Сб. тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии НМТ-98, 17-18 ноября 1998года." -М. -1998. -С.246-247.

7. Тихонов С.А. Исследование концентрационного профиля имплантируемого элемента в графит при полиэнергетической высокодоз-ной ионной имплантации / С.А. Тихонов, А.М. Борисов, Б.Л. Крит //Сб. тезисов докладов научной конференции. XXV Гагаринские чтения. -М.: ЛАТМЭС. -1999. -Т.2. -С.815-816.

8. Тихонов С.А. Прозрачность светоэрозионного факела при лазерно-магнитном воздействии на материал / И.В. Суминов, С.А. Тихонов // Сб. трудов МАТИ. "Научные труды", Вып.2(74), -М.: ЛАТМЭС. -1999. -С.115-118.

9. Тихонов С.А. Об ионной модификации мелкодисперсных материалов" / Н.В. Бородулина, Б.Л. Крит, С.А. Тихонов // XXVIII Гагаринские чтения. Тезисы докладов международной молодежной научной конференции. -М.: Издательство "МАТИ"-Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского, -2002. -Т5. -С.77-78.

10. Тихонов С.А. О комбинированном воздействии лазерных и ионных пучков на конструкционные стали / В.В. Степанов, И.В. Суминов, С.А Тихонов. // XXVIII Гагаринские чтения. Тезисы докладов международной молодежной научной конференции. -М.: Издательство "МАТИ"-Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского, -2002. -Том 5, -С.96.

11. Тихонов С.А. Модификация свойств поверхности полиэнергетическими ионными пучками / Б.Л. Крит, С.А. Тихонов // Труды 12-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции в 2-х томах. 26-27 ноября 2013г. МАТИ: Сб. трудов. -М.: МАТИ. -2013. -Том 2. -С. 221-225.

Подписано в печать: 08.09.2014

Заказ № 10191 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru