автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование процесса поверхностного упрочнения сталей и сплавов ионами неметаллов

На правах рукописи

КОВАЛЕНКО Ирина Анатольевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЕЙ И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ИОНАМИ НЕМЕТАЛЛОВ

Специальность 05 16 01 «Металловедение и термическая обработка металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00315Э07Э

Липецк-2007

003159079

Работа выполнена в Липецком государственном техническом университете

Научный руководитель

доктор технических наук, Авдиенко Александр Андреевич

Официальные оппоненты.

доктор физико-математических наук, профессор

Щетинин Анатолий Антонович

кандидат технических наук Лукин Александр Станиславович

Ведущая организация

ИМЕТим А А БайковаРАН

Защита состоится «22» октября 2007 года в 12°° часов на заседании диссертационного совета Д212108.02 при Липецком государственном техническом университете по адресу. 398600, г Липецк, ул Московская, 30, ауд. 601

С диссертацией можно ознакомиться государственного технического университета

в библиотеке Липецкого

Автореферат разослан » сентября 2007 года

Учёный секретарь диссертационного совета

Зайцев В С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность дроблемы. В настоящее время ионная имплантация является одним из эффективнейших технологических методов формирования необходимого элементного состава и структуры поверхностного слоя, которые невозможно получать традиционными металлургическими способами

Целенаправленно выбирая атомы легирующей примеси и режимы облучения ионной имплантацией (ИИ) и ионно-лучевым смешиванием (ИЛС), можно обеспечить широкую гамму полезных свойств поверхностных слоев материалов По сравнению с традиционными методами химико-термической обработки ионная имплантация позволяет в десятки раз сократить время и резко понизить температуру обработки, делает возможным селективную обработку отдельных участков детали Существенным преимуществом метода является отсутствие проблем адгезии между модифицированным слоем и объемом материала, характерных для способов нанесения различного рода покрытий Ионная имплантация практически не изменяет размер деталей, что позволяет использовать ее в качестве финишной обработки уже готовых металлических изделий

Эффект воздействия ионной имплантации проявляется в изменении таких свойств, как трение, микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость При этом изменение свойств наблюдается не только в имплантированном слое, но и в слоях по глубине существенно (в 102-104раз) превышающих длину проективного пробега ионов, достигая величин 40-60 мкм

Легирование металлов и сплавов может быть проведено практически любыми элементами независимо от их взаимной растворимости Концентрацию имплантируемого элемента можно менять в очень широких пределах. Для достижения желаемого эффекта при ионной имплантации для каждого исходного состава материалов должны быть подобраны оптимальные технологические режимы (энергия, доза ионов) и легирующий элемент, обоснованные рекомендации по выбору которых отсутствуют Перед ионной имплантацией также необходимо учитывать такой важный фактор, как качество поверхности, поскольку оно оказывает большое влияние на состояние ионно-легированного слоя Отсюда следует, что правильный подбор имплантируемых ионов и выбор технологических параметров обработки требует детального изучения и является актуальной задачей

Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование процессов повышения служебных характеристик поверхностных слоев сталей и титановых сплавов, модифицированных методами ионно-лучевой обработки, создание модели трения-износа, позволяющей рассчитать ресурс трущейся поверхности детали от технологического режима ионно-лучевого упрочнения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

1. Провести экспериментальное исследование влияния режимов ионно-лучевой обработки и типа имплантируемых ионов на механические, физико-химические характеристики поверхностных слоев сталей различного назначения (конструкционные, инструментальные, коррозионностойкие), технического титана и титановых сплавов.

2 Провести анализ кристашюхимических и термодинамических характеристик, наиболее значимых для формирования упрочняющих фаз в поверхностных слоях материалов, имплантированных неметаллическими ионами

3 Разработать недостающие методики измерения, устройства и оснастку для измерения трибологических и коррозионных характеристик поверхностей материалов, упрочненных методами ионно-лучевой обработки.

4 Исследовать изменения трибологических характеристик поверхностей двухслойных систем сталь 45-олово, Х12М-серебро в зависимости от дозы имплантированных ионов азота

5. Провести экспериментальное исследование влияния ионно-лучевой обработки на коррозионную стойкость поверхностей стали 12Х18Н10Т, технического титана ВТ 1-0 и титановых сплавов ВТ-4 и ВТ-16, используемых в деталях устройств водородной энергетики

6 На основании результатов экспериментов изучить зависимость трибологических характеристик поверхности материалов от ее качества, разработать модель трения-износа поверхностей металлов и сплавов, упрочненных методами ионно-лучевой обработки

Научная новизна работы. В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, характеризующиеся научной новизной.

1 Установлена зависимость степени упрочнения поверхностей нержавеющей стали и титановых сплавов от элементного состава имплантируемых

ионов Показано, что присутствие ионов кислорода при имплантации азота и бора препятствует образованию нитридов и боридов, упрочняющих поверхность материалов

2. Установлено, что максимальная степень упрочнения и минимальный коэффициент трения при ионно-лучевой обработке достигаются при одной и том же дозе

3 Выявлены кристаллохимические закономерности образования фаз внедрения, позволяющие сузить зону поиска типа лигатуры и оптимальной концентрации имплантируемого элемента для повышения требуемых характеристик

4 Показана возможность повышения коррозионной стойкости нержавеющей стали и титановых сплавов, применяемых в водородной энергетики, путем имплантации ионов азота и бора.

5. Разработана модель трения-износа, основанная на понятии удельной энергии разрушения материала, позволяющая рассчитать увеличение ресурса трущейся поверхности детали в зависимости от режима ионно-лучевой обработки

Практическая значимость работы.

Отработаны режимы ионно-лучевого упрочнения поверхностных слоев широкого класса материалов (конструкционные, инструментальные, коррозион-ностойкие стали, титановые сплавы), позволяющие реализовать в исследуемых материалах максимум полезных механических и физико-химических свойств

Разработаны и апробированы методики измерения трибологических и коррозионных характеристик обрабатываемых поверхностей

Разработана модель трения-износа в условиях абразивного сухого истирания поверхностей сталей и сплавов, упрочненных методом ИИ и ИЛС.

Реализация и внедрение результатов работы.

Эффективность применения ионно-лучевой обработки расширителей концов медных трубок демонстрировалась на заводе «Стинол» (г Липецк) Было показано увеличение ресурса работы инструмента в 4 раза Разработки по повышению коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Т, технического титана и титановых сплавов методом ИИ предполагается применить при производстве коррозионно-стойких биполярных пластин в водородных топливных батареях на пред-

приятиях Компания «МЭТИС» филиал ФГУП «Красная Звезда» и в Центре Келдыша.

Разработанный комплекс методов тестирования результатов НИ и ИЛС используется на предприятиях Компания «МЭТИС» филиал ФГУП «Красная Звезда» и в Центре Келдыша, а также в учебном процессе ЛГТУ

Апробация работы. Топливные элементы с поверхностно упрочненными ионно-лучевой обработкой биполярными пластинами из стали 12Х18Н10Т и титановых сплавов экспонировались на выставке «Водородные альтернативные технологии для производства энергии», Правительство Москвы, МКНТ (Москва, 2006 г ) и Ганноверской промышленной ярмарке (Ганновер, 2007 г., Германия).

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции по инженерно-техническому обеспечению АПК и машинно-технологических станций в условиях реформирования (Орел, 2000 г.), 8,9,12 и 14-ой научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов по вакуумной науке и технике (Судак, 2001 г, 2002 г, 2005 г, Сочи, 2007 г.), Всемирном водородном форуме (Москва, 2006 г)

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в журналах из действующего Перечня периодических журналов, рекомендованных ВАК и 1 статья в журнале из предыдущего Перечня Восемь работ опубликовано в сборниках трудов отечественных и международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 109 наименований и приложения Работа изложена на 125 страницах, содержит 40 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цели и задачи исследования; показаны научная новизна и практическая значимость работы

В первой главе проведен анализ методов ионной имплантации и ионно-лучевого смешивания, их влияние на модификацию слоев материалов, а также на

изменение триботехнических характеристик поверхности, таких как микротвердость, коэффициент трения, износо- и коррозионностойкость.

Отмечается, что на момент начала работы в литературе имелись публикации экспериментального и теоретического характера, посвященные проблеме ИИ и ИЛС, а также фундаментальные исследования в области упрочнения поверхностных слоев материалов ионами различных элементов. Приводимые в литературе экспериментальные данные зачастую носят противоречивый характер, т к отсутствуют единая теория и механизм, объясняющие природу упрочнения в процессе ИИ и ИЛС

В литературе рассмотрено влияние имплантации ионов на изменение структуры и свойств имплантируемых слоев различных сталей и сплавов Изменение последних, в свою очередь, зависит не только от типа имплантируемого иона, но и от таких технологических параметров, как исходная шероховатость поверхности, энергия и доза имплантируемых ионов

Особое внимание в литературном анализе уделялось проблеме коррозии сталей и сплавов Из проведенного обзора следует, что материалы, надежно защищенные от коррозии в одних средах эксплуатации, совершенно бесполезны при работе в других средах. Так, коррозионностойкие нержавеющие стали обладают высокой химической стойкостью в агрессивных средах, однако они склонны к межкристаллитной и точечной коррозии

Поэтому разработка оптимальных технологий модификации рабочих поверхностей является насущной задачей При этом важно установить корреляцию между механическими, физико-химическими характеристиками и изменением структуры поверхностных слоев.

Вторая глава посвящена описанию методик, как известных, так и разработанных для проведения экспериментальных исследований

В работе использованы два метода ионно-лучевой обработки поверхностей ионная имплантация (ИИ) и ионно-лучевое смешивание (ИЛС)

В качестве модельных материалов исследовались широко применяемые в современной промышленности стали 45, 5ХВ2С, Х12М, 12Х18Н10Т, технический титан ВТ1-0 и титановые сплавы ВТ-4, ВТ-16 Образцы всех сталей подвергались стандартной термообработке для получения исходных максимально прочностных характеристик.

Изучение влияния шероховатости поверхности на процесс ее приработки проводили на стали 5ХВ2С. Для задания определенной шероховатости образцы последовательно механически шлифовались, электрохимически полировались и обрабатывались алмазными пастами разной зернистости

Для исследования процесса ИЛС образцы из стали Х12М покрывались пленками серебра толщиной 18-20 нм, а из Стали 45 - пленками олова толщиной 10—22 нм в вакуумной установке нанесения покрытий ВУП-4. При этом толщина осаждаемой пленки выбиралась с учетом проекционного пробега имплантируемых ионов в серебре и олове.

Облучение образцов проводилось моноатомными пучками ионов бора, кислорода и азота с дозами в области 101б-1018 ион/см2

Имплантация бора проводилась на установках фирмы «Vanan» и «Лада-30» при токе пучка 0,4 мА, азота и кислорода - на модернизированной установке «ПРИЗ-200» при токе пучка 50 мкА Температура облучаемых образцов не превышала 100 °С Вакуум в приемной камере был не хуже 1х10'4 Па Выбранные дозы соответствовали максимальным значениям мшфотвердости и износостойкости, которые были установлены предварительно экспериментальным путем Равномерное облучение по площади образца осуществлялось с помощью механической системы сканирования Доза имплантации контролировалась по времени облучения и величине плотности тока

Изучение фаз внедрения проводили на электронном микроскопе ЭМ-200 (ускоряющее напряжение 100 кВ) методом угольных реплик и на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4-13 с использованием Со, Сг-излучений

Для измерения одновременно коэффициента трения и величины износа в процессе абразивного истирания была разработана и изготовлена машина трения оригинальной конструкции (рис. 1) Испытания проводили в условиях сухого трения по диску из стали 45, закаленному до 52-54 HRC, Скорость вращения диска составляла 0,2 м/с под нагрузкой 56 Н В качестве меры износа использовали величину, равную потере массы образца при испытаниях через каждые 410 м движения притира Массу образца измеряли на аналитических весах с точ-

Рис. 2. Ячейка водородного коррозиметра: 1 — стакан; 2 - бюретка; 3 - воронка; 4 - уплотнитель; 5 - образец

ностью ± 0,05 мг. Сила трения определялась по растяжению динамометрической пружины.

Профили распределения концентрации имплантируемых элементов и перераспределение элементов материала-подложки по глубине были получены путем послойного стравливания образцов и записи спектров в Оже-спектр о метре ЬА 8-200О,

Рис. 1. Схематическое изображение машины для измерения коэффициента трения и износа: 1 - корпус; 2 - устройство для нагруже-ния образцов; 3 — подшипники; 4 - пружина сжатия со шкалой; 5 - пружина растяжения со шкалой; 6 - электродвигатель; 7 - контртело; 8 - образец

Микротвердость измеряли модифицированным микротвердомером ПМТ-3 при регулируемой нагрузке на индентор 0,3-5 г.

Для определения относительной скорости коррозии были проведены испытания образцов технического титана ВТ1-0 методом объёмной коррозимет-рии. Испытания проводились в среде 1М ОДЗО4 + 0,1М N82804 при температуре 80 °С одновременно для двух образцов (обработанного и исходного) с использованием специально изготовленной ячейки коррозиметра, позволяющей определять скорость коррозии только поверхностного слоя (рис. 2). Площадь образца,

контактирующая с коррозионной средой - 2 см2 Общее время испытания составило 8 часов

Измерение электродных потенциалов нержавеющей стали 12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ-4 проводились в аэрированном растворе 1% NaCl при комнатной температуре на приборе AutoLab PGSTAT-12 при компьютерном обеспечении GPES В потенциогальваностате использовалась 3-х электродная ячейка электрод-образец, электрод-сравнения (насыщенный раствор каломели) и платиновый опорно-вспомагательный электрод. Площадь электрода-образца составляла 0,71 см2

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния элементного состава и дозы ионного пучка неметаллов на фазо-образование и связанные с ним изменения механических и физико-химических характеристик поверхностных слоев сталей и титановых сплавов Проведен анализ кристаллохимических и термодинамических закономерностей формирования фаз внедрения в системе матрица-имплантант

Исследование влияния состава ионного пучка на формирование упрочняющих фаз. Для исследования влияния элементного состава и дозы имплантируемых ионов на структуру и модификацию механических свойств поверхностных слоев проводили имплантацию ионов азота, кислорода и бора в разной последовательности при разных дозах в сталь 12Х18Н10Т и титановые сплавы ВТ-4 иВТ-16

Ионная имплантация азота в сталь 12Х18Н10Т приводит к образованию в приповерхностных слоях нитридных фаз железа Нитрид Fe4N в виде мелкодисперсных пластинчатых частиц хорошо виден в электронном микроскопе Плотность дислокаций, как показали измерения, точно совпадает с профилем изменения микротвердости Можно предположить, что образующаяся фаза вызывает тангенциальные напряжения в поверхностном слое, компенсирующиеся перераспределением по глубине дислокаций

Совместная имплантация смеси ионов азота (78%) и кислорода (22%) в эту же сталь не приводит к образованию в поверхностном слое нитридов, что объясняется присутствием кислорода, препятствующего их образованию

На рентгенограммах, снятых с поверхности стали 12Х18Н10Т после имплантации, как ионов азота, так и смеси азота и кислорода наблюдаются пики от

карбида хрома Сг3Сг Их появление можно объяснить присутствием углерода в стали, а также возможностью внедрения добавочного углерода из пленки остаточных органических соединений в процессе ионной имплантации (как результат ионно-лучевого смешивания)

Ионная имплантация азота и кислорода в разной последовательности в поверхностный слой титановых сплавов ВТ-4 и ВТ-16 приводит к формированию нитридных фаз титана та\Г Золотистый оттенок нитридного покрытия наблюдается уже при низких дозах облучения.

Микротвердость до и после облучения сплава ВТ-4 ионами азота и кислорода приведена в таблице Максимальное увеличение микротвердости наблюдается у образцов, облученных ионами азота Последовательное облучение азотом, а затем кислородом снижает микротвердость более, чем на 30% по сравнению с образцом, облученным только ионами азота Такой характер зависимости микротвердости от последовательности облучения ионами азота и кислорода определяется взаимодействием кислорода с нитридом титана 2 Т1И + 2 02 = 2 ТЮ2 + N2 Образующийся оксид титана имеет более низкую твердость по сравнению с нитридом титана (5-6 и 8-9 по Моосу, соответственно) Имплантация ионов кислорода, а затем азота, хотя и уменьшает значения микротвердости, тем не менее, остается выше значений для необлученного сплава

Таблица Микротвердость сплава ВТ-4 после облучения ионами азота и кислорода (нагрузка на индентор - 0,1 Н)

Обработка сплава ВТ-4 Микротвердость, ГПа А микротвердости, %

Исходный 0,9 -

Кислород, азот 1,1 +22

Азот, кислород 1,3 +44

Азот 1,6 +78

Повышение микротвердости при ионной имплантации титановых сплавов обуславливает существенное повышение износостойкости при абразивном истирании. На рис 3 показано влияние имплантации ионов азота и кислорода на износ, в зависимости от длины пути истирания Облучение титанового сплава чистым азотом (2) , а также последовательно азотом, а затем кислородом (3) приводит к уменьшению износа более, чем на 40% по сравнению с исходным образ-

цом Последовательное облучение кислородом, а затем азотом (1) уменьшает износ менее чем на 10 % по сравнению с исходным.

В результате ионного облучения сплава ВТ-4 ионами азота и кислорода не исключено также образование нитрида алюминия, однако ввиду незначительного его содержания (< 5 %) в сплаве идентифицировать его рентгеноструктурным методом не удалось.

