Применение метода ионной имплантации для покрытия режущего инструмента Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

www.paradigma.science

УДК 66-669.1

Варламова А. В., Мироненко Е. С.

Применение метода ионной имплантации для покрытия режущего инструмента

Аннотация. В настоящей статье рассмотрено применение метода ионной имплантации для покрытия режущего инструмента. Приведены теоретические и экспериментальные исследования влияния ионной имплантации на физико-механические свойства поверхностного слоя инструмента.

Ключевые слова: инструмент, сталь, нитрид, покрытие, ионная имплантация.

Ионная имплантация является одним из перспективных методов управления прочностными свойствами поверхностных слоев металлов и сплавов и эффективным методом модификации микроструктуры и элементного состава поверхностных слоев конструкционных и инструментальных материалов вследствие формирования твердых растворов высокой концентрации, фаз внедрения или интерметаллидных соединений.

Одним из актуальных направлений метода ионной имплантации является формирование интерметаллидных соединений в поверхностных слоях металлов. Интерметаллиды представляют уникальный класс материалов, которые по своим характеристикам существенно превосходят обычные металлы. Выбор интерметаллидов обусловлен комплексом необходимых для техники свойств. Для разработки высокопрочных и износостойких конструкционных материалов на основе интерметаллидных соединений наибольший интерес представляют системы никель-алюминий и никель - титан. Единственным недостатком, ограничивающим применение этих материалов, является хрупкость. Пластичными интерметаллиды становятся при уменьшении размера зерна ниже критического размера.

Поэтому особое внимание исследователей уделяется возможности использования ионной имплантации для синтеза интерметаллидных фаз в ультрадисперсном и нанокристаллическом состояниях в поверхностных слоях металлов, что позволяет значительно улучшить механические свойства поверхностных слоев материалов.

Процесс ионной имплантации и состояние модифицированных слоев характеризуются следующими основными параметрами, изменение которых оказывает определяющее влияние на свойства обрабатываемых поверхностей:

1) Распределение внедренных атомов по толщине. Оно зависит от энергии ионов, природы материала подложки, температуры поверхности.

www.paradigma.science

Для регулирования профиля распределения плотности легирующих атомов, как уже отмечалось, используется дополнительная термообработка.

2) Максимальная допустимая доза легирования - количество ионов, внедренных на единице поверхности обрабатываемой детали. Как правило, эта доза находится в пределах D = 1016...1018 ион/см2.

3) Параметры, характеризующие взаимодействие ионов с атомами поверхностного слоя (скорость образования дефектов, характер и структура образующихся химических соединений и т. д.).

4) Параметры, определяющие изменения структуры и свойств легированных слоев в зависимости от дозы облучения, плотности радиационных дефектов и т.д.

Основной характеристикой степени обработки при ионной имплантации является распределение имплантированных ионов по толщине поверхностного слоя. При взаимодействии иона с поверхностью в процессе многократных столкновений с атомами мишени происходит передача кинетической энергии, и в итоге ион, внедрившийся на некоторое расстояние от поверхности, теряет эту энергию полностью. Для характеристики этого процесса используют следующие параметры: пробег иона R - это путь, который проходит ион до полной потери кинетической энергии (на основании экспериментальных данных этот параметр определить сложно); проекцию пробега иона Их - расстояние, на которое внедрился ион от поверхности.

Для характеристики взаимодействия большого числа ионов с поверхностью используют функцию распределения плотности имплантированных атомов по толщине слоя dN/dx (dN - число имплантированных атомов, находящихся на расстоянии х от поверхности в слое толщиной dx) :(Е2 >Е1).

В общем случае функция dN/dx зависит от соотношения масс атомов поверхности и ионов, энергии иона, структуры поверхностного слоя (типа кристаллической решетки). Она чувствительна к протяженным дефектам, зависит от температуры и структурных характеристик поверхностного слоя.

Рассмотрим влияние энергии ионов на процессы энергообмена при их столкновении с атомами мишени. При движении ионов в объеме поверхностного слоя различают два вида потерь энергии:

- Потери энергии при взаимодействии с электронами в свободном или связанном состоянии. Этот вид взаимодействия характеризуется Sе -коэффициентом электронной составляющей торможения.

- Потери энергии при взаимодействии с ядрами. Этот вид потери учитывает параметр Sя - ядерная составляющая процесса торможения.

www.paradigma.science

В общем случае, изменение энергии иона dE при прохождении им расстояния ёх может быть оценено с помощью выражения:

ж

где N - концентрация атомов мишени. Отсюда

¿iff 1

¿к = - — ■-

N Si+S.

Тогда проекция пробега

(1)

(2)

(3)

Известно, что ядерная составляющая процесса торможения Sя практически не зависит от энергии ионов. Электронная составляющая прямо пропорциональна скорости иона (рис.3):

Бе = а V = к Е0,5 (4)

(а и к - постоянные для данного иона и материала мишени коэффициенты).

