Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах
Методами математического моделирования исследованы процессы образования азотированых слоев в сплавах под воздействием низкоэнергетичных ионных потоков. Показано, что изменение концентрации азота в образцах обусловливается процессами распыления поверхности и термической диффузии имплантированных ионо...
Gespeichert in:
| Datum: | 2006 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80235 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах / И.Г. Марченко, И.И. Марченко, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 4. — С. 182-184. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80235 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-802352025-02-09T09:31:00Z Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах Високодозна низькоенергетична іонна імплантація азоту у сплавах Hihg dose low energy ion implantation in alloys Марченко, И.Г. Марченко, И.И. Неклюдов, И.М. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Методами математического моделирования исследованы процессы образования азотированых слоев в сплавах под воздействием низкоэнергетичных ионных потоков. Показано, что изменение концентрации азота в образцах обусловливается процессами распыления поверхности и термической диффузии имплантированных ионов газа с их захватом растворенными атомами примеси. Полученные зависимости глубины проникновения азота в аустенитную сталь хорошо коррелируют с имеющимися экспериментальными данными. Показано, что для различных условий ионной обработки существует оптимальное значение ионного тока, которое позволяет проводить процесс ионного азотирования с минимальными затратами. Методами математичного моделювання досліджені процеси формування азотованих шарів у сплавах під впливом низькоенергетичних іонних потоків. Показано що зміна концентрації азоту у матеріалах обумовлена процесами розпилу поверхні та термічної дифузії імплантованих іонів з подальшим їх захватом розчиненими атомами домішок. Отримані залежності глибини проникнення азоту у аустенітну сталь гарно корелюють з отриманими експериментальними даними. Показано, що для різних умов іонної обробки існує оптимальне значення іонного току, яке дозволяє проводити процесс іонного азотування з мінімальними затратами. A computer simulation of alloys ion nitriding has been developed. The nitration rate of steel surface layers has been estimated at various temperatures and ion current densities. The obtained data on the ion penetration are in a good agreement with the current experimental data. It is revealed that for various ion treatment conditions there is an optimum ion current value, by which the losses of the ion nitration are minimum. 2006 Article Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах / И.Г. Марченко, И.И. Марченко, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 4. — С. 182-184. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 УДК 621.384.6 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80235 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| spellingShingle |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Марченко, И.Г. Марченко, И.И. Неклюдов, И.М. Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Методами математического моделирования исследованы процессы образования азотированых слоев в сплавах под воздействием низкоэнергетичных ионных потоков. Показано, что изменение концентрации азота в образцах обусловливается процессами распыления поверхности и термической диффузии имплантированных ионов газа с их захватом растворенными атомами примеси. Полученные зависимости глубины проникновения азота в аустенитную сталь хорошо коррелируют с имеющимися экспериментальными данными. Показано, что для различных условий ионной обработки существует оптимальное значение ионного тока, которое позволяет проводить процесс ионного азотирования с минимальными затратами. |
| format |
Article |
| author |
Марченко, И.Г. Марченко, И.И. Неклюдов, И.М. |
| author_facet |
Марченко, И.Г. Марченко, И.И. Неклюдов, И.М. |
| author_sort |
Марченко, И.Г. |
| title |
Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах |
| title_short |
Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах |
| title_full |
Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах |
| title_fullStr |
Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах |
| title_full_unstemmed |
Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах |
| title_sort |
высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80235 |
| citation_txt |
Высокодозовая низкоэнергетичная ионная имплантация азота в сплавах / И.Г. Марченко, И.И. Марченко, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 4. — С. 182-184. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT marčenkoig vysokodozovaânizkoénergetičnaâionnaâimplantaciâazotavsplavah AT marčenkoii vysokodozovaânizkoénergetičnaâionnaâimplantaciâazotavsplavah AT neklûdovim vysokodozovaânizkoénergetičnaâionnaâimplantaciâazotavsplavah AT marčenkoig visokodoznanizʹkoenergetičnaíonnaímplantacíâazotuusplavah AT marčenkoii visokodoznanizʹkoenergetičnaíonnaímplantacíâazotuusplavah AT neklûdovim visokodoznanizʹkoenergetičnaíonnaímplantacíâazotuusplavah AT marčenkoig hihgdoselowenergyionimplantationinalloys AT marčenkoii hihgdoselowenergyionimplantationinalloys AT neklûdovim hihgdoselowenergyionimplantationinalloys |
| first_indexed |
2025-11-25T09:36:08Z |
| last_indexed |
2025-11-25T09:36:08Z |
| _version_ |
1849754525140779008 |
| fulltext |
УДК 621.384.6
ВЫСОКОДОЗОВАЯ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНАЯ
ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ АЗОТА В СПЛАВАХ
И.Г. Марченко*, И.И. Марченко**, И.М. Неклюдов*
*ННЦ «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков;
**Научный физико-технологический центр, г. Харьков, Украина
Методами математического моделирования исследованы процессы образования азотированых слоев в сплавах под
воздействием низкоэнергетичных ионных потоков. Показано, что изменение концентрации азота в образцах обусловли-
вается процессами распыления поверхности и термической диффузии имплантированных ионов газа с их захватом
растворенными атомами примеси. Полученные зависимости глубины проникновения азота в аустенитную сталь хорошо
коррелируют с имеющимися экспериментальными данными. Показано, что для различных условий ионной обработки
существует оптимальное значение ионного тока, которое позволяет проводить процесс ионного азотирования с мини-
мальными затратами.
В последние годы было показано, что эффектив-
ным методом азотирования поверхности металлов и
сплавов при умеренных температурах обрабатывае-
мых материалов является низкоэнергетичecкая вы-
сокодозовая имплантация ионов азота. Образующи-
еся при этом азотированные слои толщиной в
несколько микрометров позволяют на длительный
срок улучшать свойства изделий. Ионное азотирова-
ние дает возможность увеличить твердость поверх-
ности материалов на порядок, а износостойкость –
на два порядка [1]. Несмотря на проведенные иссле-
дования [2, 3], в настоящее время отсутствует аде-
кватная математическая модель, объясняющая обна-
руженные особенности в распространении азота в
глубь материала при высокодозовой низкоэнергeти-
ческой обработке сплавов.
Целью данной работы являлось построение мате-
матической модели, описывающей процессы ионно-
го азотирования в сплавах и исследование зависимо-
сти концентрации азота от плотности ионного тока.
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Процесс ионного азотирования в сплавах можно
представить следующим образом. Пучок ионов, со-
стоящий из атомов и молекул азота, взаимодейству-
ет с поверхностью твердого тела. Так как энергия
связи молекулы азота существенно ниже энергии
пучка, то на поверхности происходит диссоциация
молекул N2. Часть атомов азота отражается от образ-
ца, уменьшая таким образом поток внедренных ато-
мов. Остальные ионы азота проникают в глубь мате-
риала. При взаимодействии азота с поверхностью
происходит распыление атомов мишени. Вследствие
распыления происходит травление образца, поэтому
поверхность смещается с некоторой скоростью V.
