способ имплантации ионами газов металлов и сплавов

Формула изобретения

Способ имплантации ионами газов поверхности металлов и сплавов, при котором в обрабатываемую поверхность имплантируют ионы азота, отличающийся тем, что поочередно с азотом проводят имплантацию ионами инертного газа, дозу имплантации которых выбирают в интервале (0,1 0,25)·D, где D - доза имплантирования ионами азота, которую выбирают в интервале (1 5)·10¹⁷ ион/см².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области модификации поверхности металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении в производстве деталей, работающих в условиях трения скольжения.

Известен способ повышения износостойкости поверхности изделий из металлов и сплавов (см. Гусева М.И. Ионная имплантация в металлах. - Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. - № 4. - С.27-50), который заключается в облучении поверхности материала ионами азота с энергией 10 15 кэВ и дозой облучения 10¹⁹ см^-2 . Ионы азота образуются при ионизации напускаемого в источник ионов газа. Недостатком такого способа является невозможность строго контроля за внедрением ионов азота в поверхность обрабатываемого металла и сплава. Это приводит к снижению воспроизводимости результатов.

Известен способ повышения износостойкости и усталости изделий из стали 30ХГСНА путем имплантации ионов нейтрального газа гелия с энергией 40 кэВ и дозой имплантации 10¹⁷ см^-2 (см. Васильева Е.В. и др. Влияние ионной имплантации на свойства изделий из стали 30ХГСНА. - Вестник машиностроения. 1986. - № 1. - С.13-15). Данный способ позволяет повысить усталость обработанной поверхности изделий. Однако, это увеличение не достигает значении, свойственных для имплантации азотом, а износостойкость обработанных изделий практически не повышается по сравнению с изделиями, не подвергавшимися обработке.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по техническому решению и достигаемому результату является способ ионно-лучевой обработки конструкционной стали, заключающийся в осуществлении последовательной многоэлементной ионной имплантации (Белый А.В., Кукареко В.А., Лободаееа О.В., Таран И.И., Ших С.К. Ионно - лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. - Минск: Изд-во ФТИ НАИБ, 1998. - 220 с.). Последовательная ионная имплантация заключается в том, что обрабатываемая поверхность вначале подвергается бомбардировке ионами инертного газа (аргон, гелий, неон), а затем имплантации ионов азота. Применение последовательной имплантации позволяет повысить износостойкость поверхности имплантированных материалов.

Существенные недостатки прототипа заключаются в следующем: невозможность получения одновременно многоэлементного пучка, содержащего ионы инертных газов и азота; сложность в управлении при переключении подачи с одного имплантируемого газа на другой; ограниченное увеличение износостойкости обработанной поверхности деталей. Увеличение дозы имплантации ионов азота приводит к росту длительности цикла обработки и появлению задиров на имплантированной поверхности деталей при испытаниях на износ.

Предлагаемый способ ионной имплантации конструкционной стали и титановых сплавов обеспечивает снижение износа имплантированных деталей при эксплуатации в условиях сухого трения при комнатной температуре.

Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый способ, обеспечивается тем, что имплантирование проводят с поочередной подачей инертного газа (например, аргона) и азота, суммарную дозу имплантации азота выбирают в интервале (1 5)10¹⁷ ион/см², а суммарную дозу имплантации инертного газа выбирают в интервале (0,1 0,25)·D, где D - доза имплантирования ионами азота.

Заявляемый способ включает в себя следующую последовательность операций:

- облучение обрабатываемой поверхности стали ионами инертного газа (аргона) в течение 30 45 минут с энергией 10 15 кэВ;

- облучение обрабатываемой поверхности стали ионами азота с энергией 10 15 кэВ;

- повторное облучение обрабатываемой поверхности стали ионами инертного газа (аргона) в течение 30 45 минут с энергией 10 15 кэВ;

- облучение обрабатываемой поверхности стали ионами азота с энергией 10 15 кэВ;

- осуществление приведенных выше операций с получением суммарной дозы имплантации азота в интервале (1 5)·10¹⁷ ион/см², а суммарной дозы имплантации аргона до (0,1 0,25)·D, где D - доза имплантирования ионами азота.

Подробнее сущность заявляемого способа поясняется графиками:

- на фиг.1 - приведена схема строения поверхностного слоя металлического материала при ионной имплантации;

- на фиг.2 - показан график изменения глубины приповерхностного слоя с дислокационной структурой, наведенной ионной имплантацией, в зависимости от дозы имплантирования азота;

- на фиг.3 - представлен график интенсивности износа имплантированной стали 30ХГСН2А при обработке ионами азота (1) и по заявляемому способу (2);

- на фиг 4 - показана топология поверхности стали 30ХГСН2А, имплантированной ионами азота с дозой 3·10 ¹⁷ ион/см² и ионами аргона с дозой 4,5·10 ¹⁶ ион/см² после испытаний на износ.

Осуществление программируемого периодического изменения состава имплантируемых ионов с азота на аргон позволяет создавать большое число радиационных дефектов в поверхностном слое обрабатываемой детали. Бомбардировка ионами аргона обеспечивает распыление с поверхности оксидов и повышения ее активности. Переход с имплантации ионов аргона и имплантацию ионов азота обеспечивает более глубокое их проникновение в обрабатываемую поверхность и увеличение глубины приповерхностного слоя с измененной дислокационной структурой. На фиг.1 представлено схематически строение обрабатываемой поверхности металлического материала при ионной имплантации.