Рис 3. Зависимость относительного износа от длины пути истирания для сплава ВТ-4, облученного ионами 1 - кислород, азот, 2 — азот, 3 - азот, кислород, 4 - необлученный образец

На рентгенограммах, снятых с поверхности образцов стали 12Х18Н10Т, имплантированных ионами бора наблюдается сначала уширение пика у-Ре фазы, а затем с появлением фазы РеВ - смещение этого пика в сторону больших углов Одновременно наблюдается снижение интенсивности пика у-Бе Такая динамика рентгенограмм, по-видимому, объясняется тем, что при малой дозе легирования происходит постепенное накопление дефектов И только с ростом дозы, т е. с достижением некой пороговой концентрации атомов бора происходит формирование мелкодисперсной фазы БеВ, с образованием которой и связано резкое возрастание микротвердости (рис 4, а).

Похожая картина увеличения микротвердости наблюдается и при облучении ионами бора поверхности титановых сплавов ВТ-16 и ВТ-4 (рис 4, б) По мере увеличения дозы легирования с достижением определенной концентрации бора, наряду с а- и р-фазами титана, на дифрактограммах последовательно появляются пики фаз ТШ (ромбической модификации) и ТхВ2 (гексагональной модификации), оказывающих упрочняющее действие.

Износ, отн.ед.

Длина пути истирания, км

При исследовании распределения микротвердости по глубине борирован-ного слоя титановых сплавов и стали 12Х18Н10Т упрочнение наблюдалось на глубинах вплоть до 40-50 мкм соответственно, что более, чем на два порядка превышает проективный пробег ионов В+ с энергией 40 кэВ

Последующее облучение образцов смесью ионов азота и кислорода, приводит к разложению боридов, аналогичное влияние оказывает и последовательное облучение ионами бора, а затем азота

- А - - /2/ 1 ¡//

а я-. )

Доза, ион/см

а)

Доза, ион/см

б)

Рис 4. Зависимость микротвердости стали 12Х18Н10Т (а) и сплава ВТ-4 (б) от дозы облучения ионами бора при нагрузке на индентор 1 - 0,3 г, 2 — 0,5' г, 3 - 1 г, 4 - 5 г.

Анализ закономерностей образования фаз внедрения при имплантации ионов бора, азота и кислорода в стали и титановые сплавы Максимальный эффект упрочнения коррозионностойкой стали и титановых сплавов ионами неметалла в процессе исследования наблюдается при имплантации бора Несмотря на то, что бор практически не растворим в железе, при имплантации удается достигать достаточно высокой его концентрации Проведенные в работе исследования имплантации бора в сталь 12Х18Н10Т показали, что при дозе 1><1017 см"2 и энергии 30 кэВ концентрация бора достигает 12 %.

Известно, что атомы бора слишком велики для того, чтобы они могли входить в междоузлия, не вызывая значительных деформаций решетки, и, в то же время, их размер слишком мал для образования твердых растворов замещения. Поэтому при имплантации больших доз ионов в решетке боридов между слоями

атомов металлической матрицы образуются 1-, 2- и 3-х мерные сетки ковалемтно связанных атомов бора, которые, наряду с ослаблением связи металл-неметалл, увеличивают межатомные силы. Пока атомы бора остаются в решетке изолированными как в Ме2В, бориды совершенно аналогичны по структуре таким фазам как карбиды, нитриды. С увеличением дозы имплантации при достижении пороговой концентрации бора в материале начинают возникают связи бор-бор (начиная с бор ид ои типа МеВ) и, по мере увеличения концентрации бора, становятся все более прочными.

Проведенные экспериментальные исследования имплантации ионов бора в сталь 12Х5&Н10Т и титановые сплакы показывают, что упрочнение поверхностных слоев начинает наблюдаться только с появлением фаз РеВ (рис. 5, а), и ТШ и ТЖг (рис. 5, б), имеющих свою собственную подрешетку бор-бор.

Рис. 5. Электронограммы, полученные от бор и да железа (а), борида титана гексагональной модификации (б)

Мерой прочности химической связи соединений служат теплоты их образования. Проведенный анализ термодинамических характеристик, наиболее значимых для образования оксидов, нитридов и боридов, показал, что преимущественно в процессе ИИ начинают образовываться те соединения, которым соответствуют максимально отрицательные значения теплот образования.

Исследование ионно-лучевого смешивания в системах сталь 45-олово и Х12М-серебро. Известно, что энергия имплантированных ионов подбирается так, чтобы средняя длина проективного пробега была бы равна толщине напыленного слоя или несколько превышала ее. В этом случае максимум выделяемой энергии ионов приходится на границу раздела напыленный слой — основа, что и обеспечивает максимальную эффективность, перемешивания. Исследования двухслойной системы сталь 45-олово после имплантации ионов азота в интервале доз

ЗхЮ16-1хЮ18 ион/см2 показали, что для пленки олова толщиной 22 нм оптимальная энергия составляет 8,5 кэВ

Рентгеновский фазовый анализ системы сталь 45-олово после имплантации ионов азота показал, наряду с Р-Бп фазой, присутствие нитрида железа Ре4'Ы! проявление которого на дифрактограмме начинается уже с дозы 7х 1016 ион/см2 С ростом дозы до 1 х 101а ион/см2 фазы Бе^ и р-Бп исчезают, что может быть связано с образованием интерметаллических соединений олова с железом и высокой степенью аморфности поверхности.

Напыление олова снижает коэффициент трения скольжения стали 45 от 0,44 (поверхность без олова) до 0,27, характерного для пары олово-сталь После ИЛС коэффициент трения сначала уменьшается до 0,19 при дозе ЗхЮ16 ион/см2, а затем плавно растет, приближаясь к значению 0,24 при дозе 2хЮ17 ион/см2 и более (рис 6, кривая 1)

Коэффициент трения

0,26

Рис 6 Зависимость коэффициента трения (1) и относительной скорости износа (2-5) системы сталь 45-олово от дозы ионов азота после различных длин путей трения-2-200 м, 3-400 м, 4 - 700 м, 5 - 900 м

Доза, ион/см2

Из рис. 6 видно, что характер изменения относительной скорости износа аналогичен характеру изменения коэффициента трения Наблюдаемая зависимость не изменяется по мере износа до полного истирания модифицированного слоя Минимальный износ наблюдается при дозе 4*1016 ион/см2

Аналогичная картина наблюдалась и при ИЛС термически напыленной пленки серебра на поверхность стали Х12М Минимальный износ соответствует дозе 1,6х1017 ион/см2

Исследование режимов антикоррозионной защиты поверхностей ионной имплантацией. Прогрессивными источниками энергии являются топливные

элементы (ТЭ) различных конструкций Для ТЭ с полимерной электролитной мембраной используются биполярные электропроводные пластины. Они должны обладать повышенной коррозионной стойкостью и хорошей электронной проводимостью. Применяемые для этих целей коррозионно-стойкие сплавы значительно дороже и дефицитнее обычных конструкционных материалов Поэтому для реализации в материале максимума полезных свойств рационально дифференцировать его поверхностные слои по коррозионной стойкости, стремясь одновременно к оптимальным механическим и технологическим свойствам его основы Перспективными материалами для исследований в этой области являются технический титан ВТ 1-0, сплав титана ВТ-4 и коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т.

Результаты измерения скорости коррозии технического титана ВТ1-0 в растворе серной кислоты показывают снижение скорости коррозии образцов, облученных молекулярным азотом, в 2 раза по сравнению с исходными образцами (рис 7)

Коррозия, г

0,0063 0,0042 0,0021 О

м и

1 1

6 7 8 Время, ч

Рис 7 Зависимость коррозии титана ВТ1-0 от времени 1 - исходный образец, 2 - имплантация молекулярного азота с дозой 6хЮ'7 см"2

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 V 0,15 0,1 0,05 0

!

