Розділ 3. Перспективні технології поверхневого зміцнення

Високоенергетичне хімічне модифікування поверхневих шарів сталевих виробів

При зіткненні часток високих енергій з поверхнею твердого тіла створюються умови для утворення хімічних сполук і проникнення часток в поверхневий шар без об'ємного нагріву тіла. На цьому явищі базуються вакуумні іонно-плазмові методи модифікування поверхневих шарів виробів. Енергію часток можна варіювати в широких межах, а додаткова теплота може виділятися за рахунок протікання екзотермічних реакцій при утворенні хімічних сполук.

Найбільш перспективними методами модифікування поверхневих шарів машинобудівних деталей є іонно-дифузійне модифікування в тліючому розряді, іонна імплантація (іонне легування), комбінації іонно-плазмових методів з лазерною або електронно-променевою обробкою.

Приклад іонно-дифузійного модифікування - іонне азотування. Воно реалізується в тліючому розряді постійної напруги в середовищі азоту або аміаку. Іони азоту, ударяючись об оброблювану сталеву деталь, що є катодом, осідають на ній, а потім дифундують углиб, оскільки поверхня катода розігрівається при бомбардуванні іонами з енергією в декілька сотень електрон-вольт до 500-600 °С. При зіткненні іонів з поверхнею деталі відбувається її очищення від адсорбованих і оксидних плівок, що перешкоджають проведенню звичайного азотування деяких сталей, наприклад корозійностійких (неіржавіючих) сталей. Тривалість іонного азотування скорочується в порівнянні із звичайним часом, температура процесу знижується, а механічні властивості поверхневого шару підвищуються.

Окрім азотування іонно-дифузійними методами, можуть бути здійснена цементація, силіціювання, борірування і комплексне насичення (карбонітрірування і так далі) поверхневих шарів сталевих виробів модифікуючими елементами.

Іонна імплантація заснована на тому, що при підвищенні енергії бомбардуючих іонів останні проникають всередину кристалічної решітки металу, легуючи поверхневий шар і зміцнюючи його за рахунок спотворення решітки. Енергія іонів при імплантації складає 10-200 кеВ, а щільність іонних пучків - 1015-1018 частиц на 1см². За допомогою іонної імплантації можна здійснити азотування, борірування, оксидування поверхневого шару виробів і легування його різними металами. При іонній імплантації зносо - і корозійна стійкість поверхневих шарів сталевих деталей підвищуються без зміни розмірів останніх (табл.3.1). При реалізації даного методу можна отримати в поверхневому шарі такі фази, які неможливі в рівноважному стані, наприклад із-за обмеженої взаємної розчинності компонентів. Основними недоліками методу є відносно висока вартість устаткування, неможливість обробки виробів складної форми, а також мала товщина імплантованого шару.

Таблиця 3.1

Приклади вживання іонної імплантації в техніці [1 Гольчевская, с.138]

Оброблювані вироби	Матеріал	Режим обробки (ионов/см2)	Результат
Різаки паперу	Сталь (1% З, 1, 6%Сг)	8*10¹⁷	Збільшення терміну служби різаків в 2 рази
Мітчики для пластиків	Швидкорізальна сталь	8*10¹⁷	Збільшення терміну служби мітчиків в 5 разів
Вкладиші штампів	Сталь (4%N, 1%С)	4*10¹⁷	Зниження налипання штампованого матеріалу на вкладиш

До перспективних методів поверхневого модифікування конструкційних матеріалів відносять лазерне поверхневе і електронно-променеве легування.

Лазерне поверхневе легування характеризується, як і лазерне гартування, інтенсивною короткочасною тепловою дією на поверхневий шар виробу, який залежить від щільності енергії лазерного випромінювання, що підводиться до поверхні, і тривалості опромінення. При лазерному легуванні теплова дія поєднується з підведенням до поверхні виробу легуючих елементів.

Для цього на оброблювану лазером поверхню заздалегідь наносять тонке покриття з легуючого елементу (наприклад, методом плазмового напилення в поверхневий шар перед лазерною обробкою). Можлива і одночасна подача легуючого елементу в зону обробки у момент лазерного опромінення. Лазерна обробка викликає проплавлення поверхневого шару і змішування легуючого елементу з матеріалом підстилаючого шару. Подальша швидкісна кристалізація в металі завершується утворенням метастабільних фаз, склад яких може різко відрізнятися від рівноважного.

Лазерне легування вуглецевих сталей дозволяє отримувати поверхневі шари виробів з необхідною структурою і комплексом властивостей.

Добрі результати досягнуті при обробці скануючим лазерним променем сталевих виробів, покритих порошками хрому і нікелю; при цьому істотно підвищуються зносостійкість і корозійна стійкість виробів.

Електронно-променеве поверхневе легування сталей здійснюється у вакуумі при опроміненні виробу потоком електронів. Воно дає результати, схожі з результатами лазерного легування.

Можливе як попереднє, так і одночасне підведення легуючих елементів в зону обробки.

Вживання електронно-променевого і лазерного легування, а також іонно-плазмових методів зміцнення сталей обмежено із-за складності технічного устаткування і високої вартості ведення процесів.

Проте потенційні можливості високоенергетичних методів модифікування поверхневих шарів металевих виробів такі, що масштаби їх вживання безперервно зростатимуть, особливо в авіації, космонавтиці і атомній енергетиці [1 Гольчевская, с.137-139].

Дата добавления: 2019-09-02; просмотров: 287; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!