Металлографические исследования с применением просвечивающего электронного микроскопа показали, что глубина приповерхностного слоя Н изменяется с увеличением дозы имплантации ионов азота (фиг.2). Максимальная величина Н указанного слоя при имплантации только ионами азота достигается при дозе 10¹⁹ ион/см ². Применение заявляемого способа имплантирования, основанного на программируемом изменении сорта ионов газов, позволяет достичь такой же глубины приповерхностного слоя, но при значительно меньшей величине дозы имплантации азота - (1 5)·10¹⁷ ион/см² (фиг.2).

При дозе имплантации ионов азота менее 10¹⁷ ион/см² глубина приповерхностного слоя Н не достигает свой максимальной величины, что сказывается на воспроизводимости результатов испытаний на износ. Увеличение дозы имплантации ионов азота свыше 5·10¹⁷ ион/см² не целесообразно так как при этом существенно возрастает время осуществления процесса, а изменений в глубине приповерхностного слоя практически не наблюдается.

Поэтому при использовании заявляемого способа имплантации целесообразно ограничивать дозу имплантации азота пределами (1 5)·10¹⁷ ион/см².

Помимо дозы имплантации ионов азота глубина приповерхностного слоя определяется еще и дозой имплантации ионов инертного газа (аргона).

При дозе имплантации аргона менее 0,1D, где D - доза имплантирования ионами азота, не происходит образования достаточного количества радиационных дефектов в поверхностном слое обрабатываемого материала. Поэтому при указанной дозе имплантации аргона в сочетании с дозой имплантации азота в пределах (1 5)·10¹⁷ ион/см² не происходит существенного возрастания глубины Н приповерхностного слоя и износостойкости облученных материалов по сравнению с имплантацией ионами азота.

При дозе имплантации аргона более 0,25D, где D - доза имплантирования ионами азота, глубина Н приповерхностного слоя достигла своей максимальной величины и ее увеличения не происходит. В то же время при таких дозах наблюдается явление «распухания» и охрупчивания металла, которые усиливаются при увеличении дозы, что проявляется в снижении износостойкости.

Наряду с увеличением износа повышение дозы имплантации аргона более 0,25D сопровождается увеличением длительности обработки. Поэтому целесообразно ограничить дозу имплантации аргона интервалом (0,1 0,25)·D (фиг.3).

В отличие от прототипа, где имплантация осуществляется только ионами одного газа (азота), попеременная подача азота и инертного газа (аргон) позволяет оперировать большим числом переменных параметров. Кроме изменения энергии и дозы имплантации, возможны еще вариации по частоте следования и длительности периодов имплантирования каждым из газов.

Для осуществления предлагаемого способа в имплантере используется специальный блок, позволяющий задавать длительность подачи каждого из газов и программировать частоту их смены.

Пример конкретного выполнения. Для оценки влияния заявляемого способа ионной имплантации на износостойкость стали 30ХГСН2А была выполнена имплантация втулок диаметром 12 мм из указанной стали в состоянии после закалки и отпуска. Испытания проводились на специальном стенде, обеспечивающим заданное по величине усилие прижатия контртела к поверхности втулки и регистрацию момента страгивания болта при его вращении в контакте с контртелом.

Для имплантации втулки помещались в вакуумный объем, откачиваемый вакуумными насосами: форвакуумным и диффузионным паромасляным. Платформа, на которой крепятся втулки, вращается вокруг оси, смещенной относительно катодного узла таким образом, чтобы рабочая поверхность втулок попадала под поток ионов. Обработка длится в зависимости от выбранной дозы 15-30 минут. В конкретном примере выполнения падающая доза облучения 3·10¹⁷ ион/см² набиралась за 18 минут. Длительность единичного периода подачи азота составляла 2-2,5 минуты, а длительность подачи аргона 45-60 с.

Исследование режимов имплантации и результаты испытаний обработанных втулок из стали 30ХГСН2А позволили выбрать оптимальные режимы облучения по дозе (табл.1).

Таблица 1
№ п/п	Доза имплантации ионами азота D, ион/см2	Доза имплантации ионами аргона, ион/см2	Соотношение доз имплантации аргона и азота	Интенсивность изнашивания m/l, мкг/м
1	1019	-	-	4,2
2	0,9·1017	1,35·1016	0,15	2,8
3	1017	1,5·1016	0,15	2,5
4	3·10 17	4,5·1016	0,15	2,3
5	5·1017	6,5·1016	0,15	2,6
6	6·1017	9·1016	0,15	3,4
7	3·1017	2,7·10 16	0,09	2,3
8	3·10 17	3·1016	0,1	1,3
9	3·1017	4,5·1016	0,15	1,4
10	3·1017	7,5·10 16	0,25	1,7
11	3·10 17	9·1016	0,30	2,4

Таким образом, интенсивность изнашивания поверхности имплантированной стали 30ХГСН2А существенно снижается при попеременной имплантации ионами азота с дозой (1 5)·10¹⁷ ион/см² и ионами аргона с дозой (0,1 0,25)·D, где D - доза имплантирования ионами азота.

Анализ топологии поверхности втулок после испытаний на износостойкость показа, что при увеличении дозы имплантации аргона свыше 0,25D наблюдается выкрашивание поверхности на отдельных участках (фиг.4), приводящее к повышению интенсивности изнашивания.

Из представленных экспериментальных данных следует, что использование заявляемого способа ионной имплантации обеспечивает повышение износостойкости обработанных деталей из металлических материалов, в частности стали 30ХГСН2А, при их эксплуатации в условиях трения скольжения.