Имплантированные атомы азота имеют некое перво-
начальное распределение по глубине образца, опре-
деляемое процессами взаимодействия ионов азота с
атомами мишени. В дальнейшем атомы азота прони-
кают в объем материала в результате процессов
диффузии. Азот, взаимодействуя с атомами раство-
ренного элемента, способен образовывать примес-
ные комплексы, которые могут распадаться под воз-
действием температуры [2, 4]. Процессы образова-
ния комплексов азот - атом примеси в движущейся
системе координат, связанной с поверхностью обра-
батываемого материала, можно описать следующей
системой уравнений:
−−+
∂
∂
=
∂
∂
+−−+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂
,)(
)(
0
02
2
ppn
pp
ppn
nnn
cccc
x
c
V
t
c
ccccG
x
cV
x
cD
t
c
βα
βα
где nc – концентрация свободных атомов азота; pc
– концентрация комплексов азота с атомами раство-
ренного компонента; D – коэффициент диффузии
азота в материале. Считается, что примесные атомы
равномерно распределены по объему материала с
некоторой плотностью 0c . Диффундирующий азот
может захватываться атомом примеси с образовани-
ем примесного комплекса. Коэффициент
DRtrπα 4= характеризует эффективность создания
примесных комплексов, а )exp(4
kT
E
DR b
dec −= πβ –
эффективность их термического распада; trR и decR
– соответственно радиусы захвата и распада примес-
ного комплекса, величины порядка постоянной ре-
шетки. Координата x нормальна к поверхности об-
разца, которая движется со скоростью V в результа-
те распыления материала. Скорость движения по-
верхности определялась распылением поверхност-
ных атомов: ρ/SjV = , где S – интегральный коэф-
фициент распыления; j – плотность ионного тока; ρ
– атомарная плотность материала. Слагаемые в пра-
вой части уравнений, пропорциональные V, опреде-
ляются выбором системы координат, которая сме-
щается вместе с поверхностью твердого тела. Про-
фили распределения имплантированного азота в ма-
териале G(x) вычислялись с использованием про-
граммы SRIM [5]. Система уравнений решалась чис-
ленно с использованием программы DMOLH [6], ко-
торая основана на методе Гира дифференцирования
назад, при следующих начальных и граничных усло-
виях:
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 4.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (89), с. 182-184.
182
0)0,( =xcn , ,0)0,x(cp =
0
),0(
=
∂
∂
x
tc p 0),0( =
∂
∂
x
tcn , 0t)(x,cn =∞→x ,
.0t)(x,cp =→ ∞x
В расчетах предполагалось, что коэффициенты
диффузии и распыления не зависят от концентрации
азота.
В качестве модельной системы был выбран
сплав Fe-Cr, являющийся основой аустенитных ста-
лей. В работе [1] установлено, что при температурах
до 730 К азот находится в составе так называемого
расширенного γN-аустенита (expanded austenite) и
связан с атомами хрома, не образуя при этом извест-
ных химических соединений CrN или Cr2N. Поэтому
используемая модель хорошо применима к данному
материалу. Температурная зависимость коэффици-
ента диффузии представлялась в виде D=D0Exp(-
Em/kT), где диффузионный фактор D0=3·10-3 см2/с, а
энергия активации миграции атомов азота Em= 75
кДж/моль [7]. В расчетах величина энергии связи
атома хрома с азотом Eb равнялась 0,4 эВ, что близ-
ко к значению Eb, используемому авторами работ [2,
8]. При сравнении с экспериментальными данными
имитировались условия, соответствующие испыта-
ниям. Так как поток состоял из 55% молекулярных и
40% атомных однозарядных ионов [4], то рассчиты-
ваемый поток представлял собой суперпозицию из
атомов азота различной энергии.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Были проведены расчеты зависимости концен-
трации азота по глубине в сплаве Fe + 20 ат %Cr. На
рис. 1 сплошной линией приведены данные компью-
терных расчетов концентрации азота после его им-
плантации с энергией 1,2 кэВ до дозы 3.5·1019 ион/
см2 при плотности ионного тока 1 мA/см2 и темпера-
туре 673 K.
Рис. 1. Концентрация азота в сплаве Fe-Cr и в
аустенитной стали после ионного азотирования
Из рисунка видно, что концентрация азота до
глубины 1500 нм изменяется медленно, а затем на-
блюдается ее резкий спад до нуля. Такое поведение
графика концентрации обусловлено образованием
комплексов азота с атомами хрома. Маркерами на-
несены (см. рис. 1) имеющиеся экспериментальные
данные для аустенитной стали AISI 304L [1], содер-
жащей 20 ат. %Cr. Наблюдается хорошее согласие
экспериментальных данных и теоретических расче-
тов. Так расчетная кривая хорошо описывает как ли-
нейный участок зависимости концентрации от глу-
бины, так и падение концентрации в конце азотиро-
ванного слоя.
