Специалисты лаборатории высокоинтенсивной ионной имплантации Томского политехнического университета создали инновационную технологию обработки сталей, основанную на применении импульсных пучков ионов металлов и газов. Исследователям удалось увеличить сопротивление износу стали марки AISI 420 в 50 раз, а для стали AISI 321 — в 3500 раз.
Константин Любимов
Данная работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № FSWW-2026-0047). Научная статья с результатами опубликована в журнале The European Physical Journal — Plus (квартиль Q2, импакт-фактор 2,9).
Сегодня сталь служит ключевым конструкционным материалом для производства деталей машин и промышленного оборудования во всех отраслях. Чтобы продлить срок их службы, применяют различные технологии увеличения износостойкости стальных сплавов.
Одним из многообещающих направлений считается ионная имплантация — методика модификации поверхностных слоев стали, ведущая к существенному снижению трения, росту твердости, усталостной прочности и коррозионной стойкости. Однако ее широкое использование сдерживается малой глубиной обработанного слоя, что может не соответствовать жестким требованиям эксплуатации, предполагающим длительное сопротивление значительным механическим нагрузкам.
В своем исследовании ученые ТПУ продемонстрировали способ, который позволяет формировать легированные ионами слои толщиной от нескольких до десятков микрометров.
Предлагаемый метод основан на комбинации нескольких процессов, воздействующих на микроструктуру и свойства материала. Он объединяет импульсно-периодическую высокоинтенсивную имплантацию ионов с энергией 50–100 кэВ, радиационно-стимулированную диффузию при плотности ионного тока около 1 А/см², импульсный нагрев поверхности пучком высокой импульсной мощности (от десятков до сотен кВт/см²), а также сверхбыстрое охлаждение приповерхностной зоны за счет отвода тепла вглубь образца.
«Сверхбыстрое охлаждение позволяет решить задачу снижения температуры основного материала в процессе имплантации до значений, исключающих ухудшение его свойств. Кроме того, даже без ионного легирования такой режим охлаждения может кардинально менять микроструктуру и эксплуатационные параметры материала благодаря эффекту сверхзакалки», — поясняет соавтор работы, младший научный сотрудник лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Ольга Корнева.
Эксперименты выявили, что воздействие на поверхность стали AISI 420 мощным импульсным пучком ионов титана субмиллисекундной длительности повысило ее износостойкость в 50 раз. В предыдущих работах научная группа уже показала, что высокоинтенсивная имплантация импульсно-периодическими пучками ионов азота высокой плотности мощности увеличивает сопротивление износу стали AISI 321 в 3500 раз.
На последующих этапах ученые планируют продолжить изучение комплекса механических характеристик ионно-легированных слоев, включая микротвердость, износостойкость, коррозионную и усталостную прочность, а также определить коэффициенты трения, механизмы износа и поведение поверхностей в контакте. Будет проведен анализ характера износа и установлены основные причины и типы повреждений.
«Наша конечная цель — создать технологию, пригодную для внедрения на промышленных предприятиях с целью повышения износостойкости и долговечности выпускаемой продукции, а также для разработки новых или усовершенствованных изделий — деталей машин, инструментов, компонентов с улучшенными рабочими характеристиками», — подводит итог Ольга Корнева. Информация предоставлена порталом «Научная Россия» .
КСТАТИ. Ранее «Химагрегаты» сообщали о том, что исследователи из Томского политехнического университета в кооперации с китайскими специалистами разработали высокоэффективный и экологичный метод получения золота из электронного лома. В основе технологии лежат специальные двумерные пористые органические структуры, содержащие встроенные «наноловушки».