КАТОД ДЛЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Заявляемая полезная модель относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использована в машиностроении для повышения триботехнических свойств деталей машин и механизмов из конструкционных материалов.
Известен катод имплантера для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов изготовленный из монотектического сплава меди с 36% свинца (патент РФ № 2501886, МПК С23С 14/48, опубл. 20.12.2013). Применение катода из монотектического сплава меди со свинцом позволяет повысить глубину проникновения имплантируемых ионов, что способствует росту износостойкости стали.
Недостатком упомянутого катода является отсутствие возможности регулирования содержания ионов свинца в плазме ионного пучка путем изменения концентрации свинца в сплаве, из которого изготовлен катод имплантера. Это лимитирует глубину проникновения имплантируемых ионов в облучаемую деталь и, в конечном счете, износостойкость детали после имплантации.
Известен катод для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов в виде диска из меди, отличающийся тем, что соосно в катоде выполнена круговая несквозная канавка диаметром (0,40 - 0,75)D, где D - диаметр дискового катода имплантера, которая залита свинцом (патент на полезную модель РФ № 143632, МПК С23С 14/48, опубл. 27.07.2014, бюл. № 21). Использование катода данной конструкции позволяет увеличить содержание ионов свинца в плазме ионного пучка и в имплантированном слое облученной детали.
Однако, по мере перемещения активного пятна дуги по поверхности катода наблюдается резкое изменение сортового состава плазмы ионного пучка. Первую половину длительности импульса горения плазменной дуги в ионном пучке присутствуют, преимущественно, ионы меди (пока активное пятно дуги перемещается по медной части катода). Во второй половине длительности импульса горения плазменной дуги ее активное пятно перемещается по поверхности поверхности вставки из свинца. При этом наблюдается резкое изменение сортового состава ионного пучка, в котором присутствуют в основном ионы свинца.
Такое распределение сортового состава ионов в ионном пучке по времени горения плазменной дуги сопровождается повышением содержания ионов свинца в имплантированном слое при одновременном снижении его толщины по сравнению с вариантом имплантации с использованием катода из монотектического сплава меди со свинцом на одинаковых параметрах режима имплнтации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому катоду для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов является катод, выполненный в виде диска из монотектического сплава меди со свинцом, в котором выполнена кольцевая несквозная канавка с осевым диаметром 0,4 - 0,6 диаметра дискового катода и шириной 0,6-0,8 диаметра активного пятна плазменной дуги на поверхности дискового катода (патент на полезную модель РФ № 155002, МПК С23С 14/48, опубл. 20.09.2015, бюл. № 26). Применение монотектического сплава меди со свинцом позволяет повысить глубину проникновения имплантируемых ионов в мишень, что способствует росту износостойкости стали.
Существенным недостатком прототипа является то, что при перемещении плазменной дуги по поверхности катода во второй части импульса тока, оно тяготеет к фиксации на менее тугоплавком металле, т.е на вставке из свинца. В этот момент в плазме ионного потока преобладают ионы свинца и частично присутствуют кластеры из ионов меди и свинца, количество которых невелико. Эти кластеры имеют большую массу, и бомбардировка ими мишени позволяет увеличить глубину проникновения имплантируемых ионов, изменить дислокационную структуру слоя, расположенного под имплантированным слоем, что в конечном итоге благоприятно сказывается на увеличении износостойкости облученных деталей.
Кроме отмеченного недостатка в прототипе отсутствует возможность расширения сортового состава ионов в плазме ионного пучка за счет введения других элементов.
Заявляемый катод для ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали обеспечивает повышение износостойкости деталей из конструкционной стали в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, обеспечивается тем, что катод выполнен в виде диска с чередующимися от периферии к центру диска кольцевыми канавками шириной (0,2 - 0,35)d, где d - диаметр активного пятна плазменной дуги на поверхности катода, причем чередование канавок осуществлено в последовательности снижения потенциала ионизации материала монотектический сплав меди со свинцом - свинец - олово.
Подробнее сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами:
на фиг. 1 - представлена схема составного катода;
на фиг. 2 - показано положение активного пятна плазменной дуги относительно канавок в катоде;
на фиг. 3 - представлено изменение во времени сортового состава ионного пучка при работе составного катода;
на фиг. 4 - дислокационная структура подповерхностного слоя при вариации ширины канавок в диске катода.
Выполнение совместной имплантации ионами с большой массой (свинец) в сочетании с ионами (медь), близкими по массе к основе мишени (железо), позволяет создавать большое количество радиационных дефектов, по которым ионы меди проникают вглубь мишени.
Максимальное значение глубины проникновения ионов в матрицу (стали 30ХГСН2А) достигается при использовании в качестве материала катода имплантера монотектического сплава меди со свинцом с содержанием свинца 36%. Дальнейшее увеличение содержания свинца в монотектическом сплаве невозможно. Поэтому увеличение концентрации ионов свинца в имплантированном слое, а также введение в него ионов олова возможно только за счет создания канавок в катоде, заполненных указанными элементами.
Заявляемый катод выполнен в виде диска 1 диаметром D из монотектического сплава меди со свинцом (фиг. 1). Соосно в катоде выполнены чередующиеся круговые несквозные канавки 2 и 3 шириной (0,2 - 0,35)d, где d - диаметр активного пятна плазменной дуги на поверхности катода, причем чередование канавок осуществлено в последовательности снижения потенциала ионизации материала монотектический сплав меди со свинцом - свинец - олово.
Изменяя ширину канавок 2 и 3, можно регулировать сортовой состав ионного пучка и длительность облучения имплантируемой мишени ионами каждого из элементов - меди, свинца и олова.
Увеличение содержания кластерных ионов (комбинации ионов меди, свинца и олова с большой суммарной массой) в пучке, связанное с уменьшением ширины канавок 2 и 3 и попаданию большего количества границ между канавками в пределы активного пятна 5 дуги 4, способствует увеличению глубины проникновения имплантируемых ионов в мишень (фиг. 2).
Однако, при ширине канавок 2 и 3 менее 0,2d отмечается интенсивное хаотичное блуждание активного пятна 5 по поверхности катода 1, сопровождающееся стабилизацию глубины проникновения ионов, которое отражается ростом коэффициента трения и снижением износостойкости имплантированной стали. Кроме того, выполнение канавок такой малой ширины и их заполнение оловом и свинцом становится технически сложным.
Увеличение ширины канавок 2 и 3 более 0,35d приводит к снижению количества кластерных ионов в плазме ионного пучка, что вызывает уменьшение глубины проникновения имплантируемых ионов в мишень и отсутствие упорядоченности дислокационной структуры подповерхностного слоя.
Поэтому оптимальной является ширина канавок (0,2 - 0,35)d, где d - диаметр активного пятна плазменной дуги на поверхности катода.
По мере прохождения импульса тока плазменной дуги наблюдается снижение ее напряжения. Поэтому для сохранения высокой концентрации ионов в ионном потоке необходимо, чтобы активное пятно 5 дуги 4 смещалось при этом на канавку с металлом с низкой работой образования ионов, в данном случае на канавку, заполненную оловом. Поэтому канавки чередуются в направлении к центральной части дискового катода в направлении уменьшения потенциала формирования ионов данного металла.
Был изготовлен катод имплантера в виде диска диаметром 30 мм и толщиной 6 мм из монотектического сплава меди и 36% свинца. В диске катода методом токарной обработки были выбраны глухие (несквозные) цилиндрические углубления шириной 0,8-1,4 мм (диаметр активного пятна дуги на поверхности катода составлял 4 мм) (фиг. 1).
Затем диск был нагрет в электрической печи до температуры 350°С, и в цилиндрические углубления были залиты жидкий свинец и олово. После кристаллизации свинца и олова, а также охлаждения диска до комнатной температуры, его поверхность со стороны канавок была обработана на токарном станке для формирования единой плоскости между диском 1 из монотектического сплава меди со свинцом и кольцевыми канавками 2 и 3, заполненными свинцом и оловом.
Затем полученный составной катод был установлен в имплантер, и была произведена имплантация образцов из стали 30ХГСН2А на режиме:
Остаточное давление в камере
6,6×10<sup>-4</sup>Па
Ускоряющее напряжение
30 кВ
Ток ионного пучка
0,1 А
Доза имплантации
10<sup>17</sup> ион/см<sup>2</sup>.
Методом вторичной ионной масс-спектрометрии была определена глубина проникновения ионов в имплантируемую мишень. Образцы имплантированной стали были подвергнуты испытаниям на износостойкость с определением массового износа. На трибометре определялась величина коэффициента трения. Полученные результаты приведены в таблице.
Испытания также показали, что при увеличении ширины кольцевой канавки 2 более 0,35d в имплантированном слое происходит накопление атомов свинца, что сопровождается увеличением износа имплантированных образцов стали 30ХГСН2А при одновременном росте значений коэффициента трения.
Исследование изменения сортового состава ионов в течение импульса тока в источнике ионов при использовании катода с кольцевыми канавками шириной 0,30d (фиг. 3) показало, что в первые 5 мкс горения плазменной дуги в ионном пучке присутствуют только ионы меди и ионы свинца. По истечении 15 мкс горения плазменной дуги, в составе ионного пучка отмечаются кластерные комплексные ионы, ионы меди, свинца и ионы олова.
Начиная с 25 мкс горения плазменной дуги, в ионном пучке присутствуют в основном кластерные ионы, а также ионы олова. Примерно к 30 мкс в ионном луче нарастает присутствие двухзарядных ионов олова, а вместо трехзарядных появляются однозарядные ионы олова.
На фиг. 4 показана дислокационная структура подповерхностного слоя при вариации ширины канавок в диске катода от 0,15d (а) до 0,30d (б) и 0,50d (в). Из представленных фотографий видно, что наиболее организованная структура поля дислокаций, соответствующая наиболее высоким сжимающим напряжениям, соответствует ширине кольцевых канавок 0,30d (фиг. 4, б).
Таким образом, использование дискового составного катода с чередующимися от периферии к центру диска кольцевыми канавками шириной (0,2 - 0,35)d, где d - диаметр активного пятна плазменной дуги на поверхности катода, причем чередование канавок осуществлено в последовательности снижения потенциала ионизации материала монотектический сплав меди со свинцом - свинец - олово, позволяет повысить глубину проникновения ионов в мишень и износостойкость имплантированной стали 30ХГСН2А.