1—- i

- —

i— j

j

/ 1 i

<

-!-i-

Ш+16 1Е+17 ЗЕ+17 7Е+17 1Е+18 ЗЕ+18 7Е+18 Доза, нон/см2

Рис 8 Зависимость потенциала коррозии от дозы легирования бором 1 - сталь 2X18Н1 ОТ, 2 - титановый сплав ВТ-4

Эксперименты по снятию потенциодинамических кривых с титанового сплава ВТ-4 до и после имплантации ионов бора показывают, что при имплантации существенно повышается стойкость к общей коррозии, смещая потенциал коррозии в положительную сторону от 48 мВ (при дозе 1х1017 ион/см2) до

61 мВ (при дозе 2х1018 ион/см2) Наилучшие результаты получены для доз 2x1017 и 2х1018 ион/см2

С увеличением дозы потенциал коррозии смещается в положительную сторону на 0,15 и 0,35 В для хромоникелевой стали и титанового сплава соответственно (рис 8). Кроме того, с увеличением дозы легирования проявляется пороговый эффект увеличения потенциала коррозии (кривая 2), связанный с образованием Т1В2

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния шероховатости поверхности на такие характеристики, как коэффициент трения и износ при истирании материалов и созданию модели трения-износа деталей с модифицированными слоями

Силовое взаимодействие двух трущихся твердых тел (трение) сопровождается передачей энергии, расходуемой на разрушение поверхностных слоев материала, возбуждение упругих волн, нагрев Мерой передачи энергии является коэффициент трения, зависящий от качества поверхности Износ при фиксированном коэффициенте трения в процессе истирания определяется энергией, необходимой для удаления единицы массы вещества с поверхности материала

Коэффициент трения

езг

Износ, мг

58 ЮТ 150 200 258 ЗОв 350 409

Путь истирания, м

а)

56 100 150 280 250 360 359 409 Путь истирания, м

б)

Рис. 9 Зависимость коэффициента трения (а) и износа (б) стали 5ХВ2С от длины пути истирания при различном качестве поверхности 1 - шлифовка алмазной пастой, зернистость 40 мкм, 2 - шлифовка алмазной пастой, зернистость 14 мкм, 3 - электрохимическая полировка (линии - расчет, точки - эксперимент)

(удельная энергия разрушения) Поверхность, подвергнутая механической обработке представляет собой хаотический ансамбль неровностей, благодаря чему имеет повышенный коэффициент трения и пониженный износ По мере истирания шероховатого слоя (в стадии притирания) коэффициент трения и скорость износа уменьшаются до величины, свойственной притертому материалу (рис 9), при этом на износ оказывает большое влияние качество обрабатываемой поверхности чем меньше шероховатость поверхности, тем меньше износ (кривая 3 на рис 9, б)

При рассмотрении энергетического баланса в пограничных, слоях двух трущихся деталей энергия, потраченная на износ некоторого количества материала, пропорциональна работе против сил трения

ШрМр = РрЬ, (1)

где Жр — удельная энергия разрушения материала, Мр- масса разрушенного материала, F - нагрузка, ц - коэффициент трения, Ь - путь истирания

По результатам изменения коэффициента трения стали 5ХВ2С от длины пути истирания на основании соотношения (1) построена зависимость относительной удельной энергии разрушения от толщины истертого слоя (рис 10) Возрастание удельной энергии разрушения по мере снижения шероховатости можно объяснить увеличением плотности и твердости поверхностного слоя

Удельная энергия разрушения, отн ед

0.5 1 1Л 2 2 5 3 5 5 4 4.5 5

Толщина истертого слоя, мил

Рис 10 Зависимость удельной энергии разрушения от толщины истертого слоя при различном качестве поверхности стали 5ХВ2С' 1-шлифовка алмазной пастой, зернистость 40 мкм, 2 - шлифовка алмазной пастой, зернистость 14 мкм, 3 - электрохимическая полировка

Анализ проведенных исследований позволяет утверждать, что в процессе ИИ и ИЛС происходит увеличение удельной энергии, необходимой для разруше-

ния материала в процессе истирания Величина относительного упрочнения (т е увеличение удельной энергии разрушения) вычислена из результатов измерения весового износа и коэффициента трения от дозы ионов азота при имплантации в систему сталь 45-олово и представляет собой зависимость с резко выраженным максимумом (рис. 11, а)

Относительная величина удельной энергии разрушения может быть выражена следующим образом.

*Гр=Гм+(1Г/-1Г„)с/, (2)

где Ж/ - удельные энергии разрушения матрицы и упрочненной фазы, С/- доля упрочненной фазы

Из соотношений (1), (2) следует, что снижение массового износа зависит от удельной энергии разрушения упрочненной фазы и ее доли, а, следовательно, и от дозы имплантации Относительная величина снижения износа от дозы записывается-

(3)

где (I (И) - коэффициент трения зависящий от дозы (см рис 6)

Расчет точной зависимости Cf от дозы и по глубине поверхностного слоя для реальной стали практически не возможен, но характер профиля распределения упрочняющей фазы, формирующейся в процессе ИЛ С, можно выразить в следующем виде

С/(Л)=С0«ф(-^], (4)

где А - глубина, С0, т} - неопределенные (подгоночные) параметры спада концентрации

В процессе износа при сухом трении прочная износостойкая фаза разрушается и удаляется из поверхностного слоя в значительно меньшей степени, чем матрица. В результате поверхностный слой обогащается износостойкой фазой Динамика изменения концентрации упрочненной фазы в поверхностном слое

может быть представлена в виде >

п=О

где Кь- — коэффициент «втирания» упрочненной фазы; п — число истертых слоев

Численный расчет показывает, что величина С/ снижается до нуля только после истирания ~ 2 мкм (для условий, близких к проведенному эксперименту)

С учетом полученных экспериментальных результатов для зависимости коэффициента трения от величины истертого слоя, сопоставив микротвёрдость с удельной энергией разрушения и используя выражения (4) и (5) можно вычислить зависимость весового износа от пути истирания путем послоевого суммирования

)=1

" (6)

И=0

где путь истирания Ь— ЛЬ т, где т - число истертых слоев

На рис 11,6 представлены результаты численного суммирования с коэффициентом втирания упрочняющей фазы К^ = 0,975 в сравнении с экспериментально полученной зависимостью весового износа после ионно-лучевого смешивания олова, напыленного на сталь 45

Удельная энергия разрушения, отн ед

а) б)

Рис 11. Зависимость удельной энергии разрушения системы сталь 45-олово в отн ед от дозы ионов азота (а) и зависимость весового износа от длины пути истирания (б) 1 - сталь 45 без обработки, 2 -система сталь 45-олово при имплантации ионов азота с дозой 4x1016 ион/см2 (линии — расчет, точки - эксперимент)

Модель упрочнения при ионно-лучевой обработке позволяет описать и смоделировать основные зависимости трибологических и прочностных характеристик от режима обработки

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Обобщая результаты экспериментальных исследований и теоретического моделирования, можно сделать следующие выводы

1 Изучено влияние элементного состава и дозы ионов неметаллов (азот, кислород, бор) на структуру и свойства поверхностных слоев материалов При имплантации ионов азота и бора в сталь 12Х18Н10Т и титановые сплавов ВТ-4, ВТ-16 наблюдается формирование нитридных и боридных фаз, приводящих к значительному увеличению микротвердости и износостойкости поверхностных слоев материалов Присутствие кислорода в пучке ионов азота или в пучке ионов бора препятствует образованию нитридных и боридных фаз, снижая тем самым эффект упрочнения.

2. Максимальное упрочнение стали 12Х18Н10Т и титановых сплавов ВТ-4, ВТ-16 достигается при имплантации ионов бора. При этом общая глубина модифицированной зоны более, чем на два порядка превышает проективный пробег ионов бора с энергией 40 кэВ и составляет для стали 50 мкм, а для сплавов - 40 мкм. Выявлено, что формирование боридов имеет пороговую зависимость от дозы имплантируемых ионов. Такая зависимость определяется образованием собственной бор-бор подрешетки, обеспечивающей высокую износо- и коррозионностойкость

3 На основании экспериментальных и теоретических исследований фазовых превращений в имплантированных слоях металлов показано, что наибольшего эффекта упрочнения можно достичь при имплантации ионов с радиусом, превышающим характерный размер тетраэдрических (октаэдрических) пор. При этом преимущественно начинают образовываться те соединения, которым соответствуют максимально-отрицательные теплоты образования (в первую очередь это оксиды, затем нитриды и бориды)

4 Ионно-лучевое смешивание в системах сталь 45-олово и Х12М-серебро позволяет получить наибольшее упрочнение и минимальный коэффи-

циент трения при одной и той же дозе имплантируемых ионов азота (доза 4><1016 ион/см2 для системы сталь 45-олово, доза 1,6х1017 ион/см2 для системы Х12М-серебро)

5 Проведенные коррозионностойкие испытания технического титана, имплантированного молекулярным азотом, показывают снижение скорости коррозии в кислотной среде в 2 раза Имплантация ионов бора в сталь 12Х18Н10Т и титановый сплав ВТ-4 повышает потенциал коррозии, смещая его в положительную сторону, на 0,15 и 0,35 В соответственно

6 Разработана модель трения-износа, основанная на понятии удельной энергии разрушения материала, позволяющая прогнозировать ресурс трущейся поверхности детали в зависимости от режимов ионно-лучевой обработки

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Авдиенко, А А Влияние элементного состава пучка ионов на фазообра-зование и упрочнение поверхности конструкционных материалов [Текст] / А А Авдиенко, К И Авдиенко, И А Коваленко //ФММ - 2001 - Т 92 - № 6. -С. 103-107

2 Авдиенко, А А. Модификация поверхности материалов ионной имплантацией [Текст] / А А Авдиенко, К И Авдиенко, Ю В Морозов, И А Коваленко// Наукоемкие технологии - 2002 - Т 3 - № 5 - С. 41 - 48

