Фазовые и структурные превращения в поверхностных слоях конструкционных материалов при ионной имплантации

В зависимости от назначения для изготовления деталей машин и механизмов, работающих в условиях высоких температур и сухого трения, а также при высоких нагрузках применяются конструкционные и инструментальные стали и сплавы разных марок, отличающиеся содержанием в них легирующих компонентов, включающих и переходные металлы (Ti, V, Cr, Mn, Ni, Mo и др.). Упрочнение поверхности, снижение износа и коэффициента трения все увереннее достигается ионно-лучевой финишной обработкой. В процессе такого воздействия имеют место, как высокие давления, так и высокие температуры (в области термических пиков), что приводит при имплантации ионов неметаллов (Х = В, С, N, О) малых размеров к образованию фаз внедрения: твердых растворов (например, углерод в Fe) и соединений внедрения (бориды, карбиды, нитриды, оксиды). Состав последних приблизительно соответствует формулам Ме₄Х, Ме₂Х, МеХ и МеХ₂ (где Ме - металл).

Более того, в этих условиях могут образовываться многие соединения и структуры, не существующие или не стабильные в обычных условиях.

Фазам внедрения свойственна тонкая дисперсность, которая определяет дисперсионное упрочнение сплавов. Упрочнение вызывается тем, что образующиеся очень мелкие твердые частицы, нерастворимые и не взаимодействующие химически с атомами матрицы, затрудняют движение дислокаций и скольжение и, тем самым, улучшают механические свойства сплава.

Закономерности изменения структуры и свойств фаз внедрения связаны непосредственно с целым рядом параметров.

При ионной имплантации легких элементов в металлы и сплавы, содержащих переходные металлы, может происходить их растворение. На растворимость влияет ряд факторов. Остановимся кратко на главных из них.

В первую очередь, растворение определяется электронным строением элемента, а именно его способностью ионизоваться под воздействием потенциального поля решетки металла с образованием металлических ионов, имеющих устойчивые s2-, p6-, d6- или d10- оболочки. Если потенциалы ионизации последнего валентного электрона легкого элемента Х будут выше 65 эВ, то потенциального поля, например, ионов Fe²⁺ оказывается недостаточно для ионизации атома Х, и он не растворится в железе. В процессе ионной имплантации происходит внедрение ионов, несущих уже определенный заряд, поэтому их встраивание в решетку матрицы должно быть заметно облегчено.
Размерный фактор (соотношение радиусов) также влияет на образование фаз внедрения. Известно, что внедрение ионов Х может происходить как в октаэдрические (О), так и тетраэдрические (Т) поры кубической и гексагональной плотнейших упаковок, которые образуют атомы переходных металлов IV-VI групп. По аналогии с растворами замещения растворимость определяется близостью размеров радиусов в данном случае внедряемого элемента и поры. Их отношение не может превышать + 15%. Заполнение поры приводит к сильной деформируемости решетки металла. Причем, чем более радиус металлического иона В³⁺, С⁴⁺, N³⁺, О⁴⁺ превышает размер поры, тем сильнее упругая деформация решетки металла-растворителя. Отсюда становится ясной заметная растворимость С и N в g-Fe и низкая в a-Fe в сравнении с очень малой растворимостью бора (0,021 и 0,004 ат.% для g- и a-Fe соответственно).

Коэффициент заполнения для ОЦК =0,68; для ГЦК =0,74.

Дата добавления: 2014-01-04