1

На правах рукописи

ЯКУТИНА СВЕТЛАНА ВИКТОРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ

СТАЛИ 30ХГСН2А ИМПЛАНТАЦИЕЙ ИОНОВ МЕДИ И СВИНЦА

Специальность

05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2011 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном индустриальном университете (ГОУ МГИУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Овчинников Виктор Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Борисов Анатолий Михайлович доктор технических наук, профессор Шиганов Игорь Николаевич

Ведущая организация: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Защита состоится «9» июня 2011 года в 14:15 на заседании диссертационного совета Д.212.129.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном индустриальном университете по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, 16, ауд. 1605.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МГИУ

Автореферат разослан «5» мая 2011 года и размещен на сайте www.msiu.ru Учёный секретарь диссертационного совета Д.212.129. кандидат технических наук, доцент Иванов Ю.С.

1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современной техники приводит к необходимости создания материалов, работающих в условиях больших механических нагрузок, высоких температур, агрессивных контактирующих сред, внешнего ионизирующего облучения. Развитие научно-технического прогресса в области создания изделий нового поколения требует совершенствования и разработки принципиально новых технологических процессов, направленных на повышение долговечности и надежности деталей.

При этом финишные методы обработки, формирующие физико-химическое состояние поверхностного слоя деталей, играют в большинстве случаев решающую роль. Важной материаловедческой задачей является модификация свойств металлических материалов путем воздействия на них пучков заряженных частиц.

Актуальность темы диссертации подтверждается также тем, что ее базовую основу составляют исследования, выполненные автором в рамках Государственного контракта № П651 на выполнение работ для государственных нужд Российской Федерации «Проведение поисковых научноисследовательских работ по направлению и обработка «Создание кристаллических материалов» в рамках мероприятия 1.2.1 Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы».

Цель работы. Разработка технологических режимов ионноимплантационного модифицирования поверхностных слоев стали 30ХГСН2А для повышения ее эксплуатационных свойств на основе совместного воздействия двух сортов металлических ионов.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Осуществить выбор сортов ионов для имплантации стали 30ХГСН2А;

2. Определить влияние технологии имплантирования (последовательная или совместная имплантация ионов) на глубину их проникания в обрабатываемую сталь;

3. Исследовать влияние совместной имплантации ионов меди и свинца на физико-химические и эксплуатационные свойства стали 30ХГСН2А;

4. Изучить структуру имплантированного слоя стали 30ХГСН2А после использования полиионного пучка, состоящего из ионов меди и свинца.

5. Оптимизировать состав бинарного медно-свинцового сплава для имплантирования в исследуемую сталь и режимы имплантирования (значение флюенса);

6. Разработать технологические режимы совместной имплантации ионов меди и свинца в детали шарнирных соединений из стали 30ХГСН2А и внедрить ее в производство узлов летательных аппаратов.

Научная новизна:

1. Установлено, что совместная имплантация ионов меди, близких по параметрам к основе стали 30ХГСН2А – ионам железа и тяжелых ионов свинца, позволяет в 2 раза увеличить глубину проникания ионов в мишень;

2. Установлены закономерности диффузии углерода из глубинных слоев облучаемой стали к ее поверхности под действием совместной имплантации ионов меди и свинца, приводящей при флюенсе более 51017 ион/см2 к появлению очагов аморфизированной структуры в имплантированном слое;

3. Совместная имплантация ионов меди и свинца монотектического сплава Cu 64% и Pb 36% способствует росту усталостной прочности облученных образцов по сравнению с необработанными на 40…45%, причем глубина зарождения усталостной трещины смещается от поверхности, вглубь образца.

4. Экспериментально (массовым методом) установлено, что коррозионная стойкость стали 30ХГСН2А возрастает в 2,5 – 3 раза по сравнению с неимплантированными образцами.

Практическая ценность:

1. Предложен метод совместной имплантации стали 30ХГСН2А ионами меди и свинца при использовании в качестве материала катода имплантера монотектического сплава меди со свинцом (36%).

2. В результате совместной имплантации ионов монотектического сплава меди и свинца достигнуто повышение усталостной прочности исследуемой стали и коррозионных свойств при снижении коэффициента трения и износа.