Рисунок 2 - Зависимость ядерной (1) и электронной (2) составляющих процесса торможения от энергии иона

Как видно из рис.2, при энергии иона Е = Ек ядерная и электронная составляющие равны (Se=Sя). Оценки показывают, что для металлов Ек=103...104 эВ.

При анализе (1) рассмотрим характерные случаи.

1. Обработка поверхности ионами, имеющими низкую энергию (Е<<Ек). В этом случае основным процессом, определяющим торможение ионов, является рассеивание на ядрах. Тогда Sя>>Sе и из (1) следует, что

www.paradigma.science

2. Воздействие на поверхность высокоэнергетичных ионов (Е>>Ек). Тогда Sя<<Sе и достаточно точно проекционный пробег может быть определен с помощью соотношения

Их=5Е0,5 (5)

Отметим, что второй случай является весьма характерным для практических приложений, и выражение (5) часто используется при проведении предварительных расчетов. Так, например, при обработке ионами с энергией Е=106 эВ (или Е=16.10-14Дж) глубина внедрения ионов Их= 2 мкм.

Как правило, при обработке ионами средней энергии максимум концентрации имплантированных атомов приходится на расстояние 0,1.0,8 мкм от поверхности. Концентрация легирующих элементов в этом слое может достигать 1.30 %. [1].

Транспортировка и фокусировка заряженных частиц на мишени осуществляется с помощью электростатических и магнитных полей в виде формирующих систем (линз).

Основные технологические операции обработки поверхности с использованием ионных пучков — ионное перемешивание и имплантация.

Метод ионного перемешивания заключается в интенсивном перемешивании при ионном облучении тонкой пленки легирующего элемента, предварительно нанесенной на поверхность, и материала основы (подложки). В качестве бомбардирующих ионов используют ионы инертных газов (Аг+, Кг+, Хе+) с энергией 10—1000 кэВ, длина пробега которых должна соответствовать толщине пленки легирующего элемента (до 1—2 мкм), а пик энерговыделения должен попадать на межфазную границу.

Ионная имплантация является наиболее распространенной технологической операцией модифицирования поверхности с использованием ионных пучков. Она как способ прецизионного легировании позволяет ввести практически любой легирующий элемент в условиях точного контроля его количества, распределения, чистоты (масс-спектрометрическая сепарация) и низкой температуры процесса.

Ионная имплантация, применяемая для модифицирования конструкционных металлов и сплавов, обеспечивает следующие преимущества:

— образование неравновесных, метастабильных структурно-фазовых состояний, в том числе аморфного состояния, которые недостижимы в обычных условиях из-за ограниченной растворимости и диффузионной подвижности компонентов;

— формирование постепенного перехода от поверхностного модифицированного слоя в объем материала;

— контроль глубины модифицированного слоя при отсутствии изменений размеров изделия.

Особенностью ионной имплантации является образование высокой плотности радиационных дефектов, которая на 2—3 порядка превосходит концентрацию имплантированных ионов.

Для модифицирования металлических сплавов применяют легкие (Не+, В+, С+, N+), а также тяжелые (А1+, Аг+, Ti+, Сг+, №+, NЪ+, Мо+) ионы.

Накопление большого количества радиационных дефектов в условиях относительно низких температур воздействия ионных пучков приводит к аморфизации материала мишени.

Критический флюенс, приводящий к аморфизации, зависит от массы иона и температуры мишени при облучении.

В общем случае упрочнение при ионной имплантации определяется:

— формированием аморфного состояния;

— твердорастворным механизмом за счет имплантации легирующих элементов с образованием метастабильных пересыщенных твердых растворов внедрения, замещения;

— деформационным механизмом в результате образования высокой плотности радиационных дефектов — скоплений межузельных атомов, дислокационных петель и др.;

— дисперсионным механизмом вследствие образования высокодисперсных выделений метастабильных фаз, препятствующих движению дислокаций.

Одно из практически важных достоинств метода ионной имплантации заключается в том, что благодаря ему значительно повышается износостойкость металлических материалов (до 20 раз).

При модифицировании низкоуглеродистых сталей наиболее эффективна имплантация ионов легких элементов азота, углерода, бора, и том числе и совместная, что обусловлено высокой интенсивностью их взаимодействия с дефектами и образования сегрегаций, дислокационных атмосфер, тормозящих перемещение дислокаций.

Положение максимума износостойкости на кривой дозовой зависимости износостойкости низкоуглеродистой стали (рис.4) при облучении ионами азота с энергией 30 кэВ и флюенсом 10в17 ион/см2 соответствует образованию нитрида железа (у-Бе4К).

2019, №2

www.paradigma.science

100

I—L_L___I_I-U

ю" ю1' ю" ю" ю19

Доза, ион/см*

Рисунок - 4 Влияние дозы облучения ионами азота энергией 30кэВ на износотойкость низкоуглеродистой стали

Увеличение долговечности режущего, штампового инструмента, волочильных фильер в 2—5 раз, повышение производительности при вытяжке прутков и проволоки до 5 раз, снижение налипания металла при штамповке, улучшение качества продукции достигается при имплантации ионов N+, C+, Co+.

При имплантации ионов азота с флюсисом 10в17 ион/см2 в низкоуглеродистую и коррозионно-стойкие стали, титан, сплав Ti— 6А1— 4 V наблюдается увеличение долговечности металлических материалов в 8—10 раз при работе в условиях развития усталости.

Главными факторами, определяющими высокую коррозионную стойкость металлических сплавов при ионном облучении, являются формирование при ионном легировании однородной пассивирующей пленки, аморфизации поверхностного слоя.

В общем случае коррозионное поведение аморфизованной посредством ионной имплантации поверхности сплава аналогично поведению сплава, полученного методом спиннингования.

Аморфизация чистых металлов обычно протекает при существенно более высоких скоростях охлаждения по сравнению с относительно легко аморфизующимися сплавами с добавками аморфизаторов, к числу которых относятся металлоиды типа С, P, В, Si и др.

При быстрой закалке в результате МИП-обработки сталей в твердом состоянии, кроме эффекта пересыщения твердого раствора углеродом и легирующими элементами, происходит существенное измельчение зерна и частиц карбидных фаз, что повышает твердость и прочность стали. В частности, при обработке инструментальной стали смешанным пучком ионов H+ и C+ (энергия ионов 0,5-1,0 МэВ, энерговыделение 10 Дж/см2, длительность импульса 40 нс) происходит растворение карбидов, переход углерода в твердый раствор a-Fe и измельчение зерна до 20 нм. Микротвердость инструментальной стали в результате обработки

увеличивается с 330 до 900 МПа, а работоспособность инструмента возрастает в 1,7-3,5 раза.

Технологическое использование МИП в режиме радиационно-стимулированного испарения (пучково-эрозионная обработка (ПЭО)) осуществляется, например, для очистки и полировки поверхности, удаления ранее нанесенных пленок и покрытий.

ПЭО может быть использована для увеличения адгезии износостойкого покрытия после предварительной обработки поверхности, для очистки лопаток газотурбинных авиационных двигателей от нагара в виде сложных оксидов и карбидов, а также формирования оптимального структурно-фазового состояния поверхности компрессорных лопаток из сплавов титана ВТ18У и ВТ9, обеспечивающего увеличение их ресурса.

При выборе режима ПЭО, обеспечивающего направленный выброс (абляцию) вещества мишени и резкое охлаждение конденсата, получают ультрадисперсные порошки (УДП) с зернами размером 5—25 нм. Они используются для изготовления высокоэффективных химических катализаторов, мощных магнитов и т.п.

Метод прямой имплантации ионов пучка также позволяет изменять химический состав и фазовое состояние поверхностного слоя.

В сложнолегированных сплавах при воздействии МИП происходит существенное перераспределение компонентов сплава как в зоне имплантации, так и в глубине мишени, вследствие радиационно-ускоренной диффузии.

При МИП-обработке инструмента, изготовленного из стали Р6М5, происходит измельчение зерна до наноразмеров, формирование дефектов на глубине до 40—50 мкм и перераспределение компонентов стали с обогащением углеродом поверхностных слоев. Эти изменения структурно-фазового состояния стали сопровождаются повышением износостойкости в результате устранения выкрашивания и переходом к равномерному износу инструмента.

При оптимальном выборе параметров МИП-обработки твердосплавных пластин типа ВК ^С(ТЮ)+Со] образуются новые двойные и тройные фазы типа CoxWyCz, в карбиде вольфрама происходит измельчение субструктуры, формирование развитой дислокационной структуры и увеличение концентрации дефектов упаковки, а также имеет место оплавление кобальтовой матрицы, которое позволяет залечить дефекты поверхности, что существенно увеличивает ресурс пластин.

При МИП-обработке жаропрочного сплава на основе титана ВТ6 образуется метастабильный мелкодисперсный а'-мартенсит с развитой дислокационной структурой, увеличиваются пластические и снижаются прочностные характеристики сплава. Последующее старение сопровождается значительным увеличением микротвердости сплавов.

Обработка сталей перлитного класса МИП приводит к возрастанию плотности дислокаций в феррите (до образования ячеистой структуры) и перлите (формируется сетка дислокаций), а также к повышению дисперсности перлита в результате диспергирования цементитных пластин с растворением Fe3C и образованием частиц метастабильной фазы FeC округлой формы.

Библиографический список

1. Матюхин С.И. Ионная имплантация как метод внедрения атомных частиц в углеродные наноструктуры // Тез. докл. Междунар. конф. «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. - Кисловодск, Россия, 2002, с. 77.

Варламова Алла Владимировна

к.т.н., доцент, Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Россия, г. Димитровград

Мироненко Евгений Станиславович

магистрант, Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Россия, г. Димитровград