CC BY
54
УДК 669.017:621.73
СТАН ПОВЕРХН1 ТА РОЗПОД1Л ТИТАНУ В СТАЛ1 20Х П1СЛЯ ЮННОГО
БОМБАРДУВАННЯ
А.В. Кваша, ст. наук. сшвр., к.т.н, С.Л. Абашин, мол. наук. сшвр., ХАУ «ХА1», С.С. Дяченко, професор, д.т.н., 1.В. Пономаренко, асистент, ХНАДУ
Анотаця. До^джено вплив ¡онного бомбардування низькоенергетичними юнами титану на змту поверхневог структури та розподш елемент1в по глибит. Встановлено, що при бомбар-дувант за обраними режимами Ti конденсуеться на поверхт, головним чином у вигляд1 кра-пель, i проникае на глибину не бшьше 1 мкм. 1они Ti рееструються у глибинних шарах ттьки тсля нанесення покриття TiN.
Ключов1 слова: юнне бомбардування, скануюча електронна мiкроскопiя, мтрорентгеноспект-ральний аналiз, розподш елементiв по глибит.
СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТИТАНА В СТАЛИ 20Х
ПОСЛЕ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ
А.В. Кваша, ст. научн. сотр., к.т.н., С.Л. Абашин, мл. научн. сотр., ХАУ «ХАИ», C.C. Дьяченко, профессор, д.т.н., И.В. Пономаренко, ассистент, ХНАДУ
Аннотация. Исследовано влияние ионной бомбардировки низкоэнергетическими ионами титана на изменение поверхностной структуры и распределение элементов по глубине. Установлено, что при бомбардировке по выбранным режимам Ti конденсируется на поверхности, главным образом, в виде капель, и проникает на глубину не более 1 мкм. Ионы Ti регистрируются в глубинных слоях только после нанесения покрытия TiN.
Ключевые слова: ионная бомбардировка, сканирующая электронная микроскопия, микрорент-геноспектральный анализ, распределение элементов по глубине.
SURFACE STATE AND Ti DISTRIBUTION IN 20 Cr STEEL AFTER ION
BOMBARDMENT
A. Kvasha, senior researcher, Candidate of Technical Science, S. Abashin, junior researcher, National Aerospace University «KhAI», S. Dyachenko, Professor, Doctor of Technical Science, I. Ponomarenko, assistant, KhNAHU
Abstract. This work investigates the effect of ion bombardment by low-energy Ti ions on the change of surface structure and Ti distribution in depth. It is shown, that the ion bombardment under the chosen operating conditions leads to the Ti condensation on the specimen surface, mainly in the form of drops, and Ti penetrates under the surface no more than by 1 ¡xm. Ti ions are found in deep layers only after TiN coating.
Key words: ion bombardment, scanning electron microscopy, x-ray mikrospektral analysis, elements distribution in depth.
Вступ
l0HH0-raa3M0Bi технологи набули широкого застосування в сучасному машинобудуванш, головним чином, з метою отримання особли-
вих властивостей поверхонь виробiв. Нанесення покритпв з карбадв, нiтридiв, карбош-тридiв тугоплавких елеменпв використову-ють для тдвищення стшкост шструменту; рiзнi види покритпв, у тому чи^ й багато-
шаров^ забезпечують висою трибологiчнi характеристики, корозшну стiйкiсть тощо. При цьому модифшащя властивостей повер-хневих шарiв забезпечуеться саме покриття-ми. Щодо першо! операци юнно-плазмово! обробки - юнного бомбардування (1Б), то и до теперiшнього часу розглядали як допом> жну, призначену для забезпечення тiльки ви-соко! адгезп покриття з основним металом. Тому в лiтературi практично вiдсутнi данi про змшу стану поверхневих шарiв при бом-бардуваннi. Пiдкреслимо, що йдеться про низькоенергетичнi iони, а не про юнну iм-плантацiю, яка вщбуваеться при високому прискорюючому потенщаль
Аналiз публiкацiй
Виконанi нами рашше дослiдження показали, що 1Б низькоенергетичними iонами титану (~ 1 кеВ) приводить до унiкального тд-вищення мiцностi в об’eмi всього виробу («об’емно! мщносп») без зниження пластич-ностi: ов збшьшуеться на 17 %, а а0>2 - 37 % [1, 2]. Це дозволило вважати 1Б ефективним способом шдвищення конструктивно! мщно-ст виробiв.
