Научная статья на тему 'Влияние имплантации ионов Ar+и о+ на формирование наноразмерных поверхностных слоев нержавеющей стали 03х17н12м2т'

Влияние имплантации ионов Ar+и о+ на формирование наноразмерных поверхностных слоев нержавеющей стали 03х17н12м2т Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
80
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ / РЕНТГЕНОВСКАЯ ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ / ИОНЫ / ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ / НАНОРАЗМЕРНЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ СЛОИ / НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ / СЕГРЕГАЦИЯ / ПРОЧНОСТЬ / ION IMPLANTATION / X-RAY PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY / IONS / CHEMICAL COMPOSITION / NANOSCALE SURFACE LAYERS / STAINLESS STEEL / SEGREGATION / STRENGTH

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Поспелова И. Г., Воробьёв В. Л., Быков П. В., Баянкин В. Я., Гильмутдинов Ф. З.

Установлено, что облучение ионами Ar+ нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т приводит к сегрегации на поверхность атомов железа, а при облучении ионами О+ в наноразмерных поверхностных слоях исследуемой стали происходит накопление кислорода, сопровождающееся формированием оксида хрома Cr2O3.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Поспелова И. Г., Воробьёв В. Л., Быков П. В., Баянкин В. Я., Гильмутдинов Ф. З.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The effect of implantation of Ar + and O + ions on the formation of nanoscale surface layers of stainless steel 03X17H12M2T

It was found that irradiation with Ar + ions of 03X17H12M2T stainless steel leads to segregation of iron atoms to the surface, and when irradiated with O + ions in the nanoscale surface layers of the steel under study, oxygen accumulates, which is accompanied by the formation of chromium oxide Cr2O3.

Текст научной работы на тему «Влияние имплантации ионов Ar+и о+ на формирование наноразмерных поверхностных слоев нержавеющей стали 03х17н12м2т»

Влияние имплантации ионов Лг+и О+ на формирование наноразмерных поверхностных слоев нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т

1 ту 2 2

И.Г. Поспелова , В.Л. Воробьёв ' , П.В. Быков , В.Я. Баянкин ,

Ф.З. Гильмутдинов2

1 Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

2

ФАНО России ФГБУ науки Удмуртский Федеральный Исследовательский центр УрО РАН

Аннотация: Установлено, что облучение ионами Аг+нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т приводит к сегрегациина поверхность атомов железа, а при облучении ионами О+ в наноразмерных поверхностных слоях исследуемой стали происходит накопление кислорода, сопровождающееся формированием оксида хрома Сг203. Ключевые слова: Ионная имплантация, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, ионы, химический состав, наноразмерные поверхностные слои, нержавеющая сталь, сегрегация, прочность.

Свойства металлов и сплавов (прочность, вязкость, коррозионная стойкостьи др.) определяются состоянием поверхности и их можно значительно улучшить путем соответствующей обработки и упрочнения поверхности.Одним из методов, активно развивающимся в последнее десятилетие поверхностной обработки металлов и сплавов, является ионная имплантация [1-3]. Однако на сегодняшний день, несмотря на исследования в этом направлении, остаются недостаточно изученными процессы формирования наноразмерных поверхностных слоев металлических материалов при ионной имплантации. В частности, остается открытым вопрос по влиянию компонентов сплава на накопление имплантируемого элемента и образование химических соединений при ионной имплантации.

В связи с этим, целью данной работы является сравнительные исследования влияния имплантации ионов Аг+ и ионов О+ на формированиехимических соединений и состава в приповерхностных слоях нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т.

:

Облучение ионами Ar+ и O+ образцов проводилась источником на

основе импульсной вакуумной дуги в импульсно-периодическом режиме

18 2

(f=100 Hz, t=1 ms) с энергией ионов 30 keV, дозой облучения 10 ion/cm и плотностью тока в импульсе 3 mA/cm .

Химический состав исследовался в наноразмерных поверхностных слоях образцов до и после облученийметодом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на спектрометрах SPECS и ЭС-2401. Обработку спектров проводили с помощью программы CasaXPS. Первым этапом исследования спектров являлось сглаживание, далее производилось вычитание фона по методу Ширли и определение интегральной интенсивности компонента. Определив интегральную интенсивность фотоэлектронных пиков, находили химический состав исследуемого сплава по формуле:

С = CjSa

Z (C/S) ( 1)

где С - концентрация, Са - интегральная интенсивность сигнала фотоэлектронной линии, Sa - фактор относительной чувствительности в РФЭС для данного вещества; XCi/Si -сумма отношений интегральных интенсивностей к факторам относительной чувствительности для всех элементов, входящих в состав твердого тела. Относительная погрешность определения концентрации элементов составляла ±3 at.%. Послойный РФЭС-анализ проведён с помощью распыления поверхности ионами аргона со скоростью травления поверхности ~1 nm/min с использованием справочных и литературных данных [4-10].

