Текстурирование стали 12х18н10т имплантацией в ее поверхность нитридов хрома, молибдена и титана

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕКСТУРИРОВАНИЕ СТАЛИ 12Х18Н10Т ИМПЛАНТАЦИЕЙ В ЕЁ ПОВЕРХНОСТЬ НИТРИДОВ ХРОМА, МОЛИБДЕНА И ТИТАНА

студент, член студенческого научного кружка «И.Н.Т.Э.Л.х» Черный А.А.,

студент, член студенческого научного кружка «И.Н.Т.Э.Л.х» Мащенко С.В.

ИХТ ВНУ им. В. Даля (г. Рубежное)

Научный руководитель - ассистент Гончаров В.В.

Исследования последних лет показали перспективность ионной имплантации (корпускулярного легирования) не только в микроэлектронике, металлообработке, металлургии, но и в гетерогенном катализе и теплоэнергетике [1-4]. В основном эффективность воздействия данной обработки связана с тем, что ионная имплантация позволяет изменять состав, физико-химические свойства и текстуру поверхностного слоя глубиной порядка сотен нанометров, а это, в свою очередь, во многом определяет активность композитов в гетерогенных каталитических процессах, сопровождающихся значительными тепловыми потоками. Целью данной работы является изучение воздействия ионной имплантации на текстуру поверхности твердых тел и как следствие на удельную площадь потенциальных нагревательных и каталитических элементов.

2. Синтез образцов. Для исследования воздействия ионной имплантации на свойства поверхности твердого тела в качестве исходного образца взяли фольгу из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т (ГОСТ 4986-79) толщиной 100 мкм. Данный материал широко используется в химической промышленности в силу высокой прочности, теплопроводности и коррозионной стойкости в различных средах. Кроме того, термические свойства данной стали позволяют использовать её в качестве носителя для катализаторов в процессах, сопровождающихся термоударами и значительными градиентами температур.

Образцы подвергались обработке ионами азота, металлов (Cr, Mo, Ti) и их соединений в установке ионной имплантации (корпускулярного легирования), собранной на кафедре общей физики и технической механики ИХТ ВНУ им. В. Даля (г. Рубежное).

Из литературы [5] известно, что при дозах легирования порядка 10¹⁷_10¹⁸ см^-2 наблюдается максимальное увеличение механических характеристик поверхности (износостойкости, твердости и т.д.). Поэтому в данной работе режим работы установки подбирали таким образом, чтобы доза легирования образцов составляла 5·10¹⁷ см^-2.

3. Методика исследования синтезированных композитов. С помощью микроскопа МИМ-7, снабженного фотокамерой «Kodak EasyShare C1013», анализировали микроструктуру поверхности исходной стали и обработанных образцов.

Обработку результатов и расчет параметров текстуры проводили при помощи программного обеспечения «Gwyddion» [6].

4. Обработка результатов и обсуждение. Результаты исследования микроструктуры поверхности демонстрируют влияние ионной обработки на рельеф. Как показано на рисунке 1, исходный образец имеет ярко выраженные неровности поверхности (канавки, выступы), связанные с технологией получения (прокат нержавеющей ленты). После обработки ионами азота и металлов эти неровности частично остаются, но выражены не так сильно. Наблюдается также изменение волнистости (общее сглаживание макропрофиля Wa) и средней шероховатости (амплитуда локальных выступов и впадин Ra). Численные результаты обработки значений приведенных параметров приведены в таблице 1.

Результаты измерения параметров текстуры поверхности свидетельствуют о том, что изменение рельефа в сильной степени зависит от природы имплантата.

Таблица 1. Параметры текстуры поверхности образцов

Приведенные данные показывают, что ионы молибдена при попадании в поверхность стали почти не меняют микрогеометрию поверхности по параметру средней шероховатости, значительно понижая волнистость. Ионы титана повышают шероховатость, почти не меняя волнистость. Наиболее интересным является влияние воздействия ионов хрома, которые заметно «взрыхляют» поверхность, увеличивая и волнистость и шероховатость.

Одним из главных параметров, влияющих на активность катализаторов является удельная площадь поверхности. Потому для всех образцов в данной работе был проведен анализ соотношения площади поверхности к площади фронтальной проекции S_s/S_f (рис. 2). Оказалось, что в большей степени на этот параметр влияет средняя шероховатость (табл. 1). Поэтому площадь поверхности заметно выросла у образцов с ионами хрома (S_s/S_f от 3,49 до 3,82) и уменьшилась у остальных.

Рисунок 1 - Микрофотографии поверхностей образцов (носитель - а, с имплантированным молибденом - в, титаном - д, хромом - ж) и их 3D изображения (соответственно б, г, е, з) с помощью программы «Gwyddion» [6].

Увеличение 400, доза легирования 5·10¹⁷ см^-2

Рисунок 2

ионный имплантация легирование металлургия

Анализ результатов исследования образцов, синтезированных методом низкотемпературной ионной имплантацией показывает, что данная технология меняет текстуру поверхности, увеличивая среднюю шероховатость и, как следствие, увеличивает удельную площадь поверхности. Это влияет не только на качество обрабатываемых деталей, но и позволяет рекомендовать данную технологию для процессов синтеза катализаторов, конструирования теплообменного оборудования и т.д. Наибольший эффект в этом плане наблюдается для композитов с имплантированным хромом.

Список литературы

1. Калин Б.А. Радиационно-пучковые технологии обработки конструкционных материалов / Б. А. Калин // Физика и химия обработки материалов. - 2001. - №4 - C. 5 - 16.

2. Беграмбеков Л.Б. Модификация поверхности твердых тел при ионном и плазменном воздействии / Л.Б. Беграмбеков. - М.: МИФИ, 2001. - 34 с.

3. Employment of an ion implantation technique for catalyst coating on various substrates: proceedings of the 7th International Symposium on Advanced Materials, 17-21 september 2001, Islamabad, Pakistan / Dr. A. Q. Khan, Research Laboratories Kahuta - 2001. - C. 341 - 345.

4. Особенности теплоотдачи от поверхности твердых тел, обработанных методом корпускулярного легирования / В.В. Гончаров, А.Н. Попович, М.В. Ненько [и др.] // Материалы пятой международной научно-практической конференции «Розвиток наукових досліджень 2009» г. Полтава, Украина, 2009 г. - т. 8 - с. 19-21.

5. Витальский Д.В. Модификация и эксплуатационные свойства поверхностей деталей машин и инструментов при ионной имплантации азота: дис.... канд. тех. наук: 05.03.01 / Витальский Дмитрий Валерьевич. - Тула, 2007. - 137 с.

6. Gwyddion [Электронный ресурс] // Free SPM (AFM, SNOM/NSOM, STM, MFM, …) data analysis software.

Размещено на Allbest.ru