ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

Под физико-химическим модифицированием понимают целенаправленное изменение свойств поверхности в результате технологического внешнего воздействия. При этом имеется в виду изменение структуры материала в тонких поверхностных слоях вследствие физического воздействия (ионными и электронными пучками, низкотемпературной и высокотемпературной плазмы, электрического разряда и др.) или химического воздействия, приводящего к образованию на поверхности слоев химических соединений на основе базового материала (химическое, электрохимическое и термическое оксидирование, фосфатирование, сульфидирование, плазменное нитрирование и т.д.).

Очевидно, что отсутствует выраженная классификационная граница между процессами физико-химического модифицирования и поверхностного упрочнения.

Среди множества способов физико-химического модифицирования наиболее перспективными представляются ионная имплантация, анодирование, в частности импульсное (обработка в электролитной плазме), лазерное упрочнение.

Ионная имплантацияявляется сравнительно новым способом физико-химического модифицирования, основанным на внедрении ускоренных ионов легирующих элементов в поверхностный слой.

б)

Рис. 19.12. Схема установки для ионной имплантации с линейным ускорителем (а) и ЗD-имплантаиии (б):

1 - источник ионов; 2 - система вытягивания ионов; 3 - сепаратор; 4 - фокусирующие магниты; 5 - линейный ускоритель; 6 - электростатическая отклоняющая система; 7 - поток ионов; 8 - упрочняемые детали

Имплантируемые ионы имеют малую глубину проникновения, однако их влияние распространяется намного дальше от поверхности.

Можно выделить следующие особенности ионной имплантации:

- возможность формирования на поверхности сплавов, которые нельзя получить в обычных условиях из-за ограниченной растворимости или диффузии компонентов. В ряде случаев равновесные пределы растворимости превышены на несколько порядков;

- легирование не связано с диффузионными процессами, за исключением модифицирования материалов ионной имплантации при большой плотности тока, когда наблюдается радиационно-стимулированная диффузия компонентов;

- процесс протекает при низких температурах (менее 150 °С), без изменения механических свойств материала. Метод позволяет обрабатывать термочувствительные материалы;

- отсутствует заметное изменение размеров деталей после имплантации;

- модифицированные поверхности не требуют дальнейшей финишной обработки;

- процесс хорошо контролируется и воспроизводится;

- экологическая чистота процессов;

- упрочняются только открытые поверхности, непосредственно находящиеся под воздействием облучения ионами;

- малая глубина модифицированного слоя;

- относительно высокая стоимость оборудования.

Установка для имплантации ионным лучом содержит источник ионов, систему «вытягивания» ионов 2, сепаратор ионов 3, магнитные фокусирующие линзы 4, линейный ускоритель 5, электростатическую отклоняющую систему б. На практике используются различные по конструкции источники ионов непрерывного и импульсного действия, генерирующие ионы газов (от водорода до криптона) и металлов (с горячим и холодным катодом, магнетронный, диаплазмотрон и др.). Выходящие из источника ионы неоднородны по составу. Для отделения посторонних ионов используется магнитный масс-сепаратор, который отклоняет от основной оси ионы, имеющие другую массу и заряд. «Очищенный» ионный луч фокусируется и ускоряется в линейном ускорителе. Сканирование ионного луча по поверхности упрочняемой детали производится отклоняющей системой 6.

Для обеспечения равномерности упрочнения деталь вращается и поворачивается относительно луча.

Ионная имплантация ионами плазмы - иногда ее называют ЗБ-имплантация - выполняется в вакуумных камерах, где тлеющим или дуговым разрядом создают ионизированную среду, а на деталь подается импульсное высокое напряжение, обеспечивающее ускорение ионов в направлении бомбардируемых поверхностей. Высокоэнергетический ионный поток может формироваться непосредственно в процессе горения импульсного самостоятельного разряда между заземленной вакуумной камерой и изделием, являющимся катодом.

Ионы, ускоренные в поле прикатодного падения малой толщины, эффективно модифицируют поверхность изделия, которое может иметь сложную объемную форму. Падающие ионы генерируют электронный пучок с поверхности изделия, который, взаимодействуя с плазмой, обеспечивает самоподдержание разряда. Этот метод имеет определенные преимущества перед лучевыми методами за счет простоты и относительно низкой цены реализации технологических процессов. Он может сочетаться с другими ионно-плазменными методами обработки, такими, как магнетронное, вакуумно-дуговое и плазменно-термическое напыление, ионное азотирование и др.

