Влияние параметров ионной имплантации на Микротвердость сплава Fe-Cr Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.124

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ СПЛАВА Fe-Cr

© А.В. Никитин, В.Я. Баянкин

Россия, Ижевск, Физико-технический институт УрОРАН

Nikitin A.V., Bayankin V.Y. Ionic implantation parameters influence on the micro-hardness of Fe-Cr alloy. The microhardness of Fe-Cr alloy dependence on such ionic implantation parameters as dose, ion current density and ion type (B and P) is investigated. The correlation between the micro-hardness value and registered structure changes of the surface implanted layer is revealed.

Измерение микротвердости и изучение характера отпечатка является удобным и распространенным методом исследования механических свойств металлов. Модифицированный ионной имплантацией, поверхностный слой имеет толщину менее 1 мкм, поэтому измерения микротвердости материалов с тонкими ионно-имплантированными поверхностными слоями проводились с учетом их толщины и твердости подложки по способу, предложенному в работах [1, 2].

Измерения микротвердости проводились после ионного легирования сплава Ее - 10 % Сг на микротвердомере ПМТ-З при нагрузке на алмазную пирамиду 0,1 Н. Облучение проводилось ионами Р (с энергией 40 кэВ) и В (с энергией 30 кэВ) с варьированием или дозы (1...5)-1017 ион/см2 при постоянной плотности ионного тока в 10 мкА/см2) или скорости набора дозы (10-50 мкА/см2 при постоянной дозе облучения 1 • 1017 ион/см2).

Графики зависимости микротвердости имплантированного фосфором сплава в зависимости от дозы и плотности потока ионов представлены на рис. 1, 2.

Проведенные эксперименты по определению атомной структуры облученного материала в зависимости от дозы методом электронографии на отражение приведены в табл. 1. Выявлено, что структура имплантированного образца меняется от аморфной (при дозах (1.. ,2)-1017 ион/см2) до поликристаллической текстури-рованной (при дозах (4.. .5} 1017 ион/см2). Причем разу-порядочение поверхностного слоя протекает с формированием группировок химически связанных атомов (комплексов), образующихся при начальных дозах облучения. Комплексы, в соответствии с работами [3, 4], представляют из себя некие образования атомов типа карбофосфидов металлов (Ее) Сг-Р-С в ближайшем окружении. При повышении концентрации имплантируемой примеси и увеличении внутренних напряжений структура трансформируется и происходит выделение преципитатов, соответствующих фосфидам железа (Е е-Р) и карбидам хрома (Сг-С) [5].

Значения микротвердости находятся в интервале между минимальным - для исходных образцов и максимальным - для облученных образцов при дозах, достигших стадии рекристаллизации и существенно зави-

сят от дозы имплантации, превышая значения микротвердости необлученных образцов в ~1,15.. .2,3 раза.

Между данными, соответствующими исходному образцу и рекристаллизированной фазе, расположены значения микротвердости, отвечающие дозе аморфиза-ции. Значения микротвердости для этих доз имплантации, по данным работы [6], близки к значениям для релаксированных аморфных пленок (безусловно, такое сравнение может быть только качественным, так как исследовались различные объекты).

Доза D ион/см 2

Доза D-1017, ион/см2

Рис. 1. Изменение микротвердости образцов после облучения ионами фосфора в зависимости от дозы имплантации

Плотность тока, мкА/см 2

Рис. 2. Микротвердость образцов, облученных ионами фосфора, в зависимости от скорости набора дозы

Таблица 1

Результаты электроннографического исследования сплава, имплантированного ионами Р+ в зависимости от дозы

Доза, ион/см2 Структура

1-1017 Аморфная

2 • 1017 Аморфная со слабым проявлением поликристаллических колец

3-1017 Поликристаллическая с элементами текстуры, но ось текстуры не определяется

4 • 1017 Поликристаллическая текстурированная

5 • 1017 Четкая текстура, ось текстуры перпендикулярна поверхности образца. Период текстуры - 0,27 нм

Облучение образцов при малых плотностях тока приводит к образованию поверхностного слоя с аморфной структурой, а при повышении плотности ионного тока до 30 мкА/см2 и выше фиксируется кристаллическая структура. Влияние скорости набора дозы на значения микротвердости представлены на рис. 2. В отличие от дозовой зависимости микротвердости, график зависимости микротвердости от плотности потока ионов является почти линейным. Отличие графиков микротвердости от дозы и плотности потока ионов выше дозы 1 • 1017 ион/см2 (рис. 1), и плотности потока ионов выше 10 мкА/см2 (рис. 2) (при этих параметрах она одинакова и составляет ~51 кгс/мм2), очевидно, обусловлено различным протеканием рекристаллизационных процессов, и во втором случае, более высоким температурным режимом.

Представленная на рис. 3 зависимость микротвердости облученного бором образца от скорости набора дозы существенно отличается от хода кривых микротвердости для образцов, облученных ионами фосфора. В этом случае максимальное значение наблюдается при минимальной плотности тока (10 мкА/см2) и соответствует 109,5 кгс/мм2, монотонно уменьшаясь до 82 кгс/мм2 при максимальной плотности тока (50 мкА/см2). Увеличение микротвердости в ~2,4 раза при минимально использованной плотности потока ионов, очевидно, связно с образованием в приповерхностных слоях группировок типа металл-металлоид, а последующий спад (с увеличением плотности тока) - с уменьшением концентрации бора и,

Плотнос ть тока, мкА/см2

Рис. 3. Микротвердость образцов, облученных ионами бора, в зависимости от скорости набора дозы

следовательно, комплексов типа металл-металлоид в измененном объеме образца (рис. 3).

Таким образом, на величину микротвердости поверхностного слоя оказывают влияние тип ионов и режимы облучения (доза, плотность ионного тока и температура). По-видимому, упрочнение импланта-ционного слоя происходит за счет образования каких-либо включений и их доли в поверхностном слое, а также из-за генерации радиационных дефектов и внутренних напряжений, возникающих при внедрении инородных атомов в основную решетку, а также формированием соединений типа металл-металлоид.

ЛИТЕРАТУРА

1. Bhattacharya A.K. Analysis of elastic and plastic deformation associated with indentation testing of thin films on substrates // Int. J. Sol. and Struct. 1982. V. 24. Р. 1287-1298.

2. Воеводин А.А., Спасский С.Е., Ерохин А.Л. Определение микротвердости тонких покрытий с учетом их толщины и твердости подложки // Заводская лаборатория. 1991. № 10. С. 45-46.

3. Васильев В.Ю., Кузьменко Т.Г., Баянкин В.Я. и др. Особенности электрохимического поведения сплавов на основе железа после имплантации ионов металлоидов // Защита металлов. 1987. Т. 23. № 3. С. 487-494.

4. Шабанова И.Н., Самойлович С.С., Баянкин В.Я. и др. Эффекты сегрегации в поверхностных слоях аморфных лент их сплавов на основе железа // Докл. АН СССР. 1984. Т. 274. № 3. С. 591-593.

5. Баянкин В.Я., Никитин А.В., Федотов А.Б. Влияние дозы имплантации на состав и структуру поверхностных слоев стали // Высокочистые вещества. 1993. № 6. С. 141-147.

6. Ли Дж. С.М. Механические свойства аморфных металлов и сплавов // Сверхбыстрая закалка жидких сплавов / Под. ред. Г. Г ерма-на. М.: Металлургия, 1986. С. 255-316.