Спосіб підвищення конструктивної міцності сталевих виробів

Спосіб підвищення конструктивної міцності сталевих виробів, який включає створення поверхневого нанокристалічного шару методом енергетичної дії на поверхню виробу, який відрізняється тим, що енергетичну дію здійснюють бомбардуванням виробу низькоенергетичними іонами у середовищі інертного газу при тиску 1,2-1,6-10-1 Па, потенціалі 1050-1100 В та силі струму 90-105 А, при цьому процес ведуть за циклічною схемою з паузами для охолодження та без фокусування потоку, а кількість циклів не перевищує 2-3 за тривалістю бомбардування 1-1,5 хв. кожний та паузами теж 1-15 хв. (19) (21) u201008421 (22) 05.07.2010 (24) 27.12.2010 (46) 27.12.2010, Бюл.№ 24, 2010 р. (72) ПОНОМАРЕНКО ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ, Д'ЯЧЕНКО СВІТЛАНА СТЕПАНІВНА, ПОДРИГАЛО МИХАЙЛО АБОВИЧ, ЛОБАНОВ ВІКТОР КОСТЯНТИНОВИЧ, ПАШКОВА ГАЛИНА ІВАНІВНА (73) ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ, ПОНОМАРЕНКО ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ, Д'ЯЧЕНКО СВІТЛАНА СТЕПАНІВНА, ПОДРИГАЛО МИХАЙЛО АБОВИЧ 3 - велика тривалість процесу у зв'язку зі зміцненням не всього виробу одночасно, а послідовним нанесенням індентором окремих ударів; - утрудненість забезпечення однорідної деформації поверхні, а отже, однакового її зміцнення і створення рівномірного поверхневого наносталічного шару, особливо при складній формі виробу; - необхідність створення спеціальних пристроїв для обробки поверхні виробу в залежності від його форми і розмірів; - утворення на поверхні специфічного рельєфу у вигляді гофрів або спіралей [6], що негативно впливає на конструктивну міцність; - необхідність стабілізуючої термічної обробки. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу підвищення конструктивної міцності сталевих виробів шляхом створення поверхневого нанокристалічного шару по всій поверхні з забезпеченням одночасної обробки всього виробу та гарантією стабільних, механічних властивостей без додаткової термічної обробки. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що у відомому способі підвищення конструктивної міцності сталевих виробів, який включає створення поверхневого нанокристалічного шару методом енергетичної дії на поверхню виробу, у відповідності до винахідницького задуму енергетичну дію здійснюють бомбардуванням низькоенергетичними іонами (~1кеВ) у середовищі інертного газу при тиску у камері (1,2-1,6) • 10-1 Па, потенціалі 1050-1100 В, силі струму 90-105 А, причому процес ведуть за циклічною схемою з паузами для охолодження та без фокусування потоку, а кількість циклів не перевищує 2-3 з тривалістю бомбардування 1-1,5 хв. кожний та паузами теж 1-1,5 хв. Для реалізації способу, що заявляється, використовують відомий пристрій типу «Булат» (наприклад, ННВ-66-И1). Виріб розміщують у вакуумній камері на відстані 270-300 мм від катода, зробленого з титану. При зменшенні відстані інтенсивність нагріву виробу підвищується, що може привести до його знеміцнення. Збільшення відстані знижує енергію іонів титану, внаслідок чого утруднюється утворення наноструктурного поверхневого шару. Бомбардування здійснюється в атмосфері аргону при тиску 1,2-1,6 • 10-1Па, який забезпечує утворення теплового потоку, що не перегріває виріб. Робоча напруга вибирається за умовЬ, щоб вона була вища за критичну і в той же час не надто високою, щоб не перегріти метал зразка. Для титану при тиску ~-10-3 Па критична напруга близька до 1000 В, тому при 1050-1100 В. Сила струму при іонній бомбардирові знаходиться у межах 90-105 А. При силі струму менше 80А порушується стабільність горіння дуги, використання більш високої сили струму суттєво підвищує температуру виробу. Для досягнення рівномірного і не дуже інтенсивного нагріву виробу, а також одержання на його поверхні нанокристаличного шару однакової товщини, бомбардування проводять без фокусування плазмового потоку, при цьому виріб обертається навколо своєї осі. Бомбардування виконують за циклічною схемою: 2-3 цикли по 1-1,5 хв. з паузами між ними для охолодження теж 1-1,5 хв. При 55911 4 такому процесі відбувається одночасна обробка всієї поверхні виробу незалежно від його величини та форми . Після цього виріб не потребує будьякої термічної обробки. Сталь 18ХГТ після гартування з високим відпуском має такі властивості: тимчасовий опір = 854 МПа, границя текучості 0,2 =717 МПа, відно сне подовження = 18%, відносне звуження = 64%. Після іонного бомбардування за указаними параметрами були отримані такі механічні властивості: = 1003 МПа, 0,2 = 962 МПа, = 15%, = 67%.. Отже, іонне бомбардування підвищило тимчасовий опір на 17%, границю текучості на 34 %, тоді як відносне подовження знизилося на 3%, а відносне звуження навіть підвищилося. Таким чином, спосіб обробки , що заявляється, дуже суттєво збільшує конструктивну міцність виробів. Для порівняння після гІдроекструзії цієї ж сталі підвищується на 10%, 0,2 на 15 % при тих же показ никах пластичності.При такому процесі відбувається одночасна обробка всієї поверхні виробу незалежно від його величини та форми . Після цього виріб не потребує будь-якої термічної обробки. Описаний спосіб відповідає сформульованим авторами вимогам : необхідно створити умови, які виключають перегрів виробу, чим унеможливлюється знеміцнення металу. З іншого боку параметри обробки мають забезпечити достатньо інтенсивний вплив на поверхню виробу, що необхідно для формування наноструктури у повеневому шарі. Для забезпечення цих вимог визначальними параметрами при іонному бомбардуванні є потенціал на поверхні виробу (робоча напруга), який визначає енергію іонів, що бомбардують поверхню, сила струму, яка обумовлює стабільність горіння дуги та інтенсивність розпилення катоду, тобто кількість іонів металу у плазмі, а також відстань виробу від катода. Прямі експерименти по вимірюванню нанотвердості показали, на прикладі "Nano Indenter 11" фірми " MTS systems" (США) показали, що при іонному бомбардуванні на поверхні виробу утворюється тонкий (~20 нм) шар нанокристалічної структури. Саме завдяки його формуванню відбувається збільшення конструктивної міцності. Таке унікальне збільшення конструктивної міцності пояснюється, по-перше, залікуванням поверхневих дефектів під час ІБ, а по-друге , особливою поведінкою нанокристалічного шару при деформуванні. Завдяки дуже великому об»єму поверхонь границь у нанокристалічних матеріалах при розтягуванні змінюється механізм деформації, поверхневий шар стає над пластичним, в ньому відбувається зерно граничне проковзування структурних елементів, яке унеможливлює утворення концентраторів напружень, чим і пояснюється відсутність окрихчення металу, незважаючи на таке велике зміцнення. До переваг способу, заявляється, належить: - одночасний та рівномірний енергетичний вплив на усю поверхню виробу, що гарантує утво 5 55911 рення стабільного, рівномірного по всій поверхні нанокристалічного шару - забезпечення стабільних механічних властивостей без використання додаткової механічної обробки виробу; - прискорення та спрощення процесу обробки . Як видно з вище сказаного відрізняльні ознаки способу, що заявляється, знаходяться в причиннонаслідковому зв'язку з одержаним технічним результатом. Під час вивчення патентної та технічної літератури автори не зустріли рішення з таким сполучення ознак. Можливість промислового застосування способу доказано вище. Просимо надати рішенню, що заявляється юридичну охорону у вигляді патенту України на корисну модель. Джерела посилань 1. Дьяченко С.С., Александров Н.Г., Золотько В.А. и др. Гидропрессование как малоотходный способ изготовления изделий с улучшеными свойствами. Харьков, изд-во «Основа» при ХГУ. 1991.105 с); Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 6 2. Ас СССР № 1096290 «Способ обработки упругих элементов» Автори Дьяченко С.С., Александров Н.Г.), рівноканального кутового пресування 3. Андриевский Р.А, Глезер A.M. Прочность наноструктур.// Успехи физических наук, т. 179, № 4, с. 337-358 4. Ас СССР №1507818 А1 Способ обработки стальних изделий. Автори: Дьяченко С.С, Горелкова Л.Е., и др. 5. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. и др.. Наноструктурирование покритий - эффективный способ упрочнения современных конструкцій и нструментальных материалов. // Физика металлов и металловедение, 2007. -т. 104.-№6-с.650-660). 6. Колобов Ю.Р., Кашин О.А,, Дударев Е.Ф. и др. Влияние ультразвукового деформирования поверхности на структуру и механические свойства поликристаллического и нанокристаллического титана.// Известия ВУЗов, Физика. 2000.-№9.-с.4550. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601