Механизмы имплантации в металлы и сплавы ионов азота с энергией 1-10 кэВ

· формулы, связывающие параметры ионной имплантации с пробегами ионов в мишенях действуют лишь в определённых энергетических диапазонах; поэтому необходимо внимательно следить за областью их применения в расчётах;

· недостаточно исследована возможность применения имплантации ионов газов с энергией в диапазоне 1 – 10 кэВ (Дж) в

целях улучшения физико-механических и эксплуатационных характеристик материалов.

2. Предложена модель модификации поверхностного слоя металлов и сплавов в результате имплантации ионов азота, которая позволяет при заданных технологических параметрах имплантации спрогнозировать эксплуатационные свойства металла или сплава;

3. На основе анализа литературы разработана методика, позволяющая наиболее точно рассчитать по предложенной модели параметры основных процессов, происходящих при ионной имплантации азота с энергией 1 – 10 кэВ (Дж) в металлы и сплавы;

4. Для выполнения расчётов разработано программное обеспечение (приложения А и Б), позволяющее при заданных ТПО рассчитать остаточные концентрационные напряжения, возникающие при имплантации ионов азота в металлы и сплавы;

5. Полученные теоретические результаты согласуются с данными, приведёнными в литературе, с точностью в пределах 10 – 15 %, что свидетельствует об адекватности построенной модели.

Несмотря на то, что мы не учитывали процесс дальнодействия, разработанная методика позволяет с достаточной степенью точности рассчитать основные параметры процессов, происходящих при ионной имплантации и предсказать на основе их значений эксплуатационные свойства материала.

Ионная имплантация обладает очень широкими возможностями для изменения свойств материалов. При ионной имплантации газов в поверхностном слое металлов и сплавов создаются условия, способствующие протеканию реакций между атомами внедренной примеси и атомами матрицы, а также растворенными в ней примесями. Это позволяет легировать металл или сплав ионами недостающего для образования соединения элемента; синтезировать как известные соединения, так и соединения, которые не могут быть созданы другими методами. Ионная имплантация может быть применена для получения равновесных и метастабильных фаз с существенно расширенными границами правила Юм-Розери по сравнению с его применением при традиционных способах образования твердых растворов. Эмпирическое правило Юм-Розери для образования метастабильного твердого раствора при ионной имплантации: "Метастабильный твердый раствор образуется, если имплантированная примесь имеет: а) атомный радиус в пределах от 15 до 40 % от радиуса матрицы, б) электроотрицательность в пределах ±0,6 от атомов матрицы".

Таким образом, благодаря возможности воздействия на механические и химические свойства, фазовый состав и структуру поверхностных слоев металлов и сплавов метод ионной имплантации, не ограниченный условиями равновесных фазовых диаграмм, открывает широкие возможности для целенаправленного и управляемого изменения поверхностных свойств металлов и сплавов, синтеза новых метастабильных растворов и создания новых материалов с необычными свойствами.

Список Литературы

1. Ионная имплантация. Сб. статей. Пер. с англ. / под ред. Хирвонена Д.М.: Металлургия, 1985.

2. Хирвонен Дж.К. Ионная имплантация. М.: Металлургия, 1985. 285 с.

3. Инзарцев Ю.В. Повышение эксплуатационных характеристик инструмента методом ионной имплантации азота. Дисс. канд. техн. наук. / Тульский Государственный Университет – Тула. –2002. –129 с.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.: ил.

5. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под. ред. Дж. М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона. М: Машиностроение, 1987. 424с.

6. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. - М.: Металлургия, 1990. 134с.

7. Афанасьев В.П., Манухин В.В., Нуекс Д. Взаимодействие лёгких ионов средних энергий с неоднородными поверхностями // Инженерные проблемы термоядерной энергетики. М.: МЭИ, 1989. №220. С. 27-32.

8. Погребняк А.Д., Ремнев Г.Е., Чистяков С.А., Лигачёв А.Е. Модификация свойств металлов под действием ионных пучков // Изв. ВУЗов. Физика. 1987. №1. С. 52-65.

9. Калачев М.И. Деформационное упрочнение металлов. Мн., Наука и техника, 1980, 256 с.

10. Теория термической обработки. Учебник для вузов. Блантер М.Е. М.: Металлургия, 1984, 328с.

11. Бельский Е.И., Ситкевич М.В., Понкратин Е.И., Стефанович В.А. Химико-термическая обработка инструментальных материалов.-Мн.: Наука и техника, 1986.-247 с.

12. Теория и технология азотирования / Лахтин Ю.М., Коган Я.Д, Шпис Г.И., Бемер 3. - М.: Металлургия, 1991, 320с.

13. X. Риссел, И. Руге. Ионная имплантация: Пер. с нем. В.В. Климова, В.Н. Пальянова. / Под ред. М.И. Гусевой. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 360с.

14. Кумахов М.А., Комаров Ф.Ф. Энергетические потери и пробеги ионов в твердых телах. - Мн.: Изд-во БГУ, 1979.-320с.

15. Костерин К.В. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: адатомные механизмы и возможная роль фононов. // Физика и химия обработки материалов № 3 - 1995. с. 43-48.

16. Оборудование ионной имплантации/ В.В. Симонов, Л.А. Корнилов, А.В. Шашелев, Е.В. Шокин. - М.: Радио и связь, 1988. - 184с.

17. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериша. - М.: Мир, 1986. - 488 с.

18. Барвинок В. А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. -М.: Машиностроение, 1990.-384 с.

19. Сулима A.M., Шулов В.А. Ионное легирование конструкционных материалов.// Поверхностный слой, точность, эксплуатационные свойства и надежность деталей машин и приборов. - М.: МДНТП, 1989. -с. 73-78.

20. Никитин А.А., Травина Н.Г. Ионная имплантация металлов и сплавов. // Бюллетень ЦНИИЧ. - 1986. - № 23.

21. Васильева Е.В. Влияние имплантации ионов азота и углерода на стойкость подшипниковой стали // Физика и химия обработки материалов №1. – 1989. с. 43-48.

22. Зеленский В.Ф., Неклюдов И.М., Черняева Т.П. Радиационные дефекты и распухание металлов. - Киев: Наукова думка, 1988. - 296 с.

23. Синебрюхов А.А., Харлов А.В., Бурков П.В. Исследование модификации поверхности быстрорежущей стали под воздействием ионного пучка// Материалы международного научно-технического симпозиума Славянтрибо-4. Трибология и технология. С.-Пб. 1997, Т. 1. с.74-77.

24. Lindhard J., Scharff M., Schiott H.E. - Mat. -Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk, 1963, 33, N 14.

25. Lindhard J., Scharff M. - Phys. Rev., 1961, v. 124, p. 128.

26. Каминский М.А. Атомные и ионные столкновения на поверхности металлов. -М.: Мир, 1967. 506 с.

27. Титов В.В. Роль механических напряжений при легировании материалов с помощью ионных пучков. М.: Препринт ИЛЭ им. И.В. Курчатова, 1983. 48с.

 Скачать реферат