3 Коваленко, И А. Влияние ионной имплантации на коррозионную стойкость сталей и сплавов [Текст] / И А Коваленко, А А, Авдиенко, К И Авдиенко // Материалы 14-й НТК с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» - М МГИЭМ - 2007 - С 52-56

4 Коваленко, И А. Влияние элементного состава ионного пучка на процесс модификации поверхностных свойств металлов и сплавов [Текст] / И А Коваленко, А А. Авдиенко, К И Авдиенко, Е М Зизевских, А С Боков //Материалы международной научно-практической конференции «Инженерно-техническое обеспечение АПК и машинно-технологические станции в условиях реформирования» - Орел - 2000 - Т 1 - С 92-94

5 Авдиенко, А.А Абразивный износ поверхности, упрочненной ионно-лучевой обработкой [Текст] / А А Авдиенко, К И. Авдиенко, И А Коваленко //Материалы международной научно-практической конференции «Инженерно-техническое обеспечение АПК и машинно-технологические станции в условиях реформирования - Орел -2000.-Т 1 -С 104-106

6. Коваленко, И А Некоторые кристаллохимические аспекты образования фаз внедрения при ионной имплантации [Текст] / И А Коваленко, К И Авдиенко //Сборник «Новые технологии в машиностроении, металлургии, материаловедении и высшем образовании Н -Новгород - 2001 - С. 281-285

7 Коваленко, И А. Влияние элементного состава ионного пучка на фазо-образование и упрочнение поверхностных слоев материалов [Текст] / И.А. Коваленко, А А Авдиенко, К И Авдиенко // Сборник «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития, проблемы и новые решения» -2000 - 4.1.-С. 9-10

8. Авдиенко, А.А Фазовые и структурные превращения в поверхностных слоях конструкционных материалов при ионной имплантации [Текст] / А А Авдиенко, К И Авдиенко, И А Коваленко //Материалы 8-й НТК с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» - М МГИЭМ -2001 -С 152-157

9. Коваленко, И.А Финишная упрочняющая обработка металлических деталей имплантацией лёгких ионов [Текст] / И А Коваленко, К И Авдиенко, А А. Авдиенко //Материалы 9-й конференции «Вакуумная наука и техника» -М-МГИЭМ -2002-С 184-188

10 Авдиенко, А А Ионно-лучевая упрочняющая обработка [Текст] / А А. Авдиенко, К.И Авдиенко, И А. Коваленко, Ю В Морозов //Наука и технологии в промышленности -2002.-№2 (9) - С 68-70

11 Коваленко, И А Ионно-лучевое борирование конструкционных материалов [Текст] / И А Коваленко, К И Авдиенко, И А Цыганов // Сборник докладов 6-й Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование»-Харьков ХГУ -2003 -С. 205-207

Подписано в печать-^ 09$Формат 84x108 1/16 Бумага писчая Ротапринт Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ № ^ ЪО Бесплатно Типография ЛГТУ 398600,Липецк, ул Московская, 30

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Метод ионной имплантации

1.1.1. Механизмы модификации поверхности материалов при ионной имплантации

1.1.2. Влияние ионной имплантации на механические свойства сталей и сплавов

1.1.3. Влияние имплантации на коррозионные свойства материалов

1.1.4. Доза, предельный уровень легирования, глубина проникновения ионов

1.2. Ионно-лучевое смешивание

1.2.1. Сущность и механизм смешивания

1.2.2. Влияние ионно-лучевого смешивания на трибологические характеристики материалов

1.3. Задачи исследования

2. ТЕХНОЛОГИЯ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ

И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Характеристика материалов

2.2. Методы подготовки поверхности

2.3. Нанесение пленок олова и серебра

2.4. Имплантация ионами неметаллов

2.5. Методы исследований поверхностных слоев материалов 47 2.5.1. Изучение фаз внедрения

2.5.2. Измерение микротвердости, коэффициента трения и износа

2.5.3. Испытания на коррозионную стойкость 50 2.6. Выводы к главе

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА И

МЕХАНИЗМА УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Упрочнение ионной имплантацией

3.1.1. Влияние состава пучка ионов на формирование упрочняющих фаз

3.1.2. Ионно-лучевое борирование

3.2. Анализ закономерностей образования фаз внедрения при имплантации

3.2.1. Электронное строение, размерный фактор

3.2.2. Эволюция конфигураций атомов бора

3.2.3. Термодинамика образования упрочняющих фаз

3.3. Исследование ионно-лучевого смешивания

3.4. Исследование антикоррозионной защиты

3.5. Выводы к главе

4. МОДЕЛЬ ТРЕНИЯ-ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ

С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ СЛОЯМИ

4.1. Истирание шероховатой поверхности

4.2. Истирание материала, упрочненного ионным легированием

4.3. Выводы к главе 4 104 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 105 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 107 ПРИЛОЖЕНИЕ

Требования, предъявляемые к высокотехнологичным материалам со специальными служебными характеристиками, подразумевают наличие у них особых приповерхностных свойств, отличных от объемных.

В настоящее время ионная имплантация является одним из эффективнейших технологических методов формирования необходимого элементного состава и структуры поверхностного слоя, которые невозможно получать традиционными металлургическими способами.

Целенаправленно выбирая атомы легирующей примеси и режимы облучения, с помощью ионной имплантации можно обеспечить широкую гамму полезных свойств поверхностных слоев материалов. В частности, удается достичь высокой прочности приповерхностного слоя, создать слой, выполняющий роль твердой смазки, изменить концентрацию и пространственное распределение дислокаций и иных дефектов структуры. По сравнению с традиционными методами химико-термической обработки ионная имплантация позволяет в десятки раз сократить время и резко понизить температуру обработки, производить селективную обработку отдельных участков детали. Существенным преимуществом метода является отсутствие проблем адгезии между модифицированным слоем и объемом материала, характерных для способов нанесения различного рода покрытий. Ионная имплантация практически не изменяет размер деталей и поэтому ее можно выполнять в качестве финишной обработки уже готовых металлических изделий.

Эффект воздействия ионной имплантации на свойства поверхности металлов проявляется в изменении таких свойств, как трение, микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость. При этом изменение свойств наблюдается не только в имплантированном слое, но и в слоях, по глубине существенно (в 102-104раз) превышающих длину проективного пробега ионов, достигая величин 40-60мкм.

Легирование металлов и сплавов может быть проведено практически любыми элементами, причем независимо от их взаимной растворимости. Концентрацию имплантируемого элемента можно менять в очень широких пределах независимо от равновесной диаграммы состояния. Для достижения желаемого эффекта при ионной имплантации для каждого исходного состава материала должны быть подобраны оптимальные технологические режимы (энергия и доза ионов) и легирующий элемент, обоснованные рекомендации по выбору которых отсутствуют. В то же время нельзя не учитывать такой важный фактор, как качество поверхности, поскольку оно оказывает большое влияние на состояние ионно-легированного слоя материала.

Все вышеописанное приводит к заключению: правильный подбор сорта имплантируемых ионов и выбор технологических параметров обработки требуют детального изучения.

Целью работы является исследование процессов повышения служебных характеристик поверхностных слоев сталей и титановых сплавов, модифицированных методами ионно-лучевой обработки и создание модели трения-износа, позволяющей рассчитать ресурс трущейся поверхности детали от технологического режима ионно-лучевого упрочнения.

Научная новизна работы. В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Установлена зависимость степени упрочнения поверхностей нержавеющей стали и титановых сплавов от элементного состава имплантируемых ионов. Показано, что присутствие ионов кислорода при имплантации азота и бора препятствует образованию нитридов и боридов, упрочняющих поверхность материалов.

2. Установлено, что максимальная степень упрочнения и минимальный коэффициент трения при ионно-лучевой обработке достигаются при одной и той же дозе.

3. Выявлены кристаллохимические закономерности образования фаз внедрения, позволяющие сузить зону поиска типа лигатуры и оптимальной концентрации имплантируемого элемента для повышения требуемых характеристик.

4. Показана возможность повышения коррозионной стойкости нержавеющей стали и титановых сплавов, применяемых в водородной энергетике, путем имплантации ионов азота и бора.

5. Разработана модель трения-износа, основанная на понятии удельной энергии разрушения материала, позволяющая рассчитать увеличение ресурса трущейся поверхности детали в зависимости от режима ионно-лучевой обработки.

Работа выполнялась на кафедре физического металловедения Липецкого государственного технического университета. В целом работа обсуждена на расширенном семинаре физико-технологического факультета ЛГТУ.

Диссертация состоит из четырех глав, основных выводов, библиографического списка и приложений.

Первая глава посвящена краткому литературному обзору, в котором рассмотрены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния ионной имплантации и ионно-лучевого смешивания на модификацию слоев материалов, на изменение таких триботехнических характеристик поверхности, как микротвердость, коэффициент трения, износо- и коррозион-ностойкость.