3. Разработаны технологические рекомендации по ионной имплантации авиационных деталей из стали 30ХГСН2А, работающих в условиях трения скольжения под нагрузкой.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на 11 Международной научно-практической конференции “Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической Международной научно-практической конференции “Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано - до профессиональному образованию: проблемы и новые решения” (Москва, МГИУ, 2010).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Материалы работы изложены наименование.

Методы исследования. В работе использованы современные методы металлографического, микрорентгеноспектрального, рентгеновского фазового анализа, современные методики и оборудование для трибологических исследований, методы исследования коррозионной стойкости, методы математической обработки результатов эксперимента и современная вычислительная техника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, научная новизна и практическая ценность выполненной работы, дано краткое описание структуры работы, приведены сведения об апробации работы и методах исследований, использованных при ее выполнении.

В первой главе представлен обзор литературных данных по технологиям конструкционных сталей типа 30ХГСН2А и особенностям их получения. Дан анализ преимуществ и недостатков метода ионной имплантации. Подробно имплантируемой мишени.

Особое внимание уделено получению поверхностных слоев сталей с антифрикционными свойствами при имплантации ионов меди, свинца и олова.

В результате проведенного аналитического обзора сделан вывод о том, что задача улучшения антифрикционных свойств, повышения износостойкости и усталостной прочности деталей из сталей типа 30ХГСН2А остается актуальной на современном этапе развития авиационной техники.

Наиболее перспективным методом для создания антифрикционных поверхностных слоев для нагруженных шарнирных соединений из стали типа 30ХГСН2А является ионная имплантация, а именно ионов меди и ионов тяжелых легкоплавких компонентов – свинец и олово. Однако применение ионов свинца при имплантировании стали способствует повышению коэффициент трения деталей.

совершенствованию технологии создания антифрикционных поверхностных слоев стали методом ионной имплантации. В качестве главного направления последовательности имплантации ионов меди и свинца для улучшения эксплуатационных свойств авиационных деталей из стали 30ХГСН2А.

исследований, проведенных при выполнении данной работы.

Обработка образцов из стали 30ХГСН2А для исследований была выполнена на установке для ионной имплантации МИМ-50, включающей источник ионов металлов ИГМИ-50, источник ионов газов ГИГ-25, систему охлаждения, вакуумную систему, систему измерения вакуума, рабочую камеру, систему измерения дозы имплантируемых ионов, блок управления вакуумной системой. Ускоряющее напряжение при имплантации в сталь 30ХГСН2А ионов меди и свинца составило 30 кВ, флюенс ионного облучения – 11016 ион/см2, минимальная энергия ионов – 30кэВ, ток ионного пучка – 0,1 А при остаточном давлении в рабочей камере 510–5 мм рт. ст., а температура в камере не превышала 80 °C.

Для исследования структуры полученных материалов использован качественный и количественный металлографический анализ. Для подготовки образцов к металлографическому анализу была использована линейка оборудования для пробоподготовки немецкой фирмы АТМ, обеспечивающего высокое качество металлографических шлифов.

Изучение и фотографирование микроструктуры образцов проведены на микроскопе Axiovert 40 MAT при различных увеличениях. Исследуемую микроструктуру можно наблюдать как в стереоокулярах, так и на мониторе компьютера. Изображение, полученное на компьютере, использовали для последующего графического количественного анализа с помощью специальной программы “Промеры”.

сканирующем микроскопе Karl Zeiss EVO 50 с увеличением от 30 до крат (разрешающая способность 1 нм). С помощью микроскопа возможно определение состава поверхностных слоев (глубина 1–10 мкм, локальность 0,05–10 мкм), получение интегральных значений концентрации по различным фазовым выделениям, проведение качественного и количественного металлографического анализа сплавов, определение фазовых составляющих методом рентгеновского локального микроанализа.

Структура и фазовый состав имплантированного слоя изучены методом рентгенографии с использованием дифрактометра ДРОН-3М (методом наклонного пучка), методом просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе ЭМ-125, методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на приборе “Physical Electronics” PHI-6600 SIMS System.

имплантированного слоя также применялся ионный сканирующий микроскоп Strata FIB-201 и Оже – спектрометр.

дифрактометра ARL X’TRA-145. Рентгенограммы были получены при U = 45 kV и I = 35 mA с применением рентгеновской трубки с медным анодом (К = 1, 541 А). Сканирование дифракционной картины проведено в диапазоне 2 = 30140° с шагом = 0,02° и временем экспозиции 10 с. Качественный фазовый анализ был выполнен с использованием пакета компьютерных программ Match и базы данных PDF-2.

