Способ формирования слоя с ферромагнитными свойствами на поверхности хромосодержащей аустенитной стали

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЯ С ФЕРРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ НА ПОВЕРХНОСТИ ХРОМОСОДЕРЖАЩЕЙ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белый Алексей Владимирович Кукареко Владимир Аркадьевич Таран Игорь Иванович Ших Сергей Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физикотехнический институт Национальной академии наук Беларуси(56) БЕЛЫЙ А.В. и др. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. - Мн. Физико-технический институт, 1998. - С. 34, 35,138.1071 , 2003.2007501 1, 1994.2044801 1, 1995.852966, 1981. БЕЛЫЙ А.В. и др. Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения Сб. научн. тр. - Мн. ПГУ, Технопринт, 2001. - С. 193-196.(57) Способ формирования слоя с ферромагнитными свойствами на поверхности хромосодержащей аустенитной стали, заключающийся в том, что проводят ионную очистку поверхности образца стали, нагревают образец стали до температуры 400-600 С и осуществляют ионно-лучевую имплантацию азота не менее двух часов с энергией ионов азота 2-3 кэВ и плотностью ионного тока 1,5-2,5 мА/см 2. Изобретение относится к ионно-лучевым технологиям получения материалов со специальными свойствами, в частности к способам формирования магнитных свойств в поверхностном слое аустенитных сталей с высоким содержанием хрома. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ формирования на поверхности коррозионно-стойкой аустенитной стали 304 (аналог стали Х 18 Н 10 Т) гексагональной -фазы 2- в парамагнитном (при х 0) и ферромагнитном (при х 0) состояниях 1. Данный способ основан на методе низкоэнергетической имплантации. Для этого изделие помещают в рабочую камеру, оснащенную автономным ионным источником, в которой создается разряжение до 10-4 Па. Затем на ионный источник подается напряжение, обеспечивающее энергию ионов азота до 10 кэВ и плотность ионного тока до 2,5 мА/см 2. Изделие в процессе ионной имплантации нагревается до температуры 380 С. В результате такой обработки на поверхности стали образуется слой с ферромагнитными свойствами. 11506 1 2009.02.28 Недостатками этого способа являются высокая энергия и плотность ионного тока, которые обеспечиваются сложными техническими устройствами, а также большая длительность процесса, которая необходима для набора высокой дозы. Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности получения магнитных свойств в поверхностном слое хромсодержащих сталей аустенитного класса методом низкоэнергетического ионно-лучевого легирования при высоких плотностях ионного тока. Поставленная задача решается тем, что в способе формирования слоя с ферромагнитными свойствами на поверхности хромосодержащей аустенитной стали проводят ионную очистку поверхности образца стали, нагревают образец стали до температуры 400-600 С и осуществляют ионно-лучевую имплантацию азота не менее двух часов с энергией ионов азота 2-3 кэВ и плотностью ионного тока 1,5-2,5 мА/см 2. В Физико-техническом институте НАН Беларуси проводилось ионно-лучевое азотирование стали 12 Х 18 Н 10 Т следующим образом. Образцы стали помещали в рабочую камеру вакуумной установки, оснащенную автономным ионным источником. Используемый ионный источник относится к классу ускорителей с анодным током и имеет простую и надежную конструкцию. Откачивали камеру до остаточного давления 10-3 Па, на анод ионного источника подавали напряжение 2-3,5 кВ и проводили ионную очистку аргоном обрабатываемой поверхности образцов при плотности ионного тока 1,5 мА/см 2. Время очистки составляло 10-15 мин. Затем осуществляли прогрев образцов резистивным нагревателем до температуры 400-600 С и облучали образец потоком ионов азота, который формируется тем же ионным источником при ускоряющем напряжении 2,5-3,0 кВ с плотностью ионного тока 1,5-2,5 мА/см 2. Время обработки составляло 2 ч, при этом поглощенная доза составляла 31019 ионов/см 2. Затем выключают блок питания, подающий ускоряющее напряжение на ионный источник, и выключают нагреватель изделия. После снижения температуры изделия до температуры не выше 100 С, которая контролируется термопарой, в рабочую камеру вакуумной установки подается атмосферное давление. Основные параметры режима ионно-лучевого азотирования приведены в табл. 1. Таблица 1 Режимы ионно-лучевой обработки образцов Основные параметры обработки Прототип Заявляемый способ Энергия ионов, кэВ 10 2-3 2 Плотность ионного тока, мА/см 2,5 1,5-2,5 2 16 17 Доза, ионов/см 10 -10 31019 Температура образца, С 380 400-600 Толщина слоя, мкм 25-30 Из таблицы видно, что энергия ионов в заявляемом способе меньше, чем в прототипе в 4 раза. Это значительно снижает технические требования к блоку питания ионного источника и является более энергоэкономичным и безопасным в производстве. При этом поглощенная доза в модифицированном слое превосходит прототип на два-три порядка. На стадии ионной очистки поверхность образца очищается от адсорбированных атомов газов вследствие их распыления высокоплотным потоком ионов. При ионно-лучевой обработке азотом в поверхностных слоях изделия происходят два конкурирующих процесса распыление поверхностных слоев изделия и внедрение (имплантация) атомов азота в поверхностный слой. Однако вследствие малой массы и радиуса атома азота процесс имплантации значительно превалирует над распылением, а за счет повышенной температуры развиваются процессы радиационно-стимулированной диффузии, которые обеспечивают проективный пробег до 30 мкм, что значительно превышает глубину внедрения 2 11506 1 2009.02.28 при комнатных температурах. Формирование магнитных свойств в модифицированном поверхностном слое происходит вследствие образования наноразмерных ферромагнитных частиц -железа в результате структурно-фазовых превращений. Результаты исследования магнитных свойств образцов стали 12 Х 18 Н 10 Т, модифицированных ионами азота при различных температурах, ионных токахи дозах , показаны в табл. 2. Таблица 2 Магнитные свойства поверхностного слоя стали 12 Х 18 Н 10 Т после ионно-лучевой обработки азотом Режим ионной обработки образцов стаМагнитная проницаеКоэрцитивная сила,ли 12 Х 18 Н 10 Т мость, отн. ед. А/м 2 Без обработки 190 30 19 1400 120 420 С,2 мА,310 2400 300 470 С,2 мА,31019 19 640 700 500 С,2 мА,310 19 2580 450 450 С,1,5 м,510 19 560 1050 500 С,1,5 м,510 В исследуемом интервале температур ионного азотирования регистрируется возрастание магнитной проницаемости и коэрцитивной силы у модифицированных слоев парамагнитной стали 12 Х 18 Н 10 Т. При этом наиболее существенное увеличение магнитных свойств обнаруживается в результате ионной обработки стали при 400-480 С. Магнитная проницаемость модифицированных азотом слоев в случае обработки ионным пучком с плотностью тока 2 мА/см 2 выходит на уровень максимальных значений после облучения при температуре 450 С, а коэрцитивная сила достигает максимума при той же плотности тока ионного пучка в результате обработки при температуре 470 С. Уменьшение плотности тока ионного пучка до 1,5 мА/см 2 и увеличение продолжительности облучения приводит к понижению температуры ионной обработки, обеспечивающей максимальную магнитную проницаемость, до 420 С, а максимальная коэрцитивная сила отвечает температуре ионно-лучевой обработки 480 С. Указанные особенности формирования магнитных свойств ионно-модифицированных слоев могут быть использованы для целенаправленного получения слоев с высоким комплексом магнитных характеристик. Источники информации 1. БЕЛЫЙ А.В. и др. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. - Мн. Физико-технический институт, 1998. - С. 34, 35, 138. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3