Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов



Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов
Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов
Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов
Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов

 


Владельцы патента RU 2509174:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" (RU)

Изобретение относится к области модификации поверхности металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении при производстве деталей, работающих в условиях трения скольжения. В обрабатываемую поверхность поочередно имплантируют ионы азота и ионы инертного газа. Дозу имплантации ионов инертного газа устанавливают в интервале (0,1…0,25)·D, где D - доза имплантации ионами азота, которую выбирают в интервале (1…5)·1017 ион/см2. Изобретение позволяет повысить износостойкость обработанной поверхности за счет увеличения глубины приповерхностного слоя. 4 ил., 1 табл., 1 пр.

 

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 3·1017 ион/см2 и ионами аргона с дозой 4,5·1016 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/см2. 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 Δm/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 3·1017 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 2,7·1016 0,09 2,3
8 3·1017 3·1016 0,1 1,3
9 3·1017 4,5·1016 0,15 1,4
10 3·1017 7,5·1016 0,25 1,7
11 3·1017 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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение к способу получения люминофора в виде аморфной пленки диоксида кремния с ионами селена, расположенной на кремниевой подложке. Способ включает имплантацию ионов селена с энергией ионов 300±30 кэВ при флюенсе 4÷6·1016 ион/см2 в указанную пленку и первый отжиг при температуре 900÷1000°C в течение 1÷1,5 часов в атмосфере сухого азота.

Изобретение относится к области получения мощных ионных пучков, а именно к катодам, которые могут быть использованы в установках для ионной имплантации металлов и сплавов, работающих в непрерывном и импульсном режимах.

Изобретение может быть использовано при обработке длинномерных изделий для модифицирования поверхности и нанесения функциональных покрытий с использованием технологий вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора и турбины из легированных сталей и сплавов на никелевой основе для повышения выносливости и циклической долговечности деталей.

Изобретение относится к области атомного и химического машиностроения, а именно к способам нанесения покрытий для защиты деталей от водородной коррозии. Технический результат - повышение работоспособности, надежности и увеличение долговечности деталей с покрытием.
Изобретение относится к технологии получения покрытий при изготовлении режущего инструмента. .

Изобретение относится к способу получения имплантированного ионами олова кварцевого стекла из диоксида кремния с поверхностным слоем, содержащим нанокластеры олова.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных сталей. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на рабочие лопатки газотурбинных двигателей и энергетических установок.

Изобретение относится к способу изготовления газодинамического подшипника поплавкового гироскопа. Осуществляют формообразование фланца и опоры с полусферическими встречно обращенными рабочими поверхностями. Ионным травлением выполняют на рабочей поверхности опоры диаметра D аэродинамический профиль в виде канавок из равновеликих отрезков сферических винтовых линий. Переменную глубину канавок в продольном сечении задают монотонным увеличением толщины элемента маски с прорезями в направлении от разъема к полюсу опоры. Переменную глубину канавок в поперечном сечении обеспечивают, выполняя второй элемент маски в виде неподвижного экрана, перпендикулярного оси ионного потока. В результате достигается высокое качество и точность выполнения газодинамического подшипника и его аэродинамического профиля. 3 ил.

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов. Устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде содержит вакуумную камеру с подложкой для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, а положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод и второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, а положительным - с корпусом камеры. Термоэмиссионный электрод выполнен в виде состоящей из дисков ступенчатой фазовой зонной пластинки Френеля с изменяющейся на π фазой колебаний ее четных зон. Установлены математические формулы для определения величины ступеньки и радиусов дисков фазовой зонной пластинки Френеля. Обеспечивается повышение предела выносливости деталей. 2 ил.

Изобретение относится к люминесцентным материалам - конвертерам вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона, выполненным в виде аморфной пленки оксида кремния SiOX на кремниевой подложке, предназначенным для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах. Толщина аморфной пленки оксида кремния SiOX конвертера составляет 20÷70 нм. Содержание ионов кислорода в упомянутой пленке соответствует количеству, при котором стехиометрический коэффициент Х находится в пределах от 2,01 до 2,45. Увеличиваются интенсивности красного излучения конвертера, а также обеспечивается красное свечение при сохранении конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое. 6 ил., 1 табл., 4 пр.

Изобретение относится к ионной очистке поверхности изделий из диэлектрического материала или проводящего материала с диэлектрическими включениями. Изделия размещают на проводящем держателе, генерируют плазму с импульсно-периодическим ускорением ее ионов путем прохождения плазменного потока через ускоряющий зазор и с обеспечением поочередного облучения поверхности изделий потоком ускоренных ионов и плазмой при подаче на проводящий держатель высокочастотных короткоимпульсных потенциалов смещения. Длительность импульсов 0,1-10 мкс, коэффициент заполнения импульсов 50-99% и амплитуда потенциала 1-10 кВ. При этом облучение поверхности изделий ведут при длительности импульса потенциала смещения, которая меньше времени зарядки емкости конденсатора, образованного проводящим держателем и эмиссионной границей плазмы, и при длительности паузы между импульсами ускоряющего напряжения, которая меньше времени прохождения плазменного потока через ускоряющий зазор. Обеспечивается повышение эффективности короткоимпульсной, высокочастотной ионной обработки материалов. 7 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 пр.