Микротвердость стали 30ХГСН2А оценена на микротвердомере ПМТ-3.

Для части имплантированных образцов этой стали была измерена нанотвердость.

Испытания на трение и износ имплантированных образцов стали 30ХГСН2А были выполнены на специализированном испытательном стенде. В качестве испытуемых образцов использовались цилиндры диаметром 15 мм и высотой 20 мм. В качестве индентора использовали штифт из стали 30ХГСН2А с рабочей частью в зоне контакта с исследуемым образцом диаметром 1 мм.

При испытаниях индентор прижимался к поверхности испытуемого образца с усилием 50…250 МПа.

В процессе испытаний с помощью тензометрических динамометров замеряли усилия в приводах при страгивании и в процессе движения, по которым определялась величина момента трения. В процессе испытаний периодически проводились осмотры поверхностей трения и измерения диаметров образцов для определения износа.

Для точного определения искомых параметров износа и коэффициента трения был выбран путь износа 95…100 м. Для определения массового износа испытуемых образцов были выполнены взвешивания образцов на аналитических весах с точностью до трех знаков после запятой.

Испытания на трение и износ выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 17367–71 и ГОСТ 30480–97.

Коррозионная стойкость стали 30ХГСН2А имплантированная ионами меди и свинца оценивалась согласно ГОСТ 15150–81 и по методике Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов. Коррозионная стойкость изучена потенциостатическим методом на потенциометре ПИ-50-1, массовым методом и измерением тока растворения.

В третьей главе представлены результаты исследований влияния последовательной и совместной имплантации ионов меди и свинца на механические, трибологические и коррозионные свойства стали 30ХГСН2А.

Выбор имплантируемых ионов базировался на том, что ионы меди имели близкую массу и радиус к атомам железа, составляющими основу исследуемой стали. В то же время, ионы свинца значительно превосходят атомы железа по этим показателям, особенно по атомной массе.

При имплантации ионов меди и свинца с дозой (флюенсом) 11017 ион/см по отдельности максимальное содержание имплантируемых элементов наблюдается на поверхности образца. На глубине порядка 40–70 нм наблюдается значительное снижение концентрации имплантируемых элементов.

При последовательной имплантации ионов меди и свинца (свинец имплантируется после меди) отмечается наличие пика концентрации меди на расстоянии 40 нм от поверхности образца (рис. 1). При этом толщина слоя, в котором присутствуют имплантированные ионы, составляет 200 нм.

монотектического сплава с содержанием свинца 36% наблюдается увеличение проникания ионов этих элементов в мишень. Максимальное насыщение имплантируемых элементов приходится на поверхность и снижается по глубине до 50 нм. На глубине от 50 нм до 430 нм слой равномерно насыщен медью.

Концентрация углерода одного порядка с концентрацией меди (рис. 2).

Концентрация свинца на этой глубине значительно ниже концентрации меди и нестабильна.

Рис. 2. Распределение ионов меди, свинца, железа (матрица), углерода (матрица) в поверхностном слое стали 30ХГСН2А при последовательной I, ион/с Рис. 2. Распределение ионов меди, свинца, железа (матрица), углерода (матрица) в поверхностном слое стали 30ХГСН2А при совместной количества радиационных дефектов в мишени. По этим дефектам происходит проникновение в металл мишени ионов меди на большую глубину по сравнению с вариантом имплантирования медью при одинаковой дозе имплантации.

Анализ распределения имплантированных ионов в поверхностном слое стали 30ХГСН2А, выполненный с помощью Оже – спектрометра, при нормальном направлении электронного пучка свидетельствовал, что в поверхностном слое распределение ионов меди и свинца равномерное.

(неимплантированных) образцов выполнены на машине МУИ-6000 в условиях чистого кругового изгиба с частотой 3000 об/мин и при напряжении цикла = 500 МПа. Использовались образцы типа II (ГОСТ 25.502–79). Результаты усталостных испытаний контрольных и имплантированных образцов представлены в табл. 1.

Усталостная прочность стали 30ХГСН2А при имплантации ионов меди и имплантирования разрушения, N, кц Анализ результатов проведенных усталостных испытаний позволил установить, что наибольший в данных условиях эффект обеспечивает совместная имплантация ионов меди и свинца монотектического сплава с содержанием свинца 36%.