В отличие от рассматриваемых ранее моделей [8]
предложенная в данной статье математическая мо-
дель ионного азотирования позволяет не только объ-
яснить форму наблюдаемой концентрационной кри-
вой азота [4], но и исследовать влияние таких пара-
метров ионного потока, как его плотность и энергия
на толщину азотированного слоя. Наличие двух кон-
курирующих механизмов: ионного распыления и
термической диффузии приводит к сложному виду
зависимости проникновения азота от плотности
ионного тока.
На рис. 2 показаны результаты расчетов зависи-
мости количества азота, внедренного в материал на
площади в 1 см2 при характерном времени обра-
ботки 1 ч, для различных значений ионного тока.
Рис. 2. Изменение количества внедренного азота в
сплаве Fe+ 20 ат.% Cr в зависимости от плотно-
сти ионного тока. Энергия ионов 1,2 кэВ; темпера-
тура 673K, время обработки 1 ч
Видно, что для данной температуры наибольшее
количество азота, внедренного в материал, будет на-
блюдаться при плотности ионного тока 0,5 мA.
Уменьшение или увеличение ионного тока приводит
к уменьшению эффективности процесса азотирова-
ния. Таким образом, при разработке технологии азо-
тирования для новых сплавов необходимо учиты-
вать наличие оптимального значения плотности
ионного тока.
В работах [9, 10] было показано, что увеличение
концентрации азота хорошо коррелирует с увеличе-
нием микротвердости поверхности материала, а уве-
личение глубины азотируемого слоя сопровождает-
ся увеличением износостойкости обрабатываемого
изделия. Это позволяет использовать расчетные дан-
ные по концентрации азота в приповерхностной об-
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 4.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (89), с. 182-184.
183
ласти для прогнозирования изменения поверхност-
ных свойств материала.
ВЫВОДЫ
В статье разработана компьютерная модель
ионного азотирования аустенитных сталей, учиты-
вающая диффузию азота, процессы распыления по-
верхности и образования примесных комплексов
азота, позволяющая прогнозировать свойства по-
верхностных слоев при различных условиях высоко-
дозной ионной импланации. Данные расчетов хоро-
шо совпадают с имеющимися экспериментальными
результатами и отражают особенности формирова-
ния азотированных слоев в аустенитных сталях.
Проведенные расчеты показывают, что для раз-
личных условий ионной обработки существует оп-
тимальное значение ионного тока, которое позволя-
ет проводить процесс ионного азотирования с мини-
мальными затратами.
Дальнейшее развитие модели связанно с учетом
процессов фазообразования при более высоких тем-
пературах и миграции радиационных дефектов при
больших энергиях ионных пучков.
ЛИТЕРАТУРА
1.J.P. Riviere, P. Meheust, J.P. Villain. Vear resistance
after low-energy high-flux nitrogen implantation of
AISI 304L stainless steel //Surf. Coat. Technol. 2002,
v. 158-159, p. 647–652.
2.W. Moller, S. Parascondola, T. Telbisova, R. Gunzel,
E. Richter. Surface processes and diffusion mechanisms
of ion nitriding of stainless steel and aluminium //Surf.
Coat. Tech. 2001, v. 136, p. 73–79.
3.V.I. Dimitrov, J.D. Haen, G. Knuyt et al. A method
for determination of the effective diffusion coefficient
and sputtering rate during plasma diffusion treatment
//Surf. Coat. Tech. 1998, v. 99, p. 234–241.