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов. Способ включает обработку поверхности деталей из конструкционной стали потоком ионов меди и свинца с использованием катода-имплантера, изготовленного из монотектического сплава меди со свинцом, в который контактным легированием вводят 5-11% алюминия, а имплантацию осуществляют с дозой (4,5-6,5)·1017 ион/см2. Изобретение направлено на повышение коррозионной стойкости деталей из конструкционной стали, работающих в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям в коррозионной среде. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения путем азотирования деталей. Может использоваться при изготовлении деталей и инструмента, к которым предъявляются требования повышенного сопротивления схватыванию и адгезии в парах трения и коррозионной стойкости в условиях влажного воздуха. Плазменное азотирование деталей проводят путем перемещения детали относительно плазмотрона в зоне плазменной струи, формирующейся в преобразователе потока плазмотрона с щелевым выходным отверстием. В качестве плазмообразующего газа используют азот, являющийся одновременно легирующим элементом. Полученный легированный азотом поверхностный слой обеспечивает повышенную износостойкость, усталостную прочность и сопротивление коррозии в условиях абразивного изнашивания с минимальным уровнем деформаций и короблений деталей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

Изобретение относится к способу нанесения наноалмазного материала комбинированной электромеханической обработкой и может быть использовано в машиностроительной, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. В нормальных атмосферных условиях проводят обработку, при которой на поверхность трения стальных деталей наносят обмазку, состоящую из коагулированных наноалмазов в виде порошка размером 200…250 нм, смешанных с консистентным графитным смазочным материалом, и затем осуществляют электромеханическую обработку с обеспечением поверхностного слоя стали с феррито-сорбито-трооститной структурой и формированием на поверхности стали наноструктурного слоя из графита, спеченного с наноалмазами, с получением общего упрочненного слоя толщиной до 1,2 мм. Обеспечивается повышение триботехнических показателей и износостойкости деталей с покрытием. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способу получения люминесцентного материала - конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiOX на кремниевой подложке, предназначенного для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах. Осуществляют имплантацию в вышеуказанную пленку ионов кислорода с последующим отжигом при температуре 700-900°С в течение 0,5-1 часа в атмосфере сухого азота. Для имплантации используют конвертер в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20-70 нм, имплантацию проводят с энергией ионов, величину которой определяют по формуле E = 0,19 ⋅ d − 0,18 , где Е - энергия ионов, кэВ, d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, которую выбирают в пределах от 20 до 70 нм, и при флюенсе, определяемом по формуле F = 2.21 ⋅ 10 15 ⋅ ( x − 2 ) ⋅ d , где F - флюенс, см-2, d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, которую выбирают в пределах от 20 до 70 нм, x - стехиометрический коэффициент, являющийся безразмерной величиной, который выбирают в пределах от 2,01 до 2,45. Обеспечивается увеличение интенсивности красного излучения конвертера и обеспечение красного свечения при сохранении конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое. 6 ил., 1 табл., 4 пр.

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов. Способ включает имплантацию ионов меди и кобальта в поверхность изделий из титановых сплавов, при этом имплантацию осуществляют с использованием катода из сплава меди, содержащего 40-60% кобальта, и с дозой (2,5-7,5)·1017 ион/см2. Способ обеспечивает повышение износостойкости деталей из титановых сплавов в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям и устранение явления схватывания. 1 табл., 3 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для защитно-упрочняющей обработки и нанесения износостойких покрытий на резьбовые поверхности деталей, применяемых, например, в ролико-винтовых и шарико-винтовых передачах. Способ включает подготовку поверхности под нанесение покрытия и нанесение износостойкого покрытия. При этом подготовку поверхности под нанесение покрытия совмещают с упрочняющей обработкой, проводя ее в следующей последовательности: погружают деталь в электролит, формируют вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовую оболочку и зажигают электрический разряд между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала, при этом обеспечивают режим электролитно-плазменного полирования резьбовой поверхности, а после электролитно-плазменной обработки резьбовой поверхности детали помещают в вакуумную камеру установки для ионно-имплантационной обработки, проводят ионную очистку ионами аргона при энергии от 6 до 8 кэВ и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами иттербия или азота, а затем в этой же установке ионно-плазменным методом наносят износостойкое покрытие из нитрида титана или нитрида циркония толщиной 0,5-1,0 мкм. Технический результат: повышение эксплуатационных свойств резьбовых поверхностей деталей. 21 з.п. ф-лы, 1 пр.
Наверх