Фрактографический анализ поверхности разрушения образцов из стали 30ХГСН2А после усталостных испытаний показал, что во всех случаях трещины зарождаются внутри образца и распространяются к его поверхности.

При этом ширина зоны долома наибольшая для варианта совместной имплантации ионов меди и свинца.

Зарождение магистральной трещины в образцах из стали 30ХГСН2А имплантированных ионами меди и свинца начинается на некоторой глубине, превышающей толщину имплантированного слоя. При испытаниях образцов из этой стали, подвергнутых совместному имплантированию ионов меди и свинца наблюдается образование магистральной трещины только с одной стороны образца, с необлученной. В поверхностных слоях стали в зоне усталостного излома наблюдаются области с усталостными бороздками, вторичными трещинами, трещинами по границам зерен; выделения размером примерно 1 мкм и ямки, совпадающие с размером зерна (10 мкм). Разрушение в зоне долома носит вязкий характер.

Фрактографические исследования позволили установить, что в зависимости от варианта имплантирования существенно изменяется глубина зарождения усталостной трещины от поверхности испытуемого образца. Так при испытаниях на усталость контрольных (неимплантированных) образцов стали 30ХГСН2А образование магистральной усталостной трещины происходит на расстоянии 50…75 мкм от поверхности образца. При имплантировании образцов стали 30ХГСН2А одним из ионов (медью или свинцом) наблюдается смещение очага зарождения магистральной усталостной трещины в глубинные слои образца на расстояние примерно 100…150 мкм от поверхности.

Совместная (одновременная) имплантация ионов меди и свинца (сплава Cu 64% + Pb 36%) позволяет существенно увеличить глубину расположения очага магистральной усталостной трещины (рис. 3) до 450…500 мкм. Такое смещение очага зарождения магистральной трещины, по-видимому, положительно влияет на показатели усталостной прочности имплантированных образцов.

I II III IV V

Рис. 3. Влияние варианта имплантирования образцов стали 30ХГСН2А на глубину расположения очага магистральной трещины от поверхности образца:

I – медь; II – последовательно медь и свинец; III – свинец; IV – последовательно Совместная имплантация ионов меди и свинца с их минимальной энергией 30 кэВ и дозой 11017 ион/см2 повышает усталостную долговечность стали 30ХГСН2А при одновременном уменьшении разброса результатов испытаний.

Исследование топологии поверхности образцов показало, что совместная имплантация ионов меди и свинца (рис. 3.16, е) инициирует образование поверхности образца в виде системы микрофрагментов размером 1,2–1,4 мкм.

Следов первоначального рельефа от механической обработки на поверхности не остается. Границы зерен становятся слабо выраженными. Оценка среднего размера зерна дала величину порядка 2,3 мкм.

Влияние ионной имплантации на структуру приповерхностных слоёв стали исследованы на образце из стали 30ХГСН2А после имплантации ионов меди с дозой 11017 ион/см2 с помощью рентгеновского дифрактометра D8 Discover (Bruker-AXS, Германия) в геометрии параллельного пучка. Так же была произведена съёмка этих же образцов с применением фокусировки по методу Брэггу-Брентано по схеме 2–.

Установлено, что в исходном состоянии линия /110/ имеет двойной максимум, что говорит о довольно упорядоченной кристаллической решётке в исходном образце. После имплантации линия /110/ стала плавной и более широкой, что свидетельствует о нарастании искажений кристаллической решетки приповерхностных слоёв исследуемой стали.

Микротвердость поверхности мишеней из стали 30ХГСН2А после имплантации ионов меди и свинца имеет незначительно выраженный максимум при одновременной имплантации ионов меди и свинца монотектического сплава Cu 64% и Pb 36%. Значения микротвердости после имплантации не выходили за пределы ошибки измерений, которая составила около 10%.

Установлено, что совместная имплантация ионов меди и свинца обеспечивает увеличение значения микротвердости в 2,5–2,8 раза по сравнению с контрольными образцами при увеличении толщины слоя с измененными свойствами до 300…350 мкм.

Исследование субструктуры имплантированного слоя проводили методом просвечивающей электронной дифракционной микроскопии. Фольги изготавливали из пластинок стали 30ХГСН2А после имплантации по изучаемым вариантам, толщина которых составила 250 нм.

У исходных образцов стали 30ХГСН2А (неимплантированных) основным типом дислокационной субструктуры является сетчатая и структура модифицированного слоя образцов, имплантированных ионами только меди или свинца, имеет сетчатую структуру (рис. 4,б). Аналогичный характер имеет субструктура измененного слоя образца, имплантированного последовательно свинцом и медью.

Вариант имплантации, при котором последовательно имплантируются модифицированного слоя дислокационных ячеек (рис. 4,в). Субструктура поверхностных слоев образцов, подвергнутых совместной имплантации ионами меди и свинца, характеризуется ячеисто – сетчатой структурой (рис. 4,г).

Рис. 4. Дислокационная субструктура образцов стали 30ХГСН2А после имплантации: а – хаотическое распределение (исходный материал); б – сетчатая (имплантация ионов меди или свинца); в – ячеистая (последовательная имплантация ионами меди и свинца); г – ячеисто – сетчатая (совместная Результаты исследования субструктуры легированного слоя показали, что в зависимости от варианта имплантации ионов меди и свинца в сталь 30ХГСН2А наблюдается изменение типа дислокационной субструктуры.

Существенное увеличение толщины имплантированного слоя при совместной имплантации ионов меди и свинца можно объяснить влиянием механических напряжений. Само по себе механическое сжатие или растяжение матрицы не должно вызвать направленного потока легирующей примеси, так как такая деформация вызвала бы соответствующее изменение коэффициента диффузии. Однако в поверхностном слое существуют очень значительные градиенты механических напряжений. Это свидетельствует о том, что кроме диффузионного движения появляется направленный поток атомов. Его кристаллографической ориентации образца.

В работе установлено, что высокодозовая совместная имплантация ионов меди и свинца в сталь 30ХГСН2А сокращает время приработки для ионноимплантированных образцов и приводит к значительному повышению износостойкости (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость толщины унесенного слоя от времени испытаний на стадии приработки и стадии установившегося изнашивания; сталь 30ХГСН2А (К) и сталь 30ХГСН2А, имплантированная совместно ионами меди и свинца На стадии установившегося изнашивания неимплантированных образцов имело место появления единичных частиц износа вытянутой формы, поперечный размер которых составил 100–420 мкм. Металлографическое исследование поверхности исходных (неимплантированных) образцов после испытаний на износ выявило задиры и следы разрушения поверхности.

Установлено, что в случае имплантированных образцов на начальных стадиях испытаний отсутствуют конгломераты частиц износа, наблюдавшиеся при трении неимплантированных образцов. В случае имплантирования ионов меди и свинца в сталь 30ХГСН2А основную роль в повышении прочности поверхностного слоя играют, по-видимому, искажения исходной кристаллической решетки, создание радиационных дефектов. Кроме того, имплантируемые ионы меди и свинца могут создавать области, выполняющие в процессе трения роль твердой смазки.

формирование имплантированного слоя, определяемое последовательностью имплантирования ионов меди и свинца, существенно влияет на коэффициент трения и, соответственно, на служебные свойства высоконагруженных шарнирных соединений машин и механизмов. Значение коэффициента трения стали 30ХГСН2А, имплантированной совместно ионами меди и свинца, приблизительно в 2 раза ниже, чем у неимплантированных образцов и сопоставимо со значением, характерным для образцов имплантированных ионами меди. Следовательно, износ пары трения, изготовленной из стали 30ХГСН2А, где один из ее элементов имплантирован ионами меди и свинца, неимплантированных элементов. При давлении в 3 МПа наблюдается схватывание поверхности образцов имплантированных ионами свинца, а также последовательно имплантированных ионами меди и свинца.

Коррозионная стойкость образцов стали 30ХГСН2А определялась путем измерения анодно-поляризационных кривых и глубины язв травления, с последующим расчетом скорости травления и количества адсорбированных оксидов поверхностью сплава. Установлено, что ионное модифицирование поверхностных слоев стали приводит к сдвигу электродного потенциала в положительную область и уменьшению токов коррозии (табл. 2).

Влияние ионной имплантации поверхности образцов из стали 30ХГСН2А поверхности электродного коррозии, А коррозионную стойкость состояние меди имплантация меди и свинца свинца имплантация свинца и меди имплантация меди и свинца Таким образом, в случае имплантации ионов меди и свинца стойкость стали 30ХГСН2А к общей питтинговой коррозии возрастает, благодаря суммарному эффекту от радиационно-стимулированных структурных изменений поверхностных слоев и возникновению напряжений сжатия в имплантированном слое.