Однieю з причин тако! змiни властивостей може бути змщнення матерiалiв на глибину до кшькох мiлiметрiв за рахунок радiацiйно-стимульованого перерозподшу атомiв про-никнення та легувальних компонентiв, а та-кож утворення квазистшких комплексiв цих атомiв з дефектами, якi виникають при бом-бардуваннi [3]. Але до цього часу це питання залишаеться дискусшним.
Мета дослiдження
Метою роботи е вивчення змiни структури поверхш виробiв при бомбардуваннi iонами Т i розподiлу останнього по глибиш.
Матерiал i методика дослiдження
Дослщження виконували на сталi 20Х, яка не мютить у своему складi титану, що дозволило об’ективно ощнити його розподiл пiсля бомбардування юнами Т1. Вихiдним станом для стат було покращення (гартування з 880±10 °С пiсля витримки 0,5 год, високий вщпуск 500 °С, 1,5 год). Пiсля тако! обробки було виготовлено стандарты розривнi зраз-ки. При виборi режиму 1Б був використаний принципово новий шдхщ. Зазвичай головна
мета 1Б - це очищення поверхнi i досягнення високо! адгези покриття з шдкладинкою. При цьому адгезiя покращуеться з тдвищенням температури розiгрiву поверхнi. У нашому випадку режим 1Б вибирався за двох умов: забезпечити достатню енергетичну дiю iонiв Ti на поверхню i в той же час не роз^р^и вирiб, щоб не вiдбулося його знемiцнення внаслщок довiдпуску. Це було досягнуто за рахунок комбшаци струму дуги, напруги на поверхш виробу i часу процесу. Бомбардування iонами титану здшснювали в установцi «ННВ-66-И1» в атмосферi аргону без фоку-сування i сепараци плазмового потоку. Для порiвняння також аналiзували розподiл Ti i пiсля нанесення покриття TiN, яке здшснювали в атмосферi азоту.
Для дослщження мшроструктури використо-вували растровий електронний мiкроскоп РЕМ-106 виробництва ВАТ SELMI з приставкою для м^орентгеноспектрального аналiзу (МРА). Локальшсть дослiджень ~ 1 мкм3. Приставка дозволяе проводити кiлькiсний аналiз за розмiру фаз ~ 5 мкм. Чутливють при-ладу для бшьшосп елементiв, в тому чи^ Ti, складае 0,2-0,8 %, для легких елеменпв (С, N, О) - 1-5 %. Розподш Ti по глибиш ви-вчався на шлiфах, перпендикулярних до поверхш.
Результати дослщжень та Тх обговорення
На рис. 1 наведено електронш мшрофото-графи поверхнi пiсля 1Б з рiзним часом енер-гетично! дИ. Аналiзуючи !х, звернемо увагу на два факти. По-перше, на поверхш фшсу-ються краплi Ti, причому !х кiлькiсть практично не залежить вiд часу обробки (у виб-раному дiапазонi). По-друге, структура основного металу з тдвищенням часу 1Б стае бшьш розвинутою. Оскiльки на стади 1Б од-ночасно вiдбуваються два процеси - розпи-лювання поверхнi матерiалу й осадження на не! матерiалу електрода, можна припустити, що за певно! тривалостi бомбардування вста-новлюються рiвновага мiж цими протилеж-ними явищами. В результатi кiлькiсть кра-пель Ti залишаеться незмiнною.
Вигляд поверхш тсля нанесення покриття наведено на рис. 2. Тут крапель фшсуеться значно бшьше, причому !х розмiр сильно вь дрiзняеться - вщ 2 до 12 мкм.
