Катод для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов

Предлагаемая полезная модель относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости деталей машин и механизмов. Сущность полезной модели состоит в том, что соосно в катоде выполнена несквозная кольцевая канавка с осевым диаметром (0,4-0,6)D и шириной (0,6-0,8)d, которая залита оловом, где D - диаметр дискового катода имплантера, d - диаметр активного пятна плазменной дуги на поверхности дискового катода. Фиг. 1.

Заявляемая полезная модель относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использована в машиностроении для повышения триботехнических свойств деталей машин и механизмов из конструкционных материалов.

Известен способ ионной имплантации, при котором поверхность обрабатываемой детали подвергается воздействию пучка ионов меди с дозой (1-5)·10 ¹⁷ ион/см² (Овчинников В.В., Козлов Д.А., Якутина С.В. Исследование свойств поверхности стали 30ХГСН2А после имплантации ионами меди. / Машиностроение и инженерное образование. 2009. 2. С. 7-13). В качестве катода имплантера используется диск из технически чистой меди диаметром 35 мм и толщиной 5 мм.

Недостатком катода из меди является небольшая глубина проникновения ионов меди в мишень, а также незначительное увеличение износостойкости облученных деталей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу ионной имплантации является способ, при котором поверхность обрабатываемой детали подвергается воздействию пучка ионов меди и свинца с дозой (1-5)·10 ¹⁷ ион/см², который получают за счет использования в качестве материала катода имплантера монотектического сплава меди с 36% свинца (патент РФ 2501886 МПК С23С 14/48). Применение монотектического сплава меди со свинцом позволяет значительно повысить глубину проникновения имплантируемых ионов, что способствует росту износостойкости стали.

Существенным недостатком прототипа является невозможность введения дополнительного третьего элемента в ионный пучок. Это существенно ограничивает глубину проникновения ионов в мишень, химический состав модифицированного поверхностного слоя и, в конечном счете, износостойкость детали после имплантации.

Заявляемый катод для ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной обеспечивает повышение износостойкости деталей из конструкционной стали в условиях трения с приложением внешней нагрузки к трущимся деталям.

Технический результат, на достижение которого направлен заявляемая полезная модель, обеспечивается тем, что соосно в катоде выполнена несквозная кольцевая канавка с осевым диаметром (0,4-0,6)D и шириной (0,6-0,8)d, которая залита оловом, где D - диаметр дискового катода имплантера, d - диаметр активного пятна плазменной дуги на поверхности дискового катода.

Подробнее сущность заявляемой полезной поясняется чертежами:

на фиг. 1 - представлена схема составного катода;

на фиг. 2 - представлены стадии изготовления составного катода;

на фиг. 3 - представлено изменение сортового состава ионного пучка при работе заявляемого катода;

на фиг. 4 - представлено изменение во времени положения активного пятна дуги на поверхности составного катода;

Выполнение совместной имплантации ионами с большой массой (свинец, олово) в сочетании с ионами (медь) близкими по массе к основе мишени (железо) позволяет создавать большое количество радиационных дефектов, по которым ионы меди проникают вглубь мишени. Максимальное значение глубины проникновения ионов в матрицу (стали 30ХГСН2А) достигается при использовании в качестве материала катода имплантера монотектического сплава меди со свинцом с содержанием свинца 36%. В тоже время введение третьего элемента в катод возможно только методом контактного легирования и при этом весьма ограниченного количества - не более 3-5%.

Заявляемый катод выполнен в виде диска 1 диаметром D из монотектического сплава меди со свинцом (фиг. 1). Соосно в диске 1 катода выполнена несквозная кольцевая канавка 2 с с осевым диаметром D₀=(0,4-0,6)D. Ширина несквозной кольцевой канавки 2 выбиралась из условия (0,6-0,8)d, d - диаметр активного пятна 3 плазменной дуги на поверхности дискового катода.

Изменяя ширину несквозной кольцевой канавки 2 можно тем самым регулировать сортовым составом ионного пучка и длительность облучения имплантируемой мишени ионами каждого из элементов - меди, свинца и олова.

Увеличение содержания ионов олова в пучке, связанное с увеличением ширины несквозной кольцевой канавки 2, способствует увеличению глубины проникновения ионов меди, свинца и олова в мишень. Однако при ширине несквозной кольцевой канавки 2 равной 0,8d отмечается стабилизация глубины проникновения ионов и чрезмерное повышение концентрации олова в имплантированном слое, которое сопровождается ростом коэффициента трения и снижением износостойкости имплантированной стали.

Уменьшение ширины несквозной кольцевой канавки 2 менее 0,6d сопровождается уменьшением содержания ионов олова в пучке, что отрицательно сказывается на износостойкости имплантированных стальных деталей.

