УДК 621.9

РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЧУГУНАХ, ОБЛУЧЁННЫХ ПОТОКАМИ ИОНОВ АЗОТА

Савин Игорь Алексеевич1, Акст Евгений Рудольфович2, Савина Анастасия Игоревна3
1ФГБОУ ВПО "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ", кандидат технический наук, доцент, заведующий кафедрой «Конструирование и технологии машиностроительных производств»
2Набережночелнинский институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», кандидат физико-математических наук, доцент
3ФГБОУ ВПО "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева", студентка

Аннотация
В работе представлены результаты мёссбауэровских исследований графитных чугунов, облучённых потоками ионов азота. Изучается влияние формы графитных включений и режимов имплантации ионов азота на радиационно-индуцированные процессы в чугунах и изменение их свойств. Данная проблематика имеет многогранный характер.

Ключевые слова: графитные чугуны, ионная имплантация, мёссбауэровская спектроскопия


RADIATION-INDUCED PROCESSES IN NITROGEN-IMPLANTED CAST IRONS

Savin Igor Alekseevich1, Akst Evgeny Rudolfovich2, Savina Anastasia Igorevna3
1Kazan State Technical University named after A.N.Tupolev, PhD technical sciences, associate professor, Head of Department, Department of Engineering and technology engineering industries
2Naberezhnye Chelny institute (branch) of "Kazan (Volga) federal university", PhD physical and mathematical sciences, associate professor
3"The Nizhny Novgorod state technical university named after R. E. Alekseev", student

Abstract
In work results the myossbauerovs of researches graphitic singular cast iron. Plural cast iron, the ions of nitrogen irradiated with streams are presented. Influence of a form of graphitic inclusions and modes of implantation of ions of nitrogen on radiation the induced processes in the cast iron and change of their properties is studied. This perspective has many-sided character.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Савин И.А., Акст Е.Р., Савина А.И. Радиационно-индуцированные процессы в чугунах, облучённых потоками ионов азота // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/11/39532 (дата обращения: 30.09.2017).

Чугуны относятся к разряду сравнительно недорогих, доступных и технологичных конструкционных материалов, широко используемых в различных отраслях производства, включая машиностроение. В связи с этим понятен интерес, проявляемый со стороны исследователей и практиков, к поиску новых эффективных способов воздействия на данные материалы с целью существенного улучшения их физико-механических и эксплуатационных характеристик. В настоящее время совершенствуются уже известные и разрабатываются принципиально новые технологические процессы, приводящие к благоприятному изменению структуры и свойств чугунов. К числу таких перспективных способов воздействия на чугуны можно отнести метод ионной имплантации.

Метод ионной имплантации основан на внедрении ускоренных в электростатическом поле ионов различных элементов в поверхностные слои материала. При этом могут быть  существенно изменены состав и структура приповерхностных областей, что позволяет модифицировать практически все, контролируемые состоянием поверхности свойства твёрдых тел. Ионно-имплатационная технология, получившая первоначальное развитие в области полупроводниковой микроэлектроники, в настоящее время успешно используется для модифицирования свойств поверхностных слоёв металлов и сплавов, что послужило основой для формирования нового в ионно-лучевой технологии направления – имплантационной металлургии. По сравнению с традиционными способами обработки поверхности металлических изделий (диффузионным насыщением, напылением, ХТО) метод ионной имплантации имеет ряд преимуществ: резкое сокращение длительности процесса обработки;  повышение пределов растворимости в твёрдом состоянии и независимость образования поверхностных сплавов от констант диффузии; отсутствие проблем адгезии, так как не существует ярко выраженной границы раздела между модифицированным слоем и объёмом материала; весьма незначительные изменения размеров обрабатываемой детали; возможность проводить селективную обработку отдельных её участков и др. [3,4].

Для целенаправленного воздействия на свойства конкретных металлических материалов и разработки технологических основ ионно-лучевой обработки готовых изделий необходимо достаточно ясное и полное представление о всём многообразии процессов, происходящих в данных материалах при ионной бомбардировке. В этом отношении чугуны, как очень сложные и неоднородные металлические структуры, могут быть отнесены к числу малоизученных материалов.

Объектом исследования в настоящей работе являлись графитные чугуны, исходная структура которых представляла собой феррито-перлитную металлическую матрицу с графитными включениями пластинчатой, вермикулярной и шаровидной формы. Химический состав образцов контролировался и находился в следующих пределах: 3,35 – 3,65 % по массе углерода; 1,5 – 2,2 % кремния; 0,5 – 0,85 % марганца; хрома не более 0,3 %.

Поверхность чугунов облучалась в ускорителе потоком однозарядных ионов азота с энергией 40 кэВ в диапазоне доз от 1·1017 до 5·1017 ион/см2, при плотности ионного тока 50 мкА/см2. До и после облучения измерялась износостойкость образцов, а также микротвёрдость поверхностных слоёв. Изменения в структурно-фазовом составе облучённых слоёв регистрировались с помощью ядерной гамма-резонансной (мёссбауэровской) спектроскопии.

