Увеличение срока службы стали в десятки раз — это не фантастика, а результат комплексного подхода, сочетающего правильный выбор сплава, способы его обработки и методы защиты. Чтобы стальная деталь «жила» вместо года двадцать или тридцать лет, нужно воздействовать на её структуру и поверхность, чем мы рассказывали в Telegram-канале ПРОметалл.
Традиционные методы (закалка, цементация, азотирование) меняют свойства всей детали или толстого слоя металла. Сейчас одним из самых перспективных методов повышения износостойкости считается ионная имплантация, она позволяет «внедрять» атомы одного вещества в кристаллическую решётку другого на атомарном уровне.
Ионная имплантация — это процесс бомбардировки поверхности материала пучком ускоренных ионов (например, азота, углерода, бора или титана) в вакуумной камере. Если представить поверхность стали как плотный паркет, то ионная имплантация — это стрельба из автомата одиночными пулями (ионами) по этому паркету. Эти «пули» пробивают поверхность и застревают в толще металла на глубине от нескольких нанометров до нескольких микрон. В отличие от нанесения покрытий, которые могут отслоиться, ионная имплантация меняет саму структуру поверхности.
Однако у технологии есть серьёзный недостаток — модифицированный ионами слой имеет небольшую глубину, и его часто бывает недостаточно, когда требуется длительная устойчивость к механическим нагрузкам.
Учёные Томского политеха смогли усовершенствовать этот метод и увеличить защитный слой до десятков микрометров, сообщили в пресс-службе вуза. Для этого они совместили несколько подходов. В частности, наряду с импульсно-периодической высокоинтенсивной имплантацией ионов применили радиационно-стимулированную диффузию, а также сверхбыстрое охлаждение приповерхностного слоя.
В основе метода — обработка поверхности стали мощными импульсными пучками ионов металлов и газов. Такой подход изменяет микроструктуру и свойства материала, что приводит к многократному увеличению его износостойкости.
В экспериментах учёным удалось повысить износостойкость стали марки AISI 420 в 50 раз и стали марки AISI 321 в 3500 раз.
Метод предполагает совмещение нескольких процессов, влияющих на микроструктуру и свойства материала. Наряду с импульсно-периодической высокоинтенсивной имплантацией ионов с энергией в диапазоне от 50 до 100 кэВ, имеет место радиационно-стимулированная диффузия при плотности ионного тока порядка 1 А/см2, импульсный нагрев поверхности пучком высокой импульсной плотности мощности в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен кВт/см2, сверхбыстрое охлаждение приповерхностного слоя за счёт отвода тепла с поверхности вглубь материала.
Как это работает?
Метод сочетает несколько процессов:
• Импульсно-периодическую имплантацию ионов с энергией 50–100 кэВ.
• Радиационно-стимулированную диффузию.
• Импульсный нагрев поверхности пучком высокой плотности мощности.
• Сверхбыстрое охлаждение приповерхностного слоя, что предотвращает деградацию свойств материала и дополнительно улучшает его структуру за счёт эффекта сверхзакалки.
«Сверхбыстрое охлаждение решает проблему снижения температуры матричного материала при имплантации до уровня, при котором не происходит деградация его свойств. С другой стороны, сверхбыстрое охлаждение даже без ионного легирования может существенно повлиять на микроструктуру и эксплуатационные свойства материала за счёт эффекта сверхзакалки», — рассказывает соавтор исследования, младший научный сотрудник научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Ольга Корнева.
Преимущества технологии
- Значительное повышение твёрдости, усталостной прочности и коррозионной устойчивости.
- Возможность формирования модифицированных слоёв толщиной от единиц до десятков микрометров.
- Потенциал для промышленного внедрения: детали машин, инструменты и компоненты с новыми эксплуатационными характеристиками.
- На следующих этапах исследования учёные продолжат изучать широкий ряд механических свойств ионно-легированных слоёв, таких как микротвёрдость, износостойкость, коррозионная и усталостная прочности, включая определение коэффициента трения, механизмов износа и поведения поверхностей при контакте. Проведут анализ характера износа и основных причин и видов повреждений.
На следующих этапах исследования учёные продолжат изучать широкий ряд механических свойств ионно-легированных слоёв, таких как микротвёрдость, износостойкость, коррозионная и усталостная прочности, включая определение коэффициента трения, механизмов износа и поведения поверхностей при контакте. Проведут анализ характера износа и основных причин и видов повреждений.
«Наша конечная цель — разработать технологию, которую можно будет внедрить на действующих промышленных предприятиях для повышения износостойкости, долговечности продукции, а также для создания новых или усовершенствованных видов продукции — деталей машин, инструментов, компонентов с повышенными эксплуатационными характеристиками», — резюмирует Ольга Корнева.
Больше лёгкого чтива для тяжёлых будней ищите на нашем сайте и в Telegram-канале.