4.J.P. Riviere, P. Meheust, J.P. Villain et. al. High cur-
rent density nitrogen implantation of an austenitic stain-
less steel //Surf. Coat. Technol. 2002, v. 158–159, p.
99–104.
5.http://www.srim.org/
6.О.В. Бартеньев. Математическая библиотека IM-
SL. Ч. 3. М.: «Диалог МИФИ», 2001, 368 с.
7.Физические величины: Справочник /Ред.
И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихов. М.: «Энергоатомиз-
дат», 1991, 1232 с.
8.S. Parascondola, W. Moller, D.L. Williamson. The ni-
trogen transport in austenitic stainless steel at moderate
temperatures //Appl. Phys. Let. 2000, v. 76,
p. 2194–2196.
9.C.A. Figueroa, D. Wisnivesky, P. Hammer et al. A
comprehensive nitriding study by low energy ion beam
implantation on stainless steel //Surf. Coat. Technol.
2001, v. 146-147, p. 405–409.
10.M. Berg, C.V. Budtz-Jørgensen, H. Reitz et al. On
plasma nitriding of steels //Surf. Coat. Technol. 2000,
v. 124, p. 25–31.
ВИСОКОДОЗНА НИЗЬКОЕНЕРГЕТИЧНА ІОННА ІМПЛАНТАЦІЯ АЗОТУ У СПЛАВАХ
І.Г. Марчeнко, І.І. Марчeнко, І.М. Нeклюдов
Методами математичного моделювання досліджені процеси формування азотованих шарів у сплавах під впливом
низькоенергетичних іонних потоків. Показано що зміна концентрації азоту у матеріалах обумовлена процесами розпилу
поверхні та термічної дифузії імплантованих іонів з подальшим їх захватом розчиненими атомами домішок. Отримані
залежності глибини проникнення азоту у аустенітну сталь гарно корелюють з отриманими експериментальними даними.
Показано, що для різних умов іонної обробки існує оптимальне значення іонного току, яке дозволяє проводити процесс
іонного азотування з мінімальними затратами.
HIHG DOSE LOW ENERGY ION IMPLANTATION IN ALLOYS
I.G. Marchenko, I.I. Marchenko, I.M. Neklyudov
A computer simulation of alloys ion nitriding has been developed. The nitration rate of steel surface layers has been estimat-
ed at various temperatures and ion current densities. The obtained data on the ion penetration are in a good agreement with the
current experimental data. It is revealed that for various ion treatment conditions there is an optimum ion current value, by which
the losses of the ion nitration are minimum.
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 4.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (89), с. 182-184.
184
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=IssueURL&_tockey=%23TOC%235544%232000%23998759998%23160871%23FLA%23display%23Volume_124,_Issue_1,_Pages_1-85_(1_February_2000)%23tagged%23Volume%23first%3D124%23Issue%23first%3D1%23Pages%23first%3D1%23last%3D85%23date%23(1_February_2000)%23&_auth=y&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=30ee71b996dfb3a7a58946e87a27e343
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=JournalURL&_cdi=5544&_auth=y&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=62322551e0d13fc20df6ae98e69a8df3
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=IssueURL&_tockey=%23TOC%235544%232000%23998759998%23160871%23FLA%23display%23Volume_124,_Issue_1,_Pages_1-85_(1_February_2000)%23tagged%23Volume%23first%3D124%23Issue%23first%3D1%23Pages%23first%3D1%23last%3D85%23date%23(1_February_2000)%23&_auth=y&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=30ee71b996dfb3a7a58946e87a27e343
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=JournalURL&_cdi=5544&_auth=y&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=62322551e0d13fc20df6ae98e69a8df3
УДК 621.384.6
И.Г. Марченко*, И.И. Марченко**, И.М. Неклюдов*
І.Г. Марчeнко, І.І. Марчeнко, І.М. Нeклюдов
I.G. Marchenko, I.I. Marchenko, I.M. Neklyudov
|