Увеличение срока службы стали в десятки раз — это не фантастика, а результат комплексного подхода, сочетающего правильный выбор сплава, способы его обработки и методы защиты. Чтобы стальная деталь «жила» вместо года двадцать или тридцать лет, нужно воздействовать на её структуру и поверхность.
Традиционные методы (закалка, цементация, азотирование) меняют свойства всей детали или толстого слоя металла. Сейчас одним из самых перспективных методов повышения износостойкости считается ионная имплантация, она позволяет «внедрять» атомы одного вещества в кристаллическую решётку другого на атомарном уровне.
Ионная имплантация — это процесс бомбардировки поверхности материала пучком ускоренных ионов (например, азота, углерода, бора или титана) в вакуумной камере. Если представить поверхность стали как плотный паркет, то ионная имплантация — это стрельба из автомата одиночными пулями (ионами) по этому паркету. Эти «пули» пробивают поверхность и застревают в толще металла на глубине от нескольких нанометров до нескольких микрон. В отличие от нанесения покрытий, которые могут отслоиться, ионная имплантация меняет саму структуру поверхности.
Однако у технологии есть серьёзный недостаток — модифицированный ионами слой имеет небольшую глубину, и его часто бывает недостаточно, когда требуется длительная устойчивость к механическим нагрузкам.
Учёные Томского политеха смогли усовершенствовать этот метод и увеличить защитный слой до десятков микрометров, сообщили в пресс-службе вуза. Для этого они совместили несколько подходов. В частности, наряду с импульсно-периодической высокоинтенсивной имплантацией ионов применили радиационно-стимулированную диффузию, а также сверхбыстрое охлаждение приповерхностного слоя.
Научная команда Томского политеха
В основе метода — обработка поверхности стали мощными импульсными пучками ионов металлов и газов. Такой подход изменяет микроструктуру и свойства материала, что приводит к многократному увеличению его износостойкости.
В экспериментах учёным удалось повысить износостойкость стали марки AISI 420 в 50 раз и стали марки AISI 321 в 3500 раз.
Метод предполагает совмещение нескольких процессов, влияющих на микроструктуру и свойства материала. Наряду с импульсно-периодической высокоинтенсивной имплантацией ионов с энергией в диапазоне от 50 до 100 кэВ, имеет место радиационно-стимулированная диффузия при плотности ионного тока порядка 1 А/см2, импульсный нагрев поверхности пучком высокой импульсной плотности мощности в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен кВт/см2, сверхбыстрое охлаждение приповерхностного слоя за счёт отвода тепла с поверхности вглубь материала.
Как это работает?
Метод сочетает несколько процессов:
• Импульсно-периодическую имплантацию ионов с энергией 50–100 кэВ.
• Радиационно-стимулированную диффузию.
• Импульсный нагрев поверхности пучком высокой плотности мощности.
• Сверхбыстрое охлаждение приповерхностного слоя, что предотвращает деградацию свойств материала и дополнительно улучшает его структуру за счёт эффекта сверхзакалки.
«Сверхбыстрое охлаждение решает проблему снижения температуры матричного материала при имплантации до уровня, при котором не происходит деградация его свойств. С другой стороны, сверхбыстрое охлаждение даже без ионного легирования может существенно повлиять на микроструктуру и эксплуатационные свойства материала за счёт эффекта сверхзакалки», — рассказывает соавтор исследования, младший научный сотрудник научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Ольга Корнева.
Преимущества технологии
- Значительное повышение твёрдости, усталостной прочности и коррозионной устойчивости.
- Возможность формирования модифицированных слоёв толщиной от единиц до десятков микрометров.
- Потенциал для промышленного внедрения: детали машин, инструменты и компоненты с новыми эксплуатационными характеристиками.
- На следующих этапах исследования учёные продолжат изучать широкий ряд механических свойств ионно-легированных слоёв, таких как микротвёрдость, износостойкость, коррозионная и усталостная прочности, включая определение коэффициента трения, механизмов износа и поведения поверхностей при контакте. Проведут анализ характера износа и основных причин и видов повреждений.
Образец сверхпрочной стали
На следующих этапах исследования учёные продолжат изучать широкий ряд механических свойств ионно-легированных слоёв, таких как микротвёрдость, износостойкость, коррозионная и усталостная прочности, включая определение коэффициента трения, механизмов износа и поведения поверхностей при контакте. Проведут анализ характера износа и основных причин и видов повреждений.
«Наша конечная цель — разработать технологию, которую можно будет внедрить на действующих промышленных предприятиях для повышения износостойкости, долговечности продукции, а также для создания новых или усовершенствованных видов продукции — деталей машин, инструментов, компонентов с повышенными эксплуатационными характеристиками», — резюмирует Ольга Корнева.
Результаты исследования опубликованы в журнале The European Physical Journal.
Егор Петров