В четвертой главе представлены результаты исследования содержания свинца в материале катода имплантера и дозы (флюенса) имплантирования на усталость и трибологические свойства стали 30ХГСН2А. Эти результаты являются основой для разработки технологических рекомендаций по применению ионной имплантации для повышения эксплуатационных характеристик деталей из этой стали летательных аппаратов, работающих в условиях трения скольжения.

Полученные результаты испытаний свидетельствуют о том, что наибольшие значения усталостной прочности стали 30ХГСН2А соответствуют варианту совместной имплантации ионов меди и свинца при использовании катода из материала с содержанием свинца 30…40 %. Обращает на себя внимание тот факт, что при имплантировании стали 30ХГСН2А совместно ионами меди и свинца с помощью катода из материала с содержанием свинца в пределах 30…40 % отмечается рост глубины очага зарождения усталостной трещины от поверхности образца по сравнению с другими составами материала катода.

При испытаниях на износостойкость в течение 70 минут минимальное изменение массы образца соответствует совместной имплантации при использовании материала катода с содержанием свинца 30…40 %. Низкие значения коэффициента трения скольжения наблюдаются при содержании свинца в материале на уровне 30…40%. При этом наиболее низкое значение коэффициента трения (0,07 при нагрузке 2 МПа) соответствует содержанию свинца 36 % в материале катода, которое характерно для монотектического сплава.

Проведенные исследования позволяют заключить, что оптимальное содержание свинца в материале катода находится вблизи монотектической точки (36%). Поэтому возможно применение для изготовления катода материала, полученного за счет контактного легирования меди свинцом, основанного на монотектическом взаимодействии.

Сравнительные испытания катодов имплантера, полученных порошковой металлургией и контактным легированием, показали, что стабильность работы установки при использовании катода из материала, полученного контактным легированием выше.

Из анализа результатов усталостных и трибологических испытаний следует, что для повышения трибологических и эксплуатационных характеристик стали 30ХГСН2А при имплантации монотектическим сплавом меди с содержанием 36% свинца целесообразно выбирать дозу имплантации (флюенс) в пределах (1…2,5)1017 ион/см2.

В пятой главе представлены результаты промышленного опробования опытной партии деталей из стали 30ХГСН2А летательных аппаратов после совместной имплантации ионов меди и свинца.

Установлено, что применение ионной имплантации позволяет снизить коэффициент трения и износ деталей при трении скольжении в реальных условиях эксплуатации деталей.

Долговечность имплантированных болтов из стали 30ХГСН2А крепления узлов механизации крыла увеличилась в 2…3 раза по сравнению с неимплантированными.

По результатам исследований с учетом результатов испытаний опытной партии деталей, разработаны технологические рекомендации по применению ионной имплантации для повышения эксплуатационных свойств авиационных деталей из стали 30ХГСН2А, которые переданы в промышленность для использования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

трибологических и эксплуатационных свойств образцов из стали 30ХГСН2А с поверхностными слоями, полученными имплантацией ионов меди и свинца.

2. Впервые установлено, что при совместной имплантации стали 30ХГСН2А ионов свинца и меди при использовании в качестве материала катода монотектического сплава Cu 64% и Pb 36% наблюдается существенное увеличение толщины имплантированного слоя до 430 нм по сравнению с глубиной слоя модифицированного последовательным облучением этими ионами. Это явление связано с формированием большого количества радиационных дефектов в мишени под действием ионов свинца, облегчающее проникновение в мишень ионов меди, близких по радиусу и массе к атомам железа, составляющим основу мишени.

3. Совместная имплантация ионов меди и свинца монотектического сплава Cu 64% и Pb 36% позволяет увеличить усталостную прочность образцов из стали 30ХГСН2А с 96,2 до 148,1 кц при = 500 МПа. При этом очаг зарождения усталостной трещины смещается вглубь металла с 50–75 мкм до 450–500 мкм от поверхности.

4. Результаты исследования субструктуры имплантированного слоя показали, что при имплантации в сталь 30ХГСН2А ионов меди и свинца монотектического сплава Cu 64% и Pb 36% формируется ячеисто – сетчатая дислокационная субструктура.