Рис. 1. Поверxня зрaзкiв тсля 1Б: а - 4 xв; б - 6 xв
Рис. 2. Повержя зрaзкiв з покриттям TiN
Pозподiл елементiв на поверxнi пiсля 1Б показано на рис. 3. З рисунка видно, що на по-верxнi фiксyeться чистий Ti, який вiдповiдae крапельнш фaзi. Усереднений вмiст елемен-rá в цьому мiсцi поверxнi наведено y табли-цi (рис. 3), з яко1' бачимо, що тсля 1Б вмiст Ti сягае ~ 6 %. При aнaлiзi поперечниx шлiфiв Ti вже не фшсуеться на вiдстaнi вiд поверxнi ~ 1-1,5 мкм.
Зовсiм iншy картину можна спостерiгaти шс-ля нанесення покриття TiN (рис. 4). На пове-рxнi на глибину до 1 мкм кшьюсть Ti наближаеться до 90 %, а поим рiзко знижу-еться i зовшм не фiксyeться вже на глибиш ~ 4-5 мкм. Отже, при нaнесеннi покриття iони Ti, проникають на значно бiльшy глибину, шж пiсля бомбардування. Це цшком зрозyмiло, оскiльки нанесення покриття вщ-буваеться за вищо1' температури i тривае на-багато довше.
Рис. 3. Хiмiчний склад на поверxнi зрaзкiв пiсля 1Б
6 мкм
поверxня
Рис. 4. Pозподiл елемешгв по перерiзy зразка з покриттям TiN
б
а
Якщо спiвстaвити цi результати iз впливом 1Б i покриття на змшу мiцностi [4], то можна зробити однозначний висновок, що рiвень змiцнення не корелюе з глибиною проник-нення iонiв Ti: тсля 1Б товщина шару Ti ста-новить 0,033 % вiд перерiзy зразка, а мiцнiсть пiдвищyeться на SS %, тодi як тсля нанесення покриття глибина збшьшуеться до
0,166 %, а мщшсть додатково зростае всього на 4 %. Таким чином, ефект об’емного змщ-нення виробiв пiсля 1Б не може бути пояснений з позицш глибинного накопичення дефектiв.
Висновки
Прямими дослщженнями встановлено, що при 1Б глибина проникнення iонiв Ti при ви-брaниx пaрaметрax не перевищуе 1-1,5 мкм. Пюля нанесення покриття зона проникнення Ti збшьшуеться до 4-5 мкм.
Piвень змщнення не корелюе з глибиною проникнення Ti i таким чином не може бути причиною такого суттевого збшьшення конструктивно!' мщносп.
Основним фактором збшьшення мщносп на 35-40 % без зниження пластичносп е утво-рення при 1Б нанокристатчно1' структури в поверxневиx шaрax виробу, що змшюе меxa-нiзм пластично!' деформаци, забезпечуючи ïï протiкaння в yмовax нaдплaстичностi.
Л1тература
1. Вплив поверхневого змщнення на мехашч-
ш властивостi виробiв / 1.В. Дощечкша, С.С. Дяченко, 1.В. Пономаренко та ш. // Автомобильный транспорт : сб. научн. тр. - Харьков : ХНАДУ, 2005. - Вып. 16.
- С. 79-82.
2. Дьяченко С.С. Влияние нанокристалличе-
ских покрытий на свойства изделий из конструкционных сталей / С.С. Дьяченко, И.В. Пономаренко, И.В. Дощечкина // Материалы Межд. конф. «Современное материаловедение: достижения и проблемы». ММ8-2005. Тезисы докладов. 26-30 сентября 2005 г. - К., 2005. - С. 665-666.
3. Природа и механизм модификации мате-
риалов на большую глибину при обработке низкоэнергетической плазмой тлеющего разряда / И. М. Неклюдов, Ю.В. Кунченко, Г.Н. Картмазов и др. // Физика и химия обработки материалов.
- 2005. - № 4. - С. 17-27.
4. Дяченко С.С. 1онно-плазмова обробка як
фактор тдвищення конструкцшно! мщносп сталевих виробiв / С.С. Дяченко,
1.В. Пономаренко // Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант.
- 2009. - №1. - С. 21-28.
Рецензент: М.А. Подригало, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакци 22 липня 2010 р.
