4.5.2. Ионное легирование
Ионное легирование представляет собой процесс внедрения (имплантации) легирующего элемента в поверхностный слой заготовки в результате ее бомбардировки высокоэнеогетическими ионами. Этот способ широко применяют для легирования полупроводниковых материалов.
Ионное легирование приводит к увеличению концентрации дефектов (межузельных атомов и др.) в поверхностном слое заготовки. Возникающие при этом дефекты принято называть радиационными. При больших дозах облучения наблюдается аморфизация материалов в поверхностном слое из-за радиационных дефектов.
После ионного легирования наблюдается снижение шероховатости. При ионной бомбардировке поверхность заготовки нагревается, что способствуетлучшему проникновению ионов вглубь. В ходе ионного легирования наблюдается увеличение объёма поверхностного слоя вследствие образования вакнсионых микропор или газовых пузырьков.
С помощью ионного легироания можно получать метастабильные фазы и пресыщенные твёрдые растворы, которые нельзя получить другими способами.
Достоинства ионно-лучевой обработки:
Универсальность метода: в зависимости от энергии ионов можно производить:
А) легирование поверхностного слоя деталей;
Б) очистку поверхности;
В) распыление тонких слоёв металла с поверхности;
Г) осаждение покрытий.
2. Локальность обработки.
3. Высокая химическая чистота.
4. Возможность полной автоматизации процесса.
С помощью ионного легирования можно повысить следующие эксплуататционные свойства: износостойкось, коррозионную стойкость, усталостную прочность, радиационную стойкость, микротвёрдость, жаростойкость…
Недостатки метода: сложность оборудования, малая производительность, вредность производства…
4.5.3. Упрочнение взрывом
Сущность метода заключается в воздействии взрывной волны на обрабатываемую поверхность заготовок. Упрочнение при импульсных нагрузках взрывом значительно отличается от обычного упрочнения. Эффект упрочнения зависит от скорости удара. При взрыве в металле могут возникнуть высокие локальные температуры, вызывющие фазовые превращенияв локальных участках. Одновременно с этим действуют процессы, присщие обычному упрочнению при обычных скоростях деформирования.
Основные схемы упрочнения энергией взрыва:
а) б) в)
Рис. Способы упрочнения взрывом.
а) с укладыванием взрывчатого вещества на повехность детали; б) с использованием передающей среды; в) с метанием пластины на поверхность детали;
1 - деталь; 2 - заряд; 3 - передающая среда; 4 - метательная пластина
Схему а) используют для упрочнения деталей большого сечения, если к ним не предъявляют высоких требований по шероховатости и если предусматривают припуск на обработку поверхности, обработанной взрывом (ж/д рельсы ,звенья цепей экскаваторов, траки гусениц…). Можно применять и для точных деталей большого сечения. При этом припуск должен быть достаточен для устранения возникающих дефектов, но не должен превышать толщины упрочнённого слоя. При окончательной обработке резанием не допускается высоких температур и разупрочнения поверхности. Эту схему используют для повышения износостойкости, статической и усталостной прочности
Схемы б) и в) применяют для упрочнения точных и высокоточных деталей, в том числе сложной геометрической формы. Предающая среда защищаетобрабатываемую поверхность от повреждений в результате действия взрывчатого вещества, передаёт импульс взрыва, воздействует на обрабатываемую поверхность. Регулирует давление и время действия взрывного импульса. Плотность среды должна быть тем большей, чем больше нужно получить глубину и степень наклёпа и чем выше твёрдость обрабатваемого материала. В качестве передающей среды используют воздух, воду и другие вещества.
Технологический процесс упрочнения взрывом характеризуется следующими основными параметрами:
Вид взрывчатого вещества:
|
Взрывчатое вещество или устройство |
Консистенция вещества или размещение устройства |
Область применения |
|
Гексоген |
Флегматизированный |
Основной заряд |
|
Тротил |
Прессованный |
Основной заряд |
|
Тротил |
Порошкообразный |
Основной заряд |
|
PENT |
Пластический |
Основной заряд |
|
ТЭН |
В детонирующем шнуре |
Основной заряд, вспомогательный заряд |
|
Аммонит |
Порошкообразный |
Основной заряд |
|
Элктродетонатор |
|
Инициирующий заряд |
Форма заряда: сферическая, цилиндрическая, плоская – определяет форму ударной волны и продолжительность воздействия на заготовку.
Масса заряда – определяет силу ударной волны.
Дистанция взрыва – определяет силу ударной волны.
Предающая среда – регулирует силу и равномерность воздействия ударной волны.
Расчёт зарядов ведут по специальным методикам.
Наряду с упрочнением взрыв применяют для штамповки и сварки, причём сврка может сочетаться с упрочнением. При сварке взрывом в основном получают композитные материалы – плакированные листы. Листовые заготовки из углеродистой стали могут быть плакированы с обеих сторон листами из нержавеющей стали, причём, толщина наружных слоёв составляет всего 10…20% толщины среднего слоя.
Порядок сварки листового материала: листы для сварки укладывают пакетом, сверху насыпают слой взрывчатого вещества, устанавливают детонатор, производят взрыв. Од воздействием высокого давления происходит пластическая деформация поверхностных слоёв соединяемых листов, они разогреваются и сплавляются. Под действием ударной волны зона соединения приобретает волнистость, что обеспечивает исключительно высокую прочность соединения.
Трёхслойный лист после закалки и отпуска обладает таким сочетанием механических свойств, которое невозможно получить у каждого материал в отдельности - синэргетический эффект. Например, при плакировании стали 40Х (σв=600МПа) листами из более прочной стали 30ХГСА предел прочности повышается до σв=1400…1500МПа, но при этом относительное удлинение уменьшается с 30% до 7…10%.
Для упрочнения необходимо применять гораздо меньшую силу заряда, чтобы не изменить форму детали. В зависимости от материала, формы, размеров деталей для упрочнения при взрыве необходимо развивать давление р=5000…30000МПа.
Наибольшуючувствмтельность к упрчнению взрывом проявляютстали аустенитного класса. Например, у стали Г13Л твёрдость повышается надо 40%, и почти настолько же повышается износостойкость.
Основным преимуществом упрочнения взрывом являются: равномерность упрочнения по все упрочняемой поверхности, возможность упрочнения криволинейных, труднодоступных внешних и внутренних поверхностей, большие скорости деформации, большая производительность, возможность получения композиционных материалов высокого качества.
Область применения данного метода упрочнения: крестовины железнолорожных путей, зубья ковшей экскаваторов, детали дробилок, роликовые сербряно-медные контакты для электродвигателей (одновременно со сваркой), стали перлитного и мартенситного классов дают незначительный прирост твёрдости, но износостойкость их увеличивается существенно.