Упрочнение изменением структуры поверхностного слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский государственный технический университет

Упрочнение изменением структуры поверхностного слоя

Караганда 2016

Введение

Постоянное увеличение рабочих характеристик современных машин, связанное с увеличением мощности и производительности, может быть обеспечено лишь при соответствующем совершенствовании эксплуатационных характеристик их основных узлов и деталей. Состояние поверхностного рабочего слоя деталей во многом определяет технико- экономические показатели эксплуатации машин и агрегатов, поскольку именно в нем зарождаются и развиваются повреждения, ограничивающие работоспособность. Для изготовления значительной части деталей машин и технологического инструмента до настоящего времени широко используются сравнительно дешевые углеродистые легированные стали и чугуны. Эксплуатационная стойкость таких деталей уже не отвечает возрастающим требованиям производства ввиду интенсивного изнашивания рабочих поверхностей под воздействием возросших нагрузок и увеличивающихся в связи с этим затрат на запасные части, текущий и капитальный ремонт машин и агрегатов. Проблема продления ресурса деталей машин является весьма актуальной как в экономическом, так и в экологическом и ресурсосберегающем аспектах, поскольку их первичное производство, ремонт и утилизация сопровождаются потреблением сырьевых и энергетических ресурсов, а также техногенным загрязнением окружающей среды. Поэтому совершенствование технологий поверхностного упрочнения является важной и актуальной задачей инженерии поверхности - нового направления в материаловедении, изучающего закономерности управления структурой и свойствами поверхностных слоев за счет воздействия на них физико-химическими методами.

Одним из перспективных направлений решения этой задачи является разработка и внедрение упрочняющих технологий, позволяющих управлять фазовым составом, структурой и свойствами поверхностного слоя железоуглеродистых сплавов для повышения твердости, износостойкости и других эксплуатационных свойств за счет воздействия концентрированными потоками энергии (КПЭ), такими как лазерное, ионное, электронно-лучевое, плазменное, электромагнитное и другие излучения с удельной мощностью более 108 Вт/м2. Для практического использования в условиях промышленных предприятий рациональным по параметрам универсальности, доступности, экологичности и экономической эффективности представляется способ поверхностной термической обработки (закалки) плазменной дугой.

Целью плазменной закалки является упрочнение поверхностного рабочего слоя (толщиной до нескольких миллиметров) деталей из железоуглеродистых сплавов, испытывающих полиморфные превращения при нагреве и охлаждении. При этом физико-химическое состояние и свойства материала во внутренних слоях не изменяются, обеспечивая заданную конструктивную прочность.

1. Лазерная закалка

Лазерная обработка основана на возможности лазерного излучения создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления практически любого материала. Интенсивное развитие лазерной технологии обусловлено широкими возможностями обработки металлов с помощью пучков лазерного излучения и выпускаемой серийно совершенным оборудованием. лазерный плазменный закалка имплантация

Термическая обработка железоуглеродистых сплавов начинается с нагрева в область температур устойчивого существования аустенита. Конечные свойства закаленной зоны зависят от скорости и температуры нагрева, времени выдержки в нагретом состоянии, от закона охлаждения, а также от исходной структуры (т.е. предварительной термообработки и механообработки). При лазерной закалке так же, как и при других методах интенсивного нагрева, кинетика б > г превращения лимитируется диффузией углерода, что приводит к необходимости введения понятия сдвига критических точек температуры фазового перехода. В зависимости от структурного состояния (плотности дефектов, дисперсности и морфологии фаз) реальные температуры фазовых превращений отличаются от указанных на равновесной диаграмме состояний Fe - C. Перегрев над точкой равновесия фаз переводит систему в метастабильное состояние, и возникают зародыши высокотемпературной фазы (аустенита) без подготовительного инкубационного периода. Так как процесс образования аустенита является эндотермическим, кинетика превращений может реализовываться лишь в той мере, в какой условия теплопередачи позволяют передавать необходимое количество энергии к месту появления или роста зародыша новой фазы. При лазерном нагреве в каждом микроскопическом объеме металла термический цикл описывается своей термической кривой Т = Т(t). Первые зародыши аустенита появляются в момент ta₁, когда температура Т (ta₁) достигает равновесной температуры перехода Ac₁. Завершение аустенизации происходит через некоторое время Дt, в момент

ta = ta1 + Дt

и при этом температура аустенизации

Тa(ta) = Ac1 + ДT

Лазерное упрочнение металлов характеризуется временем протекания диффузионных процессов Дt и перегревом ДT относительно равновесной температуры перехода. Чем больше средняя скорость нагрева

Vн = ДT / Дt

тем быстрее происходит ее б > г превращение (Дt уменьшается) и тем выше смещается критическая точка перехода (ДT увеличивается). Корректное описание процесса аустенизации при скоростном нагреве предполагает совместное решение тепловой и диффузионной задач с учетом характерных особенностей реального процесса диффузии углерода в стали (в частности, с учетом объемных конфигураций различных фаз в микроструктуре, с диффузией углерода во всех фазах и движением границ фаз, с изменением коэффициента диффузии во времени и пространстве и др.). Сущность закалки состоит в бездиффузионном превращении при быстром охлаждении гранецентрированной кубической решетки аустенита в искаженную объемно-центрированную кубическую решетку мартенсита. Характерными особенностями мартенсита являются его высокая твердость и прочность, с одной стороны, и низкая пластичность и склонность к хрупкому разрушению, с другой стороны.

Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими стали и особенно с аустенитом имеет наибольший удельный объем, что является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин. Превращение аустенита в мартенсит не идет до конца, поэтому в закаленной стали наряду с мартенситом всегда присутствует в некотором количестве остаточный аустенит. Аустенит при охлаждении ниже температуры A1 становится метастабильным и превращается в более стабильные структуры. При небольшой скорости охлаждения образуется перлит, при большей скорости - сорбит, затем троостит; наконец, при некоторой высокой скорости охлаждения (называемой критической скоростью закалки) перлитный распад аустенита становится вообще невозможным и весь аустенит переохлаждается до точки Мн. Данные о температурных интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном охлаждении и об образующихся при этом структурных составляющих приводятся на так называемых термокинетических диаграммах.

2. Теплофизические модели лазерной закалки

Падающий на поверхность обрабатываемого материала лазерный пучок вызывает на поверхности или в некотором ограниченном объеме тела возникновение локализованного теплового источника. Знание термических циклов нагрева и охлаждения позволяет прогнозировать ход структурных и фазовых превращений в веществе и конечный результат лазерной термической обработки. Естественно, что в основе этого рассмотрения наряду с металлофизическими закономерностями фазовых превращений лежит решение уравнения теплопроводности. Традиционный путь в этом направлении - решение прямой задачи теплопроводности, то есть уравнения теплопроводности с характерными для лазерного воздействия граничными условиями.

Из аналитических методов для решения линейных задач теплопроводности используются методы функций Грина, преобразований Фурье, интегральных преобразований по пространственным переменным, преобразований Лапласа по временной переменной, и др. Однако лишь очень ограниченное число задач теплопроводности может быть точно решено в аналитическом виде и требует численного решения на ЭВМ (даже в простейших случаях - обращения к табличным функциям интеграла вероятностей, то есть фактически опять к численным расчетам).

