Влияние имплантации ионов Ar+и о+ на формирование наноразмерных поверхностных слоев нержавеющей стали 03х17н12м2т

Влияние имплантации ионов Лг+и О+ на формирование наноразмерных поверхностных слоев нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т

1 ту 2 2

И.Г. Поспелова , В.Л. Воробьёв ' , П.В. Быков , В.Я. Баянкин ,

Ф.З. Гильмутдинов2

1 Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

2

ФАНО России ФГБУ науки Удмуртский Федеральный Исследовательский центр УрО РАН

Аннотация: Установлено, что облучение ионами Аг+нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т приводит к сегрегациина поверхность атомов железа, а при облучении ионами О+ в наноразмерных поверхностных слоях исследуемой стали происходит накопление кислорода, сопровождающееся формированием оксида хрома Сг203. Ключевые слова: Ионная имплантация, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, ионы, химический состав, наноразмерные поверхностные слои, нержавеющая сталь, сегрегация, прочность.

Свойства металлов и сплавов (прочность, вязкость, коррозионная стойкостьи др.) определяются состоянием поверхности и их можно значительно улучшить путем соответствующей обработки и упрочнения поверхности.Одним из методов, активно развивающимся в последнее десятилетие поверхностной обработки металлов и сплавов, является ионная имплантация [1-3]. Однако на сегодняшний день, несмотря на исследования в этом направлении, остаются недостаточно изученными процессы формирования наноразмерных поверхностных слоев металлических материалов при ионной имплантации. В частности, остается открытым вопрос по влиянию компонентов сплава на накопление имплантируемого элемента и образование химических соединений при ионной имплантации.

В связи с этим, целью данной работы является сравнительные исследования влияния имплантации ионов Аг+ и ионов О+ на формированиехимических соединений и состава в приповерхностных слоях нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т.

:

Облучение ионами Ar+ и O+ образцов проводилась источником на

основе импульсной вакуумной дуги в импульсно-периодическом режиме

18 2

(f=100 Hz, t=1 ms) с энергией ионов 30 keV, дозой облучения 10 ion/cm и плотностью тока в импульсе 3 mA/cm .

Химический состав исследовался в наноразмерных поверхностных слоях образцов до и после облученийметодом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на спектрометрах SPECS и ЭС-2401. Обработку спектров проводили с помощью программы CasaXPS. Первым этапом исследования спектров являлось сглаживание, далее производилось вычитание фона по методу Ширли и определение интегральной интенсивности компонента. Определив интегральную интенсивность фотоэлектронных пиков, находили химический состав исследуемого сплава по формуле:

С = CjSa

Z

где С - концентрация, Са - интегральная интенсивность сигнала фотоэлектронной линии, Sa - фактор относительной чувствительности в РФЭС для данного вещества; XCi/Si -сумма отношений интегральных интенсивностей к факторам относительной чувствительности для всех элементов, входящих в состав твердого тела. Относительная погрешность определения концентрации элементов составляла ±3 at.%. Послойный РФЭС-анализ проведён с помощью распыления поверхности ионами аргона со скоростью травления поверхности ~1 nm/min с использованием справочных и литературных данных [4-10].

Исследования исходного образца методом РФЭС показали, что начиная с глубины ~6 nm значения концентраций атомов железа составляют 60 at.%, атомов никеля 14 at.%, атомов хрома 16 at.% и остаются неизменными с

1

глубиной. На поверхности образца выявлены атомы молибдена и титана в количестве 2 at.% и в количестве 1 проявляется марганец (табл. 1).

Таблица № 1

Относительная концентрация элементов в приповерхностных слоях исходного образца нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т

^ пш Fe, N1, сг, Мо, Т1, мп, о, с,

at.% at.% at.% at.% at.% at.% at.% at.%

1 40 11 17 1 1 0 26 2

3 56 14 14 2 2 1 7 3

6 58 14 16 2 2 1 4 3

10 57 14 17 2 2 1 4 2

15 58 14 17 2 2 1 3 3

20 59 14 17 2 2 1 2 2

30 61 14 17 2 2 1 1 1

40 61 14 17 2 2 1 1 1

В результате облучения ионами Ат+нержавеющей стали 03Х17Н12М2Тнаблюдается сегрегация в приповерхностные слои атомов Fe и обеднение атомов никеля и хрома (рис. 1 и 2).

с, аг.% 80

60 40 20 0

10

20

и

-о-Ре с- С г

30 40 Ь, пт

С, а1.% 80

60  40  20 0

20

40

-о- Ре -с-С г

-о -о

60 Ь, пт

Рис. 1. - Профили распределения концентраций элементов по глубине в образцах в исходном состоянии ^)и после облучения ионами Ат+

1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2019) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2019/5757

С,

Ь, пт

Рис. 2. - Распределение железа в исходном образце и после имплантации ионов Лг+

Следует отметить, что облучение ионами, используемыми в данной работе, не приводит к сегрегации в приповерхностные слои дополнительных легирующих элементов сплава таких, как молибден, титан и марганец (табл. 2).

Таблица № 2

Относительная концентрация элементов в приповерхностных слоях образца нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т, облученного ионамиЛг+

^ пт Fe, N1, сг, Мо, Т1, Мп, о, с,

а!% а!% а!% а!% а!% at.%

1 39 0 2 1 0 0 31 8

3 48 3 4 1 1 0 6 6

6 68 5 3 1 1 0 4 4

10 65 9 7 1 1 0 3 3

15 66 11 11 1 1 1 3 3

20 63 9 16 1 1 1 2 2

30 62 10 17 1 1 1 2 2

40 61 9 18 1 1 1 2 2

Данные в табличном виде представлены для образца, облученного ионами Лг+ с целью, чтобы продемонстрировать, что имплантация ионов не приводит к сегрегациям малых по значениям концентраций легирующих

1

элементов сплава и в дальнейшем в статье не акцентируется на них внимание.

При облучении ионами О+ наноразмерный поверхностный слой обогащается атомами хрома и кислорода до значений 26 и 28 а1% соответственно (рис. 3). Из рисунка 3 видно, что характер распределения атомов кислорода и хрома в поверхностных слоях облученного ионами кислорода образца одинаков. Кроме этого, также видно, что в сверхтонких поверхностных слоях (до ~10 нм) практически отсутствует никель и снижается концентрация атомов железа по сравнению с исходным образцом более чем в 2 раза(табл. 1).

Рис. 3. - Профили распределения концентрации элементов в приповерхностных слоях образцов после облучения ионами О+

На основании этого можно предположить, что при облучении ионами кислорода нержавеющей стали основную роль в его накоплении в поверхностных слоях определяется атомами хрома. Возможно, происходит образование оксидов хрома с разным стехиометрическим соотношением компонентов. Анализируя энергии образования оксидов хрома, железа и никеля предполагается, что это обусловлено наибольшей химической активностью хрома к кислороду, чем для остальных компонентов. Энергия образования оксида хрома Сг203 составляет-1059кДж/моль, оксида железа

Fe2O3 - -740,3кДж/моль, оксида никеля №0--211,6кДж/моль[11]. Из справочных данных видно, что энергия образования оксида хрома наименьшая. Это говорит о том, что оксиды хрома будут образовываться в первую очередь.

Таким образом, в образцах нержавеющей стали 03Х17Н12М2Т, облучённых ионами Ат+, наблюдается сегрегация в наноразмерный поверхностный слой атомов железа. А при имплантации ионов О+ приповерхностный слой обогащается атомами хрома и кислорода до значений 26 и 28 at.% соответственно. Кислород накапливается в поверхностных слоях образца из-за сегрегации к поверхности атомов хрома так, что распределения атомов хрома и кислорода имеют одинаковый характер.

Литература

1. Козлов Д.А., Крит Б.А., Столяров В.В., Овчинников В.В. Ионно-лучевое модифицирование трибологических свойств хромистой стали // ФизХОМ. 2010. №1. С.50-53.

2. Братушка С.Н., Маликов Л.В. Вопросы атомной науки и техники. №6, 126 с. (2011).

3. Воробьев В.Л., Быков П.В., Баянкин В.Я., Быстров С.Г., Порсев В.Е., Буреев О.А. Изменение состава и структуры поверхностных слоев, морфологии поверхности и механических свойств углеродистой стали Ст.3 в зависимости от дозы импульсного облучения ионами хрома // Физика и химия обработки материалов. 2013. № 3. С.13-18.

4. Воробьёв В.Л. Гильмутдинов Ф.З., Быков П.В., Баянкин В.Я., Климова И.Н., Поспелова И.Г. Формирование наноразмерных слоев на поверхности 3D металлов имплантацией ионов О+// Химическая физика и мезоскопия. 2018. Том 20, №3. С. 354-364.

5. Нефёдов В.И. Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений. Химия, M.: 1984. 256 с.

6. Wagner C.D. Rigus W.M., Davis L.E. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy // Physical electronics Div., Perkin-Elmer Corp., Eden Prairie, 1979. pp. 1-18.

7. Бриггс Д., Сих М.П. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Мир, М.: (1987). 600с.

8. Vorob'evV.L., Gilmutdinov F.Z., Bykov P.V., Bayankin V.Ya., Kolotov A.A. Effect of O+ Ion Implantation on the Composition and Chemical Structure of Nanosized Surface Layers of a Copper-Nickel Alloy Cu50Ni50 Physics of Metals and Metallography. Vol. 119, № 9, 2018.pp. 870-875.

9. Богданов С.А., Захаров А.Г., ПисаренкоИ.В. Влияние электрического поля контакта с барьером Шоттки на перераспределение примесных атомов в полупроводнике // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1623/.

10. Бойко М.В., Булгаревич С.Б., Коган В.А. Улучшения эксплуатационных свойств конструкционных сталей за счёт модификации их поверхностных оксидных пленок на наноуровне// Инженерный вестник Дона, 2009, №3.URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2009/146/.

11. Мишенина Л.Н., Шелковников В.В. Справочные материалы по химии: учеб.-мет. пособие. -2-еизд., доп. и перераб. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007. - 89 с.

References

1. Kozlov D.A., Krit B.A., Stoljarov V.V., Ovchinnikov V.V. FizHOM. 2010. №1. pp.50-53.

2. Bratushka S.N. Malikov L.V. Voprosy atomnoj nauki i tehniki. №6, 126 p. (2011).

3. Vorob'ev V.L., Bykov P.V., BajankinVJa., Bystrov S.G., Porsev V.E., Bureev O.A. Fizika ihimija obrabotki materialov. 2013. № 3. pp.13-18.

4. Vorob'jov V.L. Gil'mutdinov F.Z., BykovP.V., Bajankin V.Ja.,Klimova I.N., Pospeloval.G. Himicheskaja fizika i mezoskopija. 2018. Vol. 20, №3. pp. 354-364.

5. Nefjodov V.I. Rentgenoelektronnaya spektroskopiya himicheskih soedinenij [X-ray electron spectroscopy of chemical compounds]. Himija, M.: 1984. 256 p.

6. Wagner C.D. Rigus W.M., Davis L.E. Fizicheskaya elektronika Div., Perkin-ElmerCorp., Eden Prairie [Physical electronics Div., Perkin-Elmer Corp., Eden Prairie], 1979. pp. 1-18.

7. Briggs D., Sih M.P. Mir, M.: (1987). 600 p.

8. Vorob'ev V.L., Gilmutdinov F.Z., Bykov P.V., Bayankin V.Ya., Kolotov A.A. Fizika metallov i metallografiya [Physics of Metals and Metallography]. 119, 9, (2018).

9. Bogdanov S.A., Zaharov A.G., Pisarenko I.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1623/.

10. Bojko M.V., Bulgarevich S.B., Kogan V.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2009, №3. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2009/146/.

11. Mishenina L.N., Shelkovnikov V.V. Spravochnyye materialy po khimii: ucheb.-met. posobiye. [Reference materials in chemistry: a teaching aid]. 2-ye izd.,dop. ipererab. Tomsk: Izd-vo Tom. un-ta, 2007. 89 p.