Исследования исходного образца методом РФЭС показали, что начиная с глубины ~6 nm значения концентраций атомов железа составляют 60 at.%, атомов никеля 14 at.%, атомов хрома 16 at.% и остаются неизменными с

1

глубиной. На поверхности образца выявлены атомы молибдена и титана в количестве 2 at.% и в количестве 1 проявляется марганец (табл. 1).

Таблица № 1

Относительная концентрация элементов в приповерхностных слоях исходного образца нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т

^ пш Fe, N1, сг, Мо, Т1, мп, о, с,

at.% at.% at.% at.% at.% at.% at.% at.%

1 40 11 17 1 1 0 26 2

3 56 14 14 2 2 1 7 3

6 58 14 16 2 2 1 4 3

10 57 14 17 2 2 1 4 2

15 58 14 17 2 2 1 3 3

20 59 14 17 2 2 1 2 2

30 61 14 17 2 2 1 1 1

40 61 14 17 2 2 1 1 1

В результате облучения ионами Ат+нержавеющей стали 03Х17Н12М2Тнаблюдается сегрегация в приповерхностные слои атомов Fe и обеднение атомов никеля и хрома (рис. 1 и 2).

с, аг.% 80

60 40 20 0

10

20

и

-о-Ре с- С г

30 40 Ь, пт

С, а1.% 80

60 ■ 40 ■ 20 0

20

40

-о- Ре -с-С г

-о -о

60 Ь, пт

Рис. 1. - Профили распределения концентраций элементов по глубине в образцах в исходном состоянии ^)и после облучения ионами Ат+ (Ь)

1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2019) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2019/5757

С,

Ь, пт

Рис. 2. - Распределение железа в исходном образце и после имплантации ионов Лг+

Следует отметить, что облучение ионами, используемыми в данной работе, не приводит к сегрегации в приповерхностные слои дополнительных легирующих элементов сплава таких, как молибден, титан и марганец (табл. 2).

Таблица № 2

Относительная концентрация элементов в приповерхностных слоях образца нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т, облученного ионамиЛг+

^ пт Fe, N1, сг, Мо, Т1, Мп, о, с,

а!% а!% а!% а!% а!% at.%

1 39 0 2 1 0 0 31 8

3 48 3 4 1 1 0 6 6

6 68 5 3 1 1 0 4 4

10 65 9 7 1 1 0 3 3

15 66 11 11 1 1 1 3 3

20 63 9 16 1 1 1 2 2

30 62 10 17 1 1 1 2 2

40 61 9 18 1 1 1 2 2

Данные в табличном виде представлены для образца, облученного ионами Лг+ с целью, чтобы продемонстрировать, что имплантация ионов не приводит к сегрегациям малых по значениям концентраций легирующих

1

элементов сплава и в дальнейшем в статье не акцентируется на них внимание.

При облучении ионами О+ наноразмерный поверхностный слой обогащается атомами хрома и кислорода до значений 26 и 28 а1% соответственно (рис. 3). Из рисунка 3 видно, что характер распределения атомов кислорода и хрома в поверхностных слоях облученного ионами кислорода образца одинаков. Кроме этого, также видно, что в сверхтонких поверхностных слоях (до ~10 нм) практически отсутствует никель и снижается концентрация атомов железа по сравнению с исходным образцом более чем в 2 раза(табл. 1).

Рис. 3. - Профили распределения концентрации элементов в приповерхностных слоях образцов после облучения ионами О+

На основании этого можно предположить, что при облучении ионами кислорода нержавеющей стали основную роль в его накоплении в поверхностных слоях определяется атомами хрома. Возможно, происходит образование оксидов хрома с разным стехиометрическим соотношением компонентов. Анализируя энергии образования оксидов хрома, железа и никеля предполагается, что это обусловлено наибольшей химической активностью хрома к кислороду, чем для остальных компонентов. Энергия образования оксида хрома Сг203 составляет-1059кДж/моль, оксида железа

Fe2O3 - -740,3кДж/моль, оксида никеля №0--211,6кДж/моль[11]. Из справочных данных видно, что энергия образования оксида хрома наименьшая. Это говорит о том, что оксиды хрома будут образовываться в первую очередь.

Таким образом, в образцах нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т, облучённых ионами Ат+, наблюдается сегрегация в наноразмерный поверхностный слой атомов железа. А при имплантации ионов О+ приповерхностный слой обогащается атомами хрома и кислорода до значений 26 и 28 at.% соответственно. Кислород накапливается в поверхностных слоях образца из-за сегрегации к поверхности атомов хрома так, что распределения атомов хрома и кислорода имеют одинаковый характер.

Литература

1. Козлов Д.А., Крит Б.А., Столяров В.В., Овчинников В.В. Ионно-лучевое модифицирование трибологических свойств хромистой стали // ФизХОМ. 2010. №1. С.50-53.

2. Братушка С.Н., Маликов Л.В. Вопросы атомной науки и техники. №6, 126 с. (2011).

3. 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.13-18.

4. Воробьёв В.Л. Гильмутдинов Ф.З., Быков П.В., Баянкин В.Я., Климова И.Н., Поспелова И.Г. Формирование наноразмерных слоев на поверхности 3D металлов имплантацией ионов О+// Химическая физика и мезоскопия. 2018. Том 20, №3. С. 354-364.

5. Нефёдов В.И. Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений. Химия, M.: 1984. 256 с.

6. Wagner C.D. Rigus W.M., Davis L.E. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy // Physical electronics Div., Perkin-Elmer Corp., Eden Prairie, 1979. pp. 1-18.

7. Бриггс Д., Сих М.П. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Мир, М.: (1987). 600с.

8. Vorob'evV.L., Gilmutdinov F.Z., Bykov P.V., Bayankin V.Ya., Kolotov A.A. Effect of O+ Ion Implantation on the Composition and Chemical Structure of Nanosized Surface Layers of a Copper-Nickel Alloy Cu50Ni50 Physics of Metals and Metallography. Vol. 119, № 9, 2018.pp. 870-875.

9. Богданов С.А., Захаров А.Г., ПисаренкоИ.В. Влияние электрического поля контакта с барьером Шоттки на перераспределение примесных атомов в полупроводнике // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1623/.

10. Бойко М.В., Булгаревич С.Б., Коган В.А. Улучшения эксплуатационных свойств конструкционных сталей за счёт модификации их поверхностных оксидных пленок на наноуровне// Инженерный вестник Дона, 2009, №3.URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2009/146/.

11. Мишенина Л.Н., Шелковников В.В. Справочные материалы по химии: учеб.-мет. пособие. -2-еизд., доп. и перераб. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007. - 89 с.

References

1. Kozlov D.A., Krit B.A., Stoljarov V.V., Ovchinnikov V.V. FizHOM. 2010. №1. pp.50-53.

2. Bratushka S.N. Malikov L.V. Voprosy atomnoj nauki i tehniki. №6, 126 p. (2011).

3. Vorob'ev V.L., Bykov P.V., BajankinVJa., Bystrov S.G., Porsev V.E., Bureev O.A. Fizika ihimija obrabotki materialov. 2013. № 3. pp.13-18.

4. Vorob'jov V.L. Gil'mutdinov F.Z., BykovP.V., Bajankin V.Ja.,Klimova I.N., Pospeloval.G. Himicheskaja fizika i mezoskopija. 2018. Vol. 20, №3. pp. 354-364.

5. Nefjodov V.I. Rentgenoelektronnaya spektroskopiya himicheskih soedinenij [X-ray electron spectroscopy of chemical compounds]. Himija, M.: 1984. 256 p.

6. Wagner C.D. Rigus W.M., Davis L.E. Fizicheskaya elektronika Div., Perkin-ElmerCorp., Eden Prairie [Physical electronics Div., Perkin-Elmer Corp., Eden Prairie], 1979. pp. 1-18.

7. Briggs D., Sih M.P. Mir, M.: (1987). 600 p.

8. Vorob'ev V.L., Gilmutdinov F.Z., Bykov P.V., Bayankin V.Ya., Kolotov A.A. Fizika metallov i metallografiya [Physics of Metals and Metallography]. 119, 9, (2018).

9. Bogdanov S.A., Zaharov A.G., Pisarenko I.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1623/.

10. Bojko M.V., Bulgarevich S.B., Kogan V.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2009, №3. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2009/146/.

11. Mishenina L.N., Shelkovnikov V.V. Spravochnyye materialy po khimii: ucheb.-met. posobiye. [Reference materials in chemistry: a teaching aid]. 2-ye izd.,dop. ipererab. Tomsk: Izd-vo Tom. un-ta, 2007. 89 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.