CC BY
12
УДК 537.534:539.422.24:620.178.152.34
ФОРМИРОВАНИЕ СОСТАВА ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСКОРЯЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ Cr+
Воробьев в.л., 1быков п.в., 1баянкин в.я., 1новоселов а.а., 2буреев о.а.,
3ШУШКОВ А.А., 3ВАХРУШЕВ А.В.
Физико-технический институт УрО РАН, 426001, г. Ижевск, ул. Кирова, 132 Институт электрофизики УрО РАН, 620216, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106 Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Исследовано влияние ускоряющего напряжения импульсного облучения (20, 30, 40 кВ) ионами Cr+ на изменение состава и твердости приповерхностных слоев, а также морфологии поверхности углеродистой стали Ст3. Установлено уменьшение максимума концентрации ионно-легированного хрома от 22 до 13 ат.% с увеличением ускоряющего напряжения от 20 до 40 кВ. Выявлено формирование в приповерхностных слоях оксидов Cr2O3, CrO2, CrO3 и FeO, Fe2O3. Показано увеличение твердости приповерхностного слоя глубиной 250 нм на 20 % после облучения с ускоряющим напряжением 20 кВ.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: поверхностное упрочнение, механические свойства, ионно-лучевое перемешивание, состав поверхностных слоев, термообработка.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из ключевых проблем научно-технического прогресса является улучшение качества материалов, как инструментального, так и машиностроительного производства. Важное место в решении данной проблемы принадлежит поверхностным слоям твердых тел, поскольку требования, предъявляемые к высокотехнологичным материалам со специфичными служебными характеристиками, подразумевает наличие у них особых поверхностных свойств, которые отвечают за износостойкость, коррозионную и усталостную прочность. В промышленности уже давно и весьма широко применяют такие методы поверхностного упрочнения деталей, как азотирование, цементация и др. Одним из методов, активно развивающимся в последнее десятилетие, является ионно-лучевое легирование [1 — 4]. Данный метод позволяет в десятки раз сократить время и температуру воздействия на материал, производить селективную обработку отдельных участков детали, а также имеется возможность автоматизировать процесс обработки. Трудность применения метода ионной имплантации связана с недостаточной изученностью связи параметров имплантируемых ионов с их концентрацией в твердом теле. В настоящее время отсутствует единый подход к вопросу назначения технологических режимов обработки металлов с использованием процесса ионного легирования.
Целью данной работы являлось исследование влияния ускоряющего напряжения импульсного облучения ионами Сг+ на состав и структуру поверхностных слоев, морфологию поверхности и твердость углеродистой стали Ст3.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы Ст3 представляли собой пластины длиной 30 мм, сечением 8x2 мм , вырезанные из листа в состоянии поставки электроискровой резкой. Состав образцов в исходном состоянии: Fe - основа, С - 0,2 %, Мп - 0,4 %, и Si - 0,15 %. Образцы подвергались механической полировке с использованием полирующих паст и очистке в органических растворителях. Рекристаллизационный отжиг образцов осуществлялся при температуре 800 °С в течение 2 часов в вакууме ~ 10-4 Па.
Облучение ионами хрома Сг+ проводилось в импульсно-периодическом режиме с параметрами облучения, представленными в табл. 1. Абсолютное значение дозы определялось по плотности среднего тока ионов пучка в предположении, что все ионы однозарядные, хотя в пучке возможно присутствие ионов с зарядами от +1 до +6. Образцы крепились на массивном водоохлаждаемом коллекторе, температура образцов до облучения составляла 20 °С и во время облучения для оценки температуры использовались показания термопары, присоединенной к контрольному образцу, который облучался ионным пучком одновременно с образцами. В табл. 1 приводится максимальная температура контрольного образца, достигнутая во время ионной обработки. После имплантации образцы охлаждались в вакууме в течение 10 - 20 мин.
Таблица 1
Режимы импульсного облучения ионами образцов из углеродистой стали Ст3
Образцы Ионы Флюенс Режим Время облучения
Сталь 3 Сг 1-1018 20 кВ; 2,6 мА/см2; 25 Гц; 0,4 мс; 140 °С 1 ч 43 мин
Сталь 3 Сг 1-1018 30 кВ; 3,2 мА/см2; 25 Гц; 0,4 мс; 300 °С 1 ч 23 мин
Сталь 3 Сг 1-1018 40 кВ; 4,2 мА/см2; 25 Гц; 0,4 мс; 310 °С 1 ч 3 мин
Примечание: смена облучаемой стороны проводилась при атмосферном давлении на (воздухе).
Исследования топографии проводились с помощью атомно-силового микроскопа SOLVER 47 PRO в контактном режиме. Средняя арифметическая шероховатость (Ra) поверхности рассчитывалась по изображениям 15 участков с базовым размером 1*1 мкм для каждого образца с помощью программы Image Analysis 3.5.0.
Химический состав приповерхностных слоев определяли с помощью метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на спектрометре SPECS, с использованием AlKa-излучения (E = 1486,6 эВ) в сочетании с послойным травлением ионами аргона (расчетная скорость травления ~ 1 нм/мин).
Микротвердость поверхностных слоев определялась методом индентирования на установке NanoTest600 по методике Оливера-Фарра с использованием индентора Берковича (трехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 65,3° и радиусом закругления около 200 нм). Измерения проводили при нагрузке, соответствующей глубине индентирования ~ 250 нм, время нагрузки и разгрузки точки индентирования составляло 20 с, время выдержки при нагружении - 10 с. С целью повышения достоверности полученного результата процедуру измерения производили не менее 15 раз.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования состава приповерхностных слоев углеродистой стали Ст3 методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) показали, что с увеличением ускоряющего напряжения от 20 до 40 кВ происходит уменьшение максимума концентрации ионно-легированного хрома от 22 до 13 ат.% (рис. 1).
Содержание кислорода в приповерхностных слоях облученных образцов, особенно после облучения с ускоряющим напряжением 20 кВ, увеличивается относительно содержания кислорода в приповерхностных слоях исходного образца (рис. 2). Однако, если в исходном образце это адсорбированный из воздуха кислород, то после облучения, по всей видимости, перемешанный ионным пучком с элементами приповерхностного слоя стали кислород, адсорбированный как из воздуха, так и из остаточной атмосферы вакуума в камере имплантера.
Достаточно высокие значения концентрации ионно-легированного хрома (10 - 20 ат.%), внесенной примеси кислорода (до 50 ат.%), температуры процесса и энтальпии образования оксидов Fe и Сг способствовали их формированию в условиях ионного облучения. Анализируя РФЭС спектры 2р3/2 Сг и 2р3/2 Fe, было выявлено формирование в приповерхностных слоях облученных образцов оксидов Сг203, Сг02, СЮз и FeO, Fe2O3 [5] (рис. 3), стандартные энтальпии образования ДН°298 которых составляют -1140,6; -585,8; -590 и -264,8; -822,2 кДж/моль [6, 7], соответственно.
Рис. 1. Изменение содержания хрома по глубине в образцах стали Ст3, облученных ионами с U = 20 (1), 30 (2) и 40 кВ (3)
Рис. 2. Изменение содержания кислорода по глубине в образцах стали Ст3 в исходном состоянии (1) и после облучения ионами с ускоряющими напряжениями 20 (2), 30 (3) и 40 кВ (4)
Ч -I------ Г
579 576
Binding Energy (eV)
а) б)
Рис. 3. РФЭС спектры 2p3/2Fe (а) и 2p3/2Cr (б) на глубинах ~10 и ~30 нм, соответственно, от поверхности образцов стали Ст3, облученных ионами Cr+ с ускоряющим напряжением 20 кВ
Исследования топографии поверхности методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) свидетельствуют о том, что, хотя изменения в рельефе поверхности образцов до и после облучение ионами Сг+ в плане изменений параметра шероховатости Я не проявляются (табл. 2), однако вид рельефа поверхности изменяется (рис. 4). Если в исходном состоянии рельеф поверхности представляет собой следы предшествующей механической полировки (рис. 4 а), то после облучения на более однородной поверхности проявляются пики округлой формы (рис. 4 б, в). Подобные изменения морфологии поверхности исследуемой стали наблюдались при облучении ионами Аг+ и Мп+ [4, 8]. Наличие порядка в расположении атомов и существование резкой границы раздела твердое тело - вакуум может приводить к возникновению в мишени ряда «структурных» эффектов, отождествляемых с монокристаллами - преимущественное распыление атомов вдоль плотноупакованных направлений [9], что предположительно являться причиной появления наблюдаемых пиков
Таблица 2
Изменение средней арифметической шероховатости (Д^ поверхности образцов углеродистой стали Ст3, облученной ионами
Ускоряющее напряжение, кВ Шероховатость Яа, нм СКО
- 9,5 2,3
20 7,1 2,3
30 11,0 4,1
40 10,5 3,5
Рис. 4. Морфология поверхности образцов углеродистой стали Ст3 в исходном состоянии (а) и после облучения ионами с U = 30 (б) и 40 (в) кВ
Значение микротвердости приповерхностного слоя 250 нм исследуемой стали в исходном состоянии составляет 3,15 ГПа и увеличивается на 20 % после облучения с наименьшим из выбранных ускоряющим напряжением 20 кВ (рис. 5). Естественно предположить, что увеличение микротвердости связано с образованием радиационных
дефектов, а также оксидов железа и хрома. С увеличением ускоряющего напряжения до 30 и 40 кВ происходит уменьшение микротвердости до значения, соответствующего микротвердости исходного образца (рис. 5). Возможно, это связано с термическим отжигом дефектов, генерируемых облучением, поскольку увеличивается температура образцов в процессе облучения от 130 до 310 °С.
ВЫВОДЫ
Установлено уменьшение максимума концентрации ионно-легированного хрома от 22 до 13 ат.% с увеличением ускоряющего напряжения от 20 до 40 кВ.
Выявлено формирование в приповерхностных слоях образцов стали Ст3, облученных ионами Cr+, оксидов Cr2O3, CrO2, CrO3 и FeO, Fe2O3.
Показано увеличение микротвердости приповерхностного слоя 250 нм на 20 % после облучения с ускоряющим напряжением 20 кВ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума РАН № 12-П-2-1040).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П. Закономерности и механизмы износа феррито-перлитной стали, имплантированной ионами молибдена // Трение и износ. 2002. Т. 23, № 5. С. 529-536.
2. Лаврентьев В.И., Погребняк А.Д. Воздействие ионных пучков на железо и стали // Металлофизика и новейшие технологии. 1996. Т. 18, № 11. С. 18-39.
3. Воробьев В.Л., Быков П.В., Баянкин В.Я., Шушков А.А., Вахрушев А.В., Орлова Н.А. Влияние облучения ионами аргона с различными плотностями ионного тока на изменение усталостной прочности углеродистой стали Ст.3 // Физика и химия обработки материалов. 2012. № 6. С. 5-9.
4. Воробьев В.Л., Быков П.В., Баянкин В.Я., Быстров С.Г., Порсев В.Е., Буреев О.А. Изменение состава и структуры поверхностных слоев, морфологии поверхности и механических свойств углеродистой стали Ст.3 в зависимости от дозы импульсного облучения ионами хрома // Физика и химия обработки материалов. 2013. № 3. С. 18-25.
5. Нефедов В.И. Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений : справочник. М. : Химия, 1984, 256 с.
6. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. М. : Химия, 1977. 376 с.
7. Рябухин А.Г., Груба О.Н. Расчет стандартной энтальпии кристаллических оксидов хрома // Физическая химия и технология неорганических материалов. Известия Челябинского НЦ. 2006. Вып. 2 (32). С. 29-32.
8. Воробьев В.Л., Быков П.В., Баянкин В.Я. Влияние скорости набора дозы ионов марганца на изменение механических свойств, морфологии и состава поверхностных слоев углеродистой стали // Физика металлов и металловедение. 2012. Т. 113, № 11. С. 1153-1159.
9. Бериш P. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. I. Физическое распыление одноэлементных твердых тел. М. : Мир, 1984. 336 с.
Рис. 5. Изменение твердости приповерхностного слоя глубиной ~250 нм в зависимости от ускоряющего напряжения импульсного облучения ионами
COMPOSITION OF SURFACE LAYERS OF CARBON STEEL DEPENDING ON ACCELERATING VOLTAGE PULSE Cr+ ION RADIATION
:Vorobiev V.L., :Bykov P.V., ^ayankin V.Ya., ^ovoselov A.A., 2Bureev O.A., 3Shushkov A.A., 3Vakhrushev A.V.
Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk Russian 2Institute of Electrophysics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia 3Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russian
SUMMARY. The influence of the accelerating voltage of pulse irradiation (20, 30, 40 kV) with Cr+ ions on the changes in the hardness and composition of the surface layers and the surface morphology of carbon steel St3 is studied. Reduction of maximal concentration of implanted chromium from 22 to 13 at.% with increasing accelerating voltage from 20 to 40 kV is discovered. Formation of Cr2O3, CrO2, CrO3 and FeO, Fe2O3 oxides in the surface layers is revealed. It is shown that the hardness of the 250 nm thick surface layer increases by 20 % after irradiation with an accelerating voltage of 20 kV.
KEYWORDS: surface hardening, mechanical properties, ion-beam mixing, the composition of the surface layers, heat treatment.
Воробьев Василий Леонидович, кандидат технических наук, научный сотрудник ФТИ УрО РАН, тел. (3412)43-15-73, e-mail: Vasily_L.84@mail.ru
Быков Павел Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФТИ УрО РАН, тел. (3412)43-06-75, e-mail: less@ftiudm.ru
Баянкин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН
Новоселов Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФТИ УрО РАН
Буреев Олег Александрович, младший научный сотрудник ИЭ УрО РАН, тел. (3432)67-88-29, e-mail: bureev@iep.uran.ru
Шушков Андрей Александрович, кандидат технических наук, научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412)21-45-83, e-mail: ligrim@mail.ru
Вахрушев Александр Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией механики наноструктур ИМ УрО РАН, e-mail: postmaster@ntm.udm.ru