5. Показано, что высокодозовая одновременная имплантация ионами меди и свинца (вариант V) стали 30ХГСН2А сокращает время приработки для ионноимплантированных образцов и приводит к значительному повышению износостойкости, снижению коэффициента трения скольжения, а также скорости коррозии.

6. Впервые показано, что оптимальное содержание свинца в материале катода находится вблизи монотектической точки (36%). Поэтому возможно применение для изготовления катода материала, полученного за счет контактного легирования меди свинцом, основанного на монотектическом взаимодействии. Сравнительные испытания катодов, полученных порошковой металлургией и контактным легированием, показали, что стабильность работы установки при использовании катода из материала, полученного контактным легированием выше.

7. Установлено, что для повышения трибологических и эксплуатационных характеристик стали 30ХГСН2А при имплантации ионов монотектического сплава меди с содержанием 36% свинца целесообразно выбирать дозу имплантации (флюенс) в пределах (1…2,5)1017 ион/см2.

30ХГСН2А, на основе которых изготовлена и испытана с положительным результатом опытная партия натурных деталей летательного аппарата.

Результаты исследования влияния имплантации ионов монотектического сплава меди и свинца в сталь 30ХГСН2А внедрены в учебный процесс кафедры «Материаловедения и ТКМ» при чтении специальных курсов.

Общее количество работ по теме диссертации составляет 11, из них работы опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК. Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Овчинников В.В., Козлов Д.А., Якутина С.В. Исследование свойств Машиностроение и инженерное образование. – 2009. – №2. –С.7–13.

2. Овчинников В.В., Козлов Д.А., Якутина С.В. Влияние ионной //Упрочняющие технологии и покрытия.– 2009. –№10.– С.16–23.

3. Овчинников В.В., Якутина С.В., Козлов Д.А., Немов А.С. Влияние имплантирования ионов меди и свинца на свойства стали 30ХГСН2А. // Машиностроение и инженерное образование.– 2010. – №4.– С.38–45.

4. Якутина С.В., Овчинников В.В., Козлов Д.А., Немов А.С. Свойства и состав поверхности стали 30ХГСН2А в зависимости от дозы облучения ионами меди и свинца. // Известия МГИУ. – 2010.– №3.– С.15–20.

5. Якутина С.В., Овчинников В.В., Козлов Д.А. Влияние технологии имплантирования на глубину проникновения ионов меди и свинца в поверхностный слой стали 30ХГСН2А. // Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения: Сборник научных докладов VIII Международной научно-практической конференции.

Ч.2. - М.: МГИУ.,2010, с.55-60.

6. Овчинников В.В., Козлов Д.А., Якутина С.В. Влияние ионной имплантации на износостойкость и антифрикционные свойства деталей из стали конференции “Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня”. 14-17 апреля 2009 г.

С.219-226.

Овчинников В.В., Якутина С.В., Козлов Д.А., Немов А.С. Влияние распределение в поверхностном слое и свойства стали 30ХГСН2А. // “Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня”. 13-16 апреля 2010 г. С.244-252.

8. Васильева Е.В., Козлов Д.А., Якутина С.В. Перспективные направления применения ионной имплантации в металлы // Образование, наука и производство. Т1. Техника, технологии и перспективные материалы:

Межвузовский сборник научных трудов / Под ред. А.Д. Шляпина, О.В.

Таратынова. – М.: МГИУ, 2001. – 410с.

9. Васильева Е.В., Якутина С.В., Козлов Д.А. Повышение износостойкости подшипниковой стали методом ионной имплантации // Образование, наука и производство. Т1. Техника, технологии и перспективные материалы:

Межвузовский сборник научных трудов / Под ред. А.Д. Шляпина, О.В.

Таратынова. – М.: МГИУ, 2001. – 410с.

10. Якутина С.В., Козлов Д.А. Ионная имплантация, как эффективный метод повышения коррозионной стойкости металлов и сплавов // Образование, наука и производство. Т1. Техника, технологии и перспективные материалы:

Межвузовский сборник научных трудов / Под ред. А.Д. Шляпина, О.В.

Таратынова. – М.: МГИУ, 2001. – 410с.

11. Козлов Д.А., Якутина С.В. Двухлучевая установка ионного синтеза //Новые материалы и технологии – НМТ-2002. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. Москва, 22-23 октября 2002 г. В 4-х томах.

Т.3. – М.: Издательско-типографский центр МАТИ - РГТУ им. К.Э.

Циолковского, 2002. Том 5, 134с.