Поэтому оптимальной является ширина несквозной кольцевой канавки 2 в диапазоне (0,6-0,8)d, d - диаметр активного пятна 3 плазменной дуги на поверхности дискового катода.

Расположение несквозной кольцевой канавки 2 оказывает существенное влияние на положение активного пятна 3 плазменной дуги и направление его перемещения в течение импульса тока. При осевом диаметре D₀ несквозной кольцевой канавки 2 менее 0,4D длительность пребывания активного пятна 3 плазменной дуги на поверхности монотектического сплава превышает существенно время горения активного пятна 3 плазменной дуги на несквозной кольцевой канавке 2 из олова. В этом случае, длительность воздействия на облучаемую поверхность детали ионов меди и свинца существенно превышает длительность воздействия ионов олова в пределах длительности импульса горения дуги. Это приведет к малой насыщенности ионами олова имплантированного слоя и снижении износостойкости обработанных деталей.

При осевом диаметре D₀ несквозной кольцевой канавки 2 более 0,6D длительность пребывания активного пятна 3 плазменной дуги на поверхности монотектического сплава значительно меньше времени горения активного пятна 3 плазменной дуги на несквозной кольцевой канавке 2 из олова. В этом случае, длительность воздействия на облучаемую поверхность детали ионов меди и свинца существенно меньше длительности воздействия ионов олова в пределах длительности импульса горения плазменной дуги. Это приведет к большой насыщенности ионами олова имплантированного слоя и повышению коэффициента трения обработанных деталей.

Поэтому оптимальным является D₀=(0,4-0,6)D. В этом случае обеспечивается примерное равенство времени пребывания активного пятна 3 плазменной дуги на монотектическом сплаве и на несквозной кольцевой канавке 2 выполненной из олова.

Был изготовлен катод имплантера в виде диска диаметром 30 мм и толщиной 6 мм из монотектического сплава меди со свинцом с содержанием свинца 36% (фиг. 2, а). В диске катода методом токарной обработки была выбрана глухая несквозная кольцевая канавка с осевым диаметром 5 мм, глубиной 3 мм и шириной 2,2 мм (фиг. 2, б).

Затем диск был нагрет в электрической печи до температуры 300°C и в цилиндрическое углубление было залито жидкое олово. После кристаллизации олова и охлаждения диска до комнатной температуры, его поверхность со стороны углубления была обработана на токарном станке для формирования единой плоскости между диском 1 из монотектического сплава меди со свинцом и кольцевой несквозной вставкой 2 из олова (фиг. 2, в). Затем полученный составной катод был установлен в имплантер и была произведена имплантация образцов из стали 30ХГСН2А на режиме:

Методом вторичной ионной масс-спектрометрии была определена глубина проникновения ионов в имплантируемую мишень. Образцы имплантированной стали были подвергнуты испытаниям на износостойкость с определением весового износа. На трибометре определялась величина коэффициента трения. Полученные результаты приведены в таблице.

Испытания также показали, что при увеличении осевого диаметра D₀ несквозной кольцевой канавки 2 более 0,6D в имплантированном слое происходит накопление атомов олова и свинца, что сопровождается увеличением износа имплантированных образцов стали 30ХГСН2А при одновременном росте значений коэффициента трения. Аналогичное явление наблюдается и при увеличении ширины несквозной кольцевой канавки более 0,8d.

Исследование изменения сортового состава ионов в течение импульса тока в источника ионов плазмотрона при использовании катода с осевым диаметром несквозной кольцевой канавки 2 равной 0,5D (фиг. 3) показало, что в первые 5 мкс горения плазменной дуги в ионном пучке присутствуют только ионы меди и свинца.

По истечении 15 мкс горения плазменной дуги в составе ионного пучка появляются в незначительном количестве ионы олова. При этом плазменная дуга 3 смещается с диска 1 катода на несквозную кольцевую канавку 2 выполненную из олова (фиг. 4, положение В). При этом в ионном пучке присутствуют двух, трех и четырехзарядные ионы меди, двух и трехзарядные ионы свинца и двухзарядные ионы олова.

Начиная с 25 мкс горения плазменной дуги в ионном пучке присутствуют только двух и трехзарядные ионы олова, а также небольшое количество ионов меди и свинца.

Таким образом, использование дискового составного катода с несквозной кольцевой канавки 2 с осевым диаметром (0,4-0,6)D и шириной (0,6-0,8)d, которая залита оловом, позволяет повысить глубину проникновения ионов в мишень и износостойкость имплантированной стали 30ХГСН2А.

Катод для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов, выполненный в виде диска из монотектического сплава меди со свинцом, отличающийся тем, что диск выполнен с соосной несквозной кольцевой канавкой с осевым диаметром (0,4-0,6)D и шириной (0,6-0,8)d, которая залита оловом, где D - диаметр дискового катода, d - диаметр активного пятна плазменной дуги на поверхности дискового катода.