Одним из основных требований при лазерной закалке является равномерность глубины закаленной зоны и отсутствие дефектов на поверхности. Чтобы достичь таких результатов, необходимо использовать однородный поверхностный источник тепла. Однако реальный лазерный пучок, как одномодовый, так и многомодовый, такого равномерного нагрева обеспечить не может. Необходимы устройства, преобразующие структуру лазерного пучка в однородное распределение. Ими могут быть оптико-механические сканирующие системы, не изменяющие модовый состав пучка, но многократно перемещающие его по зоне нагрева и создающие за время термического цикла закалки в среднем равномерный тепловой источник. В этом случае в тепловой задаче о закалке необходимо учитывать не только пространственную, но и временную структуру теплового источника. Для расчета режимов лазерной закалки со сканированием воспользуемся обоснованной ранее процедурой перехода от трехмерной задачи нагрева металла ограниченным движущимся поверхностным источником тепла к эквивалентной одномерной тепловой задаче нагрева металла бесконечным поверхностным тепловым источником, дополнив ее параметрами, характеризующими режим сканирования.

Для характерных режимов лазерной закалки серого перлитного чугуна и углеродистой стали зависимости критической (минимально допустимой) частоты сканирования f_cr от глубины закалки r_t.

Минимально допустимая частота сканирования f_cr при закалке железоуглеродистых сплавов на заданную глубину z_tr (1 - сталь, 2 - чугун; G=1, е = 0,01).

Если рассмотреть поперечное сечение упрочненной лазерным излучением дорожки, то в нем можно выделить несколько основных зон: зону оплава (зону закалки из жидкого состояния), зону закалки, зону отпуска и исходную структуру материала. В ряде частных случаев некоторые из этих зон могут отсутствовать (например, может отсутствовать зона оплава при закалке без оплавления поверхности или зона отпуска при закалке предварительно отожженного металла).

Каждая зона в свою очередь может состоять из нескольких слоев и иметь по своему сечению различия в микроструктуре, элементном составе, соотношении составляющих ее фаз и т. п. В сталях типичным является дендритное строение зоны оплавления, причем дендриты растут перпендикулярно границе раздела в направлении отвода тепла в тело образца. Карбиды при этом обычно растворяются, и основной структурной составляющей является мартенсит. При оплавлении чугунов графит растворяется в расплаве, и после кристаллизации формируется мелкодисперсная структура белого чугуна. Степень растворения графита зависит от его вида (пластинчатый, шаровой) и от длительности термического цикла. Выделение газов, адсорбированных графитом, часто приводит к образованию пор. Распространенными дефектами являются также трещины. Зоны закалки стали в твердом состоянии неоднородны по сечению. В глубине наряду с мартенситом имеются элементы исходной структуры: феррит (для доэвтектоидной стали) и цементит (для заэвтектоидной стали), а ближе к поверхности после охлаждения гомогенизированного аустенита формируется мартенсит и остаточный аустенит. Перекристаллизация сопровождается измельчением зерна и гомогенизацией аустенита, особенно если производить ее в течение достаточного времени без сильного перегрева, т. е. с выдержкой при температуре выше Та. Растворение избыточного цементита при перегреве заэвтектоидных сталей приводит к повышению доли остаточного аустенита и к понижению микротвердости по сравнению с зоной оптимального нагрева, содержащей наряду с мартенситом нерастворенные карбиды.

Структура закаленных зон после лазерной обработки образцов из серого перлитного чугуна излучением СО2-лазера: (а) - закалка без оплавления (х50); (б) - закалка с оплавлением (х25). При лазерной закалке без оплавления фазовые превращения в матрице чугунов связаны с ее структурой и со степенью насыщенности ее углеродом. В наибольшей степени матрица насыщается углеродом вблизи скоплений графита, особенно если они имеют развитую поверхность и время нагрева достаточно продолжительно. Микротвердость в зоне закалки ввиду большой неоднородности структуры отличается большим разбросом значений (от 3000 до 9000 МПа), причем в ферритных чугунах микротвердость всегда меньше, чем в перлитных. Степень закалки в первую очередь характеризуется твердостью материала. Каждая зона обработанной лазерным излучением дорожки имеет свою микротвердость, и, как правило, распределение микротвердости по глубине материала. Несмотря на большое число работ по поверхностному упрочнению указанных материалов с помощью технологических СО2-лазеров, значительная их часть лишь показывает возможность осуществления лазерной закалки и посвящена обсуждению металлофизических аспектов получаемых структур в зоне лазерного воздействия (ЗЛВ). Выбор используемых режимов обработки (мощность пучка, его поперечные размеры, скорость перемещения) чаще всего не мотивируется, подбираются эмпирически и являются достаточно произвольными.

3. Плазменная закалка

Сущность плазменной закалки состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали.

Цель плазменной закалки - изготовление деталей и инструмента с упрочненным поверхностным слоем толщиной до нескольких миллиметров при неизменном общем химическом составе материала и сохранении во внутренних слоях первоначальных свойств исходного металла.

Материалы, подвергаемые плазменной закалке - инструментальные стали, чугуны, твердые сплавы, цементированные и нитроцементированные стали, цветные сплавы и другие материалы.

Эффект от плазменной закалки определяется повышением эксплуатационных свойств детали, благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью, а также получения на поверхности сжимающих остаточных напряжений.

Плазменная закалка низкоуглеродистых сталей, обычно объемной закалке не подвергающихся, позволяет получить низкоуглеродистый пакетный мартенсит с твердостью 32…38 HRC. При обработке на режимах, обеспечивающих нагрев в области Ас1…Ас3, отдельные участки на месте перлитных зерен общей площадью 10…30 % имеют структуру высокоуглеродистой стали - мартенсит и остаточный аустенит с твердостью 750…820 HV. Такая комбинированная структура (феррит, перлит, мартенсит и остаточный аустенит) сочетает высокую износостойкость и пластичность, что позволяет расширить область применения низкоуглеродистых сталей. Плазменная закалка среднеуглеродистых литейных и конструкционных сталей обеспечивает в зоне упрочнения мартенситно-аустенитную структуру и твердость на 2…4 единицы HRC выше по сравнению с объемной закалкой и закалкой ТВЧ. После плазменной закалки в поверхностном слое фиксируется до 50 % остаточного аустенита, что позволяет реализовать энергопоглощающий процесс деформационного мартенситного пре- вращения в ходе эксплуатации. Износостойкость деталей, особенно при контактно-ударном взаимодействии и абразивном изнашивании, в этом случае многократно возрастает. С высокой эффективностью упрочняются углеродистые инструментальные стали типа У8, У10, стали для инструмента холодного деформирования типа 5ХВ2С, 9ХС, Х12, стали для инструмента горячего деформирования типа 5ХНМ, 60ХН и др. Образующаяся в поверхностном рабочем слое мелкозернистая мартенситно-аустенитная структура с твердостью до 65 HRC обладает повышенными прочностью и износостойкостью. Регулирование соотношения структурных составляющих в зоне упрочнения инструментальных сталей осуществляется путем тепловой стабилизации аустенита в области мартенситного превращения, подбором режимов предварительной термообработки и плазменной закалки. При плазменной закалке чугунов (с пластинчатым графитом типа СЧ 15-32, СПХН-45, СПХН-49; с шаровидным графитом - СШХНМ-42, СШХН-49 и др.) в поверхностном слое формируется структура с высокими твердостью (до 60 HRC) и износостойкостью. В зоне микрооплавления образуется ледебурит, вокруг графитных включений наблюдается высокоуглеродистый аустенит, в котором при охлаждении образуются участки мартенсита. В зоне плазменной закалки перлитных чугунов образуется мартенситно-аустенитная структура, ферритных - сорбито-троститная. Важными достоинствами упрочненных плазменной закалкой чугунных прокатных валков являются высокие твердость и, одновременно, сопротивляемость образованию трещин разгара за счет наличия аустенитной составляющей, что повышает их износостойкость на 40...60 %. Технологический процесс закалки включает механическую обработку (при необходимости) или очистку поверхности, подлежащей упрочнению, и плазменную термообработку, которая, как правило, является финишной операцией. Важной особенностью плазменной закалки является возможность ее эффективного применения для дополнительного упрочнения поверхности деталей, прошедших обычную объемную термическую обработку. Широкое внедрение процессов плазменной закалки в производство невозможно без обобщения результатов исследований и производственного опыта, научного обоснования закономерностей формирования фазового состава, структуры и свойств модифицированного термической обработкой поверхностного слоя, обеспечивающих гарантированное получение требуемых эксплуатационных характеристик деталей в зависимости от технологических параметров режима обработки. Сущность плазменного термоупрочнения железоуглеродистых сплавов заключается в нагреве локального участка поверхности детали выше критических температур фазовых переходов (Ас1, Ас3, Асm) и последующем охлаждении с высокой скоростью, гарантирующей образование закалочных структур. Как и при обычной термообработке, особенности полученного в результате плазменной закалки структурного состояния определяются степенью гомогенизации аустенита при нагреве, его продолжительностью, а также исходными составом и структурой сплава. Окончательное структурное состояние и свойства, сформированные в зоне термического влияния после поверхностного нагрева, зависят от скорости охлаждения в температурном интервале наименьшей устойчивости аустенита, состава и размеров его зерна, ряда других факторов, определяемых пара- метрами термического цикла в ЗТВ. Для генерации концентрированного потока энергии при плазменной закалке используются специальные устройства - плазмотроны. В сравнении с обычной свободно горящей дугой, генерируемой горелкой с неплавящимся электродом в защитной атмосфере аргона плазменная дуга при сопоставимой электрической мощности имеет повышенную (15000…20000 К) температуру и более сосредоточенный тепловой поток [6]. Это достигается уменьшением проводящего сечения дуги, сжатой в канале сопла потоком плазмообразующего газа, молекулы которого, в свою очередь, ионизируются в столбе дугового разряда, повышая тем самым долю ионного тока. Большинство плазмотронов работает на постоянном токе прямой полярности (отрицательный потенциал на электроде), поскольку тепловыделение в анодном пятне дуги выше, чем в катодном. Такое распределение потенциалов увеличивает термический КПД нагрева детали и снижает тепловую нагрузку на электрод. В плазмотронах, генерирующих сжатую дугу прямого действия, горящую между электродом и поверхностью детали, теплопередача в деталь осуществляется за счет теплопроводности, конвекции, излучения и кинетической энергии заряженных частиц, запасенной в электрическом поле.

Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование) - введение примесных атомов в твёрдое тело бомбардировкой его поверхности ускоренными ионами. При ионной бомбардировке мишени происходит проникновение ионов вглубь мишени. Внедрение ионов становится существенным при энергии ионов Е>1 кэВ.

Формально ионной имплантацией следовало бы называть облучение поверхности твердого тела атомами или атомарными ионами с энергией не менее 5-10 энергий связи атома в решетке облучаемой мишени (тогда до остановки ион или атом пройдет не менее 2-3 межатомных расстояний, т.е. внедрится, “имплантируется” в объем мишени). Однако, мы по традиции термином “ионная имплантация” называем здесь более узкий диапазон энергий - от 5-10 кэВ до 50-100 кэВ. Движущиеся частицы в результате многократных столкновений постепенно теряют энергию, рассеиваются и в конечном итоги либо отражаются назад, либо останавливаются, распределяясь по глубине. Энергетические потери обусловлены как взаимодействием с электронами мишени (неупругие столкновения), так и парными ядерными (упругими) столкновениями, при которых энергия передаётся атомам мишени в целом и резко изменяется направление движения частицы. При высоких энергиях и малых прицельных параметрах ядра сталкивающихся частиц сближаются на расстояния, меньшие радиусов электронных орбит, и их взаимодействие описывается кулоновским потенциалом. При низких энергиях существенно экранирование ядер электронами. Обычно раздельно рассматривают взаимодействие движущегося иона с электронами (свободными и на внешних оболочках атомов) и взаимодействие между ядрами иона и атома мишени, считая оба механизма потерь аддитивными, а среду однородной и изотропной (теория Линдхарда-Шарфа-IIIиотта, ЛШШ). Теория предсказывает, что удельные потери энергии с ростом энергии иона в зоне упругих столкновений проходят через максимум а затем убывают. Удельные потери в неупругих столкновениях с ростом энергии возрастают по коренному закону. При очень больших скоростях энергиях ион движется в мишени как голое ядро и удельные потери энергии убывают с дальнейшим её ростом. Траектория иона представляет собой сложную ломаную линию, состоящую из отрезков пути между элементарными актами рассеяния на большие углы. Функция распределения стабилизированных ионов по глубине образца имеет максимум (расстояние точки максимума от поверхности определяется величиной среднего пробега ионов данной энергии.

Важными характеристиками процесса ионной имплантации являются т. н. проективный пробег иона Rпр -- проекция траекторного пробега на направление первонач. движения частицы, а также распределение имплантированных атомов по Rпр, т. е. но глубине х (при бомбардировке по нормали к поверхности мишени). Распределение по x частиц, имплантированных в аморфную мишень, характеризуется ср. пробегом Rср среднеквадратичным разбросом пробегов ?R и параметром Sk, определяющим асимметрию распределения Пирсона. Эти величины зависят от М1 М2 и е0. При Sк = 0 распределение Пирсона переходит в гауссовское. При ионной имплантации в монокристаллы распределение внедрённых частиц по глубине может видоизменяться из-за каналирования заряженных частиц. Изменяя в процессе ионной имплантации энергию ионов, можно получить распределение внедрённой примеси по глубине желаемой формы. Полное число атомов примеси N, которое может быть имплантировано в твердотельную мишень через единицу поверхности, ограничивается распылением, если коэффициент распыления S (число атомов мишени, выбиваемых одним ионом) больше доли внедряющихся частиц б=1-k (k -- коэффициент отражения). В пренебрежении диффузией

пS Rпр N ? n

где nS=бn0/S -- концентрация примеси у поверхности в установившемся режиме. Если S >б концентрация имплантированных атомов будет монотонно расти с увеличением дозы ионов. Наиболее широко ионная имплантация применяется для легирования полупроводников с целью создания р-n-переходов, гетеропереходов, низкоомных контактов. Ионная имплантация позволяет вводить примеси при низкой температуре, в том числе примеси с малым коэффициентом диффузии, создавать пересыщенные твёрдые растворы. Ионная имплантация обеспечивает точную дозировку вводимой примеси, высокую чистоту (сепарация пучка ионов по массам), локальность, а также возможность управления процессом с помощью электрических и магнитных полей. Для устранения образующихся при ионной имплантации радиационных дефектов и перевода внедрённых атомов в регулярные положения используют высокотемпературный прогрев. Ионную имплантацию в металлы применяют с целью повышения их твёрдости, износоустойчивости, коррозионной стойкости, создания катализаторов, изменения коэффициента трения и т. п. При больших дозах, когда концентрация внедрённой примеси сравнима с n0, возможно образование новых соединений. Ионная бомбардировка позволяет вводить примесь не только из пучка, но и из плёнки, предварительно нанесённой на поверхность мишени (имплантация атомов отдачи и ионное перемешивание). Бомбардировка ионами может сопровождаться наращиванием имплантируемого материала. Плёнки, полученные ионным осаждением, имеют высокую плотность и хорошую адгезию к подложке.

Достоинства ионной имплантации:

1. Возможность вводить (имплантировать) любую примесь, любой элемент Периодической Таблицы.

2.Возможность легировать любой материал.

3. Возможность вводить примесь в любой концентрации независимо от ее растворимости в материале подложки.

4. Возможность вводить примесь при любой температуре подложки, от гелиевых температур до температуры плавления включительно.

5. Возможность работать с легирующими веществами технической чистоты и даже с их химическими соединениями (тоже любой чистоты).

6. Изотопная чистота легирующего ионного пучка (т.е. возможность легировать не только исключительно данным элементом, но и исключительно данным изотопом этого элемента).

7. Легкость локального легирования (с помощью хотя бы элементарного механического маскирования).

8. Малая толщина легированного слоя (менее микрона).

9. Большие градиенты концентрации примеси по глубине слоя, недостижимые при традиционных методах с неизбежным диффузионным размыванием границы.

10. Легкость контроля и полной автоматизации технологического процесса.

11. Совместимость с планарной технологией микроэлектроники.

Ограничения, лимитирующие возможности ионной имплантации:

1. Возможность вводить любую примесь иногда ограничена свойствами рабочего вещества ионного источника: а) слишком высокая рабочая температура б) химическая или температурная нестойкость, в) чрезмерная токсичность, г) коррозионная активность.

2. Возможность легировать любой материал в действительности означает только возможность ввести, внедрить атомы легирующего вещества внутрь объема мишени. Если понятие “легирование” означает еще и вполне определенное положение в кристаллической решетке мишени, то здесь возможности ионной имплантации во многих случаях не намного больше, чем, например, диффузии. Другое ограничение - радиационная стойкость материала мишени. Условия облучения таковы, что декомпозиция сложных материалов имеет место при имплантации почти всегда (из-за испарения или распыления какой-либо компоненты химического соединения).

3. Возможность вводить примесь в любой концентрации ограничена сверху коэффициентом распыления слоя. Кроме того, примесь, введенная сверх предела растворимости, при отжиге дефектов, как правило, выделяется в виде преципитатов другой фазы.

4. Низкие температуры легирования характерны только для таких систем, где состояние кристаллической решетки несущественно. Если же нарушенную решетку нужно восстановить после имплантации, то выигрыш в температуре по сравнению, например, с диффузионным легированием становится существенно скромнее.

5. Преимущество технической чистоты легирующих веществ изредка омрачается необходимостью осушки вещества либо устранения из него легкоионизующихся посторонних примесей

6. Изотопная чистота ионного пучка отнюдь не означает изотопной же чистоты легирования. Перераспыление деталей имплантационной установки быстрыми ионами и неконтролируемое вбивание этого распыленного вещества в легированный слой может существенно испортить свойства слоя, поэтому требуются ухищрения, для исключения попадания на легируемую поверхность посторонних веществ.

7. Локальность легирования при имплантации обеспечивается механическим маскированием либо накладными трафаретами-масками. Здесь неприятность связана с вбиванием материала маски в легированный слой.

8. Малая толщина легированного слоя хороша в микроэлектронике, но отнюдь не является достоинством в металлургических применениях.

9. Большие градиенты концентрации примеси по глубине. Расчетные градиенты (по распределению пробегов ионов) реально никогда не получаются из-за размытия профиля, обусловленного радиационным стимулированием диффузии примеси.

10. Легкость контроля и автоматизации процесса во многих установках используется, но до идеала - полностью автоматизированной технологической линии - еще далеко.

Важно также помнить, что в настоящее время ионная имплантация одна из самых дорогостоящих. Ионная имплантация с сепарацией по массам - уникальный по своим возможностям метод исследования и модификации поверхностных слоев. Уникальный и по спектру легирующих примесей, и по спектру обрабатываемых материалов, и по диапазону концентраций примеси в легированном слое. Однако эта уникальность хороша только для исследовательских, поисковых целей. Как только выявляются перспективы практического использования найденных примесей, концентраций и толщин легированного слоя, так сразу же надо искать, опробовать и отрабатывать альтернативные технологии, обеспечивающие те же или близкие результаты.

Список использованной литературы

1. Костромин С.В. Закономерности формирования и изменения свойств поверхностных слоев сталей при лазерной термической обработке: Автореф. дис. канд. техн. наук. Нижний Новгород, 1997. -- 16 с.

2.Материаловедение и технология материалов: учебник для втузов/ Г.П. Фетисов [и др.].- М.: Высш. шк., 2000.

Размещено на Allbest.ru