Модифицирование поверхности деталей из стали 38Х2МЮА имплантацией ионов Mo, Y, Sc, Gd

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 38Х2МЮА

ИМПЛАНТАЦИЕЙ ИОНОВ Mo, Y, Sc, Gd

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежность машин и механизмов во многом определяется надежностью топливной аппаратуры, у которой наиболее быстро изнашиваются прецизионные пары. Традиционные методы поверхностной обработки конструкционных материалов (термическая, химико-термическая обработка и другие методы) с целью  повышения их эксплуатационных свойств продолжают  развиваться, но их применение не всегда целесообразно. Принципиально новые перспективы открыло  использование концентрированных потоков энергии.

Одним из наиболее эффективных методов является метод ионной имплантации. Высокая плотность энергии,  используемой  при обработке поверхности, приводит к тому, что  процессы перестройки структуры и изменения структурно–фазового состояния поверхности идут в  условиях, далеких от  термодинамически равновесных, что обеспечивает получение поверхностных слоев с уникальными свойствами. Однако большое число физических процессов, протекающих при взаимодействии ионного пучка с поверхностью и обеспечивающее методу большую гибкость, затрудняет предсказание результатов ионной имплантации и требует экспериментального изучения изменения физико-механических и эксплуатационных свойств в зависимости от параметров обработки. 

Исследование влияния ионной имплантации на микрорельеф поверхности, адгезию, микротвердость, а также предложенный метод прогнозирования изменения фазового состава, позволили выработать рекомендации по режимам обработки ионными пучками деталей прецизионных пар топливной аппаратуры, что значительно уменьшит время производства и себестоимость прецизионных пар, улучшит эксплуатационные показатели их работы, повысит экологическую чистоту производства. Таким образом, диссертационная работа актуальна.

Цель работы – исследование влияния имплантации Mo, Y, Gd, Sc на физико-механические и эксплуатационные  свойства поверхностного слоя стали 38Х2МЮА.

Объект исследования – сталь 38Х2МЮА. Предмет исследования – физико-механические характеристики стали 38Х2МЮА после ионной имплантации.

Степень достоверности результатов диссертации. Достоверность полученных результатов  подтверждается высокой степенью корреляции между результатами, полученными различными исследовательскими методами (рентгеноструктурный анализ, атомная силовая микроскопия), а также согласием  с результатами, полученными в данной области отечественными и зарубежными исследователями.

Научная новизна

1.      Установлено, что наилучшее сочетание эксплуатационных характеристик наблюдается в диапазоне 60-80 кэВ при использовании непрерывного режима и в диапазоне 70-110 кэВ при использовании импульсного режима, и связано с преимущественным распылением микропиков, синтезом в приповерхностном слое новых фаз, образованием дислокационных петель и радиационно-стимулированной диффузией точечных дефектов.

2.      Предложен метод, позволяющий прогнозировать в рамках модели теплового пика влияние ионной имплантации на фазовый состав простейших сплавов. Предложена новая методика расчета фактора вырождения  и, как следствие, свободной энергии сплава с целью выявления возможности образования новых фаз.

3.      Обнаружено увеличение микронапряжений II рода  в поверхностном слое стали 38Х2МЮА при имплантации Mo и Y в 1.5-2.0 раза, обусловленное наличием имплантированных атомов в узлах решеток внедрения и замещения. 

4.      Установлено увеличение толщины адсорбированного слоя более чем в 10 раз и силы адгезии – на 20-120% после имплантации Mo, Y , Sc,Gd вследствие радиационного повышения концентрации дефектов кристаллического строения.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций  и определении режимов финишной обработки серийно выпускаемых плунжерных пар.

Реализация результатов работы. Метод обработки рабочих поверхностей прошел промышленную апробацию в ОАО “Омское машиностроительное конструкторское бюро” при производстве топливных агрегатов авиационных двигателей. Результаты работы использовались при выполнении работ по гранту РФФИ ГР 14-06 и ведомственной целевой программе “Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)”.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих международных, всероссийских  и  региональных конференциях, симпозиумах и семинарах: IV Всероссийской научно-практической конференции “Современные технологии в машиностроении” (Пенза, 2001), IV Всероссийской конференции молодых ученых “Физическая мезомеханика материалов” (Томск, 2001), VII Международной конференции “Физика твердого тела” (Усть-Каменогорск, 2002), региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученных “Наука. Техника. Инновации” (Новосибирск, 2002), 19 Национальной конференции по термической обработке с иностранными участниками (Брно, 2002), IV и V Международной  научно-технической конференции “ Динамика систем, механизмов и машин ” (Омск 2002, 2004), III Международном технологическом конгрессе ”Военная техника, вооружение и технологии двойного применения” (Омск, 2005).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, рекомендаций по параметрам ионной обработки прецизионных пар топливной аппаратуры, выводов, списка литературы, содержащего 113 наименований и приложения. Основной текст изложен на 113 страницах, содержит 49 рисунков и 13 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цель работы, научная новизна, положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен критический анализ состояния проблемы износа прецизионных пар топливной аппаратуры.

Механизмы износа прецизионных пар, а также влияние износа на технико-экономические показатели работы ДВС исследованы в работах Д. Ф. Гуревича, В.В. Антипова, В. И. Полищук, И. Г. Боголеповой, В. Ф. Боброва,  В. С. Тарасова, Ф. Л.   Галушко.

Автором работы исследован износ партии плунжеров 33.1111074-01, используемых в насосах высокого давления дизельных двигателей КАМАЗа. Проведен анализ современных методов обеспечивающих  повышение износостойкости изделий, обосновано применение метода ионной имплантации. Проанализированы причины, сдерживающие применение выбранного метода, на основании чего сформулированы задачи исследования:

- создать физическую модель, позволяющую прогнозировать изменение фазового состава материалов в процессе ионной имплантации;

- исследовать изменение структуры и физико-механических свойств поверхностного слоя стали 38Х2МЮА от параметров процесса ионной имплантации;

- разработать рекомендации по режиму ионной имплантации с целью улучшения эксплуатационных показателей работы прецизионных пар топливной аппаратуры ДВС.

Во второй главе модель теплового пика применена для выявления возможности образования новых фаз и предложена новая методика расчета свободной энергии в процессе ионной имплантации.

Теоретические основы  применения ионной имплантации  в промышленно используемом диапазоне энергий заложены в работах Линдхарда, Шарфа и Шиотта (теория ЛШШ), Гиббонса, Винтеборна, Брайса, Зигмунда, Андерсена, Бериша. Среди  отечественных авторов следует отметить работы О. В. Фирсова и В. В. Юдина.  Большое прикладное значение имеют работы Ф. Ф. Комарова, М. А. Кумахова, М. М. Темкина, Ю. П. Шаркеева, Д. И. Тательбаума, В. С. Хмелевской.

Существенное влияние на эксплуатационные свойства прецизионных пар топливной аппаратуры оказывает фазовый состав приповерхностных слоев. Однако в литературе отсутствуют методики, позволившие бы предсказать изменение структурно-фазового состава в процессе ионной имплантации. На основе методов,   применяемых в  теории упорядочения и распада сплавов и развитых в работах А. Г.Хачатуряна, Ю.И. Устиновщикова,         К. Люписа, Х. Бётгера, а также анализа процессов при ионной имплантации, предложен метод прогнозирования фазового состава в ионно-имплантированных слоях сплавов с двумя компонентами в решетке замещения и одним компонентом в решетке внедрения.

В рамках метода удалось выразить свободную энергию сплава через координационные числа, описывающие структуру выделяющейся фазы. В выбранном приближении модели центрального атома выражение для свободной энергии и статистической суммы имеет вид

где Е1 и Е2 – энергии фаз, g1, g2, gS - факторы вырождения фаз, которые рассчитали с учетом возможных конфигураций атомов в решетках внедрения и замещения.

Определяя координационные числа, обеспечивающие минимизацию свободной энергии, можно, с учетом возможных комбинаций атомов разных сортов и изменения энергии химического взаимодействия, предсказать изменения фазового состава  ионно-имплантированных слоев. Итоговые уравнения приведены в тексте диссертации.

Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований влияния ионной имплантации на свойства конструкционной стали 38Х2МЮА.

Существенное влияние на эксплуатационные показатели работы прецизионных пар оказывает состояние микрорельефа поверхности. Закономерности изменения микрорельефа поверхности в процессе ионной имплантации исследованы в работах Картера, Навиншека, Виттона. Следует заметить, что результаты, полученные в данной области, носят описательный характер, предлагаемые соотношения служат в основном для качественной оценки. Количественные данные об изменении микрорельефа в процессе ионной имплантации в настоящее время могут быть получены только экспериментально.

Влияние ионной имплантации на состояние микрорельефа поверхности стали 38Х2МЮА исследовали методом атомной силовой микроскопии с помощью зондового микроскопа Solver Pro. В результате эксперимента получены фотографии поверхности, поперечные и продольные профилограммы и рассчитаны параметры шероховатости. Для увеличения степени достоверности полученных результатов исследовали две партии образцов с разной исходной шероховатостью. На рисунках 1-4 представлены изображения поверхности исходного образца и образцов, имплантированных Mo, Y и образца с комплексной обработкой ионами обоих типов.

Для имплантированных образцов характерно объясняемое преимущественным распылением микропиков улучшение микрорельефа, выражающееся в уменьшении параметров шероховатости Ra, Rz, увеличении радиуса кривизны микровыступов, что подтверждается поперечными и продольными профилограммами (представлены в тексте диссертации). При превышении рекомендуемого для имплантации диапазона энергий микрорельеф поверхности ухудшается в следствии кратерообразования. 

Значительное влияние на работоспособность плунжерных пар оказывают адгезионные свойства  поверхностей. Увеличение силы адгезии приводит к эффективному уменьшению зазора между плунжером и гильзой, что улучшает технико-экономические показатели работы двигателей и одновременно препятствует окислительному износу. Для определения изменения адгезионных свойств после ионной имплантации рассчитывали силу адгезионного взаимодействия, определяли толщину адсорбированного слоя. На рисунках в качестве примера представлены кривые адгезионного взаимодействия исходного образца (рис. 5) и образца, имплантированного молибденом (рис. 6).

В таблицах 1 и 2 представлены результаты расчета толщин адсорбированных слоев и сил адгезионного взаимодействия между зондом и поверхностью образца. Увеличение силы адгезионного взаимодействия связано с радиационным повышением концентрации дефектов кристаллического строения в процессе ионной имплантации.

Таблица 1