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 (Овчинников В.В., Козлов Д.А., Якутина С.В. Исследование свойств поверхности стали 30ХГСН2А после имплантации ионами меди. /Машиностроение и инженерное образование. 2009. №2. С. 7-13) представляющий собой диск из технически чистой меди диаметром 35 мм и толщиной 5 мм. Его мы взяли за прототип.
Недостатком катода из меди является небольшая глубина проникновения ионов меди в мишень, а также незначительное увеличение износостойкости облученных деталей.
Заявляемый катод для ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной обеспечивает повышение износостойкости деталей из конструкционной стали в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям.
Технический результат, на достижение которого направлен заявляемая полезная модель, обеспечивается тем, что соосно в катоде выполнена круговая несквозная канавка диаметром (0,40-0,75)D, где D - диаметр дискового катода имплантера, которая залита свинцом.
Подробнее сущность заявляемой полезной поясняется чертежами:
на фиг. 1 - представлена схема составного катода, где B - толщина катода, мм, h - глубина канавки, мм, D - диаметр дискового катода имплантера, мм;
на фиг. 2 - представлено изменение во времени сортового состава ионного пучка при работе составного катода;
на фиг. 3 показан след перемещения катодного пятна плазменной дуги по поверхности медного составного дискового катода с круговой вставкой из свинца.
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 не возможно.
Заявляемый катод выполнен в виде диска 1 диаметром D из меди (фиг. 1). Соосно в катоде выполнена круговая несквозная канавка 2 диаметром (0,40-0,75)D. Изменяя величину диаметра круговой канавки 2 можно тем самым регулировать сортовым составом ионного пучка и длительность облучения имплантируемой мишени ионами каждого из элементов - меди и оловом.
Увеличение содержания ионов свинца в пучке, связанное с увеличением диаметра круговой вставки 2, способствует увеличению глубины проникновения ионов меди в мишень. Однако при величине диаметра круговой вставки 2 равным 0,75D отмечается стабилизация глубины проникновения ионов и чрезмерное повышение концентрации свинца в имплантированном слое, которое сопровождается ростом коэффициента трения и снижением износостойкости имплантированной стали.
Поэтому оптимальным является диаметр круговой вставки в диапазоне (0,40-0,75)D.
Был изготовлен катод имплантера в виде диска диаметром 30 мм и толщиной 6 мм из безкислородной меди. В катоде методом токарной обработки было выбрано глухое цилиндрическое углубление диаметром 15 мм и глубиной 3 мм.
Затем диск был нагрет в электрической печи до температуры 300°C и в цилиндрическое углубление был залит жидкий свинец. После кристаллизации свинца и охлаждения диска до комнатной температуры, его поверхность со стороны углубления была обработана на токарном станке для формирования единой плоскости между диском 1 из меди круговой вставкой 2 из свинца.
Затем полученный составной катод был установлен в имплантер и был произведена имплантация образцов из стали 30ХГСН2А на режиме:
Остаточное давление в камере
6,6×10<sup>-4</sup> ТПа
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.
Таблица
Влияние содержания свинца в катоде на свойства имплантированной стали 30ХГСН2А
№ п/п
Диаметр круговой вставки
Доза имплантации, ион/см
Глубина проникновения ионов в мишень, нм
Массовый износ при пути трения 1 км, мг
Коэффициент трения
1
0,35D
10<sup>17</sup>
250
0,23
0,11
2
0,40D
10<sup>17</sup>
420
0,19
0,07
3
0,60D
10<sup>17</sup>
510
0,11
0,05
4
0,75D
10<sup>17</sup>
540
0,10
0,06
5
0,80D
10<sup>17</sup>
535
0,15
0,10
6
0,90D
10<sup>17</sup>
545
0,33
0,16
Испытания также показали, что при увеличении диаметра круговой вставки более 0,75D 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 течении импульса тока в источника ионов плазмотрона при использовании катода диаметром круговой вставки 0,55D (фиг. 2) показало, что в первые 5 мкс горения плазменной дуги в ионном пучке присутствуют только одно и двухзарядные ионы меди. По истечении 15 мкс горения плазменной дуги в составе ионного пучка появляются трех и четырехзарядные ионы меди.
На 20 мкс плазменная дуга выходит на границу между основой катода и круговой вставки из свинца. При этом в ионном пучке присутствуют двух, трех и четырехзарядные ионы меди, а также двух и трехзарядные ионы свинца.
Начиная с 25 мкс горения плазменной дуги в ионном пучке присутствуют только двух и трехзарядные ионы свинца. Примерно к 30 мкс в ионном луче нарастает присутствие двухзарядных ионов свинца, а вместо трехзарядных появляются однозарядные ионы свинца.
Таким образом, использование дискового составного катода с круговой свинцовой вставкой диаметром (0,40-0,75)D позволяет повысить глубину проникновения ионов в мишень и износостойкость имплантированной стали 30ХГСН2А.