Во второй главе дана краткая характеристика применяемых материалов и описаны методики как известные, так и разработанные для проведения экспериментальных исследований.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния элементного состава и дозы ионного пучка неметаллов на фазооб-разование и связанные с ним изменения механических и физико-химических характеристик поверхностных слоев сталей и титановых сплавов. Проведен анализ кристаллохимических и термодинамических закономерностей формирования фаз внедрения в системе матрица-имплантант.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния шероховатости поверхности на такие характеристики, как коэффициент трения и износ при истирании материалов и созданию модели трения-износа деталей с модифицированными слоями.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Отсутствие и дороговизна высококачественных сталей с одной стороны, и необходимость создания материалов со специальными служебными характеристиками с другой, стимулировали интенсивное развитие работ по созданию на поверхностях изделий особых свойств, отличных от объемных.

Одним из перспективных методов обработки материалов с целью придания им особых приповерхностных свойств является воздействие потоками ионов. В зависимости от параметров ионного потока на поверхности реализуются следующие процессы (рис. 1.1) [1].

Рис. 1.1. Диаграмма процессов ионной обработки: ] - плотность тока, п - плотность потока частиц, Е - энергия частиц, q - плотность мощности потока частиц

Если энергия падающих ионов Е=10-102 эВ (область I), то на поверхности детали происходит процесс конденсации ионов. Такую обработку можно использовать для осаждения покрытий. Для обработки потоком заряженных

2 3 частиц с Е=10 -10 эВ (область II) характерен процесс ионного распыления (травления), позволяющий очищать поверхность деталей от загрязнений, активировать поверхностный слой и формировать требуемый рельеф. При Е> 104эВ (область III) наблюдается ионная имплантация, т.е. проникновение ионов в поверхностный слой облучаемой детали.

Последняя может применяться либо как самостоятельный метод обработки поверхности материалов с целью повышения физических и физико-химических свойств поверхности, либо в комплексе с вакуумным нанесением покрытий (ионно-лучевое смешивание).

Благодаря тому, что при ионной имплантации можно целенаправленно выбирать атомы внедряемого элемента и менять режимы облучения, можно достичь высокой прочности поверхностного слоя обрабатываемой детали, обусловленной повышением твердости и износостойкости материала.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Обобщая результаты экспериментальных исследований и теоретического моделирования, можно сделать следующие выводы:

1. Изучено влияние элементного состава и дозы ионов неметаллов (азот, кислород, бор) на структуру и свойства поверхностных слоев материалов. При имплантации ионов азота и бора в сталь 12Х18Н10Т и титановые сплавы ВТ-4, ВТ-16 наблюдается формирование нитридных и боридных фаз, приводящих к значительному увеличению микротвердости и износостойкости поверхностных слоев материалов. Присутствие кислорода в пучке ионов азота или в пучке ионов бора препятствует образованию нитридных и боридных фаз, снижая тем самым эффект упрочнения.

2. Максимальное упрочнение стали 12Х18Н10Т и титановых сплавов ВТ-4, ВТ-16 достигается при имплантации ионов бора. При этом общая глубина модифицированной зоны более, чем на два порядка превышает проективный пробег ионов бора с энергией 40 кэВ и составляет для стали 50 мкм, а для сплавов - 40 мкм. Выявлено, что формирование боридов имеет пороговую зависимость от дозы имплантируемых ионов. Такая зависимость определяется образованием собственной бор-бор подрешетки, обеспечивающей высокую износо- и коррозионностойкость.

3. На основании экспериментальных и теоретических исследований фазовых превращений в имплантированных слоях металлов показано, что наибольшего эффекта упрочнения можно достичь при имплантации ионов с радиусом, превышающим характерный размер тетраэдрических (октаэдрических) пор. При этом преимущественно начинают образовываться те соединения, которым соответствуют максимально-отрицательные теплоты образования (в первую очередь это оксиды, затем нитриды и бориды).

4. Ионно-лучевое смешивание в системах сталь 45-олово и Х12М-серебро позволяет получить наибольшее упрочнение и минимальный коэффициент трения при одной и той же дозе имплантируемых ионов азота (доза 4x1016 см'2 для системы сталь 45-олово, доза 1,6x1017 см*2 для системы Х12М-серебро).

5. Проведенные коррозионностойкие испытания технического титана, имплантированного молекулярным азотом, показывают снижение скорости коррозии в кислотной среде в 2 раза. Имплантация ионов бора в сталь 12Х18Н10Т и титановый сплав ВТ-4 повышает потенциал коррозии, смещая его в положительную сторону, на 0,15 и 0,35 В соответственно.

6. Разработана модель трения-износа, основанная на понятии удельной энергии разрушения материала, позволяющая прогнозировать ресурс трущейся поверхности детали в зависимости от режимов ионно-лучевой обработки.

1. Ягодкин, Ю.Д. Перспективы применения потоков заряженных частиц в инженерии поверхности Текст. / Ю.Д. Ягодкин, K.M. Пастухов, С.А. Мубояд-жян // Металловедение и термическая обработка металлов.-1999.-№7. -С. 36-41.

2. Тушинский, Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов Текст. / Л.И. Тушинский. -Новосибирск: Наука, 1990.-226 с.

3. Новиков, И.И. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки Текст. / И.И. Новиков, К. М. Розин М.: Металлургия, 1990.-336 с.

4. Коттрелл, А. Теория дислокаций Текст. / А. Коттрелл. В кн.: Успехи физики металлов.Т.1,1956.-213 с.

5. Раджабов, Т.Д. Изменение поверхностной микротвердости и износостойкости сплава титана в результате ионного азотирования Текст. / Т.Д. Раджабов, A.C. Багдасарян // Поверхность.- 1986.- №11.- С. 52-63.

6. Гордиенко, Л.К. Субструктурное упрочнение металлов и сплавов Текст. / Л.К. Гордиенко.-М.: Металлургия, 1968.-218 с.

7. Флинк, П.А. Упрочнение при образовании твердых растворов. Механизмы упрочнения твердых тел Текст. / П.А. Флинк.-М.: Мир, 1965.-276 с.

8. Hägg, G. Z. phys Текст. / G. Hägg .- Chem., B6, 221.

9. Proc.5,6 th Int. Conf. On Surfase Modification of Metals by Ion Beams// Mater. Sei. and Eng. 1987. V/ 90. P483; 1989 V. Al 15. Pt I,391P; V. AA116. Pt II, 350P.

10. Гуляев, А.П. Металловедение Текст. / А.П. Гуляев.- M.: Металлургия, 1986.-541 с.

11. Dimigen, H. Текст. / H. Dimigen, К. Kobs, R. Leutenecker.- Mater. Sei. and Eng, 1985. V.69. P.181.

12. Хмелевская, B.C. Аномальные изменения структуры хромистых сталей и сплавов, облученных ионами Текст. / B.C. Хмелевская, Р.Б. Грабова,

13. B.Г. Малынкин // Поверхность.- 1990.- №8.- С. 75-78.

14. Искандерова, З.А. Распределение и удержание подвижной примеси при различных режимах имплантации азота в железо и стали Текст. / З.А. Искандерова, Т.Д. Раджабов, Г.Р. Рахимова // Поверхность. Физика, химия, механика." 1988.-№7. -С. 96-98.

15. Васильева, Е.В. Влияние имплантации ионов бора и углерода на микротвердость и микроструктуру сталей и сплавов Текст. / Е.В. Васильева,

16. C.М. Савичева, И.В. Краснова // Металловедение и термическая обработка металлов.-1987.-№1.-С. 59-62.

17. Borders, J.А. Текст. / J.A. Borders, W.K. Beezhold // Ion implantation, Berlin and New York, 1991.-P. 241-245.

18. Никитин, A.A. Ионная имплантация эффективный метод изменения свойств поверхности металлов и сплавов Текст. / A.A. Никитин, Н.Т. Травина //Бюллетень ЦНИИЧ.-№23.-С. 9-18.

19. Кальнер, В.Д. Использование концентрированных потоков энергии для изменения свойств поверхностей материалов Текст. / В.Д. Кальнер, Ю.В. Кальнер, А.К. Вернер // Металловедение и термическая обработка металлов.-1991 .-№6.-С.22-24.

20. Kluge, A. A comparison of the wear behavior of B, N, С Ag, Pb and Sn implanted steels with 18% chromium Текст. / A. Kluge, К. Laugguth, R. Ochsner, H. Ryssei // Nucl. Instr. And Meth. B.-1989.-39.-№l-4. -P. 531-534.

21. Aschworth, V. Treatise on Materials Science and Technology,v.l8.Ion Implantation Текст. / V. Aschworth, W.A. Grant, R.P. Procter // Academic Press.-1980-P. 176-256.

22. Бернштейн, M.Jl. Механические свойства металлов Текст. / М.Л. Бернштейн.- М.: Металлургия, 1979.-215 с.

