Разработан новый метод обработки стали, увеличивающий срок ее службы в десятки и тысячи раз

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разработали новый метод обработки стали с помощью воздействия импульсного пучка ионов металлов и газов. Лабораторные эксперименты показали, что такой подход способен менять структуру и свойства материала, улучшая его эксплуатационные характеристики. Так, ученым удалось повысить износостойкость стали марки AISI 420 в 50 раз, а стали марки AISI 321 — в 3500 раз.

В настоящее время сталь является основным конструкционным материалом для изготовления деталей машин и технологического оборудования во всех отраслях промышленного производства. Для увеличения их срока службы используют разные способы повышения износостойкости стали.

Одним из перспективных подходов является применение ионной имплантации — метода, позволяющего модифицировать поверхностные слои сталей с существенным снижением их трения, повышением твердости, усталостной прочности и устойчивости к коррозии. Однако применение этого метода ограничивается относительно небольшой глубиной модифицированного слоя, что часто оказывается недостаточным для критических условий эксплуатации, предполагающих длительную устойчивость к механическим нагрузкам.

Ученые Томского политеха разработали подход, обеспечивающий возможность формирования ионно-легированных слоев с толщинами от единиц до десятков микрометров.

Метод предполагает совмещение нескольких процессов обработки, влияющих на микроструктуру и свойства материала. Наряду с импульсно-периодической высокоинтенсивной имплантацией ионов с энергией в диапазоне от 50 до 100 кэВ, авторы использовали радиационно-стимулированную диффузию, импульсный нагрев поверхности пучком высокой импульсной плотности мощности в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен кВт/см2 и сверхбыстрое охлаждение приповерхностного слоя за счет отвода тепла с поверхности вглубь материала.

«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 счет эффекта сверхзакалки», — рассказала один из авторов исследования, младший научный сотрудник научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Ольга Корнева.

На следующих этапах исследования ученые планируют продолжить изучение механических свойств ионно-легированных слоев, проведут анализ характера износа и основных причин и видов повреждений. Конечная цель — разработать технологию, которую можно будет внедрить на действующих промышленных предприятиях для создания новых или усовершенствованных деталей машин, инструментов, компонентов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации