Повышение эффективности ионной имплантации волнистой поверхности сопряжения элементов профильного соединения Текст научной статьи по специальности «Физика»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

УДК 621.787

А. П. МОРГУНОВ К. Н. ПАНТЮХОВА

Омский государственный технический университет

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ВОЛНИСТОЙ ПОВЕРХНОСТИ СОПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОФИЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ____________________________

Рассмотрена возможность повышения прочности элементов и неподвижности профильного соединения легированием и модифицированием ионной имплантацией сопрягающихся поверхностей. Исследовано влияние топографии исходной поверхности на глубину проникновения ионов и их распределения по глубине. Ключевые слова: профильное соединение, волнистая поверхность, ионная имплантация, эффект дальнодействия, топография поверхности, микровыступ.

Наиболее эффективным направлением ускоренных ионов при имплантации считается движение по нормали к обрабатываемой поверхности в связи с тем, что проникновение ионов возможно на весьма незначительную глубину. Изменение свойств материала при внедрении в него ионов происходит приблизительно до той глубины, на которую проникают ускоренные ионы, так как теория пробегов ионов в твердых телах разработана и позднее проверена. Причем в кристаллических структурах пробеги возрастают, если направление ионов совпадает с одной из главных кристаллографических осей. В этом случае часть ионов движется в каналах между плотно-упакованными рядами атомов (эффект каналирования). Во всех случаях пробеги при обычных энергиях ионов (порядка десятков килоэлектронвольт) весьма малы, составляют 0,1 — 1 мкм или немного более [4]. Однако обнаружено, что изменения простираются до глубины в десятки и сотни микрометров (эффект дальнодействия). Наличие макро- и микроотклонений, имеющихся на поверхности, нанесенных с целью повышения прочности и неподвижности элементов соединения, существенно влияет на глубину дальнодействия.

Несмотря на то, что сопрягаемые поверхности профильного соединения работают в условиях трения покоя, при многократном циклическом воздействии разрушение приповерхностных слоев неизбежно.

Как уже говорилось, ионы проникают на очень малую глубину, значительно меньшую допустимой величины износа поверхности детали пары трения. Но, сталкиваясь с атомами, они выбивают их из узлов; смещенные атомы, обладая большой кинетической энергией, выбивают другие атомы и т.д.

Рассмотрим влияние топографии исходной поверхности без учета эффекта дальнодействия и с учетом каскада смещений, возникающих в результате точечных дефектов, создаваемых ионами, схематически изображенном на рис. 1, на глубину изменения свойств материала.

Ион, сталкиваясь с поверхностью, производит своего рода микровзрыв, порождая высокочастотную гиперзвуковую акустическую волну (рис. 2).

Целесообразность применения ионной имплантации для повышения износостойкости поверхностей деталей узлов трения доказана многочисленными исследованиями [1—5] отечественных и зарубежных ученных. В узлах трения триботехнические показатели улучшаются, с одной стороны, благодаря легированию материала приповерхностных слоев деталей, с другой — благодаря изменению структуры материала.

Известно, что глубина слоя с измененными свойствами превышает пробег ионов на 3 — 4 порядка. В то же время требования к точности отдельных кинематических пар значительно возросли и находятся в пределах одного микрометра. Очевидно, возможность измерения отклонений профиля (формы) поверхности регламентируется высотой микронеровностей, которая не должна существенно влиять на измерения точности. Например, отклонения формы золотника авиационного агрегата находятся в пределах долей одного микрометра. Большинство конструкций профильных соединений, предложенных Шнейдером Ю. Г., Моргуновым А. П. и их учениками, имеют волнистый профиль сопрягаемых поверхностей.

ИОН

поверхность

траектория

Смещенных

атомов

Рис. 1. Схематическое изображение каскада атомных смещений при ионном облучении (по Тетельбауму)

Рис. 3. Влияние топографии исходной поверхности на глубину проникновения ионов и дальнодействия:

1 - профиль поверхности; 2 - граница проникновения ионов (условно); 3 - имплантируемые ионы

Рис. 2. Цепной процесс генерации акустических волн

Рис. 4. Влияние топографии исходной поверхности на глубину проникновения ионов и дальнодействия:

1 - профиль поверхности; 2 - граница проникновения ионов (условно); 3 - имплантируемые ионы;

4 - слабое сечение

Для удобства рассмотрим схематическое изображение соотношения выступов и впадин микрорельефа поверхности с глубиной изменения свойств материала в некотором масштабе. Примем высоту волны неровностей поверхности равной 1 мкм и шаг волны 3 мкм, глубину проникновения иона — 1 мкм, глубину изменения свойств с учетом дальнодействия, а конкретно с учетом каскада атомных смещений и генерации акустических волн, равной 1000 мкм.

На рис. 3 схематично представлено влияние геометрии (топографии) шероховатости на закономерность изменения глубины проникновения иона, как отображение вида микрорельефа поверхности. Здесь не учитывается изменение параметров шероховатости, т.е. возможное уменьшение выступов и впадин на поверхности в зависимости от исходных параметров при определенной дозе облучения.

При таком соотношении высоты и шага волны линия профиля проникновения ионов искажается примерно на 0,1 мкм. При высоте и шаге волны, равных 1 мкм, картина изменяется (рис. 4).

По мнению авторов работы [3], лишь ничтожно малая доля дефектов может проникать на большие глубины, так как основная масса их гибнет по пути вследствие рекомбинации, а другая часть связывается в малоподвижные комплексы.

Исходя из этого, можно утверждать, что четкой границы, например на глубине 1 мкм, быть не может. Очевидно, есть определенные границы диссипации энергии проникающих ионов. Тогда влияние топографии исходной поверхности на несущую способность приповерхностного слоя становится более достоверным. При определенном соотношении высоты и шага микровыступов появляются «слабые» сечения (рис. 3, 4). Они являются следствием значительного отличия микротвердости на границе глубины проникновения ионов и находящихся рядом слоев материала, подвергающихся воздействию каскада атомных смещений (рис. 1, 2), генерации акустических волн и т.д.

Отсутствие «слабых» сечений возможно в том случае, если глубина легированного слоя при ионной имплантации будет сравнима с высотой микровыступов. В промышленном применяемом диапазоне энергии (-105 эВ) для выбранных элементов проективный пробег может составить до -0,3 мкм. Таким образом, применение ионной имплантации целесообразно, если предварительная обработка обеспечит высоту микронеровностей 0,16 — 0,32 мкм и более.

Движение иона в матрице носит существенно случайный характер. Пробег иона не имеет строго определенного значения и находится в некоторой области, размеры которой порядка АЯ вблизи среднего значения траекторного пробега Япр (рис. 5).

В простейшей модели микровыступ может быть представлен в виде конуса с углом при вершине а. Из рис. 5 видно, что при некотором значении угла область, в которой происходит интенсивное движение атомов, выходит за пределы поверхности. В этом случае боковая поверхность будет сильно эродирована вследствие распыления, что приведет к ухудшению коррозионной стойкости и несущей способности поверхности.

Предельный угол, при котором возможен выход ионов на боковую поверхность, может быть найден из условий:

АЯ

а

Я

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

99

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

Рис. 5. Выход каскада столкновений на боковую поверхность выступа

Используя формулы [6]:

АЛ

Я

Лпр -

4М1М2 (М + М2 )2

і + ь

М2

М1

(2)

(3)

можно получить:

а - 2 агсБІп-

4 • Мі • М2 (Мі + М2 )2

М2

і + ь-------2

Мі

(4)

где а = 0,5- 1; Ь»1/3 — эмпирические коэффициенты. На рис. 6 представлена зависимость угла а от массы атомов матрицы (М^ и импланта (М2) (рис. 6).

Видно, что для некоторых комбинаций ион-мишень значение угла может достигать 100°.

Используя приспособление, обеспечивающее положение одного из элементов профильного соединения под углом около 45° относительно вектора потока ионов, а также вращения относительно оси отверстия одного из элементов соединения, можно достичь вполне удовлетворительного легирования и требуемой, с точки зрения обеспечения прочности и неподвижности профильного соединения, а также модификацией материала приповерхностного слоя.

Библиографический список

1. Грязнов, Б. Т. Технологические методы улучшения эксплуатационных свойств деталей машин криогенной и микро-

Рис. 6. Минимальный угол, зависящий от массы атомов матрицы (матрицы (Мх) и импланта (М2)

криогенной техники / Б. Т. Грязнов. — Новосибирск : ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1993. — 208 с.

2. Ивановский, Г. Ф. Ионно-плазменная обработка материалов / Г. Ф. Ивановский, В. И. Петров. — М. : Радио и связь, 1986. - 232 с.

3. Теоретическое обоснование влияния топографии рельефа поверхности на изменение структуры материала по глубине / А. П. Моргунов [и др.] // Динамика систем, механизмов и машин : матер. VII Межд. науч.-техн. конф. 10- 12 ноября 2009 г. В 3 кн. Кн. 2. - Омск : ОмГТУ, 2009. - С. 294-297.

4. Тетельбаум, Д. И. Эффект дальнодействия / Д. И. Тетель-баум, В. Я. Баянкин // Природа. - 2005. - № 4. - С. 9-17.

5. Шаркеев, Ю. П. Эффект дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах: дислокационные структуры, свойства, напряжения, механизмы: дис. д-ра физикоматематических наук / Ю. П. Шаркеев. - Томск, 2000. - 425 с.

6. Чуранкин, В. Г. Комплексная технология улучшения физикомеханических свойств поверхностей деталей ионной имплантацией с предварительным накатыванием / В. Г. Чуранкин. -Омск, 2010. - 162 с.

МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Технология машиностроения».

ПАНТЮХОВА Ксения Николаевна, инженер научного издательства.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 11.05.2011 г.

© А. П. Моргунов, К. Н. Пантюхова

а

Я

а

Книжная полка

Синго, С. Изучение производственной системы Тойоты с точки зрения организации производства / С. Синго : пер. с англ. - 2-е изд., перераб. - М. : Институт комплексных стратегических исследований, 2010. - 312 с. - ISBN 978-5-903148-35-6.

В этой книге Сигео Синго разъясняет сущность производственной системы Тойоты, разработчиком отдельных элементов которой он сам и является. Это первая книга, в которой автор не только описывает сущность производственной системы Тойоты, но и тщательно анализирует требования и условия, необходимые для внедрения отдельных ее элементов: визуальное управление, система «точно вовремя», автономизация и др. Книга будет полезна всем, кто работает с производством, занимается преобразованиями и стремится к совершенствованию.