Способ упрочнения стальных изделий
Изобретение относится к ионной химико-термической обработке и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и изготовлении инструментов. Способ ионного упрочнения стального изделия включает диффузионное внедрение ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C. Внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды. Обеспечивается упрочнение изделий и повышение их износостойкости.
Изобретение относится к ионной химико-термической обработке, а именно к упрочнению стальных изделий путем диффузионного внедрения ионов (H+) водорода по всему объему стальных изделий.
Известен способ плазменно-термической обработки изделий, при котором на поверхности изделия формируется азотированный слой со стабильно равновесной микроструктурой без хрупкой поверхностной структуры и, как следствие, увеличивается твердость, прочность, отсутствует коробление изделий, обеспечивается сохранение исходных геометрических размеров. (см. Патент № RU 2555692, C23C 14/48).
Известен способ модификации поверхности металлов и сплавов, при котором в обрабатываемую поверхность поочередно имплантируют ионы азота и ионы инертного газа. (см. Патент 2509174 от 10.03.14).
Наиболее близким способом к предложенному является способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из сталей и твердых сплавов, который относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения и повышения износостойкости инструментов и деталей, включающий комбинированную ионно-плазменную обработку изделий из стали и твердых сплавов в газоразрядной плазме, содержащей ионы аргона. Затем осуществляют диффузионное насыщение изделий, при котором в газоразрядную плазму магнетронным распылением мишени-катода вводят ионы компонентов твердого вещества, входящих в состав наносимого покрытия. В частных случаях осуществления изобретения газоразрядная плазма, в которой проводят диффузионное насыщение или нанесение покрытия, содержит ионы аргона и азота и формируется газовым плазмогенератором. (см. RU 2370570, C23C 26/00, C23C 14/06, 20.10.2009).
К недостаткам известного способа можно отнести то, что упрочнение изделий происходит только за счет упрочнения их поверхностных слоев, глубинные области изделий остаются без изменений. Например, при штамповке в таких изделиях разрушение наступает с внутренних областей и, развиваясь, выходит на поверхность, что приводит к полному их разрушению.
Задачей изобретения является упрочнение стальных изделий по всему объему тела.
Поставленная задача достигается тем, что упрочнение стального изделия проводят диффузионным внедрением ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C, при этом внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды.
Осуществление способа поясняется следующим.
Структура стальных изделий состоит из зерен, поверхность которых не обладает строгой периодичностью в расположении атомов, поэтому связь между зернами не является идеальной и прочной. Кроме того, в структуре металла имеются дефекты кристаллического строения, которые образуются при литье: точечные и линейные дефекты, усадочные раковины. Для получения изделий с повышенными прочностными характеристиками проводят отжиг и нормализацию, основная цель которых является перекристаллизация, ликвидация дефектов, устранение внутренних напряжений.
Отжиг, без сомнения, приносит положительные результаты, но не позволяет в разы повысить эксплуатационные свойства изделий. Повысить эксплуатационные характеристики стальных изделий позволяет созданный нами метод диффузионного внедрения ионов (Н+) в тело стальных изделий по всему объему.
Суть метода
Металлическая связь между атомами металла в зерне обеспечивается переходом валентных электронов одного атома на свободные и близкие по энергии орбитали соседних атомов, в результате образуются ионы в узлах кристаллической решетки. Электроны обладают высокой подвижностью, и металлическая связь формируется между свободными электронами и ионами атомов в узлах кристаллической решетки путем их взаимного притяжения.
На поверхности зерен картина другая. Согласно принципу Паули в атоме не может быть больше 2-х электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковые. Поэтому у поверхностного атома железа, который может выделить 3 электрона на образование связей, один электрон задействован в образовании кристаллического строения зерна, один осуществляет связь между зернами путем спаривания с электроном атома соседнего зерна, а один находится в относительно свободном состоянии.
Электроны, обладающие свободой перемещения, имеются на всех поверхностях зерен, они создают свои собственные электромагнитные поля отрицательного заряда и при сближении зерен возникают силы отталкивания между соседними зернами. Два одноименных заряда отталкиваются - Закон Кулона. Очевидно, чтобы исключить силы отталкивания, необходимо как исключить свободу перемещения свободных электронов, так и уменьшить напряженность электромагнитного поля отрицательного заряда и обеспечить дополнительную связь между зернами.
Для решения поставленной задачи создан метод диффузионного внедрения ионов (Н+) в тело стальных изделий по всему объему. Ионы образуются в низкотемпературной плазме аргона с парами воды.
Среднемассовая температура плазмы выше 1000°C и при такой температуре происходит диссоциация молекул воды по реакции: H2O=H+ + OH-. Ион (H+) адсорбируется поверхностью, имеет электрический заряд +1, отношение размера элементарной ячейки железа к размеру иона равно, примерно, 10*5, поэтому ион легко проникает внутрь изделий по всему объему.
Свободный ион стабилен, является мощным акцептором электронов и, как следствие, осуществляет донорно-акцепторное взаимодействие. Накачка ионов внутрь стальных изделий приводит к тому, что между свободными электронами поверхностных атомов соседних зерен и ионами возникнет электростатическое притяжение. Поверхностные электроны зерен уже не являются свободными, а через ион связаны между собой. Сила связи между зернами увеличивается, что приводит к увеличению прочностных характеристик изделий.
Пример осуществления способа
Штампы для вырубки гаечных ключей, упрочненные по новому способу, выдержали 120000 циклов и не разрушились, а заводские - 10000 циклов и разрушились.
Предлагаемый способ позволит упрочнять: ударные инструменты - штампы, пуансоны, кузнечный молот; валки прокатных станов; зубья шестерен и экскаваторов; гусеницы танков и тракторов; бронежилеты и другое, что необходимо для промышленности.
Способ ионного упрочнения стального изделия, включающий нагрев стального изделия, отличающийся тем, что упрочнение проводят диффузионным внедрением ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C, при этом внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды.