При высокоэнергетической ионной имплантации для упрочнения металлов и сплавов, керамик, полимеров используются ионы газов с энергией до 100 кэВ.

Обработка высокоэнергетическими ионами азота эффективно повышает стойкость режущего и штампового инструмента, усталостную прочность деталей.

Имплантация атомов внедрения (азот, углерод и бор) способствует повышению износостойкости и сопротивления усталости сталей. Эти элементы обладают свойством сегрегации к дислокациям даже при комнатной температуре, что блокирует их движение и упрочняет поверхностный слой, а это в свою очередь препятствует развитию усталостных трещин.

При ионной имплантации никеля бором усталостная прочность увеличивается более чем на 100 %.

Увеличение усталостной прочности обусловлено не действием остаточных напряжений сжатия, возникающих при ионной имплантации, как считалось раньше, а торможением развития усталостных трещин вследствие снижения подвижности дислокаций.

Для повышения антифрикционных свойств может выполняться имплантация ионов молибдена и двойного количества ионов серы. Совместная имплантация может стать новым методом формирования антифрикционных и других специальных легированных слоев.

Имплантируя титан, получают на поверхности аморфную фазу Ti-C-Fe, что приводит к снижению трения и износа.

Ионная имплантация широко используется для повышения коррозионной стойкости стальных деталей. С этой целью имплантируют ионы.

Локальная термическая обработкаосуществляет модифицирование структуры поверхностного слоя. При этом обеспечиваются такие температурно-временные режимы и результаты упрочнения, которые сложно или невозможно получить традиционными способами термической обработки, а именно:

- высокие скорости нагрева и охлаждения (скорости нагрева достигают величин 10⁴... 10⁸ К/с, а скорости охлаждения - 10³... 10⁴ К/с в зависимости от времени воздействия и энергии излучения, а также от режимов работы лазера). Такие режимы нагрева и охлаждения приводят к неравновесному протеканию фазовых превращений, к смещению критических точек А_с и А, образованию пересыщенных твердых растворов с мелкодисперсными структурами вплоть до аморфных. В результате формируется слой с повышенной твердостью (превышает на 15 ... 20 % твердость после закалки существующими способами), с хорошим сопротивлением износу и схватыванию при трении;

- возможность упрочнения поверхностей в труднодоступных местах (полости, углубления), куда луч лазера может быть введен с помощью оптических устройств;

- использование лазера позволяет резко уменьшить глубину закаленного слоя и эффективно управлять его величиной.

Лазерное закаливание используется для упрочнения режущего и мерительного инструмента, рабочих кромок матриц и пуансонов на глубину до 0,15 мм (импульсное излучение) и до 1,5 мм (непрерывное излучение). На инструментальных сталях твердость составляет 63 ... 67 HRC. Шероховатость обрабатываемой поверхности при этом не изменяется.

Установлено, что использование лазерного излучения в качестве источника нагрева при термопластическом упрочнении никелевых сплавов позволяет получать в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия величиной до 10 ГПа.

При лазерной термической обработке можно создать условия избирательного испарения выступов неровностей, которые приводят к снижению шероховатости поверхности.

Лазерная наплавкаявляется одним из наиболее перспективных способов восстановления ответственных деталей ГТД, в частности лопаток турбин и компрессоров. Ее основными достоинствами являются возможность устранения небов восстановления ответственных деталей ГТД, в частности лопаток турбин и компрессоров. Ее основными достоинствами являются возможность устранения небольших дефектов без разогрева примыкающей к дефекту поверхности и отсутствие поводок при наплавке.

Лазерную наплавку производят в камерах с защитной атмосферой или с поддувом инертного газа. В качестве присадочных материалов используют проволоку, фольгу или порошковые материалы.

Лазерная наплавка порошковыми металлическими сплавами при минимальном термическом воздействии позволяет повысить в несколько раз работоспособность деталей в тяжелых температурных, эрозионных и других условиях эксплуатации.