23. Iwaki Masaya. Трибологические свойства сталей, имплантированных ионами Текст. / Iwaki Masaya. // Mater. Sci. and Eng.-1987.-V.90.-P. 263-271.

24. Белый, A.B. Применение ионного легирования для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин и оборудования. Текст. / А.В. Белый, А.В. Симонов, С.К. Ших. -БелНИИНТИ: Минск, 1985.

25. Chakzabortty, S. В. Текст. / S.B. Chakzabortty, A. Kujore, Е.А. Starke // IEEE Transactions Nuclear Science.-1981.-V.28.-№2.-P. 1812-1815.

26. Полещенко, K.H. Влияние условий ионно-лучевого воздействия на структуру и свойства сталей Текст. / К.Н. Полещенко, С.Н. Поворознюк, Г.А. Вершинин // Поверхность.-1995 .-№4.-С. 114-116.

27. Погребняк, А.Д. Модификация свойств нержавеющей стали под действием ионной имплантации Текст. / А.Д. Погребняк, Г.Е. Ремнев, С.А. Чистяков [и др.] // Изв. вузов. Физика.-1987.-№1.-С. 52-65.

28. Комаров, Ф.Ф. Модификация структуры и трибологических свойств титановых сплавов имплантацией атомов азота и углерода. Текст. / Ф.Ф. Комаров //Поверхность,-1987.-№ З.-С. 105-112.

29. Панайоти, Т.А. Ионное азотирование а и (а+р)-сплавов титана Текст.

30. Т.А. Панайоти, Г.В. Соловьев // Вестник МГТУ. Серия: Машиностроение,-1994.-№1.-С. 15-24.

31. Прокошкин, Д.А. Исследование ионного азотирования титана Текст. / Д.А. Прокошкин, Т.А. Панайоти, Г.В. Соловьев // Изв. Вузов. Машиностроение.-1985.-№5.-С. 107-110.

32. Tomas, G.J. Application of ion bombardment to metals Текст. / G.J. Tomas, S.T. Picraux // Plenum Press.-№4.-1994.-P. 257-270.

33. Белый, A.B. Фазовые и структурные превращения в железе и его сплавах при ионной имплантации Текст. / A.B. Белый, В.А. Кукареко, О.В. Лобо-даева // Физика металлов и металловедение. Т.80.-В.6.-1995.-С. 82-95.

34. Бурянков, А.Ф. Глубинное распределение примеси при ионной имплантации с образованием устойчивых фаз Текст. / А.Ф. Бурянков, Ф.Ф. Комаров, С.А. Федотов // Поверхность.-№5.-1990.-С.75-80.

35. Ионная имплантация Текст. / под ред. Дж. Хирвонена.-М.:Металлургия, 1985.

36. Семенов, А.П. Создание износостойких и антифрикционных покрытий и слоев на поверхностях трения деталей машин новыми методами Текст. / А.П.Семенов // Трение и износ.-1982.-№3.-С. 401-411.

37. Гусева, М.И. Ионная имплантация в металлах Текст. / М.И.Гусева // Поверхность.-1982.-№4.-С. 27-50.

38. Лифанова, Л.С. Применение ионного облучения для улучшения антикоррозионных свойств поверхностей Текст. / Л.С.Лифанова // Поверхность.1997.-№10.-С. 121-124.

39. Ефремов, А.П. Влияние ионной имплантации на коррозионные свойства металлов и сплавов Текст. / А.П.Ефремов, Р.Х. Залавутдинов, И.Б. Куракин, А.Е. Лигачев // Известия вузов.-1989.-№5.-С. 32-42.

40. Тенкина, H.A. Исследование ионной имплантации слоев меди Текст. / H.A. Тенкина, Ю.А. Данилов, В.П. Лесников // Поверхность.-1993.-№2.-С. 8993.

41. Kujore, А. Текст. / A. Kujore, S. В. Chakrabortty, Е.А. Starke, К.О. Legg // Nuclear Instruments and Methods.-1981 .-V. 182/183.-part II.-P. 919-958.

42. Покрытия и обработка поверхности для защиты от коррозии и износа Текст. / под ред. К. Н. Страффорда, П.К. Датты, К. Дж. Гуджена; пер. с англ. -М.: Металлургия, 1991.

43. Давыдов, С.Н. Коррозионное поведение аустенитных хромоникелевых сталей типа 18-10 Текст. / С.Н. Давыдов, И.Г. Абдуллин, Луань Цзян Фэн //Материалы IV конгресса нефтегазо-промышленников России // Green Fish Studio.-2003.-C. 186-188.

44. Городецкий, А.Е. Формирование коррозионно-защитных слоев на титане методом ионной имплантации Текст. / А.Е. Городецкий, М.И. Гусева, Н.Д. Томанцев//Поверхность.-1982.-№3.-С. 83-88.

45. Лю, 3. Предельный уровень легирования, достижимый при ионной имплантации Текст. / З.Лю, Дж. Мейер; пер. с англ.-М.: Мир, 1980.

46. Келли, Р. Столкновительные, тепловые и электронные процессы ионного распыления Текст. / Р. Келли; пер. с англ.-М. Мир, 1980.

47. Полещенко, К.Н. Влияние условий ионно-лучевого воздействия на структуру и свойства твердых сплавов Текст. / К.Н. Полещенко, С.Н. Повороз-нюк, Г.А. Вершинин //Поверхность.-1995.-№4.-С. 70-77.

48. Панайоти, Т.А. Особенности формирования диффузионных слоев при ионном азотировании а- и (а+ß)- титановых сплавов в интервале температур от 500-1000 °С Текст. / Т.А. Панайоти, Г.В. Соловьев // МиТОМ.-1976.-№5.-С. 3437.

49. Комаров, Ф.Ф. Модификация структуры и трибологических свойств a-Ti имплантацией атомов углерода Текст. / Ф.Ф. Комаров. // Поверхность. -1987.-№ З.-С. 105-112.

50. Искандерова, 3. А. Формирование упрочненного приповерхностного слоя с выделением новой фазы на объемных дефектах при ионной имплантации Текст. / З.А. Искандерова, Т.Д. Раджабов, Т.Г. Рахимова // Поверхность.1985.-№10.-С. 115-126.

51. Аймаков, М.Ш. Фазообразование в железе, имплантированном ионами азота и углерода Текст. / М.Ш. Аймаков, А.К. Жетбаев, К.К. Кадыржанов // Поверхность.-1988.-№ 10.-С. 134-137.

52. Slater M.S. Текст. / M.S. Slater, W.A. Grant, G. Carter // Rad.Eff.-1984. V.82.-N.3-4.-P. 239.

53. Bentini G.G. Текст. / G.G. Bentini // Corrosion Science.-1980.-V.20.-P. 27-34.

54. Yagodkin Yu. D. Текст. / Yu. D.Yagodkin, K.M. Pastuhov, G.Vandendrisschi [Et al.] // Surf. And Coat. Technol.-1997.-W.89.-P. 52-57.

55. Искандерова, З.А. Изменение микроструктуры и механических свойств металлов и сплавов в результате ионной имплантации Текст. / З.А. Искандерова, Т.Д. Раджабов,. Г.Р Рахимова // Поверхность.-1992.-№8.-С. 96.

56. Коротаев, А.Д. Фазово-структурное состояние поверхностного слоя металлических мишеней при воздействии мощных пучков металлов Текст. / А.Д. Коротаев, А.Н. Тюменцев, Ю.И. Почивалов // Физика металлов и металловедение.- 1996.-Т.81.-В.5.-С. 118-127.

57. Владимиров, Б.Г. Изменение микрогеометрии, микротвердости и коэффициента трения нержавеющей стали после облучения ионами средних энергий Текст. / Б.Г. Владимиров, М.И. Гусева, С.А. Звонков // Поверхность.-1986.-№5.

58. Диденко, А.Н. Воздействие ионов инертных газов на поверхностные свойства металлов и сплавов Текст. / А.Н. Диденко, А.Е. Лигачев.-М.:Энергоиздат, 1987.-184 с.

59. Аброян, И.А. Физические основы электронной и ионной технологий Текст. / И.А. Аброян, A.M. Андронов, А.И. Титов.-М.:Мир, В.Ш., 1984.-254 с.

60. Павлов, A.B. Взаимодействие атомных частиц с твердым телом Текст. / A.B. Павлов, П.В. Павлов, Е.И. Зорин, Д.И. Тотельбаум.-Киев, 1974.114 с.

61. Поут, Дж. Получение метастабильных сплавов металлов методом ионной имплантации Текст. / Дж. Поут; пер. с англ.-М.Мир, 1980.

62. Погребняк, А.Д. Модификация свойств металлов под действием ионных пучков Текст. / А.Д. Погребняк, Г.Е. Ремнев, С.А.Чистяков // Изв. Вузов, физика.-1987.-№1.-С. 52-65.

63. Мурзин, И. Г. Модификация поверхности металлов методом ионно-лучевого смешивания: Дисс. Канд. Физ.-мат. Наук. Текст. / И.Г. Мурзин.- М.:-1992.

64. Carter, G. Текст. / G. Carter, D.Gg. Armour // Vacuum.-1986.-Vol.36. P. 413-418.

65. Dearnaley, G. Текст. / G. Dearnaley // Nucl. Instr. And Meth.-1985.-V.7/8.B.-P. 158-165.

66. Singh, А. Текст. / A. Singh, M. Fiset, R. Lapointe // Solid. State. Commun.-1984.-V.52.-№5.-P. 491-494.

67. Pollstaedt, D.M. Текст. / D.M. Pollstaedt, J.A. Knapp, L.E. Pope // Nucl. Instr. And Meth.-1985.-V.12.B.-P. 368-372.

68. Dionisio, P.H. Текст. / P.H. Dionisio, В.А. de Barros // J. Appl. Phys.1984.-V.55.-№2.-P. 4219-4224.

69. Серба, П. В. Исследование влияния ионного модифицирования на инструментальные стали с покрытием Текст. / П.В. Серба, Д.А. Сеченов // Физика и химия обработки материалов.-1994.-№2.-С. 14-18.

70. Hung L.S. Текст. / L.S. Hung, J.W. Mayer // Nucl. Instr. And Meth.1985.-V.7/8.-P. 696.

71. Ходасевич, B.B. Влияние ионной обработки поверхности подложки на физико-химические свойства осаждаемых покрытий Текст. / В.В. Ходасевич, И.А. Солодухин, В.В. Углов, И.И. Приходько // Вакуумная техника и технология.- 1997,-Том 7.-№2.-С. 3-6.

72. Кример, Б.Н. Лабораторный практикум по металлографии и физическим свойствам металлов и сплавов Текст. / Б.Н. Кример [и др.].-М.¡Металлургия, 1956.

73. Грилихес, С.Я. Электрохимическое полирование Текст. / С.Я. Грили-хес.-Л. Машиностроение, 1976.

74. Сорокин, В.Г. Марочник сталей и сплавов Текст. / В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова [ и др. ].-М.Машиностроение, 1989.

75. Минайчев, В.Е. Нанесение пленок в вакууме Текст. / В.Е. Минайчев,-М.:Высшая школа, 1989.

76. Комаров, Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы Текст. / Ф.Ф. Комаровым. ¡Металлургия, 1990.-216 с.

77. Риссел, X. Ионная имплантация Текст. / X. Риссел, И.Руге; пер.с нем.-М.:Наука, 1983.-360 с.

78. Качалов, H.H. Рентгеноструктурный анализ Текст. / H.H. Качалов, Л.И. Миркин.-М.:Машгиз, 1960.-216 с.

79. Немировский, М.Р. К методике рентгенографического исследования тонких поверхностных слоев сплавов на основе железа Текст. / М.Р. Немировский // Заводская лаборатория.-1977.-№43 .-С. 291-293.

80. Авдиенко, К.И. Электронно-оптические методы исследования материалов: методические указания к лабораторным работам Текст. / К.И. Авдиенко, Г.А. Ольховская.-Липецк:ЛииПИ, 1994.

81. Крагельский, И. В. Трение и износ Текст. / И. В. Крагельский.-М.:Машгиз, 1962.

82. Конвисаров, Д.В. Трение и износ металлов Текст. / Д.В. Конвисаров,-Свердловск:Машгиз, 1965.

83. Бильчугов. Ю.И. Выбор метода оценки коррозионной стойкости сильфонных компенсаторов из аустенитной хромоникелевой стали Текст. / Ю.И. Бильчугов, Н.Л. Макарова, A.A. Назаров // Защита металлов.-2000.-Т.37.-№3.-С. 326-328.

84. Розенфельд, И.Л. Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов Текст. / И.Л.Розенфельд, К.А. Жигалова.-М:Металлургия, 1966.-347 с.

85. Югфельд, A.C. Влияние температуры и содержания хрома на коррозию сталей в аммиачно-хлоридной среде Текст. / A.C. Югфельд // Защита ме-таллов.-2001 .-Том 37.-№6.-С. 445-446.

86. Никитин, A.A. Структурно-фазовые превращения и профили распределения при имплантации ионов азота и бора в стали Текст. / A.A. Никитин, Н.Т. Травина, М.И. Гусева, И.А. Рыжков // Поверхность.- 1988.-№7.-С. 101-108.

87. Авдиенко, A.A. Влияние элементного состава пучка ионов на фазооб-разование и упрочнение поверхности конструкционных материалов Текст. / A.A. Авдиенко, К.И. Авдиенко, И.А. Коваленко // ФММ.-2001.-Т.92.-№ 6.-С. 103-107.

88. Коваленко, И.А. Финишная упрочняющая обработка металлических деталей имплантацией лёгких ионов. Текст. / И.А Коваленко, К.И. Авдиенко, A.A. Авдиенко // Материалы 9-й конференции «Вакуумная наука и техника». -М. :МГИЭМ.-2002.-С. 184-188.

89. Стоунхэм, А. Теория дефектов в твердых телах Текст. / А.Стоунхэм.-М.:Мир,1987.-212 с.

90. Авдиенко, A.A. Фазовые и структурные превращения в поверхностных слоях конструкционных материалов при ионной имплантации Текст.

91. A.A. Авдиенко, К.И. Авдиенко, И.А. Коваленко // Материалы 8-й НТК с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника».-М.:МГИЭМ. -2001.-С. 152-157.

92. Шувалов, В.А. Физико-химические процессы, протекающие в поверхностных слоях титановых сплавов при ионно-лучевой обработке Текст. / В .А. Шувалов, Г.Е.Ремнев // Поверхность.-1993.-№5.-С. 127-140.

93. Гольдшмидт, X. Дж. Сплавы внедрения Текст. / X. Дж. Гольд-шмидт.-М.:Мир, 1971.-846 с.

94. Коваленко, И.А. Ионно-лучевое борирование конструкционных материалов Текст. / И.А. Коваленко, К.И. Авдиенко, И.А. Цыганов // Сборник докладов 6-й Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудова-ние».-Харьков:ХГУ.-2003.-С. 205-207.

95. Искандерова, З.А. О природе упрочнения поверхности металлов и сплавов в результате ионной обработки Текст. / З.А. Искандерова, Г.Д. Раджа-бов, Г.Р.Рахимова // Вопросы науки и техники,-1991,-№3.-С. 79-96.

96. Григорович, В.К. Электронное строение и термодинамика сплавов железа Текст. / В.К. Григорович.-М.:Наука, 1970.-423 с.

97. Романов, И.Г. Некоторые особенности поведения трибологических свойств поверхностных слоев после обработки потоками ионов Текст. / Неми-ровский, И.Г. Романов, И.Н. Царева, Ю.А. Дудин // Трение и износ,-1993.-№14.-С.519-523.

98. Авдиенко, A.A. Ионно-лучевая упрочняющая обработка Текст. / A.A. Авдиенко, К.И. Авдиенко, И.А. Коваленко, Ю.В. Морозов // Наука и технологии в промышленности.-2002.-№ 2(9).-С. 68-70.

99. Коваленко, И.А. Влияние ионной имплантации на коррозионную стойкость сталей и сплавов Текст. / И.А. Коваленко, A.A. Авдиенко, К.И. Авдиенко // Материалы 14-й НТК с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника».-М.:МГИЭМ.-2007.-С. 52-56.

100. Авдиенко, A.A. Модификация поверхности материалов ионной имплантацией Текст. / A.A. Авдиенко, К.И. Авдиенко, Ю.В. Морозов, И.А. Коваленко // Наукоемкие технологии.-2002.-Т.З.-№ 5.-С. 41-48.

101. Протокол промышленных испытаний конического расширителя (сталь Х12М), упрочненного ионно-лучевой обработкой

102. Испытания проводились с целью увеличения износостойкости конического расширителя, изготовленного из стали Х12М, применяемого для развальцовки соединительных концов медных трубопроводов диаметром 6 мм.

103. Проведена экспериментальная проверка работоспособности БП в составе электрохимических ячеек и макетных образцов БТЭ по методике, разработанной в ЛГТУ Коваленко И.А. под руководством к.ф.-м.н. Авдиенко A.A. Проведены ускоренные ресурсные испытания.

104. Во внешние (катодная и анодная) стороны БП для получения антикоррозионной защиты, стойкой в среде атомарного кислорода 5% раствора серной кислоты при температуре + 85°С, имплантировались ионы бора и азота при флюенсе 1017-1018 см"2.

105. Заключение: На наружных поверхностях БП не наблюдалось следов коррозии в течение всего ресурса работы (1200 ч) батареи.

106. Рекомендовать разработанную технологию антикоррозионной защиты для применения в полупромышленном производстве биполярных пластин для топливных элементов и электролизеров.

107. Заведующий кафедрой физического металловедения1. ЛГТУ1. В.В. Шкатов