Мёссбауэровские (ЯГР) спектры были получены в геометрии обратного рассеяния посредством регистрации электронов внутренней конверсии, а также вторичного характеристического рентгеновского излучения. Выбор методов измерения спектров обусловлен тем, что образцы исследуемых чугунов являются непрозрачными для мёссбауэровского гамма-излучения и традиционная методика измерения ЯГР-спектров «на просвет» для данных объектов неприемлема. В случае регистрации электронов внутренней конверсии толщина зондируемого слоя (глубина выхода электронов) сравнима со средней глубиной пробега имплантируемых в материал ионов азота. При регистрации вторичного рентгеновского излучения толщина зондируемого слоя на два порядка больше. Это позволяет осуществлять селективные по глубине исследования: получать информацию непосредственно о имплантированном слое и прилежащих к нему слоях с регистрацией изменений в структуре и фазовом составе материала. Возможности обычного рентгеноструктурного анализа для решения подобной задачи существенно ограничены, поскольку в формировании рентгеновской дифракционной картины принимает участие поверхностный слой, значительно превышающий по толщине область интенсивного радиационно-индуцированного фазообразования.

С целью изучения влияния формы графитных включений на процессы, протекающие в облучаемых слоях, образцы для серии экспериментов подбирались таким образом, чтобы их химический состав, размер графитных включений и плотность распределения графита в металлической матрице были максимально близкими. В таком случае переменным фактором становиться только удельная площадь поверхности графитных включений (т.е. плотность границ графита) –  минимальная для чугунов с компактной-шаровидной формой графитных включений и более высокая для чугунов с вермикуляным и пластинчатым графитом.

Анализируя результаты проведённых исследований, можно отметить, что ЯГР-спектры всех образцов в исходном состоянии практически идентичны и представляют собой типичную для твёрдых растворов α-железа суперпозицию секстетов, соответствующих атомным конфигурациям с различным числом примесных атомов кремния в ближайшем окружении Fe57. Соотношение интенсивностей линий в подспектрах коррелирует с химическим составом чугунов. Во всех спектрах помимо преобладающей ферритной составляющей наблюдается также менее интенсивный секстет линий, характерный для цементита. Таким образом, характер указанных спектров в полной мере соответствует представлениям о структурно-фазовом составе исследуемых чугунов.

Облучение чугунов ионами азота приводит к заметному снижению относительной интенсивности компонентов спектра, обусловленных наличием в феррите атомов кремния. В наибольшей степени этот эффект проявляется  у чугунов с пластинчатым и вермикулярным графитом при дозах облучения D 2·1017 ион/см2.  Это можно объяснить следующими процессами в облучаемых слоях. Бомбардировка чугунов ионами азота приводит к образованию вдоль траекторий их движения большого количества точечных радиационных дефектов.  Эти дефекты при указанных дозах облучения направляются к местам эффективного стока (захвата) дефектов, т.е. к границам зёрен, и, по-видимому, в большей степени, к границам графитных включений. Поток дефектов увлекает за собой атомы растворённого кремния, имеющие меньший атомный радиус, чем атомы железа-расстворителя, что приводит к скоплению атомов указанной примеси на границах зёрен. Поскольку плотность графитных границ в чугунах с пластинчатым и вермикулярным графитом более высокая, чем в чугунах с шаровидным графитом, то и процессы радиационно-индуцированной сегрегации протекают здесь боле эффективно. Другой причиной снижения содержания кремния в феррите может быть его более интенсивное, избирательное распыление под действием ионного луча.

Начиная с дозы облучения чугунов 2·1017 ион/см2 в их ЯГР-спектрах, полученных регистрацией электронов внутренней конверсии, наблюдаются дополнительные компоненты, что можно объяснить появлением в сплавах новых фаз. При этом в спектрах тех же образцов, но полученных регистрацией вторичного характеристического рентгеновского излучения, дополнительных компонентов не наблюдается. Это говорит о том, что интенсивное фазообразование, вызванное имплантацией в чугуны ионов азота, происходит преимущественно в поверхностных слоях толщиной от нескольких десятков до сотен нанометров.

Параметры сверхтонкой структуры (СТС) дополнительных компонентов ЯГР-спектров позволяют связать их с нитридами ε-Fe3N  и  γ΄-Fe4N.  У чугунов с пластинчатым графитом при дозе облучения 2·1017 ион/см2 доли подспектров ε-фазы и γ΄-фазы в результирующем спектре составляют 6 % и 12 %, а при дозе имплантации 5·1017 ион/см2 – 17 %  и 8 % соответственно. Доли подспектров ε-фазы и γ΄-фазы у чугунов с вермикулярным графитом при дозе облучения 2·1017 ион/см2 составляют 16 %  и 7 %, а при дозе 5·1017 ион/см2 – 18 %  и 12 %. У чугунов с шаровидным графитом лишь при дозе имплантации 5·1017 ион/см2 наблюдаются подспектры ε- и γ΄-фаз и их доли составляют 14 % и 5 %, а при дозе облучения 2·1017 ион/см2 изменения в ЯГР-спектре незначительные. Математическая обработка ЯГР-спектров чугунов с пластинчатым и вермикулярным графитом свидетельствует также о наличии в данных спектрах парамагнитной и магнитной составляющей с параметрами СТС, распределёнными в достаточно широком диапазоне значений. Доля этих компонентов у сплавов с пластинчатым графитом при дозе имплантации 5·1017 ион/см2 составляет 18 %, а у сплавов с вермикулярным графитом – 13 %. Параметры СТС указанных компонентов позволяют связать их с гексагональными ε-карбидами и карбонитридами. Метастабильные ε-карбиды в условиях ионной бомбардировки могут образовываться в каскадах атомных смещений посредством механизма атомного перемешивания [1]. Наиболее вероятным местом образования таких карбидов в чугунах является, очевидно, область границ графита и металлической матрицы. Что касается нитрида ε-Fe2+ХN, то азот и углерод являются взаимозаменяемыми в этом соединении и концентрация указанных элементов может изменяться здесь в достаточно широких пределах (0 < х < 3,2). Изменение содержания азота и углерода в карбонитриде ε-Fe2+Х(N,С), приводит к непрерывному изменению параметров СТС соответствующих подспектров. При х ≤ 0,3 магнитная ε-фаза превращается в парамагнитную.

Результаты измерения износостойкости и микротвёрдости облучённых образцов коррелируют с данными мёссбауэровской спектроскопии. Наибольший эффект возрастания износостойкости и микротвёрдости наблюдается у чугунов с пластинчатой формой графитных включений, а наименьший – у чугунов с шаровидным графитом. При этом микротвёрдость сохраняется повышенной у всех образцов до глубин не менее 50 мкм, что примерно на два порядка больше толщины имплантированного слоя.

Анализируя полученные результаты и сопоставляя их с данными из литературных источников можно сделать следующие выводы:

1. При облучении чугунов ионами азота свободный графитный углерод, присутствующий в структуре сплавов, способствует процессу образования вторичных нитридных и карбонитридных фаз, поскольку относительная доля этих фаз в облучённых чугунах более высокая, чем в чистом железе и углеродистых сталях при аналогичных режимах имплантации ионов азота [1,2].

2. Преобладающими вторичными фазами, образующимися в облучённых ионами азота чугунах, являются нитриды, карбиды и карбонитриды ε-типа. Эти фазы имеют гексагональную кристаллическую решётку, подобную решётке графита, и в широких пределах растворяют азот с углеродом, которые являются здесь взаимозаменяемыми. По-видимому, в неравновесных условиях ионной имплантации и в присутствии большого количества свободного углерода, образование таких фаз является предпочтительным с энергетической и кинетической точек зрения. Ведущую роль в динамике фазообразования играют механизмы радиационно-индуцированной сегрегации и ионного перемешивания.

3. Новые фазы в облучаемых ионами азота чугунах выпадают преимущественно на границах графитных включений. Эти границы при облучении играют роль эффективных стоков (ловушек) точечных радиационных дефектов. Поток дефектов к стокам увлекает за собой имплантированные в чугун атомы азота и приводит к их скоплению на границах графитных включений. Это повышает вероятность образования здесь азотосодержащих фаз. Более высокая плотность графитных границ в чугунах с пластинчатым графитом приводит к большему количеству вторичных фаз в этих сплавах. Плотность графитных границ в чугунах с шаровидным графитом наименьшая, поэтому процессы радиационно-индуцированной сегрегации атомов азота и образования здесь новых фаз протекают менее интенсивно.

4. Основной причиной повышения износостойкости и микротвёрдости облучённых ионами азота поверхностных слоёв чугунов является выпадение здесь вторичных нитридных и карбонитридных фаз, поскольку наибольший эффект повышения износостойкости и микротвёрдости чугунов с пластинчатым графитом сопровождается более высоким содержанием указанных выше фаз в имплантированном слое данного материала. Другим механизмом повышения микротвёрдости чугунов может являться возрастание в облучаемых слоях плотности точечных радиационных дефектов, которые по мере нарастания своей концентрации объединяются в трёхмерные кластеры и дислокационные петли, упрочняющие материал. Повышенную микротвёрдость образцов на глубинах, значительно превышающих средний пробег ионов азота в чугунах, можно объяснить радиационно-стимулированной диффузией имплантируемых атомов и радиационных дефектов в глубь образца.


Библиографический список
  1. Longworth G., Hartley N. Mossbauer effect study of nitrogen-implanted iron foils // Thin Solid Films. – 1978. – V.48. – № 1. – P.95.
  2. Principi G., Matteazzi P., Ramous E. Mossbauer surface study of nitrogen-implanted high carbon martensite // J.Mater.Sci. – 1980. – V.5. – P.2665.
  3. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. – М.: Металлургия, 1990.
  4. Савин И.А., Гавариев Р.В. Особенности проектирования технологической оснастки для получения отливок сплавов цветных металлов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2012. № 4-2. С. 41-43


Все статьи автора «Parent»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: